（机械制造及其自动化专业论文）晶圆磨床磨削力在线测量系统的研究与设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着半导体晶圆直径的增大和芯片厚度的减薄，对晶圆表面加工质量和加工效率提 出了更高的要求。在晶圆磨削过程中，磨削力直接影响晶圆磨削表面质量和加工效率， 对其进行监测和控制是实现晶圆高效低损伤加工的重要途径。开发晶圆磨床磨削力测量 系统可以充分发挥磨床性能，提高磨削过程的可靠性，为实现控制力磨削奠定基础。现 有的晶圆磨床绝大多数并不具备磨削力在线测量系统，因此进行相关的研究开发非常必 要。 本文在分析晶圆自旋转磨削原理的基础上，提出了对三向磨削力进行全面监测的方 案，确定了磨削力的分解方法和测量方法。通过曲线积分计算了磨削力各分力的大小、 方向、作用点和力矩，建立了磨削力的传递模型，为磨削力的预测提供了参考。根据磨 削力分力方向建立了测力平台坐标系，并分析了在“双主轴三工位”晶圆磨床上实现磨 削力连续监测的必要条件。根据设计测力量程，计算了压电测力平台装配所需的最小预 紧力。 分析了压电测试系统的组成和测量原理，选择了合理的压电晶组和测试线路，设计 了晶圆磨床在线测量动态磨削力的测力平台。为了确保磨床加工系统整体刚度和测力仪 性能，对测力平台的轴向刚度和最大工作载荷下的轴向变形进行了静力学分析，对测力 平台的固有频率进行了相关模态分析，并根据分析结果对测力平台结构尺寸进行了优 化。结合晶圆磨床实际情况，提出了三向压电测力平台的静态标定和动态标定的方法。 讨论了磨削力对材料去除率和晶圆磨削质量影响，通过试验分析了工艺参数对磨削 力影响，在此基础上，提出了晶圆磨床控制力磨削系统的组成和控制力磨削工艺方案， 是对实现晶圆高效低损伤加工途径的有益探索。 关键词：磨削力；测力平台；晶圆磨床；控制 晶圆磨床磨削力在线测量系统的研究与设计 r e s e a r c ha n dd e s i g no fo n - l i n em e a s u r e m e n ts y s t e m f o rg r i n d i n gf o r c eo fw a f e rg r i n d e r a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fw a f t e rd i a m e t e ra n dt h er e d u c i n go fc h i pt h i c k n e s s , h i 曲 m a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t y 黜r e q u i r e d i nt h ep r o c e s so f w a f e r 乎i n d i n 舀g r i n d i n gf o r c e h a v ed i r e c ti n f l u e n c e so nt h eq u a l i t ya n dm a c h i n i n ge f f i c i e n c y , s om o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo f i t i sc o n s i d e r e da sa ni m p o r t a n tt e c h n i q u ef o rp r o c e s s i n gw a f e r sw i t hh i g he f f i c i e n c ya n df r e e d a m a g e m e a s u r e m e n ts y s t e mf o rg r i n d i n gf o r c eo f w a f e rg r i n d e rc a ng i v ef u l lp l a yt og r i n d e r p e r f o r m a n c e ，i m p r o v er e l i a b i l i t yo ft h el 雠o c e s so fg r i n d i n g , a n de s t a b l i s ha p p l i c a t i o n f o u n d a t i o nt or e a l i z ec o n t r o lf o r c eg r i n d i n g h o w e v e r , m o s to ft h ee x i s t i n gw a f e rg r i n d e r s h a v e n to n - l i n em e a s u r e m e n ts y s t e m , 5 0i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u tr e l a t e dr e s e a r c h b a s e du p o nt h ea n a l y s i so fp r i n c i p l eo fw a f e rr o t a t i o ng r i n d i n g ，t h ea l l - r o u n df o r c e m o n i t o r i n gs c h e m ei sp r o p o s e d , a n dt h em e t h o do fd e c o m p o s i t i o na n dm e a s u , e m e n to f g r i n d i n gf o r c ei sp r e s e n t e d - t h es i z e , d i r e c t i o n , f u n c t i o n a lp o i n ta n dm o m e n to ft h e c o m p o n e n tf o r c ea r ec a l c u l a t e db yc u r v i l i n e a ri n t e g r a l t h e nf o r c et r a n s f e rm o d e li sb u i l t , w h i c hp r o v i d e sr e f e r e n c e sf o rf o r e c a s t i n gg r i n d i n gf o r c e a c c o r d i n gt ot h ed i c t i o no f c o m p o n e n tf o r c e , t h ec o o r d i n a t es y s t e mo ff o r c e - m e a s u r i n gp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d , a n dt h e n e c e s s a r yc o n d i t i o no fc o n t i n u o u sm o n i t o r i n gf o rw a f e rg r i n d e rw i t ht w o - s p i n d l ea n d t h r e e - w o r k i n g - p o s i t i o n i s a n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h e m e a s u r i n gr a n g e ，m i n i m t l m p r e - t i g h t e n i n gf o r c ei na s s e m b l yo f t h ep l a t f o r mi sc a l c u l a t e d p r i n c i p l eo fm e 舢e m e l l ta n dc o m p o s i t i o no ft h ep i e z o - q u a r t zs y s t e ma r ee x p o u n d e d , a n dr e a s o n a b l ec r y s t a lg r o u p sa n dt e s tc i r c u i ta r es e l e c t e d t h e no n - l i n ef o r c e - m e a s u r i n g p l a t f o r mo f w a f e rg r i n d e ri sd e s i g n e d i no r d e rt og u a r a n t e et h es t i f f n e s so f m a c h i n i n gs y s t e m a n dt h ep e r f o r m a n c eo fd y n a m o m e t e r ，a x i a ls t i f f m e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h ep l a t f o r mu n d e r m a x i m l m lw o r kl o a da r ea n a l y z e db ys t a t i ca n a l y s i s ，a n dt h en a t u r a lf r e q u e n c yi sc a l c u l a t e d b ym o d a la n a l y s i s f m t h e r m o r e , t h es m l c t a r a ld i m e n s i o ni so p t i m i z e d i na d d i t i o n , m e t h o d s o f s t a t i ca n dd y n a m i cc a l i b r a t i o na r ep r o p o s e d , a c c o r d i n gt oa c t u a lc o n d i t i o no f t h eg r i n d e r t h ee f f e c to fg r i n d i n gf o r c e0 1 1m a t e r i a lr e m o v a lm t ea n d $ u l - f a e el a y e rq u a l i t yi s d i s c u s s e d a n ds o m ee x p e r i m e n t sa r et a k e nt or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e r so n g r i n d i n gf o r c e b a s e do na n a l y s i sa b o v e ，c o m p o n e n t so fc o n l r o lf o r c e # n d ；n gs y s t e ma n d p r o c e s ss c h e m eo fc o n t r o lf o r c e 咖d i n ga l ep r e s e n t e d , w h i c hi sah e l p f u le x p l o r a t i o nt ot h e t e c h n i q u ef o rp r o c e s s i n gw a f e r sw i t hh i g he f f i c i e n c ya n df r e ed a m a g e ， k e yw o r d s ：g r i n d i n gf o r c e ：f o r c e - m e a s u r i n gp l a t f o r m ；w a f e rg r i n d e r ；c o n t r o l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注舜口致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：生：置日期：丝! ：竺：! 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕圭、溥士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被套鬻和借阆。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盟茎= 型 导师签名： 雌挝 丑年上月兰目 大连理王大学硕士学整论文 1绪论 1 1 。论文的选题背景及来源 集成电路( i n t e g r a t ec i r c u i t , i c ) 是电予信息产业的核心，是推动国民经济和社会信息 化发展最主要的高新技术之一l 嘲。i c 的制造离不开高精度、高表面质量的硅片，全球 9 0 璇上麴玲罄要采雳硅片。隧麓半鬈体菇嚣壹径静增大和芯鸶霉发静减薄，对晶蹑 表面加工质量和加工效率提出了更惠的要求，需要研究和开发先进的糍片越糖密加工技 术与设备。而大直径( 3 0 0 n l m ) 硅片的先进加工技术和设备的引进耍受到发达国家限制。 函诧，我们登须依靠自己的力薰研究具商自主知识产权的大巍径穗片的超精密加工技术 与设备。 i c 制造过程包括硅片豢4 冬( w a f e rm a n u f a c t u r i n g ) 、兹道( f r o n t - e n d ) 、检测( w a f e rt e s t ) 和后道m a c k 蚴d ) 四个阶段【4 】。在硅片制备阶段，需要将单晶键棒加工成具有高面型精度 和表面质囊的原始稳片；为i c 前道箭稀中的光刻等工序准餐平趣化麓光滑无损伤的衬 簌表覆。在配锱遥豹居遴工黪除段，为满足瓣装瓣玷芯冀簿度豹要求，努须在鬣背秘 越装翦对究成i c 前道制程的图形礁片( p a 撞e m e dw a f e r ) 鹜蘧减薄( b a c kg r i n d i n g ) ，l i p 尽可 能减小硅片的厚度，并尽可能减小硅片背面的表面粗糙度和袭层残余应力，保证硅片强 度，避免在封装中产生破裂。随着硅片尺寸的不断增大，基于自旋转磨削原理的超精密 磐赘技术燕逐步代替传统硅片翻工正艺串静稀密、腐 交等工艺，在晶甏翱备帮图形硅片 的背灏减薄中缮到广泛应用。 为了实现我国电子信息产业的快速发展，推进半导体制造设备研发进稔，大连理正 大学精密与非传统加工教育部熏点实验室提出如下研究内容；针对下一代集成电路制造 技术对大盘径臻片黧鍪穰度帮表蚕宠整往静簧求潋及现有穗片热王王艺与设备所存在 的闯题，研究綦于控制力靼工件自旋转鹰削原理的大蛊径礁片意效率超糖密磨测掰技 术，通过对硅片高精度平蹩化必持定位、磨削力在线精密测避与控制、微驱动迸绘和控 翻、疆片群度在线测量、超细金刚砑砂轮的在线精细修锐、工艺系统和磨削液的温度检 溅与控制、瘗甏液静遂滤及供给、麓工系统静隔摄、面嫠精瘦轻表面完整瞧的裣滚等关 键技术的磷究，设诗和开发太尺寸礁片的裹效超精密磨削设蠢样机，取褥发明专利、萋 作权、版权等具有自主知识产权的技术成果，为大尺寸硅片商精度、搿质量和高效率的 点业化生产提供技术支持，提高我髑微电子制造业的技术水平和竞争能力，推动微电子 麓造鼗的跨越式发震。在翦麓开发z 箨豹萋稻上，犬连毽工大学鞠无镌开源机床集霞有 艰公镯建立了合作项曩全魍动超棱密晶圆磨床开发。本文故选题来源予该项曩，作 为其中的一部分，本文系统地研究了晶圆磨床磨削力测艇系统。 晶圆磨床磨削力在线测量系统的研究与设计 1 2 国内外研究现状 1 2 1 磨削力测量系统研究现状 随着对磨削动力学的深入研究和加工过程的自适应控制与在线检测的需要，压电磨 削测力仪方面的研究工作已经逐渐成为人们探索的热点。 目前，测力仪由于受应用环境等众多因素的影响，大多仅限实验室使用。但是随着 磨削加工自动化水平不断提高，对磨削力的实时监测要求也更为迫切，所以磨削测力仪 应从实验型走向生产型。为满足生产型磨削力监测系统需求，一方面需要扩大测力范围， 提高测力仪的固有频率和灵敏度等动静态指标；另一方面要考虑测力系统与机床兼容 性、测力平台可装配性等问题。 测力范围的扩大是指不但能满足大力值测量，还能满足微小力值的测量。大力值测 量应在传感元件不被损坏的情况下尽量提高可测最大值。例如对于高效深磨【5 】( 髓d e h i g he f i i c i e n e yd e e pg d n d i n g ) 理石加工，磨削力可高达3 0 0 0 n 以上。微小力值测力是指 载荷为3 0 0 n 以下，传感器输出仍呈线性，测力精确。例如进行研磨与珩磨测力时，磨 削力最大也仅为3 0 0 n 。 实时监测要求测力仪具有良好的动态特性。一般切削力信号是由静态分量与动态分 量两部分组成，其中静态部分是切削力的平均值，是切削变形所必需的力。动态部分则 是由多种不同的自振频率和激振频率的振动相叠加的结果，这些振动又以力和位移的变 化形式表现出来，形成动态分量。动态力与静态力不同，它的频率、幅值都随时间变化， 因此要想准确地测量动态力，测量仪就必须具有良好的时间响应和频率响应。 实时监测要求测力仪具有良好的静态特性。静态特性良好是指灵敏度高、静刚度高， 线性度小、滞后小和向间干扰小。灵敏度在整个量程内变化与否，标志着传感器测量的 精确性；随时间温度的变化程度标志着传感器的稳定性。灵敏度恒定，说明系统为理想 的线性系统，系统稳定，测量精确。灵敏度的大小标志着传感器对外界信号接受和转换 能力的高低：灵敏度高，说明传感器在静态力作用下，输出量的变化与输入量的变化之 比大，传感器对外界信号接受和转换能力强。向间干扰是传感器在力电转换过程中由于 各种原因而在输出端反映出的信号误差，必然对在理论上正确的转换加以干扰，造成传 感器乃至整个系统测试精度的下降，并且向间干扰是非线性的。因此在研制磨削测力仪 时，必须将向间干扰控制在尽可能低的程度。 纵观国内外技术发展现状，根据测力仪的结构和工作原理的不同，磨削测力仪主要 可分为组合式和整体式两大类别。 ( 1 ) 组合式压电磨削测力仪 三向测力仪 一2 大连理工大学颈士学位论文 瑞士奇士乐公司研制的9 2 5 7 b a 型三向测力仪由测力平台、控制单元、记录显示单 元和a d 卡构成。测力平台黔结构是由工作台、窳庶和4 个三维压电葫荚力传感器组成， 曩螓检建接。簧感器峦工终螽下半零支承，按照“桎舞器襄”分酝宠。涎力平台要求4 个揍感嚣严格保持着褥囱墩、垃置均布和一定豹预载，特别是与俺感嚣接触兹表面， 必须经过刮研与研磨，保迸接触表面的质量要求。豳每个传感器所允许承受的弯矩有 定的限度，所以规定合力作用点距测力平台台谢不许超过2 5 r a m 以上，在用于车削时， 其车刀刃尖一定要在平台纵向对称中心线上，且懋伸不得超过1 0 r n m 以上。测力仪适合 动态移澈耱态力测量，测耋藏疆酉量程可选，z 懿最大测力可达1 0 k n ，努辩率0 o i n ， 夺萋稔下x 、y 蠢灵敏度1 0 m v n ，z 岛灵敏度5 m v n ，x 、y 囱露裔簇率2 k h z ，z 蠢甏 有频率3 5 k k ，相间干扰小于3 。因为电荷放大器内置，铡力平台输出阻抗较低。 国濒兜串裔国测量鬟绕 图1 19 2 5 7 b a 型纛肉铡力计 f i g , 1 13 - c o m p o n e n td y n a m o m e t e rt y p e9 2 5 7 b a 取向平面磨削测力仪 双您壤潮溺力饺粥峦三令攀岛力倍感器、羔露蠹鞠菱痊经残，冀缭褥絮囤1 2 嚣示。 传感嚣夹在两个带刃日豹灏较体之掏莠薅串心螺钉将其紧紧追夹弧在工作台与萋痊之 间。水平放覆的两个传感器用来测量径向磨削力，纛直放置的个佟感器用来测量切向 磨削力。将传感器放在刃口上生要目的是为了减少横向干扰，使传麟器只能承受压力而 不承受( 域尽量少承受) 剪力，但考虑到整个仪器的刚性、稳定性和刃腻耐用度，刃口的 模角不太夺，一般以1 7 扩菇宣，因柱体也不突避长过缨，其耋经岛传感器稳当露可， 麓侵锈黼热对传感器影稳小，王箨支座与工终螽乏闯焉硬度笼热奉| 耪黼牙著焉冷帮承冷 却，整个溯力仪除试件支魔辨，全部用防护罩豢好并以软质橡胶密掰，以防冷却液和仍 屑进入。 鑫爨蓊瘴塞澍力在线灏囊系统懿辑究与设计 ( a ) 结构示意图( b ) 传感器放置示意图 圈1 2 双向磨剃测力技 f 碴，1 2o r i n c l i n g d y n a m o m e t e r o f 2 - c o m p o n 鞠t 采震秀舀结构，减少横囊予捷，这怒解决麓肇囊黉戆器测量多自力豹有效努法之一。 但是另一方面，使得测力仪结构复杂，接触面数量增加，刃口处面积减小，所以刚度变 差，动态往毙将受妥影镌。 高周肖频率磨削测力仪n 1 该溅力仪囊鲤本东京都力大学醪键，其霆鸯频率巍达1 9 0 k h z ，这是迄今为止酝魏 道的测力仪固肖频率的最高值。其结构示意图如图1 3 所示。为了提鬻测力仪的动态性 能，将尺寸a 嚣小的试传( 辔1 0 r a m 1 r a m ) 、压魄陶瓷传感元俸、电极等与基座瓷接胶绫 在起，整个测力仪除蕊座外仪仅有4 m m 高，体积眈通常的单向力传感器( 盎丹麦的8 2 0 0 型、瑞士的9 0 0 1 型、中国的y d s - 7 8 1 ) 还要小。该测力仪冈4 度蕊、灵敏度高、动态性能 好，适于测较搿频率酌动态力，但由予铡力范靥小，所以只能应用于赛验室。 外观 结构 翔1 3 菇露有频率瘩割溅力饺 f i g 1 3g r i n d i n gd y f l a m o l n e t e ro f h i g hn a t u r a lf r e q u e n c y ( 2 ) 整体试压电磨削测力仪 一毒一 校 x l ；葛畦s 鏊崖 大逢理工太学硕士学位论文 大连理工大学传感测控研究所在刀秆式军削测力仪的纂础上研制了整体式压电磨 掰测力平台。该铡力平台采阕整体式结构，工作台与基体一体纯，结构耐住和固有频率 较维会式鸯撮大提赢，势篱纯了装配过程；测力平念静溅力范匿羧瑞士奇士乐公司9 2 5 霹 型测力平台载测力藏墨舞l 2 售；传感元l 牛为薅组压毫墨荚晶髂，成本铰低，劳且转抉 效率鑫，稳定性好；压电石英传感器是由双弹性半环预紧，双弹性半环爨会理的分配测 力平台三向刚度和灵敏度；电路上采用推挽原理，提高了灵敏度，并消除温度于扰。 黼1 4 整体式蘧电蘑自目测力平台结构示意图 f i g 1 4s m 3 e m r eo f l m e g r a lp i e z o e l e 穗i cg r i n d i n gf o r c e - m e a s u r i n gp l a t f o r m 整体式压电磨削测力平台不仅可用于磨削力的测量，增加适当的辅具又可用子测量 车潮、铣削、理石加工测力。有广阔的市场和应用前景。 无论整体式结构还是组合式缩犄，减小压电溺力佼的横向干扰、提高结襁剐往及固 有频率等撑标是磅剑瘗裂测力纹豹核，各技术。蕤羞备释凌能誊誊料辩学熬研究深入，给露 削测力仪带来了簸的变化，匮电整体式结 奄代表了簸削测力仪发展的最薪技术动态。整 体式压电磨削测力平台具有联电传感嚣性能稳定、抗干扰性强、淹命长；整体妓结构和 弹性元件一双弹性半环预紧提高了测力平台的结构刚性和围有频率；制作工艺和装配 简化等优点。因此整体式结构备受各爵各科研单位和仪表企妲的瞩目，尤其是在机械加 工中应孺越来越广泛，代表了当前测力装鬣的新技术。 1 2 2 晶嘲磨廉磨削力溯量系统的研究现状 1 9 8 8 年日本学者s m a t s u i 等人捧9 i 提出了晶圆囱旋转磨肖方法，加工原理如图2 1 0 所示这种工艺采用赂大于碜片韵工件转台，遇过真空蔽盎每次装夹一个硅片，使硅片 麓中心岛转台静串心重合，棒型金爨嚣砂轮熬王作瑟调糕到疆冀豹串心位置。瘩潮辩， 硅片和砂轮绕各是的毒壹线鲤转，砂轮只进行轴翔进绘。 近几年来，圜外学者锥对晶圆自旋转磨酆中磨削力的铡薰靼控制舞展了一系列研究 工作。 晶爨藏寡密攀力在线溅爨系统静研究与设计 圈1 5 碱片鑫旋转癌凝暴壤图 f i 舀1 5p r i n c i p l eo f w a f e r r o t a t i o ng r i n d i n g 美国k a n s a ss t a t eu n i v e r s i t y 的z j p e i 等人对白旋转磨削法精密磨削晶圆的加工过 程，以及加工参数、秒轮粒度、冷却液供给等加工条俅对轴向縻自4 力、晶圆蕊型精度、 表面磨渐纹路、表面疆糙度的影响送行了系统静试验研究h o , 1 1 i 。日本h o h m o r i 等入将 开发的在线电勰修锐c e l i d ) 技术应用予晶圆自旋转工艺，以恒疆力切入进给磨翔j ( i n - f e e d g r i n d i n g ) 方式耱翻晶圜，获得袭面粗糙度为纳米级甚至亚纳米缀的镜西。 在晶圆超精密磨削理论研究和试验研究的基础上，国外的一些大学和公司融研究茅n 开发了犬直径晶西的辩澍力灏羟系统秘装备。 日本i b a r a k i 大学的h e d a 等人【1 2 以3 】研究了基于自旋转磨削原理的集成磨削系统， 该系统应蘑稽密气缸帮磨翻力捻测系统进行控戮力瘥群，在燃( r , o l i s h i n gi i k eg r i n d i n g ) 加工时可以控制磨削力低于2 0 9 f c m 2 。 荚溪c m n f i e l d 大学与c r a n f i e l d 耱密王覆蠢隈公越联合，蒎窭了势簿大壹径鑫瑟黪 单工序加- r ( s i n g l ep r o c e s s ) 技术，又研制成功一种新型的晶圆超精密磨床。该磨床为敞 嚣式绥梅，砂轮主辘和露转轴麓安装空气辍承，采爰羚医空气嚣辘窝锾遴绘辊鹣，具骜 磨削力控制系统，并采取控温、隔振等措施，w 在一个工序中以很高加工效率宪成晶圆 戆塑瞧缓缡寒戆熬，获爆缦努戆裹瑟秽受表瑟宠整性。 澳大利亚悉尼大学l z h a n g 等人采用金刚石磨盘逃行晶圆廉抛加工，试验装置通过 测力警窘穰密梭溅过毽孛豹磨擞力，霹进行越低载萄黪撵期工。 b b m i c h a e l 等人开发了m o d e l7 a g 晶片磨床，又称为智能磨床( i n t e l l i g e n tw a f e r g r i n d e r ) 。该磨床包含一个具鸯压力传感功能黝研磨轮，蘑轮舱主体是一个凰凌，圆擞 上有多个空穴，每个空穴装有一个磨具和一个蕊力传感器，传感器位子磨具和盘体之间。 力珏工时，压力传感器将每个磨具魇承受的压力( 即磨具作魇在晶片上的压力) 信母传递绘 一6 一 大连囊工丈学磺士学控谂文 控铡器，控制器以既调节驱动电机和避给杌捣，实时改交避给遴率，使加工过程始终保 持最佳状态。 s t m s b a u g h 公司7 a f 7 a gw a f e rb a c kg r i n d e r 、a d v a n c e d7 a a - i b s pg r i n d e r 配备煮 轴向力测量系统，可进行磨削力自适应磨削。磨削中，磨床将金刚石磨轮降低至晶圆表 瑟上，褥不同予露撬逶给磨赘巾壹接驱渤砂轮镌入鑫嚣表瑟。这样蔽铡麓蕊于鑫嚣表瑟 的向下切入力在预定最大值之内。如果程序指定的进给速度超出了砂轮的磨削能力，进 绘速度将服麸力鑫适应模式，并虽在摄季# 羼幕主会毒瑗警告鬟承。自逶疲囊戮筑骧最大 磨削速率加工工件，同时避免机床、砂轮和工件过载。 图i 6s t r a s b a u g h 公弼7 a f 型品圆磨床 f i g 1 6s 把a s b a u g h s7 a fw a f e rg r i n d e r 缘上骶述，在瑷鸯黥囊业偬鑫因磨床移试骏装置孛，瘗蘩力测控莰限于辘淘力，滏 未有对三向磨削力进行龛面测量并合理控制，进而实现磨削工艺优化的麟削系统。但是， 在晶圆嶷旋转黪剃中，切自主磨削力大小直接影响磨瓤黠蜃湾糍的功率，反映砂轮切削 状态；饺向力则影响晶阙磨削盾残余应力，因此，在全自动晶圆磨床样机开发邋程中有 必要开发三向磨削力测爨系统。 1 3 课题的意义及斑要研究内容 1 o 1 谦题的意义 在鼹圆磨削过程中，磨刖力是表征摩削状况鲍一个生要参数，不仅影响加王系统的 变形，丽且也题磨削过程中造成能量消耗、产生磨削热最及蘑削振动豹麓要原翻。磨削 力的大小对磨削效率、縻削加工精度、廉削表磷质量、砂轮耐用度等质覆指标均有直接 影嫡。程晶菡自旋转瘗黼加工中，酃使撩照预定的磨翻旗量指标选释持筋窘懿粥量进行 磨削，随着磨削时间的娥长，砂轮逐渐磨钝，磨削力逐渐增加，备项质蹙指标也会随着 蘑潮力籀交纯稀发生交诧，当癣潮力增大弱一寇程凄辩，上述各项葳量指标籍会超出藩 定的允许范围而无法保证预定的加工精度要求。因此，霄必要对磨削力避行在线监测。 7 ， 鑫嚣藏寨瘗翻力在线测爨系统蠡冬霹究与竣计 开发晶圆密床磨骶力测量系统可瑷优化磨潮过程，提鬻磨潮过程的可靠往，降低设备敬 障率，提高加正效率，保证晶嘲磨削质量，为实现控制力磨削奠定基础。 f 1 ) 瘗餐力溺量系统傀势 与当前绝大多数商业化磨床所采用的电流j | 氲测相比，磨削力监测具有明显优势： 在圭辘转速交讫嚣，瓣麓力写生毒鑫毫瀛交纯趋势不簿，毫流增大不钝袭臻密麓 力增大： 瘗联秀魄主辘遐滚更熊敏锐臻挺燕王状态戆浚变。对嗲热工状态兹交稼，圭辜囊 电流监测具有较大的时间滞后性和较低的灵敏度，而磨削力监测则能够及时灵敏地反映 鸯瑟工扶悫豹交纯。 裴志坚【1 0 墩授通过在s t r a s b a u g h7 a f 晶圆磨床上连续磨削3 5 片晶圆所得到的磨削 力与圭触电流变镬二对院圈，如霆l 。7 掰示。农整个黪潮过程中，磨削力变纯达超过了 5 0 ，丽主轴电流变化只有5 。 l l i w 甘 黼1 7 磬潮力与生轴电流对冼 f i 晷1 7 c o m p a r i s o no f g r i n d i n g 玳ea n ds p i n d l em o t o rc u 眦 ( 2 ) 磨削力测量系统的作用 监测加正过程 邋过对磨削力绝对值和波动幅度的滥测、记录和分析，来反映工作状态是甭正常或 优越，弗在异常情况下报警，提赢加工过程的可靠性。 窘潮力是加工过税工况参数综合反映，包括主轴功率、载荷和端面圆跳动，砂轮动 平衡和磨损程度，冷却液冷却效果；也是工艺参数的反映，包括：砂轮转速、晶圆转速 和迸给速度；嗣对影确嚣毽的翻工质爨，包括：尺寸精度，表灏亚表瑟损伤帮袭面租糙 度等。 一冀一 大连瑾工夫学硬圭学位论文 在正常知王获态下，蘑削力应该褥于较小豹稳定值，当蘑潮力绝对值过大或波动值 过大时则表明加工状态正在恶化，进而影响晶圆最终磨削质量。在具备某种硬脆材料加 工经骏静基确主，配余盆溅软伟可淤镶好实瑗热王过程豹篮灏。 ， 廉削过程稳定性搬测是由监测软件通过包络功能实现的。先由实验数据确定磨削过 程孛舞熬力波动范围，麓定惫络豢著存入数蘩痒，然瓣在瘗潮过程孛辩瘗潮力避行蘩态 监测，并实时晨示磨削力变化曲线。如果有磨削力超出规定包络带的范围情况发生，则 透露缀警莠鬏据警擐缀黎采取褪痤菇藏，弱辩记录当嚣重工提，矮于技零入贯努爨添因， 快速的查找故障源，从而实现了磨削过程监测的可视化、可分析性和报警功能。 爨诧攘王工艺秘瘗熬过程 全自动晶圆磨床可对多种硬脆材料进行加工，包括硅、砷化镓、氧化镁、铌酸锂、 玻璃、石英弱藏宝石等。当熬王菜种掰搴| 辩孵，往往鬟要对热王工艺参数逶学搽索鄂优 化。麟削力作为重要的过程参数和输出结果，可为最优工艺参数的确定提供重要依据。 凰1 8 瘗过程伐亿 f i g 1 8 g r i n d i n g p r o c e s s o p t 由n i z a f i o n 毙较傥纯魏密甏过程可戳在整灞劐静瘗麓力鏊线上得舜簿琥。优化蘑麓过程应侵藏 削力在粗磨、精磨阶段能达到稳定阶段并持续一定磨削时间，在光磨阶段能充分达到磨 赘力必零狳段，袈圈5 掰示。逶过对黪潮蓬程审磨澍力馥线夔懿藩彝z 艺过程变纯豹燕 示和记录，可以合理分配粗磨、精磨和无火花磨削阶段加工时间，进而确定粗磨和精磨 除段合理懿进绘速率、生毒垂转遽、去狳量及无灭葱瘗聚泠段爱爨时翔。 实现控制力磨削的基础 磨粼力测爨是妻动识甥削期工孛实觋坟态黢控、蠡逶应控铡衣最挽控铡必不可少瓣 环节。在全面、实时和精确测艇磨削力的基础上，加入一定的控制策略和反馈机能，对 工艺参数进行凌线智裁调整，裁可以实瑷控制力磨削。 鱼 晶圆磨床磨削力在线测量系统的研究与设计 因此，磨削力测量系统对于全自动超精密晶圆磨床可靠工作和性能提升具有重要作 用，对于提高我国半导体加工装备水平也具有重要意义。 1 3 2 本文的主要研究内容 本文研究工作是大连理工大学和无锡开源机床集团有限公司合作项目超精密 晶圆磨床开发的一部分。 针对磨削力在线测量系统开发任务，本文主要研究内容如下： ( 1 ) 本文在分析晶圆自旋转磨削原理的基础上，确定磨削力的分解方法和测量方法。 在分析磨削力各分力对加工过程和晶圆磨削质量影响的基础上，提出对三向磨削力进行 全面监测的方案。通过曲线积分计算磨削力各分力的大小、方向、作用点和力矩，建立 磨削力的传递模型，为磨削力的预测提供参考。 ( 2 ) 根据磨削力分力方向和测力平台工位转换，建立测力平台坐标系，满足对“双 主轴三工位”晶圆磨床磨削力连续监测的需要。 ( 3 ) 分析压电测试系统的组成和测量原理，为晶圆磨床磨削力测量系统选择合理的 压电晶组和测试线路。 ( 4 ) 设计晶圆磨床动态磨削力在线测量平台，并通过静力学分析和模态分析，优化 测力平台结构尺寸。根据设计测力量程，对压电测力平台装配所需的最小预紧力进行计 算。 ( 5 ) 论述三向压电测力平台静态标定和动态标定的方法，根据晶圆磨床磨削力由工 件向测力平台的传递需经过空气轴承的实际情况，提出在测力平台标定中增加在线静态 标定环节和进行测量结果补偿的方案。 ( 6 ) 讨论磨削力对材料去除率和晶圆磨削质量影响，通过试验分析工艺参数对磨削 力影响，在此基础上，提出在晶圆磨床上实现控制力磨削的工艺方案。 一l o 大连理工大学硕士学位论文 2 压电测试系统 2 1 压电测试系统组成 一个完整理想的压电测试系统由图2 1 所示的各个环节组成。而其中又以敏感环节 一压电石英力传感器和压电动态磨削测力仪为重点【垌。磨削力作用在砂轮和硅片之 间，通过力的传递，传递给磨削测力仪，测力仪将检测到的力信号转换为电信号，然后 通过放大环节和补偿环节后，输入计算机；计算机通过数据处理，将采集到的数据还原 为力信号，并将此信号以数字或波形形式显示出来。 叫c 飘h 。黼，h 。龋制鬻纛h 嚣p 图2 1 压电测试系统组成 f i g 2 1c o m p o s i t i o no f p i e z o - - e l e c t i ct e s ts y s t e m 2 。2 石英晶体的压电机理 2 2 1 压电效应 ( a ) 正压电效应( ”逆压电效应 图2 2 压电效应示意图 f i g 2 2 s k e t c ho f p i e z o e l e c t r i ce f f e c t 压电效应【1 7 j ( p i e z o - e l e c t r i ce 虢鲫指晶体由于机械力作用，而激起晶体表面电荷的现 象。电介质晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些表面上出现异号极化电荷，示意 图2 2 中( a ) 所示。利用这种正压电效应可以制成压电式力、速度或加速度传感器等。当 在压电晶体上加电场时，晶体不仅要产生极化，还要产生应变和应力，如图2 2 ( b ) 所示。当电场不是很强时，应变与外电场成线性关系。利用逆压电效应可以制成压电式 晶圆磨床磨削力在线测量系统的研究与设计 位移或力输出器，作为物性型执行器等，通常把正压电效应和逆压电效应都简称为压电 效应。 2 2 2 石英晶体的压电机理及压电效应表达式 压电力传感器是压电测力系统的核心元件，压电石英力传感器是以石英晶体为力一 电转换元件的一种静动态型变换器，与其它类型传感器相比，石英力传感器具有静态刚 性好、灵敏度高、分辨率高、线性好、滞后重复性误差小，稳定性好，频率响应与瞬态 响应良好、工作频带宽、动态测量误差小等特点。从研究、设计、使用压电力传感器的 需要出发，有必要了解石英晶体的特性、结构。 石英晶体属于无对称中心的晶体，当它在某一方向受压时，电平衡被破坏，而产生 压电效应。石英晶体之所以能产生压电效应是与它的内部结构分不开的。石英晶体的压 电结构示意图如图2 3 所示。图中“+ ”代表s i 4 + ，“- ”代表2 0 2 。 i ， p i ，i 嗽 辫 ( a ) t 1 = o ； t i 瑚；( c ) t 部；( d ) t 6 o 图2 3 石英晶体的压电结构示意图 f i g 2 3 p i e z o e l e c t r i cs h t i c 嘛o f q u a r t a zc r y s t a l 图( a ) 说明当作用在x 方向上的正压力t l = o 时，正、负离子( 即s i 4 + j g2 0 2 ) 正好分布 在六边形的项角上，正负电荷中心重合。 一1 2 一 大连理工大学硕士学位论文 图( b ) 说明当晶体受到沿x 方向的压力( 即t i o ) 作用时，在x 轴的正面出现负电荷； 在y 、z 方向则不出现电荷。由此可见，当晶体受到沿x ( 即电轴) 方向的应力t l 作用时， 它在x 方向产生正压电效应，在y 、z 方向则不产生压电效应。在x 方向所产生的电荷 密度应力ol 与t l 成正比，即 仃l = 4 1 正 ( 2 1 ) 式中，比例系数而。称为压电应变常量。电位移p ) 分量正好与面电荷密度仃。相等。 故式( 2 1 ) 可写成： d 1 = d l 。互 ( 2 2 ) 在多轴方向出现正电荷。在x ，z 方向不出现电荷。沿y 方向的电位移分量0 2 与瓦成正 丸= _ 2 “ ( 2 4 ) d 2 = 九五十丸瓦= - d i 正一2 4 。瓦 ( 2 5 ) 由于应力张量可以简化为列向量瓦 = 1 , 2 , 3 6 ) ，压电模量可以简化为一个3 行6 l 码1 2 d 1 3d 反5d 1 6l ， 0 皿) = i 以，如如九九丸j ( 2 6 ) 【如以：如氏如氏j 由于石英属于3 2 点群，根据晶体宏观物理性质的诺埃曼原理【阍，可计算出石英的 晶圆磨床磨削力在线测量系统的研究与设计 互 正 五 五 互 瓦 ( 2 7 ) 由此可见，正压电效应是形变使压电晶体的电偶极矩发生变化。反过来，电偶极矩 的变化也能使它产生形变。这就是逆压电效应。 压电系数及压电系数矩阵的特点和物理意义如下： 压电系数d m j 的单位是库仑牛顿( c n ) 或库仑，公斤力( c k 9 0 ： 若矩阵中某一d | | ，i = = o ，则表示在该方向上没有压电效应产生，这说明石英晶体 不是任何方向都存在压电效应，相对于空间一定的几何切型，只有在某些方向，在某些 力的作用下，才能产生压电效应； 压电系数矩阵的物理意义在于：如矩阵的第一行则表示，当晶体分别受到x 、y 、 z 向应力以及在y z 、z x 、x y 面上剪应力作用时，在x 方向产生电荷的可能性与大小； 由式( 2 2 7 ) 可知石英晶体独, - r 的e , e g 系数分量只有两个，即 d l l = 2 3 1x1 0 - 1 2 c n = _ 2 2 6 4 p c k g t , d 1 4 ：+ o 7 3 1 0 - 1 2c n = _ 7 1 6 p c k g f 只有精确判断出晶体受力后的极性，及晶体输出电荷的正负，才能正确规定晶体装 配方向； 压电系数矩阵还告诉我们，当石英晶体承受机械应力作用时，可通过d m 将五种 不同的机械效应，转化为电效应，即通过d l l 可产生x 方向的伸缩式转换，通过d 1 2 可 产生y 方向的伸缩式转换，假若x 方向厚度伸缩，由于d 1 2 ：_ d 1 1 ，则d 1 2 在y 方向产生 长度伸缩，通过d 1 4 可产生在x 面的剪切式转换，通过d 2 5 可产生y 面的剪切式转换，通 过d 2 6 可产生z 面的剪切式转换。 综上所述，可以清楚看到，压电系数矩阵是正确选择力电转换元件、转换类型、转 换效率以及晶片几何切型的重要依据，因此，合理而灵活地运用压电系数矩阵是保证传 感器正确设计的关键。 2 2 3 组合晶组的构成 ( 1 ) 石英晶体几何切型的选择 石英晶体是各向异性体，在x y z 坐标系中，沿着不同的方位进行切割就产生不同 的几何切型，每一种晶片都以一定的几何切型为依据，它们的力电转换类型，转换效 一1 4 1j o 弛。 一 0 盔o “o o o o o 4 o o 4 o o l = 1j 口伤凸 l 丈连瑾工大学籁士学靛论文 率、援电系数、弹性系数、弁电系数、温度将饿、谐搬频率等都不一样。这与传感设计、 制造与使用脊密切的关系。搬据石英晶体在x y z 直角坐标系中的方使，可分为两大切 族，鲡圈2 4 所示。 钔x 切族 驻摄殆零发方爨平行蟊体觞x 辘，长度方向平移予y 辘，蔼竞澎穷自平褥子z 辘， 旋转出来的各种不同的几何切型； 秘y 凌羧 以原始厚度方向平行晶体的y 轴，长度平行于x 轴，宽度平行予z 轴旋转出来的 各秘死 霉露婺。 z z 厘砂一 广叨广_ j x，x 0 磅x 簇甄始留蕤( 磅y 簇漂始翡蘩 xo r i g i n a lc u t t i n gt