专利名称：一种半导体晶片磨削力在线测量装置及控制力磨削方法
技术领域：
本发明属于硬脆半导体晶片超精密加工技术领域，涉及一种实时测量三向磨削 力并将其值作为控制砂轮进给的半导体晶片磨削测力装置及其控制力磨削方法。
背景技术：
半导体晶片是目前制造集成电路(IC)中重要的衬底材料，在IC芯片制程中，超 精密磨削技术主要用于晶片制备中的平整化加工和后道制程中的晶片背面减薄加工。随 着集成电路芯片不断向高集成化、高密度化及高性能化方向发展，半导体晶片直径不断 增大、原始厚度不断增加的同时，所需晶片的最终厚度却不断减小，因此一方面材料的 去除量增大，为节约后续抛光加工的时间，需要增大磨削去除量、提高磨削加工效率； 另一方面在大而薄的晶片的强度大大降低的情况下，避免碎片，需要减小晶片损伤层， 从而获得超光滑低无损伤的表面。上述加工要求给半导体晶片的超精密磨削提出新的挑 战。半导体晶片磨床主要用于磨削薄片状的半导体晶片，在超精密磨削晶片过程 中，磨削力是加工的主要参数，是评价晶片磨削性能优劣的一个重要指标。磨削力除了 与磨削用量有关以外，还与砂轮本身的材料和特性(传统的监测砂轮状况的方法有声发 射、声音和振动等方式，但这些方法存在一定的局限性)、被加工工件材料、表面粗糙 度、磨削比，磨削液等因素有关。在磨削晶片时，如果采用目前晶片磨床的磨削用量 (磨削量和进给速度)恒定方式，产生的磨削力也将不同。这样，在磨削过程中磨削力 总是处于变化之中的，如果磨削力过小，虽然加工的晶片质量会比较好，但却降低生产 效率，使得磨床在生产过程中得不到充分利用；反之，若磨削过程中的磨削力过大，对 于属于硬脆材料的晶片磨削质量将产生不良影响，如表面粗糙度增大，引起磨削晶片的 表面和亚表面的损伤，晶片表面会烧伤，砂轮的磨损加剧，砂轮崩裂，甚至晶片发生碎 裂，尤其在晶片背面减薄磨削加工中，晶片厚度较小(<150μιη)时，微小的磨削力冲击 都将是致命的破坏。以上这些都是在磨削的实际过程中经常出现的问题，因此恒定磨削 用量这种控制方式很难同时保证半导体晶片表面的磨削精度、效率和成品率。如何解决 高精度磨削和高效率磨削之间的矛盾，是急需解决的问题。目前，生产线上的晶片磨床，如日本DISOC公司DFG8000系列的晶片磨床和日 本Okamoto公司GNX系列的晶片磨床，多采用监测驱动砂轮用电主轴的电流的方法来间 接反映磨削力，以此判断电主轴是否过载。该方法虽然简单，在磨削较厚晶片时，晶片 对磨削力还不敏感，也能够满足磨削要求；但当磨削薄晶片时，晶片的强度显著降低， 磨削力对晶片的影响也随之显著增大，很难在保证磨削效率的同时获得理想的表面精度 和成品率。此外该电流值很难准确、实时地反映磨削力，无法将电流值作为控制力磨削 的输入信号。JeremiahA等人研发的研究型晶片磨床中在空气主轴定子与转子上安装电容 传感器，测量定子和转子之间相对位移的方式间接监测磨削力变化，但该方法仅适用于 测量微小磨削力情况。Hyunjin Kim等人使用Kistler公司的三向测力仪9257B测量硅片
3的磨削力，并实现恒力磨削，但该测力仪为独立结构，未与磨床完全集成，同样不适用 于产业化晶片磨床。美国Strasbaugh公司7AF/7AG晶片磨床配备轴向力测量系统，压力 传感器安装在砂轮齿上，可进行磨削力自适应磨削，其所测磨削力仅为轴向力，没有对 其他两个方向的磨削力进行测量。在晶片磨削过程中产生的磨削力分解为三个方向的力轴向力Fz，影响磨削表 面精度和表面粗糙度；切向力Ft，影响磨削时所消耗的功率，反映砂轮磨削状态；径向 力Fr，影响晶片磨削后残余应力。三个方向力对磨削效率及磨削质量的影响各不同，只 有全面监测才能更好地反映磨削状况，为优化半导体晶片的磨削参数提供依据。能够实 时在线测量三向磨削力，并实现基于控制磨削力的高效高质量的超精密加工成为急需解 决的技术问题。
发明内容
本发明针对半导体晶片在超精密磨削过程中存在加工效率与表面质量间的矛盾 及如何获得高精度晶片表面的问题，结合研发的晶片磨床的结构特点以及磨削加工中砂 轮与晶片相互间作用力的分布状况，提出利用一种压电式磨削力在线测量装置来动态实 时监测三向磨削力，并通过测量值反馈控制进给速度和进给量的晶片磨削方法及实现装 置，以实现高效磨削和恒力磨削半导体晶片。本发明的技术方案如下一种磨削半导体晶片的磨削力在线测量装置，并作为控制力磨削的反馈元件。 该磨削力在线测量装置采用压电式测量原理，包括磨削力测量装置和数据处理单元。传 感器单元为圆环式结构，包括4组压电石英力传感器、上盖板、下盖板和连接螺钉，4组 压电石英力传感器由可测量径向力Fr、切向力Ft和轴向力Fz三个方向力的三组石英晶组 组成的，其中一组承受拉压效应的X0°切型，两组承受剪切效应的Y0°切型，每组石英 晶片表面贴有电极，石英晶片并联连接后，通过导线经空心螺钉引出。压电石英力传感 器为中空结构，周围用密封胶密封，均勻分布在底座的上表面的等半径分布圆上，连接 螺钉将底座、上盖板以及4组压电石英力传感器刚性连接在一起。该磨削力测量装置安 装在砂轮主轴和主轴座之间，即砂轮主轴的法兰上表面与磨削力测量装置下表面通过 螺钉连接，主轴座的下表面与磨削力检测装置上表面通过螺钉连接。数据处理单元包括 数据采集系统、数控系统和伺服系统，分析处理磨削力测量装置输出的磨削力值。利用所述的半导体晶片磨削力在线测量装置进行控制力磨削的方法是在磨削晶片过程中产生的静态力、动态力和瞬时力，作用在4组压电石英力传 感器上，压电石英力传感器输出与磨削力Fx、Fy和Fz同向且与磨削力对应的电荷量，数 据采集系统接收4个压电石英力传感器的电荷信号进行转换、滤波处理，根据磨削力与 电压成线性关系，计算出磨削力Fx、Fy和Fz，处理后的数据传输至数控系统，数控系统 将用户预设参数于接收的数据进行比较，然后根据比较结果反馈控制伺服系统实时调整 砂轮进给速度和进给量。利用所述的半导体晶片磨削力在线测量装置，在加工过程中对磨削力进行实时 监控，根据磨削力值反馈对磨削用量的合理控制，以保证加工质量和加工过程的安全。 本发明可以实现控制力磨削，包括高效磨削和恒力磨削两种方式。其中高效磨削的方法是，在粗磨晶片时，在保证最高磨削效率的前提下，控制磨削力在最大值状态下磨削， 尽量提高磨削速度和进给量以快速去除晶片的余量；恒力磨削的方法是，在精磨晶片 时，需要提高磨削精度，控制磨削力确保磨削过程在延性域下进行，即控制磨削力维持 在最小值状态下磨削或最佳磨削工艺条件下的磨削，实时调整砂轮进给速度和进给量， 从而保证晶片的最佳加工质量。在不同的磨削阶段，需要采用不同的磨削用量，如在初 始时快速进给磨削，终了磨削前低速进给磨削。本发明的有益效果是实时准确地检测晶片磨削过程中三个方向磨削力，并根 据磨削力大小对砂轮进给速度和进给量进行实时调整，实现磨削过程的监控，提高加工 过程的可靠性和生产效率。对于提高晶片加工精度和表面质量，保证晶片的成品率具有
重要意义。所用压电式磨削力测量装置具有刚度高、线性好、灵敏度高、迟滞小、固有频 率高等优点，非常适用于动态磨削力的测量。将该测量装置应用于晶片磨床，具有结构 紧凑、测力中间环节少，且对原有磨床结构改动小的特点。此外，对于多工位多主轴结 构的磨床，主轴数量一般少于工作台数量，因此将磨削力检测装置安装于主轴上的结构 可以减少磨削力检测装置的数量，节省成本。磨削力在线测量环节少、响应速度快、精 度高；可提高半导体晶片的磨削效率，降低损伤层厚度。
图1半导体晶片磨床结构示意图。图2磨削力测量装置安装位置示意图。图3压电石英力传感器信号接线示意图。图4控制力磨削系统示意图。图5控制力磨削系统的控制流程图。图6砂轮进给曲线图。图中1半导体晶片磨床；2床身；3立柱；4伺服电机；5丝杠机构；6直线导 轨机构；7溜板；8砂轮主轴；9主轴座；10砂轮；11吸盘；12工作台；13连接螺钉； 14连接螺钉；15磨削力检测装置；151压电石英力传感器；152连接螺钉；153上盖板； 154下盖板；半导体晶片W ； 16数据采集系统；17数控系统；18伺服系统
具体实施例方式
结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施例。如图1所示，半导体晶片磨床1的结构采用立式结构，具有台阶状的床身2，在 床身2的右上端，直立设置着立柱3。在该立柱3的内侧面，设有沿竖直方向的一对直线 导轨机构6。主轴座9固定装配在溜板7上。溜板7安装于直线导轨机构6上，同时与 丝杠机构5相连接，丝杠机构5沿直线导轨机构6方向放置(沿Z轴方向)，与安装在立 柱2上的伺服电机3的轴连接。丝杠机构5由伺服电机3的驱动。砂轮10安装于主轴 8的下端，并随主轴8同步转动。随着伺服电机3的转动，砂轮10沿竖直方向运动。半导体晶片磨床1还具有圆柱状的工作台12。配设在工作台12上的吸盘11随 工作台12同步转动。磨削加工用的薄圆片状半导体晶片W在真空作用下吸附在吸盘11
5上。如图2所示，磨削力检测装置15安装于主轴8与主轴座9之间，具体安装方法 是4组压电石英力传感器151安装于主轴5的下盖板154上表面与上盖板153的凹槽下 表面之间，通过4组连接螺钉152分别连接并施加一定预紧力。安装时，先用连接螺钉 14将下盖板154固定在主轴8的法兰上端面，再用连接螺钉13将上盖板153固定在主轴 座9的下端面。如图3所示，磨削力监测装置15共有4组压电石英力传感器151，分别为Al、 A2、A3和A4，每组压电石英力传感器151具有相同的结构。以其中一组Al来说明压 电石英力传感器151的结构，Al由三对石英晶组构成，共计6片石英晶片，该6片石英 晶片表面分别贴有电极，压电石英力传感器151用密封胶密封。其中一对采用承受拉压 效应的X0°切型，该对石英晶组中的两片石英晶片采取电轴相对方向放置，在两片石英 晶片的界面处贴有电极，用于输出对应轴向力Fz的电荷；另外两对采用相同的承受剪切 效应的Y0°切型，该两对石英晶组中的每对石英晶组中的两片石英晶片采取机械轴相对 方向放置，该两对石英晶组不同之处在于在水平面内该两对石英晶组的光轴正交方向 的放置，在每对石英晶组中的两片石英晶片的界面处贴有电极，可分别输出对应径向力 Fr和切向力Ft的电荷。在每对石英晶组的界面处的电极并联输出后接地。然后将4组 压电石英力传感器151 (Al、Α2、A3和Α4)的输出电极一一对应并联连接，通过导线引 出。磨削力监测装置轴向力Fz性能的标定结果如表1所示。表1磨削力监测装置轴向力Fz性能标定
权利要求
1.一种半导体晶片磨削力在线测量装置，其特征在于，该半导体晶片磨削力在线测量装置包括包括磨削力测量装置和数据处理单元；磨削 力测量装置为圆环式结构，包括4组压电石英力传感器、上盖板、下盖板和连接螺钉，4 组压电石英力传感器由测量径向力Fr、切向力Ft和轴向力Fz三个方向力的三组石英晶组 组成的，其中一组承受拉压效应的X0°切型，两组承受剪切效应的Y0°切型，每组石英 晶片表面贴有电极，石英晶片并联连接后，通过导线经空心螺钉引出；4组压电石英力 传感器为中空结构，周围用密封胶密封，均勻分布在底座的上表面的等半径圆上，连接 螺钉将底座、上盖以及4组压电石英力传感器刚性连接在一起；该磨削力测量装置安装 在砂轮主轴和主轴座之间，即砂轮主轴的法兰上表面与磨削力测量装置下表面通过螺 钉连接，主轴座的下表面与磨削力测量装置上表面通过螺钉连接；数据处理单元包括数 据采集系统、数控系统和伺服系统。
2.权利要求1所述半导体晶片磨削力在线测量装置的测量方法，其特征在于，在磨削过程中产生的静态力、动态力和瞬时力，作用在4组压电石英力传感器上， 压电石英力传感器输出与磨削力Fx、Fy和Fz对应的电荷量，数据采集系统接收4个压电 石英力传感器的电荷信号进行转换、滤波处理，根据磨削力与电压成线性关系，计算出 磨削力Fx、Fy和Fz，处理后的数据传输至数控系统，数控系统将用户预设参数于接收的 数据进行比较，然后根据比较结果反馈控制伺服系统实时调整砂轮进给速度和进给量；利用所述的半导体晶片磨削力在线测控装置，实现控制力磨削，包括高效磨削和恒 力磨削两种方式；其中高效磨削的方法是，控制最大磨削力在许用值下，使砂轮进给速 度和进给量达到最大；恒力磨削的方法是，控制磨削力维持在某一预设值或最佳磨削工 艺条件下的磨削力值，实时调整砂轮进给速度和进给量。
全文摘要
本发明属于硬脆的半导体晶体材料超精密加工领域，涉及一种半导体晶片磨削过程中磨削力在线测量装置及控制力磨削方法。本发明公开了一种半导体晶片磨削力在线测量装置，并作为磨削力自适应控制系统反馈元件。该磨削力测量装置采用压电式测量原理，包括传感器部分和数据处理单元。传感器部分用于在线测量径向力Fr、切向力Ft和轴向力Fz三个方向力，数据处理单元用于采集分析磨削力数据，并反馈控制砂轮进给速度和进给量，以期达到的目的。本发明具有如下优点磨削力在线测量装置的结构简单，对原有设备改造小；磨削力在线测量环节少、响应速度快、精度高；可提高半导体晶片的磨削效率，降低损伤层厚度。
文档编号B24B49/16GK102009387SQ20101055369
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月20日 优先权日2010年11月20日
发明者康仁科, 朱祥龙, 郭东明, 金洙吉 申请人:大连理工大学