CN100577355C - 精密加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够精确地进行磨削加工的精密加工方法。该方法包括：通过用金刚石磨轮(b)粗磨被磨削体(a)来生产中间磨削体的第一步骤；和通过用CMG磨轮磨削所述中间磨削体来生产最终磨削体的第二步骤。在所述第一步骤中，通过基于移动量的控制，以具有不同进给速度的多阶段进给来可控地进给旋转装置(6b)和基台(3)。在所述第二步骤中，通过基于压力的控制，以恒定的压力或者以具有不同压力的多阶段固定压力来可控地移动旋转装置(6b)和基台(3)。

Description

精密加工方法

技术领域

本发明涉及一种用于加工物品的精密加工方法，所述物品包括硅晶片和磁盘衬底并且要求高的尺寸精度和平的最终表面，更具体而言，本发明涉及一种例如通过对磨轮的旋转器进行切换控制来以高精度实现有效磨削的精密加工方法，所述切换控制是通过响应于磨削步骤的步进进给控制或者步进压力控制来进行的。

背景技术

近年来，越来越多地需求具有低能耗且小型化的下一代功率器件。例如，电子半导体需要多层和更高的密度。为了实现这些需求，考虑以下的方案：以Si晶片为代表的半导体晶片的厚度极大地减小；开发了用于使加工表面上或者加工表面内部没有位错或晶格畸变的加工方法；并且开发了使工件表面上的表面粗糙度(Ra)从亚nm(亚纳米)到nm(纳米)且平面度从亚μm(亚微米)到μm(微米)或更小的加工方法。

在汽车工业中，作为汽车中的功率器件的IGBT(绝缘栅双极晶体管)是逆变器系统的主要系统。将来，预期这些逆变器的更高的性能和小型化将进一步增强混合动力车辆的销量。由此，需要将构成IGBT的Si晶片的厚度减小到50μm至150μm，更期望的是减小到90μm至120μm，以减小开关损耗、稳态损耗和热损耗。此外，在直径大约为200mm至400mm的圆形Si晶片的加工表面上或者在靠近加工表面的内部形成没有位错或者晶格畸变的完美表面，表面粗糙度(Ra)被设定在亚纳米到纳米，并且平面度被设定在亚微米至微米，使得半导体的电极形成过程的生产率提高并且半导体的层数增加。

一般来说，在目前的情况等下(例如专利文献1)，半导体的加工过程需要大量的步骤。这些步骤包括：用金刚石磨轮进行粗磨、研磨(精研，lapping)、蚀刻和抛光(不使用抛光粉的湿式CMP(化学机械抛光))。在这种传统的加工方法中，加工表面上产生氧化层、位错和晶格畸变。因而，很难获得完美表面。此外，晶片的平面度较低并且由于加工过程中或者形成电极后在晶片上发生的破裂降低了生产率。此外，在传统的加工方法中，很难在晶片直径增加到200mm、300mm和400mm时减小晶片厚度。因而，在目前的情况下，已经进行研究，以将直径为200mm的晶片的厚度减小到100μm。

考虑到传统技术的问题，本发明人已经公开了与精密表面加工机械相关的发明，其能够仅用精密金刚石磨轮来有效地进行从粗加工到超精表面加工(包括最终的延性模式加工)的过程(专利文献2)。

在使用这样的金刚石磨轮的磨削中，三个主动作是很重要的，包括：磨轮的旋转、用于支承磨轮的主轴的进给以及工件的定位。对这些动作的精密控制使得能够进行精密加工。具体而言，为了仅用单个装置一致地进行从粗加工到超精加工的过程，需要在很大范围上控制主动作中的主轴的进给。在传统的磨削中，主轴例如通常通过使用伺服电动机的方法来控制。特别是在进行超精加工的低压区域上进行加工的情况下，这样的方法不能以高精度充分控制从低压区域到高压区域的区域。

因而，在专利文献2中，本发明人已经公开了用于用伺服电动机和超磁致伸缩致动器的组合来控制压力的精密加工工具。在10gf/cm²或更大的压力范围下，通过伺服电动机和压电致动器来控制压力。在10gf/cm²至0.01gf/cm²的压力范围下，通过超磁致伸缩致动器来控制压力，使得可以通过单个装置来一致地进行粗加工至超精加工。此外，将磨粒尺寸小于#3000的金刚石杯形磨轮用作用于磨削的磨轮。

此外，本发明人已经对CMP的问题进行研究并发现可以通过使用合成磨轮来有效地解决该问题，其中合成磨轮包含能够与精细磨粒和工件起反应的化合物。这些化合物由特定的粘合剂固定。本发明人已经将与合成磨轮相关的发明公开在专利文献3中。使用合成磨轮的磨削被称作化学机械磨削(CMG)。

专利文献1：日本专利公报(特开)No.2003-251555

专利文献2：日本专利公报(特开)No.2000-141207

专利文献3：日本专利公报(特开)No.2002-355763

发明内容

根据专利文献2的精密加工工具，可以通过单个装置来一致地进行粗加工到超精加工。但是，仅使用金刚石磨轮的磨削不能将最终的加工表面形成为没有缺陷、没有位错或者没有晶格畸变的完美表面。

考虑到该问题设计了本发明。本发明的目的是提供一种精密加工方法，其通过将基于磨轮或待磨削工件的移动量的控制与基于压力(恒定压力)的控制进行结合，并根据加工步骤选择性地使用金刚石磨轮和CMG磨轮，能够以非常高的精度实现有效的磨削。

为了实现该目的，本发明的精密加工方法使用一种精密加工系统，该精密加工系统包括：用于使待磨削工件旋转的第一旋转器；用于支承所述第一旋转器的第一基台；用于使磨轮旋转的第二旋转器；和用于支承所述第二旋转器的第二基台，所述第一基台和/或所述第二基台还包括能够使所述基台中的一个向另一个移动的移动调节装置，所述移动调节装置能够选择性地进行基于移动量的控制和基于压力的控制，所述方法包括：通过用金刚石磨轮磨削所述工件来生产中间磨削工件的第一步骤；和通过用化学机械磨削磨轮磨削所述中间磨削工件来生产最终磨削工件的第二步骤；其中，所述第一步骤包括粗磨步骤和接下来的半精加工步骤，在所述半精加工步骤中使用的磨轮比在所述粗磨步骤中使用的磨轮具有更精细的磨粒尺寸，并且在所述第一步骤中，所述旋转器和所述基台的进给是根据所述基于移动量的控制以具有不同进给速度的多个阶段而被控制的，所述半精加工步骤中的进给速度低于所述粗磨步骤中的进给速度；在所述第二步骤中，所述旋转器和所述基台的移动是根据所述基于压力的控制以具有不同恒定压力的多个阶段而被控制的，并且各阶段的恒定压力逐步减小同时所述待磨削工件的表面进入延性模式。

在本发明的精密加工方法所使用的精密加工系统中，用于在保持工件的同时旋转待磨削工件的旋转器和用于旋转磨轮的旋转器位于各自的基台上，并且待磨削工件的加工表面和磨轮的表面彼此相对。待磨削工件和磨轮定位成使得工件和磨轮的轴线彼此对准。例如，用于支承使待磨削工件旋转的旋转器的第一基台是固定的，而用于旋转磨轮的旋转器向工件运动，同时根据移动量或者以响应于加工步骤的恒定压力来控制用于支承该旋转器的第二基台，从而工件表面被磨削。也可以使用用磨轮来磨削工件的另一种方法，其中在工件和磨轮的轴线方向彼此对准并且磨轮在轴线的正交方向(水平方向)上滑动时磨削工件。

例如，在用于支承磨轮的第二基台向待磨削工件移动的实施例中，构成所谓的丝杠机构的丝杠和螺帽安装到第二基台上，并且合适的气动致动器或液力致动器安装到第二基台上。在丝杠机构中，螺帽可移动地拧到丝杠上，丝杠安装到伺服电动机的输出轴上，并且螺帽安装到第二基台上，从而第二基台以可控的方式移动。丝杠装置和致动器能够响应于磨削步骤而被适当地选择。例如，在初始磨削步骤中，选择丝杠机构，直到待磨削工件的表面具有一定的表面粗糙度，并且第二基台上的旋转器(磨轮)根据螺帽的适当移动量而向工件移动，从而在待磨削工件的表面上进行初始磨削。

初始磨削可以具有包括粗磨步骤和接下来的半成品步骤(半成品步骤也包括两个步骤)的多个磨削步骤。在初始磨削中，金刚石磨轮用在所有步骤中并且在各个磨削步骤中改变其规格。通过选择磨轮使其逐步具有更精细的磨粒来改变金刚石磨轮的规格。例如，#400至#800的磨轮用在粗磨步骤中，而#3000至#30000的磨轮用在半成品步骤中。此外，需要在各个磨削步骤中以不同的进给速率来进给磨轮。根据本发明人进行的实验，应当理解，通过以两步或者三步来减小进给速率而不是用恒定的进给速率进行磨削，可以极大地减少获得所需厚度的加工时间，这种减少根据所使用的磨轮种类(不同制造商生产的商用磨轮)而改变。此外，例如当初始厚度大约为730μm的Si晶片被磨削至大约110μm(最终成品)时，可以使用以下的磨削步骤：在初始磨削的粗磨步骤中将晶片磨削至大约180μm，在接下来的半成品步骤中以两步将其磨削至130μm和110μm，并在CMG最终加工(下述)中磨削1至2μm。

在待磨削工件的表面上的初始磨削完成时，控制模式从基于移动量的控制切换到超精磨削步骤(第二步骤)中的恒定压力控制。当切换控制模式时，使用的磨轮从金刚石磨轮换成用于超精磨削的CMG磨轮。CMG磨轮至少由包含氧化铈(CeO₂)或二氧化硅(SiO₂)的磨粒和用于粘结磨粒的树脂粘合剂形成。在超精磨削步骤中，待磨削工件的表面通过非常精细的磨削来完成，并且由此在磨削过程中必须用恒定的压力将磨轮压到工件表面上。在超精磨削步骤中，需要以多阶段进行恒压磨削直到最终加工步骤，同时待磨削工件的表面被调整为进入延性模式并且压力逐渐减小。恒压磨削可以通过使用气动致动器或液力致动器来实现。例如，当需要10mgf/cm²至5000gf/cm²的压力控制时，压力控制被分成从10mgf/cm²到300gf/cm²的低压区域和从300gf/cm²到5000gf/cm²的高压区域这样两个阶段，并且在精密加工系统中，两种致动器可以被选择用于相应的压力区域，由此实现了多阶段的恒压控制。除了两步恒压控制，第二步骤可以用恒压来进行或者可以是三个或更多步骤的恒压控制。

此外，在根据本发明的精密加工方法的优选实施例中，在所述第一旋转器和所述第一基台之间或者所述第二旋转器和所述第二基台之间配置有用于控制所述第一或第二旋转器的姿态的姿态控制器，并且在所述第一步骤和所述第二步骤中适当地矫正所述待磨削工件的被磨削表面和所述磨轮的表面之间的角度偏差。

在这种情况下，精密加工系统的实施例可以由在包含X轴和Y轴的平面上延伸的第一面构件和平行于第一面构件并与其间隔开一定间隙的第二面构件构成。在第一面构件和第二面构件之间，设置有第一致动器，第一致动器在与包括球、X轴和Y轴的平面垂直的Z轴方向上延伸。第二致动器连接到第二面构件，第二致动器在包括X轴和Y轴的平面上以适当的方向延伸。第二面构件可以在承载所放置的物体的同时相对于第一面构件移动，并且该球用弹性可变形的粘合剂粘结到第一面构件或第二面构件上。此外，第一致动器和第二致动器每个均包括压电元件和超磁致伸缩元件。

优选地，第一面构件和第二面构件两者都由强度足以支承放置在第二面构件上的物体的重量的材料制成并由非磁性材料构成。尽管材料不受特别的限定，但是可以使用奥氏体不锈钢(SUS)。此外，设置在第一面构件和第二面构件之间的球必须由强度至少足以支承放置在第二面构件上的物体的重量的材料制成。因此，形成球的材料可以根据所放置物体的设定重量来适当地选择。该材料的示例包括金属。根据球的形状，可以在第一面构件和第二面构件上与球相接触的部位形成切口。即使在面构件上设有切口的情况下，第一面构件和第二面构件之间也需要预定的间隙。优选的是适当地设定该间隙，以使即使在例如第二面构件由于第二致动器的启动而倾斜时，也能防止第二面构件与第一面构件接触。

在第一面构件和第二面构件之间，球和两个第一致动器设置成位于平面上的给定三角形的顶点上，并且第二致动器安装到第二面构件四个侧面中的至少一个上。由于具有至少三个致动器，第二面构件在直接支承所放置物体的同时可以具有相对于第一面构件的三维位移。当第二面构件移动时，设置在第二面构件之下以支承第二面构件的球的表面上的粘合剂是可以弹性变形的，使得第二面构件的位移可以是在基本未受限状态下的自由位移。

第一致动器和第二致动器两者都由超磁致伸缩元件和压电元件制成。超磁致伸缩元件是诸如镝、铽之类的稀土金属以及铁镍合金。通过在缠绕粘结式的超磁致伸缩元件的线圈上施加电流，可以通过该电流产生的磁场使元件延伸大约1μm至2μm。此外，超磁致伸缩元件可以用在2kHz或更小的频域内，并具有皮秒(10^-12秒)级的响应速度。此外，超磁致伸缩元件的输出性能大约是15KJ/cm³至25KJ/cm³，这是压电元件(下述)的大约20至50倍。压电元件由锆钛酸盐(Pb(Zr，Ti)O₃)、钛酸钡(BaTiO₃)、钛酸铅(PbTiO₃)等形成。压电元件可以用在10kHz或更大的频域内，并具有纳秒(10^-9秒)级的响应速度。压电元件的输出功率小于超磁致伸缩元件，并适于在相对较轻负载的区域上进行精确的位置控制(姿态控制)。另外，压电元件包括电致伸缩的元件。

在从第一步骤到第二步骤的所有步骤中，待磨削工件的磨削表面和磨轮的表面之间的角度偏差在姿态控制器被操作的同时被适当地矫正。由于超磁致伸缩元件和压电元件两者都具有高的响应速度，所以在本发明中超磁致伸缩元件和压电元件适当地切换，使得基本上使用压电元件并且在需要时使用超磁致伸缩元件。轴线之间的略微未对准一直被检测，并且检测到的略微未对准在计算机中经过数字处理。然后，未对准被输入到致动器中作为超磁致伸缩元件(超磁致伸缩致动器)和压电元件(压电致动器)的膨胀和收缩需要的量。

根据发明人进行的实验，具有略微未对准的金刚石磨削和没有角度偏差的状态之间的对比说明：工件表面之间不平度极大地变化，并且CMG所需的时间根据不平度的变化而极大地变化。

此外，在根据本发明的精密加工方法的优选实施例中，被紧固到所述第一旋转器上的所述工件在没有从所述第一旋转器上松开(卸下，unfastened)的状态下从所述第一步骤变换到所述第二步骤。

工件通过诸如真空抽吸之类的合适方法而松开。根据发明人的实验，当在从用金刚石磨轮进行磨削(第一步骤)到用CMG磨轮进行磨削(第二步骤)的过渡过程中工件被松开时，在第一步骤中生产的中间磨削工件的表面上留有不平的图案，而当工件未被松开时，没有这样的不平图案。可以看出磨削工件在松开的过程中由于在金刚石磨削步骤中产生的残余应力而变形，并且该变形在工件表面上引起不平的图案。

从以上说明可以理解，根据本发明的精密加工方法，在基于移动量的控制期间使用金刚石磨轮时，进给速度逐步改变，而在恒压控制期间使用CMG磨轮时，压力逐步改变，实现了高精度的有效磨削。此外，根据本发明的精密加工方法，具有设置在两个面构件之间的球的姿态控制器在磨削过程中适当地矫正了旋转器的姿态，由此进一步增大了磨削精度并提高了磨削效率。

附图说明

图1是示出本发明的精密加工系统的实施例的侧视图；

图2是示出CMG磨轮的实施例的透视图；

图3是示出姿态控制器的实施例的俯视图；

图4是沿着图3的线IV-IV所取的视图；

图5是沿着图3的线V-V所取的视图；

图6的曲线图用于比较六种测试样品表面的硬度(a：抛光表面；b：切割表面；c：金刚石磨削镜面；d：金刚石磨削烧制表面；e：CMG磨削表面(pH 7)；f：CMG磨削表面(pH 11))；

图7示出六种测试样品表面的XPS分析结果(抛光表面；切割表面；金刚石磨削镜面；金刚石磨削烧制表面；CMG磨削表面(pH 11)；和CMG磨削表面(pH 7)，它们分别表示为(a)至(f))；

图8的曲线图示出四种测试样品表面中每个的蚀刻深度和蚀坑密度之间的关系(金刚石磨削镜面；金刚石磨削烧制表面；CMG磨削表面(pH11)；和CMG磨削表面(pH 7))；

图9的曲线图用于比较在使用#400金刚石磨轮进行金刚石磨削时，固定进给速率、两步进给速率和三步进给速率的加工时间；

图10的曲线图用于比较在使用#800金刚石磨轮进行金刚石磨削时，固定进给速率和两步进给速率的加工时间；

图11的曲线图用于比较相对于待磨削中间工件的加工表面的粗糙度，CMG需要的加工时间；

图12的曲线图用于比较在第一步骤中在待磨削工件的磨削表面和磨轮的表面之间存在角度偏差和不存在角度偏差的情况下，CMG所需的加工时间；

图13示出通过CMG方法获得的超薄晶片的横截面上的TEM图像；

图14示出用于分析图13中有无晶格缺陷的曲线图；

图14(a)的曲线图示出图13的部分A(靠近表面)；

图14(b)的曲线图示出图13的部分B(在内侧)；

图15示出通过传统CMP方法获得的晶片的横截面上的TEM图像；

图16示出用于分析图15中有无晶格缺陷的曲线图；

图16(a)的曲线图示出图15的部分A(靠近表面)；

图16(b)的曲线图示出图15的部分B(在内侧)；

图17(a)示出通过CMG方法获得的超薄晶片的表面的TEM图像；

图17(b)示出超薄晶片的表面上的选定区域电子衍射图案；

图18(a)示出通过CMP方法获得的晶片表面的TEM图像；

图18(b)示出晶片表面上的选定区域电子衍射图案；

图19示出通过CMG方法得到的晶片的表面的通过AFM得到的三维图像；

图20示出通过传统CMP方法得到的晶片的表面的通过AFM得到的三维图像。

在附图中，附图标记1表示精密加工系统，附图标记2表示第一基台，附图标记3表示第二基台，附图标记4表示丝杠装置，附图标记41表示丝杠，附图标记42表示螺帽，附图标记43表示伺服电动机，附图标记5、5a和5b表示气动致动器，附图标记6a和6b表示旋转器，附图标记7表示姿态控制器，附图标记8表示控制器。

具体实施方式

将参考附图描述本发明的示例性实施例。图1是示出本发明的精密加工系统的实施例的侧视图。图2是示出CMG磨轮的实施例的透视图。图3是示出姿态控制器的实施例的俯视图。图4是沿着图3的线IV-IV所取的视图。图5是沿着图3的线V-V所取的视图。图6的曲线图用于比较六种测试样品表面的硬度(抛光表面；切割表面；金刚石磨削镜面；金刚石磨削烧制表面；CMG磨削表面(pH 7)；CMG磨削表面(pH 11))。

图7示出六种测试样品表面的XPS分析结果(抛光表面；切割表面；金刚石磨削镜面；金刚石磨削烧制表面；CMG磨削表面(pH 11)；和CMG磨削表面(pH 7))。图8的曲线图示出四种测试样品表面中每个的蚀刻深度和蚀坑密度之间的关系(金刚石磨削镜面；金刚石磨削烧制表面；CMG磨削表面(pH 11)；和CMG磨削表面(pH 7))。图9的曲线图用于比较在使用#400金刚石磨轮进行金刚石磨削时，固定进给速率、两步进给速率和三步进给速率的加工时间。图10的曲线图用于比较在使用#800金刚石磨轮进行金刚石磨削时，固定进给速率和两步进给速率的加工时间。

图11的曲线图用于比较相对于待磨削中间工件的加工表面的粗糙度，CMG需要的加工时间。图12的曲线图用于比较在第一步骤中在待磨削工件的磨削表面和磨轮的表面之间存在角度偏差和不存在角度偏差的情况下，CMG所需的加工时间。图13示出通过CMG方法获得的超薄晶片的横截面上的TEM图像。图14示出用于分析图13中有无晶格缺陷的曲线图。图15示出通过传统CMP方法获得的晶片的横截面上的TEM图像。图16示出用于分析图15中有无晶格缺陷的曲线图。图17(a)示出通过CMG方法获得的超薄晶片的表面的TEM图像。图17(b)示出超薄晶片的表面上的选定区域电子衍射图案。图18(a)示出通过CMP方法获得的晶片表面的TEM图像。图18(b)示出晶片表面上的选定区域电子衍射图案。图19示出通过CMG方法得到的超薄晶片的表面的通过AFM得到的三维图像。图20示出通过传统CMP方法得到的晶片的表面的通过AFM得到的三维图像。在图示的实施例中，使用气动致动器，但也可以使用液力致动器作为代替。此外，根据压力控制可以设置三个或更多致动器。

图1示出了精密加工系统1的实施例。精密加工系统1主要包括：用于在通过真空抽吸工件“a”的同时使待磨削工件旋转的旋转器6a；用于支承旋转器6a的第一基台2；用于对转动磨轮b的旋转器6b进行支承的第二基台3；用于使第二基台3在水平方向上移动的移动调节装置；和用于从下面支承第一基台2和第二基台3的基座9。在初始磨削步骤(第一步骤)中磨轮b是金刚石磨轮，在第二步骤(超精磨削步骤)中磨轮b是CMG磨轮。初始磨削步骤是通过多个阶段的进给控制来进行的，在该多个阶段中，磨轮b具有不同的进给速率。在各个进给步骤中，磨轮b用具有不同规格的另一个磨轮b来替换。图2示出CMG磨轮的实施例。在图2中，磨轮b具有固定在铝制环形框架b2的端部上的环形磨轮b1。磨轮b1至少由含有氧化铈(CeO₂)和二氧化硅(SiO₂)的磨粒和用于粘结磨粒的树脂粘合剂形成。

在第一基台2和旋转器6a之间设置有姿态控制器7。移动调节装置由用于根据移动量来控制第二基台3的丝杠装置4和用于控制第二基台3的压力的气动致动器5构成。丝杠装置4和气动致动器5分别连接到控制器8并可以响应于磨削步骤而适当地切换。此外，位置传感器(未示出)一直检测待磨削工件“a”和磨轮b的位置。基于检测到的位置信息，构成姿态控制器7(下述)的压电元件和超磁致伸缩元件扩张。从而，旋转器6a和6b的轴线未对准可以被适当地矫正。

丝杠装置4具有螺帽42，螺帽42可旋转地螺纹连接到丝杠41上，丝杠41安装在伺服电动机43的输出轴上，并且螺帽42安装到第二基台3上。另外，螺帽2和第二基台3可以彼此分离。

在构成第二基台3的另一侧32上，钻有通孔，丝杠41宽松地配合在通孔中。气动致动器5固定在被宽松地配合的丝杠41的左侧和右侧上。气动致动器5具有不同种类的压力性能。例如，气动致动器5之一相对地作用在低压区域，而另一个气动致动器5相对地作用在高压区域。例如，气动致动器5具有可滑动地设置在缸内的活塞杆。

在初始磨削步骤(第一步骤)中，第一基台3连接到螺帽42，螺帽42响应于伺服电动机43的驱动而移动固定的量，并且第二基台3(放置在第二基台3上的旋转器6b)也可以根据螺帽42的移动而移动该固定的量。初始磨削步骤例如包括粗磨步骤和随后的半精加工步骤。在粗磨步骤中，用#400至#800的金刚石磨轮进行逐步的磨削。在半精加工步骤中，用#3000至#30000的金刚石磨轮进行逐步的磨削。此外，在逐步的金刚石磨削过程中，磨轮的进给速率也被调节成逐步改变(进给速率逐渐减小)。

另一方面，在第一步骤的超精加工步骤(第二步骤)中，第二基台3和螺帽42彼此分开。在这种状态下，作用在高压区域的气动致动器5被驱动。在构成气动致动器5的活塞杆(未示出)的端部挤压板(未示出)的同时，也就是在反作用力施加到板(未示出)上的同时，第二基台3被挤压到第一基台2。板被固定到螺帽42上并且螺帽42拧到丝杠41上，使得能够接收足以挤压第二基台3的反作用力。在超精加工中，在高压区域上逐步进行恒压磨削之后，使用的气动致动器5被切换到作用在低压区域上的气动致动器5。与在高压区域的情况一样，在低压区域上逐步进行恒压磨削。

图3示出姿态控制器7的实施例。图4是沿图3的线IV-IV所取的视图。姿态控制器7包括具有顶部开口的壳体。壳体由第一面构件71和侧壁711构成。这样的壳体例如可以由不锈钢形成。第二面构件72经由第二致动器75安装到侧壁711。在这种构造下，在第一面构件71和第二面构件72之间获得给定的间隙L，从而即使在第二面构件72倾斜时，第二面构件72也不与第一面构件71干涉。在图示的实施例中，除了第二致动器75，在侧壁711和第二面构件72之间设有多个弹簧77，以将第二面构件72保持在X-Y平面中。

第二致动器75由具有适当刚度的轴构件75c、超磁致伸缩元件75a和压电元件75b构成。超磁致伸缩元件75a具有线圈(未示出)，线圈缠绕在元件上并能够通过使电流穿过线圈所产生的磁场而扩张。压电元件75b也可以通过电压的作用而扩张。此外，根据放置在第二面构件72上的物体(例如旋转器等)的位置信息，给定的电流和电压(未示出)可以作用在超磁致伸缩元件75a或压电元件75b上。该位置信息是通过用于检测所放置物体的位置的传感器来获得的。此外，当需要时，响应于加工步骤，更具体而言是基于第二面构件72是否移动到相对大的程度，超磁致伸缩元件75a和压电元件75b被选择性地启动。在这种情况下，与传统技术一样，超磁致伸缩元件75a可以由诸如镝和铽之类的稀土金属以及铁镍合金形成。压电元件75b可以由锆钛酸盐(Pb(Zr，Ti)O₃)、钛酸钡(BaTiO₃)、钛酸铅(PbTiO₃)或其他通常使用的陶瓷压电材料来形成。

例如，在姿态控制器7放置在第一基台2上的情况下，当第二面构件72在X-Y平面(水平方向)上移动时第二致动器75、75被启动，当第二面构件72在Z方向(竖直方向)上移动时第一致动器76、76被启动。类似于第二致动器75，第一致动器76由具有适当刚度的轴构件76c、超磁致伸缩元件76a和压电元件76b构成。

在第一面构件71和第二面构件72之间，除了第一致动器76、76之外，还设有球73。图5的截面图示出球73的细节。

球73由球芯73a和涂层73b构成，球芯73a例如由金属制成，涂层73b绕芯73a设置并且例如由石墨制成。此外，围绕涂层73b形成有由室温下可弹性变形的粘合剂74形成的涂层。在这种情况下，对于粘合剂74来说，可以利用这样的粘合剂(弹性环氧化物粘合剂)，其例如具有10MPa至15MPa的拉伸剪切强度、2MPa.sec至7MPa.sec(优选4.5MPa.sec)的衰减系数、80GN/m至130GN/m(优选100GN/m)的弹簧常数。粘合剂的厚度可以设定成大约0.2mm。

在第一面构件71和第二面构件72与球73接触的位置，切割出切口71a和72a。通过使球73的一部分位于切口71a和72a中来定位球73。此外，覆盖球73的外周的粘合剂74粘合到切口21a和22a上，同时粘合剂6与球73(构成球73的涂层73b)分离，并且由此球73可以在粘合剂74的涂层中自由旋转。

当在第一致动器76和第二致动器75被启动的同时对放置在第二面构件72上的旋转器6a进行姿态控制时，通过由粘合剂74制成的涂层的弹性变形，可以容许第二面构件72的三维自由位移。此时，构成球73的芯73a支承旋转器6a的重量，但是仅在固定位置上旋转，而不限制由粘合剂74制成的外涂层。因此，球73仅支承旋转器6a的重量。球73和粘合剂74没有彼此粘结。由此，粘合剂74可以根据第二面构件72的位移自由地弹性变形，而不受球73的限制。由于此原因，第二面构件72被粘合剂74的弹性变形引起的反作用力仅限制到相当小的程度。

在根据本发明的磨削工件的方法(精密加工方法)中，仅使用精密加工系统1来进行从粗磨到最终的超精磨削步骤。首先，使用金刚石磨轮作为磨轮b，并且在第二基台3(旋转器6b)通过丝杠装置4移动预定量时对待磨削工件“a”进行粗磨，从而生产出待磨削的中间工件(第一步骤)。在该粗磨步骤中，检测磨轮b和待磨削工件“a”的位置。在待磨削工件“a”的磨削表面和磨轮的表面之间存在角度偏差的情况下，通过姿态控制器7来适当地矫正该偏差。

接下来，磨轮从金刚石磨轮切换成CMG磨轮。在这种情况下，操作气动致动器5，并且在逐步改变处于相对高压区域的固定压力的同时，将CMG磨轮压到待磨削工件“a”上。在最终的磨削步骤中，气动致动器5发生切换，并且在类似地逐步改变处于低压区域的固定压力的同时，在待磨削工件“a”上进行最终磨削。此外，在超精磨削步骤中，总是检测磨轮b和待磨削工件“a”的位置。在待磨削工件“a”的磨削表面和磨轮的表面之间存在角度偏差的情况下，通过姿态控制器7来适当地矫正该偏差。

示例1

参考图6至8，以下将比较通过固定磨粒得到的加工表面和通过自由磨粒得到的加工表面上的实验结果。

表1粗略地示出在考虑表面缺陷的除去率、形状、表面硬度和加工影响层这些因素的情况下，固定磨粒和自由磨粒对于硬工具和软工具之间的对比。

表1

一般地说，根据表1，可以确定在除去率和形状方面用固定磨粒进行加工较好，而在加工表面的粗糙度和加工影响层方面用自由磨粒进行加工较好。为了消除工件表面粗糙之类的缺陷并改善用固定磨粒进行加工时的加工影响层，使用CMG(化学机械磨削)作为用固定磨粒进行的加工方法，通过该方法，主动地产生化学反应用于磨削。

使用的CMG磨轮包含化学活性磨粒和添加剂，使得在磨轮和待磨削工件之间以及树脂粘合剂(包含在粘合剂中的添加剂)和待磨削工件之间发生化学反应。由此，通过使用优选与Si晶片反应的磨粒(CeO₂，SiO₂)，基于实验来制作CMG磨轮，并且测试磨轮的效果。表2示出实验中的CMG加工条件。

表2

磨轮	湿式：CMG磨轮
		待磨削工件	Si晶片
每分钟的转数	15至60(rpm)
		压力	0.23至0.92(kgf/cm<sup>2</sup>)
工作流体的供应量	10(ml/min)

在这种情况下，磨削流体具有7和11的pH。为了与CMG进行对比，使用切片晶片、商业抛光晶片和用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削镜面、磨削烧制表面)。在通过SEM照相(扫描电子显微镜照相)来观察工件表面时，用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削镜面、磨削烧制表面)和通过CMG得到的晶片比抛光晶片具有更多的磨削痕迹。

图6示出各个测试样品表面的硬度的实验结果。在图6中，“a”表示抛光晶片；b表示切割晶片；c表示用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削镜面)；d表示用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削烧制表面)；e表示通过CMG得到的晶片(pH 7)；f表示通过CMG得到的晶片(pH 11)。在图6中，抛光晶片具有最小值，而用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削烧制表面)具有最大值。相对于抛光表面，用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削烧制表面)由于加工变形而具有大约40％的加工硬化。另一方面，应当理解，通过CMG得到的晶片的硬度低于用金刚石磨轮磨削的晶片。特别是，当晶片具有11的pH时，加工硬度进一步减小，但是仍然比抛光晶片高14％。这是因为通过化学反应能够用较小的反作用力来去除材料。

图7示出Si晶片表面上的成分的分析结果。使用XPS(X射线光电子能谱学)来分析成分。在图7中，“a”表示抛光晶片；b表示切割晶片；c表示用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削镜面)；d表示用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削烧制表面)；e表示通过CMG得到的晶片(pH 11)；f表示通过CMG得到的晶片(pH 7)。在抛光晶片上，观察到由于自然氧化产生的SiO₂，但是SiO₂的量很小。在用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削烧制表面)上，包含的SiO₂成分高于Si。另一方面，在通过CMG得到的晶片上，Si与SiO2的比例最接近抛光晶片。因为Si的表面氧化被抑制，所以可以认为在CMG中塑性变形(加工畸变)引起较少的磨削热。

接下来，通过在室温下用HF∶HNO₃∶CH₃COOH＝9∶12∶2的蚀刻剂对测试样品蚀刻30秒来观察测试样品。通过这种蚀刻剂，可以看清楚加工缺陷。根据观察，很难在抛光晶片上观察到位错的影响，但是大量的蚀坑不规则地出现在切割晶片上。另一方面，磨削表面上的蚀坑的特征在于沿着磨削条纹出现。用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削镜面)具有较小的蚀坑，但是蚀坑的数量相当大。相反，通过CMG获得的晶片具有较大的蚀坑，但是蚀坑的数量很少。此外，观察到蚀坑的数量随着冷却剂的pH值而进一步减小。

图8示出从表面在深度方向上的蚀坑分布的实验结果。蚀坑分布是在用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削镜面，磨削烧制表面)和通过CMG磨削的晶片(pH7和pH 11)的磨削表面上进一步进行蚀刻之后测试的。在图8中，X表示用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削镜面)，Y表示用金刚石磨轮磨削的晶片(磨削烧制表面)，Z表示通过CMG得到的晶片(pH7)，W表示通过CMG得到的晶片(pH11)。在通过CMG得到的晶片(pH7，pH11)中，位错的深度大约为5μm，并且位错密度减小至用金刚砂磨轮磨削的晶片(磨削镜面)的位错密度的一半到三分之一。

上述实验结果证明CMG方法是一种有效的方法，通过这种方法，可以减少加工影响层并且可以在Si晶片的加工过程中形成良好的磨粒。

[示例2]

以下将基于实验结果来描述通过在逐步改变磨轮的进给速率的同时进行第一步骤(用金刚石磨轮进行磨削)的方法，可以缩短加工时间。表3示出实验结果。

[表3]

磨轮	金刚石磨轮#400/#800
		待磨削工件	8英寸单晶硅(厚度为727μm)
磨轮转速	1417转/分
		工件转速	43转/分
冷却剂	纯水(35升/分)
		进给速率	10μm/min至110μm/min

本实验是在晶片厚度从大约730μm改变至大约110μm的加工时间中以恒速、以两阶段变化的速度以及以三阶段变化的速度进行加工之间的对比实验。在这些实验中，使用两种金刚石磨轮(#400，#800)。图9示出#400金刚石磨轮(SD400N100DK100)的结果，图10示出#800金刚石磨轮(SD800N100DK100)的结果。另外，在切割50μm或更多的量时，在金刚石磨轮(#400，#800)中观察不到力的切向分量的变化，并且加工可以稳定地进行到110μm的厚度。

在图9中，X表示40μm/min的恒速，Y表示以90μm/min和30μm/min的两阶段变化的进给速率，Z表示以100μm/min、80μm/min和30μm/min的三阶段变化的进给速率。随着Si晶片的厚度逐渐减小，Si晶片变得不能承受力的较大切向分量而被损坏。由此，在本实验中，进给速率以三个阶段变化。从图9可以明显看出，以两阶段或三阶段变化的进给速率能够实现以恒速进行磨削的加工时间的大约一半。当然，本实验的进给速率可以在必要时改变。

在图10中，X表示10μm/min的恒速，Y表示以30μm/min的恒速，Z表示以40μm/min到30μm/min的两阶段变化的进给速率。Y和Z之间的对比证明加工时间可以缩短大约20％。

从以上实验结果明显可以看出，用金刚石磨轮进行磨削的第一步骤依赖于磨轮的进给速率逐步减小的假定，因此，在有效的加工方法中一开始就使用最大进给速率。

[示例3]

以下将描述对认为是极大地影响第二步骤的加工时间长短的三个因素的实验结果，在该第二步骤中，通过CMG磨轮进行磨削。一个因素是第一步骤中加工的中间磨削工件的加工表面粗糙度，第二个因素是在第一至第二步骤中磨削的工件的表面与磨轮的磨削表面之间是否存在角度偏差(对准)，第三个因素是在从第一步骤到第二步骤的过渡过程中，是否需要将磨削的工件从旋转器松开。

首先，图11示出通过在第二步骤中测试已经在第一步骤中加工的具有三种不同表面粗糙度的测试样品需要的加工时间得到的实验结果。表4示出本实验的实验条件。

[表4]

磨轮	CMG磨轮
		待磨削工件	8英寸单晶硅(从730μm的初始厚度磨削的)
磨轮转速	500转/分
		工件转速	50转/分
进给条件	压力控制(0.07MPa)

在图11中，X表示中间磨削工件的表面粗糙度(Ra)为0.153μm的情况，Y表示粗糙度(Ra)为0.018μm的情况，Z表示粗糙度(Ra)为1nm(纳米)的情况。从图11中明显可以看出，第一步骤中待磨削工件的加工表面的表面粗糙度越低，整个加工时间就越短。考虑到第一步骤需要的加工时间的减少，如上所述，需要在第一步骤中对磨轮进行多阶段进给控制。因此，以下方法是最有效的：首先，以相对高的进给速率使用具有大颗粒尺寸的金刚石磨轮进行加工；然后减小使用的金刚石磨轮的颗粒尺寸并在以后的各个步骤中减小磨轮的进给速率。

[示例4]

参考图12，以下将描述对第二步骤的加工时间的实验结果。加工时间根据第一步骤至第二步骤中待磨削工件的表面和磨轮的磨削表面之间是否存在角度偏差而改变。

在图12中，X表示存在角度偏差。在本实验中，与竖直面的偏差是0.046度，而与水平方向的偏差是0.0009度。另一方面，Y表示没有偏差。从图12可以明显看出，第二步骤所需的加工时间根据待磨削工件的表面和磨轮的磨削表面之间是否存在偏差而极大地改变。

当在两种情况下都检测到中间磨削工件的表面上的不平度时，在没有角度偏差的情况下观察到的最大不平度是0.5μm，而在存在角度偏差的情况下观察到的最大不平度是6μm。

考虑这些实验结果，优选在倾斜对准以提高平面度的同时在第一步骤中进行磨削(用金刚石磨轮进行粗磨)，并在第二步骤中进行控制以防止未对准。

[示例5]

接下来，针对在从第一步骤到第二步骤的过渡过程中磨削工件从旋转器松开的情况下和工件没有从旋转器松开的情况，在CMG之后观察晶片表面。

观察结果表明，在从旋转器松开的测试样品的表面上具有不平的图案，而在未从旋转器松开的测试样品上没有不平的图案。由此可以得出，在松开的过程中磨削工件由于在金刚石磨削步骤中产生的残余应力而变形，并且该变形在工件的表面上产生不平的图案。

因此，应当注意，紧固到旋转器上的中间磨削工件在从第一步骤到第二步骤的过渡过程中不应当被松开。

[示例6]

最后，参考图13至20，以下将描述对通过CMG方法得到的晶片和通过CMP方法得到的晶片的加工表面的特性的对比观察结果。

图13示出通过CMG方法得到的晶片的横截面上的TEM图像(透射电子显微镜图像)。图14a示出图13的部分A(靠近表面)的成分分析结果，图14b示出图13的部分B(内部)的成分分析结果。应当理解，在如图13所示的晶片表面和晶片内部没有发现晶格缺陷等，并且如图14所示仅检测到Si元素。此外，图14中发现的Cu、Au和W元素是在TEM样品的生产过程中用作保护膜的材料，这些材料不是通过CMG方法产生的。

图15示出通过CMP方法得到的晶片的横截面的TEM图像。图16a示出图15的部分A(靠近表面)的成分分析结果，图16b示出图15的部分B(内部)的成分分析结果。图15示出晶片表面上发现的SiO₂层。图16a示出检测到氧的峰。

图17a示出通过CMG方法得到的超薄晶片的表面上的TEM图像。图17b示出超薄晶片的表面上的选定区域电子衍射图案。图18a示出通过CMP方法得到的晶片的表面上的TEM图像。图18b示出晶片表面上的选定区域电子衍射图案。图17和18之间的比较显示出明显的区别。通过CMG方法得到的晶片的表面是完美表面，而通过CMP方法得到的晶片的表面具有无定性材料特有的晕圈(halo)以及Si斑点。晕圈的存在表明无定性的SiO₂层出现在晶片的加工表面上。

图19和20示出通过AFM(原子力显微镜)得到的通过CMG方法和CMP方法加工的晶片表面上的图案。通过CMG方法用固定的磨轮得到的标记清楚地出现在通过CMG方法得到的晶片上，并且晶片具有完美表面，其仅具有0.16nm的极小表面粗糙度(Ra)。另一方面，在通过CMP方法得到的晶片上发现不规则的标记，并且发现晶片的表面粗糙度(Ra)为0.36nm，这至少是CMG方法的两倍。

上述实验结果证明本发明的精密加工方法同时能够提高效率并增加加工精度。此外，其清楚地表明CMG方法能够比传统CMP方法实现更精确的晶片处理。

已经参考附图详细描述了本发明的实施例。具体的构造不限于这些实施例。在本发明主旨范围内的设计变化等都包含在本发明内。

Claims (3)

1.一种使用精密加工系统进行的精密加工方法，所述精密加工系统包括：用于使待磨削工件旋转的第一旋转器；用于支承所述第一旋转器的第一基台；用于使磨轮旋转的第二旋转器；和用于支承所述第二旋转器的第二基台，所述第一基台和/或所述第二基台还包括能够使所述基台中的一个向另一个移动的移动调节装置，所述移动调节装置能够选择性地进行基于移动量的控制和基于压力的控制，

所述方法的特征在于包括：

通过用金刚石磨轮磨削所述工件来生产中间磨削工件的第一步骤；和

通过用化学机械磨削磨轮磨削所述中间磨削工件来生产最终磨削工件的第二步骤；

其中，所述第一步骤包括粗磨步骤和接下来的半精加工步骤，在所述半精加工步骤中使用的磨轮比在所述粗磨步骤中使用的磨轮具有更精细的磨粒尺寸，并且在所述第一步骤中，所述旋转器和所述基台的进给是根据所述基于移动量的控制以具有不同进给速度的多个阶段而被控制的，所述半精加工步骤中的进给速度低于所述粗磨步骤中的进给速度，

在所述第二步骤中，所述旋转器和所述基台的移动是根据所述基于压力的控制以具有不同恒定压力的多个阶段而被控制的，并且各阶段的恒定压力逐步减小同时所述待磨削工件的表面进入延性模式。

2.根据权利要求1所述的精密加工方法，其特征在于，在所述第一旋转器和所述第一基台之间或者所述第二旋转器和所述第二基台之间配置有用于控制所述第一或第二旋转器的姿态的姿态控制器，并且在所述第一步骤和所述第二步骤中适当地矫正所述待磨削工件的被磨削表面和所述磨轮的表面之间的角度偏差。

3.根据权利要求1或2所述的精密加工方法，其特征在于，被紧固到所述第一旋转器上的所述工件在没有从所述第一旋转器上松开的状态下从所述第一步骤变换到所述第二步骤。

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