CN101716747A - 用于硅片超精密磨床的压电式磨削力测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种用于硅片超精密磨床的压电式磨削力测量装置属于传感测控技术领域,特别涉及硅片超精密磨削过程中磨削力的检测。测量装置由底座、压电石英力传感器、上盖、连接螺钉、转接板、梯形套筒、螺母、双头螺柱、法兰盘固定螺钉以及法兰盘组成。底座为一圆环式结构,底座的上表面上安装4个压电石英力传感器,4个压电石英力传感器呈正方形均匀分布,连接螺钉将底座、上盖以及压电石英力传感器刚性连接在一起,构成测力仪组件。压电石英力传感器由2对yx型单元晶组和1对xy型单元晶组组成。本装置具有结构简单,灵敏度高,线性度、重复性好,测量精度高的良好特性。压电式磨削力测量装置能够对硅片磨削加工过程中的磨削力进行实时检测。

Description

用于硅片超精密磨床的压电式磨削力测量装置
技术领域
本发明一种用于硅片超精密磨床的压电式磨削力测量装置属于传感测控技术领域,特别涉及硅片超精密磨削过程中磨削力的检测。
背景技术
集成电路(IC)的发展离不开基础材料硅片,全球90%以上的IC都要采用硅片。IC制造过程中,特别是硅片制备和芯片封装阶段,主要应用硅片的超精密加工工艺(包括超精密磨削、研磨和抛光)进行硅片的超精密平整化加工和背面减薄加工。
随着IC制造技术的飞速发展,IC芯片不断向高集成化、高密度化及高性能化方向发展,对硅片的加工精度和表面质量提出了很高的要求,要求获得亚微米级面形精度、亚纳米级表面粗糙度和无损伤的硅片表面。同时,为了增加芯片产量和降低芯片制造成本,硅片趋向大直径化,硅片的厚度也相应增大以保证硅片的强度;另一方面,为了满足先进IC封装技术的要求,芯片的厚度却不断减小,封装前的硅片趋于超薄化。硅片直径和厚度的增大以及芯片厚度的减小,使硅片加工的材料去除量增大,要求提高硅片加工效率;而为了保证超薄芯片的强度,要求硅片背面减薄后达到超光滑无损伤的表面。因此,传统的应用研磨工艺的小尺寸硅片超精密加工工艺已不再适用,实现高效率高精度高质量的加工成为硅片超精密加工技术面临的新挑战。
超精密磨削工艺与研磨工艺相比具有加工效率高,成本低,可以获得高的面形精度和表面质量,容易实现加工过程在线检测和控制以及加工过程的自动化等公认的优点,不仅可用于大尺寸硅片超光滑表面的平整化加工,而且可用于IC封装前的硅片背面减薄。因此,超精密磨削技术已成为IC制造中大直径硅片的先进超精密加工技术。
超精密磨削硅片的加工过程中,磨削力一方面直接反映了磨削振动和砂轮磨损等磨削状态;另一方面,磨削力不仅会引起机床的变形,影响硅片加工精度,而且会导致硅片磨削表面损伤,对硅片加工表面质量有很大的影响。特别在硅片背面磨削减薄加工中,由于加工硅片厚度越来越薄,磨削力的变化,极易引起硅片破碎。因而,在磨削硅片过程中在线检测磨削力动态信号,对磨床动态特性和砂轮磨削性能进行监控,并根据磨削力对砂轮进给速度等工艺参数进行实时调整,实现控制力磨削,使磨削过程处于最佳状态,对于提高硅片加工精度和表面质量,保证硅片加工成品率非常必要。
目前,国内外硅片超精密磨床没有直接检测磨削力的在线动态检测系统,少数磨床主要采用检测砂轮主轴电机电流值的方法来间接检测磨削力。由于在磨削过程中,影响主轴电机电流大小的因素很多,这种间接检测方法很难准确实时地监测硅片加工的磨削力,此外,这种间接检测方法无法精确确定磨削力在砂轮径向和轴向三个方向上的分力Fx、Fy和Fz。
发明内容
本发明针对硅片超精密磨削过程中磨削力的检测要求,结合研制开发的硅片超精密磨床的结构特点以及磨削加工中砂轮与硅片相互作用力的分布特点,利用石英晶体的压电效应,发明了一种压电式磨削力测量装置。该压电式磨削力测量装置采用4个三向压电石英力传感器,组装成整体结构,具有灵敏度高、线性度和重复性好、向间干扰小、测量精度高的特点,可方便安装于硅片超精密磨床,实现对硅片磨削过程中三向磨削力的动态检测。
本发明采用的技术方案是:一种用于硅片超精密磨床的压电式磨削力测量装置采用了压电石英力传感器,测量装置由底座1、4个压电石英力传感器2、上盖3、连接螺钉4、转接板5、梯形套筒6、螺母7、双头螺柱8、法兰盘固定螺钉9以及法兰盘10组成;底座1为一圆环式结构,底座1的上表面上安装4个压电石英力传感器2,4个压电石英力传感器2呈正方形均匀分布,连接螺钉4将底座1、上盖3以及压电石英力传感器2刚性连接在一起,构成测力仪组件,在底座1的上表面上有4个均匀分布的螺纹孔a和4个均匀分布的通孔b,螺纹孔a以0°线为基准线,其位置角度分别为45°、135°、225°、315°,通孔b以0°线为基准线,其位置角度分别为0°、90°、180°、270°;上盖3为一圆环式结构,上盖3的上表面上有4个均匀分布的阶梯孔c、3个均匀分布的通孔d和以通孔d为中心的12个均匀分布的螺纹孔e,法兰盘固定螺钉9通过螺纹孔e将法兰盘10固定在上盖3上;3个梯形套筒6分别通过3个螺母7均匀固定在转接板5上,3个梯形套筒6以0°线为基准线,其位置角度分别为60°、180°、300°;3个法兰盘10分别通过4个法兰盘固定螺钉9均匀固定在上盖3上,3个法兰盘10以0°线为基准线,其位置角度分别为60°、180°、300°;3个双头螺柱8分别各将1个梯形套筒6和1个法兰盘10连接在一起。
如权利要求1所述的一种用于硅片超精密磨床的压电式磨削力测量装置,压电石英力传感器2由2对yx型单元晶组o1、o2、1对xy型单元晶组o′、2片测量径向力的电极u1、u2、1片测量轴向力的电极v、径向力负信号引出线p1、p2、轴向力负信号引出线q、4片接地电极r和接地导线s组成;3对单元晶组安装顺序为1对测量径向力Fx的yx型单元晶组o1,1对测量轴向力Fz的xy型单元晶组o′,1对测量径向力Fy的yx型单元晶组o2,每对单元晶组将两片石英晶片对装,即在电路上为并联结构,信号分别通过夹在两片石英晶片间的电极u1、u2、v引出;四片接地电极r通过接地导线s连接到一起后接地。
本发明的显著效果是:该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,非常适用于各种动态力的测量。将该测量装置应用于硅片超精密磨床,能够实时准确地检测硅片磨削过程中三个方向磨削力的变化,实现磨削过程的监控,提高加工过程的可靠性和生产效率。
附图说明
图1为测量装置装配图的剖视图,图2为测量装置装配图的A-A俯视图,图3为测量装置上盖的剖视图,图4为压电石英力传感器的三维图。
其中1-底座,2-压电石英力传感器,3-上盖,4-连接螺钉,5-转接板,6-梯形套筒,7-螺母,8-双头螺柱,9-法兰盘固定螺钉,10-法兰盘;a-固定压电石英力传感器的螺纹孔,b-固定底座的通孔,c-连接底座1和上盖3的阶梯孔,d-通孔,e-固定法兰的螺纹孔,o1-测量径向力Fx的yx型单元晶组,o2-测量径向力Fy的yx型单元晶组,o′-测量轴向力Fz的xy型单元晶组,p1-径向力Fx负信号引出线,p2-径向力Fy负信号引出线,q-轴向力Fz负信号引出线,u1-测量径向力Fx时的电极,u2-测量径向力Fy时的电极,v-测量轴向力Fz时的电极,r-接地电极,s-接地导线。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式,如附图1-4所示,用连接螺钉4将底座1、上盖3以及压电石英力传感器2刚性连接在一起,用法兰盘固定螺钉9通过螺纹孔e将法兰盘10固定在上盖3上,每个梯形套筒6分别通过1个双头螺柱8和1个法兰盘10连接在一起。然后,用螺母7将3个梯形套筒6均匀固定在转接板5上。最后,将测量装置通过通孔b固定在超精密磨床上。
装配时,使4个压电石英力传感器2要保证同向一致、位置均布和一定的预载,所以当空间任何方向力作用在工作台上任何一点时,压电石英力传感器2自动将其分解为Fx、Fy及Fz三个方向上的正交力,其各自受力的大小和方向完全取决于外力大小,方向和作用点位置。
Fx=Fx1+Fx2+Fx3+Fx4
Fy=Fy1+Fy2+Fy3+Fy4
Fz=Fz1+Fz2+Fz3+Fz4
式中Fx、Fy、Fz为外力F在空间直角坐标系下X、Y、Z向上的分力,Fxi、Fyi、Fzi(i=1,2,3,4)分别为4个压电石英力传感器2在外力F作用下所受的三向力。
实例:实验室室温为26℃,电荷放大器YE5850B的灵敏度分别为SX=7.93pc/kgf,SY=7.85pc/kgf,SZ=3.53pc/kgf,当轴向力作用时,通过底座1将力作用到压电石英力传感器2上,具有纵向效应的一组xy型单元晶组o′的石英晶体表面便会产生相应的电荷,电荷传递到夹在两片石英晶片间的电极v上,通过轴向力负信号引出线p将电荷引出;当径向力作用于测量装置上时,通过压电石英力传感器2与底板1上表面以及上盖3下表面之间的摩擦力,将径向力作用到压电石英力传感器2的上下表面两组具有剪切效应的yx型单元晶组o1、o2上,两组单元晶组的石英晶体表面便会产生相应的电荷,电荷分别传递到夹在两片石英晶片间的电极u1、u2上,分别通过径向力负信号引出线q1、q2将电荷引出;四片接地电极r通过接地导线s连接到一起后接地。
将输出电荷通过电荷放大器进行放大,并转换成电压信号输出,经过A/D数据采集卡将模拟信号变成计算机接受的数字信号,输入计算机,经计算机采集、处理后得出所测轴向力及径向力的大小,最后由终端显示,如表1所示。
表1-Z向在线检测
由表1得出,Z向中点加载时,非线性误差<0.2%,重复性误差<0.5%,向间横向干扰<2%。试验结果表明各项指标均达到国际生产工程研究会一切削科学技术委员会规定的标准。
本发明一种用于硅片超精密磨床的压电式磨削力测量装置具有灵敏度高,线性度、重复性好,测量精度高的良好特性,可以对硅片加工过程中的磨削力进行测量,能够实时的反映出各种加工状态下磨削力的变化。

Claims (2)

1.一种用于硅片超精密磨床的压电式磨削力测量装置采用了压电石英力传感器,其特征在于,测量装置由底座(1)、4个压电石英力传感器(2)、上盖(3)、连接螺钉(4)、转接板(5)、梯形套筒(6)、螺母(7)、双头螺柱(8)、法兰盘固定螺钉(9)以及法兰盘(10)组成;底座(1)为一圆环式结构,底座(1)的上表面上安装4个压电石英力传感器(2),4个压电石英力传感器(2)呈正方形均匀分布,连接螺钉(4)将底座(1)、上盖(3)以及压电石英力传感器(2)刚性连接在一起,构成测力仪组件,在底座(1)的上表面上有4个均匀分布的螺纹孔(a)和4个均匀分布的通孔(b),螺纹孔(a)以0°线为基准线,其位置角度分别为45°、135°、225°、315°,通孔(b)以0°线为基准线,其位置角度分别为0°、90°、180°、270°;上盖(3)为一圆环式结构,上盖(3)的上表面上有4个均匀分布的阶梯孔(c)、3个均匀分布的通孔(d)和以通孔(d)为中心的12个均匀分布的螺纹孔(e),法兰盘固定螺钉(9)通过螺纹孔(e)将法兰盘(10)固定在上盖(3)上;3个梯形套筒(6)分别通过3个螺母(7)均匀固定在转接板(5)上,3个梯形套筒(6)以0°线为基准线,其位置角度分别为60°、180°、300°;3个法兰盘(10)分别通过4个法兰盘固定螺钉(9)均匀固定在上盖(3)上,3个法兰盘(10)以0°线为基准线,其位置角度分别为60°、180°、300°;3个双头螺柱(8)分别各将1个梯形套筒(6)和1个法兰盘(10)连接在一起。
2.如权利要求1所述的一种用于硅片超精密磨床的压电式磨削力测量装置,其特征是,压电石英力传感器(2)由2对yx型单元晶组(o1)、(o2)、1对xy型单元晶组(o′)、2片测量径向力的电极(u1)、(u2)、1片测量轴向力的电极(v)、径向力负信号引出线(p1)、(p2)、轴向力负信号引出线(q)、4片接地电极(r)和接地导线(s)组成;3对单元晶组安装顺序为1对测量径向力Fx的yx型单元晶组(o1),1对测量轴向力Fz的xy型单元晶组(o′),1对测量径向力Fy的yx型单元晶组(o2),每对单元晶组将两片石英晶片对装,即在电路上为并联结构,信号分别通过夹在两片石英晶片间的电极(u1)、(u2)、(v)引出;四片接地电极(r)通过接地导线(s)连接到一起后接地。
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