CN102009387B - 一种半导体晶片磨削力在线测量装置及控制力磨削方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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(≤150μm)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。Jeremiah A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，均匀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。

附图说明

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A1、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A1来说明压电石英力传感器151的结构，A1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(A1、A2、A3和A4)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

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。由表1得出，加载Fz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-切削科学技术委员会规定的标准。

如图4所示，在磨削半导体晶片W时，磨削力通过砂轮10传递给主轴8，再经主轴8的法兰传递给磨削力检测装置15，分别输出对应径向力Fr、切向力Ft和轴向力Fz的电荷信号，经数据采集系统16调制放大为对应的电压，经A/D转换将电压模拟信号变成数字信号Ur、Ut、Uz后，作为数控系统17其中一个输入信号，经数控系统17相应处理得出空间矢量力数值。数控系统17还接收另一个是用户预先设定的磨削力数值，控制系统将这两个数值进行比较计算得到一个差值作为磨削力在线测量系统的反馈信号，输出给伺服系统18，从而控制电机4的转速和转动量，进而达到控制砂轮10的进给速度和进给量。最后由终端显示、记录、打印所测得的径向力Fr、切向力Ft和轴向力Fz以备后续数据处理。

如图5所示，所述的磨削力在线测量系统的磨削力控制流程，其中物理量代表的含义：

n0：用户预先设定的初始进给速度

nδ：计算后的进给速度增量

n：当前进给速度

F0：用户预先设定的给定磨削力值

ε：用户预先设定的磨削力变化率

F1：上一采样的磨削力值

F2：当前采样的磨削力值

说明：

控制原理：先比较当前采样的磨削力值F2与上一采样的磨削力值F1，判断磨削力的变化趋势。再比较当前采样的磨削力值F2与用户预先设定的初始磨削力值F0最值比较，然后判断是否改变当前进给速度。

当所监测的磨削力减小时，若当前磨削力大于所设磨削力上限值，保持当前进给速度；若当前磨削力小于所设磨削力上限值，则数控系统17将计算结果输出给伺服系统18控制伺服电机4，增大当前进给速度。当所监测的磨削力增大时，若当前磨削力大于所设磨削力下限值，则数控系统17将计算结果输出给伺服系统18控制伺服电机4，减小当前进给速度；若当前磨削力小于所设磨削力下限值，保持当前进给速度。

如图6所示，为解决高精度和高效率磨削之间的矛盾，采用砂轮分阶段进给的方式，将磨削阶段分为快趋、快进、慢进、光磨、慢退、快退、消隙七个阶段，在不同的磨削阶段采用不同的磨削工艺，即在优化后的磨削力，进给速度和进给量范围内磨削晶片。在磨削过程中通过测力装置来实时监控磨削力的变化情况，通过磨削力的数值变化来控制砂轮主轴的进给速度。在磨削前期通过磨削工艺参数试验，获得不同晶片材质、工艺条件、工艺参数等情况下的磨削力阈值，再通过将此磨削试验数据建立一个全面的工艺参数数据库，此数据库的功能不但是在相同工艺参数下提供磨削力阈值，而且通过分析与计算，针对特殊磨削状况能够提供优化的磨削参数，保证在不同条件下也能够获得较好的加工效果。

由上述磨削力在线测量装置作为磨削过程中的监测单元以及主轴进给控制系统元素，能够实现恒力磨削和高效的晶片超精密磨削加工。如在快趋和快进阶段进行恒力磨削，保证实际磨削力值接近预先设定的磨削力许用值，并维持在设定的磨削力范围内，从而保证砂轮以最大速度进给磨削晶片，快速去除大部分晶片余量，实现半导体晶片的高效磨削，如图6中虚线所示的恒力磨削过程曲线；慢进阶段则通过减少砂轮进给速度的方式，将晶片的磨削控制在延性域范围内，减少表面和亚表面损伤，获得高精度晶片表面，解决晶片的高效率和高精度的磨削问题。

Claims (1)

1.一种利用半导体晶片磨削力在线测控装置进行控制力磨削的方法，其特征在于，

所述的半导体晶片磨削力在线测控装置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，包括上盖板、下盖板、连接螺钉和4组压电石英力传感器，每组压电石英力传感器都具有相同的结构，由测量径向力Fr、切向力Ft和轴向力Fz三个方向力的三对石英晶片组成，其中一对采用承受拉压效应的X0°切型，两对采用承受剪切效应的Y0°切型，每对石英晶片中的两片石英晶片的界面处贴有电极，每对石英晶片中的电极并联输出后接地，然后4组压电石英力传感器的输出电极一一对应并联连接后，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，均匀分布在下盖板的上表面的等半径圆上，连接螺钉将下盖板、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的下盖板的下表面通过螺钉连接，主轴座的下表面与磨削力测量装置的上盖板的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；

利用所述的半导体晶片磨削力在线测控装置在磨削过程中实时监控磨削力的变化情况，采集系统接收4组压电石英力传感器的电荷信号，处理后的数据传输至数控系统，数控系统将用户预先设定的参数与从采集系统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，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；所述的高效磨削适用于晶片的粗磨工艺，而恒力磨削适合于晶片的精磨工艺；

实现上述控制力磨削的控制原理是：先比较当前采样的磨削力值F2与上一采样的磨削力值F1，判断磨削力的变化趋势，再比较当前采样的磨削力值F2与用户预先设定的初始磨削力值F0最值比较，然后判断是否改变当前进给速度；当所监测的磨削力减小时，若当前磨削力大于预先设定的初始磨削力上限值，保持当前进给速度，若当前磨削力小于预先设定的初始磨削力上限值，则数控系统将计算结果输出给伺服系统控制伺服电机增大当前进给速度；当所监测的磨削力增大时，若当前磨削力大于预先设定的初始磨削力下限值，则数控系统将计算结果输出给伺服系统控制伺服电机减小当前进给速度，若当前磨削力小于预先设定的初始磨削力下限值，保持当前进给速度；

为解决高精度和高效率磨削之间的矛盾，半导体晶片磨削采用砂轮分阶段进给的方式，磨削阶段分为快趋、快进、慢进、光磨、慢退、快退、消隙七个阶段，在不同的磨削阶段采用不同的磨削工艺，即在优化后的磨削力，进给速度和进给量范围内磨削晶片；

在磨削前期通过磨削工艺参数试验，获得不同晶片材质、工艺条件、工艺参数情况下的磨削力阈值，再将此磨削工艺参数试验数据建立一个全面的工艺参数数据库，此数据库的功能不但是在相同工艺参数下提供磨削力阈值，而且通过分析与计算，针对特殊磨削状况能够提供优化的磨削参数，保证在不同条件下也能够获得较好的加工效果。

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