CN112096740A - 用于空气轴承的供气系统和磨削工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空气轴承的供气系统和磨削工具，供气系统包括主气源、备用气源、中继阀、气控阀、第一过滤器、第二过滤器、干燥器和减压阀；主气源同时与中继阀的预控制口、风源口以及气控阀的第一进气口连通，中继阀的输出口与气控阀的控制口连通，气控阀的出气口依次通过第一过滤器、第二过滤器、干燥器和减压阀与空气轴承的气管接口连通，以在主气源的供气压力大于等于预设压力时中继阀的风源口与输出口连通从而使气控阀的第一进气口与出气口连通以实现主气源为空气轴承供气，备用气源与气控阀的第二进气口连通，以在主气源发生故障其供气压力小于预设压力时使气控阀的第二进气口与出气口连通从而自动切换至备用气源为空气轴承供气。

Description

用于空气轴承的供气系统和磨削工具

技术领域

本发明属于晶圆超精密磨削技术领域，尤其涉及一种用于空气轴承的供气系统和磨削工具。

背景技术

目前半导体行业采用在半导体晶圆的表面上形成有IC（Integrated Circuit，集成电路）或LSI（Large Scale Integration，大规模集成电路）等电子电路来制造半导体芯片。晶圆在被分割为半导体芯片之前，通过磨削形成有电子电路的器件面的相反侧的晶圆背面，从而将晶圆磨削至预定的厚度。

在半导体超精密磨削设备中，对晶圆进行磨削的砂轮主轴多使用空气轴承，空气轴承又称为气浮轴承，指的是用气体作为润滑剂的滑动轴承，通过在轴与轴承之间形成空气膜以实现轴与轴承之间无摩擦的相对旋转。空气轴承运行需要持续不断的供应高精度且干燥的压缩气体。大多数的空气轴承故障也因供气管理不充分而产生。

空气轴承的轴承内径与转轴外径之间的间隙往往是微米级，一般间隙为3-20μm。砂轮主轴在磨削运动时转速达到数千转，一旦空气轴承的供气系统发生断气，由于电机制动还需要一定时间，轴承与转轴将不可避免地发生剐蹭，导致轴承与转轴的精度损失甚至造成咬合抱死，属于严重事故。

空气轴承的供气压力一般为0.2MPa~0.6MPa，生产厂家不一样供气要求有所差异，一般推荐供气压力为0.5MPa；在压力允许范围内使用时，空气轴承的轴承刚性等性能值会随供气压力成比例下降；当在气源压力小于规定值使用时，轴承部的负荷容量不足会导致空气轴承动作不良甚至损坏，从而造成设备停机及巨大经济损失，因此保证空气轴承供气的稳定性是极为重要的。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于空气轴承的供气系统和磨削工具，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明实施例的第一方面提供了一种用于空气轴承的供气系统，包括主气源、备用气源、中继阀、气控阀、第一过滤器、第二过滤器、干燥器和减压阀；

主气源同时与中继阀的预控制口、风源口以及气控阀的第一进气口连通，中继阀的输出口与气控阀的控制口连通，气控阀的出气口依次通过第一过滤器、第二过滤器、干燥器和减压阀与空气轴承的气管接口连通，以在主气源的供气压力大于等于预设压力时中继阀的风源口与输出口连通从而使气控阀的第一进气口与出气口连通以实现主气源为空气轴承供气，备用气源与气控阀的第二进气口连通，以在主气源发生故障其供气压力小于预设压力时使气控阀的第二进气口与出气口连通从而自动切换至备用气源为空气轴承供气；

其中，第一过滤器的过滤精度为能够滤除的颗粒直径尺寸大于等于3μm；第二过滤器的过滤精度为能够滤除的颗粒直径尺寸在0.01-0.3μm之间。

在一个实施例中，所述主气源通过第一开关阀分别与中继阀和气控阀连接，所述第一开关阀的第一端与主气源连通，所述第一开关阀的第二端同时与中继阀的预控制口、风源口以及气控阀的第一进气口连通。

在一个实施例中，所述主气源与中继阀之间的气路上还设有第一压力开关，用于在主气源的供气压力小于预设压力时进行报警。

在一个实施例中，所述备用气源通过第二开关阀与气控阀连接，所述第二开关阀的第一端与备用气源连通，所述第二开关阀的第二端与气控阀的第二进气口连通。

在一个实施例中，所述备用气源与气控阀之间的气路上还设有第二压力开关，用于在备用气源的供气压力小于预设压力时进行报警。

在一个实施例中，第二过滤器的两端连接压差开关以监控第二过滤器的输入与输出之间的压力差并在该压力差大于等于设定值时进行报警。

在一个实施例中，用于空气轴承的供气系统还包括位于第二过滤器的下游侧气路上的流量计。

在一个实施例中，所述减压阀与空气轴承之间的气路上还设有第三压力开关。

本发明实施例的第二方面提供了一种磨削工具，包括砂轮以及与砂轮连接的主轴组件，主轴组件包括主轴、空气轴承、主轴座和进给机构；

所述主轴通过空气轴承与主轴座连接以可旋转地同轴配置于主轴座中，主轴座与进给机构连接以实现上下移动；

所述空气轴承与如上所述的供气系统连接。

本发明实施例的有益效果包括：通过中继阀和气控阀的配合使用，实现了在主气源发生故障时，迅速切换至备用气源进行供气，从而保证了空气轴承运行的可靠性。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，但这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：

图1为本发明一实施例提供的晶圆磨削设备的示意图；

图2为本发明一实施例提供的用于空气轴承的供气系统的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本发明具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。

此外，还需要说明的是，本申请中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1以示意性立体图示出了本发明的一个实施例提供的晶圆磨削设备1，包括：

工作台31，其可旋转并支承多个吸盘转台；

吸盘转台32，其对晶圆进行保持并可带动晶圆旋转；

磨削工具2，其使砂轮抵接晶圆以对晶圆进行磨削减薄处理，砂轮连接主轴组件，主轴组件包括主轴、空气轴承、主轴座和进给机构，主轴通过空气轴承与主轴座连接以可旋转地同轴配置于主轴座中，主轴座与进给机构连接以实现上下移动。

其中，工作台31上配置有多个用于保持晶圆并带动晶圆旋转的吸盘转台32。工作台31可绕其竖向中轴线旋转以使工作台31带动多个吸盘转台32整体旋转移动从而实现吸盘转台32在不同工位间转换位置。每个吸盘转台32还可单独旋转。如图1所示，作为一种可实施方式，在工作台31上均匀分布有三个可单独旋转的吸盘转台32，分别具有用于吸附晶圆的第一吸盘、第二吸盘和第三吸盘，三个吸盘为结构完全相同的多孔陶瓷吸盘以实现真空吸附晶圆，并且，三个吸盘转台32中心与工作台31中心连线互成120°夹角。三个吸盘转台32对应三个工位，即粗磨工位、精磨工位和装卸工位，其中相对砂轮的两个工位分别用于进行粗磨削和精磨削，剩下一个工位用于晶圆的装卸和清洗。通过工作台31的旋转可带动三个吸盘转台32在这三个工位间切换，以实现吸盘转台32载着晶圆按照装卸工位-粗磨工位-精磨工位-装卸工位的顺序循环移动。本实施例通过反复循环实现晶圆的全自动装卸和连续磨削及清洗。采用旋转式工作台31进行晶圆磨削具有材料去除率高、晶圆表面损伤小、容易实现自动化的优点。

如图1所示，磨削工具2主要由粗磨部21和精磨部22组成，粗磨部21设有用于对晶圆进行粗磨削的粗磨砂轮，精磨部22设有用于对晶圆进行精磨削的精磨砂轮。磨削过程是将磨削用砂轮按压在晶圆表面并旋转，以研磨掉一定厚度。

粗磨部21包括形状为杯形结构的粗磨砂轮以及与粗磨砂轮连接的主轴组件，该主轴组件包括粗磨主轴、粗磨空气轴承、粗磨主轴座和粗磨进给机构。粗磨砂轮连接在粗磨主轴的底部以使粗磨主轴带动粗磨砂轮旋转从而实现粗磨砂轮对晶圆表面旋转磨削，粗磨主轴通过粗磨空气轴承与粗磨主轴座连接以可旋转地同轴配置于粗磨主轴座中，粗磨主轴座与粗磨进给机构连接以实现上下移动，通过粗磨进给机构控制粗磨砂轮相对于晶圆接近或远离以进行轴向切入式进给磨削。本实施例中，粗磨砂轮可以为金刚石砂轮，其表面较粗糙以实现快速的晶圆磨削，减少晶圆磨削时间。在粗磨削时，粗磨砂轮相对于晶圆的进给速度为2至10μm/s从而实现高速进给，粗磨砂轮的转速为2000-4000rpm。粗磨砂轮的半径与晶圆的半径匹配，可以为晶圆半径的1至1.2倍。粗磨削过程对晶圆厚度的减薄量大于600μm，经过粗磨削之后，晶圆厚度可减为150μm之内。

精磨部22包括形状为杯形结构的精磨砂轮以及与精磨砂轮连接的主轴组件，该主轴组件包括精磨主轴、精磨主轴座和精磨进给机构。精磨砂轮连接在精磨主轴的底部以使精磨主轴带动精磨砂轮旋转从而实现精磨砂轮对晶圆表面旋转磨削，精磨主轴通过精磨空气轴承与精磨主轴座连接以可旋转地同轴配置于精磨主轴座中，精磨主轴座与精磨进给机构连接以实现上下移动，通过精磨进给机构控制精磨砂轮相对于晶圆接近或远离以进行轴向切入式进给磨削。本实施例中，精磨砂轮可以为金刚石砂轮，其表面粗糙度低于粗磨砂轮，由于粗磨快速去除晶圆表面材料会产生严重的表面缺陷和损失，利用精磨砂轮的细致表面进行低速磨削以降低晶圆表面损伤层厚度并提高晶圆表面质量。在精磨削时，精磨砂轮相对于晶圆的进给速度为0.1至1μm/s从而实现低速进给来提高磨削精度，精磨砂轮的转速为2000-4000rpm。精磨砂轮的半径与晶圆的半径匹配，可以为晶圆半径的1至1.2倍。

如图1所示，晶圆磨削设备1还包括测量单元4，其包括接触式测量仪和非接触式光学测量仪，能够实现在线监测晶圆厚度。接触式测量仪的测头压在晶圆表面以利用晶圆上下表面的高度差测量晶圆的厚度。接触式测量仪设有两套，分别配置在粗磨部21和精磨部22。非接触式光学测量仪利用红外光照射晶圆并根据晶圆上下表面的不同反射光计算晶圆厚度。需要说明的是，在本公开中，晶圆厚度是指晶圆上表面至下表面之间的整体厚度，而不是铺设在晶圆表面的镀膜厚度。

如图1所示，晶圆磨削设备1还包括清洗单元5，清洗单元5包括第一清洗部51和第二清洗部52。第一清洗部51用于吸盘清洗和打磨，具有可旋转的第一本体，第一本体底部设有吸盘清洗用毛刷和吸盘打磨用油石，第一本体底部还设有通孔以通过第一本体内部的管路向吸盘喷淋清洗用流体。第二清洗部52用于晶圆清洗，具有可旋转的第二本体，第二本体底部设有晶圆清洗用毛刷，并且第二本体底部还设有通孔以通过第二本体内部的管路向晶圆喷淋清洗用液体。

如图1所示，晶圆磨削设备1还包括一简易机械手6，简易机械手6用于将晶圆放置在机台3上以进行磨削，并在磨削和清洗完成后从机台3上取出晶圆以进行后续传输。作为一种可实施方式，简易机械手6内部设有用于抽真空的管路，以实现真空吸附晶圆。

另外在具体实施中，晶圆磨削设备1还包括磨削液供给单元，其用于在粗磨削和/或精磨削时向晶圆表面喷淋磨削液以助研磨，磨削液可以为去离子水。

如图2所示，本发明实施例提供了一种用于空气轴承的供气系统，包括：

主气源71、备用气源72、中继阀73、气控阀74、第一过滤器75、干燥器77和减压阀78；

主气源71同时与中继阀73的预控制口、风源口以及气控阀74的第一进气口连通，中继阀73的输出口与气控阀74的控制口连通，气控阀74的出气口依次通过第一过滤器75、干燥器77和减压阀78与空气轴承的气管接口连通，以在主气源71的供气压力大于等于预设压力时中继阀73的风源口与输出口连通从而使气控阀74的第一进气口与出气口连通以实现主气源71为空气轴承供气，备用气源72与气控阀74的第二进气口连通，以在主气源71发生故障其供气压力小于预设压力时使气控阀74的第二进气口与出气口连通从而自动切换至备用气源72为空气轴承供气。

其中，中继阀73上设置有预控制口、风源口和输出口，通过预控制口的气体压力大小控制风源口和输出口的通断。

本实施例中，中继阀73的预控制口连通主气源71，当主气源71的供气压力大于等于预设压力时，中继阀73的输出口与风源口连通，即中继阀73的输出口与主气源71连通；当主气源71的供气压力小于预设压力时，中继阀73的输出口与风源口断开，即中继阀73的输出口无气体输出。具体地，预设压力可以为0.5MPa。

气控阀74上设置有控制口、第一进气口、第二进气口和出气口，主要用于通过控制口的状态控制进气口和出气口的通断。当气控阀74的控制口通过中继阀73的输出口连通主气源71时，气控阀74的出气口与第一进气口连通，从而实现主气源71为空气轴承供气；当气控阀74的控制口无气体输入时，气控阀74的出气口与第二进气口连通，从而使备用气源72为空气轴承供气。

主气源71和备用气源72用于提供压缩空气。备用气源72可以由储气罐实现。存储在储气罐内的压缩气体，能够维持空气轴承一定时间的工作消耗。一旦启用备用气源72，在磨削工具磨削完当前晶圆之后，需要使磨削工具退回原位并对其断电，从而给供气系统留出停机和维护的时间。

本发明实施例通过中继阀73和气控阀74的配合使用，实现了在主气源71发生故障时，迅速切换至备用气源72进行供气，从而保证了空气轴承运行的可靠性。中继阀73和气控阀74的运行不依靠用电，即使在发生断电故障时也能保证供气的稳定性。

如图2所示，在一个实施例中，主气源71通过第一开关阀79分别与中继阀73和气控阀74连接，第一开关阀79的第一端与主气源71连通，第一开关阀79的第二端同时与中继阀73的预控制口、风源口以及气控阀74的第一进气口连通。

如图2所示，在一个实施例中，备用气源72通过第二开关阀81与气控阀74连接，第二开关阀81的第一端与备用气源72连通，第二开关阀81的第二端与气控阀74的第二进气口连通。

如图2所示，在一个实施例中，主气源71与中继阀73之间的气路上还设有第一压力开关80，用于在主气源71的供气压力小于预设压力时进行报警。

如图2所示，在一个实施例中，备用气源72与气控阀74之间的气路上还设有第二压力开关82，用于在备用气源72的供气压力小于预设压力时进行报警。

如图2所示，在一个实施例中，用于空气轴承的供气系统还包括第二过滤器76，第二过滤器76位于第一过滤器75的下游侧，第二过滤器76的过滤精度高于第一过滤器75的过滤精度。

其中，第一过滤器75的过滤精度为能够滤除的颗粒直径尺寸大于等于3μm。

第二过滤器76的过滤精度为能够滤除的颗粒直径尺寸在0.01-0.3μm之间。

本实施例通过第一过滤器75和第二过滤器76能够去除压缩空气中的大分子颗粒，防止空气轴承发生磨损，提高了元器件的使用寿命。

另外，供气系统中的干燥器77能够去除压缩空气中的水分，可防止空气轴承表面生锈。

当压缩空气中有固体异物进入气动元件内，会引起空气轴承部分的堵塞、附着、磨损等现象；此外因气动元件内部降温而产生的冷凝水会造成空气流路瞬间闭塞，会导致动作异常，甚至会引起生锈，从而导致气动元件故障，因此保证给空气轴承提供干燥清洁的压缩空气也是非常重要的。本实施例通过设置第一过滤器75、第二过滤器76和干燥器77，保证了为空气轴承提供干燥清洁的压缩空气。

如图2所示，在一个实施例中，用于空气轴承的供气系统还包括主控单元，主控单元与第一压力开关80、第二压力开关82、压差开关83、流量计84和第三压力开关85分别连接。

如图2所示，在一个实施例中，第二过滤器76的两端连接压差开关83以监控第二过滤器76的输入与输出之间的压力差并在该压力差大于等于设定值时进行报警。

高精度过滤器的核心部件是过滤用的滤芯，过滤器长时间工作会截阻一定量的杂质，这会使过滤器工作效率下降，所以要不定期更换滤芯。本实施例中，在第二过滤器76的两端设置压差开关83，可以通过主控单元监控第二过滤器76两端的压力差，当压力差达到设定值时，主控单元发出提示信息或报警以通知操作人员更换滤芯，实现对高精度的第二过滤器76的维护管理。具体地，设定值可以为0.07至0.1 MPa。

如图2所示，在一个实施例中，用于空气轴承的供气系统还包括位于第二过滤器76的下游侧气路上的流量计84。

本实施例中，在高精度的第二过滤器76的后部增加流量计84，随时监控过滤后的空气流量，然后在主控单元中通过程序计算在同样供气压力的条件下，初始流量与实时流量的流量差值，当流量差值大于预设值，主控单元发出提示信息或报警以通知操作人员，此时需要检查供气系统的气路是否通畅，如果气路没有问题则需要更换滤芯，从而实现了监控供气系统的气路并双重监测过滤器的滤芯，进而实现了对气路和过滤器的高精度维护管理。具体地，预设值可以为第二过滤器76的使用流量的20％。

如图2所示，在一个实施例中，减压阀78与空气轴承之间的气路上还设有第三压力开关85。

本发明实施例提供的用于空气轴承的供气系统具有以下技术效果：

1）能够在系统断电、主气源71断气或气压异常等意外条件下快速切换至备用气源72，保证空气轴承的安全使用，具有高可靠性。

2）使用气控阀74和中继阀73替代电磁阀，可以避免由于电信号传递过程中可能发生的故障而导致的切换失败；并且相比于电磁阀，在断电情况下气控阀74依然可以正常工作，从而保证了在恶劣条件下气体供应的稳定性。

3）该供气系统通过主控单元监控高精度的第二过滤器76两端的压力差，当压力差达到设定值时会报警提示，相比人工观察可以准确确定滤芯的更换时间，保证了供气的洁净度和稳定性；

4）该供气系统使用流量计84对压缩空气进行流量监测，再通过主控单元计算同样供气压力条件下的流量差值，当流量差值超过预设值时系统会报警提示，实现了对气路和过滤器的高精度维护管理，可以双重保证供气的稳定性。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种用于空气轴承的供气系统，其特征在于，包括：

主气源、备用气源、中继阀、气控阀、第一过滤器、第二过滤器、干燥器和减压阀；

主气源同时与中继阀的预控制口、风源口以及气控阀的第一进气口连通，中继阀的输出口与气控阀的控制口连通，气控阀的出气口依次通过第一过滤器、第二过滤器、干燥器和减压阀与空气轴承的气管接口连通，以在主气源的供气压力大于等于预设压力时中继阀的风源口与输出口连通从而使气控阀的第一进气口与出气口连通以实现主气源为空气轴承供气，备用气源与气控阀的第二进气口连通，以在主气源发生故障其供气压力小于预设压力时使气控阀的第二进气口与出气口连通从而自动切换至备用气源为空气轴承供气；

其中，第一过滤器的过滤精度为能够滤除的颗粒直径尺寸大于等于3μm；第二过滤器的过滤精度为能够滤除的颗粒直径尺寸在0.01-0.3μm之间。

2.如权利要求1所述的供气系统，其特征在于，所述主气源通过第一开关阀分别与中继阀和气控阀连接，所述第一开关阀的第一端与主气源连通，所述第一开关阀的第二端同时与中继阀的预控制口、风源口以及气控阀的第一进气口连通。

3.如权利要求1所述的供气系统，其特征在于，所述主气源与中继阀之间的气路上还设有第一压力开关，用于在主气源的供气压力小于预设压力时进行报警。

4.如权利要求1所述的供气系统，其特征在于，所述备用气源通过第二开关阀与气控阀连接，所述第二开关阀的第一端与备用气源连通，所述第二开关阀的第二端与气控阀的第二进气口连通。

5.如权利要求1所述的供气系统，其特征在于，所述备用气源与气控阀之间的气路上还设有第二压力开关，用于在备用气源的供气压力小于预设压力时进行报警。

6.如权利要求1所述的供气系统，其特征在于，第二过滤器的两端连接压差开关以监控第二过滤器的输入与输出之间的压力差并在该压力差大于等于设定值时进行报警。

7.如权利要求6所述的供气系统，其特征在于，还包括位于第二过滤器的下游侧气路上的流量计。

8.如权利要求1所述的供气系统，其特征在于，所述减压阀与空气轴承之间的气路上还设有第三压力开关。

9.一种磨削工具，其特征在于，包括砂轮以及与砂轮连接的主轴组件，主轴组件包括主轴、空气轴承、主轴座和进给机构；

所述主轴通过空气轴承与主轴座连接以可旋转地同轴配置于主轴座中，主轴座与进给机构连接以实现上下移动；

所述空气轴承与如权利要求1至8任一项所述的供气系统连接。

Images