CN112222989A - 基于单晶硅片的可调式磨削装置及用于单晶硅片的磨削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单晶硅片的可调式磨削装置及单晶硅片的磨削加工方法，适用于精磨加工或常规磨削加工后经检测硅片面型不达标的小批次再加工。在磨削加工中，根据位移传感器可视化曲线、硅片面型参数的在线测量结果，传递信号至装置内部位移传感器嵌入式驱动装置及各可调式支撑轴的液压式方向控制回路，通过控制信号使加工中发生倾斜的磨削盘水平、使各支撑轴独立并精确地调节磨削面型的凸凹度δ和饱满度ε，确保加工后的硅片具有高竞争力的质量和精度。

Description

基于单晶硅片的可调式磨削装置及用于单晶硅片的磨削加工 方法

技术领域

本发明属于半导体晶片加工技术领域，具体涉及一种基于单晶硅片的可调式磨削装置及用于单晶硅片的磨削加工方法。

背景技术

单晶硅，是一种具有完整点阵结构的晶体，在高温下，其化学性质比较活泼，与功能材料形成异质结，参与实现器件功能，成为现阶段半导体器件中应用最广泛的衬底材料。为增大芯片产量、降低制造成本，硅片呈现大直径化的特点，现硅片主流产品直径达12″，部分企业和科研院所正研制18″大硅片。大尺寸单晶硅片的加工精度和表面质量有更高要求，需具有超平整无损伤表面。

硅片磨削技术具有加工效率高、质量高、容易实现加工过程自动化的优点，在硅片衬底制备阶段，用于硅片的平整化加工，去除硅片切割加工产生的表面锯纹和损伤层，为CMP阶段准备高精度低损伤表面；在后段工序，用于硅片的单面减薄加工，去除硅片背面多余的硅衬底材料，减小硅片厚度，满足晶圆加工要求。

结合自身技术经验和实际生产条件，硅片厂商在单晶硅片制造工序上有所差异。例如在CMP工序前，厂商会采用双面研磨、单面减薄、双面抛光的工艺路线，或采用双面磨削、单面减薄、双面抛光的工艺路线，或采用对工艺技术要求更加严格的双面研磨、腐蚀的工艺路线。

以磨削工艺为例，商用磨削机采用行星式磨削，分为上磨盘、保持架、硅片和下磨盘，针对12″硅片，设备安装有5个保持架、每个保持架内放置3或4片硅片，硅片放置在各保持架内成为行星轮，绕太阳轮做行星运动，同一批次完成15或20片硅片磨削加工；或采用双主轴多工位结构，各主轴分别完成粗磨和精磨工序，工位依次对应待料位、粗磨位、精磨位和清洗位等。

信息产业的不断发展对硅片磨削技术提出了新的要求，硅片要保证高质量、高精度。例如，现有技术CN102229087A提出一种双主轴三工位的晶片磨床倾角调整装置和方法，CN101402178A提出一种衬垫可调式晶片磨削加工装置，二者均设置有倾角调整结构，根据面型参数或磨削条件对磨削单元进行角度调整，从而保证所期望厚度的高精度硅片。上述现有技术的磨床倾角调整装置，需要调整、测试、再调整、直到面型满足要求；采用多工位加工时，不仅要兼顾行星轮加工运动、工位倾角及各主轴相对位置关系，且不同工位对应主轴可调、固定支脚数量均有差异，调整方法繁琐，耗费大量时间；此外，应用场合较为单一，根据加工条件对装置参数调整时会增加生产成本。

因此，仍旧需要一种能够在线实时监测并实时调整的磨削可调装置及方法，能够得到质量和精度均具有高竞争力的硅片。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于单晶硅片的单工位可调式磨削装置，可以根据工况及硅片的表面形态参数，实时调整并使各支撑轴独立并精确地调节磨削面型的凸凹度δ和饱满度ε，从而加工出高质量的硅片。

本发明的另一目的在于提供利用这种装置进行单晶硅片的磨削加工方法。

为实现以上发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于单晶硅片的可调式磨削装置，所述装置包含硅片主轴调整构件、砂轮主轴调整构件和面型测量构件；

所述硅片主轴调整构件包括承载转台、硅片主轴、磨盘支撑轴和磨削盘；所述承载转台位于最底部，在承载转台上同轴安装有硅片主轴、以及外围同一圆周上间隔120°均布的3个磨盘支撑轴，所述磨削盘由磨盘支撑轴A₁、A₂、A₃和硅片主轴共同支撑；其中，所述磨盘支撑轴A₁、A₂为固定支撑，磨盘支撑轴A₃为可调支撑；在所述磨削盘外侧边缘和内侧边缘且同一径向处分别安装有位移传感器；

所述砂轮主轴调整构件包括金刚石砂轮、砂轮主轴、砂轮主轴座、主轴座支撑轴；所述金刚石砂轮安装在砂轮主轴下端，砂轮主轴轴段套设于砂轮主轴座内，且砂轮主轴轴段与砂轮主轴座同轴心，3个主轴座支撑轴安装在砂轮主轴座和砂轮主轴上轴肩之间，且在同一圆周上120°间隔均布，其中主轴座支撑轴B₁、B₂为固定支撑，主轴座支撑轴B₃为可调支撑；

所述面型测量构件，位于砂轮主轴上轴肩的下端。

在一个具体的实施方案中，以放置于磨削盘上的硅片中心为坐标原点O，安装在砂轮主轴下端的金刚石砂轮进行磨削加工时，在任一位置时硅片中心与金刚石砂轮边缘和硅片边缘交点C连线为纵坐标y轴，过硅片中心与纵坐标y轴垂直的连线为横坐标x轴，过硅片中心且垂直于xoy平面的连线为纵坐标z轴；设定硅片旋转半径R₀、金刚石砂轮半径R₁，建立基于硅片中心-交点连线的坐标系，在此坐标系下，x轴与硅片远离金刚石砂轮端硅片边缘的交点为A₃，A₁、A₂在以坐标原点O为圆心、R₀为半径的圆周上与A₃间隔120°均布；垂直于x轴且经过金刚石砂轮中心O₁的垂线与远离x轴的砂轮边缘的交点为B₃，B₁、B₂在以坐标原点O₁为圆心、R₁为半径的圆周上与B₃间隔120°均布。

在一个具体的实施方案中，所述位移传感器为嵌入式安装在距所述磨削盘外侧边缘20mm及距内侧边缘20mm且同一径向处，在磨削过程中随时监测所处位置高度，并传递信号至位移传感器驱动装置，驱动磨削盘外侧边缘和/或内测边缘位置高度上浮或下调，缩小磨削盘外侧边缘和内侧边缘位置高度差值，控制磨削盘的形位误差。

在一个具体的实施方案中，所述驱动装置设有单向阀锁紧的液压式方向控制回路，位移传感器所监测位置高度变化时，传递信号至三位四通电磁阀，改变液压回路流向，从而使活塞式液压缸推动磨削盘内外侧边缘进行相应调整。

在一个具体的实施方案中，所述面型测量构件由传感器、会聚透镜、接收透镜和探测器构成，传感器发出光线，经会聚透镜聚焦，垂直入射至进行磨削加工的硅片表面，接收透镜接收来自入射光点处的散射光，形成成像点；入射光斑随硅片表面形貌变化移动，成像点在光接收探测器上相应移动，根据成像点像移和面型测量构件的结构参数在线测量硅片面型的变化。

在一个具体的实施方案中，所述面型测量构件将监测到的面型变化信号传递至驱动装置，所述驱动装置为与位移传感器驱动装置同一液压马达下、另设有节流阀控制的换向阀中位机能卸荷回路，根据传递面型变化信号至电磁阀并改变液压回路流向，从而驱动可调式磨盘支撑轴A₃及可调式主轴座支撑轴B₃进行高度调整。

本发明的另一方面，前述可调式磨削装置用于单晶硅片的磨削加工方法，将硅片放置在磨削盘上，磨削加工时硅片主轴控制磨削盘使硅片逆时针或顺时针自转，砂轮主轴带动金刚石砂轮逆时针或顺时针自转，同时沿砂轮主轴轴向进给，硅片与金刚石砂轮旋转方向相反，金刚石砂轮外径至少与硅片外径相等，金刚石砂轮外侧边缘始终通过硅片中心，利用安装在砂轮主轴下端的金刚石砂轮对其进行磨削加工。

在一个具体的实施方案中，设定yoz平面内金刚石砂轮轴线与硅片轴线的夹角，即绕x轴的摆动角为α，设定xoz平面内金刚石砂轮轴线与硅片轴线的夹角，即绕y轴的摆动角为β，建立硅片表面、边缘特征点与各主轴相对角度坐标关系，根据金刚石砂轮主轴与硅片主轴空间几何关系，得到硅片磨削面型与基于硅片中心-交点连线坐标系的对应关系：单晶硅片的凸凹度δ由绕x轴摆动角α的调整量决定，饱满度ε由绕y轴摆动角β的调整量决定。

在一个具体的实施方案中，根据基于硅片中心-交点连线坐标系的各轴相对角度与硅片磨削面型的调整方法，在承载转台上安装有同一圆周上间隔120°均布的磨盘支撑轴A₁、A₂、A₃，在砂轮主轴座和砂轮主轴上轴肩之间安装有同一圆周上间隔120°均布的主轴座支撑轴B₁、B₂、B₃，磨盘支撑轴A₁、A₂为固定式，可调式磨盘支撑轴A₃控制主轴相对摆动角β、从而控制硅片饱满度ε；主轴座支撑轴B₁、B₂为固定式，可调式主轴座支撑轴B₃控制主轴相对摆动角α、从而控制硅片凸凹度δ。

在一个具体的实施方案中，根据所述磨削盘上的位移传感器和所述面型测量构件测量的信号反馈至所述驱动装置，根据控制回路，传递信号至三位四通电磁阀，改变液压回路流向，驱动可调式磨盘支撑轴A₃和/或可调式主轴座支撑轴B₃进行高度调整工作，从而实现磨削盘水平和硅片的面型修整工作。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明的可调式磨削装置及方法，可以根据工序要求，调节装置的磨削加工参数；同时优化可调式主轴座支撑轴、磨盘支撑轴各为1个，根据硅片精密磨削理论，整个装置系统在加工过程中更容易实现精密控制，从而加工出高质量的硅片。

2)本发明的可调式磨削装置及方法，在磨削加工过程中，设有的位移传感器以监测研磨盘的位置状态，并设有面型测量构件在线测量硅片面型。根据位移传感器和面型测量构件的信号反馈至驱动装置，根据控制回路，驱动磨削盘内侧边缘和/或外侧边缘位置高度上浮或下调，以及驱动可调式磨盘支撑轴A₃和/或可调式主轴座支撑轴B₃进行高度调整工作，从而实现磨削盘水平和硅片的面型修整工作。

3)本发明的可调式磨削装置及方法，设有可调式磨削盘、单一可调式磨盘支撑轴和主轴座支撑轴，简化了硅片主轴、砂轮主轴位置调整工序，并有利于提高磨削盘水平调整精度以及硅片面型调整质量；装置内设有一套不同流量和卸荷控制方式的液压回路，使各调整工作独立、准确；通过单工位磨削加工的设定，更易于按照工艺路线改变装置的磨削加工参数，使其用于精磨加工或常规磨削加工后经检测硅片面型不达标的小批次再加工，确保硅片具有高竞争力的精度水平。

附图说明

图1为本发明基于单晶硅片的可调式磨削装置示意图。

图2为本发明基于单晶硅片的可调式磨削装置俯视图。

图3为本发明可调式磨削装置的磨削盘位置微调整示意图，其中(a)为磨削盘单侧偏高情况，(b)为磨削盘双侧偏低情况，(c)为磨削盘一侧偏高一侧偏低情况。

图4为本发明基于硅片中心-交点连线坐标系示意图。

图5为本发明基于硅片中心-交点连线坐标系的各主轴相对角度调整示意图。

图6为本发明一实施例的硅片面型测量情况。

图7为本发明的位移传感器嵌入式驱动装置及各可调式支撑轴的液压式方向控制回路示意图。

图8为本发明的面型测量构件测量原理图。

标号说明：

1-硅片主轴调整构件、2砂轮主轴调整构件、3面型测量构件、4承载转台、5硅片主轴、6磨削盘、7、8、9均为磨盘支撑轴、10金刚石砂轮、11砂轮主轴、12砂轮主轴座、13、14、15均为主轴座支撑轴、16、17均为位移传感器、18激光器、19会聚透镜、20接收透镜、21探测器、22硅片、23下轴肩、24上轴肩、25溢流阀、26液压马达、27外侧三位四通电磁阀、28外侧活塞式液压缸、29内侧活塞式液压缸、30单向阀、31内侧三位四通电磁阀、32信号传递件、33节流阀、34可调式磨盘支撑轴A₃控制用三位四通电磁阀、35可调式磨盘支撑轴A₃调整用活塞式液压缸、36可调式主轴座支撑轴B₃调整用活塞式液压缸、37可调式主轴座支撑轴B₃控制用三位四通电磁阀、38面型信号传递件。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明所提供的装置和方法予以进一步的说明，但本发明不限于所列出的实施方式，还应包括在本发明的权利要求范围内其他任何公知的改变。

图1与图2所示为本发明的一种基于单晶硅片的可调式磨削装置示意图以及俯视图，俯视图可见隐藏线以展示装置的内部结构。装置包含三大构件：

硅片主轴调整构件1，由承载转台4、硅片主轴5、磨削盘6和磨盘支撑轴7、8、9组成；具体的，承载转台4位于最底端，在承载转台4上安装有同一圆周逆时针方向上间隔120°均布的磨盘支撑轴7、8、9及硅片主轴5，其中，硅片主轴5与承载转台4同轴安装,在硅片主轴5的外围同一圆周上间隔120°均布的3个磨盘支撑轴，磨盘支撑轴A₁(7)、A₂(8)为固定支撑，磨盘支撑轴A₃(9)为可调支撑，磨削盘6由磨盘支撑轴A₁(7)、A₂(8)、A₃(9)和硅片主轴5共同支撑，其中，硅片主轴5贯穿磨削盘6，且与磨削盘6同心圆分布，所述磨削盘6为一圆环，在距磨削盘6外侧边缘20mm和距内侧边缘20mm且同一径向处分别安装有位移传感器16、17，所述内侧边缘和外侧边缘分别为所述磨削盘圆环内圆周和外圆周。

砂轮主轴调整构件2，由金刚石砂轮10、砂轮主轴11、砂轮主轴座12、主轴座支撑轴13、14、15组成；具体的，砂轮主轴11下端有一体式下轴肩23，砂轮主轴11套设于砂轮主轴座12内，且砂轮主轴11轴段与砂轮主轴座12同轴心，金刚石砂轮10装配于砂轮主轴11下端，在同一圆周逆时针方向上间隔120°均布的主轴座支撑轴13、14、15安装在砂轮主轴座12和砂轮主轴11上轴肩24之间，其中主轴座支撑轴B₁(13)、B₂(14)为固定支撑，主轴座支撑轴B₃(15)为可调支撑。

其中，磨盘支撑轴A₁(7)、A₂(8)、A₃(9)以及主轴座支撑轴B₁(13)、B₂(14)、B₃(15)的定位，例如可以按照下面的参考系进行定位，如图4、图5所示：以放置于磨削盘上的硅片中心为坐标原点O，安装在砂轮主轴下端的金刚石砂轮进行磨削加工时，在任一位置时硅片中心与金刚石砂轮边缘和硅片边缘交点C连线为纵坐标y轴，过硅片中心与纵坐标y轴垂直的连线为横坐标x轴，过硅片中心且垂直于xoy平面的连线为纵坐标z轴；设定硅片旋转半径R₀、金刚石砂轮半径R₁，建立基于硅片中心-交点连线的坐标系，在此坐标系下，x轴与硅片远离金刚石砂轮端硅片边缘的交点为A₃，A₁、A₂在以坐标原点O为圆心、R₀为半径的圆周上与A₃间隔120°均布；垂直于x轴且经过金刚石砂轮中心O₁的垂线与远离x轴的砂轮边缘的交点为B₃，B₁、B₂在以坐标原点O₁为圆心、R₁为半径的圆周上与B₃间隔120°均布。值得注意的是，图4和图5只是位了说明磨盘支撑轴A₁(7)、A₂(8)、A₃(9)以及主轴座支撑轴B₁(13)、B₂(14)、B₃(15)的相对位置关系，具体可以根据装置尺寸的大小以及硅片主轴5和砂轮主轴2的尺寸和位置，合理布局磨盘支撑轴A₁(7)、A₂(8)、A₃(9)以及主轴座支撑轴B₁(13)、B₂(14)、B₃(15)的与硅片主轴5和砂轮主轴2之间的间距，只需要A₁(7)、A₂(8)、A₃(9)以及主轴座支撑轴B₁(13)、B₂(14)、B₃(15)满足前述定位关系即可。

面型测量构件3，安装在砂轮主轴11上轴肩下端；在一个具体的实施方式中，如图8所示，例如采用激光三角位移传感器，根据直射式三角测量原理，通过激光器18、会聚透镜19、接收透镜20和探测器21完成在线测量。

如图1、图2所示，使用该装置进行磨削加工时，硅片22以磨削盘6的中心为基点同心放置在磨削盘6上，硅片外径推荐为8寸或12寸，安装在砂轮主轴11下端的金刚石砂轮10对其进行加工，金刚石砂轮10外径至少与硅片22外径相等，磨削加工时硅片主轴5被动力装置(未示出)驱动按逆时针或顺时针方向以一定转速转动，例如丝杆螺母传动、滚珠线轨传动和液压传动等，从而控制磨削盘6使硅片22逆时针或顺时针自转。砂轮主轴11一方面被驱动机构(未示出)驱动旋转，从而带动金刚石砂轮10逆时针或顺时针自转，另一方面，砂轮主轴座12与进给机构(未示出)连接，可随着进给机构的上下移动带动砂轮主轴调整构件2整体上下移动，实现砂轮10沿砂轮主轴11轴向进给，对硅片22进行磨削加工。硅片22与金刚石砂轮10旋转方向相反，金刚石砂轮10外侧边缘始终通过硅片22中心。另外，根据前段或后段工序要求，根据合适的加工工艺参数，例如调整可调式磨削装置的磨削加工时间、硅片主轴5旋转方向与速度、砂轮主轴11轴向进给速度，金刚石砂轮10材料与粒径。

如图2、图3所示，在磨削盘6表面内部、距磨削盘6外侧表面边缘20mm及距内侧表面边缘20mm处安装有位移传感器16、17，还可以为过磨削盘6中心任一径向处，在磨削过程中随时监测所处位置高度，进行可视化曲线输出，并传递信号至位移传感器16的嵌入式驱动装置，驱动磨削盘6外侧边缘位置高度上浮或下调，或传递信号至位移传感器17的嵌入式驱动装置，使磨削盘6内侧边缘位置高度上浮或下调，或传递信号至外侧位移传感器16以及内侧位移传感器17的嵌入式驱动装置，缩小磨削盘6外侧边缘和内侧边缘位置高度差值，控制磨削盘6表面因振动而产生的形位误差。

其中，所述位移传感器16、17为嵌入式结构，即一种嵌入式高精度微小位移测量系统：通过测量系统采集位移微小变化量，将其转换为电信号、通过PSD信号电路转换为数字信号，随后送入嵌入式处理系统，将信号传递至位移传感器16、17的嵌入式驱动装置，完成磨削盘6表面位置高度调整工作。如图3所示，可实现磨削盘单侧偏高、磨削盘双侧偏低以及磨削盘一侧偏高一侧偏低等情形的磨削盘6表面因振动而产生形位误差的精密调整。

图4所示为基于硅片中心-交点连线坐标系，以放置于磨削盘6上的硅片22中心为坐标原点O，安装在砂轮主轴11下端的金刚石砂轮10进行磨削加工时，在任一位置时硅片22中心与金刚石砂轮10边缘和硅片22边缘交点C连线为纵坐标y轴，过硅片22中心与纵坐标y轴垂直的连线为横坐标x轴，过硅片22中心且垂直于xoy平面的连线为纵坐标z轴；设定硅片22旋转半径R₀、金刚石砂轮10半径R₁，建立基于硅片中心-交点连线的坐标系，在此坐标系下，设定yoz平面内金刚石砂轮10轴线与硅片22轴线的夹角，即绕x轴的摆动角为α，设定xoz平面内金刚石砂轮10轴线与硅片22轴线的夹角，即绕y轴的摆动角为β，建立硅片22表面、边缘特征点与各主轴相对角度坐标关系，根据金刚石砂轮10主轴与硅片22主轴空间几何关系，计算方法如式(1)、(2)所示：

根据式(1)、(2)，可得在硅片中心-交点连线坐标系下硅片22凸凹度δ以及饱满度ε的计算方法如式(3)、(4)所示：

δ＝R₀·tanα (3)

根据式(3)、式(4)，得到硅片22磨削面型与基于硅片中心-交点连线坐标系的对应关系：在一次磨削加工中，硅片22旋转半径R₀、金刚石砂轮10半径R₁为定值，则凸凹度δ由绕x轴摆动角α的调整量决定，饱满度ε由绕y轴摆动角β的调整量决定。因此，硅片22面型参数凸凹度δ以及饱满度ε仅由单一角度调整参数控制且相互独立，故在金刚石砂轮10和硅片22上分别设置可调式支撑轴作为调整点即可独立、准确地控制硅片22面型参数。

图5所示为基于硅片中心-交点连线坐标系的各轴相对角度与硅片22磨削面型的调整方法，在承载转台上安装有同一圆周上间隔120°均布的磨盘支撑轴A₁(7)、A₂(8)、A₃(9)，在砂轮主轴座和砂轮主轴上轴肩之间安装有同一圆周上间隔120°均布主轴座支撑轴B₁(13)、B₂(14)、B₃(15)，磨盘支撑轴A₁(7)、A₂(8)为固定式，可调式磨盘支撑轴A₃(9)控制主轴相对摆动角β、从而控制硅片饱满度ε；主轴座支撑轴B₁(13)、B₂(14)为固定式，可调式主轴座支撑轴B₃(15)控制主轴相对摆动角α、从而控制硅片22凸凹度δ。

在一个具体的实施例中，例如装置位于25℃洁净室内，硅片22直径为300mm，金刚石砂轮直径为500mm；面型测量构件3所测面型如图6所示，分析可知硅片22凸凹度δ为3μm，饱满度ε为2μm。根据式(1)、(2)，可求得绕x轴摆动角α为0.00057°，绕y轴摆动角β为0.00498°，相应地对可调式主轴座支撑轴B₃(15)、可调式磨盘支撑轴A₃(9)进行高度调整，以满足前述的α和β角度关系，并根据在线实时测得的面型参数，通过调整可调式主轴座支撑轴B₃(15)、可调式磨盘支撑轴A₃(9)不断修正α和β角度，使之无限接近这一理论值，从而实现控制硅片22的面型参数。

如图7所示，所述嵌入式驱动装置具体设有单向阀30锁紧的液压式方向控制回路，位移传感器16所监测位置高度变化时，传递信号至外侧三位四通电磁阀27，改变液压回路流向，从而使外侧活塞式液压缸28推动磨削盘6外侧边缘进行相应调整；位移传感器17所监测位置高度变化时，传递信号至内侧三位四通电磁阀31，改变液压回路流向，从而使内侧活塞式液压缸29推动磨削盘6外侧边缘进行相应调整；当位移传感器16嵌入式驱动装置和位移传感器17嵌入式驱动装置均需调整时，液压马达26同时为其二者供油，通过信号传递件32、外侧三位四通电磁阀27和内侧三位四通电磁阀31，使外侧活塞式液压缸28和内侧活塞式液压缸29独立伸缩调整，进而保证磨削盘6外侧边缘和内侧边缘达到所期望的调整值；液压回路还设置有溢流阀25、液控单向阀30的锁紧回路，使执行元件能停留于任何位置，且停留后不会在外力作用下移动位置，进一步提高磨削可调装置的调整精度。所述驱动并不局限于液压的直线驱动结构，也可为磁致伸缩结构，或电致伸缩等微动机构。

如图7所示，一种基于单晶硅片的磨削可调装置另设有同一液压马达26下的中位机能卸荷回路，由于面型变化通常为微米级，致使各可调式支撑轴调整幅度较磨削盘6小，故在液压回路上安装有节流阀33控制其压力和流量；当硅片22面型变化时，面型测量构件3将监测数据传递至面型信号传递件38、可调式磨盘支撑轴A₃控制用三位四通电磁阀34和可调式主轴座支撑轴B₃控制用三位四通电磁阀37，改变可调式磨盘支撑轴A₃调整用活塞式液压缸35及可调式主轴座支撑轴B₃调整用活塞式液压缸36液压回路流向，驱动可调式磨盘支撑轴A₃(9)及可调式主轴座支撑轴B₃(15)进行高度调整工作，完成硅片22的面型修整工作。

图8为面型测量构件3，可在线测量硅片22面型，面型测量构件3内设有激光器18发出光线，经会聚透镜19聚焦，垂直入射至进行磨削加工的硅片22表面，接收透镜20接收来自入射光点处的散射光，形成成像点；入射光斑随硅片22表面形貌变化移动，成像点在光接收探测器21上相应移动，根据成像点像移和面型测量构件3的结构参数可确定被测硅片面型变化。所述面型测量构件3，并不局限于采用激光三角位移测量方法，也可为光学干涉式测量方法，或激光自准直测量方法等。

下面以精磨加工为例，介绍一种基于单晶硅片的可调式磨削装置的使用方法和步骤。

1)开始磨削加工时，通过拾取机械手将硅片22放置在图1所示磨削盘6上，真空吸盘装夹硅片22，硅片22中心与磨削盘6中心重合。硅片22外径推荐为8寸或12寸，安装在砂轮主轴11下轴肩23下端的金刚石砂轮10对其进行加工，金刚石砂轮10外径至少与硅片22外径相等。

2)磨削加工时，图1所示硅片主轴5控制磨削盘6使硅片22逆时针或顺时针自转，砂轮主轴5带动金刚石砂轮10逆时针或顺时针自转，同时沿砂轮主轴11轴向进给，硅片22与金刚石砂轮10旋转方向相反，金刚石砂轮10外侧边缘始终通过硅片22中心。金刚石砂轮10只进行轴向连续切入磨削，其与硅片22的接触长度、接触面积和切入角固定，简单的结构和运动有利于保证装置的精度和刚度。与此同时，面型测量构件3和位移传感器16、17实时对硅片22的面型以及磨削盘6的水平位置进行监测。

3)磨削整体过程采用定程控速磨削，分为快靠、快进、慢进、光磨和快退5个阶段，各阶段砂轮进给速度时刻发生变化，金刚石砂轮10进给速度随轴向磨削力变化而定，磨削力小，进给速度快，磨削力大，进给速度慢，在快靠、快退阶段提速缩短空行程以提高效率；快进阶段以最大磨削速度加工硅片，同时避免磨削力过载；慢进阶段实现恒磨削力磨削；光磨阶段控制磨削力，形成较好的塑性变形层，减小发生裂纹的可能性，进而提高硅片的强度和表面性能。

4)磨削过程产生的振动和热量变化会使磨削盘6发生倾斜，图2所示位移传感器16、17实时监测磨削盘6外侧边缘和内侧边缘位置变化，进行可视化曲线输出。实施例如图3(a)时，传感器传递信号至外侧三位四通电磁阀27，改变液压回路流向，从而使外侧活塞式液压缸28推动磨削盘6外侧边缘下浮至虚线位置，直至整个磨削盘6保持与硅片主轴5端面的水平状态；实施例如图3(b)时，位移传感器16嵌入式驱动装置和位移传感器17嵌入式驱动装置分别传递信号至外侧三位四通电磁阀27和内侧三位四通电磁阀31，同时液压马达26为其二者供油，通过信号传递件32、外侧三位四通电磁阀27和内侧三位四通电磁阀31，使外侧活塞式液压缸28和内侧活塞式液压缸29独立伸缩调整，磨削盘6两侧边缘上调至虚线位置，直至整个磨削盘6保持与硅片主轴5端面的水平状态；同理可知，实施例如图3(c)时，内外两侧传感器分别传递信号至位移传感器16嵌入式驱动装置和位移传感器17嵌入式驱动装置，驱动液压回路，使磨削盘6一侧边缘上调、另一侧边缘下浮至虚线位置，直至整个磨削盘6保持与硅片主轴5端面的水平状态。

5)如图4、图5、图7、图8所示，一种基于单晶硅片的可调式磨削装置可在线监测面型变化，通过基于硅片中心-交点连线坐标系的各轴相对角度与硅片22磨削面型的调整方法对硅片22面型进行调整。面型测量构件3在线测量硅片22面型，面型测量构件3内设有传感器21发出光线，经会聚透镜19聚焦，垂直入射至进行磨削加工的硅片22表面，接收透镜20接收来自入射光点处的散射光，形成成像点；入射光斑随硅片22表面形貌变化移动，成像点在光接收传感器上相应移动，根据成像点像移和面型测量构件3的结构参数可确定被测硅片面型变化。根据监测情况传递信号至面型信号传递件38和可调式主轴座支撑轴B₃控制用三位四通电磁阀37，驱动可调式主轴座支撑轴B₃调整用活塞式液压缸36进行高度调整工作，主轴座支撑轴B₃(15)控制主轴相对摆动角α，从而控制硅片22凸凹度δ；传递信号至面型信号传递件38和可调式磨盘支撑轴A₃控制用三位四通电磁阀34，驱动可调式磨盘支撑轴A₃调整用活塞式液压缸35进行高度调整工作，调节磨盘支撑轴A₃(9)控制主轴相对摆动角β、从而控制硅片饱满度ε。

此外，本发明的一种基于单晶硅片的可调式磨削装置，可根据前段或后段工序要求，调整可调式磨削装置的磨削加工时间、硅片主轴5旋转方向与速度、砂轮主轴11轴向进给速度，金刚石砂轮10材料与粒径。装置每次对一个硅片22进行加工，金刚石砂轮10进行连续的轴向切入磨削，加工余量不受限制，磨削进给不受硅片之间加工余量不均匀的影响。因此，同样适用于常规磨削加工后经检测硅片面型不达标的小批次再加工。

尽管本发明的内容已经通过上述具体实施方式作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单晶硅片的可调式磨削装置，其特征在于，所述装置包含硅片主轴调整构件、砂轮主轴调整构件和面型测量构件；

所述硅片主轴调整构件包括承载转台、硅片主轴、磨盘支撑轴和磨削盘；所述承载转台位于最底部，在承载转台上同轴安装有硅片主轴、以及外围同一圆周上间隔120°均布的3个磨盘支撑轴，所述磨削盘由磨盘支撑轴A₁、A₂、A₃和硅片主轴共同支撑；其中，所述磨盘支撑轴A₁、A₂为固定支撑，磨盘支撑轴A₃为可调支撑；在所述磨削盘外侧边缘和内侧边缘且同一径向处分别安装有位移传感器；

所述砂轮主轴调整构件包括金刚石砂轮、砂轮主轴、砂轮主轴座、主轴座支撑轴；所述金刚石砂轮安装在砂轮主轴下端，砂轮主轴轴段套设于砂轮主轴座内，且砂轮主轴轴段与砂轮主轴座同轴心，3个主轴座支撑轴安装在砂轮主轴座和砂轮主轴上轴肩之间，且在同一圆周上120°间隔均布，其中主轴座支撑轴B₁、B₂为固定支撑，主轴座支撑轴B₃为可调支撑；

所述面型测量构件，位于砂轮主轴上轴肩的下端。

2.根据权利要求1所述的一种基于单晶硅片的可调式磨削装置，其特征在于，以放置于磨削盘上的硅片中心为坐标原点O，安装在砂轮主轴下端的金刚石砂轮进行磨削加工时，在任一位置时硅片中心与金刚石砂轮边缘和硅片边缘交点C连线为纵坐标y轴，过硅片中心与纵坐标y轴垂直的连线为横坐标x轴，过硅片中心且垂直于xoy平面的连线为纵坐标z轴；设定硅片旋转半径R₀、金刚石砂轮半径R₁，建立基于硅片中心-交点连线的坐标系，在此坐标系下，x轴与硅片远离金刚石砂轮端硅片边缘的交点为A₃，A₁、A₂在以坐标原点O为圆心、R₀为半径的圆周上与A₃间隔120°均布；垂直于x轴且经过金刚石砂轮中心O₁的垂线与远离x轴的砂轮边缘的交点为B₃，B₁、B₂在以坐标原点O₁为圆心、R₁为半径的圆周上与B₃间隔120°均布。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于单晶硅片的可调式磨削装置，其特征在于，所述位移传感器为嵌入式安装在距所述磨削盘外侧边缘20mm及距内侧边缘20mm且同一径向处，在磨削过程中随时监测所处位置高度，并传递信号至位移传感器驱动装置，驱动磨削盘外侧边缘和/或内测边缘位置高度上浮或下调，缩小磨削盘外侧边缘和内侧边缘位置高度差值，控制磨削盘的形位误差。

4.根据权利要求3所述的一种基于单晶硅片的可调式磨削装置，其特征在于，所述位移传感器驱动装置设有单向阀锁紧的液压式方向控制回路，位移传感器所监测位置高度变化时，传递信号至三位四通电磁阀，改变液压回路流向，从而使活塞式液压缸推动磨削盘内外侧边缘进行相应调整。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于单晶硅片的可调式磨削装置，其特征在于，所述面型测量构件由传感器、会聚透镜、接收透镜和探测器构成，传感器发出光线，经会聚透镜聚焦，垂直入射至进行磨削加工的硅片表面，接收透镜接收来自入射光点处的散射光，形成成像点；入射光斑随硅片表面形貌变化移动，成像点在光接收探测器上相应移动，根据成像点像移和面型测量构件的结构参数在线测量硅片面型的变化。

6.根据权利要求5所述的一种基于单晶硅片的可调式磨削装置，其特征在于，所述面型测量构件将监测到的面型变化信号传递至驱动装置，所述驱动装置为与位移传感器驱动装置同一液压马达下、另设有节流阀控制的换向阀中位机能卸荷回路，根据传递面型变化信号至电磁阀并改变液压回路流向，从而驱动可调式磨盘支撑轴A₃及可调式主轴座支撑轴B₃进行高度调整。

7.权利要求1-6任一项所述的基于单晶硅片的可调式磨削装置用于单晶硅片的磨削加工方法，其特征在于，硅片放置在磨削盘上，磨削加工时硅片主轴控制磨削盘使硅片逆时针或顺时针自转，砂轮主轴带动金刚石砂轮逆时针或顺时针自转，同时沿砂轮主轴轴向进给，硅片与金刚石砂轮旋转方向相反，金刚石砂轮外径至少与硅片外径相等，金刚石砂轮外侧边缘始终通过硅片中心，利用安装在砂轮主轴下端的金刚石砂轮对其进行磨削加工。

8.根据权利要求7所述的磨削加工方法，其特征在于，设定yoz平面内金刚石砂轮轴线与硅片轴线的夹角，即绕x轴的摆动角为α，设定xoz平面内金刚石砂轮轴线与硅片轴线的夹角，即绕y轴的摆动角为β，建立硅片表面、边缘特征点与各主轴相对角度坐标关系，根据金刚石砂轮主轴与硅片主轴空间几何关系，得到硅片磨削面型与基于硅片中心-交点连线坐标系的对应关系：单晶硅片的凸凹度δ由绕x轴摆动角α的调整量决定，饱满度ε由绕y轴摆动角β的调整量决定。

9.根据权利要求8所述的磨削加工方法，其特征在于，根据基于硅片中心-交点连线坐标系的各轴相对角度与硅片磨削面型的调整方法，在承载转台上安装有同一圆周上间隔120°均布的磨盘支撑轴A₁、A₂、A₃，在砂轮主轴座和砂轮主轴上轴肩之间安装有同一圆周上间隔120°均布的主轴座支撑轴B₁、B₂、B₃，磨盘支撑轴A₁、A₂为固定式，可调式磨盘支撑轴A₃控制主轴相对摆动角β、从而控制硅片饱满度ε；主轴座支撑轴B₁、B₂为固定式，可调式主轴座支撑轴B₃控制主轴相对摆动角α、从而控制硅片凸凹度δ。

10.根据权利要求9所述的磨削加工方法，其特征在于，根据所述磨削盘上的位移传感器和所述面型测量构件测量的信号反馈至所述驱动装置，根据控制回路，传递信号至三位四通电磁阀，改变液压回路流向，驱动可调式磨盘支撑轴A₃和/或可调式主轴座支撑轴B₃进行高度调整工作，从而实现磨削盘水平和硅片的面型修整工作。

Images