CN112658818B - 一种用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密加工领域，并具体公开了一种用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置，其包括固定单元、磨削单元、振动单元及带动它们旋转的主轴电机，固定单元安装在主轴电机输出轴上；磨削单元布置在固定单元远离主轴电机的一端，其包括超声磨削砂轮，超声磨削砂轮安装在振动传递盘上，并由砂轮夹具夹紧；振动单元包括压电驱动模块和非接触式电能传输模块，非接触式电能传输模块安装在固定单元靠近主轴电机的一端内，并与压电驱动模块相连；压电驱动模块安装在振动传递盘内，用于将交流电信号转化为振动信号，并将振动传递给振动传递盘，使超声磨削砂轮在旋转的同时产生沿径向的高频振动。本发明可实现高效率、高精度、高质量的晶圆磨削。

Description

一种用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置

技术领域

本发明属于精密加工领域，更具体地，涉及一种用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置。

背景技术

单晶硅、碳化硅等材料因其具有高硬度、低密度、低热膨胀系数、化学稳定性好等优良特性，逐渐成为晶圆衬底的首选材料。然而这类材料由于脆性高、断裂韧性低等特点，是典型的硬脆难加工材料，其材料塑性域去除机理与金属类塑性材料以位错运动为主导的塑性去除方式不同。划片和磨边是单晶硅从生产到制成半导体芯片中重要的工艺，采用传统的磨削方法在加工过程中会产生较大的磨削力以及磨削热，进而加快砂轮磨损速度，造成晶圆加工区域崩裂和毛刺以及晶圆烧伤等各种不良现象的发生，导致磨削效率低，磨削成本高以及磨削质量难以提升等问题的出现。

超声振动辅助磨削技术对硬脆性材料加工具有效率高、质量好等优势，已经被广泛应用于玻璃、陶瓷等硬脆材料的加工。例如专利CN206998465U公开了一种用于磨削硬脆材料二维超声振动砂带磨削装置，其通过纵向超声振动系统与横向超声振动系统产生的超声振动相互耦合，形成椭圆形状的超声振动，并通过柔性砂带进给在被加工工件表面形成螺旋形的磨削轨迹；再如，专利CN110653668A公开了一种汽车用硬脆材料三维变参数旋转超声磨削加工装置，其通过结构的设计提高了车用硬脆材料加工的自动化水平；再如，专利CN108637802A公开了一种超声辅助磨削装置，其解决了硬脆材料由于其高硬度、高脆性的特殊性能，常规磨削工艺加工中易导致硬脆材料表面微裂纹、零件崩边等表面损伤的技术问题。

然而，现有的超声磨削装置均无法应用于晶圆的磨削，主要原因如下：1)磨削刀具与传动轴同轴设置，超声振动沿传动轴的轴向，其只能实现轴向的超声振动磨削，晶圆在进行划切和磨边等磨削工艺时，砂轮一般垂直于晶圆表面，需要施加径向的超声振动，现有的轴向超声振动无法满足晶圆磨削的要求；2)磨削装置体积普遍较大，无法满足晶圆的高转速(一般在20000rpm-30000rpm)磨削需求，进行高转速磨削时，大体积的磨削装置难以保持动平衡，磨削质量差，甚至会造成晶圆破裂等不良后果。因此，本领域有必要进行研究与设计，以获得一种适用于晶圆磨削的超声振动装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置，其通过整体结构的设计，可实现晶圆的高效率、高精度、高质量的磨削加工。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置，其包括固定单元、磨削单元、振动单元以及带动这三个单元一起旋转的主轴电机，其中：

所述固定单元安装在所述主轴电机的输出轴上，用于安装固定所述磨削单元和振动单元；

所述磨削单元布置在所述固定单元远离主轴电机的一端，其包括超声磨削砂轮，该超声磨削砂轮安装在振动传递盘上，并由砂轮夹具夹紧，该振动传递盘安装在所述固定单元上；

所述振动单元包括压电驱动模块和非接触式电能传输模块，其中所述非接触式电能传输模块安装在固定单元靠近主轴电机的一端内，并与压电驱动模块相连，以为压电驱动模块提供交变电场；所述压电驱动模块安装在所述振动传递盘内，用于将交流电信号转化为振动信号，并将振动传递给振动传递盘，该振动传递盘与压电驱动模块发生谐振，从而使得所述超声磨削砂轮在旋转的同时产生沿径向的高频振动。

作为进一步优选的，所述固定单元包括主轴端盘和基座，所述主轴端盘套装在所述主轴电机的输出轴上，并利用锁紧螺栓锁紧，所述基座套装在主轴端盘的外部，并固定在所述主轴电机上。

作为进一步优选的，所述非接触式电能传输模块包括电能发射机构和电能接收机构，所述电能发射机构和电能接收机构分别嵌装在所述基座和主轴端盘内。

作为进一步优选的，所述电能发射机构和电能接收机构均由线圈绕组和固定磁芯组成，利用接在电能发射机构上的超声电源产生超声频率振荡电信号，使电能发射机构上的固定磁芯产生高频的交变磁场，进而使电能接收机构上的线圈绕组产生作用于压电驱动模块的同频感生电动势。

作为进一步优选的，所述主轴端盘上还安装有圆螺母用于压紧砂轮夹具。

作为进一步优选的，所述振动传递盘上开设有间隔的环槽。

作为进一步优选的，所述压电驱动模块为圆环形压电陶瓷，其沿径向进行极化处理，并在内孔面和外圆环面上铺设电极，在所述非接触式电能传输模块持续供能下，压电驱动模块内孔面和外圆环面上的电极之间产生径向电场，并通过电场频率的周期性变化产生沿径向的高频振动。

作为进一步优选的，所述超声磨削砂轮采用金刚石磨粒砂轮，所述主轴电机采用空气主轴电机。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过超声振动磨削装置整体结构的设计，可使得磨削装置的超声振动方向沿砂轮的径向分布，由此利用超声磨削砂轮的圆周面对晶圆进行超精密加工，可实现晶圆高精度的划片及磨边处理。

2.本发明通过固定单元的结构设计，可将磨削单元和振动单元有效的装配在主轴电机上，利用主轴电机输出轴的旋转实现三者的高速旋转。

3.本发明通过振动单元的结构设计，可实现超声振动的有效产生，并保证超声振动沿砂轮的径向分布，以在砂轮高速旋转的同时对晶圆产生高频振动。

4.本发明通过砂轮夹具和振动传递盘的设计，可实现磨削砂轮的有效夹持，使得砂轮的轴线与主轴电机的轴线重合，并保证磨削时利用砂轮的圆周面进行晶圆的磨削动作，且超声振动方向沿砂轮径向分布也即与晶圆的表面垂直，以实现晶圆的划片、磨边等处理。

5.本发明通过非接触式电能传输模块的设计，可将电能较好的传递给压电驱动模块，以使超声磨削砂轮产生径向振动，实现对晶圆的超声振动辅助磨削，有效降低晶圆磨削过程中的磨削力，改善砂轮上磨粒的冷却效果，进而提高晶圆加工品质，延长砂轮使用寿命。

6.本发明通过压电驱动模块的极化处理，可在压电驱动模块中产生径向电场，并通过电场频率的周期性变化产生沿径向的高频振动，进而使得砂轮产生沿径向的超声振动。

7.本发明的超声磨削砂轮通过与振动传递盘相连和压电驱动模块组成谐振体，不会受到主轴电机的干扰，因此其设计也无需考虑主轴电机的尺寸及结构，因而适应性强、制造装配简单，可将普通主轴电机改造成超声振动磨削加工主轴。

8.本发明的磨削装置整体体积小，具有小型化、轻量化的特点，可在20000rpm-30000rpm的高速旋转下保持动平衡，非常适用于硬脆晶圆的超精密磨削加工。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置的剖视图(主轴电机未剖)；

图2是压电驱动模块、振动传递盘及超声磨削砂轮的装配示意图；

图3是压电驱动模块与超声磨削砂轮的振动示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-锁紧螺栓，2-主轴端盘，3-圆螺母，4-砂轮夹具，5-超声磨削砂轮，6-振动传递盘，7-压电驱动模块，9-基座，10-主轴电机，11-载台，12-晶圆，13-砂轮振动方向，601-环槽，701-内孔面，702-外圆环面，801-电能发射机构，802-电能接收机构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置，其包括固定单元、磨削单元、振动单元以及带动这三个单元一起旋转的主轴电机10，其中，固定单元安装在主轴电机10的输出轴上，用于安装固定磨削单元和振动单元，磨削单元用于对晶圆进行磨削，振动单元用于在磨削单元进行磨削动作时使磨削单元产生径向振动，进而实现晶圆的超精密超声振动磨削。通过上述各单元的配合可实现晶圆的高效率、高精度、高质量的磨削加工。

下面对各个单元一一进行说明。

参见图1，固定单元包括主轴端盘2和基座9，其中，主轴端盘2套装在主轴电机10的输出轴外部，并利用锁紧螺栓1锁紧在主轴电机的输出轴上，可随输出轴旋转，基座9套装在主轴端盘2的外部，并与主轴电机10的外壳相连，旋转时主轴端盘2随主轴电机的输出轴一起旋转，基座9固定不动，主轴端盘2相对于基座9做旋转运动。该固定单元整体呈阶梯状，其中大端靠近主轴电机的端部，并与主轴电机的端部抵接，小端远离主轴电机的端部，用于安装磨削单元。

参见图1和图2，磨削单元布置在固定单元远离主轴电机10的一端，即安装在固定单元的小端上，其包括超声磨削砂轮5，该超声磨削砂轮5安装在振动传递盘6上，并由砂轮夹具4夹紧，该振动传递盘6安装在固定单元上，具体安装在固定单元的小端上，更具体的安装在主轴端盘2远离主轴电机端部的一端上。本发明利用振动传递盘6和砂轮夹具4共同作用以夹持的方式实现砂轮夹具4的夹紧，可保证砂轮夹具4的有效装配。

具体的，该振动传递盘6上设置有环形凹槽，用于嵌装超声磨削砂轮5，超声磨削砂轮5的一个面与振动传递盘6接触，另一个面由砂轮夹具4压紧。进一步的，振动传递盘6面向主轴电机10的一侧还设置有环形凹槽，用于嵌装振动单元中的压电驱动模块7，振动传递盘6可与压电驱动模块7发生谐振，从而在高速旋转的同时，产生沿径向的高频振动，具体为30kHz-50kHz的振动。振动传递盘6在加工时一边随着主轴端盘2高速旋转，一边带动超声磨削砂轮5对晶圆12进行间歇式径向振动磨削加工。为了进一步保证磨削单元的安装可靠性，主轴端盘2上还安装有圆螺母3，用于压紧砂轮夹具4。

进一步的，振动传递盘6的中间开设有间隔的环槽601，以降低中间部分的刚度，通过连续质点振动理论和有限元仿真设计技术，根据目标谐振频率设计振动传递盘6整体结构和尺寸，以便压电驱动模块7的振动高效传递至超声磨削砂轮5安装处，为超声磨削砂轮5提供足够大振幅的振动。

更进一步的，超声磨削砂轮5以人造金刚石为磨粒，结合剂种类与普通砂轮相同，可选择树脂结合剂、金属结合剂、电铸结合剂等，以满足各种加工需求，其利用环氧树脂粘接剂与振动传递盘6固定，在工作时，超声磨削砂轮5随着振动传递盘6一起径向振动，对晶圆12进行间歇式磨削。

参见图1和图3，振动单元包括压电驱动模块7和非接触式电能传输模块，其中，非接触式电能传输模块安装在固定单元靠近主轴电机10的一端内，并通过内置的导线与压电驱动模块7相连，以为压电驱动模块7提供交变电场，具体的非接触式电能传输模块安装在固定单元的大端内。压电驱动模块7安装在振动传递盘6的凹槽内，用于将交变电场的交流电信号转化为振动信号，并将振动传递给振动传递盘6，该振动传递盘6与压电驱动模块7发生谐振，从而使得其上的超声磨削砂轮5在旋转的同时产生沿径向的高频振动。

具体的，压电驱动模块7为圆环形压电陶瓷，利用环氧树脂胶嵌入式安装在振动传递盘6的凹槽中。压电驱动模块7材料为PZT-8，工作在d₃₃压电模态，能够提供较大的输出功率，其密度和弹性模量和振动传递盘6的属性参数接近。压电驱动模块7的内孔面701和外圆环面702上铺设电极，具体为银电极，沿压电驱动模块7的径向进行极化处理，即使压电驱动模块7的内孔面和外圆环面带正负电荷。在非接触式电能传输模块持续供能下，即通过接收来自非接触式电能传输模块的高频电场，压电驱动模块7的内孔面和外圆环面上的电极之间会产生径向电场以实现径向谐振，并且在高速旋转的同时，可以改变电能接收机构802的电信号频率，从而使电场按目标频率周期性变化，激励压电驱动模块产生径向的高频振动。

如图1所示，非接触式电能传输模块包括电能发射机构801和电能接收机构802，电能发射机构801和电能接收机构802分别嵌装在基座9和主轴端盘2内，如图1所示，电能发射机构801嵌装在基座9内，电能接收机构802嵌装在主轴端盘2内，为压电驱动模块7提供交变电场。电能发射机构801和电能接收机构802两者彼此相对，均由线圈绕组和固定磁芯组成，电能接收机构802中的线圈绕组通过内置导线与压电驱动模块7相连，利用接在电能发射机构801上的超声电源产生超声频率振荡电信号，使电能发射机构801上的固定磁芯产生高频的交变磁场，进而使电能接收机构802上的线圈绕组产生作用于压电驱动模块7的同频感生电动势。本发明的压电驱动模块的供电采用非接触式电能传输模块，非接触式电能传输模块的发射机构固定在主轴电机外壳上，接收机构固定在主轴端盘的右侧，与压电驱动模块通过内置导线相连，装置工作时，非接触式电能传输模块的发射机构静止不动，接收机构跟随主轴端盘转动。

具体的，主轴电机10为一般性普通主轴电机，只需将振动传递盘6、压电驱动模块7、超声磨削砂轮5以及非接触式电能传输模块等组合安装在旋转主轴上，即可使普通主轴电机产生高频径向超声振动。主轴电机10的输出轴通过锁紧螺栓与主轴端盘相连，通过主轴电机的输出轴的转动带动磨削单元、压电驱动模块和非接触式电能接收模块转动，进而带动超声磨削砂轮高速旋转，对固定在载台上的晶圆进行间歇振动磨削。主轴电机本体不传递振动，而超声振动装置其他单元偏于模块化设计，可在普通晶圆磨削的主轴电机例如空气主轴电机上进行现地改装，将固定单元、磨削单元和振动单元构成的整体直接装配在现有的晶圆磨削的主轴电机上即可，无需对普通磨削主轴电机进行改造和专门的设计，普通的磨削主轴电机即可作为本发明中的超声振动磨削用的主轴电机。

晶圆磨削时，一般需要砂轮进行20000rpm-30000rpm的高速旋转，为了保证磨削质量，需要磨削装置满足小型化、轻量化的要求，以保证磨削的平衡，本发明对装置的结构进行了模块化设计，除主轴电机外其他的结构如固定单元、磨削单元、振动单元等均进行了模块化设计，整体结构体积非常小，固定单元、磨削单元和振动单元组成的整体(超声振动磨削结构)可作为一个独立结构直接安装在普通磨削主轴电机的输出轴(输出轴一般为锥形轴，锥形轴最大端直径为15mm)上，实现晶圆的超精密磨削加工。

晶圆直径一般为150mm和300mm，厚度一般为0.7mm～1mm，具有大而薄的特点，对晶圆的磨削工艺一般为划切和磨边，在进行晶圆划切和磨边等磨削工艺时，需要砂轮以垂直于晶圆表面的加工方式进行磨削，采用本发明设计的小型化的径向超声振动磨削装置，可将砂轮的径向振动垂直的作用在晶圆表面，实现晶圆的划片、磨边等处理。

使用本发明的超声振动辅助磨削装置实施本发明的超声振动辅助磨削具体包括如下步骤：

首先通过圆螺母3和砂轮夹具4将超声磨削砂轮5安装主轴端盘2上，压电驱动模块7通过环氧树脂胶嵌入式安装在振动传递盘6的凹槽中；

然后将非接触式电能传输模块的电能接收机构802安装在主轴端盘2上，电能发射机构801安装于基座9上；

接着，通过锁紧螺栓1将带有圆螺母3、砂轮夹具4、超声磨削砂轮5、振动传递盘6、压电驱动模块7以及非接触式电能传输模块的主轴端盘2固定在主轴电机10的输出轴上；

最后，调整超声磨削砂轮5相对晶圆12的位置，对非接触式电能传输模块的电能发射机构801供电，并通过控制装置启动主轴电机10带动其他部件高速旋转，则可以实现对固定在载台11上的晶圆12进行振动磨削，振动方向垂直于晶圆12的表面，由此实现晶圆的高质量划切和磨边。本发明通过在普通磨削加工中对砂轮施加超声振动，以改变砂轮与晶圆之间的接触状态和作用机理，增大材料的塑性去除比例及材料去除率，降低磨削力和砂轮磨损量，改善磨削质量，提高磨削效率。本发明的装置可在普通磨削砂轮和主轴电机上进行现地改装，节省了加工成本，利用本发明可实现高效率、高精度、高质量的晶圆磨削，本发明的超声振动辅助磨削装置，可以有效降低晶圆磨削过程中的磨削力，改善砂轮上磨粒的冷却效果，进而提高晶圆加工品质，延长砂轮使用寿命，本发明不仅适用于硬脆晶圆工件，也适用于其他材料、其他形状的工件的超精密超声振动辅助磨削。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置，其特征在于，包括固定单元、磨削单元、振动单元以及带动这三个单元一起旋转的主轴电机(10)，其中：

所述固定单元安装在所述主轴电机(10)的输出轴上，用于安装固定所述磨削单元和振动单元；

所述磨削单元布置在所述固定单元远离主轴电机(10)的一端，其包括超声磨削砂轮(5)，该超声磨削砂轮(5)嵌装在振动传递盘(6)上，并由砂轮夹具(4)夹紧，该振动传递盘(6)安装在所述固定单元上，所述振动传递盘(6)上开设有间隔的环槽(601)；

所述振动单元包括压电驱动模块(7)和非接触式电能传输模块，其中所述非接触式电能传输模块安装在固定单元靠近主轴电机(10)的一端内，并与压电驱动模块(7)相连，以为压电驱动模块(7)提供交变电场；所述压电驱动模块(7)安装在所述振动传递盘(6)面向主轴电机(10)的一侧内，用于将交流电信号转化为振动信号，并将振动传递给振动传递盘(6)，该振动传递盘(6)与压电驱动模块(7)发生谐振，从而使得所述超声磨削砂轮(5)在旋转的同时产生沿径向的高频振动；

所述压电驱动模块(7)为圆环形压电陶瓷，其沿径向进行极化处理，并在内孔面(701)和外圆环面(702)上铺设电极，在所述非接触式电能传输模块持续供能下，压电驱动模块(7)内孔面和外圆环面上的电极之间产生径向电场，并通过电场频率的周期性变化产生沿径向的高频振动。

2.如权利要求1所述的用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置，其特征在于，所述固定单元包括主轴端盘(2)和基座(9)，所述主轴端盘(2)套装在所述主轴电机(10)的输出轴上，并利用锁紧螺栓(1)锁紧，所述基座(9)套装在主轴端盘(2)的外部，并固定在所述主轴电机(10)上。

3.如权利要求2所述的用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置，其特征在于，所述非接触式电能传输模块包括电能发射机构(801)和电能接收机构(802)，所述电能发射机构(801)和电能接收机构(802)分别嵌装在所述基座(9)和主轴端盘(2)内。

4.如权利要求3所述的用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置，其特征在于，所述电能发射机构(801)和电能接收机构(802)均由线圈绕组和固定磁芯组成，利用接在电能发射机构(801)上的超声电源产生超声频率振荡电信号，使电能发射机构(801)上的固定磁芯产生高频的交变磁场，进而使电能接收机构(802)上的线圈绕组产生作用于压电驱动模块(7)的同频感生电动势。

5.如权利要求2所述的用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置，其特征在于，所述主轴端盘(2)上还安装有圆螺母(3)用于压紧砂轮夹具(4)。

6.如权利要求1-5任一项所述的用于晶圆超精密加工的超声振动辅助磨削装置，其特征在于，所述超声磨削砂轮(5)采用金刚石磨粒砂轮，所述主轴电机(10)采用空气主轴电机。

Images