CN117325333B - 一种用于半导体晶圆划切设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于半导体晶圆划切设备，所述设备包括床身部分、加工组件、图像识别系统和加工平台装置，其中床身部分设置加工平台装置，床身部分上端连接加工组件，加工组件上连接图像识别系统。本发明解决现有划切设备精度低、定位精度误差大、测高不准确以及主轴轴振等问题。

Description

一种用于半导体晶圆划切设备

技术领域

本发明属于精密加工设备技术领域，特别涉及一种用于半导体晶圆划切设备。

背景技术

随着科技的不断发展，人们对日常使用的电子设备需求也是不断提高，使得市场对半导体行业提出更高的技术要求，其中芯片封装切割涉及到材料、力学、可靠性等多种学科，也是越来越受到重视，与集成电路芯片一同成为了高新发展产业。在设计研发和芯片制造中，对划切精度的程度更加严谨。为此，在对碳化硅类等材料切割加工时的精度要求更为苛刻，尤其半导体类材料切割时常见的大崩边、大切缝、切偏以及切深等缺陷，都会对半导体后期制备有严重的影响。此类缺陷出现的主要原因就是平面移动误差较大，精度较差，定位不准确。

近几十年来，随着国家对半导体行业的大量支持，半导设备取得了一定的突破，但是与西方国家还存在很大的差距，对于划片机的研制，国内先后开发了半自动、自动划切方式系列划片机，然而使得国内相比先进划片机的技术水平尚有差距，而满足划片机高精度、高可靠性，也是相关产业所发展的大前提。

传统平面驱动装置依靠X轴方向的滚珠丝杠移动以及主轴Y方向伸缩相互叠加以此控制切割片达到预期被加工位置，但此时运动误差已被二次放大，且当主轴伸出较远位置时，出现悬臂梁结构，若此时主轴端部的切割片在高速旋转下，产生微振动，此时误差影响因素众多，致使其定位精度大大降低。另外，传统划片机的常见结构均为矩形钢结构框架，在此类结构中常会出现整体划片机重心偏离设备中心位置，钢材料在一定温度变化时，材料的热伸缩性将会对整体切割精度产生偏差，精度下降。传统划片机的排水装置采用排水箱结构进行排水处理，极易造成排水不畅，影响切割效率导致成品率下降且无法满足半导体行业对切割精度要求等高精度加工工件的影响。

发明内容

鉴于现有传统划片机的切割精度低、定位精度误差大、测高不准确以及主轴轴振等问题，且无法满足半导体行业对切割精度要求缺点、不足，本发明提供一种用于半导体晶圆划切设备，其解决上述传统划片机出现的诸多问题。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提出一种用于半导体晶圆划切设备，所述设备包括床身部分、加工组件、图像识别系统和加工平台装置，其中床身部分设置加工平台装置，床身部分上端连接加工组件，加工组件上连接图像识别系统；

所述床身部分包括钢结构底座、金字塔形大理石框架和金字塔结构顶盖，钢结构底座正上方设置有金字塔形大理石框架，金字塔形大理石框架顶端固定金字塔结构顶盖，金字塔结构顶盖下方设置Z1轴支撑板；

所述加工组件包括直线电机、L形主轴支撑板和主轴切割部分，直线电机固定于Z1轴支撑板上，直线电机上滑动连接主轴切割部分和L形主轴支撑板，L形主轴支撑板上固定图像识别系统；

所述加工平台装置包括真空吸盘、工件载物台、平面电机、切削液导流槽、排水管和矩形机床底座凹槽，所述钢结构底座顶部设置切削液导流槽，切削液导流槽连通排水管，切削液导流槽内设置矩形机床底座凹槽，机床底座凹槽内固定平面电机，所述平面电机上方设置有工件载物台，工件载物台中心设置有真空吸盘。

进一步的，所述Z1轴支撑板为等腰梯形的倒金字塔结构。

进一步的，所述主轴切割部分包括主轴直线电机支撑板、主轴进气口、保持架、空气静压主轴、超薄砂轮、冷却装置、砂轮法兰盘，直线电机的滑块连接直线电机支撑板，直线电机支撑板底部与L形主轴支撑板的短边连接，所述L形主轴支撑板短边下表面设置有保持架，保持架的一端设置主轴进气口，另一端设置空气静压主轴，空气静压主轴端部固定冷却装置和超薄砂轮，超薄砂轮位于冷却装置正下方。

进一步的，所述主轴保持架为环抱式结构，为两个C形结构槽对立放置，内部是中空结构，且主轴保持架两侧面设置有多个孔。

进一步的，所述图像识别系统包括Z2轴支撑板、安装座、运动调节器、运动控制器、摄像头和杂光过滤装置，安装座底面固定连接在L形主轴支撑板上端面，安装座上固定设置运动控制器，安装座侧面滑动连接运动调节器，运动控制器的输出轴连接运动调节器，运动调节器上固定连接Z2轴支撑板，Z2轴支撑板侧面固定连接摄像头，摄像头底部连接杂光过滤装置。

进一步的，所述真空吸盘外周圈设有导流口，真空吸盘下端设有挡水板，挡水板下端设有密封罩板。

进一步的，所述工件载物台边缘与切削液导流槽之间设置有柔性防水布。

进一步的，所述切削液导流槽两侧均连通排水管。

在采用上述技术方案，本发明有益效果在于：

本发明可以通过平面电机带动晶圆在二维平面的精准移动，替代了由旋转电机通过机械转换机构产生的二维运动方式，减小机构复杂性，降低加工成本，消除传统滚珠丝杠与主轴在高速旋转下伸缩移动形成的悬臂梁结构所相累加的原始误差，使得工作噪音下降，优化运行环境，电机的热负载性提升，增加了系统稳定性，进一步精确了切割效果；

本装置可以通过金字塔框架结构，使得直线电机、运动摄像头以及空气静压主轴在支撑板的连接下，更合理的调整了空间分布，划片机重心与工件载物台所相近；

金字塔框架结构为大理石材质，消除了钢架结构在切割中由升温引起的热伸缩性变形，为切割过程创建了更稳定的加工平台。

本装置可以通过主轴保持架安装空气静压主轴，使得空气静压主轴振动减小；综合以上因素，使得划片机在工作中具有更稳定效果，保证了切割精度。

附图说明

图1为本发明所述的半导体晶圆划切设备主视示意图；

图2为本发明所述的切割装置结构主视示意图；

图3为本发明所述的切割装置结构左视示意图；

图4为本发明所述的主轴保持架与空气静压主轴主视示意图

图5为本发明所述的加工平台装置视示意图；

图6为本发明所述的平面电机、工件载物台与真空吸盘组合装置俯视示意图；

图7为本发明所述床身部分金字塔形大理石结构俯视示意图；

图8为本发明装置的立体结构图；

附图标记：

1.金字塔结构顶盖、2.图像识别系统运动控制器、3.金字塔形大理石框架、4.摄像头、5.Z2轴支撑板、6.镜头保护罩、7.二流体喷水口、8.真空吸盘、9.工件载物台、10.钢结构底座、11.排水管、12.平面电机、13.冷却液进出水口、14.L形主轴支撑板、15.Z1轴支撑板、16.直线电机、17.运动调节器、18.安装座、19.杂光过滤装置、20.超薄砂轮、21.冷却装置、22.砂轮法兰盘、23.空气静压主轴、24.主轴保持架、25.主轴进气口、26.加强筋、27.直线电机支撑板、28.挡水板、29.密封罩板、30.真空吸盘导流口、31.真空吸盘定位环、32.排水导流槽、33.排水口、34.平面电机安装槽。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明实施例中技术方案进行完全、清晰的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明中的部分实施例，即不包括全部的实施例。

本发明提出一种用于半导体晶圆划切设备，包括床身部分、加工组件、图像识别系统和加工平台装置。其中床身部分设置加工平台装置，床身部分上端连接加工组件，加工组件上连接图像识别系统。

具体的，如图1所示，床身部分包括钢结构底座10、金字塔形大理石框架3和金字塔结构顶盖1，钢结构底座10正上方设置有金字塔形大理石框架3，金字塔形大理石框架3顶端通过螺栓固定金字塔结构顶盖1，金字塔结构顶盖1下方设置Z1轴支撑板15。

所述Z1轴支撑板15为等腰梯形的倒金字塔结构，增加与大理石接触面积，为了使加工过程中设备更加稳定，与金字塔结构顶盖1为大理石一体结构。结构稳定整个设备重心更加集中并减小常用金属床身由于热伸缩性造成的误差。

如图1-3所示，Z1轴支撑板15设置有加工组件，加工组件包括直线电机16、L形主轴支撑板14和主轴切割部分，直线电机16通过螺栓固定于Z1轴支撑板15上，直线电机16的安装座上滑动连接主轴切割部分和L形主轴支撑板14，主轴切割部分与L形主轴支撑板14并随直线电机16的动子沿Z1轴支撑板15精密移动，实现超薄砂轮20的对准过程和Z轴方向进给。L形主轴支撑板14竖向的长边上固定图像识别系统。

如图2-4所示，所述主轴切割部分包括主轴直线电机支撑板27、主轴进气口25、保持架24、空气静压主轴23、超薄砂轮20、冷却装置21、砂轮法兰盘22，直线电机16的滑块连接直线电机支撑板27，直线电机支撑板27底部与L形主轴支撑板14的横向短边连接，且二者连接处设置有加强筋26焊接固定，所述L形主轴支撑板14短边下表面设置有保持架24，保持架24的一端设置主轴进气口25，保持架24的另一端设置空气静压主轴23，通过主轴进气口25为空气静压主轴23提供气体，空气静压主轴23为现有结构。空气静压主轴23端部固定冷却装置21且冷却装置21正下方通过法兰盘22固定超薄砂轮20，所述冷却装置21为现有装置，包括二流体喷水口7、冷却液进出水口13，其二流体喷水装置7分布在超薄砂轮20两侧，其目的为将去离子水向超薄砂轮20高压喷射冷却。所述空气静压主轴23通过主轴进气口25来保持主轴的润滑，空气静压电主轴23是以其内部空气静压轴承支承、电机动力驱动，带动超薄砂轮20高速旋转。

如图4所示，所述主轴保持架24为环抱式结构，为两个C形结构槽对立放置，两个槽之间用螺栓连接，由于内部是中空结构有效的避免了主轴径向的力，从而减小了主轴的轴振问题。其目的是减少主轴因高速旋转产生的微振动，导致切痕发生偏移的问题，有效提升切割精度。现有结构是悬臂梁式结构，无法减小主轴轴振问题，容易产生切偏问题。且所述主轴保持架24两侧面设置有多个孔，其目的是既要满足散热的要求又要减轻主轴保持架24的配重。

如图2所示，图像识别系统包括Z2轴支撑板5、安装座18、运动调节器17、运动控制器2、摄像头4和杂光过滤装置19，安装座18底面通过螺栓固定连接在L形主轴支撑板14上端面，安装座18侧面滑动连接运动调节器17，运动调节器17固定连接Z2轴支撑板5，Z2轴支撑板5结构为长为387mm，宽为80mm的矩形。安装座18上还固定设置运动控制器2，本实施例中运动控制器2为伺服电机，运动调节器17上方固定设置运动控制器2，运动控制器2的输出轴驱动运动调节器17相对于安装座18上下移动，从而带动Z2轴支撑板5上下移动。Z2轴支撑板5侧面固定连接摄像头4，摄像头4底部连接杂光过滤装置19。所述运动控制器2通过控制运动调节器17调节摄像头4移动，使得摄像头4在切割运动中向上收缩，防止切削产生的水雾影响。

如图5-8所示，加工平台装置包括真空吸盘8、工件载物台9、平面电机12、挡水板28、密封罩板29、切削液导流槽32、排水管33、矩形机床底座凹槽34所构成，所述钢结构底座10顶部设置有矩形环状的切削液导流槽32，切削液导流槽32连通排水管33，优选为两侧均连通排水管33，切削液导流槽32内设置有280mm、200mm矩形机床底座凹槽34。如图4-5所示，机床底座凹槽34内固定有平面电机12，所述平面电机12上方设置有工件载物台9，工件载物台9中心设置有真空吸盘8，真空吸盘8用于通过真空吸附的方式固定工件，保证切割时，加工件不会被水冲走，真空吸盘8外周圈设有真空吸盘导流口30，利用真空吸盘导流口30使切割时产生的水顺利排出，真空吸盘8上端设有真空吸盘定位环31，方便固定待加工件，真空吸盘8下端设有挡水板28，挡水板28下端设有密封罩板29，使得平面电机12内部隔绝冷却液，此外，所述工件载物台9边缘与切削液导流槽32之间设置有柔性防水布，为了隔绝切割水。

平面电机12型号为GLM15CP，2M型电机，具有3m/s最高速度，反复定位精度可达±1μm，运动范围可达3000mm，响应速度快，运动平稳，设有高精旋转功能，所述平面电机12具有2nm的二维平面运动精度、3.2mm/s的移动响应速度，0.1Hz的圆环轨道定位频率，所述平面电机12在对角线为100mm，内角为π/2的矩形区域内移动，所述平面电机12具有0.2μrad高精旋转功能，所述平面电机12具有定位精度高、响应速度快、运动范围广、旋转精度高等优势。采用平面电机12结构，减少传统结构中X轴与旋转轴提升划片机的精度。所述平面电机12配合真空吸盘8、工件载物台9的使用，其目的是降低传统结构采用丝杆传动反应时间长、定位精度较差等问题。

所述直线电机16带动切割工具实现Z轴方向运动，所述平面电机12带动工件实现X轴和Y轴移动及工件旋转运动。工具和工件只通过1个运动副实现运动，减少了运动副的误差累计；切割工件精度为0.3～3μm，运动范围达到0～500mm。

实施例1：

步骤一：将Si材质的晶圆放置在工件载物台9上，同时真空吸盘8产生真空，将晶圆吸住；

步骤二：所述的平面电机12带动工件载物台9旋转30°后，完成X轴、Y轴方向的移动到达待加工位置；

步骤三：空气静压主轴23在直线电机16带动下，将放置在工件载物台9的Si材质的晶圆进行接触测高；

步骤四：所述的超薄砂轮20通过法兰盘22固定在空气静压主轴23端部，对Si材质的晶圆进行切割处理，所述冷却装置21为去离子水向超薄砂轮20高压喷射冷却；

步骤五：完成第一刀切割后，使用所述的图像识别系统所述运动控制器2调节摄像头4移动，对切割刀口进行检测，达到要求之后，进行完整的切割流程，若是检测后发现刀口发生偏移现象，运动控制器2将偏移量反馈给直线电机16进行刀口补偿；

步骤六：在整个切割过程中，图像识别系统会对切割质量进行实时检测，对刀口进行补偿；

步骤七：完成整个切割后，再一次使用所述的图像识别系统所述运动控制器2调节摄像头4移动，对切割质量进行检测，此时切割精度达到0.5μm。

实施例2：

步骤一：将陶瓷材质的加工件放置在工件载物台9上，同时真空吸盘8产生真空，将陶瓷吸住；

步骤二：所述的平面电机12带动工件载物台9旋转45°后，完成X轴、Y轴方向的移动到达待加工位置；

步骤三：空气静压主轴23在直线电机16带动下，将放置在工件载物台9的陶瓷材质的加工件进行接触测高；

步骤四：所述的超薄砂轮20通过法兰盘22固定在空气静压主轴23端部，对陶瓷材质的加工件进行切割处理，所述冷却装置21为去离子水向超薄砂轮20高压喷射冷却；

步骤五：完成第一刀切割后，使用所述的图像识别系统所述运动控制器2调节摄像头4移动，对切割刀口进行检测，达到要求之后，进行完整的切割流程；

步骤六：在整个切割过程中，图像识别系统会对切割质量进行实时检测，对刀口进行补偿；

步骤七：完成整个切割后，再一次使用所述的图像识别系统所述运动控制器2调节摄像头4移动，对切割质量进行检测，此时切割精度达到3μm。

实施例3：

步骤一：将砷化镓材质的晶圆放置在工件载物台9上，同时真空吸盘8产生真空，将晶圆吸住；

步骤二：所述的平面电机12带动工件载物台9旋转90°后，完成X轴、Y轴方向的移动到达待加工位置；

步骤三：空气静压主轴23在直线电机16带动下，将放置在工件载物台9的砷化镓材质的晶圆进行接触测高；

步骤四：所述的超薄砂轮20通过法兰盘22固定在空气静压主轴23端部，对砷化镓材质的晶圆进行切割处理，所述冷却装置21为去离子水向超薄砂轮20高压喷射冷却；

步骤五：完成第一刀切割后，使用所述的图像识别系统所述运动控制器2调节摄像头4移动，对切割刀口进行检测，达到要求之后，进行完整的切割流程；

步骤六：在整个切割过程中，图像识别系统会对切割质量进行实时检测，对刀口进行补偿；

步骤七：完成整个切割后，再一次使用所述的图像识别系统所述运动控制器2调节摄像头4移动，对切割质量进行检测，此时切割精度达到3μm。

实施例4：

步骤一：将玻璃材质的工件在工件载物台9上，同时真空吸盘8产生真空，将工件吸住；

步骤二：所述的平面电机12带动工件载物台9旋转180°后，完成X轴、Y轴方向的移动到达待加工位置；

步骤三：空气静压主轴23在直线电机16带动下，将放置在工件载物台9的玻璃材质的工件进行接触测高；

步骤四：所述的超薄砂轮20通过法兰盘22固定在空气静压主轴23端部，对玻璃材质的工件进行切割处理，所述冷却装置21为去离子水向超薄砂轮20高压喷射冷却；

步骤五：完成第一刀切割后，使用所述的图像识别系统所述运动控制器2调节摄像头4移动，对切割刀口进行检测，达到要求之后，进行完整的切割流程；

步骤六：在整个切割过程中，图像识别系统会对切割质量进行实时检测，对刀口进行补偿；

步骤七：完成整个切割后，再一次使用所述的图像识别系统所述运动控制器2调节摄像头4移动，对切割质量进行检测，此时切割精度达到2.5μm。

实施例5：

步骤一：将封装基板放置在工件载物台9上，同时真空吸盘8产生真空，将封装基板吸住；

步骤二：所述的平面电机12带动工件载物台9旋转-45°后，完成X轴、Y轴方向的移动到达待加工位置；

步骤三：空气静压主轴23在直线电机16带动下，将放置在工件载物台9的封装基板进行接触测高；

步骤四：所述的超薄砂轮20通过法兰盘22固定在空气静压主轴23端部，对封装基板进行切割处理，所述冷却装置21为去离子水向超薄砂轮20高压喷射冷却；

步骤五：完成第一刀切割后，使用所述的图像识别系统所述运动控制器2调节摄像头4移动，对切割刀口进行检测，达到要求之后，进行完整的切割流程；

步骤六：在整个切割过程中，图像识别系统会对切割质量进行实时检测，对刀口进行补偿；

步骤七：完成整个切割后，再一次使用所述的图像识别系统所述运动控制器2调节摄像头4移动，对切割质量进行检测，此时切割精度达到2μm。

以上实验条件处于温度条件22℃，主轴转速30000rpm-50000rpm，切割水温条件25℃，真空条件97kpa。

以上方式仅为实施例中一种优选表述，而不是对本发明进行单一技术限定，在本发明精神所涵盖之内，业内技术人员对本发明相关零件做出的局部更替处理，均属于本发明权利要求书所保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于半导体晶圆划切设备，其特征在于：所述设备包括床身部分、加工组件、图像识别系统和加工平台装置，其中床身部分设置加工平台装置，床身部分上端连接加工组件，加工组件上连接图像识别系统；

所述床身部分包括钢结构底座（10）、金字塔形大理石框架（3）和金字塔结构顶盖（1），钢结构底座（10）正上方设置有金字塔形大理石框架（3），金字塔形大理石框架（3）顶端固定金字塔结构顶盖（1），金字塔结构顶盖（1）下方设置Z1轴支撑板（15）；

所述加工组件包括直线电机（16）、L形主轴支撑板（14）和主轴切割部分，直线电机（16）固定于Z1轴支撑板（15）上，直线电机（16）上滑动连接主轴切割部分和L形主轴支撑板（14），L形主轴支撑板（14）上固定图像识别系统；

所述加工平台装置包括真空吸盘（8）、工件载物台（9）、平面电机（12）、切削液导流槽（32）、排水管（33）和矩形机床底座凹槽（34），所述钢结构底座（10）顶部设置切削液导流槽（32），切削液导流槽（32）连通排水管（33），切削液导流槽（32）内设置矩形机床底座凹槽（34），机床底座凹槽（34）内固定平面电机（12），所述平面电机（12）上方设置有工件载物台（9），工件载物台（9）中心设置有真空吸盘（8）；

所述Z1轴支撑板（15）为等腰梯形的倒金字塔结构；

所述主轴切割部分包括主轴直线电机支撑板（27）、主轴进气口（25）、保持架（24）、空气静压主轴（23）、超薄砂轮（20）、冷却装置（21）、砂轮法兰盘（22），直线电机（16）的滑块连接直线电机支撑板（27），直线电机支撑板（27）底部与L形主轴支撑板（14）的短边连接，所述L形主轴支撑板（14）短边下表面设置有保持架（24），保持架（24）的一端设置主轴进气口（25），另一端设置空气静压主轴（23），空气静压主轴（23）端部固定冷却装置（21）和超薄砂轮（20），超薄砂轮（20）位于冷却装置（21）正下方；所述主轴保持架（24）为环抱式结构，为两个C形结构槽对立放置，内部是中空结构，且主轴保持架（24）两侧面设置有多个孔。

2.根据权利要求1所述的一种用于半导体晶圆划切设备，其特征在于：所述图像识别系统包括Z2轴支撑板（5）、安装座（18）、运动调节器（17）、运动控制器（2）、摄像头（4）和杂光过滤装置（19），安装座（18）底面固定连接在L形主轴支撑板（14）上端面，安装座（18）上固定设置运动控制器（2），安装座（18）侧面滑动连接运动调节器（17），运动控制器（2）的输出轴连接运动调节器（17），运动调节器（17）上固定连接Z2轴支撑板（5），Z2轴支撑板（5）侧面固定连接摄像头（4），摄像头（4）底部连接杂光过滤装置（19）。

3.根据权利要求1所述的一种用于半导体晶圆划切设备，其特征在于：所述真空吸盘（8）外周圈设有导流口（30），真空吸盘（8）下端设有挡水板（28），挡水板（28）下端设有密封罩板（29）。

4.根据权利要求1所述的一种用于半导体晶圆划切设备，其特征在于：所述工件载物台（9）边缘与切削液导流槽（32）之间设置有柔性防水布。

5.根据权利要求4所述的一种用于半导体晶圆划切设备，其特征在于：所述切削液导流槽（32）两侧均连通排水管（33）。