CN1667799A - 同时双面研磨晶片形工件的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同时双面研磨晶片形工件(1)的装置，包括两个具有共线布置的旋转轴(9)的大体上为圆形的磨轮(3)，其中磨轮(3)的研磨表面(10)以旋转轴(9)为基准在轴向彼此相对地设置，还包括两个同样彼此相对地设置的、用于流体静力学地支撑晶片形工件(1)的装置(2)，每个装置(2)包括至少一个流体静力学支撑、和在每种情况下用于量测工件(1)与用于流体静力学支撑的装置(2)之间的间隔的至少一个动压管(4)，其中，两个用于流体静力学支撑的装置(2)中每一个的面对工件(1)的表面(7)是非平面设计，使得表面(7)与工件(1)之间的间隔在用于流体静力学支撑的装置(2)朝向磨轮(3)的边缘(8)处采用最小值，并且该间隔随到磨轮(3)的距离增加而增大。此外，至少一个孔设置在动压管附近，液体与被磨下的任何材料可通过孔从动压管附近排出。

Description

同时双面研磨晶片形工件的装置
技术领域
本发明涉及一种同时双面研磨晶片形工件的装置。
背景技术
用于同时双面研磨晶片形工件例如半导体晶片或尤其是硅晶片的装置在现有技术中是公开的。这种装置通称为双面研磨机。双面研磨常见的共同变式为双碟式研磨或简称DDG加工方法。
根据现有技术例如日本专利JP 2000-280155A及JP 2002-307303A所公开的DDG机具有两个磨轮，彼此对立并且它们的旋转轴同轴布置。在研磨期间，位于磨轮之间的晶片形工件被环绕它们轴旋转的两个磨轮同时双面机加工，晶片形工件由环状夹持和旋转装置定位，同时也绕着自身轴旋转。在研磨期间，两个磨轮轴向磨进直至到达工件预期最终厚度为止。
该夹持和旋转装置可包括例如摩擦轮，该摩擦轮在工件边缘啮合。然而，也可以是下述装置：该装置围绕环形工件，并啮合在工件周边的刮痕、凹槽或槽口中。此种类型的装置通称为槽口指状件。机加工工件整个表面，该工件相对于磨轮被导引，该磨轮的研磨段形成一在工件中心上方恒速运行的轨道。
在这种结构，通常工件并不在固定位置，而是被两个流体静力学支撑装置(以下称为流体静力学垫)轴向夹持，垫设于工件的一边。此种类型的装置见于日本专利JP 2000-280155A。依据现有技术，该二个流体静力学垫的表面(面对工件)是平面构形且彼此平行。每一个流体静力学垫包括许多流体静力学支撑，其间为凹槽，用于排除介质，该介质是用于流体静力学支撑(以下称为“流体支撑介质”)且尚有研磨冷却剂。
在每一种情况下，一个或多个量测传感器整合在流体静力学垫内，可在研磨中量测流体静力学垫表面与工件表面之间的间隔。此间隔量测工作通常藉助于动压管作气体动压量测。动压管设计为在形成导面的流体静压支撑的边缘中的简单的孔状。为能在尽量靠近研磨加工处量测流体静力学垫与工件之间的间隔，动压管通常设在接近流体静力学垫的边缘，该流体静力学垫靠近磨轮。
间隔量测装置为控制电路的一部份，控制电路负责使工件始终保持在流体静力学垫之间的中央位置。此控制电路的致动器为一对磨轮，该磨轮随着动压量测结果的改变相对于它们的转轴轴向位移，使得量测的动压以及在工件与流体静力学垫之间隔在工件二侧相等
为晶片形工件装置此种性质的支撑，在研磨期间发生下述问题：导致机加工工件的几何形状受破坏，尤其是作为纳表面结构(nanotopography)的几何参数方面受到破坏。
1、动压量测是在研磨期间实施。此意捐充满工件碎屑的流体支撑介质及研磨冷却剂进入动压管，会中断动历量测。所以，在研磨期间工件并不是准确地在二流体静力学垫间等距离的位置。
2、两个磨轮磨蚀性不同，结呆在工件表面形成不同的压缩应力(面下损伤)，导致工件弯曲。此曲度通常转动对称。反过来意指工件的部分区域并不位于流体静力学垫正中间。因为流体静力学支撑反抗工件这种趋向，工件被不均衡地历在两个磨轮上，而且一对应旋转对称曲度被磨入工件中。
发明内容
因此，本发明的目的是基于提供改善的流体静力学垫，在DDG机中使用的流体静力学垫在研磨期间导致改善工件的几何形状。
利用一种同时双面研磨晶片形工件的装置可达成此目的，同时双面研磨晶片形工件的装置包括两个具有共线布置的旋转轴的大体上为圆形的磨轮，其中磨轮的研磨表面以旋转轴为基准在轴向彼此相对地设置，在磨轮之间限定一中平面，还包括两个同样彼此相对地设置的、用于流体静力学地支撑晶片形工件的装置，每个装置包括至少一个流体静力学支撑、和在每种情况下用于量测工件与用于流体静力学支撑的装置之间的间隔的至少一个动压管，其中，两个用于流体静力学支撑的装置中每一个的面对工件的表面是非平面设计，使得表面与磨轮之间的中平面之间的间隔在用于流体静力学支撑的装置朝向磨轮的边缘处采用最小值，并且该间隔随到磨轮的距离增加而增大。
在理想的平坦工件的情形下，在流体静力学垫的表面与磨轮之间的中平面之间的间隔采用最小值的位置处，流体静力学垫的表面与工件之间的间隔也采用最小值。为了简化，依据本发明的装置就参照一理想平坦工件进行描述。
依据本发明，因为缺陷出现率随着量测间隔的增加而增大，面向工件的流体静力学垫表面应使得，工件与流体静力学垫之间的间隔在动压管处尽量短，动压管通常装在磨轮附近。然而，由于杠杆作用，工件曲度对工件在流体静力学支撑中的位置的影响随着到磨轮的间隔增加而增大。所以，根据本发明，在流体静力学垫与工件之间的间隔随着到磨轮或通常布置在磨轮边缘附近的动压管的间隔增加而增大。为此，根据本发明，面向工件的流体静力学垫的表面是非平面设计。例如，流体静力学垫的表面可为锥形或凸面设计；最好是最接近工件的点，即，例如锥点位于磨轮的中央。流体静力学垫的表面亦可设阶梯以符合要求：流体静力学垫与工件之间的间隔随着到磨轮或通常布置在磨轮边缘附近的动压管之间的间隔增加而增大。流体静力学垫表面最好设计成使得，流体静力学垫与工件全部研磨表面之间的间隔在磨轮附近因而也是在动压管附近在50至200微米范围内(尤其优选地在80至120微米)，该间隔在到磨轮相当大距离处在150至250微米范围内(尤其优选地在130至170微米)。
根据现有技术，面向工件的流体静力学垫表面包括一个或多个流体静力学支撑。在流体静力学支撑介质的进料处，每个流体静力学支撑有一凹部(称之为“袋”)。这些袋利用其宽边或带而彼此分开。这些带形成流体静力学支撑的导向槽。用于本发明的“流体静力学垫的表面”一词与导向槽相关，而与袋表面无关。所以“流体静力学垫表面”一词定义为：包括面对工件的带的全部区域、但不包括袋的回缩区域的覆盖区域。
此目的也可利用一种同时双面研磨晶片形工件的装置实现，同时双面研磨晶片形工件的装置包括两个具有共线布置的旋转轴的大体上为圆形的磨轮，其中磨轮的研磨表面以旋转轴为基准在轴向彼此相对地设置，还包括两个同样彼此相对地设置的、用于流体静力学地支撑晶片形工件的装置，每个装置包括至少一个流体静力学支撑、和在每种情况下用于量测工件与用于流体静力学支撑的装置之间的间隔的至少一个动压管，其中，至少一个孔设置在动压管附近，液体与被磨下的任何材料可通过孔从动压管附近排出。
研磨期间，流体静力学支撑介质、研磨冷却剂与工件碎屑的混合物绕着动压管周围激烈的冲刷。因而使量测受到相当大的干扰。为了解决此问题，根据本发明，混合物可通过最短可能路径从动压管附近的临界区域排出。排出是直接通过动压管附近平行于动压管的孔完成。干扰液体经由此孔通过流体静力学垫从临界区域排出。
为改善作业，多个孔最好布置在动压管附近。顾及相邻的孔与动压管，这些孔最好等距离布置。
根据本发明(与上述情形比较)，流体静力学垫的形状最好与这些孔结合，且为了从动压管附近排出液体，最好设置有环状凹槽。
另一个改善作业的可能方法在于使这些孔在面向工件的流体静力学垫的表面终止于围绕动压管的环状凹槽。这同样是优选的。凹槽最好是圆形设计，但亦可为其他几何形状。
本发明的目的也可通过一种同时双面研磨晶片形工件的装置实现，这种同时双面研磨晶片形工件的装置包括两个具有共线布置的旋转轴的大体上为圆形的磨轮，其中磨轮的研磨表面以旋转轴为基准在轴向彼此相对地设置，还包括两个同样彼此相对地设置的、用于流体静力学地支撑晶片形工件的装置，每个装置包括至少一个流体静力学支撑、和在每种情况下用于量测工件与用于流体静力学支撑的装置之间的间隔的至少一个动压管，其中，两个用于流体静力学支撑的装置中每一个的面对工件的表面在其紧邻磨轮的边缘具有至少一条凹槽，凹槽始自用于流体静力学支撑的装置不面对磨轮的边缘、沿着朝向面对磨轮的边缘方向延伸、并在到达后一边缘之前终止。
此量测的结果是，尽可能少的研磨冷却剂从流体静力学垫与工件之间的磨轮区域传递到动压管周围的区域。干扰量测的液体量通过这种措施而减少，从而改善量测的准确度。
尤其优选的是，后一种措施与根据本发明的流体静力学垫的形状及孔结合(与上述情形比较)，且为了从动压管附近排出液体，最好设置有环状凹槽。
以下参考附图对本发明优选实施例进行描述。
附图说明
图1是晶片形工件的示意图，该晶片形工件置放于两个本发明的锥形流体静力学垫之间，且被两个与旋转轴共线的磨轮机加工。此图代表沿着一个平面的断面图，该平面包括工件的轴与磨轮的轴。
图2以平面图显示了图1所示流体静力学垫和相应磨轮。
图3显示了动压管的优选实施例的平面图，具有在围绕动压管的流体静力学垫中机加工的环形凹槽。
图4显示了经由图3所示动压管的剖视图。
具体实施方式
图1及图2为晶片形工件1的示意图，依据本发明，该晶片形工件放在两个锥形流体静力学垫2之间，被两个具有共线布置的旋转轴9的磨轮3机加工。动压管4位于工件中心的上方，亦即在流体静力学垫2的边缘8附近。固定的流体静力学垫2与工件表面之间的间隔借助于动压管4量测。工件1与流体静力学垫2面对工件的表面7之间的间隔在面对磨轮3的流体静力学垫2的边缘8处亦即在动压管4处非常小，并且随距离磨轮3增大的间隔而增加。名词“流体静力学垫的表面7”定义为包括面对工件1的带的全部区域、但不包括袋11的回缩区域的覆盖区域。
此外，面对工件1的两个流体静力学支撑装置2中的每一个的表面7最好(如图1及图2所示)有数条凹槽12，这些凹槽始于不面对磨轮3的边缘13，沿着朝向面对磨轮3的边缘8的方向伸展，且在到达边缘8之前终止。这些凹槽12用作排放流体支撑介质。由于这些凹槽12并不到达边缘8，仅少许研磨冷却剂从流体静力学垫2与工件1之间的磨轮3流出，所以在动压管4周围的区域，距离量测的准确度增加。
图3与图4显示了动压管4的优选实施例。围绕动压管4在流体静力学垫2中加工出圆形沟槽5。源于动压管4的气动介质与紧邻的流体支撑介质汇集在凹槽5内，且经由一通过流体静力学垫2的孔6排出。结果，在孔6及凹槽5内的压力大约相当于正常的环境压力。如此，动压量测基本上保持不受外来介质影响。
示例
传统的多线锯(MWS)用于从多个直径为300mm的硅单晶体分离出约10,000个厚度小于1000微米的晶片。半数晶片承受现有技术的双面研磨工艺(比较示例)，而另一半承受本发明的双面研磨工艺(示例)，在任一种情况下，自晶片的每一面移除约50微米的材料。日本红叶机械工业有限公司生产的可商购的型号为DXSG 320的双面研磨机(DDG机)用作此用途。研磨后，再将硅晶片蚀刻和抛光。抛光过的硅晶片用纳米绘图法(ADE)SQM型量测。评估THA4值。
比较示例
根据现有技术，该研磨机具备两个流体静力学垫，其中面对工件的表面为平面。每个流体静力学垫具有在如图1和图2所示位置的动压管4。而且，每个流体静力学垫有许多凹槽，这些凹槽源于流体静力学垫面对磨轮的边缘。对成品、抛过光的硅晶片，纳表面结构的量测显示THA4参数平均值为32.0nm，其标准偏差为8.0nm。
示例
根据本发明，该研磨机具备两个流体静力学垫，其中面对工件1的表面为锥形设计，如图1所示。流体静力学垫与工件表面之间的间隔在动压管处比在最远离磨轮3处的位置小约50微米。每个流体静力学垫具有在如图1与图2所示位置的动压管4，且这些动压管具有环状凹槽5及孔6。而且，流体静力学垫并无源于流体静力学垫面对磨轮3的边缘的沟槽。对成品、抛过光的硅晶片，纳表面结构的量测显示THA4参数平均值为26.5nm，其标准偏差为4.4nm。
依据本发明，流体静力学垫的改变所以导致对纳表面结构显著的改善并获得较高的加工稳定性，这反应在低标准偏差上。不同量测法的准确分析显示流体静力学垫形状的改变是导致降低平均值的最主要原因，而用于排出干扰液体的环状凹槽和孔的设置以及消除源于边缘的凹槽主要导致标准偏差降低。
根据本发明的装置，可用于传统DDG机，以研磨晶片形工件，例如研磨半导体晶片，特别是硅晶片。

Claims (7)

1、一种同时双面研磨晶片形工件(1)的装置，包括两个具有共线布置的旋转轴(9)的大体上为圆形的磨轮(3)，其中磨轮(3)的研磨表面(10)以旋转轴(9)为基准在轴向彼此相对地设置，在磨轮(3)之间限定一中平面，还包括两个同样彼此相对地设置的、用于流体静力学地支撑晶片形工件(1)的装置(2)，每个装置(2)包括至少一个流体静力学支撑、和在每种情况下用于量测工件(1)与用于流体静力学支撑的装置(2)之间的间隔的至少一个动压管(4)，其中，两个用于流体静力学支撑的装置(2)中每一个的面对工件(1)的表面(7)是非平面设计，使得表面(7)与磨轮(3)之间的中平面之间的间隔在用于流体静力学支撑的装置(2)朝向磨轮(3)的边缘(8)处采用最小值，并且该间隔随到磨轮(3)的距离增加而增大。
2、如权利要求1的装置，其特征在于，两个用于流体静力学支撑的装置(2)中每一个的面对工件(1)的表面(7)为锥形设计。
3、如权利要求1的装置，其特征在于，两个用于流体静力学支撑的装置(2)中每一个的面对工件(1)的表面(7)为凸面设计。
4、如权利要求1的装置，其特征在于，两个用于流体静力学支撑的装置(2)中每一个的面对工件(1)的表面(7)具有阶梯。
5、一种同时双面研磨晶片形工件(1)的装置，包括两个具有共线布置的旋转轴(9)的大体上为圆形的磨轮(3)，其中磨轮(3)的研磨表面(10)以旋转轴(9)为基准在轴向彼此相对地设置，还包括两个同样彼此相对地设置的、用于流体静力学地支撑晶片形工件(1)的装置(2)，每个装置(2)包括至少一个流体静力学支撑、和在每种情况下用于量测工件(1)与用于流体静力学支撑的装置(2)之间的间隔的至少一个动压管(4)，其中，至少一个孔(6)设置在动压管(4)附近，液体与被磨下的任何材料可通过孔从动压管(4)附近排出。
6、如权利要求5的装置，其特征在于，孔(6)在用于流体静力学地支撑晶片形工件的装置(2)的表面(7)上终止于凹槽，所述凹槽呈环形围绕动压管。
7、一种同时双面研磨晶片形工件(1)的装置，包括两个具有共线布置的旋转轴(9)的大体上为圆形的磨轮(3)，其中磨轮(3)的研磨表面(10)以旋转轴(9)为基准在轴向彼此相对地设置，还包括两个同样彼此相对地设置的、用于流体静力学地支撑晶片形工件(1)的装置(2)，每个装置(2)包括至少一个流体静力学支撑、和在每种情况下用于量测工件(1)与用于流体静力学支撑的装置(2)之间的间隔的至少一个动压管(4)，其中，两个用于流体静力学支撑的装置(2)中每一个的面对工件(1)的表面(7)具有至少一条凹槽(12)，凹槽(12)始自不面对磨轮(3)的边缘(13)、并在到达边缘(8)之前沿着朝向面对磨轮(3)的边缘(8)的方向延伸。
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