TWI583491B - 振動輔助拋光模組 - Google Patents

Description

振動輔助拋光模組

本發明為一種振動輔助拋光模組，尤指一種利用可調式偏心機構及線性滑軌機構產生低頻振動源，可增進大面積工件之拋光效能之振動輔助拋光模組。

按，藍寶石或碳化矽晶圓等硬脆基板，於加工中必須經歷一拋光製程。

就碳化矽晶圓而言，目前全球40%能量被使用為電能而消耗，其電能轉換最大耗散是半導體功率元件。曾經的「中流砥柱」Si功率元件已日趨其材料發展的極限，已難以滿足當今社會發展對於高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環境以及輕便小型化的新需求。碳化矽(SiC)因其寬能帶隙、優異的導熱性和良好的化學穩定性，適合做為高功率以及高溫的半導體元件。以碳化矽等為代表的第三代半導體材料，將被廣泛應用於光電子元件、電力電子元件等領域，以其優異的半導體性能在各個現代工業領域都將發揮重要革新作用，應用前景和市場潛力巨大。

碳化矽晶圓具有優異的耐高電壓、耐熱以及低損耗等材料特性，是高功率電子元件所需關鍵晶圓材料，因此國內外均致力提升大尺寸(直徑≧4吋)碳化矽晶圓加工效率。

然而，碳化矽為莫氏硬度9.25~9.5(僅次於鑽石)之超硬材料，現今製程以拋光耗時為加工瓶頸(≧2小時；Material Removal Rate,MRR≦0.2μm/h)，導致成本居高不下。此外，碳化矽晶圓因應市場需求之另一趨勢為大尺寸化。目前國際之晶圓大廠也陸續發表大尺寸(六吋)碳化矽晶圓之開發。然而大尺寸碳化矽晶圓其加工效率將更見緩慢，導致加工成本即占製造成本1/2以上，因此為解決 碳化矽晶圓材料製造上瓶頸，提升加工效率成為產業開發之關鍵因素。

在一實施例中，本發明提出一種振動輔助拋光模組，其包含一拋光盤、一工件承載盤、一線性滑軌機構、一連桿、一馬達及一可調式偏心機構；拋光盤可旋轉；工件承載盤用以承載一工件，工件設置於工件承載盤，使工件的一加工面朝向拋光盤；線性滑軌機構包括一滑軌、一導引座與一導引桿，滑軌樞接於工件承載盤相對於設有工件之一面，滑軌嵌設於導引座內，導引桿設置於導引座上；連桿具有相對之一第一端與一第二端，第一端樞接於滑軌；馬達具有一動力軸用以提供動力；可調式偏心機構具有一座體，座體連接於動力軸，且座體與連桿之第二端以一樞接軸相互樞接，該樞接軸與動力軸之軸心係偏心設置；由動力軸驅動座體旋轉且帶動連桿偏心擺動，由連桿將動力軸之動力傳輸至滑軌，同時藉由導引座對滑軌之限位作用，使滑軌作平行於一第一方向之線性移動，並驅動工件承載盤產生一水平徑向振幅及一低頻振動，且同時使得工件與拋光盤之接觸面產生低頻振動。

10‧‧‧拋光盤

20‧‧‧工件承載盤

30‧‧‧線性滑軌機構

31‧‧‧滑軌

32‧‧‧導引座

321‧‧‧凹槽

33‧‧‧導引桿

40‧‧‧連桿

41‧‧‧第一桿體

411‧‧‧第一端

412‧‧‧第一階梯狀結構

413‧‧‧樞接軸

414~416‧‧‧軸承

42‧‧‧第二桿體

421‧‧‧第二端

422‧‧‧第二階梯狀結構

43‧‧‧固定件

44‧‧‧螺栓

50‧‧‧馬達

51‧‧‧動力軸

60‧‧‧可調式偏心機構

61‧‧‧座體

611‧‧‧樞接軸

612‧‧‧軸承

62‧‧‧滑塊

63‧‧‧調整螺栓

64‧‧‧蓋體

65‧‧‧固定螺栓

70‧‧‧工件

F1‧‧‧第一方向

△S‧‧‧偏心量

圖1為本發明之一實施例之組合結構示意圖。

圖2為圖1實施例之部分分解結構示意圖。

圖3為圖1實施例之可調式偏心機構之結構示意圖。

圖4為圖1實施例之前視組合結構動作示意圖。

圖5為圖1實施例之俯視組合結構動作示意圖。

圖6~圖9為本發明之可調式偏心機構及線性滑軌機構產生低頻 振動源之連續動作示意圖。

圖10為本發明之振動輔助加工效率相較於無振動之拋光製程之曲線圖。

請參閱圖1及圖2所示，本發明之一種振動輔助拋光模組，其包含一拋光盤10、一工件承載盤20、一線性滑軌機構30、一連桿40、一馬達50、一可調式偏心機構60。

拋光盤10可旋轉，馬達50可採用變頻馬達，其具有一動力軸51用以提供動力。工件承載盤20用以承載一工件70，於工件承載盤20設有固定裝置((圖中未示出))可將工件70固定於工件承載盤20，使工件70的加工面朝向拋光盤10。工件70為硬脆之晶片基板，而硬脆之晶片基板泛指難加工之單晶或陶瓷材料，例如藍寶石或碳化矽晶圓。

線性滑軌機構30包括一滑軌31、一導引座32與一導引桿33，滑軌31樞接於工件承載盤20相對於設有工件70之一面。導引座32具有一凹槽321，滑軌31嵌設於凹槽321內。導引桿33設置於導引座32上且連接於一固定座(圖中未示出)。固定座用以限制導引座32與導引桿33無法自由轉動，因此可由導引座32對滑軌31產生限位作用，使滑軌31僅能沿著凹槽321之長度方向滑動。導引桿33上具有一伸縮部，伸縮部可使導引座32及連接的工件承載盤20與工件70可同步上下位移，以便於架設或拆卸工件70。詳細來說，由導引桿33的伸縮部驅動工件承載盤20與拋光盤10相對運動，使工件70與拋光盤10接觸或分離。

連桿40由一第一桿體41與一第二桿體42連接構成，第一桿體41之一端為第一端411，第一端411藉由一樞接軸413及軸承414~416樞接於滑軌31。第二桿體42相對於與第一桿體41連接之一端為第二端421，第一桿體41與第二桿體42之連接處分別呈對應之一第一階梯狀結構412與一第二階梯狀結構422，第一階梯狀結構412與第二階梯狀結構422相互搭接，並藉由一固定件43以螺栓44鎖固，使第一桿體41與一第二桿體42結合為一整體而 無法彎折或分離。而第一階梯狀結構412與第二階梯狀結構422之作用在於，當固定件43與螺栓44被卸除後，而工件承載盤20被導引桿33伸縮部作用驅動上升與拋光盤10分離時，第一桿體41可與工件承載盤20同步向上移動且與第二桿體42分離。

請參閱圖2及圖3所示，可調式偏心機構60具有一座體61、一滑塊62與一調整螺栓63。座體61連接於動力軸51，且座體61與連桿40之第二端421以一樞接軸611及軸承612相互樞接，樞接軸611與動力軸51之軸心偏心設置，樞接軸611與動力軸51之間具有一偏心量△S。滑塊62設置於座體61內，動力軸51穿設於滑塊62，藉由一蓋體64將滑塊62封閉於座體61內。調整螺栓63螺合於滑塊62，藉由旋轉調整螺栓63，可驅動滑塊62沿調整螺栓63之軸心方向位移，因此可改變偏心量△S。座體61設有一固定螺栓65，固定螺栓65螺入座體61內且頂抵於滑塊62，以固定滑塊62之位置。可調整之偏心量△S之範圍不限，例如約為±5mm。

請參閱圖4及圖5所示，本發明之振動輔助拋光原理為，利用可調式偏心機構60及線性滑軌機構30，將馬達50之迴轉動作轉換成線性運動軌跡，來驅動工件承載盤20產生振幅及低頻振動，使拋光時工件70與拋光盤10的接觸面產生微小低頻振動，振動方向則是透過導引座32導引，與拋光盤10之徑向同方向振動。在本實施例中，拋光盤10與工件70同為逆時針方向轉動，且工件70振動方向則為徑向之水平振動。詳細來說，當工件70與拋光盤10接觸時，藉由工件70與拋光盤10間之摩擦力，可由拋光盤10驅動工件承載盤20與工件70旋轉。同時，馬達50的動力軸51驅動座體61旋轉且帶動連桿40偏心擺動，由連桿40將動力軸51之動力傳輸至滑軌31，藉由導引座32對滑軌31之限位作用，使滑軌31作平行於第一方向F1之線性移動，並驅動工件承載盤20產生一水平徑向振幅及一低頻振動，且同時使得工件70與拋光盤10之接觸面產生低頻振動。第一方向F1係垂直且通過於拋光盤10之旋轉中心軸11。此外，由於可調式偏心機構60 可調整偏心量△S(顯示於圖3)，就上述偏心量△S約為±5mm而言，可調整水平徑向振動之振幅範圍為±0.1mm~±10mm，而水平徑向振動之頻率亦可依據馬達50之轉速作調整，其範圍為0.1~10Hz。

請參閱圖6~圖9所示有關可調式偏心機構及線性滑軌機構產生低頻振動源之連續動作示意圖，於圖6~圖9中將部分結構簡化，以較簡潔地表示各構件之相對運動關係。

如圖6所示，動力軸51與樞接軸611偏心設置。如圖7所示，當動力軸51轉動時，可調式偏心機構60偏心轉動，且帶動連桿40轉動，連桿40可拉動滑軌31，使滑軌31線性移動。如圖8所示，動力軸51繼續轉動，可進一步將滑軌31外推。如圖9所示，當動力軸51繼續轉動，可將滑軌31拉回，而後可再回到圖6所示狀態，如此周而復始。於上述過程中，動力軸51與導引座32之位置不會改變，而樞接軸611會環繞動力軸51轉動。

藉此，於進行拋光之過程中施加拋光液，拋光液汁懸浮磨粒在上述振動下，配合一定下壓之荷重，對工件表面產生切削與研磨拋光的加工作用。因振動過程中會產生側向衝擊，增加拋光液中磨粒的加工作用，除去或改造工件表面原有的變質層，並使液體中磨粒不斷攪拌與使加工產出物排出。因振波之傳遞效應，會讓原本隨機分佈的磨粒活動性增加，在拋光時將會增加有效磨粒數，因此預期可提升材料移除率。在此振動頻率下，可以視為工件在單位時間之接觸面積增加，根據有效磨粒數增加，因此整體之材料移除率將有效提升。

請參閱圖10所示，本發明經實作樣品並裝置於傳統晶圓拋光設備上加以驗證，以本案裝置進行兩吋藍寶石晶圓之拋光實驗，包含有振動輔助與無振動輔助之實驗比較，加工條件為：選用轉速低於500RPM之馬達，並經可調式偏心機構以產生頻率1~5Hz之振動；加工壓力500g/cm²，拋光盤轉速40rpm，拋光磨粒為3um鑽石磨粒。振動條件為2.5Hz，振幅±5mm。其中，實驗二為實驗一的重複試驗，由實驗結果可知，經由本裝置之振動輔助，可達到快速振動鏡面拋光，晶圓拋光厚度移除率達0.35um/hr以上，提 升50~100%，亦即材料加工效率較傳統製程提升1~2倍以上。驗證確有振動輔助拋光之進步功效。

綜上所述，本發明所提供之振動輔助拋光模組，將旋轉機構(轉速決定振動之頻率)，轉化為一徑向維度之直線振動運動，將此機構件置入拋光平台產生週期性之振動，依控制振動頻率與旋轉平台轉速作最佳化匹配，有別於傳統加工之相對旋轉運動拋光加工或以壓電材料產生超音波振盪的原理，本發明並非單純地以旋轉運動搭配線性運動，本發明將工件(硬脆基板)設置於拋光盤上方，且搭配可產生低頻振動之可調式偏心機構，振動施加於工件上，搭配拋光盤與工件同方向旋轉運動，因此可實現振動輔助拋光(vibration assisted polishing)製程，適用於大面積拋光。其次，本發明所提供之振動輔助拋光模組係以模組化方式設計，因此可簡易附加於傳統拋光設備上，改善傳統設備並提升加工效率，以較低成本提升設備性能。亦即，本發明不僅可解決研磨拋光超硬材料工件時遭遇到的材料移除速率過低問題，提升振動平台的可靠度與量產性，同時兼具了降低加工成本與設計簡單的優勢。

惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧拋光盤

20‧‧‧工件承載盤

30‧‧‧線性滑軌機構

40‧‧‧連桿

50‧‧‧馬達

60‧‧‧可調式偏心機構

70‧‧‧工件

Claims (9)

1. 一種振動輔助拋光模組，其包含：一拋光盤，可旋轉；一工件承載盤，用以承載一工件，該工件設置於該工件承載盤，使該工件的一加工面朝向該拋光盤；一線性滑軌機構，其包括一滑軌、一導引座與一導引桿，該滑軌樞接於該工件承載盤相對於設有該工件之一面，導引座具有一凹槽，且該滑軌嵌設於該凹槽內，該導引桿設置於該導引座上，該導引座可對該滑軌產生限位作用；一連桿，其具有相對之一第一端與一第二端，該連桿由一第一桿體與一第二桿體連接構成，該第一桿體之一端為該第一端，該第二桿體相對於與該第一桿體連接之一端為該第二端，該第一端樞接於該滑軌，該第一桿體與該第二桿體之連接處分別呈對應之一第一階梯狀結構與一第二階梯狀結構，該第一階梯狀結構與該第二階梯狀結構相互搭接；一馬達，其具有一動力軸用以提供動力；以及一可調式偏心機構，其具有一座體，該座體連接於該動力軸，且該座體與該連桿之該第二端以一樞接軸相互樞接，該樞接軸與該動力軸之軸心係偏心設置；由該動力軸驅動該座體旋轉且帶動該連桿偏心擺動，由該連桿將該動力軸之動力傳輸至該滑軌，同時藉由該導引座對該滑軌之限位作用，使該滑軌作平行於一第一方向之線性移動，並驅動該工件承載盤產生一水平徑向振幅及一低頻振動，且同時使得該工件與該拋光盤之接觸面產生該低頻振動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之振動輔助拋光模組，其中該可調式偏心機構包括：一滑塊，設置於該座體內，該動力軸穿設於該滑塊；以及一調整螺栓，螺合於該滑塊，藉由旋轉該調整螺栓，可驅動該滑塊沿該調整螺栓之軸心方向位移，以改變該樞接軸與該動力軸之軸心間之偏心量。
3. 如申請專利範圍第2項所述之振動輔助拋光模組，其中該座體設有一固定螺栓，該固定螺栓螺入該座體內且頂抵於該滑塊，以固定該滑塊之位置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之振動輔助拋光模組，其中當該工件承載盤被驅動與該拋光盤分離時，該第一桿體可與該工件承載盤同步移動且與該第二桿體分離。
5. 如申請專利範圍第1項所述之振動輔助拋光模組，其中該水平徑向振動之振幅為可調整，其範圍為±0.1mm~±10mm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之振動輔助拋光模組，其中該水平徑向振動之頻率為可調整，其範圍為0.1~10Hz。
7. 如申請專利範圍第1項所述之振動輔助拋光模組，其中該第一方向係垂直且通過於該拋光盤之旋轉中心軸。
8. 如申請專利範圍第1項所述之振動輔助拋光模組，其中該工件為晶片基板。
9. 一種振動輔助拋光模組，其包含：一拋光盤，可旋轉；一工件承載盤，用以承載一工件，該工件設置於該工件承載盤，使該工件的一加工面朝向該拋光盤；一線性滑軌機構，其包括一滑軌、一導引座與一導引桿，該滑軌樞接於該工件承載盤相對於設有該工件之一面，導引座具有一凹槽，且該滑軌嵌設於該凹槽內，該導引桿設置於該導引座上，該導引座可對該滑軌產生限位作用；一連桿，其具有相對之一第一端與一第二端，該第一端樞接於該滑軌；一馬達，其具有一動力軸用以提供動力；以及一可調式偏心機構，其具有：一座體，該座體連接於該動力軸，且該座體與該連桿之該第二端以一樞接軸相互樞接，該樞接軸與該動力軸之軸心係偏心設置；一滑塊，設置於該座體內，該動力軸穿設於該滑塊； 以及一調整螺栓，螺合於該滑塊，藉由旋轉該調整螺栓，可驅動該滑塊沿該調整螺栓之軸心方向位移，以改變該樞接軸與該動力軸之軸心間之偏心量；由該動力軸驅動該座體旋轉且帶動該連桿偏心擺動，由該連桿將該動力軸之動力傳輸至該滑軌，同時藉由該導引座對該滑軌之限位作用，使該滑軌作平行於一第一方向之線性移動，並驅動該工件承載盤產生一水平徑向振幅及一低頻振動，且同時使得該工件與該拋光盤之接觸面產生該低頻振動。