晶圆磨床磨削力在线测量系统的研究与设计

摘要

随着半导体晶圆直径的增大和芯片厚度的减薄，对晶圆表面加工质量和加工效率提出了更高的要求。在晶圆磨削过程中，磨削力直接影响晶圆磨削表面质量和加工效率，对其进行监测和控制是实现晶圆高效低损伤加工的重要途径。开发晶圆磨床磨削力测量系统可以充分发挥磨床性能，提高磨削过程的可靠性，为实现控制力磨削奠定基础。现有的晶圆磨床绝大多数并不具备磨削力在线测量系统，因此进行相关的研究开发非常必要。 本文在分析晶圆自旋转磨削原理的基础上，提出了对三向磨削力进行全面监测的方案，确定了磨削力的分解方法和测量方法。通过曲线积分计算了磨削力各分力的大小、方向、作用点和力矩，建立了磨削力的传递模型，为磨削力的预测提供了参考。根据磨削力分力方向建立了测力平台坐标系，并分析了在“双主轴三工位”晶圆磨床上实现磨削力连续监测的必要条件。根据设计测力量程，计算了压电测力平台装配所需的最小预紧力。 分析了压电测试系统的组成和测量原理，选择了合理的压电晶组和测试线路，设计了晶圆磨床在线测量动态磨削力的测力平台。为了确保磨床加工系统整体刚度和测力仪性能，对测力平台的轴向刚度和最大工作载荷下的轴向变形进行了静力学分析，对测力平台的固有频率进行了相关模态分析，并根据分析结果对测力平台结构尺寸进行了优化。结合晶圆磨床实际情况，提出了三向压电测力平台的静态标定和动态标定的方法。 讨论了磨削力对材料去除率和晶圆磨削质量影响，通过试验分析了工艺参数对磨削力影响，在此基础上，提出了晶圆磨床控制力磨削系统的组成和控制力磨削工艺方案，是对实现晶圆高效低损伤加工途径的有益探索。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1论文的选题背景及来源

1.2国内外研究现状

1.2.1磨削力测量系统研究现状

1.2.2晶圆磨床磨削力测量系统的研究现状

1.3课题的意义及主要研究内容

1.3.1课题的意义

1.3.2本文的主要研究内容

2压电测试系统

2.1压电测试系统组成

2.2石英晶体的压电机理

2.2.1压电效应

2.2.2石英晶体的压电机理及压电效应表达式

2.2.3组合晶组的构成

2.3压电传感器的等效电路

2.4压电式传感器的信号变换电路

2.4.1变换电路的必要性

2.4.2电荷放大器

2.5测力平台的测试线路

2.6测量原理

2.7信号处理与显示装置选型

2.8本章小结

3磨削测力平台设计

3.1功能需求分析

3.2方案设计

3.2.1传感器的选择

3.2.2三向力测量方案

3.2.3测力平台的安装位置选择

3.3测力平台结构设计

3.3.1测力仪的设计要求

3.3.2结构设计

3.3.3测力平台在磨床上的装配

3.4力的传递模型

3.4.1测力平台中传感器的受力分析

3.4.2旋转工作台受力分析

3.4.3测力平台坐标系的建立

3.4.4实现对磨削力连续监测的必要条件

3.4.5测力平台预紧力的计算

3.5结构优化设计

3.5.1测力平台刚度和变形分析

3.5.2数值模态分析

3.5.3结构尺寸确定

3.6本章小结

4测力平台标定及在线测量软件

4.1测力平台标定

4.1.1静态标定

4.1.2动态标定

4.2在线测量软件

4.3本章小结

5控制力磨削

5.1磨削力对材料去除率影响

5.2磨削力对晶圆表面质量影响

5.3工艺参数对磨削力的影响

5.4控制力磨削

5.5消空程与防碰撞控制

5.6本章小结

总结与展望

工作总结

工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢