（机械设计及理论专业论文）大尺寸硅片真空夹持系统的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着i c 制造技术的飞速发展，其主要衬底材料一单晶硅片的直径不断 增大，使得传统的硅片加工方法面临许多新问题。其中比较突出的问题是硅 片尺寸增大后，其强度变差，容易产生翘曲变形，加工精度不易保证。因而 很有必要开展大尺寸硅片的超精密加工装备和关键技术的研究，硅片的定位 夹持技术就是其中之一。生产实践表明，磨削过程中，硅片的夹持可靠性和 定位精度对硅片加工面型精度和表面质量以及加工效率有重要影响。因此， 研究和设计硅片夹持系统，对我国开发和研究具有自主知识产权的高精度、 高质量和高效率的大尺寸硅片超精密加工装备，具有重要的理论意义和实用 价值。 本文研究了硅片自旋转磨削中的真空夹持技术。通过对硅片夹持系统方 案的分析，选用多孔陶瓷真空吸盘。并在此基础上研制了真空夹持系统。通 过列多孔陶瓷材料性能及其对吸附效果的分析，确定了真空吸盘所使用的多 孔陶瓷材料；完成了分体式多孔陶瓷真空吸盘的结构设计，该吸盘具有结构 简单、制造方便、成本低廉和可重复使用等特点；设计出的真空夹持系统， 可实现硅片磨削时所要求的功能；在真空夹持系统的控制中，通过真空回路 中继电器“互锁”实现了对硅片夹紧的安全保护；研制了夹持力检测装置， 完成了对硅片法向夹持力和切向夹持力的测量，并根据实验结果拟合出了夹 持力计算公式。 试验结果表明，论文所研制的真空夹持系统可以满足硅片超精密磨削中 对夹持系统的要求，可以替代国外同类型产品。 关键词：真空央持：真空吸盘；多孔陶瓷；真空控制系统：硅片磨削 盔墨兰堡苎塞至壅堑墨竺堕业茎 a b s t r a c t w i t hf a s td e v e l o p i n go fi cm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，t h es i z eo fs i l i c o n w a f e ri sb e c o m i n gl a r g e ra n dl a g e rt oi n c r e a s ey i e l do fc h i p s ，w h i l et h et h i c k n e s s o ft h ew a f e ri s r e q u i r e dt o b et h i na s p o s s i b l e b e f o r ep a c k a g i n gt om e e tt h e d e m a n do fi cp a c k a g i n g t h ep r o c e s s i n go fl a g e ra n dt h i n n e rs i l i c o nw a f e r s ， w h i c ha r ev e r yf r a g i l ea n de a s i l yd e f o r m e d ，b r i n g sm a n yp r o b l e m st ot r a d i t i o n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r y t o d e v e l o pn e we q u i p m e n t a n dk e yt e c h n o l o g i e si np r o c e s s i n gl a r g es i z es i l i c o nw a f e r s p o s i t i o n i n ga n d c l a m p i n gt e c h n o l o g yo fs i l i c o nw a f e r si s o n eo ft h e s ek e yt e c h n o l o g i e s ，w h i c h h a ss e r i o u se f f e c t so nt h ea c c u r a c y ，s u r f a c eq u a l i t ya n dt h r o u g h p u to fw a f e r s s o s t u d ya n dd e s i g no fp o s i t i o n i n ga n dc l a m p i n gs y s t e mh a v et h e o r ym e a n i n ga n d p r a c t i c a l v a l u ef o rd e v e l o p m e n to ft h e u l t r a - p r e c i s i o ng r i n d i n g m a c h i n eo f s i l i c o nw a f e r 。 v a c u u mc l a m pt e c h n o l o g i e sa r es t u d i e dt h o u g h t f u l l yo nag r i n d i n gm a c h i n e w h i c hi sb a s e do nw a f e rr o t a t i n g g r i n d i n gm e t h o d s a c c o r d i n g t os c h e m e s a n a l y s i s ，v a c u u m c h u c kw i t h p o r o u s c e r a m i ci ss e l e c t e df o rt h ev a c u u m c l a m p i n gs y s t e m c o n s i d e r i n go fp e r f o r m a n c eo fp o r o u sc e r a m i ca n dc l a m p i n g e f f e c t ，p o r o u sc e r a m i ci sa d o p t e d f o r c l a m p i n gm a n u f a c t u r i n g t h ev a c u u m c h u c ki sd e s i g n e da sd e t a c h a b l es t r u c t u r e ，w i t hc h a r a c t e r so fs i m p l es t r u c t u r e ， e a s ym a n u f a c t u r i n g ，l o wc o s ta n dr e u s a b l e ，e t c t h ev a c u u mc l a m p i n gs y s t e m s a t i s f i e st h er e q u i r e m e n to ft h ew a f e rg r i n d i n g p r o c e s s i n g t w or e l a y sa r el o c k e d e a c ho t h e rt oi n s u r et h e s e c u r i t y o fv a c u u mc l a m p i n gs y s t e m a c c o r d i n gt o m e a s u r e m e n tr e s u l t ，w h i c hh a sb e e nm e a s u r e do nt h e t e s t i n gs y s t e m ，t h e c l a m p i n gf o r c ef o r m u l a i se l i c i t e d t h ev a c u u mc l a m p i n gs y s t e mw o r k sw e l la n dc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f t h ew a f e rg r i n d i n gp r o c e s s i n g ，a n dw i l lt a k ep a c eo f f o r e i g np r o d u c t si nt h en e a r f u t u r e k e yw o r d s ：v a c u u mc l a m p ；v a c u u mc h u c k ；p o r o u sc e r a m i c ； v a c u u m - c o n t r o l l i n gs y s t e m ；w a f e rg r i n d i n g n 人连理工大学硕士学位论文 招一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的选题背景及来源 1 1 1 硅片超精密磨削加工与硅片的定位夹持概述 集成电路( i n t e g r a t ec i r c u i t ，i c ) 是电子信息产业的核心，是推动国民经 济和社会信息化发展最主要的高新技术之一。目前，以半导体集成电路为基 础的电子信息产品的世界贸易额已达到了1 万亿荚元，成为f i ：界第一大产 业，谁控制了超大规模集成电路技术谁就控制了世界产业。世界工业发达的 经济强国都是电子强国，其国民经济总产值增长部分的6 5 与i c 工业相关。 i c 的发展离不开晶体完整高纯度高精度高表面质量的硅晶片，全球 9 0 以上的i c 都要采用硅片。i c 的发展遵循“m o o r e 定律”，即每隔3 年 芯片的集成度翻两番，芯片面积增加1 ，5 倍，特征尺寸缩小1 3 。随着i c 制 造技术的飞速发展，为了提高i c 的集成度，要求硅片的刻线宽度越来越细。 随着i c 集成度的提高，为降低单元制造成本，要求单晶硅片的直径不断增 大。下一代i c 制造采用大直径( 3 0 0 m m ) 硅片( 图1 1 ) 和o ，l “i 2 1 刻线 图1 1 3 0 0 r a m 单晶硅片 f i g1 13 0 0 m ms i l i c o nw a f e r 技术，对硅片面型精度和表面粗糙度等提出更高的要求，需要研究和开发先 进的硅片超精密加工技术与设备。目前，国外直径2 0 0 m m 硅片加工技术已 很成熟，直径3 0 0 m m 硅片的加工技术正在普及。国内硅片制造水平与国外 相比有很大差距，仍以直径1 0 0 1 5 0 r a m 的硅片为主流产品，直径2 0 0 m m 人尺寸硅片真空夹持系统的研究 以上的硅片才开始规模生产，从生产工艺到测试方法，从生产测试设备到清 洗包装等外围支持设备，几乎都要从国外引进，难以独立创新。而大直径( 3 0 0 m m ) 硅片的先进加工技术和设备的引进还要受到发达国家限制。因此， 我们必须依靠自己的力量研究具有自主知识产权的大直径硅片的超精密加 工技术与没备“。 硅片加工是i c 制造系统中重要的基础环节，硅片的加工精度、表面粗 糙度和表面完整性直接影响i c 的线宽和i c 芯片的性能。对直径2 0 0 r n m 的硅片，传统的加工工艺过程为：切片一倒角一研磨一腐蚀一清沈一抛光( 如 图1 2 所示) 。应用传统加工工艺过程进行硅片的批量生产时，存在难以保 图1 2 传统的硅片加工工艺流程 f i g l ，2t r a d i t i o n a lt e c h n i q u e so fw a f e rm a n u f a c t u r i n g 证高精度面型，加工效率低，控制难度很大，不易实现自动化等公认的缺点。 此外，腐蚀和清洗还存在污染环境问题”。”。 随着硅片尺寸的增大以及特征线宽的减小，作为目前硅片超精密平整化 加工的主要手段精密磨削加工面临着新的挑战。下一代i c 使用3 0 0 m m 直径硅片和0 1 i - t m 线宽生产技术，要求硅片的夹持定位精度在3 0 平方毫米 区域内为0 0 5 1 a m 。按照美国微电子技术协会预测的发展构图，到2 0 0 9 年 将开始使用4 5 0 m m 硅片，实现特征线宽o ，0 5 _ t m 的生产技术。一方面，要求 加工出的硅片，达到亚微米级面型精度及纳米和亚纳米级表面粗糙度；另一 方面，需要采用准分子激光和电子束光刻等工艺微细加工硅片，达到亚微米 级刻线宽度。此外，为了提高硅片剥用率，增加芯片产量，还要求在除距硅 片边缘l m m 区域以外的整个硅片表面达到亚微米级面型精度。要达到上述 这些要求，除了精密磨削和化学机械抛光的机床和工具系统等重要环节外， 硅片的夹持系统对保证硅片的加工精度具有至关重要的作用。 1 1 1 1 硅片自旋转磨削原理 1 9 8 8 年s m a t s u i 等人提出了硅片自旋转磨削方法，如图1 3 所示，采 用略大于硅片尺寸的真空吸盘转台，每次装夹个硅片，硅片的中心与转台 查望型三叁堂堡兰三堂些堡苎型二兰堕兰一 的中心重合，杯型砂轮的工作面调整到硅片的中心位置。磨削时，硅片和砂 轮绕各自的轴线回转，砂轮只是相对于硅片进行轴向进给。硅片自旋转磨削 与普通端面磨削相比具有以下优点：1 可以改善硅片面型精度；2 可进行硅 片面型精度的主动控制；3 适应大余量磨削；4 可以实现硅片的延性域磨 削和高效磨削。 图1 3硅片自旋转磨削法原理圈 f i 9 1 3p r i n e i p i u mo fr o t a t i o ng r i n d i n gm e t h o d 在这种磨削方式下，硅片的夹持方法为真空吸附。真空吸盘转台不仅起 带动硅片作回转运动的作用，所加工硅片的面型精度也主要取决于真空吸盘 的定位精度。 1 i i 2 国内的硅片超精密磨削加工技术与装备研究状况 目前，国外直径2 0 0 m m 硅片加工技术已很成熟，直径3 0 0 m m 硅晶片的 加工技术正在普及，并正朝着大直径硅片超精密加工技术和装备方向研究， 而国内硅片制造水平与国外相比有较大差距，仍以直径l o o 15 0 m m 的硅片 为主流产品，直径2 0 0 m m 的硅片才开始规模生产，从生产工艺到测试方法， 从生产测试设备到清洗包装等外围支持设备，几乎都要从国外引进。但在大 直径硅片超精密加工技术的研究上，国内也有不少高平的成果。 图1 4 是大连理工大学精密与非传统加工教育部重点实验室购置的 v g 4 0 l m k l l 型硅片超精密磨床。该磨床可实现对1 0 0 4 0 0 m m 硅片的粗磨 与精磨等工序，工作方式有全自动和半自动方式。磨削时，首先使硅片的中 心与转台的中心重合，金刚石杯型砂轮的工作面调整到硅片的中心位置。这 样，硅片和砂轮绕各自的轴线回转，砂轮主轴向下进给。从而实现硅片的连 续磨削。旋转工作台采用空气轴承，电机采用高性能的伺服电机，可以在0 5 0 0 r p m 之间自由调节：磨头主轴亦采用糟度极高的空气轴承，电机采用高 性能的主轴电机，最高转速可达3 0 0 0 r p m ；同时采用高精密的滚珠丝杠导轨， 叁丛! 壁竺塞至墨堑至竺塑坚塾 一一 并由高精度的伺服电机驱动；冷却液采用高纯去离子水，并要求对温度进行 控制，几乎达到恒温。这种磨床除了可磨削硅片外，还可磨削砷化镓等半导 体材料和其它易碎材料，且加工精度也很高。 图1 4v g 4 0 1 m k i i 型硅片超精密磨床 f i 9 1 4w a f e rg r i n d i n gm a c h i n em o d e lv g 4 0 1 m k i i v g 4 0 1 m k l i 型硅片超精密磨床，采用多孔陶瓷真空吸盘装夹硅片。真 空发生装置使用水环真空泵，真空回路中采用先导式气动控制阀控制真空的 通断。另外，在磨削加工结束后，采用去离子水反冲硅片，保持硅片清洁的 同时，也避免了磨削液流入真空回路。 1 1 2 课题的来源与背景 综上所述，研究先进的硅片制造技术与设备，是工业发达国家为了适应 i c 技术飞速发展而非常重视的一个研究方向，也是我国为实现电子信息产 业高科技技术跨跃式发展的必经之路。 为了实现我国电子信息产业的快速发展，我们必须掌握半导体材料一单晶硅 片的制造工艺。为此，作者所在的课题组承担了国家自然科学基金重大项目 “先进电子制造技术中的重要科学问题”的子课题“超精抛光中的纳米粒子 行为和化学作用及平整化原理与技术”( 项目批准号：5 0 3 9 0 0 6 1 ) 芹t 国家高技 术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“面向下一代i c 的大直径硅片的超精密 磨削技术与装各的研究”( 项目批准号：2 0 0 2 a a 4 2 1 2 3 0 ) 两个项目，本文的选 大连理工人学硕：| ：学位论文 菇一章绪论 题正是来源于这两个研究项目。作为该项目的一个子课题，本文系统地研究 超精密加工设备中的硅片定位夹持系统。 1 2 硅片夹持系统的国内外研究概况及发展趋势 研究硅片制造技术与设备的一个关键就是研究如何进行硅片的高精度 夹持定位系统。单晶硅材料属硬脆材料，采用金刚石锯片切割的硅片毛坯厚 度只有o 5 r a m ，最大翘曲量达到3 7 t x m ，加工过程中大而薄的硅片对夹紧力 较为敏感，受磨削力和温度的影响易产生翘曲变形，其装夹方式及定位精度 对硅片的加工应力和面型精度影响较大，必须特殊考虑。 1 2 1 超精密磨削加工设备中工件夹持系统的发展状况 在超精密磨削设备中，把硅片固定在基准夹具平板上的方法有机械式夹 持、石蜡粘结、静电吸盘和真空吸盘吸附以及用水的表面张力吸附等几种。 机械式夹持方法容易使硅片发生翘曲变形或者损坏硅片的边缘区域，所以这 种方法已经被淘汰了。目前还在使用的是用石蜡粘结和各种真空吸盘及石蜡 粘结等方法。 国外对于硅片磨削夹持系统的研究，已经有很长的时间了，而且也有不 少可实用的成果。下面简单介绍一下硅片磨削夹持方法的发展。 1 ) 机械式夹钳。机械式夹钳采用活动的夹钳，加工时进行固定，结束 后松开。这种夹持方法很容易使硅片发生翘曲变形，损坏硅片的边缘区域， 容易对硅片造成污染。这种方法已经被淘汰。 2 ) 石蜡粘结。使用石蜡粘结是另一种传统的吸附方式。石蜡粘结方法 是一种使用较早的方法。以用黄蜡进行粘结为例，先将硅片放罱在夹具上的 规定位置，先加热，然后将熔化的粘结剂渗入到硅片与夹具之间，并且仅供 给不使硅片浮起的必要量，然后在工件上进行加压，使石蜡将硅片平整的固 定的基板上。为保证硅片粘结的可靠性，需要对粘结剂进行熔化过滤以清除 杂质1 。 使用该方法将硅片吸附在夹持盘上，可以避免使硅片发生翘曲变形这一 缺点。因为在熔化状态下，蜡等材料是比较软的，当蜡的涂层比较厚时，硅 片可以与蜡紧密接触而不发生变形，加工完一面后，将其放在传统的真空吸 盘上，加工另一面即可。如果将石蜡层的厚度做的非常均匀，可达到很高的 精度。使用石蜡进行粘结也有其固有的缺点：加工前石蜡需要加热熔化，加 工后要进行清除，这都降低了加工的效率，对于大规模的硅片加工是不适合 的。而且对于大尺寸硅片来说，很好的控制粘结层厚度的均匀性是很不容易 的，所以其应用范围正逐渐减小。 3 ) 用水的表面张力吸附。利用水的张力进行固定的方法与用石蜡进行 粘结类似，是将硅片放置在夹具的规定位置上，用网状泡沫聚氨酯布粘贴在 大尺寸硅片真空夹持系统的研究 不锈钢基板表面，并利用泡沫聚氨酯表面的水将硅片吸住，如图1 5 所示。 为防止硅片在抛光时脱落和滑动，用多孔挡板和外圆进行导向和定位。在去 离子水中将硅片放置在夹具的规定位置上，使硅片与基板紧密结合，然后将 央具放在干燥器皿中，直至水形成分子膜。再用沥青等油性物质在硅片外围 进行防水处理，然后进行硅片加工。这一过程约需2 4 小时。用熔化的沥青 及石蜡等油性物质隔离在硅片的外周进行防水处理，然后进行抛光加工。对 小尺寸的硅片，夹持精度可达0 1 i t m 。该方法也要在无尘环境下进行。但是 如果抛光液渗入到硅片背面，会导致硅片污染，还可能导致粘结失效，引起 硅片滑动、破碎。这种方法的缺点是效率很低。 _ d i 1 硅片2 - 刚状泡沫聚氨酯布3 不锈钢基板4 多孔挡板 图1 5 用水的张力进行吸附硅片 f i 9 1 5m o u n t i n gw a f e r w i t ht e n s i l ef o r c eo fw a t e r 4 ) 静电吸盘。为满足对硅片的高精度夹持和定位，7 0 年代由w a r d l y “ 首先将静电吸盘使用在硅片的夹持中。因为其存在很多优点，从那时起很多 人投入到静电吸盘的研究中，目前静电吸盘的形式很多，但大致可以分为两 个类型：一种是硅片本身也被通上高电压，被称作“平板电容式静电吸盘”， 另一种不对硅片直接加压，称为“整体电极式静电吸盘”，后者吸力比较小， 但硅片无需通电。静电吸盘主要在化学气相沉积等真空环境下使用，也可以 用于硅片的化学机械抛光加工。最新研究表明，静电吸盘的作用力在吸盘上 的变化是比较平缓的，不会产生应力集中，也不会导致硅片在吸盘表面发生 大的变形。吸盘与硅片的边缘不是直接接触，避免了对硅片边缘的损坏和金 属污染。其最大的优点就在于吸盘与硅片的边缘不是直接接触的，但吸力没 有真空吸盘大。 5 ) 真空吸盘。真空吸盘的类型也有很多，用在硅片超精密磨削中最典 型的是表面是多孔陶瓷的真空吸盘。在精密磨削的加工中，因为要求吸盘切 向夹持力较大，又不是在真空环境下加工，所以一般采用真空吸盘。真空吸 盘就是采用了真空原理。即用真空负压来“吸附”工件以达到夹持工件的目 的。由于磨削加工的切削力相对较小，切削过程也比较平稳。由真空负压产 生的对工件的垂直压力，足以使工件基面与吸盘表面产生的摩擦力远大于切 削力( 吸附面积足够大) ，所以，利用真空负压的方法夹持工件进行平面磨 削加工是可行的。特别是这种夹持工件的方法，不受工件的几何形状和材料 人连理t 人学坝i j 学位论文 的限制。对于像硅片这样大而薄的工件特别适用。 1 2 2 真空吸盘的工作原理简介 为了央持非金属工件，最早在平面磨床上应用了真空吸盘。这种真空吸 盘通过多孔陶瓷内部的小孔将硅片和陶瓷表面之间的空气抽出，实现低压， 利用空气压力将硅片压在吸盘表面，从而达到吸附、固定硅片的目的。 最典型的真空吸盘系统如图1 6 所示“。该系统主要由吸盘、真空罐、 真空泵、电机及控制阀组成。吸盘1 为磁性材料，使用时被吸附于磨床吸盘2 上。将待加工件1 3 码放在吸盘1 工作面上，并覆盖在工作面上的组孔( 将孔 必须全部覆盏，可用其他件帮助覆盖) ，使吸盘形成密封的真空腔。插头1 2 接通电源( 3 8 0 v ) 。打开开关6 ，即可起动电机1 l ，通过皮带传输，带动真 空泵1 0 抽气工作。通过钢管1 5 先将真空罐5 抽成真空，真空罐上的真空计4 的 指针指向0 1 p a 时，则满足使用要求。这时按下开关7 ，单向阀3 开启，真空 罐5 通过软管1 4 与吸盘1 导通，系统继续抽吸盘真空，瞬间吸盘1 便处于工作 状态，工件1 3 被牢牢地吸附于吸盘的工作面上，这时便可启动机床进行加工 了。在加工期间系统不关闭，以保证安全、可靠的加工。单向阀8 装在真空 泵上，用以保护真空泵。当系统工作时，单向阀8 处于开启状态，泵与系统 导通并抽系统真空。当泵停止工作时，由于系统仍处于真空状态，将使泵中 的油被“反抽”而损坏真空泵，这时，单向阀8 随着电机停止工作而自动关 闭，并与大气相通，平衡泵中的压力，起到了保护真空泵的作用。当加工结 束需取换工件时，关闭开关7 ，单向阀3 关闭，切断了吸盘与系统的通路，同 时与大气相通，工件立即处于自由状态，便可顺利地取换工件。 l 一吸盘2 - 平面磨床3 - 单向阈4 真空计5 - 真空罐6 - 开关7 - 开关8 - 单向阔 9 叫、车1 0 - 真空泵1 l 一电机1 2 插头1 3 工件1 4 软管15 - 钢管 图1 6 真空吸盘系统原理图 f i g 1 6 p r i n c i p i u mo fv a c u u mc h u c ks y s t e m 大尺寸硅片真空夹持系统的研究 一般认为真空泵于吸盘直接连接，并不停的抽真空，这样就可以保证工 件的吸附和夹持了，为何在吸盘与真空泵中间又设置一个真空罐呢? 这完全 处于安全的考虑。因为在加工过程中，设备难免会出现各种故障，特别是电 机的故障。如果一旦电机因各种原因而停止工作。工件会立即失去束缚处于 自由状态，而机床砂轮仍在工作，这种情况是十分危险的。所以在设计这种 系统时必须要有一个前置机构一真空罐。这样，当真空泵突然不能正常工 作时，由于真空罐仍然保持着负压，使工件仍可靠的被吸附在吸盘上，从而 保证了加工的f 常进行。 1 2 3 采用真空吸盘夹持方式的发展概况及趋势 真空吸盘最初是为了夹持非金属工件而设计的。最早在平面磨床上应用 了真空吸盘。这种真空吸盘的中间部分是多孔陶瓷，在多孔陶瓷的边缘是密 封环。这种真空吸盘通过多孔陶瓷内部的小孔将硅片和陶瓷表面之间的空气 抽出，实现低压，利用空气压力将硅片压在吸盘表面，从而达到吸附、固定 硅片的目的。在加工结束后，从多孔陶瓷的孔内会流出去离子水，防止硅片 粘在陶瓷上，同时对陶瓷吸盘进行了清洗，清洗结束后，将吸盘烘干，再进 行下一片硅片的夹持。在精密磨削中普遍使用这种真空吸盘。 虽然真空吸盘在目前被广泛地使用，但这并不能掩盖其缺点。传统的真 空吸盘有着这样一个缺点：切好的硅片表面呈波纹状，当被吸附在真空吸盘 的陶瓷表面时，硅片会发生局部变形，加工结束后，硅片会发生弹性恢复， 造成硅片的表面平整度下降。加工中的一些微小颗粒也可能粘在硅片与吸盘 之间，产生局部变形，造成该处材料去除过多。 针对真空吸盘复制硅片加工之前的形貌这种情况，许多公司对传统的真 空吸盘进行了各种改进。如a p p l i e dm a t e r i a l s 公司就在吸盘和硅片之间加装 了橡胶垫，上面均匀分布了很多贯穿了的小孔，孔径为l m m ，在吸盘吸力 的作用下，硅片可以既不会相对吸盘发生移动，又不会发生变形，因为橡胶 垫的硬度比陶瓷吸盘小很多，与硅片接触的部分会发生弹性形变，相当于一 部分硅片嵌入其中。这样就克服了普通真空吸盘和使用石蜡粘结的缺点，提 高了加工的效率。 日本的u n e 和k u n y o o 1 ”提出了一种新型的真空吸盘，真空吸盘表面 不用多孔陶瓷而是用均匀分布的圆柱，称之为圆柱销式吸盘。通过这种方法 几乎可以使硅片表面达到完全平坦，因为硅片只与短的圆柱端面相接触，所 以灰尘的影响显著减小，非常光滑的表面也可以减少灰尘的粘附，实验证明， 新的真空吸盘其平整化效果比传统的吸盘高几倍，这样高的平整能力来自于 其巨大的吸附面积。通过有限元分析计算得知，该吸盘可以将一片翘曲达 3 6 0 i _ t m 的硅片纠正过来。在密封环上也有圆柱销，加强了边缘平整效果。这 种吸盘不但适用于超精密磨削，同时也适用于化学机械抛光。 b e n d f e l d t 和s c h u l z ”研究了带有沟槽的真空吸盘的技术。这种吸盘在 4 英寸的面积上其吸力可达5 0 n ，其中沟槽的面积占总面积的5 ，如果扩 大连理工人学坝士学位论文 第一章绪论 大吸附面积的比例，最大可获得1 4 0 n 的吸力，表明了吸附面积与吸力之间 存在的关系。经过试验，沟楷最宽可以达到0 7m n l ，不会导致硅片有大的变 形。通过对加工结束后，硅片表面形态的分析，沟槽对硅片的影响比多孔陶 瓷形式的吸盘要大一些。 另外，s t r a s b a u g h 公司研制的真空吸盘颇值的一提。该吸盘可以分区进 行真空吸附( 图1 7 ) ，所以可用于加工不同尺寸的硅片。当装夹小直径的硅 片时，只对内圈区域抽真空即可，当加工大尺寸的硅片时，两个区域同时抽 真空。 图1 7s t r a s b a u g h 公司的分区域吸附真空吸盘 f i 9 1 7d i v i s i o nv a c u u mc h u c kf r o ms t r a s b a u g hc o m p a n y 以上是国外真空吸盘发展过程的一个简要概况。而在国内，到目前为止， 还未曾见到过国内报道过有关大尺寸硅片加工的超精密磨床的研究情况。对 基于多孔陶瓷真空吸盘的研究，也未曾见诸报道。对真空吸盘的使用，也是 仅仅用在一些无法用传统方法夹持的特殊工件上。真空吸盘也都是金属制 成。而且真空吸盘上的小孔也是肉眼可见的机加工的“大孔”。没有用多孔 陶瓷制作成吸盘的。多孔陶瓷材料，大部分用作了过滤介质。 因而，我们研究多孔陶瓷真空吸盘已经是当务之急了。目前，真空吸盘 总的发展趋势是：提高真空吸盘平整度，减少其他因素对吸盘的影响。我们 的研究将按符合这一发展趋势的方向进行。 1 3 课题研究的意义和本文的主要工作 1 3 1 课题研究的意义 精密磨削与化学机械抛光是目前公认效果较好的硅片平整加工方法，随 着硅片尺寸的增大以及特征线宽的减小，作为目前硅片超精密平整化加工的 主要手段精密磨削加工面临着新的挑战。下一代i c 使用3 0 0 r a m 直径硅 大尺寸硅片真窄夹持系统的研究 片和o ，1 u m 线宽生产技术，要求硅片的夹持定位精度在3 0 平方毫米区域内 为o 0 5 u m 。按照美国微电子技术协会预测的发展构图，到2 0 0 9 年将开始 使用4 5 0 r a m 硅j ，实现特征线宽0 0 5 “m 的生产技术。一方面，要求加工出 的硅片，达到亚微米级面型精度及纳米和亚纳米级表面粗糙度；另一方面， 需要采用准分子激光和电子束光刻等工艺微细加工硅片，达到亚微米级刻线 宽度。此外，为了提高硅片利用率，增加芯片产量，还要求在除距硅片边缘 1 m m 区域以外的整个硅片表面达到亚微米级面型精度。要达到上述这些要 求，除了精密磨削和化学机械抛光的机床和工具系统等重要环节外，硅片的 夹持系统对保证硅片的加工精度具有至关重要的作用。 对于硅片的高效超精密加工先进工艺及设备，除了超精密磨床本身的精 度和刚性等环节外，硅片的夹持系统对保证硅片的加工精度也具有至关重要 的作用。众所周知，硅片夹持系统的作用不仅包括在加工中带动硅片运动， 还要保证硅片在加工载荷的作用下不会发生明显的翘曲变形。硅片尺寸增大 后，硅片强度变差、容易产生翘曲变形、加工精度不易保证等技术问题比较 突出，硅片的定位夹持精度已成为影响硅片加工质量和效率的重要因素。因 此，研究先进实用的硅片夹持系统对保证加工精度有重要的意义。 但是，现有的硅片夹持技术无论从夹持定位精度，还是自动化程度上均 不能满足要求。特别是随着硅片尺寸的增大，对硅片面型精度和表面粗糙度 的要求的提高，使得对硅片的夹持系统的要求也进步提高了。这一要求包 括提高夹持系统的表面平整度、增大吸附力等。另一方面，传统的硅片夹持 方法，如使用石蜡粘结、用水的表面张力进行吸附和静电吸盘等方法，在硅 片尺寸增大后，将面临硅片强度变差、容易产生翘曲变形、加工精度不易保 证等技术难题。这些原因使得传统的夹持方法已不能适应大尺寸硅片的加工 或使生产难度增大。因此，必须针对加工过程中的问题研究大尺寸硅片的高 精度夹持技术。 硅片的磨削加工技术作为集成电路制造业的核心技术之一，国外的相关 技术和设备发展很快，很多技术非常成熟。为了缩小与国乡卜差距，立足于国 内研究开发拥有自主产权的硅片加工技术和设备必将具有重要的推广价值。 近年来，在我国硅片生产线的建设和投产过程中，对硅片高效超精密加 工技术和设备有很大需求市场。随着硅片尺寸的不断加大，现有硅片生产线 还将面l 临技术和设备更新换代问题，大直径硅片的加工技术和设备还具有巨 大的潜在需求市场。本课题所研究的大尺寸硅晶片磨削加工中的夹持技术， 正是大尺寸硅片超精密平整加工的核心技术之一。 本课题研究了陶瓷的特性与制造，真空系统的设计与制造以及整个系统 的控制技术。研究的内容不仅与机械制造学有关，而且还涉及到材料学、物 理学、力学、控制学等学科，因而本课题具有重要的理论意义和应用价值。 1 3 2 本文的主要研究内容 本文将研究的是基于硅片自旋转磨削原理的大尺寸硅片夹持技术。主要 人连理工大学坝卜学位论文 第一章绪论 将完成以下几个方面的工作： 1 ) 真空夹持系统的方案分析。包括对真空吸盘形式和真空回路方案的 分析，并确定最终选用的形式。 2 ) 分析多孔陶瓷材料。研究可用于制作真空吸盘的多孔陶瓷的性能参 数及其制备工艺，进一步研究多孔陶瓷性能与真空吸盘吸附作用的关系。 3 ) 设计真空吸盘的结构。该吸盘除了使用陶瓷材料外，还将使用金属。 与国外同类型产品相比，该吸盘将具有制造工艺简单、成本低廉、可重复使 用等优点。 4 ) 设计整个真空回路。包括系统真空度的确定、真空器件的选择及其 在整个回路中的排放位置；并在此基础上搭建硅片超精密磨削试验台，完成 整个真空夹持系统的安装与调试。 5 ) 设计真空夹持系统的控制部分。包括软件控制中的计算机流程设计 和硬件控制中的电气部分。控制的内容有真空回路中参数的监测和电磁阀的 动作，以及保证系统安全运行的保护措施等。在磨削试验台上完成电气部分 的接线。 6 ) 在超精密磨削试验台上进行真空系统夹持力的实验分析。包括设计 测量法向夹持力( 面吸附力) 和切向夹持力( 滑动抗力) 的方案，测力装置 的设计与制造，测力实验及实验数据的处理等。 查垦! 壁苎：塞室壅堑至竺堕型塞 一一 第二章真空夹持系统方案分析 真空夹持系统的方案分析包括对真空吸盘的方案的分析和对真空回路 方案的分析。根据大尺寸硅片真空夹持方式的特殊要求，分别进行了真空吸 盘和真空回路两方面的方案分析。 2 1 真空吸盘方案分析 用真空吸盘来夹持硅片，不能使用金属吸盘。其原因有二：一是硅片与 金属的直接接触会造成硅片的重金属污染；二是金属的强度不高，容易产生 变形，这种变形将会使硅片的面型精度严重下降。所以我们首先确定使用陶 瓷材料来做真空吸盘。 2 1 i 三种可供选择的真空吸盘方案 夹持硅片的真空吸盘，目前国际上使用较广的大致有三种：多孔陶瓷真 空吸盘、圆柱销式真空吸盘和沟槽式真空吸盘。 1 ) 多7 l 陶瓷真空吸盘( 图2 1 中a 所示) 。这种真空吸盘是靠多孔陶瓷 的微孔来传递真空，同时利用陶瓷强度高不易变形的优点，来保证对硅片的 吸附和面型精度。与金属吸盘相比，它是最适合用于夹持硅片的吸盘。但由 于多孔陶瓷气孔率不能太大( 否则会影响陶瓷强度) ，它的吸附面积有限； 另外，用这种吸盘加工后的硅片，面型精度很大程度上取决于吸盘表面的平 攮度，因而需要对吸盘表面进行高精度的磨肖0 。 图2 1 三种真空吸盘 f i 9 2 iv a c u u mc h u c k 2 ) 圆柱销式真空吸盘。圆柱销式真空吸盘( 图2 1 中b 所示) 表面不再采 用多孔陶瓷而是使用很多均匀分布的a 1 2 0 3 陶瓷圆柱销，每个小圆柱销的直 径为0 2 r a m ，高度同样为0 2 m m ，以多点接触方式支撑硅片。与普通多孔陶 大连理工大学f o i - l ：学位论文 第二章真空夹持系统方案分析 瓷真空吸盘相比，它具有如下优点：1 吸附面积大，吸附力更强；2 由于圆 柱销是均匀分布的，所以整个盘面，包括密封环，可以研麽到相当高的平整 度，定位夹持精度很高；3 减少了灰尘的粘附，使灰尘的影响降低为零。它 的主要缺点有：当翘曲超过4 0 0 扯m 以后，将无法保证所有的圆柱都与硅片 相接触和吸盘的加工难度相当高。 3 ) 沟槽式真空吸盘。沟槽式真空吸盘( 图2 1 中c 所示) 是在多孔陶瓷真 空吸盘上开一些环形的沟槽，以增大吸附面积。沟槽最宽可以达到0 7m m 也不会导致硅片有大的变形。但对硅片面型精度的影响要比多孔陶瓷形式的 大一些。同样这种吸盘也存在加工困难的问题。 2 1 2 多孔陶瓷真空吸盘方案的确定 比较上述三种方案的优缺点，从加工的难易程度上来看，圆柱销式真空 吸盘是最难加工，其次是沟槽式真空吸盘，而多孔陶瓷真空吸盘则相对容易 一些。作者在到多家陶瓷生产厂家调研发现，国内对陶瓷的机加工水平很低， 根本不能保证很高的加工精度；而陶瓷在烧结之后又会发生很大的变形，所 以也不可能直接烧结而成。结合国内的生产能力，我们认为选择多孔陶瓷真 空吸盘在目前这种条件下是最优的。 图2 2多孔陶瓷真空吸盘结构示意图 传统多孔陶瓷真空吸盘采用的是多孔陶瓷板嵌入密实陶瓷( 通常是纯度 很高的a 1 2 0 3 陶瓷) 之内的结构( 如图2 1 中a 所示) ，用来把吸盘固定在回 转工作台上的孔都是在陶瓷上加工的。由于国内目前陶瓷加工水平的限制， 这里我们不采用这种结构。而是用如图2 2 所示的结构。在这种结构中，在 多孔陶瓷板之外做一圈a 1 2 0 3 陶瓷作为密封环，然后把两者作为个整体嵌 入金属基盘。这样，与回转工作台连接的孔加工在金属基盘上，大大降低加 工难度，从而降低吸盘的成本，使量产成为可能。而陶瓷密封环的加入，保 证了硅片边缘的夹持要求，同时也避免了硅片的重金属污染问题。 大尺寸硅片真空夹持系统的研究 2 2 真空回路方案分析 真空吸盘只是整个真空夹持系统中的执行元件，真空夹持系统还包括从 真空的产生到真空的传递等一整套元器件，以及为了释放硅片方便而使用的 正压气动元器件。这些元器件共同构成整个真空回路。对真空回路的设计， 我们也是分析了若干方案后择优选用的。 2 2 1 真空发生装最的选择 真空发生装置有真空泵和真空发生器两种。真空泵是吸入口形成负压， 排气口直接通大气，两端压力比很大的抽除气体的机械。真空发生器是利用 压缩空气的流动而形成一定真空度的气动元件。真空泵的吸入流量很大，同 时也能达到很高的真空度，它不象真空发生器那样简单灵便且价格便宜。但 真空发生器的流量和真空度都不能达到很大，且不适宜长时间的连续工作。 在磨削硅片时，对硅片的夹持要求真空发生源要稳定安全，所以真空发 生器不适于在这种场合下使用。在诸如传输硅片等其它环节上采用真空发生 器来夹持硅片，因为其结构简单，操作方便而显得非常适用。 真空泵主要有往复式真空泵、水环真空泵、油封式旋转真空泵、罗茨真 空泵和分子泵等。往复式真空泵又称活塞式真空泵，它是利用电机带动曲柄 连杆机构，通过活塞的往复运动来获得真空的。其可达到的极限真空为 3 0 0 p a 。水环真空泵的工作原理是水环工作轮在泵体内偏心旋转时形成水环， 水环和工作轮构成月牙形空间。一边的半个月牙形容积由小变大，形成吸气 室；另一边的半月牙形容积由大变小，相当于排气室。转子不停地转动，带 动空气由进气室吸入而从排气室排出，以产生真空。水环真空泵的主要特点 是：结构简单，制造容易，工作可靠，而且还可以抽取含有水或其它混合物 的气体。其极限真空可达2 0 0 0 p a ，属于低真空范围。水环真空泵主要用于 粗真空、抽气量大的工艺过程中。油封式旋转真空泵有定片式、旋片式和滑 阀式三种。它们的工作原理都是利用工作轮在泵体内偏心旋转产生真空，与 水环真空泵不同的是它们使用油来密封而不是用水，所以可达到较高的真空 度( 0 ，1 p a 左右) ，属于中真空范围。这种真空泵结构简单，使用寿命长，检 修也较容易，因而在实际生产中得到了广泛的应用。罗茨泵与分子泵都是能 获得能高真空的真空泵，这里不再赘述。 2 2 2 真空回路整体方案的比较与确定 综上所述，就硅片超精密磨削来讲，水环真空泵无疑是最好的真空发生 源。但对于我们设计的硅片磨削试验台来讲，使用水环真空泵还是存在一些 问题的。这里，我们分别设计种使用水环真空泵的方案和一种不使用水环 真空泵的方案，下面就两种设计方案进行比较。 大连理丁大学硕二卜学位论文 第二章真牢央持系统方案分析 图2 3 为采用水环真空泵，在硅片反冲回路中使用纯水的方案。大连理 工大学精密与非传统加工教育部重点实验室的v g 4 0 1 m k i i 磨床的真空回路 就是采用这一方式。这一方案的优点在于，用纯水反冲硅片，还可以起到清 洁工作台的作用，磨削液或磨削产生的微粒都不会进入真空系统。在这种方 案中，除了要使用水环真空泵外，还需要一套制造纯水的设备。而且，在回 转工作台的设计中，还需要考虑工作台中残留水分生锈的问题，因而工作台 中的轴等部件需用不锈钢来加工，进一步增加了加工的难度和成本。 图2 3 真空回路设计方案一 f i 9 2 3o n eo f t h es c h e m e so f v a c u u mc i r c u i t 图2 4 真空回路设计方案二 f i 9 2 4a n o t h e rs c h e m eo fv a c u u mc i r c u i t 大尺寸硅片真空夹持系统的研究 另一种方案是使用普通旋片式真空泵，在反冲回路中用压缩空气反吹硅 片的方案( 图2 4 ) 。这个方案除了保持旋片式真空泵结构简单，使用寿命长， 检修容易的优点外，也不需要纯水的净化设备，大大节约了使用的费用。压 缩空气来源方便，成本低廉，压力的大小可以很容易地调节，使得硅片在不 同的加工条件下都可以适当地被顶起。在这种方案里，工作台的主轴不需要 考虑生锈的问题，使用4 5 号钢加工方便成本也低。与上一方案比较，最为 突出的是它的加工性好，成本大大下降。最终，我们的真空夹持系统选用这 种方案。 大连理丁大学硕 ：学位论文 第三章真窄吸盘的研究及设计 第三章真空吸盘的研究及设计 经过对多种方案的分析和论证，本课题决定采用基于多孔陶瓷的真空吸 盘。本章将分别介绍用于真空吸盘的多孔陶瓷特性和真空吸盘的结构设计。 3 1 1 多孔陶瓷材料概述 3 1 多孔陶瓷材料的特性 多孔陶瓷是一种经高温烧成，体内具有大量彼此相通或闭合气孔的陶瓷 材料。多孔陶瓷种类繁多，一般根据孔径大小可分为三类：微孔陶瓷( 孔径 o 0 0 2 “m ) ：介孔陶瓷( 0 0 0 2 肛m 孔径 o 0 5 p , m ) 。 其中介孔陶瓷因为渗透性和选择透过性都较好而受到广泛重视。多孔陶瓷有 一些共同的特性：1 、化学稳定性好，通过材质的选择和工艺控制，可制成 适用于各种腐蚀环境的多孔陶瓷。2 、具有良好的机械强度和刚度，在气压、 液压或其他应力负载下，孔道形状与尺寸不会发生变化。3 、耐热性好，用 耐高温陶瓷制成的多孔陶瓷可过滤熔融钢水或高温燃气。4 、孔道分布均匀， 在孔径为o 0 5 6 0 0 “m 范围内可以制出所选定孔道尺