專利名稱：：用于硅片超精密磨床的壓電式磨削力測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一種用于硅片超精密磨床的壓電式磨削力測量裝置屬于傳感測控
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及硅片超精密磨削過程中磨削力的檢測。
背景技術(shù)：
：集成電路(IC)的發(fā)展離不開基礎(chǔ)材料硅片，全球90%以上的IC都要采用硅片。IC制造過程中，特別是硅片制備和芯片封裝階段，主要應(yīng)用硅片的超精密加工工藝(包括超精密磨削、研磨和拋光)進(jìn)行硅片的超精密平整化加工和背面減薄加工。隨著IC制造技術(shù)的飛速發(fā)展，IC芯片不斷向高集成化、高密度化及高性能化方向發(fā)展，對(duì)硅片的加工精度和表面質(zhì)量提出了很高的要求，要求獲得亞微米級(jí)面形精度、亞納米級(jí)表面粗糙度和無損傷的硅片表面。同時(shí)，為了增加芯片產(chǎn)量和降低芯片制造成本，硅片趨向大直徑化，硅片的厚度也相應(yīng)增大以保證硅片的強(qiáng)度；另一方面，為了滿足先進(jìn)IC封裝技術(shù)的要求，芯片的厚度卻不斷減小，封裝前的硅片趨于超薄化。硅片直徑和厚度的增大以及芯片厚度的減小，使硅片加工的材料去除量增大，要求提高硅片加工效率；而為了保證超薄芯片的強(qiáng)度，要求硅片背面減薄后達(dá)到超光滑無損傷的表面。因此，傳統(tǒng)的應(yīng)用研磨工藝的小尺寸硅片超精密加工工藝已不再適用，實(shí)現(xiàn)高效率高精度高質(zhì)量的加工成為硅片超精密加工技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)。超精密磨削工藝與研磨工藝相比具有加工效率高，成本低，可以獲得高的面形精度和表面質(zhì)量，容易實(shí)現(xiàn)加工過程在線檢測和控制以及加工過程的自動(dòng)化等公認(rèn)的優(yōu)點(diǎn)，不僅可用于大尺寸硅片超光滑表面的平整化加工，而且可用于IC封裝前的硅片背面減薄。因此，超精密磨削技術(shù)已成為ic制造中大直徑硅片的先進(jìn)超精密加工技術(shù)。超精密磨削硅片的加工過程中，磨削力一方面直接反映了磨削振動(dòng)和砂輪磨損等磨削狀態(tài)；另一方面，磨削力不僅會(huì)引起機(jī)床的變形，影響硅片加工精度，而且會(huì)導(dǎo)致硅片磨削表面損傷，對(duì)硅片加工表面質(zhì)量有很大的影響。特別在硅片背面磨削減薄加工中，由于加工硅片厚度越來越薄，磨削力的變化，極易引起硅片破碎。因而，在磨削硅片過程中在線檢測磨削力動(dòng)態(tài)信號(hào)，對(duì)磨床動(dòng)態(tài)特性和砂輪磨削性能進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)磨削力對(duì)砂輪進(jìn)給速度等工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)控制力磨削，使磨削過程處于最佳狀態(tài)，對(duì)于提高硅片加工精度和表面質(zhì)量，保證硅片加工成品率非常必要。目前，國內(nèi)外硅片超精密磨床沒有直接檢測磨削力的在線動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)，少數(shù)磨床主要采用檢測砂輪主軸電機(jī)電流值的方法來間接檢測磨削力。由于在磨削過程中，影響主軸電機(jī)電流大小的因素很多，這種間接檢測方法很難準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地監(jiān)測硅片加工的磨削力，此外，這種間接檢測方法無法精確確定磨削力在砂輪徑向和軸向三個(gè)方向上的分力Fx、Fy禾口Fz。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)硅片超精密磨削過程中磨削力的檢測要求，結(jié)合研制開發(fā)的硅片超精3密磨床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及磨削加工中砂輪與硅片相互作用力的分布特點(diǎn)，利用石英晶體的壓電效應(yīng)，發(fā)明了一種壓電式磨削力測量裝置。該壓電式磨削力測量裝置采用4個(gè)三向壓電石英力傳感器，組裝成整體結(jié)構(gòu)，具有靈敏度高、線性度和重復(fù)性好、向間干擾小、測量精度高的特點(diǎn)，可方便安裝于硅片超精密磨床，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片磨削過程中三向磨削力的動(dòng)態(tài)檢測。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種用于硅片超精密磨床的壓電式磨削力測量裝置采用了壓電石英力傳感器，測量裝置由底座1、4個(gè)壓電石英力傳感器2、上蓋3、連接螺釘4、轉(zhuǎn)接板5、梯形套筒6、螺母7、雙頭螺柱8、法蘭盤固定螺釘9以及法蘭盤10組成；底座1為一圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，底座1的上表面上安裝4個(gè)壓電石英力傳感器2，4個(gè)壓電石英力傳感器2呈正方形均勻分布，連接螺釘4將底座1、上蓋3以及壓電石英力傳感器2剛性連接在一起，構(gòu)成測力儀組件，在底座1的上表面上有4個(gè)均勻分布的螺紋孔a和4個(gè)均勻分布的通孔b，螺紋孔a以0。線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別為45。、135°、225°、315°，通孔b以0。線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別為O。、90°、180°、270°;上蓋3為一圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，上蓋3的上表面上有4個(gè)均勻分布的階梯孔c、3個(gè)均勻分布的通孔d和以通孔d為中心的12個(gè)均勻分布的螺紋孔e，法蘭盤固定螺釘9通過螺紋孔e將法蘭盤10固定在上蓋3上；3個(gè)梯形套筒6分別通過3個(gè)螺母7均勻固定在轉(zhuǎn)接板5上，3個(gè)梯形套筒6以0°線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別為60。、180°、300°;3個(gè)法蘭盤10分別通過4個(gè)法蘭盤固定螺釘9均勻固定在上蓋3上，3個(gè)法蘭盤10以0°線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別為60。、180°、300°;3個(gè)雙頭螺柱8分別各將1個(gè)梯形套筒6和1個(gè)法蘭盤10連接在一起。如權(quán)利要求1所述的一種用于硅片超精密磨床的壓電式磨削力測量裝置，壓電石英力傳感器2由2對(duì)yx型單元晶組0l、o2、l對(duì)xy型單元晶組o'、2片測量徑向力的電極W、U2、l片測量軸向力的電極v、徑向力負(fù)信號(hào)引出線PpP2、軸向力負(fù)信號(hào)引出線q、4片接地電極r和接地導(dǎo)線s組成；3對(duì)單元晶組安裝順序?yàn)?對(duì)測量徑向力Fx的yx型單元晶組0l，1對(duì)測量軸向力Fz的xy型單元晶組o'，1對(duì)測量徑向力Fy的yx型單元晶組o2，每對(duì)單元晶組將兩片石英晶片對(duì)裝，即在電路上為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，信號(hào)分別通過夾在兩片石英晶片間的電極W、i^、v引出；四片接地電極r通過接地導(dǎo)線s連接到一起后接地。本發(fā)明的顯著效果是該壓電式磨削力測量裝置具有剛度高、線性好、靈敏度高、遲滯小、固有頻率高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于各種動(dòng)態(tài)力的測量。將該測量裝置應(yīng)用于硅片超精密磨床，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地檢測硅片磨削過程中三個(gè)方向磨削力的變化，實(shí)現(xiàn)磨削過程的監(jiān)控，提高加工過程的可靠性和生產(chǎn)效率。圖1為測量裝置裝配圖的剖視圖，圖2為測量裝置裝配圖的A-A俯視圖，圖3為測量裝置上蓋的剖視圖，圖4為壓電石英力傳感器的三維圖。其中1-底座，2-壓電石英力傳感器，3-上蓋，4-連接螺釘，5-轉(zhuǎn)接板，6-梯形套筒，7_螺母，8_雙頭螺柱，9-法蘭盤固定螺釘，10-法蘭盤；a-固定壓電石英力傳感器的螺紋孔，b-固定底座的通孔，c-連接底座1和上蓋3的階梯孔，d-通孔，e-固定法蘭的螺紋孔，or測量徑向力Fx的yx型單元晶組，o2_測量徑向力Fy的yx型單元晶組，o'_測量軸向力Fz的xy型單元晶組，p「徑向力Fx負(fù)信號(hào)引出線，^_徑向力Fy負(fù)信號(hào)引出線，q-軸向力Fz負(fù)信號(hào)引出線，u「測量徑向力Fx時(shí)的電極，112_測量徑向力Fy時(shí)的電極，v_測量軸向力Fz時(shí)的電極，r-接地電極，s-接地導(dǎo)線。具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式，如附圖l-4所示，用連接螺釘4將底座1、上蓋3以及壓電石英力傳感器2剛性連接在一起，用法蘭盤固定螺釘9通過螺紋孔e將法蘭盤10固定在上蓋3上，每個(gè)梯形套筒6分別通過1個(gè)雙頭螺柱8和1個(gè)法蘭盤10連接在一起。然后，用螺母7將3個(gè)梯形套筒6均勻固定在轉(zhuǎn)接板5上。最后，將測量裝置通過通孔b固定在超精密磨床上。裝配時(shí)，使4個(gè)壓電石英力傳感器2要保證同向一致、位置均布和一定的預(yù)載，所以當(dāng)空間任何方向力作用在工作臺(tái)上任何一點(diǎn)時(shí)，壓電石英力傳感器2自動(dòng)將其分解為Fx、Fy及Fz三個(gè)方向上的正交力，其各自受力的大小和方向完全取決于外力大小，方向和作用點(diǎn)位置。即Fx=Fx一Fx2+Fx3+Fx4Fy=Fyi+Fy2+Fy3+Fy4Fz=Fz一Fz2+Fz3+Fz4式中Fx、Fy、Fz為外力F在空間直角坐標(biāo)系下X、Y、Z向上的分力，F(xiàn)Xi、Fyi、FZi(i=1，2，3，4)分別為4個(gè)壓電石英力傳感器2在外力F作用下所受的三向力。實(shí)例實(shí)驗(yàn)室室溫為26。C，電荷放大器YE5850B的靈敏度分別為Sx二7.93pc/kgf，SY=7.85pc/kgf，Sz=3.53pc/kgf，當(dāng)軸向力作用時(shí)，通過底座1將力作用到壓電石英力傳感器2上，具有縱向效應(yīng)的一組xy型單元晶組o'的石英晶體表面便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，電荷傳遞到夾在兩片石英晶片間的電極v上，通過軸向力負(fù)信號(hào)引出線p將電荷引出；當(dāng)徑向力作用于測量裝置上時(shí)，通過壓電石英力傳感器2與底板1上表面以及上蓋3下表面之間的摩擦力，將徑向力作用到壓電石英力傳感器2的上下表面兩組具有剪切效應(yīng)的yx型單元晶組0l、o2上，兩組單元晶組的石英晶體表面便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，電荷分別傳遞到夾在兩片石英晶片間的電極UpU2上，分別通過徑向力負(fù)信號(hào)引出線C^、q2將電荷引出；四片接地電極r通過接地導(dǎo)線s連接到一起后接地。將輸出電荷通過電荷放大器進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號(hào)變成計(jì)算機(jī)接受的數(shù)字信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)采集、處理后得出所測軸向力及徑向力的大小，最后由終端顯示，如表1所示。表l-Z向在線檢測<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>由表1得出，Z向中點(diǎn)加載時(shí)，非線性誤差<0.2%，重復(fù)性誤差<0.5%，向間橫向干擾<2%。試驗(yàn)結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國際生產(chǎn)工程研究會(huì)一切削科學(xué)技術(shù)委員會(huì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明一種用于硅片超精密磨床的壓電式磨削力測量裝置具有靈敏度高，線性度、重復(fù)性好，測量精度高的良好特性，可以對(duì)硅片加工過程中的磨削力進(jìn)行測量，能夠?qū)崟r(shí)的反映出各種加工狀態(tài)下磨削力的變化。權(quán)利要求一種用于硅片超精密磨床的壓電式磨削力測量裝置采用了壓電石英力傳感器，其特征在于，測量裝置由底座(1)、4個(gè)壓電石英力傳感器(2)、上蓋(3)、連接螺釘(4)、轉(zhuǎn)接板(5)、梯形套筒(6)、螺母(7)、雙頭螺柱(8)、法蘭盤固定螺釘(9)以及法蘭盤(10)組成；底座(1)為一圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，底座(1)的上表面上安裝4個(gè)壓電石英力傳感器(2)，4個(gè)壓電石英力傳感器(2)呈正方形均勻分布，連接螺釘(4)將底座(1)、上蓋(3)以及壓電石英力傳感器(2)剛性連接在一起，構(gòu)成測力儀組件，在底座(1)的上表面上有4個(gè)均勻分布的螺紋孔(a)和4個(gè)均勻分布的通孔(b)，螺紋孔(a)以0°線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別為45°、135°、225°、315°，通孔(b)以0°線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別為0°、90°、180°、270°；上蓋(3)為一圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，上蓋(3)的上表面上有4個(gè)均勻分布的階梯孔(c)、3個(gè)均勻分布的通孔(d)和以通孔(d)為中心的12個(gè)均勻分布的螺紋孔(e)，法蘭盤固定螺釘(9)通過螺紋孔(e)將法蘭盤(10)固定在上蓋(3)上；3個(gè)梯形套筒(6)分別通過3個(gè)螺母(7)均勻固定在轉(zhuǎn)接板(5)上，3個(gè)梯形套筒(6)以0°線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別為60°、180°、300°；3個(gè)法蘭盤(10)分別通過4個(gè)法蘭盤固定螺釘(9)均勻固定在上蓋(3)上，3個(gè)法蘭盤(10)以0°線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別為60°、180°、300°；3個(gè)雙頭螺柱(8)分別各將1個(gè)梯形套筒(6)和1個(gè)法蘭盤(10)連接在一起。2.如權(quán)利要求1所述的一種用于硅片超精密磨床的壓電式磨削力測量裝置，其特征是，壓電石英力傳感器(2)由2對(duì)yx型單元晶組(Q》、(02)、l對(duì)xy型單元晶組(o')、2片測量徑向力的電極(U》、(U2)、1片測量軸向力的電極(v)、徑向力負(fù)信號(hào)引出線(Pl)、(P2)、軸向力負(fù)信號(hào)引出線(q)、4片接地電極(r)和接地導(dǎo)線(s)組成；3對(duì)單元晶組安裝順序?yàn)?對(duì)測量徑向力Fx的yx型單元晶組(0l)，1對(duì)測量軸向力Fz的xy型單元晶組(o')，1對(duì)測量徑向力Fy的yx型單元晶組(o2)，每對(duì)單元晶組將兩片石英晶片對(duì)裝，即在電路上為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，信號(hào)分別通過夾在兩片石英晶片間的電極(u》、(u2)、(v)引出；四片接地電極(r)通過接地導(dǎo)線(s)連接到一起后接地。全文摘要本發(fā)明一種用于硅片超精密磨床的壓電式磨削力測量裝置屬于傳感測控
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及硅片超精密磨削過程中磨削力的檢測。測量裝置由底座、壓電石英力傳感器、上蓋、連接螺釘、轉(zhuǎn)接板、梯形套筒、螺母、雙頭螺柱、法蘭盤固定螺釘以及法蘭盤組成。底座為一圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，底座的上表面上安裝4個(gè)壓電石英力傳感器，4個(gè)壓電石英力傳感器呈正方形均勻分布，連接螺釘將底座、上蓋以及壓電石英力傳感器剛性連接在一起，構(gòu)成測力儀組件。壓電石英力傳感器由2對(duì)yx型單元晶組和1對(duì)xy型單元晶組組成。本裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，線性度、重復(fù)性好，測量精度高的良好特性。壓電式磨削力測量裝置能夠?qū)杵ハ骷庸み^程中的磨削力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。文檔編號(hào)B24B49/16GK101716747SQ20091022006公開日2010年6月2日申請(qǐng)日期2009年11月18日優(yōu)先權(quán)日2009年11月18日發(fā)明者劉博,康仁科,張軍,朱祥龍,郭東明,錢敏申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)