晶圓減薄產(chǎn)生廢品的原因及工藝改進(jìn)實(shí)踐

張新平

（北京中電科電子裝備有限公司，北京100176）

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晶圓減薄產(chǎn)生廢品的原因及工藝改進(jìn)實(shí)踐

張新平

（北京中電科電子裝備有限公司，北京100176）

摘要：對半導(dǎo)體工藝設(shè)備減薄機(jī)的裝配及晶片加工質(zhì)量保證方法進(jìn)行了分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：超精密絲杠；裝配精度；氣浮軸承；裝配工藝

晶圓減薄機(jī)中主軸與磨輪工作原理如圖1所示。整機(jī)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)氣浮主軸（減薄磨頭）作微進(jìn)給，同時(shí)磁懸浮電機(jī)使減薄磨頭高速旋轉(zhuǎn)，對置于氣浮承片臺(tái)上的晶圓進(jìn)行磨削加工，使晶圓的厚度、表面粗糙度、平面度、平行度達(dá)到非常高的精度要求。常見的150 mm、200 mm晶片，經(jīng)減薄機(jī)磨削減薄后TTV（總厚度偏差）精度等級指標(biāo)能夠達(dá)到1 μm。但在減薄機(jī)的加工過程中主軸系統(tǒng)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生輕微振動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品表面粗糙度過大或產(chǎn)品平行度誤差過大，致使產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)不到要求，出現(xiàn)廢品，給生產(chǎn)成品率和產(chǎn)品成本造成很大的影響。下面就晶圓減薄機(jī)在晶圓加工過程中產(chǎn)生廢品的原因進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的工藝改進(jìn)措施。

對主軸超精密絲杠的裝配精度進(jìn)行了現(xiàn)場故障分析，故障率一般在6%～8%，找出了發(fā)生故障的原因，并制定了裝配工藝改進(jìn)方法，使晶圓減薄機(jī)加工產(chǎn)品合格率和產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到最大。

1　保證加工質(zhì)量的超精密滾珠絲杠

超精密滾珠絲杠副是電子專用設(shè)備的關(guān)鍵精密機(jī)構(gòu)之一，由螺桿、螺母、滾珠絲杠和回珠器組成，主要功能是將伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因其穩(wěn)定可靠，在精密機(jī)械裝備中廣泛應(yīng)用。

精密滾珠絲杠工作時(shí)，由控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，再由精密滾珠絲杠將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，使之帶動(dòng)主軸的氣浮軸系產(chǎn)生上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)工作的加工軌跡控制。因此，精密滾珠絲杠的裝配精度檢測和裝配工藝要求都非常嚴(yán)格，對裝配個(gè)人的技術(shù)要求也非常高，對裝配現(xiàn)場也有較高的要求。

晶圓減薄機(jī)在工作時(shí)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生微振，造成主軸在減切晶片時(shí)出現(xiàn)廢品，主軸在工作時(shí)同時(shí)承受旋轉(zhuǎn)的扭力和減切晶圓片時(shí)的反沖壓力。

圖1　晶圓減薄主軸與磨輪工作示意圖

2　故障原因分析

因超精密滾珠絲杠的精度要求，在入庫和出庫裝配前都要求嚴(yán)格的檢驗(yàn)和潔凈化處理。裝配后也要進(jìn)行靜態(tài)精度檢測，以達(dá)到指標(biāo)要求。在絲杠升降一定行程范圍內(nèi)檢查精度誤差應(yīng)控制在1～2 μm。

滾珠絲杠在帶動(dòng)氣浮軸系的情況下，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生輕微的振動(dòng)，影響了晶圓減薄機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量，造成了晶圓產(chǎn)品的TTV值超差（平行度、平面度的綜合值超過3 μm）給企業(yè)造成損失和聲譽(yù)上的負(fù)面影響。

3　故障的處理方法

（1）首先在超精密絲杠入庫前，進(jìn)行一次精度檢測基本可以排除絲杠本身的質(zhì)量問題，在保管時(shí)，也要嚴(yán)格按照要求進(jìn)行垂直放置，并且采用專用的包裝箱包裝好標(biāo)注放置方向，這樣可以排除保管時(shí)因平放自身產(chǎn)生變形的影響。

（2）要求工藝嫻熟的裝配工人，清洗和裝配時(shí)都要小心作業(yè)，嚴(yán)格按照裝配工藝進(jìn)行裝配，排除裝配過程操作不當(dāng)對滾珠絲杠精度的損傷。

（3）避免操作時(shí)出現(xiàn)超程現(xiàn)象或發(fā)生撞擊現(xiàn)象，這樣可以避免超程或撞擊引起的滾珠絲杠精度損傷。

（4）防止因裝配方法或檢測方法不正確導(dǎo)致的滾珠絲杠精度超差。

裝配時(shí)，首先裝好直線導(dǎo)軌，在以直線導(dǎo)軌的滑塊座為基準(zhǔn)，裝磁力表座和千分表，對滾珠絲杠進(jìn)行校正，在以絲杠兩端的軸承支撐座的軸承孔安裝絲杠，將絲杠用螺釘固定好，然后用千分表測量絲杠的母線和滾珠絲杠的徑向跳動(dòng)。調(diào)整軸承座直到絲杠的平行度和徑向跳動(dòng)達(dá)到指標(biāo)要求的精度范圍，緊固后在配作絲杠軸承座的定位銷，然后再進(jìn)行復(fù)檢。檢測基準(zhǔn)與工藝是否相符，被測要素要完整，裝配過程要規(guī)范，要嚴(yán)格遵守裝配工藝。

錐銷的裝配位置要求非常嚴(yán)格，采用手電鉆進(jìn)行絞孔，要求控制好絞孔的精度。要控制好手電鉆的震動(dòng)，絞孔過程由于手電鉆擺動(dòng)過大，會(huì)導(dǎo)致絞孔的余量過大，錐度達(dá)不到1:50，不能保證錐銷和孔壁的接觸精度，當(dāng)受到交變應(yīng)力與振動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生松動(dòng)，從而導(dǎo)致定位不準(zhǔn)，使定位銷的作用下降。

絲杠與軸承座的裝配中消隙軸承（對裝軸承）的隔套有間隙，但間隙量不大，范圍要求在5～8 μm之間。

針對上述發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了裝配工藝改進(jìn)。首先對精密滾珠絲杠的軸承座隔套進(jìn)行重新配研，使隔套間隙量保證在2～4 μm，重新裝配消除了整套精密絲杠的上升和下降時(shí)產(chǎn)生的間隙使絲杠精度更加可靠。

然后再對滾珠絲杠的軸承支架座的裝配進(jìn)行改進(jìn)。因手電鉆絞孔時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)和擺動(dòng)較大造成了絞孔與錐銷的錐度不符，錐度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的1:50。用涂色法進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)錐銷與錐孔的接觸部位不正確，不能保證良好的接觸精度。當(dāng)受到上升或下降的交變應(yīng)力和磨削晶圓時(shí)主軸產(chǎn)生的高速旋轉(zhuǎn)力和晶片的反彈壓力時(shí)容易產(chǎn)生間隙和松動(dòng)，這是產(chǎn)生主軸震動(dòng)的主要原因。

改進(jìn)裝配工藝后，先用手電鉆作粗絞孔的加工，切除大部分余量，留出精絞余量0.1 nm左右，用改制的錐絞刀，再用手工進(jìn)行精絞，這樣就能控制絞孔的錐度誤差，降低了孔壁的表面粗糙度，提高配合面的接觸精度，保證軸系系統(tǒng)的裝配精度。

3.1主軸裝配

3.1.1裝配注意事項(xiàng)

（1）裝配前按照圖紙復(fù)檢重要件軸承隔套、磨輪盤、軸的重要形位公差。檢查重要外購件主軸電機(jī)精度指標(biāo)、高精密軸承旋轉(zhuǎn)精度。

（2）組裝前嚴(yán)格檢查并清除零件加工時(shí)殘留的銳角毛刺和異物。

（3）檢查所有攻絲孔的加工完整性。

（4）軸承外圈壓緊力要均勻。

（5）軸承隔套內(nèi)外孔無砂眼、氣泡等影響精度、氣密性表面。

3.1.2精度指標(biāo)

旋轉(zhuǎn)最大速度：5000 r/min

磨輪盤徑向跳動(dòng): 0.010 mm

磨輪盤軸向跳動(dòng): 0.020 mm

3.2裝配要點(diǎn)提示

3.2.1主軸電機(jī)安裝

空氣軸結(jié)構(gòu)如圖2所示。正確安裝連接套，連接套與主軸電機(jī)之間通過過盈配合，實(shí)現(xiàn)二者之間的連接，過盈量0.01 mm左右。安裝過程中，連接套外側(cè)涂抹潤滑油，采用人工敲擊法進(jìn)行安裝，打裝時(shí)，必須采用軟金屬或者硬質(zhì)非金屬材料做防護(hù)襯墊，并且保證主軸電機(jī)與連接套必須同軸，不準(zhǔn)有任何歪斜現(xiàn)象，保證二者安裝牢固。

3.2.2軸承的安裝與調(diào)整

首先消除軸承內(nèi)外圈間隙，通過修磨或研磨的辦法。將軸承依次放到軸承測量軸上，測量軸承內(nèi)外圈高度，測完后，根據(jù)測量的數(shù)值，與內(nèi)外圈高度比對，預(yù)修整安裝在軸承之間的外隔圈和內(nèi)隔圈使軸承間隙近似為零，消除間隙。

圖2　空氣軸結(jié)構(gòu)示意圖

間隙消除后，將軸承、內(nèi)隔圈、外隔圈安裝在軸承隔套上，依次安裝軸，以及兩側(cè)鎖母，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸1，保證轉(zhuǎn)動(dòng)自如，無卡滯現(xiàn)象。

3.2.3空氣軸承的安裝

檢查零件上止推盤和下止推盤直徑為0.2 mm小孔，大小均勻，無堵塞現(xiàn)象。

安裝過程中，保證止推盤與上止推盤和下止推盤之間的間隙都為0.020～0.03 mm，使用光柵尺測量保證，止推盤與上止推盤的間隙用修磨或研磨上止推盤的厚度來實(shí)現(xiàn)，止推盤與下止推盤的間隙用修磨或研磨中間環(huán)來實(shí)現(xiàn)。

3.2.4動(dòng)平衡

部件系統(tǒng)安裝完成后，進(jìn)行整體動(dòng)平衡，測量磨輪盤的不平衡度，對該零件進(jìn)行動(dòng)平衡，保證精度達(dá)到C0.8（ISO9001）

3.2.5連接關(guān)系

空氣軸承與磨削系統(tǒng)有連接關(guān)系，裝配時(shí)要保證各部件之間的連接尺寸。表1給出了主軸裝配數(shù)據(jù)要求。

表2給出了氣浮主軸的指標(biāo)要求及其測試結(jié)果。

表1　主軸裝配數(shù)據(jù)記錄卡

表2　氣浮主軸的指標(biāo)要求及其測試結(jié)果

4　結(jié)束語

經(jīng)過上述的裝配工藝改進(jìn)使主軸的精密絲桿有可靠的精密保障，再經(jīng)過與主軸的相對精度調(diào)整基本上達(dá)到了減薄機(jī)的工作要求。

經(jīng)過調(diào)試和試磨，再調(diào)整直到達(dá)到晶圓產(chǎn)品的精度要求，即TTV值達(dá)到1 μm。

Cause of Waste Products Produced by Wafer Thinning and Wafer Thinning Process Improvement Practice

ZHANG Xinping
（CETC Beijing Electronic Equipment Co.，Ltd.，Beijing 100176，China）

Abstract:Wafer grinder is one of key equipment in semiconductor process，analyze and summarize its assembly and the guarantee method of wafer thinning quality in the paper.

Keywords:Ultra precision screw；Assembly precision；Air bearing spindle；Assembly process

中圖分類號：TN305

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-4507（2016）05-0035-04

收稿日期：2016-04-25

作者簡介：

張新平（1966-），河北黃驊人，主要從事電子專用設(shè)備零部件與整機(jī)裝配調(diào)試，熟悉減薄機(jī)等半導(dǎo)體設(shè)備的應(yīng)用工藝要求。