專利名稱：能使加載載荷均勻布置在承載器表面的拋光加載裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精密加工裝置，尤其是拋光加工用加載裝置，具體地說是一種能
使加載載荷均勻布置在承載器表面的拋光加載裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，隨著IC制造技術(shù)的飛速發(fā)展，為了增大IC芯片的產(chǎn)量，降低制造成本， 晶圓直徑越來越大。硅片直徑增大后，特征線寬越來越細(xì)，對硅片的平面度提出了更高的要 求。通常要求每層的全局平整度不大于特征尺寸的2/3，如對于300mm硅片，則要求在300mm 直徑范圍內(nèi)的全局平面度小于等于87nm。因此必須尋求一種能夠?qū)崿F(xiàn)全局平坦化的加工技 術(shù)，而化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)可以有效地實現(xiàn)硅片的全局平坦化，已成為超大規(guī)模集成 電路制造中不可或缺的技術(shù)。 要獲得硅片表面的全局平坦化，硅片表面必須有均勻一致的材料去除率。由 Preston方程可知，在拋光過程中，工件與拋光墊接觸區(qū)域內(nèi)的材料去除取決于接觸區(qū)域的 速度場及壓強(qiáng)分布。當(dāng)拋光墊轉(zhuǎn)速和硅片轉(zhuǎn)速相同時，硅片上各點相對線速度相等，此時硅 片的去除率主要取決于各處的應(yīng)力分布。因此，解決拋光區(qū)域應(yīng)力分布的問題成為化學(xué)機(jī) 械拋光中平坦化技術(shù)的關(guān)鍵。為了使得拋光區(qū)域有均勻一致的材料去除率，工件表面要有 均勻一致的應(yīng)力分布，拋光設(shè)備的加載方式顯得尤為重要，有必要設(shè)計一種加載裝置可以 使得工件表面的應(yīng)力分布均勻。 現(xiàn)有拋光機(jī)的常用加載方式為汽缸加載，拋光時將汽缸壓頭直接作用于承載器表 面，受汽缸壓頭集中力的影響，會使得工件各處應(yīng)力分布不均。加工大尺寸工件時，這種應(yīng) 力分布不均的現(xiàn)象更為明顯。為了提高應(yīng)力分布均勻性，有關(guān)拋光設(shè)備采用重物加載，該方 法有利于應(yīng)力分布的均勻性，但使得加載操作復(fù)雜，加載力的范圍也受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針現(xiàn)有的拋光機(jī)直接利用汽缸加載時存在加載力應(yīng)力集中，影響 拋光去除率的一致性的問題，設(shè)計一種能與現(xiàn)有的汽缸壓頭配套使用的加載裝置，可以使 應(yīng)力分布均勻，同時又具有汽缸加載操作方便，加載范圍廣等優(yōu)點的能使加載載荷均勻布 置在承載器表面的拋光加載裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 —種能使加載載荷均勻布置在承載器表面的拋光加載裝置，包括支撐盤l，其特征 是所述的支撐盤1相對于承載器的一面上至少安裝有三個加載盤2，所述的加載盤2的中心 均勻布置在離支撐盤1中心距離為(1/ (1+sin (/n))) X R的圓周上，式中n為加載盤2的 數(shù)量，R為承載器的半徑；所述加載盤2的半徑為sin (/n) d，式中d是加載盤2的中心到 支撐盤1的中心的距離；在所述加載盤2與承載器相接觸的一面上設(shè)有硅橡膠墊3，在支撐 盤1的另一面上設(shè)有與加載裝置相配的凹槽6。
所述的凹槽6為球冠狀凹槽。
在所述的支撐盤1設(shè)有數(shù)量與加載盤2相同的減重孔7，所述的減重孔7均布在支 撐盤1上并使整個加載裝置滿足動平衡要求。 所述的加載盤2的一面上設(shè)有螺桿，螺桿穿過支撐盤1并通過墊片5及螺母4固
定在支撐盤l上。 本發(fā)明的有益效果 1、本發(fā)明可以變汽缸壓頭的集中載荷為均布載荷，使得拋光過程中應(yīng)力分布均 勻，改善工件的平面度值。 2、本發(fā)明通過在加載盤底面粘貼一層硅橡膠墊，既實現(xiàn)了加載裝置與承載器連 接，又保證了力分配的均勻性。該方法簡單可行，而且拋光后，加載裝置和承載器容易分離。
3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)小巧，加工工藝簡單。利用支撐盤這一結(jié)構(gòu)，從工藝上易于保證加載 盤在同一平面上。 4、本發(fā)明直接采用與汽缸頭相配的球冠狀凹槽作為壓力傳遞的接頭，可省去常規(guī) 的止推軸承結(jié)構(gòu)，具有連接結(jié)構(gòu)簡單，連接和分開方便，成本低的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的拋光加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的加載盤的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是汽缸壓頭直接加載加工后4英寸硅片表面沿徑向的等效應(yīng)力分布圖。 圖4是使用本發(fā)明的加載裝置加工后4英寸硅片表面沿徑向的等效應(yīng)力分布圖。 圖5是汽缸壓頭直接加載加工后4英寸硅片拋光后的干涉條紋。 圖6是使用本發(fā)明的加載裝置加工后4英寸硅片拋光后的干涉條紋。 圖7是汽缸壓頭直接加載加工后6英寸硅片表面沿徑向的等效應(yīng)力分布圖。 圖8是使用本發(fā)明的加載裝置加工后6英寸硅片表面沿徑向的等效應(yīng)力分布圖。 圖9是汽缸壓頭直接加載加工后6英寸硅片拋光后的干涉條紋。 圖10是使用本發(fā)明的加載裝置加工后6英寸硅片拋光后的干涉條紋。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖l-2所示。 —種能使加載載荷均勻布置在承載器表面的拋光加載裝置，它包括支撐盤l(可 為薄片圓盤狀結(jié)構(gòu)，也可為中厚度的圓盤狀結(jié)構(gòu))，所述的支撐盤1相對于承載器的一面上 至少安裝有三個加載盤2，最多可為9個加載盤，加載盤2緊鄰支撐盤1的一面上設(shè)有螺桿 (如圖2)，螺桿穿過支撐盤1并通過墊片5及螺母4固定在支撐盤1上，如圖1所示。加載 盤2的中心離支撐盤1中心的距離為(1/ (l+sin (Ji /n))) XR，所有加載盤2均勻布置在離 支撐盤1距離為(1/ (l+sin (Ji /n))) XR的圓周上，其中n表示加載盤2的數(shù)量，R表示承 載器的半徑；每個加載盤2的半徑為sin(Ji/n)d，式中d就是前述的加載盤2的中心到支 撐盤1的中心的距離即d = (1/(l+sin( Ji /n))) XR ;在所述加載盤2與承載器相接觸的一 面上設(shè)有硅橡膠墊3，在支撐盤1的另一面上設(shè)有與加載裝置相配的可為球冠狀的凹槽6。 為了減輕整個加載裝置的重量并使其處于動平衡狀態(tài)，具體實施時還可在支撐盤1上加以
4出數(shù)量與加載盤2相同的減重孔7，所述的減重孔7應(yīng)均布在支撐盤1上并使整個加載裝置 滿足動平衡要求。 工作時，將本發(fā)明的加載裝置放置在承載器表面，汽缸壓頭壓在支撐盤1中心的 球形凹槽6中，力通過加載盤2均勻加載到承載器表面，從而達(dá)到均勻加壓的目的。加載盤 2下底面均粘貼著一層硅橡膠墊3，在汽缸的壓力作用下，硅橡膠墊3和承載器之間形成了 局部真空，使加載裝置和承載器有效的連接在一起，在承載器旋轉(zhuǎn)的過程中，加載裝置一起 旋轉(zhuǎn)；在加載盤2下底面粘貼一層硅橡膠同時還能使每個加載盤都與承載器接觸，保證了 加載力的均勻分布。 下面是兩個根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的加載裝置與傳統(tǒng)加載裝置的對比效果。
實例一 以拋光4英寸硅片，加載盤個數(shù)為5個為例，介紹使用該加載裝置的有益效果。
對于4英寸的工件，承載器與工件為等面積的，承載器半徑R即為50. 8mm，根據(jù)前 述公式，可計算出加載裝置的各部分尺寸為加載盤2半徑取27. 5mm，加載盤2離中心的距 離取32. 7mm。 首先，在ansys中建模，對比使用加載裝置前后的工件表面的等效應(yīng)力分布，不使
用加載裝置時，工件沿徑向的等效應(yīng)力分布如附圖3所示。使用該加載裝置后，工件沿徑向
的等效應(yīng)力分布如附圖4所示?？梢钥闯鰡螇侯^加載時，工件表面應(yīng)力分布不均勻，力從中
心到邊緣逐漸變??；而使用該加載裝置后，工件表面應(yīng)力分布趨于均勻。 接著，通過拋光實驗來檢驗加載裝置對工件平面度的影響。拋光后用激光干涉儀
檢測工件的平面度，使用的是0SI-150TP型激光平面干涉儀，干涉儀上所顯示的干涉條紋
范圍越大，越為清晰表明平面度較好。 在壓強(qiáng)P = 0. 05MPa，主軸轉(zhuǎn)速"=150r/min，偏心距e = 70mm，拋光時間t = 10min的實驗條件下，進(jìn)行一組對比實驗分別使用和不使用所設(shè)計的加載裝置拋光。拋光 后，在激光干涉儀上檢測的干涉條紋如附圖5和6所示。對比圖5和圖6可以看出拋光時 使用所設(shè)計的加載裝置時，出現(xiàn)的干涉條紋范圍更大，也更為規(guī)則清晰?？梢娛褂迷摷虞d裝 置提高了應(yīng)力分布的均勻性，改善了工件的平面度。
實例二。 以拋光6英寸硅片，加載盤個數(shù)為5個為例，介紹使用該加載裝置的效果。 對于6英寸的工件，承載器的半徑R為76. 2mm，加載裝置的各部分尺寸為加載盤
盤半徑取26mm :加載盤距離中心的距離取49mm。 首先，在ansys中建模，對比使用加載裝置前后的工件表面的等效應(yīng)力分布，不使
用加載裝置時，工件沿徑向的等效應(yīng)力分布如附圖7所示。使用該加載裝置后，工件沿徑向
的等效應(yīng)力分布如附圖8所示?？梢钥闯鰡螇侯^加載時，工件表面應(yīng)力分布不均勻，力從中
心到邊緣由大變??；而使用該加載裝置后，工件表面應(yīng)力分布趨于均勻。 接著，通過拋光實驗來檢驗加載裝置對工件平面度的影響。拋光后用激光干涉儀
檢測工件的平面度。 在壓強(qiáng)P = 0. 075MPa，主軸轉(zhuǎn)速"=180r/min，偏心距e = 60mm，拋光時間t = 10min的實驗條件下，進(jìn)行一組對比實驗分別使用和不使用所設(shè)計的加載裝置拋光。拋光 后，在激光干涉儀上檢測的干涉條紋如附圖9和IO所示。對比圖9和圖10可以看出拋光時使用所設(shè)計的加載裝置時，出現(xiàn)的干涉條紋范圍更大，也更為規(guī)則清晰?？梢娛褂迷摷虞d 裝置提高了應(yīng)力分布的均勻性，改善了工件的平面度。
實例三。 本實例的加工條件與實例一相同，其區(qū)別在于加載盤的尺寸和加載盤中心離支撐 盤的距離不符合本發(fā)明的計算公式，試驗結(jié)果表明，工件沿徑向的等效應(yīng)力分布和圖3所 示的相類似，介于圖3和圖4之間，硅片拋光后的干涉條紋與圖5相類似，介于圖5和圖6 之間，因此可看出，本發(fā)明的加載盤的尺寸和安裝位置對加工質(zhì)量有較大的影響。
實例四。 本實例的加工條件與實例二相同，其區(qū)別在于加載盤的尺寸和加載盤中心離支撐 盤的距離不符合本發(fā)明的計算公式，試驗結(jié)果表明，工件沿徑向的等效應(yīng)力分布和圖7所 示的相類似，介于圖7和圖8之間，硅片拋光后的干涉條紋與圖9相類似，介于圖9和圖10 之間，因此可進(jìn)一步看出，本發(fā)明的加載盤的尺寸和安裝位置對加工質(zhì)量有較大的影響。
本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種能使加載載荷均勻布置在承載器表面的拋光加載裝置，包括支撐盤(1)，其特征是所述的支撐盤(1)相對于承載器的一面上至少安裝有三個加載盤(2)，所述的加載盤(2)的中心均勻布置在離支撐盤(1)中心距離為(1/(1+sin(π/n)))×R的圓周上，式中n為加載盤(2)的數(shù)量，R為承載器的半徑；所述加載盤(2)的半徑為sin(π/n)d，式中d是加載盤(2)的中心到支撐盤(1)的中心的距離；在所述加載盤(2)與承載器相接觸的一面上設(shè)有硅橡膠墊(3)，在支撐盤(1)的另一面上設(shè)有與加載裝置相配的凹槽(6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能使加載載荷均勻布置在承載器表面的拋光加載裝置，其特征是所述的凹槽(6)為球冠狀凹槽。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能使加載載荷均勻布置在承載器表面的拋光加載裝置，其特征是在所述的支撐盤(1)設(shè)有數(shù)量與加載盤(2)相同的減重孔(7)，所述的減重孔(7)均布在支撐盤(1)上并使整個加載裝置滿足動平衡要求。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能使加載載荷均勻布置在承載器表面的拋光加載裝置，其特征是所述的加載盤(2)的一面上設(shè)有螺桿，螺桿穿過支撐盤(1)并通過墊片(5)及螺母(4)固定在支撐盤(1)上。
全文摘要
一種能使加載載荷均勻布置在承載器表面的拋光加載裝置，包括支撐盤(1)，其特征是所述的支撐盤(1)相對于承載器的一面上至少安裝有三個加載盤(2)，所述的加載盤(2)的中心均勻布置在離支撐盤(1)中心距離為(1/(1+sin(π/n)))×R的圓周上，式中n為加載盤(2)的數(shù)量，R為承載器的半徑；所述加載盤(2)的半徑為sin(π/n)d，式中d是加載盤(2)的中心到支撐盤(1)的中心的距離；在所述加載盤(2)與承載器相接觸的一面上設(shè)有硅橡膠墊(3)，在支撐盤(1)的另一面上設(shè)有與加載裝置相配的凹槽(6)。本發(fā)明可以將汽缸壓頭的集中力載荷轉(zhuǎn)變?yōu)榫驾d荷，在拋光過程中提高材料去除的均勻性，改善工件的平面度值。
文檔編號B24B29/02GK101780657SQ20101013212
公開日2010年7月21日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者孫業(yè)斌, 孫玉利, 左敦穩(wěn), 康靜, 朱永偉, 祝曉亮, 趙云 申請人:南京航空航天大學(xué)