[发明专利]小尺寸晶片抛光摩擦力在线测量装置

说明书

技术领域

本发明属于晶体材料抛光技术领域，涉及到一种小尺寸晶片抛光摩擦力在线测量装置。

背景技术

随着微电子、光电子、超导体、光学透镜等行业的发展，金刚石、单晶硅、蓝宝石和氧化镁等各种晶体材料的应用日益广泛。这些行业的产品对晶片表面质量的要求极其苛刻，必须对表面进行精密或超精密抛光。目前较高效的抛光方式主要以机械抛光和化学机械抛光等接触式抛光为主，其中晶片所受机械作用直接影响抛光效率和表面质量，准确量化机械作用对研究抛光机理和指导抛光工艺均具有重要意义，而摩擦力是量化机械作用最重要和最准确的指标。

现存的抛光摩擦力测量方法主要有滑动平台法和扭矩测量法。滑动平台法是将整台抛光机置于一个在X和Y方向可以自由滑动的平台上，抛光时通过测量平台在X和Y方向受到的力来计算出摩擦力。该方法无需改变抛光状态，与实际加工情况较为接近，但是将整台抛光机置于测量平台上会引入大量误差，不能满足小尺寸晶片摩擦力小、测量精度高的要求。扭矩测量法是一种间接测量法，即通过测量抛光头扭矩变化来衡量摩擦力，主要是针对摩擦力不易直接测量的问题。但是抛光中抛光头扭矩是一个综合量，由晶片各个点的摩擦力对抛光头轴线的转矩合成。所以扭矩的变化只能反应所有试件摩擦力的合力。由于每个晶片的所受摩擦力和力臂不同，通过所有试件合力很难准确计算出单个晶片所受的摩擦力。甚至如果抛光头回转中心和抛光盘回转中心存在偏心时，采用该方法无法计算出单个晶片所受摩擦力。

总之，在抛光头随动、晶片尺寸较小的抛光中，摩擦力小，所需测量装置精度高，采用目前现存方法会不可避免的引入测量误差，并且通常抛光头底部贴有数片晶片，目前存在的测量方法仅能测量几片晶片摩擦力的合力，不同晶片摩擦力方向不同，合力会掩盖单个晶片所受摩擦力的信息，无法精确反映每个转动周期内单个晶片所受摩擦力的大小及变化情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种针对小尺寸晶片抛光中摩擦力在线测量装置。

本发明摩擦力测量装置包括抛光头、电阻应变仪、数据采集仪、导线以及计算机。抛光头主要由集电环、三个配重块(配重块A、配重块B、配重块C)、弹性元件、电阻应变片组成。通过调节配重块B的个数和高度来调节抛光压力。在配重块C底面有垂直于该面的孔，孔长度根据配重块尺寸及测试系统灵敏度要求确定，孔径比弹性元件直径略大；在配重块B上加工出M6的螺纹孔，螺纹孔和配重块C的光孔同轴，以方便装夹弹性元件。

将一片晶片粘贴在弹性元件的端面，其余晶片均匀布置于配重块C底面。弹性元件材料采用弹性模量较小的铝合金，以满足测试系统的灵敏度要求。弹性元件为圆柱体，直径根据晶片的尺寸确定，比晶片尺寸略大，下端用于贴晶片，上端加工有M6的螺纹，用于与配重块B内部的螺纹孔连接，使其固定于配重块C的孔中。在装配过程中保证弹性元件的圆柱部分不与配重块C接触，弹性元件的下端面与配重块C下底面相平。配重块A、配重块B和配重块C通过螺栓固定在一起。在距离弹性元件上端约三分之一处绕弹性元件中心轴间隔90°分布两组电阻应变片，以感知摩擦力X方向和Y方向的分量(方向垂直)。线栅方向与轴线方向相同，每组电阻应变片由两片相对的电阻应变片组成，用于补偿温度及正压力带来的误差。电阻应变片采用半桥连接方式。集电环固定于配重块上部A，用于输出摩擦力测量信号。抛光时晶片所受摩擦力使弹性元件产生弹性变形，电阻应变片将弹性应变转化成电信号，通过导线经由集电环和电桥盒输出到电阻应变仪上，并通过数据采集仪输入到计算机。根据摩擦力X和Y方向分量值(F_x和F_y)及公式即可求得该晶片所受的摩擦力。

本发明效果和益处是：能够在不改变实际抛光状态的条件下，对小尺寸晶片抛光中的摩擦力进行在线测量，适合抛光头随抛光盘转动的抛光方式。并且该方法能够直接测量单个晶片的摩擦力，避免了测量多个晶片摩擦合力而引入的测量误差以及间接测量所需的力学分析和计算误差。因此，该方法测量精度较高，非常适合小尺寸晶片抛光摩擦力小、测量精度要求高的场合。

附图说明

图1是本发明的测量装置中的抛光头结构示意图。

图2是本发明的小尺寸晶片抛光摩擦力测量过程示意图。

图3a是弹性元件上电阻应变片分布主视图。

图3b是弹性元件上电阻应变片分布俯视图。

图4是摩擦力测量结果图。