振动辅助抛光模块的制作方法

本发明为一种振动辅助抛光模块，尤指一种利用可调式偏心机构及线性滑轨机构产生低频振动源，可增进大面积工件的抛光效能的振动辅助抛光模块。

背景技术：

蓝宝石或碳化硅晶圆等硬脆基板，于加工中必须经历一抛光制程。

就碳化硅晶圆而言，目前全球40％能量被使用为电能而消耗，其电能转换最大耗散是半导体功率元件。曾经的「中流砥柱」Si功率元件已日趋其材料发展的极限，已难以满足当今社会发展对于高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化的新需求。碳化硅(SiC)因其宽能带隙、优异的导热性和良好的化学稳定性，适合做为高功率以及高温的半导体元件。以碳化硅等为代表的第三代半导体材料，将被广泛应用于光电子元件、电力电子元件等领域，以其优异的半导体性能在各个现代工业领域都将发挥重要革新作用，应用前景和市场潜力巨大。

碳化硅晶圆具有优异的耐高电压、耐热以及低损耗等材料特性，是高功率电子元件所需关键晶圆材料，因此国内外均致力提升大尺寸(直径≥4时)碳化硅晶圆加工效率。

然而，碳化硅为莫氏硬度9.25～9.5(仅次于钻石)的超硬材料，现今制程以抛光耗时为加工瓶颈(≥2小时；Material Removal Rate，MRR≤0.2μm/h)，导致成本居高不下。此外，碳化硅晶圆因应市场需求的另一趋势为大尺寸化。目前国际的晶圆大厂也陆续发表大尺寸(六时)碳化硅晶圆的开发。然而大尺寸碳化硅晶圆其 加工效率将更见缓慢，导致加工成本即占制造成本1/2以上，因此为解决碳化硅晶圆材料制造上瓶颈，提升加工效率成为产业开发的关键因素。

技术实现要素：

在一实施例中，本发明提出一种振动辅助抛光模块，其包含一抛光盘、一工件承载盘、一线性滑轨机构、一连杆、一马达及一可调式偏心机构；

抛光盘可旋转；

工件承载盘用以承载一工件，工件设置于工件承载盘，使工件的一加工面朝向抛光盘；

线性滑轨机构包括一滑轨、一导引座与一导引杆，滑轨枢接于工件承载盘相对于设有工件的一面，滑轨嵌设于导引座内，导引杆设置于导引座上；

连杆具有相对的一第一端与一第二端，第一端枢接于滑轨；

马达具有一动力轴用以提供动力；

可调式偏心机构具有一座体，座体连接于动力轴，且座体与连杆的第二端以一枢接轴相互枢接，该枢接轴与动力轴的轴心偏心设置；

由动力轴驱动座体旋转且带动连杆偏心摆动，由连杆将动力轴的动力传输至滑轨，同时通过导引座对滑轨的限位作用，使滑轨作平行于一第一方向的线性移动，并驱动工件承载盘产生一水平径向振幅及一低频振动，且同时使得工件与抛光盘的接触面产生低频振动。

附图说明

图1为本发明的一实施例的组合结构示意图。

图2为图1实施例的部分分解结构示意图。

图3为图1实施例的可调式偏心机构的结构示意图。

图4为图1实施例的前视组合结构动作示意图。

图5为图1实施例的俯视组合结构动作示意图。

图6～图9为本发明的可调式偏心机构及线性滑轨机构产生低频振动源的连续动作示意图。

图10为本发明的振动辅助加工效率相较于无振动的抛光制程的曲线图。

【符号说明】

10-抛光盘

20-工件承载盘

30-线性滑轨机构

31-滑轨

32-导引座

321-凹槽

33-导引杆

40-连杆

41-第一杆体

411-第一端

412-第一阶梯状结构

413-枢接轴

414～416-轴承

42-第二杆体

421-第二端

422-第二阶梯状结构

43-固定件

44-螺栓

50-马达

51-动力轴

60-可调式偏心机构

61-座体

611-枢接轴

612-轴承

62-滑块

63-调整螺栓

64-盖体

65-固定螺栓

70-工件

F1-第一方向

ΔS-偏心量

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明的一种振动辅助抛光模块，其包含一抛光盘10、一工件承载盘20、一线性滑轨机构30、一连杆40、一马达50、一可调式偏心机构60。

抛光盘10可旋转，马达50可采用变频马达，其具有一动力轴51用以提供动力。工件承载盘20用以承载一工件70，于工件承载盘20设有固定装置(图中未示出)可将工件70固定于工件承载盘20，使工件70的加工面朝向抛光盘10。工件70为硬脆的芯片基板，而硬脆的芯片基板泛指难加工的单晶或陶瓷材料，例如蓝宝石或碳化硅晶圆。

线性滑轨机构30包括一滑轨31、一导引座32与一导引杆33，滑轨31枢接于工件承载盘20相对于设有工件70的一面。导引座32具有一凹槽321，滑轨31嵌设于凹槽321内。导引杆33设置于导引座32上且连接于一固定座(图中未示出)。固定座用以限制导引座32与导引杆33无法自由转动，因此可由导引座32对滑轨31产生限位作用，使滑轨31仅能沿着凹槽321的长度方向滑动。导引杆33上具有一伸缩部，伸缩部可使导引座32及连接的工件承载盘20与工件70可同步上下位移，以便于架设或拆卸工件70。详细来说，由导引杆33的伸缩部驱动工件承载盘 20与抛光盘10相对运动，使工件70与抛光盘10接触或分离。

连杆40由一第一杆体41与一第二杆体42连接构成，第一杆体41的一端为第一端411，第一端411通过一枢接轴413及轴承414～416枢接于滑轨31。第二杆体42相对于与第一杆体41连接的一端为第二端421，第一杆体41与第二杆体42的连接处分别呈对应的一第一阶梯状结构412与一第二阶梯状结构422，第一阶梯状结构412与第二阶梯状结构422相互搭接，并通过一固定件43以螺栓44锁固，使第一杆体41与一第二杆体42结合为一整体而无法弯折或分离。而第一阶梯状结构412与第二阶梯状结构422的作用在于，当固定件43与螺栓44被卸除后，而工件承载盘20被导引杆33伸缩部作用驱动上升与抛光盘10分离时，第一杆体41可与工件承载盘20同步向上移动且与第二杆体42分离。

请参阅图2及图3所示，可调式偏心机构60具有一座体61、一滑块62与一调整螺栓63。座体61连接于动力轴51，且座体61与连杆40的第二端421以一枢接轴611及轴承612相互枢接，枢接轴611与动力轴51的轴心偏心设置，枢接轴611与动力轴51之间具有一偏心量ΔS。滑块62设置于座体61内，动力轴51穿设于滑块62，通过一盖体64将滑块62封闭于座体61内。调整螺栓63螺合于滑块62，通过旋转调整螺栓63，可驱动滑块62沿调整螺栓63的轴心方向位移，因此可改变偏心量ΔS。座体61设有一固定螺栓65，固定螺栓65螺入座体61内且顶抵于滑块62，以固定滑块62的位置。可调整的偏心量ΔS的范围不限，例如约为±5mm。

请参阅图4及图5所示，本发明的振动辅助抛光原理为，利用可调式偏心机构60及线性滑轨机构30，将马达50的回转动作转换成线性运动轨迹，来驱动工件承载盘20产生振幅及低频振动，使抛光时工件70与抛光盘10的接触面产生微小低频振动，振动方向则是透过导引座32导引，与抛光盘10的径向同方向振 动。在本实施例中，抛光盘10与工件70同为逆时针方向转动，且工件70振动方向则为径向的水平振动。详细来说，当工件70与抛光盘10接触时，通过工件70与抛光盘10间的摩擦力，可由抛光盘10驱动工件承载盘20与工件70旋转。同时，马达50的动力轴51驱动座体61旋转且带动连杆40偏心摆动，由连杆40将动力轴51的动力传输至滑轨31，通过导引座32对滑轨31的限位作用，使滑轨31作平行于第一方向F1的线性移动，并驱动工件承载盘20产生一水平径向振幅及一低频振动，且同时使得工件70与抛光盘10的接触面产生低频振动。第一方向F1垂直且通过于抛光盘10的旋转中心轴11。此外，由于可调式偏心机构60可调整偏心量ΔS(显示于图3)，就上述偏心量ΔS约为±5mm而言，可调整水平径向振动的振幅范围为±0.1mm～±10mm，而水平径向振动的频率亦可依据马达50的转速作调整，其范围为0.1～10Hz。

请参阅图6～图9所示有关可调式偏心机构及线性滑轨机构产生低频振动源的连续动作示意图，于图6～图9中将部分结构简化，以较简洁地表示各构件的相对运动关系。

如图6所示，动力轴51与枢接轴611偏心设置。如图7所示，当动力轴51转动时，可调式偏心机构60偏心转动，且带动连杆40转动，连杆40可拉动滑轨31，使滑轨31线性移动。如图8所示，动力轴51继续转动，可进一步将滑轨31外推。如图9所示，当动力轴51继续转动，可将滑轨31拉回，而后可再回到图6所示状态，如此周而复始。于上述过程中，动力轴51与导引座32的位置不会改变，而枢接轴611会环绕动力轴51转动。

藉此，于进行抛光的过程中施加抛光液，抛光液汁悬浮磨粒在上述振动下，配合一定下压的荷重，对工件表面产生切削与研磨抛光的加工作用。因振动过程中会产生侧向冲击，增加抛光液中磨粒的加工作用，除去或改造工件表面原有的变质层，并使液体中磨粒不断搅拌与使加工产出物排出。因振波的传递效应，会 让原本随机分布的磨粒活动性增加，在抛光时将会增加有效磨粒数，因此预期可提升材料移除率。在此振动频率下，可以视为工件在单位时间的接触面积增加，根据有效磨粒数增加，因此整体的材料移除率将有效提升。

请参阅图10所示，本发明经实作样品并装置于传统晶圆抛光设备上加以验证，以本案装置进行两时蓝宝石晶圆的抛光实验，包含有振动辅助与无振动辅助的实验比较，加工条件为：选用转速低于500RPM的马达，并经可调式偏心机构以产生频率1～5Hz的振动；加工压力500g/cm²，抛光盘转速40rpm，抛光磨粒为3um钻石磨粒。振动条件为2.5Hz，振幅±5mm。其中，实验二为实验一的重复试验，由实验结果可知，经由本装置的振动辅助，可达到快速振动镜面抛光，晶圆抛光厚度移除率达0.35um/hr以上，提升50～100％，亦即材料加工效率较传统制程提升1～2倍以上。验证确有振动辅助抛光的进步功效。

综上所述，本发明所提供的振动辅助抛光模块，将旋转机构(转速决定振动的频率)，转化为一径向维度的直线振动运动，将此机构件置入抛光平台产生周期性的振动，依控制振动频率与旋转平台转速作优化匹配，有别于传统加工的相对旋转运动抛光加工或以压电材料产生超音波振荡的原理，本发明并非单纯地以旋转运动搭配线性运动，本发明将工件(硬脆基板)设置于抛光盘上方，且搭配可产生低频振动的可调式偏心机构，振动施加于工件上，搭配抛光盘与工件同方向旋转运动，因此可实现振动辅助抛光(vibration assisted polishing)制程，适用于大面积抛光。其次，本发明所提供的振动辅助抛光模块以模块化方式设计，因此可简易附加于传统抛光设备上，改善传统设备并提升加工效率，以较低成本提升设备性能。亦即，本发明不仅可解决研磨抛光超硬材料工件时遭遇到的材料移除速率过低问题，提升振动平台的可靠度与量产性，同时兼具了降低加工成本与设计简单的优势。

以上所述的具体实施例，仅用于解释本发明的特点及功效， 而非用于限定本发明的可实施范畴，于未脱离本发明公开的精神与技术范畴下，任何运用本发明所公开内容而完成的等效改变及修饰，均仍应为本发明权利要求保护范围所涵盖。