本發(fā)明為一種振動輔助拋光模塊，尤指一種利用可調(diào)式偏心機構(gòu)及線性滑軌機構(gòu)產(chǎn)生低頻振動源，可增進大面積工件的拋光效能的振動輔助拋光模塊。

背景技術(shù)：

藍寶石或碳化硅晶圓等硬脆基板，于加工中必須經(jīng)歷一拋光制程。

就碳化硅晶圓而言，目前全球40％能量被使用為電能而消耗，其電能轉(zhuǎn)換最大耗散是半導(dǎo)體功率元件。曾經(jīng)的「中流砥柱」Si功率元件已日趨其材料發(fā)展的極限，已難以滿足當(dāng)今社會發(fā)展對于高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環(huán)境以及輕便小型化的新需求。碳化硅(SiC)因其寬能帶隙、優(yōu)異的導(dǎo)熱性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，適合做為高功率以及高溫的半導(dǎo)體元件。以碳化硅等為代表的第三代半導(dǎo)體材料，將被廣泛應(yīng)用于光電子元件、電力電子元件等領(lǐng)域，以其優(yōu)異的半導(dǎo)體性能在各個現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域都將發(fā)揮重要革新作用，應(yīng)用前景和市場潛力巨大。

碳化硅晶圓具有優(yōu)異的耐高電壓、耐熱以及低損耗等材料特性，是高功率電子元件所需關(guān)鍵晶圓材料，因此國內(nèi)外均致力提升大尺寸(直徑≥4時)碳化硅晶圓加工效率。

然而，碳化硅為莫氏硬度9.25～9.5(僅次于鉆石)的超硬材料，現(xiàn)今制程以拋光耗時為加工瓶頸(≥2小時；Material Removal Rate，MRR≤0.2μm/h)，導(dǎo)致成本居高不下。此外，碳化硅晶圓因應(yīng)市場需求的另一趨勢為大尺寸化。目前國際的晶圓大廠也陸續(xù)發(fā)表大尺寸(六時)碳化硅晶圓的開發(fā)。然而大尺寸碳化硅晶圓其 加工效率將更見緩慢，導(dǎo)致加工成本即占制造成本1/2以上，因此為解決碳化硅晶圓材料制造上瓶頸，提升加工效率成為產(chǎn)業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵因素。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在一實施例中，本發(fā)明提出一種振動輔助拋光模塊，其包含一拋光盤、一工件承載盤、一線性滑軌機構(gòu)、一連桿、一馬達及一可調(diào)式偏心機構(gòu)；

拋光盤可旋轉(zhuǎn)；

工件承載盤用以承載一工件，工件設(shè)置于工件承載盤，使工件的一加工面朝向拋光盤；

線性滑軌機構(gòu)包括一滑軌、一導(dǎo)引座與一導(dǎo)引桿，滑軌樞接于工件承載盤相對于設(shè)有工件的一面，滑軌嵌設(shè)于導(dǎo)引座內(nèi)，導(dǎo)引桿設(shè)置于導(dǎo)引座上；

連桿具有相對的一第一端與一第二端，第一端樞接于滑軌；

馬達具有一動力軸用以提供動力；

可調(diào)式偏心機構(gòu)具有一座體，座體連接于動力軸，且座體與連桿的第二端以一樞接軸相互樞接，該樞接軸與動力軸的軸心偏心設(shè)置；

由動力軸驅(qū)動座體旋轉(zhuǎn)且?guī)舆B桿偏心擺動，由連桿將動力軸的動力傳輸至滑軌，同時通過導(dǎo)引座對滑軌的限位作用，使滑軌作平行于一第一方向的線性移動，并驅(qū)動工件承載盤產(chǎn)生一水平徑向振幅及一低頻振動，且同時使得工件與拋光盤的接觸面產(chǎn)生低頻振動。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一實施例的組合結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1實施例的部分分解結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖1實施例的可調(diào)式偏心機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為圖1實施例的前視組合結(jié)構(gòu)動作示意圖。

圖5為圖1實施例的俯視組合結(jié)構(gòu)動作示意圖。

圖6～圖9為本發(fā)明的可調(diào)式偏心機構(gòu)及線性滑軌機構(gòu)產(chǎn)生低頻振動源的連續(xù)動作示意圖。

圖10為本發(fā)明的振動輔助加工效率相較于無振動的拋光制程的曲線圖。

【符號說明】

10-拋光盤

20-工件承載盤

30-線性滑軌機構(gòu)

31-滑軌

32-導(dǎo)引座

321-凹槽

33-導(dǎo)引桿

40-連桿

41-第一桿體

411-第一端

412-第一階梯狀結(jié)構(gòu)

413-樞接軸

414～416-軸承

42-第二桿體

421-第二端

422-第二階梯狀結(jié)構(gòu)

43-固定件

44-螺栓

50-馬達

51-動力軸

60-可調(diào)式偏心機構(gòu)

61-座體

611-樞接軸

612-軸承

62-滑塊

63-調(diào)整螺栓

64-蓋體

65-固定螺栓

70-工件

F1-第一方向

ΔS-偏心量

具體實施方式

請參閱圖1及圖2所示，本發(fā)明的一種振動輔助拋光模塊，其包含一拋光盤10、一工件承載盤20、一線性滑軌機構(gòu)30、一連桿40、一馬達50、一可調(diào)式偏心機構(gòu)60。

拋光盤10可旋轉(zhuǎn)，馬達50可采用變頻馬達，其具有一動力軸51用以提供動力。工件承載盤20用以承載一工件70，于工件承載盤20設(shè)有固定裝置(圖中未示出)可將工件70固定于工件承載盤20，使工件70的加工面朝向拋光盤10。工件70為硬脆的芯片基板，而硬脆的芯片基板泛指難加工的單晶或陶瓷材料，例如藍寶石或碳化硅晶圓。

線性滑軌機構(gòu)30包括一滑軌31、一導(dǎo)引座32與一導(dǎo)引桿33，滑軌31樞接于工件承載盤20相對于設(shè)有工件70的一面。導(dǎo)引座32具有一凹槽321，滑軌31嵌設(shè)于凹槽321內(nèi)。導(dǎo)引桿33設(shè)置于導(dǎo)引座32上且連接于一固定座(圖中未示出)。固定座用以限制導(dǎo)引座32與導(dǎo)引桿33無法自由轉(zhuǎn)動，因此可由導(dǎo)引座32對滑軌31產(chǎn)生限位作用，使滑軌31僅能沿著凹槽321的長度方向滑動。導(dǎo)引桿33上具有一伸縮部，伸縮部可使導(dǎo)引座32及連接的工件承載盤20與工件70可同步上下位移，以便于架設(shè)或拆卸工件70。詳細來說，由導(dǎo)引桿33的伸縮部驅(qū)動工件承載盤 20與拋光盤10相對運動，使工件70與拋光盤10接觸或分離。

連桿40由一第一桿體41與一第二桿體42連接構(gòu)成，第一桿體41的一端為第一端411，第一端411通過一樞接軸413及軸承414～416樞接于滑軌31。第二桿體42相對于與第一桿體41連接的一端為第二端421，第一桿體41與第二桿體42的連接處分別呈對應(yīng)的一第一階梯狀結(jié)構(gòu)412與一第二階梯狀結(jié)構(gòu)422，第一階梯狀結(jié)構(gòu)412與第二階梯狀結(jié)構(gòu)422相互搭接，并通過一固定件43以螺栓44鎖固，使第一桿體41與一第二桿體42結(jié)合為一整體而無法彎折或分離。而第一階梯狀結(jié)構(gòu)412與第二階梯狀結(jié)構(gòu)422的作用在于，當(dāng)固定件43與螺栓44被卸除后，而工件承載盤20被導(dǎo)引桿33伸縮部作用驅(qū)動上升與拋光盤10分離時，第一桿體41可與工件承載盤20同步向上移動且與第二桿體42分離。

請參閱圖2及圖3所示，可調(diào)式偏心機構(gòu)60具有一座體61、一滑塊62與一調(diào)整螺栓63。座體61連接于動力軸51，且座體61與連桿40的第二端421以一樞接軸611及軸承612相互樞接，樞接軸611與動力軸51的軸心偏心設(shè)置，樞接軸611與動力軸51之間具有一偏心量ΔS?；瑝K62設(shè)置于座體61內(nèi)，動力軸51穿設(shè)于滑塊62，通過一蓋體64將滑塊62封閉于座體61內(nèi)。調(diào)整螺栓63螺合于滑塊62，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺栓63，可驅(qū)動滑塊62沿調(diào)整螺栓63的軸心方向位移，因此可改變偏心量ΔS。座體61設(shè)有一固定螺栓65，固定螺栓65螺入座體61內(nèi)且頂?shù)钟诨瑝K62，以固定滑塊62的位置。可調(diào)整的偏心量ΔS的范圍不限，例如約為±5mm。

請參閱圖4及圖5所示，本發(fā)明的振動輔助拋光原理為，利用可調(diào)式偏心機構(gòu)60及線性滑軌機構(gòu)30，將馬達50的回轉(zhuǎn)動作轉(zhuǎn)換成線性運動軌跡，來驅(qū)動工件承載盤20產(chǎn)生振幅及低頻振動，使拋光時工件70與拋光盤10的接觸面產(chǎn)生微小低頻振動，振動方向則是透過導(dǎo)引座32導(dǎo)引，與拋光盤10的徑向同方向振 動。在本實施例中，拋光盤10與工件70同為逆時針方向轉(zhuǎn)動，且工件70振動方向則為徑向的水平振動。詳細來說，當(dāng)工件70與拋光盤10接觸時，通過工件70與拋光盤10間的摩擦力，可由拋光盤10驅(qū)動工件承載盤20與工件70旋轉(zhuǎn)。同時，馬達50的動力軸51驅(qū)動座體61旋轉(zhuǎn)且?guī)舆B桿40偏心擺動，由連桿40將動力軸51的動力傳輸至滑軌31，通過導(dǎo)引座32對滑軌31的限位作用，使滑軌31作平行于第一方向F1的線性移動，并驅(qū)動工件承載盤20產(chǎn)生一水平徑向振幅及一低頻振動，且同時使得工件70與拋光盤10的接觸面產(chǎn)生低頻振動。第一方向F1垂直且通過于拋光盤10的旋轉(zhuǎn)中心軸11。此外，由于可調(diào)式偏心機構(gòu)60可調(diào)整偏心量ΔS(顯示于圖3)，就上述偏心量ΔS約為±5mm而言，可調(diào)整水平徑向振動的振幅范圍為±0.1mm～±10mm，而水平徑向振動的頻率亦可依據(jù)馬達50的轉(zhuǎn)速作調(diào)整，其范圍為0.1～10Hz。

請參閱圖6～圖9所示有關(guān)可調(diào)式偏心機構(gòu)及線性滑軌機構(gòu)產(chǎn)生低頻振動源的連續(xù)動作示意圖，于圖6～圖9中將部分結(jié)構(gòu)簡化，以較簡潔地表示各構(gòu)件的相對運動關(guān)系。

如圖6所示，動力軸51與樞接軸611偏心設(shè)置。如圖7所示，當(dāng)動力軸51轉(zhuǎn)動時，可調(diào)式偏心機構(gòu)60偏心轉(zhuǎn)動，且?guī)舆B桿40轉(zhuǎn)動，連桿40可拉動滑軌31，使滑軌31線性移動。如圖8所示，動力軸51繼續(xù)轉(zhuǎn)動，可進一步將滑軌31外推。如圖9所示，當(dāng)動力軸51繼續(xù)轉(zhuǎn)動，可將滑軌31拉回，而后可再回到圖6所示狀態(tài)，如此周而復(fù)始。于上述過程中，動力軸51與導(dǎo)引座32的位置不會改變，而樞接軸611會環(huán)繞動力軸51轉(zhuǎn)動。

藉此，于進行拋光的過程中施加拋光液，拋光液汁懸浮磨粒在上述振動下，配合一定下壓的荷重，對工件表面產(chǎn)生切削與研磨拋光的加工作用。因振動過程中會產(chǎn)生側(cè)向沖擊，增加拋光液中磨粒的加工作用，除去或改造工件表面原有的變質(zhì)層，并使液體中磨粒不斷攪拌與使加工產(chǎn)出物排出。因振波的傳遞效應(yīng)，會 讓原本隨機分布的磨?；顒有栽黾?，在拋光時將會增加有效磨粒數(shù)，因此預(yù)期可提升材料移除率。在此振動頻率下，可以視為工件在單位時間的接觸面積增加，根據(jù)有效磨粒數(shù)增加，因此整體的材料移除率將有效提升。

請參閱圖10所示，本發(fā)明經(jīng)實作樣品并裝置于傳統(tǒng)晶圓拋光設(shè)備上加以驗證，以本案裝置進行兩時藍寶石晶圓的拋光實驗，包含有振動輔助與無振動輔助的實驗比較，加工條件為：選用轉(zhuǎn)速低于500RPM的馬達，并經(jīng)可調(diào)式偏心機構(gòu)以產(chǎn)生頻率1～5Hz的振動；加工壓力500g/cm²，拋光盤轉(zhuǎn)速40rpm，拋光磨粒為3um鉆石磨粒。振動條件為2.5Hz，振幅±5mm。其中，實驗二為實驗一的重復(fù)試驗，由實驗結(jié)果可知，經(jīng)由本裝置的振動輔助，可達到快速振動鏡面拋光，晶圓拋光厚度移除率達0.35um/hr以上，提升50～100％，亦即材料加工效率較傳統(tǒng)制程提升1～2倍以上。驗證確有振動輔助拋光的進步功效。

綜上所述，本發(fā)明所提供的振動輔助拋光模塊，將旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(轉(zhuǎn)速決定振動的頻率)，轉(zhuǎn)化為一徑向維度的直線振動運動，將此機構(gòu)件置入拋光平臺產(chǎn)生周期性的振動，依控制振動頻率與旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)速作優(yōu)化匹配，有別于傳統(tǒng)加工的相對旋轉(zhuǎn)運動拋光加工或以壓電材料產(chǎn)生超音波振蕩的原理，本發(fā)明并非單純地以旋轉(zhuǎn)運動搭配線性運動，本發(fā)明將工件(硬脆基板)設(shè)置于拋光盤上方，且搭配可產(chǎn)生低頻振動的可調(diào)式偏心機構(gòu)，振動施加于工件上，搭配拋光盤與工件同方向旋轉(zhuǎn)運動，因此可實現(xiàn)振動輔助拋光(vibration assisted polishing)制程，適用于大面積拋光。其次，本發(fā)明所提供的振動輔助拋光模塊以模塊化方式設(shè)計，因此可簡易附加于傳統(tǒng)拋光設(shè)備上，改善傳統(tǒng)設(shè)備并提升加工效率，以較低成本提升設(shè)備性能。亦即，本發(fā)明不僅可解決研磨拋光超硬材料工件時遭遇到的材料移除速率過低問題，提升振動平臺的可靠度與量產(chǎn)性，同時兼具了降低加工成本與設(shè)計簡單的優(yōu)勢。

以上所述的具體實施例，僅用于解釋本發(fā)明的特點及功效， 而非用于限定本發(fā)明的可實施范疇，于未脫離本發(fā)明公開的精神與技術(shù)范疇下，任何運用本發(fā)明所公開內(nèi)容而完成的等效改變及修飾，均仍應(yīng)為本發(fā)明權(quán)利要求保護范圍所涵蓋。