CN101755189A - 用于在加工元件时检测该元件的厚度尺寸的仪器和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在磨削加工过程中检测半导体晶片(1)的厚度尺寸的仪器，该仪器包括光学探测器(3)，该光学探测器将红外线辐射光束发射到被加工的晶片(1)的表面(2)上，并探测由所述表面、所述晶片的相对的表面(2’)和/或在晶片中用于分隔不同层的表面(2”，2’”)所反射的光束。发射和反射的光束沿通路(4)行进，所述通路(4)具有显著恒定的不连续性，其一部分穿过空气(15)，另一部分通过基本以层流形式低速流动的液体垫(30)。所述光学探测器的支撑定位件(7)包括形成液体垫的液压管道(22，25)。一种用于检测厚度尺寸的方法包括沿发射和反射的光束的行进通路形成液体垫。

Description

用于在加工元件时检测该元件的厚度尺寸的仪器和方法
技术领域
本发明涉及一种仪器，该仪器用于在磨床上加工半导体晶片时检测该半导体晶片的厚度尺寸，所述检测仪器包括：检测系统，该检测系统具有红外线光源、反射光束检测器以及光学探测器，所述光源和所述检测器连接于所述光学探测器，以沿着纵向通路朝向正在被加工的所述半导体晶片的第一表面发射红外线光束，并且基本沿着该纵向通路接收由所述第一表面和被加工的所述半导体晶片所限定的至少一个不同的表面反射的光束；支撑定位件，该支撑定位件用于支撑并定位所述光学探测器；以及控制处理单元，该控制处理单元连接于所述检测系统。
本发明还涉及一种方法，该方法用于在磨床上加工半导体晶片时通过红外线光学探测器和该光学探测器的支撑定位件检测该半导体晶片的厚度尺寸，所述检测方法包括如下步骤：经由所述光学探测器沿着纵向通路向正在被加工的所述半导体晶片的第一表面供应并传送红外线光束；通过所述纵向通路和光学探测器检测并接收由所述第一表面和被加工的所述半导体晶片所限定的至少一个不同的表面反射的光束；以及通过干涉测量系统处理反射的所述光束，以获取正在被加工的所述半导体晶片的厚度尺寸的信息。
背景技术
在半导体薄片或半导体晶片在机床(具体为磨床和抛光机)上进行加工的过程中，用于检测该正在加工的半导体薄片或半导体晶片的厚度尺寸的检测系统存在有公知系统。
所述公知系统具有不同的类型，例如可以包括具有机械触点的测头，其中所述机械触点用于接触正在被加工的晶片的至少一个表面。这种系统扰动影响被检测的工件，而且其检测值不允许低于某一尺寸值，因此该系统不能适用于下述经常发生的情形，即需要对一侧固定于薄膜或者支撑件上的半导体晶片的厚度尺寸进行精确检测的情形。其它公知系统采用不同类型的探测器，例如电容探测器、感应探测器(例如涡流探头或其它探测器)或者超声探测器。但是，这些公知系统的局限在于能够检测的尺寸(例如不能检测小于100微米的厚度)和能够达到的分辨能力(不小于10微米)有限。为了克服这些缺陷，可以采用具有光学探测器的系统。美国专利US6437868A涉及该种具有光学探测器的系统的应用，该系统包括光学反射系统，该光学反射系统沿轴向方向安装在待检测的晶片的支撑件内。由于晶片的制造材料(半导体材料，典型为硅)的特性，所采用的红外光能够部分地透过该晶片或构成该晶片的晶片层，并且在与该晶片或晶片层的磨削加工侧相对的一侧检测该晶片或晶片层的厚度。
经常地，必须在磨削加工的同一侧进行检测，或者在磨削加工的同一侧进行检测比较方便，并使得光学探测器能够执行这种检测，例如，公开号为JP08-216016A的日本专利申请中所公开的光学探测器。为了增强检测的可靠性，一般简便地通过清洁流体(例如空气或水)来使得所述光学探测器探测的晶片表面保持清洁。
在该方式下，所述光学探测器的操作会受到影响，特别是由于传输元件的不连续和/或清洁流体中的紊流现象所导致的传输和/或接收的光束的特性的意外和不可控制的改变，更会使得所述光学探测器的操作受到影响。此外，不同的介质会部分地吸收辐射光，从而限制了反射到所述光学探测器的光线强度。
因此，必须采用更高的电放大倍数，并且所述探测器会更多地暴露在背景噪声中。
在使用清洁空气的情形下，必须严格过滤以避免引入异物而干扰检测并污染晶片表面，由此会增加成本。而且，被加工的工件上的、尤其是在非常薄(达到5-10微米)的硅片上的空气喷射流的机械效应是不可忽视的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在磨削加工过程中检测半导体晶片的厚度尺寸的仪器和方法，该仪器和方法非常可靠，其使用灵活，并且保证了高水平的检测性能，从而克服了公知仪器和方法的问题。该目的和其它目的分别通过根据本发明所要求的第一和第十一技术方案所述的仪器和方法来实现。
根据本发明所述的仪器，该仪器包括光学探测器和用于该光学探测器的独特的支撑定位件，其中低速流动的流体被输送到所述光学探测器所发射和接收的光束通过的限定区域上。在实施时，通过形成层流形式的流体层或流体垫来保持工件表面清洁，而不会产生湍流。所述探测器以如下方式定位在所述支撑定位件内，即使得光束(典型为红外线光束)行进在通过空气(具有低吸收性)的通路段和通过流体垫(具有限定的吸收性)的通路段，其中所述流体垫填充在所述探测器和工件的加工表面之间的空间内。优选地，空气中的通路段和流体中的通路段优选通过玻璃分隔开。有利地，所采用的流体可以与磨削加工过程中使用的流体(典型地为软化水(即去矿物水))相同。
根据本发明的优选实施方式，所述支撑定位件包括径向通道(例如四个径向通道，该四个径向通道相对于彼此形成90°的夹角)，该径向通道布置为与所述隔离玻璃相切(即贴靠)。所述流体在径向管道中进行输送并且贴附于该玻璃流动。这种方式阻止了空气泡的形成，并且增强了流体的规则流动和层流的保持。
附图说明
现在参照附图描述本发明，本发明仅通过非限制性的实施例给出，在附图中：
图1是根据本发明的厚度检测仪器的简化的侧视剖面图，并且局部显示了正视图中的一些细节；以及
图2是图1所示的仪器沿图1的截面线II-II的截面图。
具体实施方式
图1表示用于在加工状态下检测元件的厚度尺寸的仪器。被检测的元件例如可以是半导体材料(例如硅)的薄片或者晶片1，该薄片或晶片可以由层1’，1”，1”’形成，该层1’，1”，1”’具有不同的物理特征，并由不连续面2”，2”’分隔开。具有层和不连续面的半导体晶片的结构本身是公知的，并且以示意的方式在图1中进行了显示。所述层的数量和尺寸也仅是一种例示。晶片1的第一表而2在适当的机床上进行磨削，与此同时能够进行厚度检测，所述机床本身是公知的，为了简单起见，在图1中以简化方式用数字6所示的磨轮表示机床。
检测系统包括：公知类型的光学探测器3，该光学探测器3通过光学纤维5与控制处理单元10连接；发射红外光的光源11；以及接收反射的光束并提供相应的电信号的检测器12。光源11和检测器12本身是公知的，例如，在图1中以简化方式将其作为控制处理单元10的组件进行了显示。支撑定位件7以公知的方式固定在外部支撑件9上，并且该支撑定位件7内容纳有探测器3，以限定该探测器3相对于第一表面2的位置。保护套13在图1中以正视图形式进行了部分显示，该保护套13内容纳有光学纤维5。
如上所述，光学探测器3是公知类型的探测器。关于其操作不进行详细描述，探测器3发射沿着纵向通路4穿行的红外线光束，该红外线光束的一部分由晶片1的第一表面2反射，另一部分因各个层1’，1”，1”’的制造材料的典型特性而穿过晶片1，并由不连续表面2”，2”’和/或相对的外表面2’反射。由不同表面2，2’，2”和/或2”’反射的红外线光束基本沿同一纵向通路4行进，并且被传送到检测器12，检测器12的输出信号在控制处理单元10的电路中通过干涉测量法进行适当的处理，以获取关于晶片厚度尺寸的信息，即层1’，1”，1”’的厚度和/或晶片1的整体厚度。这种系统能够检测厚度非常小(甚至不超过10微米)的晶片。
支撑定位件7具有基本呈圆柱形的主体14，该主体14具有与探测器3连通的轴向开口15，以能够使发射的光束穿过所述纵向通路。主体14的一端连接(例如通过螺纹连接方式)有封板16，该封板16包括与轴向开口15对准的出口孔17。在主体14和封板16之间设置有隔离玻璃20，并且该隔离玻璃20在轴向开口15处通过主体14和封板16之间的连接而被锁紧。该玻璃20通过环形垫圈或“O型圈”19密封轴向开口15。
在支撑定位件7的封板16中具有液压管道22和内部通道25，其中液压管道22具有径向入口23，内部通道25使得径向入口23与出口孔17相互连通。出口孔17朝向图1所示的处于加工位置的晶片1的第一表面2。在图示的实施例中，内部通道25为四个，该四个内部通道25相对于纵向通路4径向布置，并且布置为彼此之间形成90°的夹角。液压管道22的径向入口23以公知的方式(在图1中以简化方式以箭头26显示)与低速流动的液体27的外部源连通，所述液体27例如可以是在磨削加工中用作冷却剂的相同的水。液体27通过液压管道22输送到出口孔17，并且穿过该出口孔17从封板16中流出并到达被加工的晶片1的表面2。径向布置并且与玻璃20的表面相切贴靠的四个通道25的存在增强了液体27的规则流动，使得液体27基本以贴附于玻璃20的层流形式流动，并且在液体27从出口孔17中流出时在探测器3和晶片1的表面2之间形成液体垫30。
因而，辐射(发射和反射)光束的纵向通路4包括：通过轴向开口15内的空气的通路段，在该轴向开口15内对光束的吸收最小；以及通过基本以层流形式流动的液体垫30的短的通路段，该穿过液体垫30的通路段处在光束通过隔离玻璃20之后。因此，这种纵向通路4的不连续性得到控制并且是恒定的(而不是随意的，例如在湍急紊动的水面上所形成的不连续性)。因为这能够采用算法进行操作以识别并消除存在于光束的纵向通路4中的伪厚度(乱真厚度)，因此充分保证了通过干涉仪测量处理方法所获得的结果的可靠性。
就以上已经显示和描述的技术内容而言，对其进行相关的变型是切实可行的，例如，就支撑定位件中的液压管道22的实现形式和结构而言，实际上，内部通道的数量和/或布置可以与上述内部通道25不同，只须保证形成具有上述列出并强调的适当特性的液体垫30即可。

Claims (15)

1.一种用于在磨床(6)上加工半导体晶片(1)时检测该半导体晶片(1)的厚度尺寸的仪器，该仪器包括：
检测系统，该检测系统具有红外线光源(11)、检测反射光束的检测器(12)以及光学探测器(3)，所述光源(11)和所述检测器(12)连接于所述光学探测器(3)，以沿纵向通路(4)向被加工的所述半导体晶片(1)的第一表面(2)发射红外线光束，并基本沿所述纵向通路(4)接收由所述第一表面(2)和被加工的所述半导体晶片(1)所限定的至少一个不同的表面(2’，2”，2’”)反射的光束；
支撑定位件(7)，该支撑定位件(7)支撑并定位所述光学探测器(3)；以及
控制处理单元(10)，该控制处理单元(10)连接于所述检测系统，其特征在于，所述支撑定位件(7)包括与液体(27)的外部源相连的液压管道(22)，并且该液压管道(22)在所述光学探测器(3)与被加工的所述半导体晶片(1)的第一表面(2)之间形成层流形式的所述液体(27)的液体垫(30)，所述纵向通路(4)包括所述液体垫(30)。
2.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述液压管道(22)包括入口(23)和内部通道(25)，该入口(23)和内部通道(25)与朝向所述半导体晶片(1)的第一表面(2)布置的出口孔(17)连通。
3.根据权利要求2所述的仪器，其中，所述内部通道(25)相对于所述纵向通路(4)径向布置。
4.根据权利要求3所述的仪器，其中，所述内部通道(25)为四个内部通道，并布置为相对于彼此形成90°的夹角。
5.根据上述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述支撑定位件(7)包括主体(14)和封板(16)，所述液压管道(22)设置在所述封板(16)内。
6.根据上述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述支撑定位件(7)限定有轴向开口(15)，所述纵向通路(4)包括该轴向开口(15)。
7.根据权利要求6所述的仪器，其中，所述轴向开口(15)通过玻璃(20)与所述液压管道(22)密封性隔离。
8.根据上述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述液体(27)为软化水。
9.根据上述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述液体(27)还用于在所述磨床上加工所述半导体晶片(1)。
10.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述检测器(12)用于发射与所接收的反射光束相对应的电信号，所述控制处理单元(10)包括与所述检测器(12)相连的电路，并且用于接收所述电信号并执行干涉测量类型的处理过程。
11.一种方法，该方法用于在磨床(6)上加工半导体晶片(1)时通过红外线光学探测器(3)和该光学探测器的支撑定位件(7)检测所述半导体晶片(1)的厚度尺寸，该方法包括如下步骤：
形成红外线光束，并经由所述光学探测器(3)沿纵向通路(4)向被加工的所述半导体晶片(1)的第一表面(2)发射所述红外线光束；
探测由所述第一表面(2)和被加工的所述半导体晶片(1)所限定的至少一个不同的表面(2’，2”，2’”)反射的光束，并通过所述纵向通路(4)和光学探测器(3)接收反射的所述光束；以及
通过干涉测量系统处理反射的所述光束，以获取被加工的所述半导体晶片(1)的厚度尺寸的信息；
其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
通过布置在所述支撑定位件(7)内的液压管道(22)输送液体(27)，并在所述光学探测器(3)与被加工的所述半导体晶片(1)的第一表面(2)之间形成层流形式的所述液体(27)的液体垫(30)，所述纵向通路(4)包括所述液体(27)的液体垫(30)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述纵向通路(4)还包括通过空气(15)的通路段。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述液体(27)是在所述磨床上加工所述半导体晶片(1)时所用的冷却剂。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述半导体晶片(1)所限定的至少一个不同的表面是所述半导体晶片的与所述第一表面(2)相对的外表面(2’)。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述半导体晶片(1)由至少两个层(1’，1”，1’”)形成，所述半导体晶片(1)所限定的至少一个不同的表面是用于分隔所述至少两个层(1’，1”，1’”)的不连续面(2”，2’”)。
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