CN102686973B - 用于监视半导体晶片的薄化的原位测量晶片厚度的监视设备和方法、以及包括湿蚀刻设备和监视设备的薄化设备 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，发明创造出了一种监视装置（12）来监视在湿蚀刻单元（5）中薄化至少一个半导体晶片（4），其中，监视装置（12）包括光源（14），光源（14）被设计为发射一定光波段的相干光，半导体晶片（4）对所述一定光波段的相干光是光学透明的。监视装置（12）还包括测量头（13），测量头（13）相对于将被蚀刻的半导体晶片（4）的表面被非接触式地布置，其中，测量头（13）被设计为以所述一定光波段的相干光照射半导体晶片（4），并被设计为接收被半导体晶片（4）反射的光束（16）。此外，监视装置（12）包括光谱仪（17）和分束器，所述一定光波段的相干光经分束器被引导至测量头（13），反射的光束被引导至光谱仪（17）。监视装置（12）还包括估算单元（18），其中，估算单元（18）被设计为在薄化半导体晶片（4）期间，通过从由1D-se？FDOCT方法、1D-te？FDOCT方法和1D-se？TD-OCT方法组成的组中选择的方法，从被半导体晶片（4）反射的光束（16）确定半导体晶片（4）的厚度d(t)。

Description

用于监视半导体晶片的薄化的原位测量晶片厚度的监视设备和方法、以及包括湿蚀刻设备和监视设备的薄化设备
技术领域
本发明涉及一种用于在半导体晶片的薄化期间对晶片厚度进行原位测量的监视设备和方法。薄化设备还具有用于薄化至少一个半导体晶片的设备，该设备包括控制单元，所述控制单元用于控制蚀刻或清洗液体的量的施加和控制放置有半导体晶片的旋转的保持装置的速度。另外，薄化设备具有用于测量旋转的半导体晶片的厚度的测量设备，该测量设备包括非接触式测量头和发射靠近红外范围的相干光的光源。
背景技术
可以从US6,897,964B2获知厚度测量设备和相应的厚度测量方法、以及使用这样的测量设备和测量方法的湿蚀刻设备和湿蚀刻工艺。在图2中示出了具有测量设备12和蚀刻设备的如在该现有技术中公开的已知的测量设备。已知的蚀刻设备具有用于薄化至少一个半导体晶片4的设备5’。该设备5’设置有用于将被薄化的半导体晶片4的旋转的保持设备6，其中，将被薄化的半导体晶片4定位为被旋转板21上的基板32支撑。旋转板21由电机19驱动而具有旋转速度n，其中，电机19受控制单元11控制。分配器7将蚀刻液体8和/或清洗液体9供给到喷嘴50，其中，喷嘴50润湿具有蚀刻膜22的将被薄化的半导体晶片4的将被蚀刻的表面10。
在薄化半导体4的过程中，基于光束的在将被薄化的半导体晶片4的表面10上反射的分量与穿过半导体晶片被半导体晶片4的相对表面48反射的分量之间的时间差异，测量设备12’使用测量头13按一定的时间间隔测量将被薄化的半导体晶片4的厚度。为此，在近红外范围内的顺序相干光从光源14通过光波导26和24被引导到测量头13并被引导到半导体晶片4上，定位在两个光波导24和26之间的光学耦合器27将来自光源14的光供给到测量头13，并经光学参考光波导47将来自光源14的光供给到参考光产生器44。
在这种类型的根据现有技术的设备中，这样的参考光产生器44对以一定间隔周期性地确定半导体4的两个表面10和48的反射之间的持续时间的差异起到决定性影响。为此，参考光产生器44具有镜式检流计37，其中，镜式检流计37与枢转的平行板玻璃基板38配合操作，并使用反射镜39来形成光学参考路径46，其中，光学参考路径46经由光学参考光波导47和光学耦合器27将经光波导25的光学参考信号供给到光电检测器45，同时，镜式检流计37经光学参考路径检测器40将半导体晶片4的表面10和表面48之间的两个反射的光束分量之间的持续时间的差异提供给估算单元18。估算单元18还接收来自光电检测器45的测量信号，并在第一信号处理电路41中结合原始厚度计算装置42来周期性地检测原始厚度，并基于原始厚度计算的广的分布在估算单元18的进一步的计算块43中从原始数据中进行统计厚度计算（43）。
结果，用于在薄化半导体晶片4期间测量晶片厚度的已知的设备2的缺点在于：厚度测量基于镜式检流计37，其中，镜式检流计37因玻璃基板38的枢转运动而不允许进行晶片厚度3的连续检测。仅能以一定的间隔顺序地计算原始厚度。此外，采用这样的已知的设备2，计算的原始厚度的分布在最后一次的原始厚度测量之后需要执行统计厚度计算以确定最概然厚度减小曲线。
由于需要被链接到光学耦合器27并连接到估算单元18的参考臂以将光电传感器45的测量值分配到半导体晶片4的两个表面10和48，所得的设备因镜式检流计37而对振动是敏感的，并因周期性地确定的原始厚度值的分布而是相对不可靠的。此外，利用这样的方法，不可能在薄化半导体晶片4期间连续地检测晶片厚度3的减小，这是因为在旋转的保持装置6上的半导体晶片4的一次旋转期间仅能确定有限数量的原始厚度值。
发明内容
本发明的目的在于发明创造一种用于在半导体晶片的薄期间测量晶片厚度的新的监视设备和新的方法以监视至少一个半导体晶片的薄化，并且创造一种具有监视设备的薄化设备，它们克服了已知的设备和已知的方法的缺点，并改善了在半导体晶片薄化期间的厚度测量的可靠性和稳定性。
通过独立权利要求的主题来实现这样的目的。
在从属权利要求中具体地说明了本发明的有利的发展。
本发明公开了一种用于监视在湿蚀刻设备中薄化至少一个半导体晶片的监视设备，所述监视设备包括光源，光源被构造为发射一定光波段的相干光，半导体晶片对于所述一定光波段的相干光是光学透明的。另外，所述监视设备具有测量头，测量头相对于将被薄化的半导体晶片的表面被非接触式地定位，所述测量头被构造为以所述一定光波段的相干光照射半导体晶片，并接收被半导体晶片反射的光束。此外，所述监视设备包括光谱仪和分束器，通过分束器将所述一定光波段的相干光引导至测量头，并将反射的光束引导至光谱仪。此外，所述监视设备具有估算单元，所述估算单元被构造为在薄化半导体晶片期间，通过从由1D-seFDOCT（一维空间编码傅里叶域光学相干断层扫描）方法、1D-teFDOCT（一维时间编码傅里叶域光学相干断层扫描）方法和1D-seTDOCT（一维空间编码时域光学相干断层扫描）方法组成的组中选择的方法，从被半导体晶片反射的光束确定半导体晶片的厚度d(t)。
这样的监视设备具有的优点为：晶片厚度的检测不依赖于可移动或可枢转的参考光设备。作为替代，所述监视设备在1D-seFDOCT方法和1D-teFDOCT方法的情况下具有静态光谱仪，并在1D-seTDOCT方法的情况下具有静态傅里叶光谱仪，利用这样的光谱仪可以通过数值傅里叶变换计算光谱。这些静态的宏观力学组件允许在估算单元中进行估算，其中，估算的晶片厚度的每转的数量仅依赖于连接到光谱仪的估算单元的能力和计算速度。另外，所述监视设备具有不需要参考臂的优点。
仅1D-teFDOCT方法需要可调节时间的激光器，可调节时间的激光器与可调节时间的振荡微观力学装置一起操作，以调节作为光源的激光器。然而，微观力学装置以400kHz振荡，因此，其测量速率超过利用已知的检流计进行观测的两倍。
在傅里叶变换中，被半导体晶片的两个表面反射的光波长被成扇形展开、变换、并由使用FDOCT方法通过傅里叶分析或傅里叶变换来进行连续的估算。与测量头是否从下方通过例如中心开口来检测晶片厚度或是否从上方监视半导体晶片的晶片厚度无关。
在与1D-seFDOCT方法或1D-teFDOCT方法相关的优选的实施例中，光谱仪具有衍射光栅，所述衍射光栅被构造为使反射的光束的光谱分布成扇形。
在本发明的另一个实施例中，通过光学透明（具体地讲，红外透明）的保护屏来保护测量头不受蚀刻溶液的影响，其中，保护屏优选地包含蓝宝石。蓝宝石是不能被硅适合溶液腐蚀的单晶氧化铝。当测量头被用于其他半导体材料的其他蚀刻溶液时，需要设置适当地调节保护屏或保护膜。
在另一个实施例中，估算单元还被构造为确定由蚀刻液体构成的蚀刻膜的厚度（df(t)）和均匀度。
在另一个实施例中，分束器是光学耦合器。另外，所述监视设备可以包括：至少一个第一光波导，至少一个第一光波导将测量头连接到光学耦合器；至少一个第二光波导，至少一个第二光波导将光学耦合器连接到光源；至少一个第三光波导，至少一个第三光波导将光学耦合器连接到光谱仪。
本发明还涉及一种薄化设备，所述薄化设备包括湿蚀刻设备和根据前述实施例中的一个实施例的监视设备。
所述薄化设备具有已经参照所述监视设备进行了详细描述的优点。为了避免重复，这里将避免再次进行重申。
湿蚀刻设备优选地具有用于将被薄化的半导体晶片的至少一个旋转的保持设备。在这样的布置中，保持设备可以是被速度受控的电机驱动的旋转台。
在另一个实施例中，薄化设备具有用于薄化半导体晶片的蚀刻液体的分配器。分配器具有不同的喷嘴，诸如滴流式喷嘴或喷洒式喷嘴，滴流式喷嘴产生滴状的液体，而喷洒式喷嘴形成雾状的液体。在本发明的一个实施例中，分配器的这样的喷嘴在将被薄化的旋转的半导体晶片上方被中心式固定。如果将蚀刻设备装配为仅用于一个半导体晶片，则因为半导体晶片的中部移动得慢于其边缘区域并因此对蚀刻膜造成了较低的离心力，所以在半导体晶片的中部的厚度的腐蚀或减小小于在半导体晶片的边缘处的厚度的腐蚀或减小。可选择地，喷嘴可以枢转，以使薄化工艺均匀化。
薄化设备优选地具有作为湿蚀刻设备的一部分的控制/调整单元和结合单元，所述结合单元连接到估算单元，并被构造为在薄化的半导体晶片达到预定的最终厚度dz时停止蚀刻工艺。结合单元优选地经信号线连接到估算单元和控制单元，并可以集成在监视设备或控制单元中。结合单元优选地定位得远离测量头达数米并与用于薄化半导体晶片的湿蚀刻设备分开，且结合单元具有适当的显示器和用户界面的监视器。因此，监视器可以具有触摸屏。
后面的实施例具有的优点在于：它们为半导体晶片薄化方法提供了改进的工艺控制，且同时防止了过度蚀刻。在薄化半导体晶片时，厚度公差的规格可以被限制为几十纳米。即使蚀刻溶液的蚀刻效果依赖于老化现象，也可以在大量的半导体晶片的情况下实现整批的半导体晶片的预定的最终厚度，而不管这样的蚀刻液体老化现象。可以使用这样的薄化设备来控制/调整将被提供的蚀刻溶液的量和蚀刻组分的计量。最终，可以在薄化时实现最终厚度很小的半导体晶片。这样的薄化设备的另外的优点在于：不需要使用被称为“假”晶片的任何准备工艺。还可以减少化学/机械半导体晶片薄化工艺所需的工艺步骤的数量；可以完全省略中间步骤（具体地讲，用于检查的中间步骤）。
与使用检流计参考的已知的扫描技术相比，半导体晶片每转的测量点的数量可以根据估算单元的速度和计算能力而增加几倍，从而可设置的最终厚度的准确率可以被预设为每晶片±70纳米。这样的新的薄化设备实现了薄化的半导体晶片的可预设的最终厚度的与蚀刻溶液的状态无关的高水平的可再现性，从而例如在以一千个晶片为批量的情况下，可以实现小于±0.5μm的晶片厚度分布。
在优选的发明中，控制单元具有调整器，调整器被构造为根据由施加的蚀刻液体构成的蚀刻膜的厚度df(t)来调整通过分配器分配的蚀刻液体的量，和/或被构造为根据半导体晶片的厚度的减小Δd(t)来调整通过分配器分配的蚀刻液体的量。
在薄化设备的另一个实施例中，所述薄化设备被构造为用于薄化硅晶片。这意味着所述薄化设备（优选地，所述湿蚀刻设备）将包含氟酸和诸如硝酸、溶解的过二硫酸盐或溶解的Ce(IV)盐的氧化剂的蚀刻溶液供给到分配器，其中，分配器经枢转的或固定的喷嘴生成用于旋转的硅半导体晶片的蚀刻膜。这样的蚀刻膜通过旋转的保持装置的旋转而被均匀化，且其蚀刻效果受缓冲溶液的控制，其中，缓冲溶液可以含有硫酸和/或磷酸。此外，将被提供有蚀刻膜的硅晶片的表面应被蚀刻膜尽可能地均匀地润湿，为此，可以将液态的或液化的润湿剂混入蚀刻溶液。
这意味着在这样的实施例中的分配器与连接到控制单元的至少四个酸容器配合操作，其中，控制单元控制蚀刻溶液、缓冲溶液和润湿剂的量和组分。在这样的布置中，可以调节酸的混合比率以适于在薄化半导体晶片期间由测量设备测量的任何厚度的减小Δd(t)。此外，清洗剂提供源连接到分配器，当实现了将被薄化的硅晶片的预定的最终厚度时，控制单元通过清洗剂提供源停止蚀刻工艺。
除了将适当的蚀刻剂和清洗剂提供到分配器之外，光源的波长范围也依赖于例如硅晶片的将被薄化的半导体晶片的类型。硅晶片对于可见光是不透明的，因此白色的可见光不是合适的光源。为了测量硅晶片的厚度而提供的光源具有至少部分地在吸收边缘之上的光波段。在优选的实施例中，光源具有在1.5μm和1.6μm之间的或在1.25μm和1.35μm之间的近红外范围内的大约100纳米的光波段。还可以使用所述监视设备在半导体晶片的薄化期间测量对于可见光是透明的诸如GaAs和InP的半导体晶片，但是这需要可选的蚀刻溶液、缓冲溶液和湿化剂。
可以利用在本发明中公开的监视设备在薄化半导体晶片期间使用适当调节的红外光波段测量由GaInAs或InAs制成的对于可见光不透明的半导体晶片。总的来说，可以利用在本发明中公开的监视设备在薄化多个半导体晶片期间连续地监视和测量任何半导体材料（具体地讲，III-V族或II-VI族化合物的半导体材料）。
可以使用控制单元通过控制旋转的保持装置的驱动电机的速度来控制/调整蚀刻膜的厚度和均匀度。还可以通过利用监视设备进行测量来设置蚀刻膜的厚度，以使蚀刻膜的厚度可以被调整。为此，湿蚀刻设备的控制单元还可以具有调整单元。
在薄化设备的可选的构造中，多个半导体晶片位于旋转台的边缘区域中，以使蚀刻效果均匀化。在这样的情况下，监视设备可以连续地检测在一个单独的旋转的保持装置上的多个半导体晶片的薄化。在这样的类型的具有用于薄化一个或多个半导体晶片的湿蚀刻设备的薄化设备的情况下，已经设置了半导体结构的表面位于半导体的没有暴露于蚀刻液体和清洗液体的与将被蚀刻的表面相对的一侧上。
使蚀刻膜均匀化的另一个可能的方法是在旋转台上生成蚀刻膜，并将将被蚀刻的半导体晶片的表面按压到这样的蚀刻膜上。这里，测量头可以例如通过旋转台中的中心开口从下向上指向至将被蚀刻的半导体晶片的表面上，以在使用这样的类型的蚀刻设备薄化半导体晶片的同时检测晶片厚度。
在一个实施例中，测量头自身经多模光波导被连接到估算单元。为此，监视设备具有将来自光源的光引导到测量头并将从诸如半导体晶片的测量对象反射的光束引导到光谱仪的光学耦合器。这里，在检测器行上呈现反射的光的光谱。读取的光谱被按比例增大至波的数量并进行傅里叶变换。在FDOCT方法中，通过在傅里叶变换中出现的峰的位置来确定来自反射的光谱的对应的层的光学路径长度。
可以在结合单元直接读取记录的测量值，其中，结合单元优选地具有双行LC显示器，或者记录的测量值可以显示在具有触摸屏的中央计算机的监视器上，可以经由触摸屏来输入独立的初始和边界条件，诸如将被检查的材料的折射率、不同的层的数量、反射强度的阈值等。
在监视设备检测独立的层的光学长度时，连接的PC的测量程序可以确定并在监视器上显示针对用于厚度测量的材料确定的层的厚度。可以使用PC上的功能键以代替触摸屏。高达每秒4000次测量的高测量速率和以几μm2（平方微米）的二维面积计量的相对低的测量光斑尺寸也允许进行局部的层厚度测量。监视设备还可以安装有多轴定位系统，以在完成蚀刻工艺之后显示最终厚度的平面分布。
因为测量头在不具有可移动或电子组件的情况下进行操作，所以测量头是稳固的，并可以经光波导连接到相距若干米的远程测量设备，且可以连接到测量设备中可用的电子电路，从而测量设备可以与测量头分开地操作。
可以出于各种需要而使用各种测量头，在折射率n=1的情况下，优选的测量头覆盖用于薄化半导体晶片的2μm至250μm的测量范围，并具有10nm的分辨率和20nm的可再现性。测量头距将被薄化的对象的工作距离可以改变达几微米而对测量结果没有负面影响，这是因为连续测量的是半导体晶片的厚度或蚀刻膜的厚度，而非测量头和将被薄化的对象之间的距离的增加。除了10nm的分辨率之外，上述的测量头还实现了70nm的绝对准确度。
在本发明中公开的设备克服了包括单色测量和干涉仪测量所需的高表面质量和由三角测量中的阴影效应导致的问题的其他的常见问题。在本发明中公开的设备可以被用于测量平滑的表面和粗糙的、反射性高且透明的表面。
一种用于监视在湿蚀刻设备中薄化至少一个光学透明半导体晶片的方法（其中，所述湿蚀刻设备包括至少一个旋转的保持装置）包括下述步骤。在湿蚀刻设备中，将至少一个半导体晶片固定在旋转的保持装置上。在这样的方法中，可以通过启用光源和从光源发射一定的光波段（优选地为几十纳米宽）的近红外范围内的相干光，并通过启用接收反射的光束的光谱仪，来开始连续的测量过程，其中，测量头以所述一定的光波段（优选地为几十纳米宽）的近红外范围内的相干光照射旋转的半导体晶片，并通过测量头接收被反射的光束。同时或顺序地，可以通过由分配器施加蚀刻溶液来开始用于薄化旋转的半导体晶片的蚀刻工艺（优选地，还通过控制单元对蚀刻溶液的量和半导体晶片的旋转速度进行调整）。另外，通过从由1D-seFDOCT（一维空间编码傅里叶域光学相干断层扫描）方法、1D-teFDOCT（一维时间编码傅里叶域光学相干断层扫描）方法和1D-seTD-OCT（一维空间编码时域光学相干断层扫描）方法组成的组中选择的方法，来连续地估算光谱式成扇形展开的反射光束，以确定在薄化半导体晶片期间实现的半导体晶片的厚度d(t)。
这样的方法与现有技术的和在US6,897,964B2中公开的已知的用于薄化半导体晶片的方法相比具有的优点在于：不需要光学参考光的产生或光学参考路径。作为替代，使用TDOCT方法或通过使用FDOCT方法的傅里叶变换，通过对来自半导体晶片的两个表面的反射的光束进行光谱分析，来连续地检测将被薄化的半导体晶片的晶片厚度。
每个边界层产生反射的光谱，这样因傅里叶变换而得到清楚的峰，利用得到的清楚的峰，可以以高扫描速率确定在薄化期间定位为距测量头达一定距离的独立的层的光学长度。如已经数次提到的，这样的扫描速率仅简单地依赖于估算单元的能力和计算速度。因此，可以达到每秒4000次的厚度测量速率，这同时得到了确定的值的很高的可再现性。这里，结果不受旋转的保持装置和测量头之间的距离的旋转变化的影响，这是因为在这样的方法中，确定的是层的厚度，而非测量头和将被测量的层的表面之间的距离。
在优选的实施例中，还在连接到监视设备的估算单元的控制单元或结合单元和湿蚀刻设备的控制单元中输入将被薄化的半导体晶片的最终厚度。最终，在这样的实施例中，当达到薄化的半导体晶片的预定的最终厚度时，蚀刻工艺停止。
在这样的方法中，在结合单元或经由具有触摸屏的监视器，优选地以10纳米为单位输入具体为低至几百纳米的最终厚度。除了触摸屏之外，还可以使用PC上的适当分配的功能键。
优选地，在最终厚度在150微米以下的半导体晶片的情况下，通过利用粘结层固定将被薄化的半导体晶片的基板，半导体晶片可以被固定到旋转的保持装置。还可以在薄化半导体晶片时检查粘结层的厚度，只要这样的粘结层对于光源的光波段是透明的即可。
为此，将被薄化的半导体晶片首先被粘附到基板，然后通过真空或永磁体将基板固定到旋转的半导体装置。在通过永磁体来将基板固定到保持装置的情况下，所述基板包含铁磁材料，诸如钴、镍、铁或它们的合金。
具体地讲，在最终厚度很大的情况下，可以在没有基板的情况下通过真空将半导体晶片固定到旋转台。
除了将被薄化的半导体晶片的厚度的连续检测之外，还可以确定由施加的蚀刻溶液构成的蚀刻膜的厚度和均匀性，并可以根据蚀刻膜的厚度测量来调整保持装置的旋转速度和/或将由分配器分配的蚀刻液体的量。相对均匀地薄化半导体晶片需要均匀地流入和均匀地流出的蚀刻溶液、缓冲溶液和/或润湿剂。还可以使用估算单元来连续地对其进行检查，并可以经结合单元在适当的信号线上将其发送到用于蚀刻液体的组分和旋转的保持装置的电机的速度的调整器。这里，可以根据半导体晶片的厚度的减小来在蚀刻期间连续地调整将被施加的蚀刻液体的量和/或组分。
在涉及1D-seFDOCT和1D-teFDOCT方法的实施例中，光谱仪使反射的光束光谱式地成扇形展开。可以通过衍射光栅和下游二极管线使反射的光束的光谱分布成扇形。在另一个实施例中，测量的反射的光束的波长被变换并被发送到用于前述的FDOCT方法的光谱仪。
经分配器将由氟酸和诸如硝酸、溶解的过二硫酸盐或溶解的Ce(IV)盐的氧化剂构成的蚀刻溶液施加到将被薄化的半导体晶片的表面，以作为用于硅晶片的蚀刻液体。可以添加硫酸和/或硝酸以缓冲蚀刻速率，可以混合液体润湿剂以改善润湿。
因为厚度测量是绝对测量，所以测量过程可以在蚀刻工艺之后开始，因此，测量过程可以在实现最终厚度之前的很短的时间开始，且仍有时间用于停止点，因此开始以清洗溶液来代替蚀刻溶液。清洗工艺在估算单元发出已经达到最终厚度的信号时开始。可在清洗工艺之后进行甩干。最后，如上所述，可以使用适当的多轴定位系统来精确地重新测量最终厚度的分布或整个蚀刻表面是否与最终厚度相匹配或超过最终厚度。
所述至少一个半导体晶片可以为将被薄化的硅晶片。此外，所述至少一个半导体晶片可以为由III-V族或II-VI族半导体材料制成的将被薄化的晶片。具体地讲，所述至少一个半导体晶片可以是由半导体材料GaAs、InP、GaInAs或InAs中的一种制成的将被薄化的晶片。
附图说明
下面参照附图对本发明进行更为具体地说明。
图1示出了根据本发明的一个实施例的具有监视设备的薄化设备的示意性结构，其中，监视设备用于在薄膜半导体晶片期间对晶片厚度进行原位测量，以监视半导体晶片的薄化。
图2示出了根据现有技术的用于在薄化半导体晶片期间测量晶片厚度的设备的示意性结构。
附图标记列表
1、薄化设备（本发明的实施例）
2、设备（现有技术）
3、晶片厚度
4、半导体晶片
5、湿蚀刻设备
5’、设备
6、旋转的保持设备
7、分配器
8、蚀刻液体
9、清洗液体
10、旋转的半导体晶片的表面
11、控制单元
12、监视设备
12’、测量设备
13、测量头
14、光源
15、光发射
16、反射光束
17、光谱仪
18、估算单元
19、电机
20、结合单元
21、旋转台
22、蚀刻膜
23、测量头的保护屏
24、光波导（从测量头开始的和到达测量头的）
25、光波导
26、光波导
27、光学耦合器
28、信号线
29、信号线
30、输入和结合单元
31、监视器
32、基板
33、蚀刻溶液的块
34、润湿剂
35、缓冲溶液
36、触摸屏幕
37、检流计（镜式检流计）
38、枢转的玻璃基板
39、反射镜
40、光学图像长度检测
41、信号处理电路
42、原始厚度计算
43、统计厚度计算
44、参考光产生器
45、光电检测器
46、光学参考路径
47、光学参考光波导
48、半导体晶片的位于保持装置上的表面
49、第一测量块
50、分配器喷嘴
51、第二测量块
53、粘结层
54、信号线
55、信号线
d(t)、在给定的时间点的晶片厚度
Δd(t)、半导体晶片的厚度的减小
df(t)、在给定的时间点的蚀刻膜厚度
dz、半导体晶片的最终厚度
λ、光束的波长
n、旋转速度
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一个实施例的具有监视设备12的薄化设备1的示意性结构，其中，监视设备用于在薄膜半导体晶片4期间对晶片厚度3进行原位测量，以监视半导体晶片4的薄化。为此，薄化设备1基本上包括两个设备，即，用于薄化至少一个半导体晶片4的湿蚀刻设备5以及用于监视半导体晶片4的薄化和当正在薄化半导体晶片4时测量旋转的半导体晶片4的厚度3的监视设备12。结合单元20或输入和结合单元30定位在湿蚀刻设备5和监视设备12之间，其中，通过结合单元20或输入和结合单元30，可以输入边界和初始参数、光强度的阈值以及其他参数，并可以显示测量结果。
用于薄化至少一个半导体晶片的湿蚀刻设备5包括用于将被薄化的半导体晶片4的旋转的保持设备6。湿蚀刻设备5还具有用于将被施加到将被薄化的旋转的半导体晶片4的表面10的蚀刻液体8和清洗液体9的分配器7。最后，湿蚀刻设备5具有用于控制将被施加的蚀刻液体8或清洗液体9的量和控制保持装置6的旋转速度n的控制单元11。
第二设备，即，用于监视半导体晶片4的薄化和测量旋转的半导体晶片4的晶片厚度3的监视设备12，具有距将被蚀刻的半导体晶片4的表面10达一定距离的非接触式定位的测量头13。在这样的布置中，半导体晶片4的晶片厚度3的测量的准确性不受测量头13距旋转的半导体晶片4的表面10的距离的影响。此外，监视设备12具有光源14，光源14发射在几十纳米宽的光波段的近红外范围内的相干光15，测量头13以这样的相干光照射半导体晶片4并接收反射的光束16。在示出的本发明的实施例中，光波段的红外范围在1.25μm和1.35μm之间，从而测量头13以100nm宽的光波段沿箭头A的方向非接触式地照射旋转的保持装置6上的半导体晶片4，反射的光束沿箭头B的方向被引导到光谱仪17。
由蓝宝石制成的红外透明保护屏23保护测量头13不受通过分配器7的喷嘴50施加到半导体晶片4的表面10的蚀刻液体8的影响。保护屏23的材料为结晶的、光学透明的Al2O3，如此，保护屏23对于用于硅半导体晶片的蚀刻溶液是不敏感的。测量头13经第一光学光波导24连接到分束器，在示出的实施例中，作为光学耦合器27的分束器是监视设备12的组件，这样的光学光波导24可以为几米长，从而测量设备的电子电路可以被定位为距稳固的测量头和用于薄化半导体晶片的侵蚀性的湿蚀刻设备5达一定距离。这样的电子电路还可以被设置在单独的测量室中。
光学耦合器27经第二光波导26和第一光学光波导24将近红外的红外光源14连接到测量头13，从而发射的相干光15经第二光波导26、光学耦合器27和第一光波导24被传递到测量头13。反射的光束16沿箭头B的方向经光学耦合器27和第三光波导25被引导到光谱仪17。
在反射的光的波长被变换之后，光谱仪17使反射的光束16成光谱式地成扇形展开，并将测得的光谱被引导到估算单元18，以确定晶片厚度。估算单元18具有两个测量块。在示出的实施例中，第一测量块49通过FDOCT方法来确定晶片厚度d(t)，并将确定的值经信号线28传递到结合单元20。在示出的实施例中，第二测量块51通过FDOCT方法在给定的时间点确定蚀刻膜的厚度df(t)，将确定的结果经信号线29连续地提供到结合单元20。也可以提供复用线来代替多条信号线。
结合单元20属于输入和结合单元30，输入和结合单元30也作为控制单元进行操作，并可以具有二维的LC显示器，诸如监视器31，在本发明的这样的实施例中，监视器31安装有触摸屏幕36，从而监视器31不仅可以显示测量结果，也可以用于使用触摸屏幕36和适当的输入掩码来输入边界和初始参数。结合单元20将估算单元18连接到用于薄化半导体晶片4的湿蚀刻设备5的控制单元11。此外，控制单元11经用于形成蚀刻液体8的多个块33至35连接到分配器7，并连接到用于清洗液体9的块。
在这样的布置中，块33中的蚀刻溶液包含用于硅晶片的两种溶液组分，例如，由诸如硝酸、溶解的过二硫酸盐或溶解的Ce(IV)盐的氧化剂和氟酸构成。在块34中可以添加润湿剂，在块35中准备由硫酸和/或磷酸构成的缓冲溶液并将其供给到分配器7。在这样的布置中，可以根据半导体基底材料来调节组分和混合比，使得上面给出的溶液的示例适于薄化硅晶片。
因为这些溶剂高度透明但具有与半导体晶片和环境空气的折射率不同的折射率，所以还可以测量形成在旋转的半导体晶片4上的蚀刻膜22的厚度df(t)并在估算单元18中对其进行确定，从而控制单元11不仅控制旋转的保持装置6的电机19的旋转速度n，也限定将在分配器7中进行混合并经喷嘴50被分配的蚀刻液体8的独立的量和组分。清洗液体9直到将被薄化的半导体晶片4达到其预定的最终厚度dz且蚀刻工艺需要停止时才被使用。
可以通过各种不同的方法将半导体晶片4固定到旋转的保持装置6的旋转台21。在本发明的这样的实施例中，使用粘结层53将半导体晶片4固定到铁磁基板32上，旋转台21具有永磁体，永磁体将铁磁基板32固定到旋转台21。在本发明的另一个实施例中，旋转装置6还可以具有真空旋转台21，真空旋转台21通过真空将合适的基板32固定到旋转台。当需要实现低于150微米的最终厚度时使用这样类型的基板。对于较大的最终厚度，可以通过真空将半导体晶片4固定到旋转台21。
粘结层53优选地含有热塑性塑料，从而在薄化之后，当轻微地加热基板32时，可以按压半导体晶片4，从而从基板32取下半导体晶片4，通常利用基板32沿分开的方向推按半导体晶片4，从而首先将薄化的半导体晶片4分离为独立的薄化的芯片，之后从基板32卸下独立的芯片。因为这样类型的粘结层53也是透明的，所以也可以在蚀刻薄化之前、在蚀刻薄化之后或在蚀刻薄化期间使用测量设备12测量并确定粘结层53的厚度。
因为可以使用使光束16的光谱成光谱式地成扇形展开来确定半导体晶片4的蚀刻膜22和表面10之间的边界层以及粘结层和半导体晶片4的表面48之间的边界层，所以这样的设备1被用于检测多个层。在这样的布置中，在估算单元18中测量的不断减小的晶片厚度3（即，值d(t)），蚀刻膜22的厚度df(t)对于薄化半导体晶片4来说是很重要的。
可以使用旋转台21的驱动电机19的旋转速度n来改变蚀刻膜22的厚度df(t)，而可以使用上述的三个块33至35和控制单元11来调节/调整蚀刻液体8的量和/或组分。在本发明的这样的实施例中，喷嘴50中心式地指向半导体晶片4的中心，或可以在半导体晶片4上方水平地枢转。这样的薄化设备1也可以薄化一个单独的半导体晶片。
然而，还可以将多个半导体晶片4定位在增大了的旋转板21的边缘区域中，而分配器7的喷嘴50中心式地指向旋转台21的中心。在这样的布置中，如果基板32覆盖旋转台21的整个表面，并且将被薄化的独立的半导体晶片固定在公共基板22的边缘区域中，从而蚀刻液体均匀地在晶片上方流动，则这是有优势的。
输入和结合单元30既可以集成在用于薄化半导体晶片4的湿蚀刻设备5中，也可以是监视设备12的一部分。另外，也可以使仅通过信号线28、29以及54、55连接到估算单元18和控制单元11的输入和结合单元30集成到远离湿蚀刻设备5和监视设备12的中央监视室中。这样显示出本发明公开的薄化设备1中的独立组件的布置是非常灵活的，仅有稳固的测量头13需要被定位为距将被蚀刻的半导体基片4的表面10达一定距离。

Claims (38)

1.一种用于监视在湿蚀刻设备(5)中薄化至少一个半导体晶片(4)的监视设备，所述监视设备(12)包括：
光源(14)，光源(14)被构造为发射一定光波段的相干光，半导体晶片(4)对所述一定光波段的相干光是光学透明的；
测量头(13)，测量头(13)相对于将被蚀刻的半导体晶片(4)的表面被非接触式地定位，测量头(13)被构造为以所述一定光波段的相干光照射半导体晶片(4)，并被构造为接收被半导体晶片(4)反射的光束(16)；
光谱仪(17)；
分束器，所述一定光波段的相干光经分束器被引导至测量头(13)，反射的光束被引导至光谱仪(17)；
估算单元(18)，所述估算单元(18)被构造为在薄化半导体晶片(4)期间，通过从由1D-seFDOCT方法、1D-teFDOCT方法和1D-seTD-OCT方法组成的组中选择的方法，从被半导体晶片(4)反射的光束(16)确定半导体晶片(4)的厚度d(t)，
在蚀刻期间，根据半导体晶片(4)的厚度的减小(Δd(t))来连续地调节蚀刻液体(8)的量和/或组分。
2.如权利要求1所述的监视设备，其特征在于，光谱仪(17)包括衍射光栅，所述衍射光栅被构造为成扇形展开反射的光束(16)的光谱分布。
3.如权利要求1或权利要求2所述的监视设备，其特征在于，测量头(13)包括光学透明保护屏(23)。
4.如权利要求3所述的监视设备，其特征在于，光学透明保护屏(23)包含蓝宝石。
5.如权利要求1所述的监视设备，其特征在于，估算单元还被构造为确定由蚀刻液体(8)构成的蚀刻膜(22)的厚度(df(t))和均匀度。
6.如权利要求1所述的监视设备，其特征在于，分束器是光学耦合器(27)。
7.如权利要求6所述的监视设备，其特征在于，至少一个第一光波导(24)将测量头(13)连接到光学耦合器(27)，至少一个第二光波导(26)将光学耦合器(27)连接到光源(14)，至少一个第三光波导(25)将光学耦合器(27)连接到光谱仪(17)。
8.一种包括湿蚀刻设备(5)和根据前述权利要求中的任意一项权利要求所述的监视设备(12)的薄化设备。
9.如权利要求8所述的薄化设备，其特征在于，湿蚀刻设备(5)包括用于将被薄化的半导体晶片(4)的至少一个旋转的保持装置(6)。
10.如权利要求9所述的薄化设备，其特征在于，保持装置(6)是被速度受控的电机(19)驱动的旋转台(21)。
11.如权利要求8至权利要求10中的任意一项权利要求所述的薄化设备，其特征在于，薄化设备(1)包括用于用来薄化半导体晶片(4)的蚀刻液体的分配器(7)。
12.如权利要求11所述的薄化设备，其特征在于，分配器(7)包括滴流式喷嘴。
13.如权利要求11所述的薄化设备，其特征在于，分配器(7)包括喷洒式喷嘴。
14.如权利要求11所述的薄化设备，其特征在于，分配器(7)的喷嘴(50)被定位成喷嘴(50)在将被薄化的半导体晶片(4)上方被中心式固定或能够枢转。
15.如权利要求8所述的薄化设备，其特征在于，薄化设备包括湿蚀刻设备(5)的控制单元(11)和结合单元(20)，所述结合单元(20)连接到估算单元(18)和控制单元(11)，并被构造为在薄化的半导体晶片(4)达到预定的最终厚度(dz)时停止蚀刻工艺。
16.如权利要求15所述的薄化设备，其特征在于，结合单元(20)通过信号线(28、29、54、55)连接到估算单元(18)和控制单元(11)。
17.如权利要求15所述的薄化设备，其特征在于，结合单元(20)集成在监视设备(12)中。
18.如权利要求15所述的薄化设备，其特征在于，结合单元(20)集成在控制单元(11)中。
19.如权利要求15所述的薄化设备，其特征在于，控制单元(11)包括调整器，调整器被构造为根据由蚀刻液体(8)构成的蚀刻膜(22)的厚度(df(t))来调整通过分配器(7)分配的蚀刻液体(8)的量，和/或被构造为根据半导体晶片(4)的厚度的减小(Δd(t))来调整通过分配器(7)分配的蚀刻液体(8)的量。
20.如权利要求8所述的薄化设备，其特征在于，用于将被薄化的硅晶片的蚀刻液体(8)包含含有氟酸和氧化剂的蚀刻溶液以及用于缓冲蚀刻工艺的缓冲溶液。
21.如权利要求20的薄化设备，其特征在于，氧化剂从由硝酸、溶解的过二硫酸盐和溶解的Ce(IV)盐组成的组选择。
22.如权利要求20所述的薄化设备，其特征在于，缓冲溶液包含硫酸和/或磷酸。
23.一种用于监视在湿蚀刻设备(5)中薄化至少一个光学透明半导体晶片(4)的方法，湿蚀刻设备(5)包括至少一个旋转的保持装置(6)，所述方法包括下述步骤：
将至少一个半导体晶片(4)固定在旋转的保持装置(6)上；
通过启用光源(14)并发射一定的光波段的相干光，并通过启用接收反射的光束(16)的光谱仪(17)来开始测量过程，其中，半导体晶片对于所述一定的光波段的相干光是透明的，测量头(13)以所述一定的光波段的相干光照射旋转的半导体晶片(14)并接收反射的光束(16)；
通过由分配器(7)施加蚀刻溶液(8)来开始用于薄化旋转的半导体晶片(4)的蚀刻工艺；
通过从由1D-seFDOCT方法、1D-teFDOCT方法和1D-seTD-OCT方法组成的组中选择的方法，来估算光谱式成扇形展开的反射光束(16)以确定在薄化半导体晶片(4)期间实现的半导体晶片(4)的厚度d(t)，
在蚀刻期间，根据半导体晶片(4)的厚度的减小(Δd(t))来连续地调节蚀刻液体(8)的量和/或组分。
24.如权利要求23所述的方法，所述方法还包括下述步骤：
在连接到监视设备的估算单元(18)和湿蚀刻设备(5)的控制单元(11)的结合单元(20)处输入将被薄化的半导体晶片(4)的最终厚度(dz)；
当实现了薄化的半导体晶片(4)的预定的最终厚度(dz)时停止蚀刻工艺。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，在结合单元(20)处或经具有触摸屏幕(36)的监视器(31)能够可调节地输入最终厚度(dz)。
26.如权利要求23至权利要求25中的任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过基板(32)和粘结层(53)将半导体晶片(4)固定到旋转的保持装置(6)。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，首先将待被薄化的半导体晶片(4)粘附到基板(32)上，然后通过真空或永磁体将基板(32)固定到旋转的保持装置(6)。
28.如权利要求23至权利要求25中的任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过真空将半导体晶片(4)固定到旋转的保持装置(6)。
29.如权利要求23所述的方法，其特征在于，除了确定将被薄化的半导体晶片(4)的厚度(d(t))之外，还确定包含蚀刻液体(8)的蚀刻膜(22)的均匀度和厚度(df(t))，并根据蚀刻膜(22)的厚度测量来调整将被分配器(7)分配的蚀刻液体(8)的每单位时间的量和/或保持装置(6)的旋转速度(n)。
30.如权利要求23所述的方法，其特征在于，光谱仪(17)使反射的光束光谱式地成扇形展开。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，通过衍射光栅使反射的光束(16)的光谱分布成扇形展开。
32.如权利要求23所述的方法，其特征在于，反射光束(16)的波长(λ)被变换并被供给到光谱仪(17)。
33.如权利要求23所述的方法，其特征在于，经分配器(7)为将被薄化的半导体晶片(4)的表面(10)提供包含氟酸和氧化剂的蚀刻溶液以作为用于硅晶片的蚀刻溶液(8)，添加硫酸和/或磷酸以缓冲蚀刻速率，并混合液体润湿剂(34)以改善润湿。
34.如权利要求23所述的方法，其特征在于，测量过程的开始发生在蚀刻工艺的开始之后。
35.如权利要求24所述的方法，其特征在于，开始清洗工艺以停止蚀刻工艺，并在清洗工艺之后执行甩干。
36.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述至少一个半导体晶片(4)是将被薄化的硅晶片。
37.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述至少一个半导体晶片(4)是由III-V族或II-VI族半导体材料制成的将被薄化的晶片。
38.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述至少一个半导体晶片(4)是由半导体物质GaAs、InP、GaInAs或InAs中的一种制成的将被薄化的晶片。
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