CN103346117B - 基于涡流技术的tsv晶圆背面减薄控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法及系统，该方法包括：将涡流感应器固定于晶圆减薄装置的传动轴上，使其垂直于晶圆表面并能随传动轴上下移动；对涡流感应器施加交流电，使用减薄装置对特定的TSV晶圆进行减薄，制定涡流感应器中的感应信号与距离的校准曲线；根据TSV晶圆减薄的目标距离和校准曲线设定终点的感应信号值；对涡流感应器施加交流电，使用减薄装置对TSV晶圆进行减薄，当涡流感应器上的感应信号达到设定的值感应信号时停止TSV晶圆的背面减薄。本发明有效地实现了无接触测量，测量误差小；能够精确控制金属导电柱底部晶圆的厚度；涡流感应器安装方便，工艺成本低。

Description

基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法及系统

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法及系统。

背景技术

随着微电子技术的不断进步，集成电路的特征尺寸不断缩小，互连密度不断提高，同时用户对高性能低耗电的要求不断提高。在这种情况下，靠进一步缩小互连线的线宽来提高性能的方式受到材料物理特性和设备工艺的限制，二维互连线的电阻电容(RC)延迟逐渐成为限制半导体芯片性能提高的瓶颈。

硅通孔(Through Silicon Via，简称TSV)工艺通过在晶圆中形成金属立柱，并配以金属凸点，可以实现晶圆(芯片)之间或芯片与基板间直接的三维互连，这样可以弥补传统半导体芯片二维布线的局限性。这种互连方式与传统的堆叠技术如键合技术相比具有三维方向堆叠密度大、封装后外形尺寸小等优点，从而大大提高芯片的速度并降低功耗。因此，TSV技术已经被广泛认为是继键合、载带焊和倒装芯片之后的第四代封装技术，将逐渐成为高密度封装领域的主流技术。

制备TSV首先需要在晶圆上打孔，然后在孔内通过电镀等方式沉积导电金属柱，再通过磨削的方法对晶圆的背面进行减薄工艺，减薄的最终位置以临近导电金属柱为佳，一般将晶圆厚度控制在离导电金属柱底部1～20μm。

现有技术减薄工艺中一般是控制整个晶圆减薄后的厚度，整个晶圆厚度测量方法包括：

1、点对点接触式：触点一端接触晶圆，另一端接触基点，进而测量整个晶圆的厚度；

2、光学测厚仪控制：用光学传感器，无接触测量整个晶圆的厚度。

虽然上述两种方法可以通过测量整个晶圆的厚度计算得到导电金属柱底部距离晶圆背面的距离，但在具体工艺中，晶圆上打孔的深度及导电金属柱沉积的深度均会有一定程度上的误差，因此上述方法不能精确得到导电金属柱底部距离晶圆背面的距离，对后续的刻蚀等工艺会造成一定影响。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法及系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法及系统。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将涡流感应器固定于晶圆减薄装置的传动轴上，使涡流感应器垂直于晶圆表面并能随传动轴上下移动；

S2、对涡流感应器施加交流电，使用减薄装置对特定的TSV晶圆进行减薄，制定涡流感应器中的感应信号与距离的校准曲线，所述距离为涡流感应器与TSV晶圆中导电柱底部的距离；

S3、根据TSV晶圆减薄的目标距离和校准曲线设定终点的感应信号值；

S4、对涡流感应器施加交流电，使用减薄装置对TSV晶圆进行减薄，当涡流感应器上的感应信号达到设定的感应信号值时停止TSV晶圆的背面减薄。

作为本发明的进一步改进，所述涡流感应器包括位于顶部的感应线圈及与所述感应线圈相连的传感器，当涡流感应器通以交流电时，感应线圈产生一个感应线圈交变磁场，进而在TSV晶圆表面产生涡流，所述涡流会产生一个与感应线圈交变磁场方向相反的涡流感应磁场，感应线圈会产生一定的感应信号，所述传感器用于获取感应线圈中的由涡流产生的感应信号。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中的感应信号选自感应电压、感应电流、相位中的一种；步骤S3中的感应信号值选自感应电压值、感应电流值、相位值中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中TSV晶圆减薄的目标距离为1～20um。

相应地，一种实现基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法的系统，所述系统包括一晶圆减薄装置，晶圆减薄装置包括用于固定承载晶圆的承载装置、研磨晶圆的研磨装置和固定研磨装置的传动轴，所述系统还包括固定安装于所述传动轴上用于对晶圆的厚度进行测量的涡流感应器，所述涡流感应器的最低位置高于研磨装置的最低位置。

作为本发明的进一步改进，所述涡流感应器包括位于顶部的感应线圈及与所述感应线圈相连的传感器，当涡流感应器通以交流电时，感应线圈产生一个感应线圈交变磁场，进而在TSV晶圆表面产生涡流，所述涡流会产生一个与感应线圈交变磁场方向相反的涡流感应磁场，感应线圈会产生一定的感应信号，所述传感器用于获取感应线圈中的由涡流产生的感应信号。

作为本发明的进一步改进，所述感应信号选自感应电压、感应电流、相位中的一种。

本发明基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法及系统的有益效果是：

有效地实现了无接触测量，测量误差小；

能够精确控制金属导电柱底部晶圆的厚度，而不是整个晶圆厚度，为后续刻蚀工艺提供了方便；

涡流感应器安装方便，工艺成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明一具体实施方式中基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法的具体流程图；

图2所示为本发明一具体实施方式中基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制系统的结构示意图；

图3所示为基于涡流技术的涡流感应器的原理示意图；

图4所示为本发明一具体实施方式中感应电压与距离的校准曲线示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示，本发明一优选实施方式中基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法，包括以下步骤：

S1、将涡流感应器固定于晶圆减薄装置的传动轴上，使涡流感应器垂直于晶圆表面并能随传动轴上下移动；

S2、对涡流感应器施加交流电，使用减薄装置对特定的TSV晶圆进行减薄，制定涡流感应器中的感应信号与距离的校准曲线，感应信号选自感应电压、感应电流、相位或其他感应信号，该距离为涡流感应器与TSV晶圆中导电柱底部的距离；

S3、根据TSV晶圆减薄的目标距离和校准曲线设定终点的感应信号值，该感应信号值选自感应电压值、感应电流值、相位值或其他感应参数值；

S4、对涡流感应器施加交流电，使用减薄装置对TSV晶圆进行减薄，当涡流感应器上的感应电压、感应电流、相位或其它感应参数达到设定的感应电压值、感应电流值、相位值或其它感应参数值时停止TSV晶圆的背面减薄。

相应地，本实施方式中一种实现基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法的系统，该系统包括一晶圆减薄装置，晶圆减薄装置包括用于固定承载晶圆的承载装置、研磨晶圆的研磨装置和固定研磨装置的传动轴，还包括固定安装于传动轴上用于对晶圆的厚度进行测量的涡流感应器，涡流感应器的最低位置高于研磨装置的最低位置。

涡流/涡电流(Eddy Current，又称为傅科电流)现象，在1851年被法国物理学家莱昂·傅科所发现。是由于一个移动的磁场与金属导体相交，或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所产生。简而言之，就是电磁感应效应所造成，这个动作产生了一个在导体内循环的电流，即涡流或涡电流。

在该实施方式中基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法具体步骤如下：

S1、将涡流感应器固定于晶圆减薄装置的传动轴上，使涡流感应器垂直于晶圆表面并能随传动轴上下移动。

如图2所示，晶圆减薄装置包括用于固定承载晶圆的承载装置11、研磨晶圆的研磨装置12和固定研磨装置的传动轴13，晶圆减薄时承载装置带动晶圆转动，从而研磨装置可以对晶圆进行研磨减薄。

本发明在晶圆减薄装置的传动轴13上固定安装有涡流感应器20，用于对晶圆的厚度进行控制。其中，涡流感应器的最低位置高于研磨装置的最低位置，涡流感应器的高度可以根据不同的需求进行调节。

S2、对涡流感应器施加交流电，使用减薄装置对特定的TSV晶圆进行减薄，制定涡流感应器中感应电压、感应电流、相位或其它感应参数与距离的校准曲线，所述距离为涡流感应器与TSV晶圆中导电柱底部的距离。

根据涡流现象制成的传感器称为涡流感应器，如图3所示，涡流感应器20包括位于顶部的感应线圈21及与感应线圈相连的传感器22，当涡流感应器通以交流电时，感应线圈21在金属导体30表面产生涡流，传感器用于获取感应线圈中的由涡流产生的感应电压、感应电流、相位或其它感应信号。

当涡流感应器通以交流电时，感应线圈中会产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该涡流也产生一个方向与感应线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，感应线圈产生一定的阻抗，使感应线圈高频电流的幅度和相位得到改变，这一变化与金属体磁导率、电导率、感应线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及感应线圈到金属导体表面的距离等参数有关。

通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则感应线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、感应线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z＝F(τ,ξ,б,D,I,ω)函数来表示。控制τ、ξ、б、I、ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。

于此，通过涡流感应器中传感器内部的电子线路处理，将感应线圈阻抗Z的变化，即感应线圈与金属导体的距离D的变化转化成感应电压或感应电流的变化，输出感应电压或感应电流的信号大小随涡流感应器中感应线圈头部到被测体表面之间的间距而变化。

因此，通过对涡流感应器施加交流电，可以对特定的TSV晶圆制定涡流感应器中感应电压或感应电流与涡流感应器和TSV晶圆中导电柱底部的距离的校准曲线。

TSV晶圆根据晶圆中的导电柱的大小和密度不同会呈现不同的曲线，因此，对于特定的TSV晶圆要分别绘制校准曲线。如图4所示为本发明一优选实施方式中获得的涡流感应器中感应电压与涡流感应器和TSV晶圆中导电柱底部距离的校准曲线，该校准曲线呈线性关系，根据TSV晶圆中导电柱的不同，也可以是其他非线性曲线等，但感应电压(或感应电流)与距离的关系一定是一一对应的。

S3、根据TSV晶圆减薄的目标距离和校准曲线设定终点的感应电压值、感应电流值、相位值或其它感应信号值。

晶圆减薄后需要对晶圆背面进行刻蚀等工艺，进而露出TSV，通常情况下TSV晶圆减薄后导电柱底部距离晶圆底部的目标距离以1～20um为佳。

本步骤中首先预先设定目标距离的大小，目标距离与涡流感应器底部距离研磨装置底部的距离之和即为涡流感应器底部距离TSV晶圆中导电柱底部的距离，根据这个距离可以在步骤S2中的校准曲线中查找得到对应的感应电压值、感应电流值、相位值或其它感应信号值。

S4、对涡流感应器施加交流电，使用减薄装置对TSV晶圆进行减薄，当涡流感应器上的感应电压、感应电流、相位或其它感应信号达到设定的感应电压值、感应电流值、相位值或其它感应信号值时停止TSV晶圆的背面减薄。

本发明优选实施方式中，对TSV晶圆背面减薄过程中，涡流感应器中的传感器会将感应线圈的阻抗通过感应电压或感应电流进行反馈，感应电压或感应电流在减薄过程中是线性或非线性呈单一性增大/减小的，每个距离对应一个感应电压值或感应电流值，通过监控感应电压值或感应电流值到预先设定的感应电压值或感应电流值，就可以将晶圆减薄后的背面厚度控制为目标距离。

由以上实施方式可以看出，本发明对感应线圈施加交流电，在TSV晶圆中金属导电柱的表面上产生涡流，涡流对感应线圈产生阻抗，并将感应线圈的阻抗通过传感器转化为感应电压或感应电流，进而得到特定的TSV晶圆涡流感应器中感应电压或感应电流与距离的校准曲线，借由该校准曲线可以通过感应电压或感应电流的大小来控制距离。当然，在其他实施方式中也可以将距离的变化转变为相位的变化，制定特定的TSV晶圆涡流感应器中相位与距离的校准曲线，同样可以实现相同的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

有效地实现了无接触测量，测量误差小；

能够精确控制金属导电柱底部晶圆的厚度，而不是整个晶圆厚度，为后续刻蚀工艺提供了方便；

涡流感应器安装方便，工艺成本低。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、将涡流感应器固定于晶圆减薄装置的传动轴上，使涡流感应器垂直于晶圆表面并能随传动轴上下移动，涡流感应器包括位于顶部的感应线圈及与所述感应线圈相连的传感器，当涡流感应器通以交流电时，感应线圈产生一个感应线圈交变磁场，进而在TSV晶圆表面产生涡流，所述涡流会产生一个与感应线圈交变磁场方向相反的涡流感应磁场，感应线圈会产生一定的感应信号，所述传感器用于获取感应线圈中的由涡流产生的感应信号；

S2、对涡流感应器施加交流电，使用减薄装置对特定的TSV晶圆进行减薄，制定涡流感应器中的感应信号与距离的校准曲线，所述距离为涡流感应器与TSV晶圆中导电柱底部的距离；

S3、根据TSV晶圆减薄的目标距离和校准曲线设定终点的感应信号值；

S4、对涡流感应器施加交流电，使用减薄装置对TSV晶圆进行减薄，当涡流感应器上的感应信号达到设定的感应信号值时停止TSV晶圆的背面减薄。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中的感应信号选自感应电压、感应电流、相位中的一种；步骤S3中的感应信号值选自感应电压值、感应电流值、相位值中的一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中TSV晶圆减薄的目标距离为1～20um。

4.一种实现如权利要求1所述的基于涡流技术的TSV晶圆背面减薄控制方法的系统，所述系统包括一晶圆减薄装置，晶圆减薄装置包括用于固定承载晶圆的承载装置、研磨晶圆的研磨装置和固定研磨装置的传动轴，其特征在于，所述系统还包括固定安装于所述传动轴上用于对晶圆的厚度进行测量的涡流感应器，所述涡流感应器的最低位置高于研磨装置的最低位置，涡流感应器包括位于顶部的感应线圈及与所述感应线圈相连的传感器，当涡流感应器通以交流电时，感应线圈产生一个感应线圈交变磁场，进而在TSV晶圆表面产生涡流，所述涡流会产生一个与感应线圈交变磁场方向相反的涡流感应磁场，感应线圈会产生一定的感应信号，所述传感器用于获取感应线圈中的由涡流产生的感应信号。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述感应信号选自感应电压、感应电流、相位中的一种。