CN104034662A - 一种用于拉曼光谱法测量晶圆残余应力的精确定位工具-定位仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉曼光谱法测量晶圆残余应力的精确定位工具‐定位仪。滑轨卡在转坞的凹槽中沿着转坞的凹槽滑动，转坞绕着转坞轴转动；两个伸缩杆轮齿与转坞壳内部的齿轮进行啮合；转坞壳设计为中空圆柱，上表面预留一个与转坞轴相配合的圆孔，转坞轴通过此孔插入到转坞壳内部的齿轮中间的孔中；固定臂垂直于两条伸缩杆，测角仪固定在转坞壳及固定臂上。而由于拉曼仪器本身入射光斑非常小，对测量位置的精确定位很难实现。针对该问题，本发明可以将入射激光较为准确地定位到试样任何测量位置，从而保证了不同试样测量结果的可对比性，极大地提高了拉曼测量的定位精度和结果的可靠性，加工简单，成本低廉。

Description

一种用于拉曼光谱法测量晶圆残余应力的精确定位工具-定位仪

技术领域

本发明涉及拉曼光谱无损检测领域，尤其涉及到拉曼光谱法精确定位检测的实现方式。

背景技术

单晶硅晶圆是目前使用最广泛的IC制造基底材料。硅晶圆的面型精度和表面质量要求也越来越高,由于原始硅晶圆存在较大的厚度偏差和较深的损伤层，且根据封装轻薄化的发展要求，需要对晶圆进行平整化和减薄处理。在此期间，超精密背面磨削技术得到了大量的研究。其中，具有低损伤、高精度、高效率等优点的硅晶圆自旋转磨削技术正逐步取代传统的研磨技术，成为抛光硅晶圆加工和图形硅晶圆背面减薄的主流加工技术。然而磨削加工不可避免地会给晶圆表面带来损伤。单晶硅是脆性材料，背面磨削工艺会在硅晶圆的表面造成机械损伤层(硅的抗剪应力远小于抗拉应力)，其中就包括使晶圆表现出残余应力。影响后续抛光效率和封装良率。为了对晶圆表面的残余应力进行评估和控制，需要对应力进行测量，通过查阅文献资料并最终比较发现，拉曼光谱法是一种测量方法简单，对制样要求低，非接触，以及无损的应力测量方式。拉曼光谱法是根据拉曼效应而发挥作用，即入射光子使被照射分子的能级发生改变，当分子能级返回初始状态时与散射光子会发生能量交换。研究发现，散射光的频谱移动与试样所受到的应力成正比，因此通过测量散射光子的能量变化来确定待测试样的应力。由于拉曼入射光的聚焦尺度非常小(1μm)，因此对目标测量位置的定位准确性会极大地影响测量结果的可靠性。两次测量位置取得不一致，进行对比的时候引入的误差就比较大，结果的可信度就比较低。比如要表征不同磨削工况下的晶圆残余应力，对于不同的磨粒大小、进给速度、晶圆转速等条件下的磨削晶圆，必须进行同位置测量实验，比较才有意义。但目前尚未有任何器件或方法可以对测量点准确定位，仅是以大概位置为基准进行比较测量。为了减小由于测量位置偏差而带来的实验误差，需要精确定位测量位置，本发明通过减小人为持拿引入的误差，从而提高了实验精度。

发明内容

针对以上问题，本发明设计了如题所述的定位仪。将晶圆放在实验载台上用定位仪卡住晶圆直径，通过定角旋转与定距伸缩拉伸杆，来定位测量位置，从而保证每次测量取的是同样的位置。减小了人为观测导致的每次测量点的位置误差，提高了整体实验的可靠性。

一种用于拉曼光谱法测量晶圆残余应力的精确定位工具‐定位仪，其特征在于：包括滑轨及转坞部分、伸缩臂部分和角度测量部分；

滑轨及转坞部分包括带有刻度的滑轨和转坞两个构件；其中滑轨上刻出通孔槽，通孔槽沿着滑轨长度方向；滑轨是一个细长杆，将其一端加工成针尖形状，作为指示角度的指针使用；滑轨卡在转坞的凹槽中，滑轨能够沿着转坞的凹槽滑动，

转坞位于定位仪中心，转坞下方设有转坞轴，转坞能够绕着转坞轴转动；所述伸缩臂部分包括两个带有齿轮的伸缩杆、一个和转坞嵌套的转坞壳、一个通过转坞轴嵌套在转坞壳内部的齿轮、以及一个固定支撑杆；在同一水平面上的两个伸缩杆轮齿与转坞壳内部的齿轮进行啮合；转坞壳设计为中空圆柱，上表面预留一个与转坞轴相配合的圆孔，转坞轴通过此孔插入到转坞壳内部的齿轮中间的孔中；固定臂垂直于两条伸缩杆，且不能伸缩，与转坞壳固定在一起，所述角度测量部分包括一个测角仪，测角仪固定在转坞壳及固定臂上。

在利用拉曼光谱法测量晶圆(200mm)的残余应力的实验中，拉曼光束会打到晶圆表面，光束的聚焦范围为1μm，拉曼光谱仪的载物台可以X-Y向水平移动，还可以沿着垂直于载台的方向上下移动，移动的步进最小可以达到0.1μm，一般情况下拉曼光谱法测量应力采取的步进为1～2μm。

在单因子实验以及正交试验等实验设计中，需要测量若干晶圆，且每个晶圆上的选取的测量位置应该保持一致，这在目前还没有比较精确的方式。比如要沿着晶圆半径方向从边沿到中心取三个位置测量应力，那么就要保证这三个位置在每个待测晶圆上的一致性，一般方法是通过直尺测量标记待测位置或者是直接目视取点，存在较大的位置误差。

针对上面提到的难以精确定位的问题，本发明设计了一种定位仪，其 主要作用原理是，此定位仪可将晶圆卡住，其中心是一个转坞，将标有刻度的滑轨安放到转坞上，滑轨的一端为指针，可以从测角仪上读出转坞转动的角度，这样通过改变滑轨的长度和转动的角度，便可比较精确定位晶圆上想要测量的任何一点。

附图说明：

图1定位仪外观(西南等轴测)；

图2为滑轨与转坞；

图3为测角仪；

图4为转坞壳与其内部齿轮；

图5为伸缩臂与齿轮的啮合。

图1中：

1—为带标尺的滑轨，2—为转坞，3—为测角仪

4—为转坞壳，5—为伸缩臂，6—为固定臂

7—为支脚

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施步骤进行详细说明

图1为本拉曼测量晶圆应力定位仪的整体外观图。整个定位仪包含三大部分：滑轨及转坞部分、伸缩臂部分和角度测量部分。其中滑轨及转坞部分包括带有刻度的滑轨和转坞两个构件。其中滑轨上刻出通孔槽，激光可以穿过此槽照射到晶圆上。如图所示，滑轨卡在转坞的凹槽中，因此滑轨可以沿着转坞的凹槽滑动，根据要测量的区域离中心的距离可以移动滑轨到相应的位置，通过转动转坞可以调节角度。这相当于通过极坐标系来确定一点的位置，因此可以定位到晶圆上需要测量的任何一点。

伸缩臂部分包括一个嵌套在转坞轴上的齿轮及与此齿轮啮合的两个伸缩杆。这样设计是因为，为了使转坞刚好位于待测晶圆的中心位置，就必须要保证两侧伸缩杆的长度一样。使用齿轮配合系统，可以保证两边转动的长度一样。第三条臂即固定臂垂直于前两条伸缩杆，且不能伸缩，是与转坞壳固定在一起的构件，目的是配合上述两杆，给定位移提供稳定的支撑作用。转坞壳是承载转坞的构件，其为中空结构，上端开有小孔，孔径与转坞轴直径相同，恰好可以将轴插入到转坞壳之中，并且插入到齿轮 中间的孔403里。

角度测量部分为一个1/4圆形测角仪，其最小刻度为5°(一般情况下，对晶圆应力的测量选取的角度为偏离基准位置45°以及45°的倍数，因此最小刻度设置为5°。测角仪刻度线宽0.3mm，约等于0.3°圆心角，因此角度测量精度为0.3°)。当晶圆被安放到定位仪下，通过上面的滑轨可以定出测量点离圆心的距离，通过测角仪则可以测量偏离基准位置的转角。

下面通过对各个部分的详细说明来阐述此发明的结构及作用。

图2是滑轨与转坞的组合图。滑轨是一个细长杆，尺寸为150mm×7mm×3mm，将其从距离一端25mm处加工成如图所示的针尖形状，作为指示角度的指针202使用。另一端起始位置处开槽，开槽的宽度为2mm，槽长为125mm。通孔槽201要贯穿滑轨，目的是允许入射光通过。如图槽的左侧为刻度，右侧为刻度标距，最小刻度为1mm，刻度长120mm.滑轨镶嵌在转坞的滑轨槽203里。其尺寸与滑轨尺寸相同，采用的是间隙配合，保证在适度的拉力下，可以移动滑轨，同时在无外力作用或外力较小(如倾斜持拿，竖直持拿定位仪)时，滑轨不与转坞发生相对位移。此外，滑轨及滑轨槽的截面设计为梯形以互相配合，由于是上面的口小，下面的口大，这保证了滑轨不会与转坞在竖直方向上发生位错，并且起到保护滑轨的作用，滑轨不会与转坞脱离连接。标记204为转坞轴，将此轴插入转坞壳孔401里，并嵌套在伸缩杆齿轮上，使得滑轨和转坞可以绕此轴转动。

图3是测角仪，其作用为测量滑轨转动的角度，滑轨指针初始位置指向0°。标记301为测角仪标尺，最小刻度为5°，刻度范围为0°～90°。测角仪固定在与转坞壳相连的固定杆上。由于不需要每个角度的测量，仅在一些特定角度进行测量，因此最小刻度设置为5°。测角仪的厚度为2mm，半径为50mm.

图4为转坞壳和内部齿轮。左图为转坞壳的剖视图。转坞壳与图2中的转坞以及内部齿轮通过转坞轴装配到一起，以转坞壳为基准，转坞和齿轮都可绕着转坞轴转动。标记402为转坞壳通槽，其深度为2.5mm，宽度为17mm，刚好可以容纳齿轮与啮合的伸缩杆。使用时，将此定位仪放置在晶圆上方，拉动伸缩杆，通过齿轮传动，使得伸缩杆两端刚好卡住 晶圆。因为两端是同时伸缩，通过找到最大伸长量，可以保证定位仪正好卡在直径上，且转坞位于晶圆中心。图4中齿轮有29个轮齿，模数为0.2375.

图5是伸缩臂与齿轮的啮合。定位仪的支撑杆总的来说包含三部分：左右各一个伸缩杆与齿轮啮合来控制伸长量，还有一个单纯起支撑作用的固定支撑杆，如图中标记503所示。标记501是伸缩杆齿轮，其齿轮的各项参数与图4中的齿轮均保持一致。标记502是伸缩杆末端的挡块，当伸缩杆拉伸到极限尺寸时，为了防止滑脱，将伸缩杆的一端沿垂直于伸缩杆的方向设计一个阻挡块。伸缩杆的尺寸为160mm×3mm×2.5mm.其厚度与齿轮的厚度一致，均为刚好可以放入转坞壳通槽，如标记402。挡块(标记502)的尺寸为4mm×4mm×2.5mm。另一根杆(标记6)为固定支撑杆，它是与转坞壳连接在一块儿的一个整体，此杆的作用是与其他两个伸缩杆共同构成三点支持，使整个定位仪保持平衡，其尺寸为155mm×4mm×3mm。

因为固定支撑杆与伸缩杆不在同一个高度，因此三个支脚的高低也不一样。由于固定杆比伸缩臂下端要偏上2mm，因此固定杆的支脚比较薄，为3mm，伸缩杆支脚为5mm。

Claims (2)

1.一种用于拉曼光谱法测量晶圆残余应力的精确定位工具-定位仪，其特征在于：包括滑轨及转坞部分、伸缩臂部分和角度测量部分；

滑轨及转坞部分包括带有刻度的滑轨和转坞两个构件；其中滑轨上刻出通孔槽，通孔槽沿着滑轨长度方向；滑轨是一个细长杆，将其一端加工成针尖形状，作为指示角度的指针使用；滑轨卡在转坞的凹槽中，滑轨能够沿着转坞的凹槽滑动；

转坞位于定位仪中心，转坞下方设有转坞轴，转坞能够绕着转坞轴转动；所述伸缩臂部分包括两个带有齿轮的伸缩杆、一个和转坞嵌套的转坞壳、一个通过转坞轴嵌套在转坞壳内部的齿轮、以及一个固定支撑杆；在同一水平面上的两个伸缩杆轮齿与转坞壳内部的齿轮进行啮合；转坞壳设计为中空圆柱，上表面预留一个与转坞轴相配合的圆孔，转坞轴通过此孔插入到转坞壳内部的齿轮中间的孔中；固定臂垂直于两条伸缩杆，且不能伸缩，与转坞壳固定在一起，所述角度测量部分包括一个测角仪，测角仪固定在转坞壳及固定臂上。

2.如权利要求1所述定位仪，滑轨与滑轨槽的截面形状均为梯形。