CN104269365A - 晶圆移除量的测量装置以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种晶圆移除量的测量装置以及测量方法，在进行晶圆的移除量的量测时，将该晶圆放置在该装置中，通过该装置进行对晶圆抛光前、后的两次量测，相互比较以计算出晶圆的移除量，同时对晶圆移除量进行误差分析、处理，进一步的提高测量精度，而且测试过程由装置自动完成，避免了操作人员因操作产生的误差，另外该装置设计相对于FAB内测量晶圆厚度的精密仪器的成本较低。

Description

晶圆移除量的测量装置以及测量方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种晶圆移除量的测量装置以及测量方法。

背景技术

在半导体技术领域中的一种较为常见的器件结构—晶圆，如硅晶圆，它的厚度是极其重要的参数指标。对于半导体器件来说，对晶圆的厚度进行有效的控制，可以减少各个生产流程中产生的机械应力，以保证器件生产性能的稳定性；并且随着科技的发展，晶圆的减薄厚度的需求越来越高，因此通过精确的测量晶圆的厚度以及移除量(对晶圆进行抛光的厚度)成为大规模工业化生产的一个基本要求。

目前，晶圆的移除量在半导体晶圆制造车间(Fabrication，以下简称FAB)内有专门的精密仪器进行测量，但是对于FAB以外的晶圆(例如粗磨reclaim wafer)的厚度和移除量的测量就较为困难，现有技术中主要有两种方法以解决上述问题：一是称量法，二是直接测量法。

所谓称量法即采用称量晶圆的质量，并计算出晶圆的厚度，通过比较抛光前后的厚度差异即可计算出晶圆的移除量；如测量晶圆前后的质量分别为m1、m2，晶圆底表面积S，晶圆密度ρ，测量晶圆前后的厚度分别为h1、h2，其中抛光前后的厚度差异即为晶圆的厚度移除量：Δh＝(h1—h2)/(S×ρ)。这种方法存在较大的误差，并且该误差的主要来源于：风量、称量工具(电子秤)精度、晶圆干燥度、晶圆表面薄膜，对于目前使用的电子秤的精度为0.1g，那么采用该测量方法的误差范围为±10％。

所谓直接测量法即采用游标卡尺直接测量晶圆的厚度，通过比较抛光前后的厚度差异即可计算出晶圆的移除量，但是该测量方法也存在较大误差，其误差的主要来源于：称量工具(游标卡尺)精度、测量手法，对于目前的数显游标卡尺的误差为±0.03mm。

以上两种方法在测量晶圆的厚度以及移除量时，其误差控制都比较不理想，并且随着半导体技术日新月异的发展，以上精度早已无法满足半导体器件的需求，因此如何能够精确的测量晶圆的移除量成为本领域技术人员亟待解决的一个重要问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种晶圆移除量的测量装置以及测量方法，以解决现有技术中无法精确的测量晶圆的移除量的缺陷。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种晶圆移除量的测量装置，其中，所述装置包括：

晶圆支架，用于支撑所述晶圆，且所述晶圆支架的上表面位于同一水平面上；

两个滑轨，在竖直方向上正对设置于所述晶圆的上下两侧；

至少一对激光器，每对激光器均分别设置于所述滑轨之上，且每对激光器的激光束发射口在竖直方向上正对设置。

较佳的，上述的晶圆移除量的测量装置，其中，所述装置还包括：具有空腔的外壳；

所述晶圆支架设置于所述外壳内壁的左右两侧，且所述滑轨设置于所述外壳内壁的上下两侧。

较佳的，上述的晶圆移除量的测量装置，其中，所述装置还包括：电路控制盒；

所述电路控制盒设置于所述外壳的空腔内部，且所述电路控制盒设有：

按键控制电路，用于输入操作指令；

CPU控制电路，用于接收所述操作指令，并发送控制指令，以及采集激光器测量数据并进行运算；

伺服电路，用于接收所述控制指令，并驱动所述激光器于所述滑轨上进行移动；

显示电路，用于显示运算结果。

较佳的，上述的晶圆移除量的测量装置，其中，所述外壳的尺寸为400mm×400mm×200mm。

较佳的，上述的晶圆移除量的测量装置，其中，所述伺服电路包括有伺服电机和一丝杠结构，以带动所述激光器在所述滑轨上移动。

一种上述装置的测量方法，其中，包括：

步骤S1、将一晶圆水平放置于所述晶圆支架上，并在所述晶圆的上表面和/或下表面选取若干测量点；

步骤S2、启动所述装置，同时制动至少一对所述激光器于滑轨上进行移动，利用所述激光器的激光束分别照射所述晶圆的上表面和/或下表面的每个测量点，并采集每对所述激光器到晶圆表面的距离数据；

步骤S3、所述电路控制盒根据所述距离数据，计算出各激光器到晶圆表面距离的平均值L1、L2以及两平均距离之和L1+L2；

步骤S4、对所述晶圆进行抛光工艺之后，重复步骤S2、步骤S3，计算出各激光器到抛光后的晶圆表面距离的平均值L1′、L2′以及两平均距离之和L1′+L2′；

步骤S5、对测量结果L1+L2、L1′+L2′进行比较，计算出晶圆移除量(L1+L2)—(L1′+L2′)，并将运算结果显示于显示电路中。

较佳的，上述的测量方法，其中，步骤S4之前还包括：

测量晶圆上任意两测量点间的水平距离L3，以及激光器到两测量点的距离差L4，计算出所述晶圆的倾斜角α，其中

$\cos \mathrm{\α}=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\frac{L4}{L3}\right)}^2}};$

其中，倾斜角α为晶圆上表面与水平面之间的锐角夹角。

较佳的，上述的测量方法，其中，根据所述倾斜角α计算出所述晶圆的实际移除量：

[(L1+L2)—(L1′+L2′)]×cosα。

较佳的，上述的测量方法，其中，所述测量点至少10个。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明公开了一种晶圆移除量的测量装置以及测量方法，该装置包括晶圆支架、滑轨、激光器、电路控制盒等，在进行晶圆的移除量的测量时，将该晶圆放置在该装置中，通过该装置进行对晶圆抛光前、后的多次量测，相互进行比较以计算出晶圆的移除量，同时对晶圆移除量进行误差分析、处理，进一步的提高测量精度，而且测试过程由装置自动完成，避免了操作人员因操作产生的误差；另外该装置设计相对于FAB内测量晶圆厚度的精密仪器的成本较低。

具体附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1和图2是本发明中晶圆移除量的测量装置的系统结构示意图；

图3是本发明中人机交互装置结构示意图；

图4是本发明中晶圆移除量的误差分析的原理示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：提供一晶圆移除量的测量装置，并对晶圆抛光前、后进行数个测量点的距离测量以及距离的平均值测量，进而通过计算完成对晶圆移除量的测量。

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。

为了精确的完成对晶圆移除量的测量，本发明提供了一种晶圆移除量的测量装置以及测量方法。

如图1和图2所示，晶圆移除量的测量装置包括一个具有空腔的外壳1，该外壳1内壁的左右两侧优选均设置有一个用于支撑晶圆5的晶圆支架4，其中两晶圆支架4位于测量装置的同一高度，即两晶圆支架4的上表面位于同一水平面上，以保证放置在晶圆支架4上的晶圆位于水平面。

在该空腔外壳1的内壁上下两侧还均设有两滑轨3，两个滑轨3在竖直方向上正对设置，同时在各滑轨3上还设有一个激光器2作为本装置的核心部件，其中，两激光器2相对设置即两激光器2的激光束发射口在竖直方向上正对设置。该对激光器2发出激光束照射在晶圆5的上下表面，进行相应激光器2到晶圆5距离数据的测量。

在本发明的实施例中，可根据实际需要进行多对激光器2的设置。

在该外壳1的空腔内还设置有电路控制盒6，该电路控制盒6作为一软件部分，其主要包括：按键控制电路，操作人员可根据实验的需求通过按键控制电路进行操作指令的输入；还包括CPU控制电路，作为软件的核心，用于接收按键控制电路的操作指令，同时采集激光器的测量数据并进行数据运算(距离、距离平均值等)；伺服电路，接收CPU控制电路的控制指令，并驱动激光器在滑轨上进行移动至预定位置进行数据的测量；还包括显示电路，用于将数据的运算结果显示出来。

其中，按键控制电路与显示电路构成人机交互装置(具体为按键面板和显示面板；其按键面板内设有按键控制电路，显示面板内设有显示电路)，并设置于测量装置外侧，便于操作人员对测量装置的操作以及测量结果的输出显示，如图3所示。

在本发明的实施例中，上述伺服电路采用一伺服电机和一丝杠结构，用于带动各对激光器2在滑轨3上进行移动。

优选的，上述外壳1的尺寸为400mm×400mm×200mm(即对应为外壳1的长、宽、高)。

在本发明的实施例中，该装置通过一电源进行驱动供电；作为可选项，可采用额定电压为220V、额定电流为2A的交流电源对其进行供电。

针对上述晶圆移除量的测量装置，本发明还涉及到一晶圆移除量的测量装置的测量方法。

步骤S1、将需要进行测量的晶圆5放置于上述测量装置的两晶圆支架4上，因上述两晶圆支架4的上表面位于同一水平面上，故该晶圆5亦为水平放置状态，如图1所示。在该晶圆5上表面和/或下表面选取若干测量点，便于后续激光器2对该测量点处的晶圆5表面的距离测量；同时为了获取较多的距离信息，并取其平均值以精确距离数据，所采样的测量点不低于10个。但作为一个优选的实施例，在晶圆5的上表面采样10个均匀分布的测量点。

步骤S2、将该装置电连接一电源(额定电压220V，额定电流2A)，启动该晶圆移除量的测量装置，经操作人员通过按键控制电路发送操作指令到CPU控制电路，CPU控制电路发送控制指令至伺服电路中，并通过伺服电路制动激光器2，实现激光器2在滑轨3上进行移动。

在本发明的实施例中，伺服电路带动外壳1内壁上下两侧的激光器2在滑轨3上移动至其激光束出口正对于各个测量点的位置，此时光线照射晶圆5该处的正反两面，并采集相应激光器2至晶圆5表面的若干距离数据。

步骤S3、激光器2在各测量点均进行测量后，该测量数据经CPU控制电路进行采集，并通过计算得出各激光器2到晶圆5表面各测试点的距离的平均值L1、L2，以及两平均距离之和L1+L2。

在本发明的实施例中，必须多次测量晶圆5表面不同位置的测量点到相应激光器2的距离，并取其平均值以提高测量结果的精确度。

步骤S4、对该晶圆5进行抛光工艺之后，并继续重复步骤S2和步骤S3，同样，计算出各激光器2到抛光后的晶圆5表面各测试点的距离的平均值L1′、L2′，以及两平均距离之和L1′+L2′。

在本发明的实施例中，必须多次测量抛光后的晶圆5表面不同位置的测量点到相应激光器2的距离，并取其平均值以提高测量结果的精确度。

步骤S5、CPU控制电路自动对测量结果进行比较，并计算出晶圆5的移除量，并显示于显示电路中。

其中，晶圆5的移除量为(L1+L2)—(L1′+L2′)，测试过程由装置自动完成，该结果相对于现有技术中晶圆移除量的测量结果较为精确。

但是在实际的测量工艺中，晶圆5的放置无法保持决对的水平或者垂直，如图4所示，AB表示本实施例中测出的晶圆移除量，AC表示本实施例中晶圆5的实际移除量，α为晶圆5相对于水平面的倾斜角。

根据三角函数可测出测量值AB与实际值AC的关系为AC＝AB×cosα；其中，由于AB＝(L1+L2)—(L1′+L2′)，另外，0°≤α≤90°，因此测量值AB与实际值AC是存在误差的，当然即使存在误差也可以通过一定的方法进行降低。

如图4所示，在进行晶圆5的抛光之前，测量晶圆5上任意两测量点P1、P2间的水平距离L3，以及相应激光器2到两测量点的距离差L4，根据三角函数关系计算出晶圆5的倾斜角α，其中tanα＝L4/L3，从而在后续测试中可以计算出晶圆移除量的测量值AB与晶圆移除量的实际值AC之间的关系：AC＝AB× $\cos \mathrm{\α}=[(L1+L2)-({L1}^{\′}+{L2}^{\′})]\×\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\frac{L4}{L3}\right)}^2}},$ 且误差及其微小(小于0.1um)，大大的提高了晶圆移除量的测量结果的精确度。

综上所述，本发明公开了一种晶圆移除量的测量装置以及测量方法，该装置包括晶圆支架、滑轨、激光器、电路控制盒等，在进行晶圆的移除量的测量时，将该晶圆放置在该装置中，通过该装置进行对晶圆抛光前后的多次量测，相互进行比较以计算出晶圆的移除量，同时对晶圆移除量进行误差分析、处理，进一步的提高测量精度，而且测试过程由装置自动完成，避免了操作人员因操作产生的误差；另外该装置设计相对于FAB内测量晶圆厚度的精密仪器的成本较低。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种晶圆移除量的测量装置，其特征在于，所述装置包括：

晶圆支架，用于支撑所述晶圆，且所述晶圆支架的上表面位于同一水平面上；

两个滑轨，在竖直方向上正对设置于所述晶圆的上下两侧；

至少一对激光器，每对激光器均分别设置于所述滑轨之上，且每对激光器的激光束发射口在竖直方向上正对设置。

2.如权利要求1所述的晶圆移除量的测量装置，其特征在于，所述装置还包括：具有空腔的外壳；

所述晶圆支架设置于所述外壳内壁的左右两侧，且所述滑轨设置于所述外壳内壁的上下两侧。

3.如权利要求2所述的晶圆移除量的测量装置，其特征在于，所述装置还包括：电路控制盒；

所述电路控制盒设置于所述外壳的空腔内部，且所述电路控制盒设有：

按键控制电路，用于输入操作指令；

CPU控制电路，用于接收所述操作指令，并发送控制指令，以及采集激光器测量数据并进行运算；

伺服电路，用于接收所述控制指令，并驱动所述激光器于所述滑轨上进行移动；

显示电路，用于显示运算结果。

4.如权利要求2所述的晶圆移除量的测量装置，其特征在于，所述外壳的尺寸为400mm×400mm×200mm。

5.如权利要求1所述的晶圆移除量的测量装置，其特征在于，所述伺服电路包括有伺服电机和一丝杠结构，以带动所述激光器在所述滑轨上移动。

6.一种采用权利要求1～5任意一项所述装置的测量方法，其特征在于，包括：

步骤S1、将一晶圆水平放置于所述晶圆支架上，并在所述晶圆的上表面和/或下表面选取若干测量点；

步骤S2、启动所述装置，同时制动至少一对所述激光器于滑轨上进行移动，利用所述激光器的激光束分别照射所述晶圆的上表面和/或下表面的每个测量点，并采集每对所述激光器到晶圆表面的距离数据；

步骤S3、所述电路控制盒根据所述距离数据，计算出各激光器到晶圆表面距离的平均值L1、L2以及两平均距离之和L1+L2；

步骤S4、对所述晶圆进行抛光工艺之后，重复步骤S2、步骤S3，计算出各激光器到抛光后的晶圆表面距离的平均值L1′、L2′以及两平均距离之和L1′+L2′；

步骤S5、对测量结果L1+L2、L1′+L2′进行比较，计算出晶圆移除量(L1+L2))—(L1′+L2′)，并将运算结果显示于显示电路中。

7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，步骤S4之前还包括：

测量晶圆上任意两测量点间的水平距离L3，以及激光器到两测量点的距离差L4，计算出所述晶圆的倾斜角α，其中

$\cos \mathrm{\α}=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\frac{L4}{L3}\right)}^2}};$

其中，倾斜角α为晶圆上表面与水平面之间的锐角夹角。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，根据所述倾斜角α计算出所述晶圆的实际移除量：

[(L1+L2)—(L1′+L2′)]×cosα。

9.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述测量点至少10个。