CN105140146A - 一种大尺寸磨削晶圆厚度在线测量方法 - Google Patents

Abstract

一种大尺寸磨削晶圆厚度在线测量方法，属于集成电路测试领域。将直铝片平铺在真空吸盘上，电容传感器沿铝片半径分布在铝片上方，电容检测装置通过屏蔽线与铝片和电容传感器相连接，形成回路系统，以检测电容量。然后，标定出电容传感器电极板与铝片之间的距离H。大尺寸硅晶圆传输到铝片上方，利用吸盘吸附。由于晶圆(电介质)的存在，电容量发生变化，随着晶圆表面材料不断被磨削砂轮去除，电容量不断变化，通过对电容量变化的监测并且建立电容量与晶圆厚度之间的关系，实现在线实时监测磨削过程晶圆厚度。本发明操作方便简单，无污染，可实现对磨削晶圆不同位置厚度的在线实时监测。

Description

一种大尺寸磨削晶圆厚度在线测量方法

技术领域

本发明涉及半导体材料加工测试领域，特别涉及磨削晶圆厚度在线测量技术。

背景技术

为满足日常生活、市场等行业的需求，电子封装技术不断发展。电子封装产品逐渐趋向薄、小、轻以及高集成方向发展。硅晶圆作为电子封装的基底材料，封装前需进行减薄。由于低损伤、高效率的优点晶圆自旋转磨削技术已成为晶圆磨削的主流技工技术。

然而，晶圆磨削过程中由于砂轮主轴倾角的摆动、砂轮和晶圆的弹性变形等因素的存在，晶圆表面不同位置处厚度会存在偏差，局部厚度偏差甚至超过10微米。#325砂轮粗磨后晶圆厚度偏差会影响精磨效率和精磨过程晶圆厚度控制。#2000砂轮精磨后晶圆厚度偏差则会严重影响后续CMP效率。甚至，由于厚度偏差的存在将增加光刻过程的难度，影响光刻精度以及降低图形晶圆的可靠性。

目前，晶圆磨削机均是基于晶圆自旋转磨削原理，磨削机内部设有接触式晶圆厚度检测探针，晶圆磨削过程中可实现对晶圆厚度的检测。然而，晶圆厚度检测探针只能对晶圆表面特定的位置进行检测，检测到的厚度只能反应晶圆表面局部区域厚度值，晶圆表面绝大部分区域厚度并不能有效测得。此外，对于超薄晶圆，这种接触式晶圆厚度检测探针可能会造成晶圆损坏。随着晶圆直径大尺寸化，晶圆磨削过程产生的厚度偏差也会相应增大，传统的接触式晶圆厚度测试探针已不能满足测试的需要。为准确、无损检测磨削晶圆厚度，需一种有效、全面、实时、非接触式在线检测磨削晶圆厚度的方法。

发明内容

本发明提出一种大尺寸磨削晶圆厚度在线测量方法，包括试验方法和数据处理方法，试验方法解决了大尺寸磨削晶圆表面厚度检测问题；数据处理方法主要建立电容与晶圆厚度之间的关系，根据电容值实时检测磨削过程中晶圆厚度。试验原理简单、操作方便、结果可靠。

一种大尺寸磨削晶圆厚度在线测量方法，其特征在于：晶圆传输到真空吸盘上吸附之前，先在吸盘6表面平铺直径大于晶圆直径的开孔铝片7；然后将电容传感器4安装在传感器悬臂支架上5，传感器探头与铝片之间距离11为1mm；采用屏蔽线10将铝片、电容传感器4和电容检测装置连接在一起，形成电容回路，标定出电容传感器电极板与铝片之间距离H；当晶圆(3)吸附在铝片上方时，电容量将发生变化；磨削过程随晶圆表面材料不断去除，晶圆厚度也随之发生变化，电容量也不断变化；建立电容量与晶圆厚度之间的关系，通过电容变化实现对晶圆厚度的实时全面监测。

进一步，铝片7表面开通孔，铝片厚度范围0.2～0.4cm。

进一步，电容传感器4沿晶圆径向分布，电容传感器探头为圆形，电极板半径为2.5～3cm。

进一步，电容传感器悬臂支架5为非导电材料。

进一步，电容回路所采用连接线为屏蔽线10。

更为具体的是：

本发明提出的测试方法拟采用静电电容法实时监测磨削晶圆厚度。在晶圆传输到真空吸盘吸附之前，首先将铝片平铺在吸盘上，沿铝片半径在铝片上方，通过悬臂结构安装多个电容传感器。利用屏蔽线连接铝片、电容传感器以及外部电容量检测设备，形成回路，标定出电容传感器电极板与铝片上表面的距离。通过机械手将晶圆传输到吸盘的铝片上，由吸盘吸附，记录此时电容值。晶圆磨削过程，其厚度不断减小，电容量不断变化，记录任意时刻电容值，根据电容量与晶圆厚度的关系式可得到任意时刻晶圆厚度值。

本发明提出的测试方法包括以下步骤：

1：对应真空吸盘的真空吸孔位置，通过机械方式将铝片7开通孔，将薄铝片平铺在真空吸盘上。安装电容传感器悬臂支架5，悬臂支架底座固定在真空吸盘边缘，然后安装电容传感器4。通过屏蔽线10将铝片、电容传感器和电容检测设备连接，记录电容量，标定电容传感器电极板与铝片上表面距离11。

2：通过机械手臂将待磨削晶圆传输到贴有铝片的真空吸盘上，晶圆正面与铝片接触，开启真空吸盘吸附晶圆，记录此时电容量，然后磨削。

3：砂轮磨削晶圆去除晶圆表面材料，晶圆厚度减小，电容量发生改变，记录晶圆上方径向不同位置电容传感器的电容量，通过式：计算晶圆厚度。

式中d为晶圆任意时刻厚度，S为电容传感器电极板有效面积，C为电容量，H为电容传感器极板与铝片距离，ε₀为真空中介电常数，ε为空气介电常数，ε_r为晶圆介电常数。

本发明可以取得如下有益效果：

1、本发明提出的试验方法可实现对大尺寸磨削晶圆厚度的在线非接触测量，可避免对超薄晶圆的损伤；同时可全面检测晶圆表面厚度。

2、本发明提出的数据处理方法可以根据试验所得的结果准确的得到晶圆厚度值。

3、本发明提出的测试方法简单、可靠，保证了测试结果的准确性。

附图说明：

图1为试验原理示意图。

图2为晶圆磨削在线测量结构示意图。

图中：

1—砂轮主轴，2—砂轮，3—晶圆，4—电容传感器，5—传感器悬臂支架，6—吸盘，7—铝片，8—吸盘主轴，9—磨粒，10—屏蔽线，11—电容传感器电极板与铝片之间距离，12—铝片通孔

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

图1为试验原理示意图，制作圆形铝片7，铝片厚度范围为0.2～0.4cm，将薄铝片机械开孔，开孔位置对应吸盘的吸孔，将铝片7平铺在真空吸盘6表面。在真空吸盘边缘固定支撑电容传感器的非导电性悬臂支架5，在固定好的悬臂支架5上安装电容传感器4，使晶圆径向任意位置厚度均可测量。采用屏蔽线连接铝片、电容传感器和外部电容检测设备，记录电容值C₀，通过式：标定电容传感器电极板与铝片之间距离11。

图2为磨削晶圆厚度在线测量结构示意图，通过晶圆传输机械手将晶圆传输到贴有铝片的真空吸盘上，开启真空设备吸附晶圆，此时真空吸盘的主轴与砂轮的主轴共面且平行，磨削砂轮出现在晶圆上方。磨削时，砂轮和晶圆绕各自的主轴旋转，晶圆的厚度不断减小，电容值也随之变化，记录电容值，通过式：计算晶圆厚度。

本发明电容值与晶圆厚度关系式的计算如下：

晶圆(电介质)放置在铝片上之前，电容回路里电容值与电容传感器电极板和铝片距离间的关系为：

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵ}S}{H}---\left(1\right)$

放入晶圆后，电容回路里的电容为：

其中 $\begin{array}{ccc}{C}_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵ}S}{x}& C_2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}S}{d}& H=x+d\end{array}---\left(3\right)$

将式(3)代入式(2)得：

$C=\frac{1}{\frac{H-d}{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵ}S}+\frac{d}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}S}}---\left(4\right)$

因此，晶圆厚度 $d=\frac{\frac{S}{C}-\frac{H}{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵ}}}{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}-\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵ}}}---\left(5\right)$

式中，式中d为晶圆任意时刻厚度，x为晶圆上表面到电容传感器电极板的距离，S为电容传感器电极板有效面积，C₁为晶圆与传感器电极板形成的电容，C₂为晶圆厚度范围内形成的电容，C为电容量，H为电容传感器极板与铝片的初始距离，ε₀为真空中介电常数，ε为空气介电常数，ε_r为晶圆介电常数。

对本发明的实施例的描述是出于有效说明和描述本发明的目的，并非用以限定本发明，任何所属本领域的技术人员应当理解：在不脱离本发明的发明构思和范围的条件下，可对上述实施例进行变化。故本发明并不限定于所披露的具体实施例，而是覆盖权利要求所定义的本发明的实质和范围内的修改。

Claims (7)

1.一种大尺寸磨削晶圆厚度在线测量方法，其特征在于：晶圆传输到真空吸盘上吸附之前，先在吸盘（6）表面平铺直径大于晶圆直径的开孔铝片（7）；然后将电容传感器（4）安装在传感器悬臂支架上（5），传感器探头与铝片之间距离（11）为1mm；采用屏蔽线（10）将铝片、电容传感器（4）和电容检测装置连接在一起，形成电容回路，标定出电容传感器电极板与铝片之间距离H；当晶圆(3)吸附在铝片上方时，电容量将发生变化；磨削过程随晶圆表面材料不断去除，晶圆厚度也随之发生变化，电容量也不断变化；建立电容量与晶圆厚度之间的关系，通过监测电容变化实现对晶圆厚度的实时全面监测。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸磨削晶圆厚度在线测量方法，其特征在于，铝片（7）表面开通孔，铝片厚度范围0.2～0.4cm。

3.根据权利要求2所述的一种大尺寸磨削晶圆厚度在线测量方法，其特征在于，铝片表面开孔方式为机械开孔，开孔位置对应吸盘上吸孔位置。

4.根据权利要求1所述的一种大尺寸磨削晶圆厚度在线测量方法，其特征在于，电容传感器（4）沿晶圆径向分布，电容传感器探头为圆形，电极板半径为2.5～3cm。

5.根据权利要求1所述的一种大尺寸磨削晶圆厚度在线测量方法，其特征在于，电容传感器悬臂支架（5）为非导电材料。

6.根据权利要求1所述的一种大尺寸磨削晶圆厚度在线测量方法，其特征在于，电容回路所采用连接线为屏蔽线（10）。

7.根据权利要求1所述的一种大尺寸磨削晶圆厚度在线测量方法，其特征在于，晶圆厚度与电容之间的关系为：

式中d为晶圆任意时刻厚度，S为电容传感器电极板有效面积，C为电容量，H为电容传感器极板与铝片的距离，ε₀为真空中介电常数，ε为空气介电常数，ε_r为晶圆介电常数。