CN105990204B - 半导体设备中的双轴对准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体生产和加工领域。本发明提供了一种半导体设备中双轴对准装置，包括晶圆固定盘、定位片、定位盘、喷头以及激光器件；其中，晶圆固定盘在竖直方向上具有上升和下降的自由度，在水平面内具有沿着或平行于两个相互垂直的横方向和纵方向平移的自由度；定位片与晶圆固定盘水平固定安装，定位片上设置有反射镜和挡板，反射镜的反射面与水平面的夹角为45°，挡板上开设有通孔；定位盘与喷头水平安装固定，定位盘上设置有激光器件，该激光器件包括发射部和接收部，发射部朝着喷头的中心轴所在的位置水平发射激光束，当激光束穿过通孔由反射镜反射至接收部时，激光器件产生感应信号。该装置能够在两轴对准后提醒操作人员。

Description

半导体设备中的双轴对准装置及方法

技术领域

本发明属于半导体加工和制造领域，更具体地说，涉及一种半导体设备中的双轴对准装置和方法。

背景技术

半导体行业已经进入了高速发展的上行通道，基于TSV制程的高精尖半导体技术为广大芯片厂商所推崇，与之对应的，相应的半导体加工技术也开始了又一轮的革新。

为了获得更高品质的晶圆产品，对部分晶圆进行无应力化学抛光(SFP工艺)，通过对晶圆表面进行研磨以达到相应的厚度是必要的。而在此加工过程中，需要对晶圆的中心进行精确的定位，由于晶圆通常由晶圆固定盘夹持，晶圆中心的定位问题也就转化为了将晶圆固定盘的中心轴与喷头的中心轴对准、重合的问题。图1给出了SFP工艺中所使用到的加工设备。该设备包括工艺腔103，工艺腔103下方伸出喷头101，而在工艺腔103的上方设置有固持晶圆的晶圆固定盘102。工艺过程中，晶圆固定盘102抓取晶圆进入工艺腔103并运动至中心位置后，工艺腔103闭合，由喷头101朝向晶圆固定盘102喷出抛光液，对晶圆表面进行刻蚀。SFP工艺对处理后的晶圆均匀度有着极高的要求，为了使晶圆得到均匀地刻蚀，需要将晶圆固定盘102在刻蚀位置时的中心与喷头101的中心对齐，也即二者拥有共同的中心轴。

由于晶圆固定盘102的运动过程通常由计算机控制，只要设置好程序，晶圆固定盘102在抓取晶圆后都能准确的回到初始位置，但是晶圆固定盘102的初始位置有必要人为调节和设置，以使晶圆固定盘102在初始位置处与喷头101共轴，为后续抛光工艺的进行做好准备。

对于这一基于半导体生产实践中所遇到的技术问题，发明人进行了积极地探索，力求一种解决之道，以为后续的工艺流程扫除障碍。

发明内容

为了解决上述实际生产中遇到的技术问题，本发明提供了一种适用于半导体设备当中的双轴对准装置，通过增加配件并对配件进行特殊的结构设计，使其符合一定的要求，结合激光定位技术，共同解决了SFP工艺设备中晶圆固定盘和喷头的共轴调节问题。本发明同时提出了相应的双轴对准方法，以使本领域技术人员能够便捷地利用该装置进行共轴调节。

上述目的的实现，有赖于以下技术方案：

一种半导体设备中的双轴对准装置，包括晶圆固定盘、定位片、定位盘、喷头以及激光器件；

所述晶圆固定盘在竖直方向具有上升和下降的自由度，在水平面内具有沿着或平行于两个相互垂直的横方向和纵方向平移的自由度；

所述定位片与所述晶圆固定盘水平安装固定，所述定位片上设置有反射镜和挡板，所述反射镜的反射面与水平面的夹角为45°，所述挡板上开设有通孔，所述通孔的深度方向沿着或平行于所述横方向或纵方向，所述通孔沿着其深度方向的延长线垂直于所述反射面与水平面的相交线，且所述通孔沿着其深度方向的延长线与所述反射面的交点在所述晶圆固定盘的中心轴上；

所述定位盘与所述喷头水平安装固定，所述定位盘上设置有激光器件，该激光器件包括发射部和接收部，所述发射部相对于所述定位盘突出并适合于沿着或平行于所述通孔的深度方向朝着所述喷头的中心轴所在位置水平发射激光束，并且所述接收部的接收位置在所述喷头的中心轴上。

进一步地，所述通孔沿着其深度方向的延长线与所述反射面的交点到所述定位片的竖直距离与所述通孔到所述定位片的竖直距离相等。

优选地，所述定位片相对于所述晶圆固定盘是可拆卸的，所述定位盘相对于所述喷头是可拆卸的。

优选地，所述通孔的深度为1～10mm。

优选地，所述通孔的孔径为1～3mm。

可选地，所述激光束的波长为550～1000nm。

一种使用上述的双轴对准装置进行对准的方法，包括步骤：

步骤一，调节所述晶圆固定盘的初始位置，使所述激光器件的发射部发射出的激光束落入所述挡板的遮挡范围内；

步骤二，继续调节晶圆固定盘的位置，使所述发射部发出的激光束恰好穿过所述通孔；

步骤三，沿着所述通孔的深度方向调节所述晶圆固定盘的水平位置，直至所述激光器件的接收部接收到所述激光束；

步骤四，所述晶圆固定盘的中心轴与所述喷头的中心轴重合，对准过程结束。

进一步地，当所述通孔的深度方向沿着或平行于所述横方向时，在步骤一中所述激光束落入所述挡板的遮挡范围后，调节所述晶圆固定盘在竖直方向和纵方向平移，直至所述激光束恰好穿过所述通孔。

进一步地，根据上述的双轴对准方法，其特征在于，当所述通孔的深度方向沿着或平行于所述纵方向时，在步骤一中所述激光束落入所述挡板的遮挡范围后，调节所述晶圆固定盘在竖直方向和横方向平移，直至所述激光束恰好穿过所述通孔。

本发明为结合具体实际所作出的研发，填补了半导体领域处理该特定问题的空白，解决了晶圆固定盘与喷头如何对准的问题，为SFP工艺当中对晶圆进行均匀抛光提供了保障，进而提高了晶圆产品的品质。

附图说明

图1是本发明涉及到的一种无应力抛光设备的结构示意图；

图2是本发明所述双轴对准装置的具体实施例的结构示意图；

图3是本发明所述双轴对准装置的具体实施例的晶圆固定盘的结构示意图；

图4是本发明所述双轴对准装置的具体实施例的定位片的结构示意图；

图5是本发明所述双轴对准装置的具体实施例的定位盘的结构示意图；

图6是本发明所述双轴对准装置的具体实施例的喷头的结构示意图；

图7是本发明所述双轴对准方法的具体实施方式的情景示意图之一；

图8是本发明所述双轴对准方法的具体实施方式的情景示意图之二；

图9是本发明所述双轴对准方法的具体实施方式的情景示意图之三；

图10是本发明所述双轴对准方法的具体实施方式的情景示意图之四。

具体实施例及实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例及实施方式进行说明。

如图2-6所示，其中主要展示了本发明所述的双轴对准装置的结构部件及其连接。图2是本发明具体实施例的正视图。在该实施例中的双轴对准装置包括晶圆固定盘202、喷头201、定位片204以及定位盘205，由于半导体工艺通常的需要一定的密闭性，所以上述结构部件均设置于一个工艺腔203内。该实施例的晶圆固定盘202能够在竖直方向上升或下降，而在水平方向能够沿着或平行于两个相互垂直的横方向和纵方向平移。图2中标出的X轴和Y轴分别代表了晶圆固定盘202在水平面内平移的横方向和纵方向。

如图3所示是本发明实施例中晶圆固定盘202的结构示意图。图3中的(a)、(b)两图分别为晶圆固定盘202的正视图和仰视图。晶圆固定盘202主要用于在工艺阶段抓取和夹持晶圆，而在双轴对准过程中晶圆固定盘202需要与定位片204配合使用，将晶圆固定盘202和定位片204安装固定在一起。图4也给出了本实施例定位片204的相应结构，其中的(a)、(b)、(c)图分别为定位片204的正视图、仰视图和右视图。作为其中一种安装晶圆固定盘202和定位片204的方式，晶圆固定盘202上开设了两个定位孔206，能够与设置在定位片204上的定位桩207相互配合，将晶圆固定盘202和定位盘204连接为一体。由于两个定位孔206的位置并不对称，按照这两个定位孔206的位置安装后的定位片204，其与晶圆固定盘202的相对位置将被唯一的、准确的水平安装固定，定位片204的中心轴与晶圆固定盘202的中心轴将重合、统一为图4中的Z轴，而不会发生偏差。本发明中的定位片204为可拆卸的，在对准过程完成、定位片204使用完毕后，可以将定位片204取下，以方便晶圆固定盘202去夹持或抓取晶圆。

在本实施例中，定位盘204的下方设置有一块直角三棱柱状的反射镜208以及一个长且薄的挡板209。挡板209上开设有一个具有一定深度的圆形通孔210，通孔210的深度宜在1～10mm左右设置，以保证将来激光束穿过通孔210的过程中激光束具有良好的准直性；另外，通孔210的孔径也有一定要求，在1～3mm的范围内设置比较合适，这样不会使激光束发生衍射，且能够保证中心轴对准过程的准确性。

本实施例中反射镜208的反射面为直角三棱柱的斜面，当定位盘204按照定位孔206确定的方式与安装固定后，该反射面与水平方向呈45°夹角；同时，如图4中的直线L，为通孔210深度方向的延长线，该延长线L将沿着或平行于晶圆固定盘202在水平面内平移的横方向X轴，而垂直于反射面与水平面的相交线，也就是说延长线L垂直于反射镜208的竖直向下的直角面，且延长线L与反射面的交点M同时也是晶圆固定盘202(定位片204)的中心轴Z与反射面的交点。在满足上述条件的情况下，通孔210到定位片204的距离D应当与M点到定位片204的距离是相等的。

定位片204上对反射镜208的位置及摆放、以及通孔210的开设方式等都有严格的限制，定位片204本身就是按照这些要求而制作出来的，在对准调节过程中操作人员无需再人为的调整反射镜208以及通孔210的位置及摆放关系，而只要将定位片204按照定位孔206确定的方式安装至晶圆固定盘202上，其中的反射镜208、挡板209以及通孔210即可自然满足上述位置条件。

附图5和6侧重于介绍本发明的定位盘205和喷头201。图5中(a)、(b)两图分别为定位盘205的俯视图和正视图；图6中(a)、(b)两图分别为喷头201的俯视图和正视图。

喷头201和定位盘205也是采取安装孔215和定位柱214相互配合的方式水平固定安装的，在定位盘205的中部有根据喷头201的形状相配套的、适于喷头201嵌入的结构形状。定位盘205同样是可拆卸的，在中心轴对准的过程结束以后，可以摘去以方便进行后续作业。当定位盘205与喷头201安装为一体时，定位盘205的中心轴将与喷头201的中心轴重合、统一为Z’轴，而不会发生偏差，且由于两个安装孔215的位置不对称，定位盘205与喷头201的相对位置能够被唯一确定。

在定位盘205上设置有激光器件，该激光器件包括两部分：发射部211和接收部212。其中发射部211呈一竖直立柱状，相对于定位盘205向上突出，并水平地发射激光束213，激光束213的方向指向喷头201(定位盘205)的中心轴Z’，且当定位片204、定位盘205均被正确安装后，激光束213的方向还应平行或沿着通孔210的深度方向，也即平行或沿着延长线L射出。而且，为了将中心轴Z和中心轴Z’调节至二者重合，需要使晶圆固定盘202下降至一定高度，以使激光束213能够打在挡板209上，落入到挡板209的遮挡范围内。激光器件的接收部212则平置于定位盘205的表面，虽然接收部212具有一定长度，但其接收位置则恰好位于定位盘205的中心O’点处，也即接收部212的接收位置在喷头201(定位盘205)的中心轴Z’上。这样，当发射部211发射出的激光束213恰好穿过通孔210时，由于位置关系的精确限定，激光束213必然在反射面的M点被竖直向下地90°反射，此时可以确定该竖直向下的激光束与晶圆固定盘202的中心轴Z重合且晶圆固定盘202的中心轴Z已经落在了X轴所在位置；在X轴方向上继续调节晶圆固定盘202的位置，使中心轴Z再落入Y轴所在位置，接收部212即可在O’点位置处接收到激光束213，从而使激光器件产生感应信号并提醒操作人员，以完成晶圆固定盘202的中心轴Z与喷头201的中心轴Z’相互对准并重合的任务。

下面将介绍本发明双轴对准方法的具体实施方式，该方法借助于本发明装置的具体实施例。

图7-图10揭示了本发明的双轴对准过程，且是以通孔210的深度方向平行于晶圆固定盘202在水平面内平移的横方向为例，也即以通孔210的深度方向平行于X轴为例。其中图7是采用本发明双轴对准方法的具体实施方式，使由发射部211发射出的激光束213落入挡板209的遮挡范围，但激光束213未穿过通孔210的情景示意图。此时，晶圆固定盘202的中心轴Z在X轴所在的横方向上的位置以及在Y轴所在的纵方向的均未被确定。

图8和图9是在该具体实施方式中，通过调节晶圆固定盘202在竖直方向的位置以及Y轴方向的位置，使激光束213恰好由通孔210入射的情景示意图。在此状态下，激光束213沿着X轴且垂直于反射镜208竖直向下的直角面，而且激光束213与反射面的交点落在Z轴上，也就是说，此时经过反射镜90°反射形成的竖直向下的激光束与Z轴重合，Z轴的位置已经被限定在了X轴所在的直线上。

图10是在该具体实施方式中，沿着通孔210的深度方向，也即X轴方向调节晶圆固定盘202的水平位置，并将晶圆固定盘202的中心轴Z同时限定在Y轴上的情景示意图。由于图8和图9中，已经通过调节时Z轴落在了X轴所在的直线上，所以此时仅仅需要沿着X轴对晶圆固定盘202做一定调节，使Z轴同时也落在Y轴所在的直线上，这样就可以实现Z轴和Z’轴重合的目的。由于接收部212的接收位置设置在喷头201(定位盘205)的中心O’点的位置，所以在沿着X轴调节晶圆固定盘202的位置时，总能找到一点，使激光束213恰好被接收位置设置在O’点的接收部212所接收，而使激光器件产生感应信号提醒操作人员。此时，即说明晶圆固定盘202的中心轴Z与喷头201的中心轴Z’对准，二者相互重合。

本发明方法具体实施方式的步骤为：

步骤一，调节晶圆固定盘202的初始位置，使激光器件的发射部211发射出的激光束213落入挡板209的遮挡范围内；

步骤二，继续调节晶圆固定盘202的位置，使激光束213恰好穿过通孔210；

步骤三，沿着通孔210的深度方向调节晶圆固定盘202的水平位置，直至激光器件产生感应信号；

步骤四，晶圆固定盘202的中心轴Z与喷头的中心轴Z’重合，对准过程结束。

当然的，上述步骤中可以穿插一些辅助性的、准备性质的其他步骤，例如安装定位盘205和安装定位片204的步骤。

本发明已以较佳的实施例公布示人，但它们并非限制性的。依据本发明的技术实质对上述实施例进行的简单修改、等同变化及无关修饰，仍然归属在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半导体设备中的双轴对准装置，其特征在于，包括晶圆固定盘、定位片、定位盘、喷头以及激光器件；

所述晶圆固定盘在竖直方向具有上升和下降的自由度，在水平面内具有沿着两个相互垂直的横方向和纵方向平移的自由度；

所述定位片与所述晶圆固定盘水平安装固定，所述定位片上设置有反射镜和挡板，所述反射镜的反射面与水平面的夹角为45°，所述挡板上开设有通孔，所述通孔的深度方向沿着所述横方向或纵方向，所述通孔沿着其深度方向的延长线垂直于所述反射面与水平面的相交线，且所述通孔沿着其深度方向的延长线与所述反射面的交点在所述晶圆固定盘的中心轴上；

所述通孔沿着其深度方向的延长线与所述反射面的交点到所述定位片的竖直距离与所述通孔到所述定位片的竖直距离相等；

所述定位盘与所述喷头水平安装固定，所述定位盘上设置有激光器件，该激光器件包括发射部和接收部，所述发射部相对于所述定位盘突出并适合于沿着所述通孔的深度方向朝着所述喷头的中心轴所在位置水平发射激光束，并且所述接收部的接收位置在所述喷头的中心轴上。

2.根据权利要求1所述的双轴对准装置，其特征在于，所述定位片相对于所述晶圆固定盘是可拆卸的，所述定位盘相对于所述喷头是可拆卸的。

3.根据权利要求1所述的双轴对准装置，其特征在于，所述通孔的深度为1~10mm。

4.根据权利要求1所述的双轴对准装置，其特征在于，所述通孔的孔径为1~3mm。

5.根据权利要求1所述的双轴对准装置，其特征在于，所述激光束的波长为550~1000nm。

6.一种使用权利要求1中所述的双轴对准装置进行对准的方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一，调节所述晶圆固定盘的初始位置，使所述激光器件的发射部发射出的激光束落入所述挡板的遮挡范围内；

步骤二，继续调节晶圆固定盘的位置，使所述发射部发出的激光束恰好穿过所述通孔；

步骤三，沿着所述通孔的深度方向调节所述晶圆固定盘的水平位置，直至所述激光器件的接收部接收到所述激光束；

步骤四，对准过程结束。

7.根据权利要求6所述的进行对准的方法，其特征在于，当所述通孔的深度方向沿着所述横方向时，在步骤一中所述激光束落入所述挡板的遮挡范围后，调节所述晶圆固定盘在竖直方向和纵方向平移，直至所述激光束恰好穿过所述通孔。

8.根据权利要求6所述的进行对准的方法，其特征在于，当所述通孔的深度方向沿着所述纵方向时，在步骤一中所述激光束落入所述挡板的遮挡范围后，调节所述晶圆固定盘在竖直方向和横方向平移，直至所述激光束恰好穿过所述通孔。

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