CN107796313A - 厚度测量装置 - Google Patents

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Abstract

提供厚度测量装置。厚度测量装置(8)测量板状物(晶片(10))的厚度，其包含：脉冲宽带光源(82)，其发出对于板状物具有透过性的波段的光；光纤布拉格光栅(83)，其传递脉冲光并根据传递距离按照不同波长分光出脉冲光并使其逆行；光纤传递构件(83a)，其分支出逆行的脉冲光并传递给光纤；测量端子(81)，其具有配设于光纤的端面并将脉冲光会聚于板状物的物镜(81a)；光分支构件(84)，其分支出由在板状物上表面发生反射的脉冲光和透过板状物在下表面发生反射的脉冲光相干涉并在光纤中逆行的返回光；分光干涉波形生成构件，其根据返回光的一个脉冲的时间差求出波长并检测各波长的光的强度而生成一个脉冲中的分光干涉波形；和厚度计算构件，其进行波形解析而计算板状物的厚度。

Description

厚度测量装置
技术领域
本发明涉及对板状物的厚度进行测量的厚度测量装置。
背景技术
通过分割预定线划分而在正面形成有IC、LSI等多个器件的晶片在通过磨削装置对背面进行磨削而形成为规定的厚度之后，通过切割装置、激光加工装置分割成各个器件，并用于移动电话、个人电脑等电气设备。
对于磨削装置，提出了如下技术，通过具有：卡盘工作台，其对晶片进行保持；磨削构件，其以能够旋转的方式配设有磨削磨轮，其中，该磨削磨轮上呈环状地配置有对该卡盘工作台所保持的晶片的背面进行磨削的磨削磨具；以及检测构件，其通过分光干涉波形以非接触的方式对晶片的厚度进行检测，从而该磨削装置将晶片磨削成期望的厚度(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2011-143488号公报
但是，在上述的专利文献1所记载的技术中，在想要对厚度进行检测的情况下，需要在对由被加工物的上表面和下表面反射的反射光进行分支后，利用使反射光成为平行光的准直透镜、衍射光栅对两个反射光的干涉进行衍射，进而将与各波长对应的衍射信号经由聚光透镜而输送给线阵图像传感器，对由该线阵图像传感器等检测到的反射光的各波长下的光强度进行检测，求出分光干涉波形。因此，存在为了测量厚度而搭载的装置较多、结构复杂且装置整体变得昂贵的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述事实而完成的，其主要的技术课题在于提供结构简单且低价的厚度测量装置。
为了解决上述主要的技术课题，根据本发明，提供厚度测量装置，其对板状物的厚度进行测量，其中，该厚度测量装置至少包含：脉冲宽带光源，其以脉冲光的方式发出对于板状物具有透过性的波段的光；光纤布拉格光栅(FBG：Fiber Bragg Grating)，其对该脉冲宽带光源所发出的脉冲光进行传递，根据传递距离按照不同的波长对脉冲光进行分光并使该脉冲光逆行；光纤传递构件，其配设于该光纤布拉格光栅，分支出逆行的脉冲光并传递给光纤；测量端子，其具有物镜，该物镜配设于该光纤的端面并将脉冲光会聚于板状物；光分支构件，其分支出由在该板状物的上表面发生了反射的脉冲光和透过该板状物而在下表面发生了反射的脉冲光相干涉并在该光纤中逆行而得的返回光；分光干涉波形生成构件，其根据由该光分支构件分支的返回光的一个脉冲的时间差求出波长并检测各波长的光的强度而生成一个脉冲中的分光干涉波形；以及厚度计算构件，其对该分光干涉波形生成构件所生成的分光干涉波形进行波形解析而对板状物的厚度进行计算。
本发明的厚度测量装置如上述那样构成，特别是包含：脉冲宽带光源，其以脉冲光的方式发出对于板状物具有透过性的波段的光；光纤布拉格光栅(FBG：Fiber BraggGrating)，其对该脉冲宽带光源所发出的脉冲光进行传递，根据传递距离按照不同的波长对脉冲光进行分光并使该脉冲光逆行；光纤传递构件，其配设于该光纤布拉格光栅，分支出逆行的脉冲光并传递给光纤；测量端子，其具有物镜，该物镜配设于该光纤的端面并将脉冲光会聚于板状物；光分支构件，其分支出由在该板状物的上表面发生了反射的脉冲光和透过该板状物而在下表面发生了反射的脉冲光相干涉并在该光纤中逆行而得的返回光；分光干涉波形生成构件，其根据由该光分支构件分支的返回光的一个脉冲的时间差求出波长并检测各波长的光的强度而生成一个脉冲中的分光干涉波形；以及厚度计算构件，其对该分光干涉波形生成构件所生成的分光干涉波形进行波形解析而对板状物的厚度进行计算，从而能够提供能够以简单的结构对厚度偏差进行测量且低价的厚度测量装置。
附图说明
图1是应用了根据本发明而构成的厚度测量装置的磨削装置的立体图。
图2是用于对根据本发明而构成的厚度测量装置的结构进行说明的说明图。
图3的(a)和(b)是示出图2所示的厚度测量装置所生成的分光干涉波形的一例以及通过对该分光干涉波形进行波形解析而得到的光路长度差与信号强度的一例的图。
标号说明
1：磨削装置；2：装置外壳；3：磨削单元；4：主轴单元；5：磨削磨轮；7：卡盘工作台机构；8：厚度测量装置；10：晶片；80：测量外壳；81：测量端子；82：脉冲宽带光源；83：光纤布拉格光栅；83a：光纤传递构件；84：光分支构件；85：受光元件；k1～k17：衍射光栅；f1～f4：光纤。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的厚度测量装置进行详细的说明。
图1中示出具有本发明的厚度测量装置的磨削装置1的整体立体图以及作为利用本发明的厚度测量装置来测量厚度的板状物的晶片10。图中所示的磨削装置1具有将整体用标号2表示的装置外壳。该装置外壳2具有：大致长方体形状的主部21；以及直立壁22，其设置在该主部21的后端部(在图1中为右上端)并向上方延伸。在直立壁22的前表面上，以能够在上下方向上移动的方式安装有作为磨削构件的磨削单元3。
磨削单元3具有移动基台31和安装在该移动基台31上的主轴单元4。移动基台31构成为以能够滑动的方式与配设在直立壁22上的一对导轨卡合。在这样以能够滑动的方式安装在设置于直立壁22的一对该导轨的移动基台31的前表面上，借助向前方突出的支承部而安装有作为磨削构件的主轴单元4。
该主轴单元4具有：主轴外壳41；旋转主轴42，其旋转自如地配设于该主轴外壳41；以及作为驱动源的伺服电动机43，其用于对该旋转主轴42进行旋转驱动。被主轴外壳41支承为能够旋转的旋转主轴42配设成一端部(在图1中为下端部)从主轴外壳41的下端突出，在其下端部设置有轮座44。并且，在该轮座44的下表面上安装有磨削磨轮5。在该磨削磨轮5的下表面上配设有由多个区段构成的磨削磨具51。
图示的磨削装置1具有磨削单元进给机构6，其使磨削单元3沿着该一对导轨在上下方向(相对于后述的卡盘工作台的保持面垂直的方向)上移动。该磨削单元进给机构6具有：外螺纹杆61，其配设在直立壁22的前侧，实质上铅垂延伸；以及作为驱动源的脉冲电动机62，其用于对该外螺纹杆61进行旋转驱动，该磨削单元进给机构6包含未图示的外螺纹杆61的轴承部件等，其设置于该移动基台31的背面。当该脉冲电动机62正转时，移动基台31即研磨单元3下降即前进，当脉冲电动机62反转时，移动基台31即磨削单元3上升即后退。
在上述外壳2的主部21配设有作为保持构件的卡盘工作台机构7，其对作为被加工物的板状物(晶片10)进行保持。卡盘工作台机构7具有：卡盘工作台71；覆盖该卡盘工作台71的周围的罩部件72；以及配设在该罩部件72的前后的波纹构件73和74。卡盘工作台71构成为通过使未图示的吸引构件进行动作而将晶片10吸引保持在其上表面(保持面)上。另外，卡盘工作台71构成为能够通过未图示的旋转驱动构件进行旋转，并且通过未图示的卡盘工作台移动构件在图1所示的被加工物载置区域70a和与磨削磨轮5对置的磨削区域70b之间(箭头X所示的X轴方向)移动。
另外，上述的伺服电动机43、脉冲电动机62、未图示的卡盘工作台移动构件等通过后述的控制构件20进行控制。另外，在图示的实施方式中，晶片10在外周部形成有表示结晶方位的凹口，在其正面粘贴有作为保护部件的保护带12，该保护带12侧保持于卡盘工作台71的上表面(保持面)。
图示的磨削装置1具有厚度测量装置8，其对卡盘工作台71所保持的晶片10的厚度进行测量。该厚度测量装置8具有测量外壳80，该厚度测量装置8如图所示在构成装置外壳2的长方体形状的主部21的上表面上配设在使卡盘工作台71在从被加工物载置区域70a至磨削区域70b之间移动的路径途中的侧方，配置成当卡盘工作台71在被加工物载置区域70a与磨削区域70b之间移动时，能够从上方对卡盘工作台71上所保持的晶片10进行测量。在该测量外壳80的下表面上具有面向定位于正下方的卡盘工作台71的测量端子81，该测量端子81构成为能够在图中箭头Y所示的方向(Y轴方向)上往复移动。参照图2对该厚度测量装置8进行更加详细的说明。
图示的实施方式中的厚度测量装置8具有：宽带光源(以下称为“脉冲宽带光源82”)，其振荡出包含对于作为被加工物的晶片10具有透过性的规定的波长(例如波长为1100nm～1900nm)在内的脉冲光；光纤传递构件83a，来自该脉冲宽带光源82的脉冲光LB1入射至该光纤传递构件83a；光纤布拉格光栅83，脉冲光LB1经由该光纤传递构件83a入射至该光纤布拉格光栅83；光纤f2，由该光纤布拉格光栅83反射并逆行的光由光纤传递构件83a分支并传递至该光纤f2；光纤f3，其与该光纤f2连接；测量端子81，其具有配设于该光纤f3的端面并将传递至该光纤f3的光会聚于晶片10的物镜81a；光分支构件84，其分支出对由从该物镜81a照射的光LB2在该晶片10的上表面发生了反射的反射光和透过该晶片10而在晶片10的下表面发生了反射的反射光相干涉并在该光纤f3中逆行而得的返回光；受光元件85，其对由该光分支构件84分支而得的返回光的光强度进行检测；以及控制构件20，其根据一个脉冲的时间差而确定受光元件85中接受到的返回光的波长，从而对各波长的光的强度进行检测，对该控制构件20输入并存储由受光元件85检测的每个波长的该光强度，该控制构件20具有：分光干涉波形生成构件，其根据该检测到的光强度和时间差，生成一个脉冲中的分光干涉波形；以及厚度计算构件，其对该分光干涉波形生成构件所生成的分光干涉波形进行波形解析而对晶片10的厚度进行计算。该控制构件20由计算机构成，该分光干涉波形生成构件和厚度计算构件根据存储于控制构件20内的运算程序来实现。另外，该脉冲宽带光源82可以选择LED、LD、SLD(Super Luminescent Diode，超发光二极管)、ASE(AmplifiedSpontaneous Emission，放大自发辐射)、SC(Super Continuum，超连续谱)、卤素光源等，例如按照重复频率10kHz(脉冲间隔＝100μs)、脉冲宽度10ns进行照射。
关于发挥使光纤布拉格光栅83所反射的光分支的功能的光纤传递构件83a、分支出晶片10所反射的返回光的光分支构件84，例如适当选自偏振波保持光纤耦合器、偏振波保持光纤环行器以及单模光纤耦合器等的任意一种。另外，作为对光强度进行检测的受光元件85，可以使用通常公知的光检测器、线阵图像传感器等。
关于光纤布拉格光栅83，在构成光纤布拉格光栅83的光纤f1中形成有衍射光栅k1～k17，在具有宽频带的光谱的光入射至该衍射光栅k1～k17时，仅对所入射的光的特定的波长成分进行反射，使除特定的波长以外的波长全部透过。在本实施方式中，以约8km构成该光纤f1的长度，从入射位置起按照每500m依次配置该衍射光栅k1～k17。如图所示，最接近入射位置的衍射光栅k1仅对波长为1100nm的光进行反射，使其他波长成分的光透过。另外，下一个衍射光栅k2仅对波长为1150nm的波长成分的光进行反射，使其他波长成分的光透过。这样，其余的衍射光栅k3～k17依次对按照50nm设定的1200nm、1250nm、…1900nm的波长成分的光进行反射。
该控制构件20由计算机构成，具有：中央运算处理装置(CPU)，其按照控制程序进行运算处理；只读存储器(ROM)，其对控制程序等进行保存；能够读写的随机存取存储器(RAM)，其用于对检测到的检测值、运算结果等进行暂时保存；以及输入接口和输出接口(省略了详细情况的图示)。本实施方式中的控制构件20对磨削装置1的各驱动部分进行控制，并且具有如下的功能，如上所述将执行生成分光干涉波形的分光干涉波形生成构件和对该分光干涉波形生成构件所生成的分光干涉波形进行波形解析而对晶片10的厚度进行计算的厚度计算构件的程序存储于只读存储器(ROM)中，对脉冲宽带光源82进行驱动，将受光元件85的检测值存储于随机存取存储器(RAM)中，从而对晶片10的厚度进行计算。本实施方式的磨削装置1、厚度测量装置8大致如以上那样构成，以下，参照图2、图3对其作用进行说明。
本发明的厚度测量装置8对晶片10的厚度的测量例如在通过磨削装置1对载置于卡盘工作台71的晶片10进行了磨削之后使该晶片10从磨削区域70b向被加工物载置区域70a的方向移动从而使其在测量端子81的正下方通过时进行。如上所述，从脉冲宽带光源82按照重复频率10kHz(照射间隔＝100μs)照射包含对于晶片10具有透过性的规定的波长(1100nm～1900nm)成分在内的脉冲宽度为10ns的脉冲光。从脉冲宽带光源82照射的脉冲光LB1经由配设于光纤布拉格光栅83的光纤传递构件83a而入射至光纤f1。
入射至光纤f1的脉冲光是具有1100～1900nm的波长成分的光，在最接近该光纤f1的入射位置的衍射光栅k1中，仅1100nm的波长成分的光如图中箭头所示那样发生反射而在光纤f1中逆行，其他波长成分的光则透过。在衍射光栅k1反射而在光纤f1中逆行的光被光纤传递构件83a分支到光纤f2。被分支到光纤f2的光经由光分支构件84而传递至光纤f3，经由测量端子81的物镜81a而照射至定位于正下方的晶片10的测量位置。照射至晶片10的规定的测量位置的1100nm波长的光在晶片10的上表面和下表面发生反射，两个反射光相干涉并形成在光纤f3中逆行的返回光。该返回光由光分支构件84分支，在光纤f4中行进而到达受光元件85，其结果是，检测出对于光纤f1入射一个脉冲光的时间t1中的1100nm波长的返回光的光强度。该光强度与时间t1、被照射的晶片10的X轴方向上的X坐标、Y轴方向上的Y坐标的位置相关联地存储于控制构件20的随机存取存储器(RAM)的任意的存储区域。
根据图2继续进行说明，在时间t1时脉冲光LB1经由光纤传递构件83a入射至光纤f1以后，透过了衍射光栅k1的脉冲光按照时间差到达下一个衍射光栅k2。衍射光栅k2仅对1150nm的波长成分的光进行反射，使其他波长成分的光透过。利用衍射光栅k2如箭头所示那样进行反射并在光纤f1中逆行的1150nm的光与上述的1100nm的光同样地，经由光分支构件84而传递至光纤f3，经由测量端子81的物镜81a而照射至定位于正下方的晶片10的测量位置。到达晶片10的1150nm的波长成分的光在定位于该测量端子81a的正下方的晶片10的上表面和下表面发生反射，两个反射光相干涉并形成在光纤f3中逆行的返回光，并由光分支构件84分支，在光纤f4中行进而到达受光元件85。该1150nm波长的返回光被从该衍射光栅k1起在光纤f1中行进了500m的位置上所配设的下一个衍射光栅k2反射，因此从对光纤f1入射光的时间t1起按照规定的时间差到达受光元件85(时间t2)。这样，对在晶片10的上表面和下表面发生了反射的1150nm的波长的返回光的光强度进行确定。该光强度与时间t2、被照射的晶片10的X轴方向上的X坐标、Y轴方向上的Y坐标的位置相关联地存储于控制构件20的随机存取存储器(RAM)的任意的存储区域。
以下，同样地，利用光纤布拉格光栅83的光纤f1上的衍射光栅k3～k17，按照规定的时间差，按照各衍射光栅所设定的不同波长成分(1200nm、1250nm…1900nm)的光依次进行反射而照射至晶片10，在晶片10的上表面和下表面发生了反射的反射光相干涉并形成返回光，利用受光元件85依次对光强度进行检测。并且，该光强度与该时间t3～t17、被照射的晶片10的X轴方向上的X坐标、Y轴方向上的Y坐标的位置相关联地存储于控制构件20的随机存取存储器(RAM)的任意的存储区域。另外，通过光纤布拉格光栅83生成的各波长成分的光的反射时间差与脉冲间隔相比是极短的时间，照射一个脉冲光，在照射下一个脉冲光之前结束对所有的波长成分(1100～1900nm)的返回光的光强度的检测。
如上所述，控制构件20中，对由从脉冲宽带光源82开始照射一个脉冲光起的时间差而确定的经过时间(t1～t17)和通过受光元件85所检测到的光强度相关联地进行存储，从而能够按照晶片10的每个规定坐标位置生成图3的(a)所示那样的分光干涉波形。图3的(a)中，横轴表示返回光的波长(λ)，纵轴表示受光元件85所检测的每个该波长的光强度。
以下，对控制构件20根据基于上述的分光干涉波形而执行的波形解析计算出晶片10的厚度的例子进行说明。
将从定位于该测量端子81的光纤f3的上端部到卡盘工作台71所保持的晶片10的下表面的光路长度设为(L1)，将从光纤f3的上端部到卡盘工作台71所保持的晶片10的上表面的光路长度设为(L2)，将光路长度(L1)与光路长度(L2)之差设为第一光路长度差(d1＝L1-L2)。
接着，控制构件20根据如上述的图3的(a)所示那样的与晶片10的每个规定位置对应地生成的分光干涉波形执行波形解析。该波形解析例如可以根据傅里叶变换理论、小波变换理论来执行，在以下叙述的实施方式中，对于使用了下述数学式1、数学式2、数学式3所示的傅里叶变换式的例子进行说明。
【数学式1】
【数学式2】
【数学式3】
在上述数学式中，λ是波长，d是上述第一光路长度差(d1＝L1-L2)，ω(λn)是窗函数。上述数学式1求出在cos的理论波形与上述分光干涉波形(I(λn))的比较中波的周期最接近(相关性高)、即分光干涉波形与理论上的波形函数的相关系数高的光路长度差(d)。另外，上述数学式2求出在sin的理论波形与上述分光干涉波形(I(λn))的比较中波的周期最接近(相关性高)、即分光干涉波形与理论上的波形函数的相关系数高的光路长度差(d)。并且，上述数学式3求出数学式1的结果与数学式2的结果的平均值。
控制构件20通过执行基于上述数学式1、数学式2、数学式3的运算，根据返回光的光路长度差所导致的分光的干涉，能够得到图3的(b)所示的信号强度的波形。在图3的(b)中，横轴表示光路长度差(d)，纵轴表示信号强度。在图3的(b)所示的例子中，在光路长度差(d)为180μm的位置显示出较高的信号强度。即，光路长度差(d)为180μm的位置的信号强度为光路长度差(d1＝L1-L2)，表示晶片10的厚度(T)。并且，将晶片10的厚度(T)与对于该测量端子81的由该卡盘工作台71的相对的X轴方向、Y轴方向的位置所确定的测量位置的坐标(X坐标，Y坐标)相关联地进行存储。
在本实施方式中，构成为测量端子81通过对该测量端子81进行保持的驱动机构81b的动作而能够在箭头Y1所示的方向上往复移动，一边使测量端子81相对于定位在厚度测量装置8的正下方的晶片10在Y轴方向上移动，并且使卡盘工作台71在X轴方向上移动，一边对晶片10整个面执行上述的厚度测量。
根据图示的实施方式中的厚度测量装置8，能够以简单的结构容易地求出晶片10的厚度，根据因所反射的反射光的光路长度差而得到的分光干涉波形对晶片10的加工时的晶片10的厚度(T)进行检测，因此能够准确地对晶片11的厚度(T)进行测量，而不会受粘贴在晶片10的正面上的保护带12的厚度的变化影响。
厚度测量装置8如以上那样构成，下面对使用具有该厚度测量装置8的磨削装置1将晶片10磨削成规定的厚度的步骤进行说明。
关于在正面上粘贴有保护带12的晶片10，通过将其保护带12侧载置于定位于图1所示的磨削装置1中的被加工物载置区域70a的卡盘工作台71上并使未图示的吸引构件进行动作，从而吸引保持于卡盘工作台71上。因此，吸引保持于卡盘工作台71上的晶片10的背面10b成为上侧。
接着，控制构件20使对晶片10进行保持的卡盘工作台71的未图示的移动构件进行动作，使卡盘工作台71移动而定位于磨削区域70b，将磨削磨轮5的多个磨削磨具51的外周缘定位成通过卡盘工作台71的旋转中心。
这样，磨削磨轮5与卡盘工作台71所保持的晶片10被设置成规定的位置关系，控制构件20使未图示的旋转驱动构件驱动而使卡盘工作台71以例如300rpm的旋转速度旋转，并且使上述的伺服电动机43驱动而使磨削磨轮5以例如6000rpm的旋转速度旋转。然后，对晶片10提供磨削水，并且对磨削单元进给机构6的脉冲电动机62进行正转驱动，使磨削磨轮5下降(磨削进给)而以规定的压力将多个磨削磨具51按压在作为晶片10的上表面(背面10b)的被磨削面上。其结果是，对晶片10的被磨削面进行磨削(磨削工序)。
若磨削工序结束，则使对磨削后的晶片10进行保持的卡盘工作台71移动到位于X轴方向的前方的被加工物载置区域70a侧，从而将晶片10定位于厚度测量装置8的测量端子81的正下方，并且如上所述使厚度测量装置8进行动作而得到与晶片10上的各坐标位置对应的分光干涉波形，并且进行波形解析而对晶片10的厚度进行测量并存储。按照晶片10的X轴方向上的规定的间隔执行这样的测量，对晶片10的正面的厚度(T)进行存储，对磨削后的晶片10整个面的厚度进行确认，从而对磨削工序的好坏进行判定，并且根据需要实施再次磨削，实施磨削工序直至达到规定的厚度。
另外，在上述的实施方式中，按照对结束了磨削工序的晶片的整个面进行由该厚度测量装置8实现的测量的方式进行了说明，但不限于此，例如也可以将该厚度测量装置8的测量外壳80的设置位置设定在图1所示的磨削区域70b的附近。通过这样构成，可以在磨削装置的卡盘工作台所保持的晶片受到磨削磨轮的作用而被磨削时，一边使测量端子81与露出的晶片对置地移动一边使其淹没在磨削时所提供的磨削水中而定位，对磨削中的晶片的厚度进行测量，通过将磨削中的晶片10的厚度反馈给控制构件20，能够高效地磨削成期望的厚度。另外，根据本发明而构成的厚度测量装置8并非必须如本实施方式那样配设在磨削装置1中，可以作为与磨削装置1独立的一个装置构成、或者附设在与磨削装置不同的其他加工装置上。

Claims (1)

1.一种厚度测量装置，其对板状物的厚度进行测量，其中，
该厚度测量装置至少包含：
脉冲宽带光源，其以脉冲光的方式发出对于板状物具有透过性的波段的光；
光纤布拉格光栅，其对该脉冲宽带光源所发出的脉冲光进行传递，根据传递距离按照不同的波长对脉冲光进行分光并使该脉冲光逆行；
光纤传递构件，其配设于该光纤布拉格光栅，分支出逆行的脉冲光并传递给光纤；
测量端子，其具有物镜，该物镜配设于该光纤的端面并将脉冲光会聚于板状物；
光分支构件，其分支出由在该板状物的上表面发生了反射的脉冲光和透过该板状物而在下表面发生了反射的脉冲光相干涉并在该光纤中逆行而得的返回光；
分光干涉波形生成构件，其根据由该光分支构件分支的返回光的一个脉冲的时间差求出波长并检测各波长的光的强度而生成一个脉冲中的分光干涉波形；以及
厚度计算构件，其对该分光干涉波形生成构件所生成的分光干涉波形进行波形解析而对板状物的厚度进行计算。
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