CN109333360B - 一种晶圆减薄磨削力在线测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种晶圆减薄磨削力在线测量装置及方法，属于半导体晶圆材料超精密加工领域。该磨削力测量装置包括半导体晶圆、工作台、承载台、薄膜压力传感器、数据处理与无线传输模块。磨削力的测试方法包含基于测试装置的传感器标定与磨削力在线测量。利用本发明提供的磨削力测量装置及方法，可以实时监测半导体晶圆磨削过程中的磨削力，对半导体的加工，降低磨削损伤具有重要意义。本发明具有如下特点：传感器采用薄膜压力传感器，响应时间短，测试精度高；数据的传输采用无线传输设计，能够在晶圆和主轴旋转过程中对磨削力进行实时监测，避免晶圆旋转绕线的风险；传感器采用分布式设计，能够监测磨削力沿晶圆径向，晶向的分布。
Description
技术领域
本发明属于半导体晶圆材料超精密加工领域，涉及一种晶圆减薄磨削力在线测试装置及方法。
背景技术
半导体晶圆减薄加工是集成电路(IC)制造领域不可缺少的工艺。随着高密度和小型化电子器件的增加，对晶圆减薄技术提出了更高的要求。基于晶圆自旋转磨削方法的晶圆减薄是当前主流的晶圆减薄技术。磨削过程中，砂轮表面磨粒与晶圆表面相互作用实现材料的去除。这一过程不可避免地造成硅晶圆表面损伤，如相变、位错、微裂纹等。这些损伤会降低晶圆强度，影响后续加工良率和封装产品可靠性。为降低磨削损伤，一些学者研究了磨削参数(砂轮转速、晶圆转速、主轴进给速率)对亚表面损伤的影响。这些研究对理解磨削参数对损伤的影响和优化磨削工艺具有重要意义。然而，磨削力是造成损伤的本质因素，对磨削过程中磨削力进行实时监测有助于在磨削阶段控制磨质量，同时对研究磨削损伤的形成有重要意义。
目前，商用磨削机台，如日本DISCO公司DFG系列、Okamoto公司GNX系列以及中国电子科技集团有限公司生产的β系列，多采用主轴电流监控的方法间接反映磨削力。该方法操作简单，但是电流的变化不够灵敏，不能满足精密加工的需求。同时主轴电流受磨削法向力，切向力的共同影响，通过控制主轴电流监控磨削状态存在诸多问题。为获得半导体晶圆磨削过程中的磨削力，一些学者将传感器安装在空气主轴上，通过主轴的变形反应磨削力。但该力同样不是接触区域的磨削力。此外，上述间接测量方式均采用有线信号传输方式，与真实磨削状态存在较大的差别。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种晶圆减薄与磨削力测量装置及方法。该装置将薄膜压力传感器置于加工晶圆和工作台之间。薄膜压力传感器信号通过工作台穿线孔引入承载台空腔内。承载台空腔放置信号采集和无线传输模块。外部通过安装无线接收器的电脑对无线信号进行实施监测。
本发明技术方案如下：
一种晶圆减薄磨削力在线测量装置，其特征在于，它包括：半导体晶圆，键合胶，薄膜压力传感器，工作台，承载台，晶圆主轴底座，数据采集与无线传输模块，无线接收模块。半导体晶圆通过键合胶固定在工作台的工作台面的一侧。键合胶的厚度小于300μm。薄膜压力传感器的底面与键合胶的底面位于同一平面，其厚度大于键合胶的厚度3-10μm。工作台内设置穿线孔，所述穿线孔呈长方体结构，贯穿于工作台，其横截面长度大于薄膜压力传感器的宽度，其横截面宽度大于薄膜压力传感器的厚度。薄膜压力器通过导线穿过穿线孔与数据采集和无线传输模块连接。数据采集和无线传输模块位于承载台空腔内。无线接收模块通过无线传输协议实时监测磨削力电压信号，对磨削力实时监测。
作为本专利的进一步改进，其特征在于，所述加工晶圆为硅晶圆、碳化硅晶圆、砷化镓晶圆、碲锌镉晶圆、氧化锌晶圆的一种。
作为本专利的进一步改进，其特征在于，所述键合胶为临时键合胶、蓝膜、双面胶带的一种。
作为本专利的进一步改进，其特征在于，所述承载台包含空腔和螺孔，用于放置和固定数据采集和无线传输模块。
一种晶圆减薄磨削力在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据本专利提供的磨削力在线测量装置，建立晶圆减薄磨削力在线测量装置。
步骤2：提供一已标定力锤，所述力锤锤头几何形状与磨轮磨齿几何形状完全相同。用恒定力划过加工晶圆表面，当力锤划过薄膜压力传感器中心位置时，记录力锤的压力F1和薄膜压力传感器的电压U1，改变压力大小，重复上述步骤，建立压力F与电压U之间的关系。
步骤3：将晶圆减薄磨削力在线测量装置安装在磨削机台上，对加工晶圆进行磨削，并对薄膜压力传感器电压信号进行实时监测。磨轮接触和离开传感器时电压信号先增大后减小。记录最大电压信号为Ut，根据步骤2建立的压力与电压的关系，反推出磨削力Ft，即为测量磨削力。对应的应力为σ＝Ft/Amax，式中Amax为磨齿与薄膜压力传感器的最大接触面积。
有益效果
利用本发明提供的磨削力测量装置及方法，可以实时监测半导体晶圆磨削过程中的磨削力，对半导体的加工，降低磨削损伤具有重要意义。本发明还具有如下优点：传感器部分采用薄膜压力传感器，响应时间短，测试精度高；数据的传输采用无线传输设计，能够在晶圆和主轴旋转过程中对磨削力进行实时监测，避免晶圆选装过程中绕线的风险；传感器采用分布式设计，能够监测磨削力沿晶圆径向，晶向的分布。
附图说明
图1(a)为本发明实施例的磨削力在线测量装置的结构示意图图1(b)为本发明实施例的磨削力在线测量装置的剖面图。
具体实施方式
为使本发明能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
提供一种晶圆减薄磨削力在线测量装置，如图1所示，包含：半导体晶圆(1)，键合胶(2)，薄膜压力传感器(3)，工作台(4)，承载台(5)，晶圆主轴底座(6)，数据采集与无线传输模块，无线接收模块。所述半导体晶圆(1)通过键合胶(2)与工作台(4)的工作台面(404)连接。所述键合胶(2)的厚度应小于300μm。所述薄膜压力传感器(3)的底面与键合胶(2)底面位于同一平面，其厚度大于键合胶(2)的厚度3-10μm。所述工作台(4)内设置穿线孔(403)。所述穿线孔(403)呈长方体结构，贯穿于工作台(4)，其横截面长度大于薄膜压力传感器导线的宽度，其横截面宽度大于薄膜压力传感器导线的厚度。所述薄膜压力器(3)通过导线穿过穿线孔(403)与数据采集和无线传输模块连接。所述数据采集和无线传输模块位于承载台(5)内部。晶圆主轴底座(6)位于磨削机台上，通过真空吸附或者螺栓固定的方式固定承载台。
由上，晶圆磨削过程中，磨轮与加工晶圆(1)相互作用，作用在加工晶圆(1)上的力会传递到薄膜压力传感器(2)上，薄膜压力传感器(2)感知到压力的变化后电压会发生变化，该电压信号通过导线被数据采集和无线传输模块发出传递给无线接收装置，无线接收装置采集无线信号，并实时显示。
所述键合胶(2)可以为临时键合胶、蓝膜、双面胶带的一种，用于连接和支撑加工晶圆(1)。
所述薄膜压力传感器(3)为单点式薄膜压力传感器、阵列式薄膜压力传感器的一种或组合。其原理为电阻式薄膜压力传感器、电容式薄膜压力传感器的一种。传感器的数量可以是一个，也可以是多个。其位置可以沿晶圆的晶向分布，晶圆半径方向分布，也可以自由组合。本例选用TEKSCAN公司的Flexiforce A201单点式薄膜薄膜压力传感器，晶圆采用Si(100)晶圆。沿晶圆的<110>和<100>晶向分别布置4个传感器，其沿晶圆的半径距离分别为0mm、30mm、60mm、90mm。在<110>和<100>晶向之间半径距离分别为60mm和90mm位置处同样布置传感器，本例共布置9个传感器。
所述工作台(4)包含工作台面(404)和固定台面(405)，所述固定台面(404)高度不低于固定台面(405)高度。所述工作台(4)包含穿线孔(403)和螺栓孔(402)。所述穿线孔(403)贯穿工作台(4)，用于薄膜压力传感器(3)穿过。本例中穿线孔(403)采用线切割的方式加工而成，与传感器的数量对应，穿线孔的数量同样为9个。
所述承载台(5)包含空腔(503)和螺孔(502)。承载台(5)与磨削机台的连接可以是真空吸附或螺栓连接的一种。本例中采用螺栓连接的方式进行连接。
所述数据采集及无线传输模块包含电阻/电压转换、模数转换、信号放大、信号的采集与无线传输模块。所述无线传输模块为基于Zigbee、蓝牙、WIFI、4G/5G无线传输一种。本例中无线传输模块采用美国LABJACK公司的T7 pro无线传输设备，该设备采用无线WIFI传输协议传输信号。
提供一种晶圆减薄磨削力在线测量方法，包括以下步骤：
步骤1：根据本发明提出的晶圆减薄磨削力在线测量装置方法建立晶圆减薄磨削力在线测量装置。
步骤2：提供一已标定力锤，所述力锤锤头几何形状与磨轮磨齿几何形状完全相同。用恒定力划过加工晶圆表面，当力锤划过薄膜压力传感器中心位置时，记录力锤的压力F1和薄膜压力传感器的电压U1，改变压力大小，重复上述步骤，建立压力F与电压U之间的关系。
步骤3：将晶圆减薄磨削力在线测量装置安装在磨削机台上，对加工晶圆进行磨削，并对薄膜压力传感器电压信号进行实时监测。磨轮接触和离开传感器时电压信号先增大后减小。记录最大电压信号为Ut，根据步骤2建立的压力与电压的关系，反推出磨削力Ft，即为测量磨削力。对应的应力为σ＝Ft/Amax，式中Amax为磨齿与晶圆的接触面积。
Claims (10)
1.一种晶圆减薄磨削力在线测量装置，其特征在于，包含：半导体晶圆(1)，键合胶(2)，薄膜压力传感器(3)，工作台(4)，承载台(5)，晶圆主轴底座(6)，数据采集与无线传输模块，无线接收模块；所述半导体晶圆(1)通过键合胶(2)与工作台(4)的工作台面(404)连接；所述键合胶(2)的厚度小于300μm；所述薄膜压力传感器(3)的底面与键合胶(2)的底面位于同一平面，其厚度大于键合胶(2)的厚度3-10μm；所述工作台(4)内设置穿线孔(403)；所述穿线孔(403)呈长方体结构，贯穿于工作台(4)；薄膜压力传感器(3)通过导线穿过穿线孔(403)与数据采集和无线传输模块连接；所述数据采集和无线传输模块位于承载台(5)的空腔(503)内部，并通过螺栓与螺孔(502)固定；所述承载台(5)与磨削机台晶圆主轴底座(6)连接。
2.根据权利要求1所述的晶圆减薄磨削力在线测量装置，其特征在于，所述晶圆(1)为硅晶圆、碳化硅晶圆、砷化镓晶圆、碲锌镉晶圆、氧化锌晶圆的一种。
3.根据权利要求1所述的晶圆减薄磨削力在线测量装置，其特征在于，所述键合胶(2)为临时键合胶、蓝膜、双面胶带的一种。
4.根据权利要求1所述的晶圆减薄磨削力在线测量装置，其特征在于，所述薄膜压力传感器(3)为单点式薄膜压力传感器、阵列式薄膜压力传感器的一种或组合。
5.根据权利要求1所述的晶圆减薄磨削力在线测量装置，其特征在于，所述薄膜压力传感器的布置沿晶圆的半径方向和/或晶圆的晶向均匀分布。
6.根据权利要求1所述的晶圆减薄磨削力在线测量装置，其特征在于，所述工作台(4)包含工作台面(404)、固定台面(405)和螺栓孔(402)，所述工作台面(404)的高度不低于固定台面(405)的高度，工作台(4)的厚度不小于1cm。
7.根据权利要求1所述的晶圆减薄磨削力在线测量装置，其特征在于，所述承载台(5)包含空腔(503)和螺孔(502)。
8.根据权利要求1所述的晶圆减薄磨削力在线测量装置，其特征在于，承载台(5)与磨削机台的连接方式为螺栓连接或真空吸附连接的一种。
9.一种晶圆减薄磨削力在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：提供权利要求1所述晶圆减薄磨削力在线测量装置；
步骤2：提供一已标定力锤，用恒定力划过加工晶圆表面，当力锤划过薄膜压力传感器中心位置时，记录力锤的压力F1和薄膜压力传感器的电压U1，改变压力大小，重复上述步骤，建立压力F与电压U之间的关系；
步骤3：将晶圆减薄磨削力在线测量装置安装在磨削机台上，对加工晶圆进行磨削，并对薄膜压力传感器电压信号进行实时监测；磨轮接触和离开传感器时电压信号先增大后减小；记录最大电压信号为Ut，根据步骤2建立的压力与电压的关系，反推出磨削力Ft，即为测量磨削力；对应的应力为σ＝Ft/Amax，式中Amax为磨齿与传感器接触的最大面积。
10.根据权利要求9所述的一种晶圆减薄磨削力在线测量方法，其特征在于，所述力锤锤头几何形状与磨轮磨齿几何形状完全相同。
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