CN110610877A - 降低晶圆翘曲度的装置及方法、半导体设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低晶圆翘曲度的装置及方法、半导体设备。该装置包括：腔室、载台、加热单元、温控单元及中空压环；载台位于腔室内，用于承载待处理的晶圆；加热单元位于腔室内，用于对晶圆进行加热处理；温控单元与加热单元相连接，用于对加热单元的加热温度进行控制；中空压环，位于载台的上方，用于对晶圆进行按压以降低晶圆的翘曲度。本发明利用加热单元和温控单元对晶圆的温度进行调节以使晶圆软化，并利用中空压环对晶圆进行按压以最终达到降低晶圆翘曲度的目的。采用本发明降低晶圆的翘曲度，不仅有利于改善对晶圆的吸附、使得对晶圆的移动作业更加容易，可有效降低晶圆在移动作业过程中的碎片率，且有助于提高后续工艺的生产良率。

Description

降低晶圆翘曲度的装置及方法、半导体设备

技术领域

本发明涉及半导体芯片制造领域，特别是涉及一种降低晶圆翘曲度的装置及方法、半导体设备。

背景技术

随着半导体芯片制造技术的飞速发展，晶圆的尺寸越来越大，单个晶圆上制作的芯片数量越来越多，器件的集成密度也越来越大，这导致晶圆的翘曲度(warpage)问题越来越突出。晶圆表面发生翘曲的原因很多，比如因为芯片制造工艺复杂，晶圆表面需要堆叠沉积数十层乃至上百层薄膜，薄膜与薄膜间的应力不平衡导致晶圆出现不同程度的翘曲。此外，芯片制造过程中广泛采用沟槽工艺，而沟槽会导致晶圆的翘曲问题加重。晶圆翘曲不仅会造成不同薄膜间的图形套准精度降低，导致生产良率的下降，而且还会导致对晶圆的吸附难度增大，使得对晶圆的移动作业难以进行而导致生产运行的停滞；同时翘曲的存在会使晶圆的自身产生较大的应力而容易在搬送过程中或划片工艺中使晶圆破裂，这在后段封装过程中尤为突出。

随着晶圆尺寸的持续增大和器件集成度的日益增加，改善晶圆的翘曲度，也即降低晶圆的翘曲度对工艺的不利影响成为半导体厂内亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种降低晶圆翘曲度的装置及方法、半导体设备，用于解决现有技术中因晶圆表面翘曲度导致的生产良率下降、对晶圆的吸附难度加大而给晶圆的移动作业带来不便、晶圆在移动作业过程中容易发生碎片等问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种降低晶圆翘曲度的装置，包括：腔室、载台、加热单元、温控单元及中空压环；所述载台位于所述腔室内，用于承载待处理的晶圆；所述加热单元位于所述腔室内，用于对所述晶圆进行加热处理；所述温控单元与所述加热单元相连接，用于对所述加热单元的加热温度进行控制；所述中空压环位于所述载台的上方，用于对所述晶圆进行按压以降低所述晶圆的翘曲度。

可选地，所述降低晶圆翘曲度的装置还包括第一驱动单元，与所述中空压环相连接，用于调整所述中空压环的位置以调整所述中空压环与所述晶圆之间的距离。

在另一可选方案中，所述降低晶圆翘曲度的装置还包括第二驱动单元，与所述载台相连接，用于调整所述载台的位置以调整所述晶圆与所述中空压环之间的距离。

可选地，所述降低晶圆翘曲度的装置还包括测量单元，位于所述载台上方，用于测量所述晶圆的翘曲度。

可选地，所述中空压环的材质包括不锈钢。

可选地，所述中空压环的内环面积大于等于所述晶圆的器件有效区域的面积。

本发明还提供一种半导体设备，包括晶圆装载室、工艺腔室、前述任一方案中所述的降低晶圆翘曲度的装置及机械手臂，所述机械手臂用于在所述晶圆装载室、所述工艺腔室和所述降低晶圆翘曲度的装置之间传送晶圆。

本发明还提供一种降低晶圆翘曲度的方法，包括：

提供如前述任一方案中所述的降低晶圆翘曲度的装置；

将待处理的晶圆转移至所述降低晶圆翘曲度的装置的腔室内；

开启所述加热单元对所述晶圆进行加热，在此过程中根据需要对所述中空压环的位置进行调整，通过所述中空压环对所述晶圆进行按压以降低所述晶圆的翘曲度。

可选地，所述降低晶圆翘曲度的方法还包括调整所述加热单元的加热温度的步骤。

可选地，所述降低晶圆翘曲度的方法还包括测量所述晶圆的翘曲度，并根据测量结果调整所述中空压环的位置的步骤。

如上所述，本发明的降低晶圆翘曲度的装置通过优化的结构设计，利用加热单元和温控单元对晶圆的温度进行调节以使晶圆软化，并利用中空压环对晶圆进行按压以最终达到降低晶圆翘曲度的目的。本发明结构简单，使用方便。采用本发明的装置和方法降低晶圆的翘曲度，不仅有利于改善对晶圆的吸附、使得对晶圆的移动作业更加容易，可有效降低晶圆在移动作业过程中的碎片率，且有助于提高后续工艺的生产良率。采用本发明的半导体设备，有助于提高生产良率，降低生产成本。

附图说明

图1显示为本发明实施例一的降低晶圆翘曲度的装置的结构示意图。

图2及图3显示为晶圆放置于本发明实施例一的降低晶圆翘曲度的装置中的示意图。

图4显示为本发明实施例二的半导体设备的结构示意图。

图5显示为本发明实施例三的半导体设备的结构示意图。

组件标号说明

1 降低晶圆翘曲度的装置

11 腔室

12 载台

13 晶圆

13a 器件有效区域

13b 外围区域

14 加热单元

15 温控单元

16 中空压环

17 第一驱动单元

18 第二驱动单元

19 控制器

2 晶圆装载室

3 工艺腔室

4 机械手臂

5 中转腔室

6 壳体

7 过滤单元

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。且为使图示尽量简洁，本说明书中对同一图示中的相同结构尽量不重复标记。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种降低晶圆翘曲度的装置1，包括：腔室11、载台12、加热单元14、温控单元15及中空压环16；所述载台12位于所述腔室11内，用于承载待处理的晶圆13；所述加热单元14位于所述腔室11内，用于对所述晶圆13进行加热处理；所述温控单元15与所述加热单元14相连接，用于对所述加热单元14的加热温度进行控制；所述中空压环16位于所述载台12的上方，用于对所述晶圆13进行按压以降低所述晶圆13的翘曲度。本发明利用加热单元和温控单元对晶圆的温度进行调节以使晶圆软化，并利用中空压环对晶圆进行按压以最终达到降低晶圆翘曲度的目的。本发明结构简单，使用方便。采用本发明降低晶圆的翘曲度，不仅有利于改善对晶圆的吸附、使得对晶圆的移动作业更加容易，可有效降低晶圆在移动作业过程中的碎片率，且有助于提高后续工艺的生产良率。

根据半导体厂内的不同工作环境，所述腔室11可为全封闭腔室或半封闭腔室。比如如果所述降低晶圆翘曲度的装置1处于超洁净工作区间内，那所述腔室11可为半封闭的。当然，为确保工作过程中的洁净度，所述腔室11优选为封闭式的，通过在所述腔室11上设置腔门或腔盖以通过开启腔门或腔盖进行晶圆的进出作业，在需要时亦可通过开启腔门或腔盖对所述腔室11内部进行维修保养。所述腔室11的大小和形状与待处理的晶圆13相匹配，比如所述腔室11主体可为矩形柱状或圆形柱状。

所述载台12的表面积通常大于等于所述晶圆13的最大表面积(即假设所述晶圆表面无翘曲时的表面积)，且所述载台12的表面为水平面。所述降低晶圆翘曲度的装置1还可包括静电吸附装置(未图示)，以在作业过程中将所述晶圆13通过静电吸附固定于所述载台12表面。

根据所述加热单元14的具体结构不同，所述加热单元14的设置位置可有所不同。比如，如果所述加热单元14为电阻式加热器，则可以设置于所述载台12的下表面(与所述载台12相邻设置)或者设置于所述载台12内；如果所述加热单元14为灯管，则所述加热单元14可设置于所述腔室11的底部或侧壁(与所述载台12不相邻)。

所述温控单元15包括温度测量模块和调节模块，以根据所述温度测量模块的测量结果，通过所述调节模块调节所述加热单元14的加热功率。所述降低晶圆翘曲度的装置1还可进一步包括降温单元(未图示)，设置于所述腔室11内，所述降温单元亦可与所述温控单元15相连接，以根据需要启动所述降温单元对所述腔室11进行降温。所述降温单元可为水冷式或气冷式降温器。所述加热单元14的加热温度根据晶圆表面器件类型和分布密度等不同而不同，但通常需大于100℃，在该温度下晶圆13才能逐渐软化，并通过所述中空压环16的压力使得晶圆表面翘曲得到改善。

所述中空压环16顾名思义为中空环状，内环呈完全镂空，内环与外环具有间距。所述晶圆13通常包括器件有效区域13a和位于所述器件有效区域13a外围的外围区域13b，所述外围区域13b的大小根据不同的工艺需要而有所不同，而晶圆的翘曲通常是因为晶圆的外围区域13b和器件有效区域13a的器件密集度差异大而产生的，这主要是因为外围区域器件比较少，在晶圆工艺生产过程中受应力影响较小，而器件有效区域的芯片密度大导致晶圆在重力作用下中间向下凸出而使晶圆表面呈中间凹陷外围凸出的类似碗状翘曲。为避免对所述晶圆13的器件有效区域13a造成损伤，当所述中空压环16压至所述晶圆表面时，需确保所述晶圆13的器件有效区域13a完全暴露于所述中空压环16的表面，所述中空压环16仅压至于所述晶圆13的外围区域13b的上表面，即所述中空压环16的内环面积大于等于所述晶圆13的器件有效区域13a的面积，考虑到外围区域通常很小，优选所述中空压环16的内环面积与所述晶圆13的器件有效区域13a的面积相同以使所述中空压环16和外围区域13b尽可能完全接触，而所述中空压环16的内环面积与外环面积之差优选大于所述晶圆13的外围区域13b的面积，即所述中空压环16的径向宽度大于所述晶圆13的外围区域13b的径向宽度，以当所述中空压环16压至于所述晶圆表面时能与所述晶圆13具有较大的接触面积，使受力尽量均衡，避免局部压力过大导致所述晶圆13的破裂。在一示例中，所述中空压环16的内环直径为294mm，内环和外环的半径差(即宽度)为80mm。所述中空压环16的材质优选不锈钢等合金材质，其表面需确保足够的光滑，以避免对晶圆表面造成损伤，同时减少所述中空压环16与所述晶圆13的相互吸附力以当完成所述晶圆13翘曲度的改善后容易将所述中空压环16自所述晶圆表面移开。所述中空压环16上可设置有提手(未图示)以在需要时可通过人力移动所述中空压环，所述提手可为2个，2个提手对称位于所述中空压环16远离所述晶圆的表面上。

作为示例，所述降低晶圆翘曲度的装置1还包括第一驱动单元17，与所述中空压环16相连接，用于调整所述中空压环16的位置以调整所述中空压环16与所述晶圆13之间的距离，比如初始时所述中空压环16远离所述载台12，当待处理的晶圆13被放置于所述载台12表面后，所述第一驱动单元17驱动所述中空压环16下降而压至于所述晶圆13的表面。所述第一驱动单元17可为气缸，其数量可以为一个或2个以上，优选为2个，2个所述第一驱动单元17对称分布于所述中空压环16的两侧以确保所述中空压环16升降过程中的平衡，以确保所述中空压环16对所述晶圆13的各处压力平衡。进一步地还可设置与所述第一驱动单元17相连接的位移传感器(未图示)，以检测所述第一驱动单元17的位移量，确保所述中空压环16能水平地压至于所述晶圆13的表面。

在另一示例中，所述降低晶圆翘曲度的装置1还包括第二驱动单元18，与所述载台12相连接，比如位于所述载台12的下方，用于调整所述载台12的位置以调整所述晶圆13与所述中空压环16之间的距离。所述第二驱动单元18可以包括气缸，所述第二驱动单元18可以进一步包括旋转模块以在需要时带动所述载台12旋转以使晶圆13的受热更加均匀。所述第一驱动单元17和所述第二驱动单元18可以二者择其一或者同时具备，优选通过所述第一驱动单元17驱动所述中空压环16以更加灵活地调整所述中空压环16和所述晶圆13的相对位置，避免因所述载台12的移动可能造成所述晶圆13发生移位。

作为示例，所述降低晶圆翘曲度的装置1还包括测量单元(未图示)，位于所述载台12上方，用于测量所述晶圆13的翘曲度。所述测量单元可以为传感器，比如通过测量所述晶圆表面13不同位置的高度以计算所述晶圆13的翘曲度；也可以为表面形貌仪，通过获取所述晶圆13的表面形貌以测量出所述晶圆13的翘曲度。根据所述测量单元的具体结构不同，其安装位置也可以有所调整，比如位于所述腔室11的侧壁上，本实施例中并不严格限制。所述测量单元可以与所述加热单元14和/或所述温控单元15相连接，以根据所述测量单元的测量结果调节加热温度。

进一步地，所述降低晶圆翘曲度的装置1还包括控制器19，比如电脑，所述控制器19与所述第一驱动单元17、所述第二驱动单元18、所述温控单元15及所述测量单元相连接，以通过所述控制器19进行控制，提高装置的自动化水平。比如在晶圆13被放置于所述载台12上后(如图2所示)，所述控制器19控制所述第一驱动单元17向下移动以压至于所述晶圆13的表面(如图3所示，所述中空压环16将所述晶圆13的外围区域压住)，之后控制所述加热单元14对所述晶圆13进行加热以使晶圆13逐渐软化，并控制所述温控单元15根据需要调整所述加热单元14的加热，同时在此过程中还可以根据所述测量单元检测到的所述晶圆13的翘曲度情况控制所述第一驱动单元17对所述中空压环16的位置进行调整，在所述中空压环16的压力作用下，晶圆13的翘曲被逐步按压减小。

发明人在工厂内进行了大量实验，采用本发明的降低晶圆翘曲度的装置1对有翘曲的晶圆进行处理，晶圆的翘曲度可自原来的30％左右下降至5％以内，而整个处理时间仅需5～30分钟，较优的为10分钟。翘曲被改善处理后的晶圆更容易被机械手臂抓取，传送作业更加安全，碎片风险大大降低。

经本发明的装置处理后的晶圆可直接送入至下一个工艺段，比如送至切割设备中进行芯片切割，本发明的装置还可以根据下一个工艺段的要求对晶圆进行预热以满足下一工艺段的工艺要求。当然，本发明的装置不仅适用于后段(back-end)封装厂的晶圆处理，而且同样适用于前段(front-end)芯片制造厂的晶圆处理，有助于提高后续工艺的生产良率，有助于提高设备产出率。

实施例二

如图4所示，本发明还提供一种半导体设备，包括晶圆装载室2、工艺腔室3及实施例一中所述的降低晶圆翘曲度的装置1，以及机械手臂4，所述机械手臂4用于在所述晶圆装载室2、所述工艺腔室3和所述降低晶圆翘曲度的装置1之间传送晶圆。对所述降低晶圆翘曲度的装置1的介绍请参考实施例一的介绍，出于简洁的目的不赘述。

本实施例的半导体设备中，所述晶圆装载室2、所述工艺腔室3和所述降低晶圆翘曲度的装置1各自独立，通过所述机械手臂4在彼此之间进行晶圆的传送，比如所述机械手臂4将晶圆自所述晶圆装载室2取出并传送至所述降低晶圆翘曲度的装置1中进行预处理以改善所述晶圆的翘曲度，之后再传送至所述工艺腔室3进行后续的工艺处理，完成所需的工艺处理后再将晶圆传送回所述晶圆装载室2中。为确保作业过程中的洁净度，所述半导体设备通常包括壳体6，所述壳体6上还可以设置过滤单元7以进一步提高所述壳体6内的洁净度。所述工艺腔室3包括但不限于光刻腔室、焊线腔室、切割腔室。所述晶圆装载室2、所述工艺腔室3、所述降低晶圆翘曲度的装置1和所述机械手臂4的数量均可以为一个或多个，所有装置可通过同一个控制器19进行统一控制，以提高所述半导体设备的自动化作业水平。

采用本发明的半导体设备，可显著提高生产良率，降低生产成本。

实施例三

如图5所示，本发明还提供另一种半导体设备。本发明的半导体设备与实施二的半导体设备的主要区别在于：实施二的半导体设备中，所述晶圆装载室2、所述工艺腔室3和所述降低晶圆翘曲度的装置1各自独立；而本实施例的半导体设备中，所述晶圆装载室2和所述降低晶圆翘曲度的装置1与所述工艺腔室3之间通过中转腔室5相连接，所述机械手臂4位于所述中转腔室5内。除此之外，本实施例的半导体设备的作业流程与实施例二的半导体设备的作业流程相同，所述机械手臂4将晶圆自所述晶圆装载室2取出并传送至所述降低晶圆翘曲度的装置1中进行预处理以改善所述晶圆的翘曲度，之后再传送至所述工艺腔室3进行后续的工艺处理，完成所需的工艺处理后再将晶圆传送回所述晶圆装载室2中。同样地，所述晶圆装载室2、所述工艺腔室3、所述降低晶圆翘曲度的装置1和所述机械手臂4的数量均可以为一个或多个，所有装置可通过同一个控制器19进行统一控制，以提高所述半导体设备的自动化作业水平。

实施例四

本发明还提供一种降低晶圆翘曲度的方法，该方法基于实施例一的所述的降低晶圆翘曲度的装置1进行，具体包括：

提供如实施例一中所述的降低晶圆翘曲度的装置1；

将待处理的晶圆转移至所述降低晶圆翘曲度的装置1的腔室11内；

开启所述加热单元14对所述晶圆13进行加热，在此过程中根据需要对所述中空压环16的位置进行调整，通过所述中空压环16对所述晶圆13进行按压以降低所述晶圆13的翘曲度。

需要说明的是，可以在将所述中空压环16压至所述晶圆13的表面后再开始对晶圆进行加热，并在加热过程中根据需要对所述中空压环16的位置进行调整；也可以是先开始对晶圆进行加热，然后在加热至预设温度后将所述中空压环16压至所述晶圆表面，之后根据需要对所述中空压环16的位置进行调整，比如随着晶圆的翘曲被逐渐改善，所述中空压环16随之逐渐下移，直至晶圆的翘曲完全被改善。本实施例中优选在加热前将所述中空压环16压至晶圆的表面，在加热过程中所述中空压环16可以起到较好的传热作用而使晶圆的受热更加均匀。

作为示例，加热过程优选在晶圆13被放置在所述载台12后开启，以使所述晶圆13逐步适应加热过程，避免瞬间的较大温差导致所述晶圆13的碎片。

作为示例，将所述中空压环16压至所述晶圆13的表面可以通过上下移动所述中空压环16的位置和/或上下移动所述载台12的位置实现。

作为示例，在需要时还可以调整所述加热单元14的加热温度，比如在经过预设的处理时间后将所述中空压环16自所述晶圆表面抬起并测量所述晶圆表面的翘曲度，如果检测到晶圆表面的翘曲度并没有发生明显变化，则考虑可能因为是晶圆表面的差异导致预设的温度不足以使晶圆发生软化，那可以将所述中空压环16重新压至所述晶圆的表面并适当提高加热温度。此过程中可以多次测量所述晶圆13的翘曲度，并根据测量结果调整所述加热单元14的加热温度和/或调整所述中空压环16的位置，直至最终将晶圆13的翘曲度改善至预期范围内。

本发明的降低晶圆翘曲度的方法操作非常简单，整个过程可以实现高度自动化，经本发明的方法改善晶圆的翘曲度，有助于提高后续工艺的生产良率。

综上所述，本发明提供一种降低晶圆翘曲度的装置及方法、半导体设备。本发明的降低晶圆翘曲度的装置包括：腔室、载台、加热单元、温控单元及中空压环；所述载台位于所述腔室内，用于承载待处理的晶圆；所述加热单元位于所述腔室内，用于对所述晶圆进行加热处理；所述温控单元与所述加热单元相连接，用于对所述加热单元的加热温度进行控制；所述中空压环，位于所述载台的上方，用于对所述晶圆进行按压以降低所述晶圆的翘曲度。本发明的降低晶圆翘曲度的装置通过优化的结构设计，利用加热单元和温控单元对晶圆的温度进行调节以使晶圆软化，并利用中空压环对晶圆进行按压以最终达到降低晶圆翘曲度的目的。本发明结构简单，使用方便。采用本发明的装置和方法降低晶圆的翘曲度，不仅有利于改善对晶圆的吸附、使得对晶圆的移动作业更加容易，可有效降低晶圆在移动作业过程中的碎片率，且有助于提高后续工艺的生产良率。采用本发明的半导体设备，有助于提高生产良率，降低生产成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种降低晶圆翘曲度的装置，其特征在于，包括：

腔室；

载台，位于所述腔室内，用于承载待处理的晶圆；

加热单元，位于所述腔室内，用于对所述晶圆进行加热处理；

温控单元，与所述加热单元相连接，用于对所述加热单元的加热温度进行控制；

中空压环，位于所述载台的上方，用于对所述晶圆进行按压以降低所述晶圆的翘曲度。

2.根据权利要求1所述的降低晶圆翘曲度的装置，其特征在于：所述降低晶圆翘曲度的装置还包括第一驱动单元，与所述中空压环相连接，用于调整所述中空压环的位置以调整所述中空压环与所述晶圆之间的距离。

3.根据权利要求1所述的降低晶圆翘曲度的装置，其特征在于：所述降低晶圆翘曲度的装置还包括第二驱动单元，与所述载台相连接，用于调整所述载台的位置以调整所述晶圆与所述中空压环之间的距离。

4.根据权利要求1所述的降低晶圆翘曲度的装置，其特征在于：所述降低晶圆翘曲度的装置还包括测量单元，位于所述载台上方，用于测量所述晶圆的翘曲度。

5.根据权利要求1所述的降低晶圆翘曲度的装置，其特征在于：所述中空压环的材质包括不锈钢。

6.根据权利要求1至5任一项所述的降低晶圆翘曲度的装置，其特征在于：所述中空压环的内环面积大于等于所述晶圆的器件有效区域的面积。

7.一种半导体设备，其特征在于，包括：

晶圆装载室；

工艺腔室；

如权利要求1至6任一项所述的降低晶圆翘曲度的装置；

机械手臂，所述机械手臂用于在所述晶圆装载室、所述工艺腔室和所述降低晶圆翘曲度的装置之间传送晶圆。

8.一种降低晶圆翘曲度的方法，其特征在于，包括：

提供如权利要求1至6任一项所述的降低晶圆翘曲度的装置；

将待处理的晶圆转移至所述降低晶圆翘曲度的装置的腔室内；

开启所述加热单元对所述晶圆进行加热，在此过程中根据需要对所述中空压环的位置进行调整，通过所述中空压环对所述晶圆进行按压以降低所述晶圆的翘曲度。

9.根据权利要求8所述的降低晶圆翘曲度的方法，其特征在于：所述降低晶圆翘曲度的方法还包括调整所述加热单元的加热温度的步骤。

10.根据权利要求8所述的降低晶圆翘曲度的方法，其特征在于：所述降低晶圆翘曲度的方法还包括测量所述晶圆的翘曲度，并根据测量结果调整所述中空压环的位置的步骤。