CN111421412B - 一种磨削工作台和晶圆减薄设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨削工作台和晶圆减薄设备，包括：用于承载晶圆吸盘的安装板、转盘、气浮支撑结构和驱动机构，安装板固定在转盘上，转盘包括主体部和从主体部的边缘向下向外延伸形成的环状边缘部，气浮支撑结构在其上部的内侧具有用于间隙包围转盘的边缘部的环状凹槽，以使所述边缘部在转动时悬浮于所述凹槽内并在静止时紧压所述凹槽的下表面限制所述转盘移动，驱动机构与转盘连接以驱动转盘带动安装板旋转。

Description

一种磨削工作台和晶圆减薄设备

技术领域

本发明属于晶圆超精密磨削技术领域，尤其涉及一种磨削工作台和晶圆减薄设备。

背景技术

目前半导体行业采用在半导体晶圆的表面上形成有电子电路来制造半导体芯片。晶圆在被分割为半导体芯片之前，通过磨削加工装置来磨削形成有电子电路的器件面的相反侧的背面，从而将晶圆减薄至预定的厚度。晶圆背面的磨削能够减小芯片封装体积，降低封装贴装高度，改善芯片的热扩散效率、电气性能和机械性能，从而减轻芯片的加工量，背面减薄后的芯片厚度甚至可以达到初始厚度的5％以下。

目前一般采用旋转砂轮对晶圆进行磨削，晶圆由吸盘保持并承载在工作台上，在磨削过程中砂轮会对工作台产生水平方向的磨削力，为了维持晶圆位置不变，需在磨削过程中使工作台克服磨削力保持静止。现有技术中采用电机制动来实现工作台的静止，造成电机持续工作发热，既增加能耗，并且制动效果差，工作台会轻微移动从而影响晶圆磨削效果。

发明内容

本发明实施例提供了一种磨削工作台和晶圆减薄设备，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明实施例的第一方面提供了一种磨削工作台，包括：用于承载晶圆吸盘的安装板、转盘、气浮支撑结构和驱动机构，安装板固定在转盘上，转盘包括主体部和从主体部的边缘向下向外延伸形成的环状边缘部，气浮支撑结构在其上部的内侧具有用于间隙包围转盘的边缘部的环状凹槽，以使所述边缘部在转动时悬浮于所述凹槽内并在静止时紧压所述凹槽的下表面限制所述转盘移动，驱动机构与转盘连接以驱动转盘带动安装板旋转。

在一个实施例中，转盘静止时，气浮支撑结构向所述边缘部的上表面施加气压以增加转盘对气浮支撑结构的下压力。

在一个实施例中，气浮支撑结构中设有通向所述边缘部的上表面的第一气路、通向所述边缘部的侧面的第二气路以及通向所述边缘部的下表面的第三气路。

在一个实施例中，转盘静止时，第一气路向所述边缘部的上表面施加高压气体。

在一个实施例中，转盘转动时，第一气路、第二气路和第三气路分别向所述边缘部的上表面、侧面和下表面施加高压气体以使气浮支撑结构与转盘之间的间隙通入高压气体从而使转盘悬浮。

在一个实施例中，磨削工作台还包括用于检测所述边缘部的下表面所承受气压的气压传感器。

在一个实施例中，所述凹槽内部的上承载面与所述边缘部的上表面相对，所述凹槽内部的下承载面与所述边缘部的下表面相对，所述下承载面的面积大于所述上承载面的面积。

在一个实施例中，转盘悬浮时与气浮支撑结构之间的间隙宽度为5至20μm。

在一个实施例中，所述凹槽的下承载面的粗糙度优于Ra0.8μm。

本发明实施例的第二方面提供了一种晶圆减薄设备，包括：

吸盘，用于保持晶圆并带动晶圆旋转；

如上所述的磨削工作台，用于承载预设数量的所述吸盘并带动全部吸盘整体旋转；

磨削单元，用于使砂轮抵接晶圆以对晶圆进行磨削减薄处理。

本发明实施例的有益效果包括：实现了在转盘静止时使转盘紧压在气浮支撑结构上从而限制转盘移动，状态稳定，制动效果好，可靠性高，功耗低。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，但这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：

图1为本发明的一个实施例提供的晶圆减薄设备的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例提供的晶圆减薄设备的布局示意图；

图3为本发明的一个实施例提供的晶圆减薄设备的示意图；

图4为本发明的一个实施例提供的磨削工作台的结构示意图；

图5为本发明的一个实施例提供的磨削工作台的结构示意图；

图6为本发明的一个实施例提供的磨削工作台的结构示意图；

图7为本发明的一个实施例提供的边缘部222下表面的仰视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本发明具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1所示，本发明实施例提供的晶圆减薄设备，包括：

吸盘1，用于保持晶圆并带动晶圆旋转；

磨削工作台2，用于承载预设数量的所述吸盘1并带动全部吸盘1整体旋转；

磨削单元3，用于使砂轮抵接晶圆以对晶圆进行磨削减薄处理。

如图1所示，在工作台2上均匀分布有3个可单独旋转的吸盘1，分别为用于吸附晶圆的第一吸盘、第二吸盘和第三吸盘，全部吸盘1为结构完全相同的多孔陶瓷吸盘以实现真空吸附晶圆。

如图1所示，磨削单元3由粗磨部31和精磨部32组成，粗磨部31设有用于对晶圆进行粗磨削的粗磨砂轮，精磨部32设有用于对晶圆进行精磨削的精磨砂轮。磨削过程是将磨削用砂轮按压在晶圆表面并旋转，以研磨掉一定厚度。

粗磨部31包括形状为杯形结构的粗磨砂轮、粗磨主轴、粗磨主轴座和粗磨进给机构。粗磨砂轮连接在粗磨主轴的底部以使粗磨主轴带动粗磨砂轮旋转从而实现粗磨砂轮对晶圆表面旋转磨削，粗磨主轴通过粗磨主轴座与粗磨进给机构连接以实现上下移动，通过粗磨进给机构控制粗磨砂轮相对于晶圆接近或远离以进行轴向切入式进给磨削。本实施例中，粗磨砂轮可以为金刚石砂轮，其表面较粗糙以实现快速的晶圆磨削，减少晶圆减薄时间。在粗磨削时，粗磨砂轮相对于晶圆的进给速度为2至10μm/s从而实现高速进给，粗磨砂轮的转速为2000至4000rpm。粗磨砂轮的半径与晶圆的半径匹配，可以为晶圆半径的1至1.2倍。

精磨部32包括形状为杯形结构的精磨砂轮、精磨主轴、精磨主轴座和精磨进给机构。精磨砂轮连接在精磨主轴的底部以使精磨主轴带动精磨砂轮旋转从而实现精磨砂轮对晶圆表面旋转磨削，精磨主轴通过精磨主轴座与精磨进给机构连接以实现上下移动，通过精磨进给机构控制精磨砂轮相对于晶圆接近或远离以进行轴向切入式进给磨削。本实施例中，精磨砂轮可以为金刚石砂轮，其表面粗糙度低于粗磨砂轮，由于粗磨快速去除晶圆表面材料会产生严重的表面缺陷和损失，利用精磨砂轮的细致表面进行低速磨削以降低晶圆表面损伤层厚度并提高晶圆表面质量。在精磨削时，精磨砂轮相对于晶圆的进给速度为0.1至1μm/s从而实现低速进给来提高磨削精度，精磨砂轮的转速为2000至4000rpm。精磨砂轮的半径与晶圆的半径匹配，可以为晶圆半径的1至1.2倍。

如图2所示，3个吸盘1中心与工作台2中心连线互成120°夹角。3个吸盘1在3个工位间进行轮转，分别为粗磨工位11、精磨工位12和装卸工位13，其中相对砂轮的2个工位分别用于进行粗磨削和精磨削，剩下1个工位用于晶圆的装卸和清洗。通过工作台2的旋转可带动3个吸盘1在这3个工位间切换，以实现吸盘1载着晶圆按照装卸工位13-粗磨工位11-精磨工位12-装卸工位13的顺序循环移动。

磨削过程中，工作台2的工作过程包括：

1)机械手将晶圆搬送至工作台2，使晶圆固定在装卸工位13对应的吸盘1上；

2)工作台2正向旋转120°，晶圆移动至粗磨工位11进行粗磨削；

3)粗磨削完成后，工作台2正向旋转120°，晶圆移动至精磨工位12进行精磨削；

4)精磨削完成后，工作台2反向旋转240°，晶圆移动至装卸工位13；

5)磨削后的晶圆在装卸工作进行清洗甩干后由机械手取下。

本实施例中，多个吸盘1设置在工作台2上，每个吸盘1可单独旋转，工作台2可绕其竖向中轴线旋转以使工作台2带动多个吸盘1整体旋转移动从而实现吸盘1在不同工位间转换位置，在吸盘1旋转移动至预设位置后需使工作台2保持静止。

可以理解的是，在磨削过程中，根据粗磨部31和精磨部32的安装位置的不同，工作台2可以按照与上述过程完全相反的旋转方向移动，换句话说可以采用图2所示的布局设定工作台2的正向旋转为顺时针旋转同时反向旋转为逆时针旋转，或者还可以将粗磨部31和精磨部32调换位置使得工作台2的正向旋转为逆时针旋转同时反向旋转为顺时针旋转。另外，3个吸盘1上可以同时装载3个晶圆，每个吸盘1按照所处的不同工位使晶圆执行不同的处理，从而实现三个工作位同时工作，提高晶圆处理效率，提高设备利用率。本实施例通过反复循环实现晶圆的全自动装卸和连续磨削及清洗。采用旋转式工作台2进行晶圆磨削具有材料去除率高、晶圆表面损伤小、容易实现自动化的优点。

如图2所示，以图2中所示布局以及砂轮、晶圆回转方向为例，说明工作台2在晶圆磨削过程中受到磨削力的作用产生回转、轴向/径向位移运动趋势的情况。可知根据减薄设备结构布局以及各回转单元转向设置的不同，实际的磨削力作用效果会有差异，但是原理与图中所述情况相同。

如图2所示，粗磨砂轮对吸盘产生的水平方向的作用力为F₁，精磨砂轮对吸盘产生的水平方向的作用力为F₂。在粗磨砂轮、精磨砂轮的共同作用下，如图2所示，磨削力对工作台2的综合作用转矩M₀将使工作台2产生逆时针方向的运动趋势，在磨削过程中为了维持晶圆位置不变，需要对工作台2进行限位以与磨削力综合作用转矩M₀抗衡。

如图3和图4所示，本发明实施例提供的磨削工作台2，包括：用于承载晶圆吸盘1的安装板21、转盘22、气浮支撑结构23和驱动机构24，安装板21固定在转盘22上，转盘22包括主体部221和从主体部221的边缘向下向外延伸形成的环状边缘部222，气浮支撑结构23在其上部的内侧具有用于间隙包围转盘22的边缘部222的环状凹槽231，以使所述边缘部222在转动时悬浮于所述凹槽231内并在静止时紧压所述凹槽231的下表面限制所述转盘22移动，驱动机构24与转盘22连接以驱动转盘22带动安装板21旋转。

本实施例中，安装板21固定连接在转盘22的上表面，以使安装板21和转盘22保持状态同步。在转盘22转动时，气浮支撑结构23通过向转盘22与气浮支撑结构23之间的间隙通入高压气体使转盘22悬浮从而实现转盘22自由旋转。在转盘22静止时，气浮支撑结构23使转盘22下降从而紧压在气浮支撑结构23上，利用转盘22与气浮支撑结构23之间的静摩擦力限制转盘22移动从而能够克服磨削力保持静止。本实施例实现了在转盘22静止时使转盘22紧压在气浮支撑结构23上从而限制转盘22移动，状态稳定，制动效果好，可靠性高，功耗低。

如图3至6所示，气浮支撑结构23中设有通向所述边缘部222的上表面的第一气路232、通向所述边缘部222的侧面的第二气路233以及通向所述边缘部222的下表面的第三气路234。

所述凹槽231内部的上承载面2311与所述边缘部222的上表面相对。

凹槽231内部的下承载面2313与边缘部222的下表面相对，所述下承载面2313的面积大于所述上承载面2311的面积，从而能够克服各个部件的重力而使转盘22浮起，实现回转运动。

凹槽231的侧承载面2312与边缘部222的侧面相对。

其中，第一气路232的出气口设在凹槽231的上承载面2311，第二气路233的出气口设在凹槽231的侧承载面2312，第三气路234的出气口设在凹槽231的下承载面2313。

如图4所示，为了实现转盘22转动，第一气路232、第二气路233和第三气路234分别向所述边缘部222的上表面、侧面和下表面施加高压气体以使气浮支撑结构23与转盘22之间的间隙通入高压气体从而使转盘22悬浮，也就是使所述边缘部222在转动时悬浮于所述凹槽231内，从而减小转动时的阻力。

在一个实施例中，转盘22悬浮时与气浮支撑结构23之间的间隙宽度为5至20μm，也就是在间隙内形成的气体薄膜的厚度。

在一个实施例中，所述凹槽231的下承载面2313的粗糙度优于Ra0.8μm。表面不能过于粗糙，以免影响气浮的效果，一般采用较为光滑的表面。

如图5所示，在一个实施例中，磨削工作台2还包括用于检测所述边缘部222的下表面所承受气压的气压传感器25。

可选地，转盘22悬浮时，第一气路232、第二气路233和第三气路234向间隙通入的气体压强为0.3至0.6MPa。

气压传感器25检测间隙内的气压在预设范围内时，例如0.5MPa，判定转盘22处于悬浮状态，根据气压传感器25采集到的数据控制气路内气体流量从而控制转盘22悬浮。

如图6所示，在一个实施例中，转盘22静止时，气浮支撑结构23向所述边缘部222的上表面施加气压以增加转盘22对气浮支撑结构23的下压力，从而增大摩擦。

如图6所示，转盘22静止时，第一气路232向所述边缘部222的上表面施加高压气体，同时第二气路233和第三气路234不加压。

从而实现了在转盘22静止时，安装板21和转盘22下降并紧压在气浮支撑结构23上以限制转盘22移动，不仅能够将安装板21和转盘22的自身重力落在气浮支撑结构23上，还利用第一气路232向边缘部222的上表面施加的高压气体大幅增加了边缘部222对凹槽231下承载面2313的下压力，极大比例地提高了转盘22与气浮支撑结构23之间的静摩擦力，使工作台2能够保持绝对地静止，制动效果好，可靠性高。

如图7所示为边缘部222下表面的仰视图。

为了分析图6中所示转盘22在静止状态所受的作用力，采用以下计算过程：

边缘部222上表面的有效承载气压面积设为A₁，所承受气体压强设为P₁，边缘部222下表面与气浮支撑结构23的接触面积设为A₂，那么，在重力G与上表面所受气体下压力的共同作用下，边缘部222下表面与气浮支撑结构23的接触压强为

如图7所示通过面积微元dA和单位面积压力df计算最大静摩擦力矩M的公式为：

dM＝r·df

df＝μ·dN

dN＝P·dA

dM＝μrP·dA

M＝∫μrP·dA

结合上述公式，通过计算和实际验证，在重力与下压力的共同作用下，转盘22与气浮支撑结构23之间的最大静摩擦力矩M可达到300N·m以上，而磨削力对工作台2的综合作用转矩M₀一般在100N·m以内，可见，本实施例能够可靠地起到工作台2限位作用，保证了磨削过程状态稳定。

如图3至6所示，气浮支撑结构23包括气浮轴承套235和底座236，气浮轴承套235固定在底座236上表面，气浮轴承套235和底座236配合形成所述凹槽231。

如图3至6所示，驱动机构24包括转接件241、电机动子242、电机定子243和定子安装板244，转接件241分别与转盘22的底部和电机动子242的顶部连接，电机定子243套设在电机动子242的外周，电机定子243通过定子安装板244与所述底座236固定连接。

在一个实施例中，转接件241包括可动导向部245以实现上下移动，但是保持回转方向的刚性。导向部245可以设置在转接件241的顶部或底部，以在转盘22悬浮或下降时留出移动空间。导向部245可以由导向销实现。

在一个实施例中，磨削工作台2还包括用于检测转盘22的旋转角度的位置检测机构26。

在一个实施例中，位置检测机构26包括检测传感器261和被测标件262。

作为一种实施方式，如图6所示，检测传感器261固定在定子安装板244底部，被测标件262固定在电机动子242底部，被测标件262跟随电机动子242旋转，检测传感器261检测到被测标件262时可以确定旋转位置。具体地，被测标件262设有3个，按照两两之间夹角120°沿周向均匀分布，从而实现了检测旋转120°。同理，也可以设3个检测传感器261沿周向均匀分布。

可以理解的是，检测传感器261和被测标件262的安装位置还可以互换，实现相同的位置检测功能。

为了便于理解，下面以一个具体操作流程为例进行说明，包括：

1)利用机械手将晶圆传送至装卸工位13；

2)气浮支撑结构23中的三路气路通气，使工作台2转动；

3)位置检测机构26检测到工作台2到达预定位置，工作台2停转以实现转动120°；

4)第一气路232保持通气，第二气路233和第三气路234断气，以将安装板21和转盘22压至气浮支撑结构23上；

5)对晶圆进行粗磨削加工；

6)完成粗磨削后，三路气路通气，使工作台2转动；

7)位置检测机构26检测到工作台2到达下一预定位置，工作台2停转以实现转动120°；

8)第一气路232保持通气，第二气路233和第三气路234断气，以将安装板21和转盘22压至气浮支撑结构23上；

9)对晶圆进行精磨削加工；

10)完成精磨削后，三路气路通气，使工作台2反向转动；

11)位置检测机构26检测到工作台2到达初始预定位置，工作台2停转以实现反向转动240°；

12)清洗晶圆；

13)利用机械手将晶圆从装卸工位13取出。

本发明实施例采用气体悬浮形式实现工作台回转运动，具有极高的回转精度，能够有效控制晶圆在轮转过程中的姿态，利于提升加工精度。在磨削时，依靠气浮支撑结构23通过第一气路232从上承载面通入高压气体，其他两处承载面切断供气，能够增加转盘22与气浮支撑结构23之间的最大静摩擦力矩，从而抵抗由磨削力产生的倾斜、回转运动趋势，保持工作台2位置稳定处于绝对静止。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1. 一种磨削工作台，其特征在于，包括：用于承载吸盘的安装板、转盘、气浮支撑结构和驱动机构，安装板固定在转盘上，转盘包括主体部和从主体部的边缘向下向外延伸形成的环状边缘部，气浮支撑结构在其上部的内侧具有用于间隙包围转盘的边缘部的环状凹槽，以使所述边缘部在转动时悬浮于所述凹槽内并在静止时紧压所述凹槽的下表面限制所述转盘移动，驱动机构与转盘连接以驱动转盘带动安装板旋转; 驱动机构包括可动导向部以实现转盘上下移动，同时保持转盘的回转运动；所述边缘部的上表面、侧面和下表面均设有槽，所述气浮支撑结构中设有通向所述边缘部的气路，所述气路的出气口通向所述槽；

所述磨削工作台还包括用于检测转盘的旋转角度的位置检测机构；位置检测机构包括检测传感器和被测标件，检测传感器检测到被测标件时能够确定旋转位置，被测标件设有3个，按照两两之间夹角120°沿周向均匀分布，以通过磨削工作台的旋转带动吸盘在装卸工位、粗磨工位和精磨工位之间切换。

2.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，转盘静止时，气浮支撑结构向所述边缘部的上表面施加气压以增加转盘对气浮支撑结构的下压力。

3.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，气浮支撑结构中设有通向所述边缘部的上表面的第一气路、通向所述边缘部的侧面的第二气路以及通向所述边缘部的下表面的第三气路。

4.如权利要求3所述的磨削工作台，其特征在于，转盘静止时，第一气路向所述边缘部的上表面施加高压气体。

5.如权利要求3所述的磨削工作台，其特征在于，转盘转动时，第一气路、第二气路和第三气路分别向所述边缘部的上表面、侧面和下表面施加高压气体以使气浮支撑结构与转盘之间的间隙通入高压气体从而使转盘悬浮。

6.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，还包括用于检测所述边缘部的下表面所承受气压的气压传感器。

7.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，所述凹槽内部的上承载面与所述边缘部的上表面相对，所述凹槽内部的下承载面与所述边缘部的下表面相对，所述下承载面的面积大于所述上承载面的面积。

8.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，转盘悬浮时与气浮支撑结构之间的间隙宽度为5至20μm。

9.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，所述凹槽的下承载面的粗糙度优于Ra0.8μm。

10.一种晶圆减薄设备，其特征在于，包括：

吸盘，用于保持晶圆并带动晶圆旋转；

如权利要求1至9任一项所述的磨削工作台，用于承载预设数量的所述吸盘并带动全部吸盘整体旋转；

磨削单元，用于使砂轮抵接晶圆以对晶圆进行磨削减薄处理。

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