CN114871876A - 一种晶圆磨削监测方法及监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶圆磨削监测方法及监测系统，所述晶圆磨削监测方法包括：位移测量，使用位移测量部实时测量吸盘工作台的位移；倾斜度计算，根据吸盘工作台的位移计算吸盘工作台的倾斜度；分析判定，若磨削过程中实时获得的倾斜度的计算值与设定值之差的绝对值大于阈值，则停止晶圆磨削并发出报警信号。

Description

一种晶圆磨削监测方法及监测系统
技术领域
本发明属于晶圆制造技术领域，具体而言，涉及一种晶圆磨削监测方法及监测系统。
背景技术
在集成电路/半导体(Integrated Circuit,IC)制造的后道制程阶段，为了降低封装贴装高度，减小芯片封装体积，改善芯片的热扩散效率、电气性能、机械性能，晶圆在后续封装之前需要进行晶圆磨削，磨削后的芯片厚度甚至可以达到初始厚度的5％以下。
晶圆磨削技术主要应用于晶圆的背面磨削，所谓背面是指晶圆未铺设置有器件的一面，一般为衬底，衬底材料可以为硅、氮化硅、碳化硅、蓝宝石等。
然而，现有技术在晶圆磨削后，主要是依赖于设备操作人员的加工经验来确定磨削模块的主轴与吸盘工作台(chuck table)的位置及姿态，主轴与吸盘工作台之间的空间角度直接与晶圆磨削后的平整度有关。
由于结构间隙、应力变形等因素的影响，晶圆磨削系统长时间运行后，主轴与吸盘工作台的空间角度往往偏离初始的设定值，进而影响晶圆的加工质量。再者，在进行超硬材质如化硅、氮化镓、蓝宝石等磨削时，由于磨削力增加，磨削过程中会产生更多的热量，极易出现砂轮阻塞等问题，致使主轴与吸盘工作台空间夹角异常。
现有技术中，测量磨削后的晶圆的平整度(Total Thickness Variation,TTV)，通过磨削后的结果来判定主轴与吸盘工作台空间夹角是否正常。这种监控方式属于典型的事后检验，具有明显的滞后性。即在对磨削后的晶圆检测(一般离线检测)过程中，晶圆磨削系统未停止加工；若实际的TTV检测结果不符合指标要求，往往已经有一定数量的磨削晶圆面临报废的风险，给生产厂家带来极大的经济损失。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明实施例的提供了一种晶圆磨削监测方法，其包括以下步骤：
位移测量，使用位移测量部实时测量吸盘工作台的位移；
倾斜度计算，根据吸盘工作台的位移计算吸盘工作台的倾斜度；
分析判定，若磨削过程中实时获得的倾斜度的计算值与设定值之差的绝对值大于阈值，则停止晶圆磨削并发出报警信号。
作为优选实施例，所述位移测量部设置于吸盘工作台的上侧，且所述位移测量部的测量点与设置于吸盘工作台底部的调节柱的位置相对应。
作为优选实施例，所述吸盘工作台的倾斜度使用凸凹度关联量α和饱满度关联量β表示，所述凸凹度关联量α是相对于x轴的偏转角度，所述x轴垂直于磨削区域；所述饱满度关联量β是相对于y轴的偏转角度，所述y轴平行于磨削区域端点的连线。
作为优选实施例，所述凸凹度关联量：
Figure BDA0003407706080000021
所述饱满度关联量：
Figure BDA0003407706080000022
其中，R是与吸盘工作台同心且经由测量点的圆的半径；H1是与一个调节柱对应测量点的位移量；H2是与另一个调节柱对应测量点的位移量。
作为优选实施例，所述凸凹度关联量α与凸凹度关联阈值δα的关系为：
|α1-α0|≤δα
饱满度关联量β与饱满度关联阈值δβ的关系为：
|β1-β0|≤δβ
其中，α0是凸凹度关联量的设定值，α1是凸凹度关联量的计算值；β0是饱满度关联量的设定值，β1是饱满度关联量的计算值。
作为优选实施例，所述凸凹度关联阈值δα及饱满度关联阈值δβ为0.0001-0.0003°。
作为优选实施例，所述位移测量部采用接触或非接触的方式测量所述吸盘工作台对应测量点的位移。
同时，本发明还公开了一种晶圆磨削监测系统，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上面所述晶圆磨削监测方法的步骤。
再者，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上面所述晶圆磨削监测方法的步骤。
此外，本发明还公开了一种晶圆磨削系统，其包括上面所述晶圆磨削监测系统。
本发明的有益效果包括：通过位移测量部实时测量对应测量点的位移，计算吸盘工作台的倾斜度，判定倾斜度的计算值与设定值之差是否超过阈值，实现晶圆磨削系统的监测，保证晶圆的磨削质量。
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，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是本发明所述晶圆磨削系统的结构示意；
图2是本发明配置有测量单元的吸盘工作台的结构示意图；
图3是本发明所述晶圆磨削监测方法的流程图；
图4是本发明所述砂轮与吸盘工作台的位置关系示意图；
图5是本发明所述凸凹度关联量α推导计算的示意图；
图6是本发明所述饱满度关联量β推导计算的示意图；
图7是本发明所述晶圆磨削监测方法另一个实施例的流程图；
图8是本发明所述晶圆磨削方法的流程图。
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。
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。
在本发明中，晶圆(Wafer,W)也称基板(Substrate)，其含义和实际作用等同。
图1是一种晶圆磨削系统的结构示意图，晶圆磨削系统包括：
吸盘工作台1，用于保持晶圆并带动晶圆旋转；
旋转工作台2，用于承载预设数量的所述吸盘工作台1并带动全部吸盘工作台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处理。
如图1所示，在旋转工作台2上均匀分布有三个可单独旋转的吸盘工作台1，分别为用于吸附晶圆的第一吸盘、第二吸盘和第三吸盘。吸盘工作台1的结构完全相同，其包括由致密性材料制成的卡盘座1A和由多孔陶瓷材料制成的吸盘1B以实现真空吸附晶圆，如图2所示。
图1中，磨削单元3由粗磨部31和精磨部32组成，粗磨部31设置有用于对晶圆进行粗磨削的粗磨砂轮，精磨部32设置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，以研磨去除一定厚度的材料层。
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2-10μm/s，从而实现高速进给，粗磨砂轮的转速为2000-4000rpm。
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0.1-1μm/s，从而实现低速进给来提高磨削精度，精磨砂轮的转速为2000-4000rpm。
进一步地，三个吸盘工作台1中心与旋转工作台2中心连线互成120°夹角。三个吸盘工作台1在三个工位间进行轮转，分别为粗磨工位11、精磨工位12和装卸工位13，其中相对砂轮的两个工位分别用于进行粗磨削和精磨削，剩下一个工位用于晶圆的装卸和清洗。通过旋转工作台2的旋转可带动三个吸盘工作台1在这三个工位间切换，以实现吸盘工作台1吸附晶圆按照装卸工位13-粗磨工位11-精磨工位12-装卸工位13的顺序循环移动。
图1所示的实施例中，晶圆磨削系统还包括测量单元4，其设置于吸盘工作台1的精磨工位12，以便调整磨削单元3的砂轮相对于吸盘工作台1的空间角度。可以理解的是，由于旋转工作台2能够带动吸盘工作台1旋转，测量单元4主要用于测量并确定吸盘工作台1相对于主轴的空间位置关系，因此，晶圆磨削系统只需配置一套测量单元4。在一些实施例中，测量单元4也可以设置在吸盘工作台1的粗磨工位11。
进一步地，测量单元4包括厚度测量部41和位移测量部42，其中，位移测量部42设置于卡盘座1A的上侧，并且位移测量部42与卡盘座1A底部的调节柱1C的位置相对，以实时测量卡盘座1A的位移。具体地，位移测量部42的测量点与设置于卡盘座1A底部的调节柱1C的位置相对应，以便获取测量点的位移量。本发明中，吸盘工作台1包括顶部中间位置设置有凹槽的卡盘座1A，所述凹槽用于放置由多孔陶瓷材料制成的吸盘1B。卡盘座1A的倾斜度与吸盘工作台1的倾斜度是相同的，因此，不对吸盘工作台1的倾斜度与卡盘座1A的倾斜度做具体区分。
本发明提供了一种晶圆磨削监测方法，其流程图，如图3所示，包括以下步骤：
S1：位移测量，使用图1示出的位移测量部42实时测量吸盘工作台的位移；
S2：倾斜度计算，根据吸盘工作台1的位移，计算吸盘工作台1的倾斜度；
S3：分析判定，若磨削过程中实时获得的吸盘工作台1的倾斜度的计算值与设定值之差的绝对值大于阈值，则停止晶圆磨削并发出报警信号。
图2所示的实施例中，所述位移测量部42设置于卡盘座1A的上侧，且所述位移测量部42的测量点与设置于卡盘座1A底部的调节柱1C的位置相对应，以便根据几何关系计算卡盘座1A的倾斜度。可以理解的是，卡盘座1A的底部还配置有固定柱1D，以便三点稳定支撑上部的卡盘座1A。一件固定柱1D与两件调节柱1C的中心连线互成120°夹角，一件固定柱1D及两件调节柱1C所在位置的连线形成正三角形，即图3示出的△EFG为正三角形。
本发明中，所述卡盘座1A的倾斜度使用凸凹度关联量α和饱满度关联量β表示，如图4所示，所述凸凹度关联量α是相对于x轴的偏转角度，所述x轴垂直于磨削区域；所述饱满度关联量β是相对于y轴的偏转角度，所述y轴平行于磨削区域端点的连线。
下面结合图4及图5简要说明凸凹度关联量的计算过程。图4中固定柱1D的位置即为E点，两件调节柱1C的位置分别即为F点及G点，即F点及G点为位移测量部的测量点。经由测量点并与卡盘座1A同心的圆的半径为R。
当吸盘工作台1绕x轴转动，吸盘工作台1由初始的△EFG所在平面旋转至△EF’G’所在平面。假设线段FG的中点为M，线段F’G’的中点为M’,则吸盘工作台1绕x轴的偏转角度可由∠M’EM来表示。
假设E点的位移为H1，F点的位移为H2，由于四边形FF’G’G为梯形，则线段MM’的长度为
Figure BDA0003407706080000071
再者，线段EM的长度为R+R/2，则：
Figure BDA0003407706080000072
因此，
Figure BDA0003407706080000073
同理，结合图4及图6可知，吸盘工作台1绕y轴旋转，吸盘工作台1所在平面由初始的△EFG所在平面旋转至△EF’G’所在平面。吸盘工作台1绕y轴的偏转角度可由∠G’F’P来表示，其中，F’P为经由F’平行于FG的线段。由于线段FG的长度为
Figure BDA0003407706080000074
则：
Figure BDA0003407706080000081
因此，所述饱满度关联量：
Figure BDA0003407706080000082
当H1＜H2时，β为负值。
作为本发明的优选实施例，所述凸凹度关联量α与凸凹度关联阈值δα的关系为：
|α1-α0|≤δα
饱满度关联量β与饱满度关联阈值δβ的关系为：
|β1-β0|≤δβ
其中，α0是凸凹度关联量的设定值，α1是凸凹度关联量的计算值；β0是饱满度关联量的设定值，β1是饱满度关联量的计算值。
本发明中，若凸凹度关联量α和饱满度关联量β任意一个不满足上述要求，则晶圆磨削系统停止作业。即|α0-α1|＞δα或|β0-β1|＞δβ，则晶圆磨削系统停止晶圆磨削并发出报警信号。
图7是本发明所述晶圆磨削监测方法另一个实施例的流程图，晶圆磨削监测方法包括以下步骤：
首先，使用位移测量部42实时测量吸盘工作台1底部调节柱1C的位移量H1、H2；
接着，根据调节柱1C的位移量H1、H2，计算吸盘工作台1的倾斜度，吸盘工作台1的倾斜度使用凸凹度关联量α和饱满度关联量β表示。
具体地，
Figure BDA0003407706080000083
其中，R是与吸盘工作台同心且经由测量点的圆的半径。
最后分析判定，若|α0-α1|＞δα或|β0-β1|＞δβ，则晶圆磨削系统停止晶圆磨削并发出报警信号。
作为本发明的一个实施例，所述凸凹度关联阈值δα及饱满度关联阈值δβ为0.0001-0.0003°。优选地，凸凹度关联阈值δα及饱满度关联阈值δβ为0.0002°。
作为优选实施例，位移测量部42可以采用接触的方式测量所述卡盘座1A对应测量点的位移图2所示的实施例中，测量单元4的位移测量部42采用接触的方式测量卡盘座1A对应测量点的位移。可以理解的是，位移测量部42也可以采用非接触的方式测量所述卡盘座1A对应测量点的位移。如红外测量、超声波测距等。
本发明中，厚度测量部41和位移测量部42都是用于测量物体的位移，因此，厚度测量部41和位移测量部42可以选择相同型号的位移测量装置。即无需设置新型的测量装置或仪器，无需增加晶圆磨削系统的配置，在晶圆磨削过程中，完成吸盘工作台1倾斜度的实时监测，具有作业便捷的优点。
本发明还提供了一种晶圆磨削方法，其流程图，如图8所示。
首先，根据晶圆磨削的TTV要求计算吸盘工作台1的位姿调节目标值；
接着，根据吸盘工作台1的位置调节目标值，确定凸凹度关联量的设定值α0和饱满度关联量的设定值β0；
接着，根据凸凹度关联量的设定值α0和饱满度关联量的设定值β0，确定调节柱1C的移动量，以调节吸盘工作台1的倾斜度；
接着，使用位移测量部42实时测量卡盘座1A的位移；即实时测量调节柱1C对应测量点的位移量H1及H2。
接着，根据卡盘座1A的位移量，确定卡盘座1的凸凹度关联量的计算值α1及饱满度关联量的计算值β1；
分析判定，若倾斜度的计算值与设定值之差的绝对值不大于阈值，则继续进行晶圆磨削加工。
即|α1-α0|≤δα且|β1-β0|≤δβ时，继续磨削加工晶圆。
若倾斜度的计算值与设定值之差的绝对值大于阈值，则改变吸盘工作台的位移，反馈调节吸盘工作台的倾斜度。
图2所示的实施例中，调节柱1C设置有螺纹，配置在调节柱1C端部的电机驱动调节柱1C旋转以调节卡盘座1A的位移。由于螺纹之间存在反向间隙和摩擦迟滞，调节柱1C的调节存在误差。而本发明设置的位移测量部42能够检测吸盘工作台1的调节误差，及时对吸盘工作台1的调节误差进行修正补偿，保证吸盘工作台位置及姿态的准确性，保证晶圆磨削的加工精度。
因此，依照本发明所述的晶圆磨削监控方法，能够实现吸盘工作台1空间夹角的自动迭代；而现有技术中，吸盘工作台的空间夹角采用开环控制，待晶圆完成磨削后，再检验晶圆的TTV是否合格。与现有技术相比，本发明采用闭环控制，实时测量卡盘工作台的位移，计算确定卡盘工作台的空间夹角，极大的提高了TTV加工的调节效率，具有加工精度高、效率高的优点。
同时，本发明还公开了一种晶圆磨削监测系统，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上面所述晶圆磨削监测方法的步骤。
存储器可以是控制设备的内部存储单元，例如控制设备的硬盘或内存。存储器也可以是控制设备的外部存储设备，例如控制设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。
进一步地，存储器还可以既包括控制设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储计算机程序以及控制设备所需的其他程序和数据。存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
再者，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上面所述晶圆磨削监测方法的步骤。
此外，本发明还公开了一种晶圆磨削系统，其包括上面晶圆磨削监测系统，通过设置在吸盘工作台1上侧的位移测量部42实时测量卡盘座1A的位移量，确定吸盘工作台1的倾斜度。将倾斜度的计算值与设定值之差的绝对值与阈值比较，视需反馈调整吸盘工作台1的倾斜度，保证磨削加工的晶圆的平整度(TTV)在合格范围内。
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)

1.一种晶圆磨削监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
位移测量，使用位移测量部实时测量吸盘工作台的位移；
倾斜度计算，根据吸盘工作台的位移计算吸盘工作台的倾斜度；
分析判定，若磨削过程中实时获得的倾斜度的计算值与设定值之差的绝对值大于阈值，则停止晶圆磨削并发出报警信号。
2.如权利要求1所述的晶圆磨削监测方法，其特征在于，所述位移测量部设置于吸盘工作台的上侧，且所述位移测量部的测量点与设置于吸盘工作台底部的调节柱的位置相对应。
3.如权利要求2所述的晶圆磨削监测方法，其特征在于，所述吸盘工作台的倾斜度使用凸凹度关联量α和饱满度关联量β表示，所述凸凹度关联量α是相对于x轴的偏转角度，所述x轴垂直于磨削区域；所述饱满度关联量β是相对于y轴的偏转角度，所述y轴平行于磨削区域端点的连线。
4.如权利要求3所述的晶圆磨削监测方法，其特征在于，所述凸凹度关联量α：
Figure FDA0003407706070000011
所述饱满度关联量β：
Figure FDA0003407706070000012
其中，R是与吸盘工作台同心且经由测量点的圆的半径；H1是与一个调节柱对应测量点的位移量；H2是与另一个调节柱对应测量点的位移量。
5.如权利要求3所述的晶圆磨削监测方法，其特征在于，所述凸凹度关联量α与凸凹度关联阈值δα的关系为：
|α1-α0|≤δα
饱满度关联量β与饱满度关联阈值δβ的关系为：
|β1-β0|≤δβ
其中，α0是凸凹度关联量的设定值，α1是凸凹度关联量的计算值；β0是饱满度关联量的设定值，β1是饱满度关联量的计算值。
6.如权利要求5所述的晶圆磨削监测方法，其特征在于，所述凸凹度关联阈值δα及饱满度关联阈值δβ为0.0001-0.0003°。
7.如权利要求1所述的晶圆磨削监测方法，其特征在于，所述位移测量部采用接触或非接触的方式测量所述吸盘工作台对应测量点的位移。
8.一种晶圆磨削监测系统，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述晶圆磨削监测方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述晶圆磨削监测方法的步骤。
10.一种晶圆磨削系统，其特征在于，包括权利要求8所述的晶圆磨削监测系统。
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