CN115091287A - 一种超精密磨削参数调整方法和磨削系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超精密磨削参数调整方法和磨削系统，其中方法包括：在磨削过程中，实时获取磨削参数的实测值，所述磨削参数为磨削温度和/或磨削力；根据磨削参数的实测值和可行域，计算磨削参数的调整量；利用磨削参数的调整量，根据磨削参数与加工参数的对应关系，计算加工参数的调整量，其中，加工参数包括晶圆转速、砂轮转速和砂轮进给速度中的至少一个。
Description
技术领域
本发明属于半导体晶圆加工技术领域，尤其涉及一种超精密磨削参数调整方法和磨削系统。
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IC（Integrated Circuit，集成电路）或LSI（Large Scale Integration，大规模集成电路）等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，通过磨削加工设备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。
在晶圆超精密磨削加工中，晶圆的磨削面型平整度和表面质量主要受磨削设备精度和工艺参数影响。目前在实际生产中主要依靠经验，根据磨削后晶圆的加工精度人为确定工艺参数，不能结合磨削状态实时动态调整工艺参数。通过经验确定磨削工艺参数的方法不仅依赖于大量的磨削实验，费时费力，而且很难对磨削状态进行合理的评估，不能快速准确的确定合适的工艺参数。
发明内容
本发明实施例提供了一种超精密磨削参数调整方法和磨削系统，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超精密磨削参数调整方法，包括：
在磨削过程中，实时获取磨削参数的实测值，所述磨削参数为磨削温度和/或磨削力；
根据磨削参数的实测值和可行域，计算磨削参数的调整量；
利用磨削参数的调整量，根据磨削参数与加工参数的对应关系，计算加工参数的调整量，其中，加工参数包括晶圆转速、砂轮转速和砂轮进给速度中的至少一个。
在一个实施例中，在获取实测值之前，所述方法还包括：
设置不同的加工参数进行磨削，采集磨削参数，并测量磨削后的晶圆TTV；
拟合磨削参数与晶圆TTV的对应关系；
设定晶圆TTV的阈值，根据磨削参数与晶圆TTV的对应关系，确定磨削参数的可行域；
拟合磨削参数与加工参数的对应关系。
在一个实施例中，利用四次多项式拟合磨削参数与晶圆TTV的对应关系，具体包括：
其中，
为磨削温度，
为系数，
为磨削力，
为系数。
在一个实施例中，利用指数模型拟合磨削参数与加工参数的对应关系，具体包括：
其中，
为磨削温度，
为磨削力，
为晶圆转速，
为砂轮转速，
为砂轮进给速度，
为系数，
为系数。
在一个实施例中，根据以下算式，计算磨削参数的调整量：
其中，
为磨削温度的调整量，
为磨削温度的实测值，
为磨削温度的可行域，
为磨削力的调整量，
为磨削力的实测值，
为磨削力的可行域。
在一个实施例中，根据以下算式，计算加工参数的调整量：
其中，
为磨削温度的调整量，
为磨削力的调整量，
为晶圆转速的调整量，
为砂轮转速的调整量，
为砂轮进给速度的调整量。
在一个实施例中，将晶圆TTV的阈值范围
代入磨削参数与晶圆TTV的对应关系式，计算得到磨削温度T的可行域
、和/或磨削力F的可行域
。
本发明实施例的第二方面提供了一种磨削系统，包括：
吸盘转台，用于保持晶圆并带动晶圆旋转；
磨削工具，用于对晶圆进行磨削减薄处理；
传感器组件，设置在所述吸盘转台内，用于采集磨削参数，所述磨削参数为磨削温度和/或磨削力；
控制装置，用于实现如权利要求1至7任一项所述的超精密磨削参数调整方法。
本发明实施例的第三方面提供了一种控制装置，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上所述的超精密磨削参数调整方法。
本发明实施例的第四方面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如上所述的超精密磨削参数调整方法。
本发明实施例的有益效果包括：实时检测磨削区域的磨削温度和/或磨削力的大小，用以调节磨削参数，保证晶圆TTV。
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示出了本发明一实施例提供的磨削系统的一部分的立体图；
图2示出了磨削原理；
图3示出了本发明一实施例提供的吸盘转台；
图4示出了本发明一实施例提供的超精密磨削参数调整方法的流程图。
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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。
此外，还需要说明的是，本申请中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。
为了说明本发明所述的技术方案，下面将参考附图并结合实施例来进行说明。
在本申请中，晶圆（wafer）也称为晶片、硅片、基片或基板（substrate）等，其含义和实际作用等同。
图1示出了本申请一实施例的磨削系统1的一部分的立体图，所示磨削系统1包括：
工作台10，用于支承多个吸盘转台11；
吸盘转台11，用于保持晶圆并带动晶圆旋转；
磨削工具20，用于对晶圆进行磨削减薄处理；
厚度测量装置30，用于测量晶圆厚度以获取晶圆的磨削面形；
传感器组件，设置在吸盘转台11内，用于采集磨削参数，磨削参数为磨削温度和/或磨削力；
控制装置，用于实现磨削参数调整。
图1中示出了工作台10，工作台10可绕其竖向中轴线旋转，其内部设置有驱动装置、支撑轴系等结构。工作台10上设置有三个用于保持晶圆W的可单独旋转的吸盘转台11。吸盘转台11用于载置晶圆W。
图1中示出了磨削工具20，磨削工具20包括用于对晶圆W进行粗磨削的粗磨部和用于对晶圆W进行精磨削的精磨部。
如图1所示，三个吸盘转台11的位置分别对应三个工位，即粗磨工位、精磨工位和装卸工位，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W的装卸和清洗。通过工作台10的旋转可带动三个吸盘转台11在这三个工位间切换，以实现吸盘转台11载着晶圆按照装卸工位—粗磨工位—精磨工位—装卸工位的顺序循环移动。
图1中示出了粗磨部，其包括粗磨砂轮21、粗磨主轴和粗磨进给机构。粗磨砂轮21安装在粗磨主轴的端部，通过粗磨主轴带动其回转。粗磨主轴与粗磨进给系统连接以实现上下移动，从而实现轴向切入式磨削，使晶圆达到粗磨工艺要求的厚度。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2000-4000rpm。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。粗磨削过程对晶圆厚度的减薄量大于600μm，经过粗磨削之后，晶圆厚度可减为150μm之内。
图1中示出了精磨部，其包括精磨砂轮22、精磨主轴和精磨进给机构。精磨砂轮22安装在精磨主轴的端部，通过精磨主轴带动其回转。精磨主轴与精磨进给系统连接以实现上下移动，从而实现轴向切入式磨削，使晶圆达到精磨工艺要求的厚度。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2000-4000rpm。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。精磨削过程对晶圆厚度的减薄量在50至100μm之间，经过精磨削之后，晶圆厚度可减为10至50μm。
吸盘转台11可围绕工作台10的轴线旋转，使得晶圆W在装卸工位、粗磨工位与精磨工位之间轮转。粗磨工位和精磨工位同时运转进行磨削。粗磨、精磨都结束后，工作台10可以回转，使粗磨后的晶圆W转至精磨工位、精磨后的晶圆W转至装卸工位、新装载的晶圆W转至粗磨工位。
图1中还示出了厚度测量装置30，其包括接触式厚度检测装置和非接触式厚度检测装置，能够实现在线监测晶圆厚度。接触式测量仪的测头压在晶圆表面以利用晶圆上下表面的高度差测量晶圆W的厚度。接触式测量仪设有两套，分别配置在粗磨部和精磨部。非接触式光学测量仪利用红外光照射晶圆W并根据晶圆上下表面的不同反射光计算晶圆厚度。需要说明的是，在本发明一实施例中，晶圆厚度是指晶圆上表面至下表面之间的整体厚度，而不是铺设在晶圆表面的镀膜厚度。
如图1所示，可以使用非接触式厚度检测装置对粗磨工位和精磨工位的吸盘转台11上的晶圆进行厚度测量。当然，根据实际情况，也可以采用接触式厚度检测装置或其他类型的厚度检测装置来测量厚度，或者采用各种厚度检测装置的组合来测量厚度。
另外在具体实施中，磨削系统1还包括磨削液供给单元，其用于在粗磨削和/或精磨削时向晶圆表面喷淋磨削液以助研磨，磨削液可以为去离子水。
图2以示意性简化图示出了磨削系统1中的磨削工具20和吸盘转台11相互配合的工作原理，如图2所示，在磨削时，吸盘转台11利用真空吸附力将晶圆W吸附在其上并带动晶圆W旋转，磨削砂轮按压在晶圆W上旋转并按照一定的进给速度沿轴向F进给，由此对晶圆W进行磨削。
如图3所示，传感器组件设置在吸盘转台11内。传感器组件可以包括用于采集磨削温度的温度传感器40和/或用于采集磨削力的压力传感器50，从而实现在线测量磨削温度和/或磨削力，通过磨削温度和/或磨削力反映磨削状态，作为调整加工参数的依据。
如图3所示，吸盘转台11包括：按照由上至下的顺序固定连接的吸盘12、底座13和轴承14，以及与轴承14连接的驱动机构（未示出）。
吸盘12包括多孔盘15和承载件16，多孔盘15和承载件16紧密连接配合在一起，例如粘贴。多孔盘15的上表面为对晶圆进行吸引保持的保持面，多孔盘15的材质为多孔陶瓷或微孔陶瓷，以实现真空吸附晶圆。承载件16的材质为致密陶瓷。
如图3所示，温度传感器40埋设在吸盘12内部，可以设置在多孔盘15和承载件16之间，用于在线测量磨削温度。在一个实施例中，多孔盘15和承载件16设有由上至下连通的微通孔，温度传感器40插入该微通孔内。微通孔不仅可以让磨削液直接和温度传感器40接触，提高温度测量准确性，还不影响吸盘12的修整。在底座13下方安装与温度传感器40连接的信号采集模块和无线传输模块，能够在磨削过程中实现吸盘12旋转的同时不影响温度测量。
如图3所示，沿吸盘12径向方向布置多个温度传感器40，可以实时采集磨削区域的温度分布。示例性的，设置四个温度传感器40，沿径向等间隔分布。温度传感器40可以采用热电偶传感器。
如图3所示，压力传感器50设置在工作台10和吸盘转台11之间，用于在线测量磨削力。具体地，连接板51与轴承14固定连接，连接板51可跟随轴承14倾斜，压力传感器50设置在连接板51和工作台之间。砂轮对晶圆施加的磨削力经吸盘12、底座13、轴承14和连接板51传递至压力传感器50，压力传感器50连接数据采集模块，实时测量磨削过程中的磨削力。
如图3所示，压力传感器50设有多个，可绕轴向均匀分布。示例性的，设置四个三向压力传感器。压力传感器50可以采用压电传感器。
超精密磨削要实现超平整、超光滑的晶圆表面加工，加工后要求晶圆的总厚度偏差（total thickness variation，TTV）不大于1μm，总厚度偏差是指晶圆不同半径处的厚度的最大变化量。
在磨削过程中，吸盘12和/或砂轮会发生变形，影响晶圆表面加工质量。该变形与磨削温度、磨削力之间存在一定关系，可以通过测量磨削温度、磨削力对加工参数进行控制，以抵消变形的影响。通过磨削温度和磨削力能够反映磨削状态，可以作为调整加工参数的依据。
基于上述磨削系统1，本发明的一个实施例还提供了一种超精密磨削参数调整方法，如图4所示，该方法包括：
步骤一，设置不同的加工参数进行磨削，采集磨削参数，并测量磨削后的晶圆TTV；其中，加工参数包括晶圆转速
、砂轮转速
和砂轮进给速度
中的至少一个，磨削参数为磨削温度
和/或磨削力
。
步骤二，分别拟合晶圆TTV与磨削温度
的对应关系、晶圆TTV与磨削力
的对应关系，可以采用四次多项式进行拟合，得到以下算式：
其中，
为磨削温度，
为系数，
为磨削力，
为系数。
步骤三，将晶圆TTV的阈值范围设定为
，分别代入算式（1）和（2），计算得到磨削温度T的可行域
、磨削力F的可行域
。
步骤四，分别拟合磨削温度
与晶圆转速
、砂轮转速
和砂轮进给速度
的对应关系，拟合磨削力
与晶圆转速
、砂轮转速
和砂轮进给速度
的对应关系，可以利用指数模型进行拟合，得到以下算式：
其中，
为晶圆转速，
为砂轮转速，
为砂轮进给速度，
为系数，
为系数。
步骤五，在磨削过程中实时采集磨削温度
和/或磨削力
，以一定时间间隔t内的平均值作为最终的实测值，可写为：
其中，
为磨削温度的实测值，
为磨削力的实测值，
为实时采集的磨削温度，
为实时采集的磨削力，t为时间间隔。
步骤六，由算式（5）和（6）得到的磨削温度的实测值
、磨削力的实测值
，结合磨削温度的可行域
、磨削力的可行域
，计算磨削温度、磨削力的调整量，具体为以下算式：
其中，
为磨削温度的调整量，
为磨削力的调整量。
步骤七，将表征磨削参数与加工参数的对应关系的算式（3）和（4）进行微分处理，并代入由算式（7）和（8）得到的磨削温度的调整量
、磨削力的调整量
，便可以计算加工参数的调整量，可写为：
其中，
为晶圆转速的调整量，
为砂轮转速的调整量，
为砂轮进给速度的调整量。
为了便于理解，以一个应用场景为例，设定磨削过程中的磨削温度和磨削力的阈值，当磨削温度和磨削力超过阈值时，可以增加砂轮转速，降低进给速度或者减小晶圆转速。
本发明实施例的有益效果包括：实时测量晶圆超精密磨削过程中的磨削温度和磨削力，评价磨削状态，从而对工艺参数进行优化，提高晶圆表面平整度；当砂轮发生堵塞或者磨削液温度异常时，磨削温度和磨削力都会增加，本方案能够对这些异常工况进行监测，对工艺参数做出调整；能够分析磨削热导致的吸盘12、砂轮形变，进一步优化磨削系统。
本发明实施例还提供了一种控制装置，其包括：处理器、存储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图4所示的方法步骤。所述控制装置是指具有数据处理能力的终端，包括但不限于计算机、工作站、服务器，甚至是一些性能优异的智能手机、掌上电脑、平板电脑、个人数字助理（PDA）、智能电视（Smart TV) 等。控制装置上一般都安装有操作系统，包括但不限于：Windows操作系统、LINUX操作系统、安卓（Android）操作系统、Symbian操作系统、Windowsmobile操作系统、以及iOS操作系统等等。以上详细罗列了控制装置的具体实例，本领域技术人员可以意识到，控制装置并不限于上述罗列实例。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如图4所示的方法步骤。所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random AccessMemory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超精密磨削参数调整方法，其特征在于，包括：
在磨削过程中，实时获取磨削参数的实测值，所述磨削参数为磨削温度和/或磨削力；
根据磨削参数的实测值和可行域，计算磨削参数的调整量；
利用磨削参数的调整量，根据磨削参数与加工参数的对应关系，计算加工参数的调整量，其中，加工参数包括晶圆转速、砂轮转速和砂轮进给速度中的至少一个。
2.如权利要求1所述的超精密磨削参数调整方法，其特征在于，在获取实测值之前，所述方法还包括：
设置不同的加工参数进行磨削，采集磨削参数，并测量磨削后的晶圆TTV；
拟合磨削参数与晶圆TTV的对应关系；
设定晶圆TTV的阈值，根据磨削参数与晶圆TTV的对应关系，确定磨削参数的可行域；
拟合磨削参数与加工参数的对应关系。
3.如权利要求2所述的超精密磨削参数调整方法，其特征在于，利用四次多项式拟合磨削参数与晶圆TTV的对应关系，具体包括：
其中，
为磨削温度，
为系数，
为磨削力，
为系数。
4.如权利要求2所述的超精密磨削参数调整方法，其特征在于，利用指数模型拟合磨削参数与加工参数的对应关系，具体包括：
其中，
为磨削温度，
为磨削力，
为晶圆转速，
为砂轮转速，
为砂轮进给速度，
为系数，
为系数。
5.如权利要求1所述的超精密磨削参数调整方法，其特征在于，根据以下算式，计算磨削参数的调整量：
其中，
为磨削温度的调整量，
为磨削温度的实测值，
为磨削温度的
可行域，
为磨削力的调整量，
为磨削力的实测值，
为磨削力的可行域。
6.如权利要求1所述的超精密磨削参数调整方法，其特征在于，根据以下算式，计算加工参数的调整量：
其中，
为磨削温度的调整量，
为磨削力的调整量，
为晶圆转速的调整量，
为砂轮转速的调整量，
为砂轮进给速度的调整量。
7.如权利要求3所述的超精密磨削参数调整方法，其特征在于，将晶圆TTV的阈值范围
代入磨削参数与晶圆TTV的对应关系式，计算得到磨削温度T的可行域
、和/或磨削力F的可行域
。
8.一种磨削系统，其特征在于，包括：
吸盘转台，用于保持晶圆并带动晶圆旋转；
磨削工具，用于对晶圆进行磨削减薄处理；
传感器组件，设置在所述吸盘转台内，用于采集磨削参数，所述磨削参数为磨削温度和/或磨削力；
控制装置，用于实现如权利要求1至7任一项所述的超精密磨削参数调整方法。
9.一种控制装置，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任一项所述的超精密磨削参数调整方法。
10.一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任一项所述的超精密磨削参数调整方法。
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