CN115723017A - 一种晶圆减薄设备和底面清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶圆减薄设备和底面清洗方法，该设备包括：设备前端模块，用于实现晶圆的进出，所述设备前端模块设置在所述晶圆减薄设备的前端；磨削模块，用于对所述晶圆进行磨削，所述磨削模块设置在所述晶圆减薄设备的末端，所述磨削模块包括用于承载晶圆的工作台和用于传输晶圆的磨削机械手；其中，所述磨削模块还包括清洗装置，所述清洗装置安装在磨削模块的基座上、位于工作台的旁边并处于磨削机械手的移动轨迹上，用于在磨削机械手带着晶圆转移的过程中清洗磨削之后的晶圆底面。

Description

一种晶圆减薄设备和底面清洗方法

技术领域

本发明涉及晶圆超精密磨削技术领域，尤其涉及一种晶圆减薄设备和底面清洗方法。

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，通过磨削减薄加工装置来磨削晶圆的背面，该背面是指形成有电子电路的器件面的相反面，也称衬底。晶圆的背面减薄(Grinding)指对封装前的硅晶片或化合物半导体等多种材料进行高精度磨削，使其厚度减少至合适的超薄形态。

磨削减薄的去除厚度在700μm左右甚至更多，由于这么大量的去除厚度，在磨削过程中会产生大量的大尺寸污染物如大颗粒，并且晶圆总厚度在减薄至一定程度后，例如7μm以下，晶圆的边缘会发生少量剥离从而产生碎渣。随着设备的长期运行，磨削工序后晶圆底面携带的大尺寸污染物会在传输单元的表面不断累积，同时作为磨削工序上料位，污染物会传递回至磨削工位，进而影响磨削表面的均匀性、一致性。

发明内容

本发明实施例提供了一种晶圆减薄设备和底面清洗方法，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晶圆减薄设备，包括：

设备前端模块，用于实现晶圆的进出，所述设备前端模块设置在所述晶圆减薄设备的前端；

磨削模块，用于对所述晶圆进行磨削，所述磨削模块设置在所述晶圆减薄设备的末端，所述磨削模块包括用于承载晶圆的工作台和用于传输晶圆的磨削机械手；

其中，所述磨削模块还包括清洗装置，所述清洗装置安装在磨削模块的基座上、位于工作台的旁边并处于磨削机械手的移动轨迹上，用于在磨削机械手带着晶圆转移的过程中清洗磨削之后的晶圆底面。

在一个实施例中，所述清洗装置包括支撑架和滚刷，滚刷固定在支撑架上，滚刷的顶部高于支撑架的顶部，滚刷用于刷洗晶圆的底面和/或刷洗磨削机械手的底面。

在一个实施例中，所述滚刷清洗晶圆时，滚刷绕其轴向滚动同时磨削机械手带着晶圆旋转。

在一个实施例中，所述滚刷清洗晶圆时，晶圆处于与滚刷表面恰好刚刚接触的位置。

在一个实施例中，晶圆与滚刷表面之间的距离为0～1mm之间。

在一个实施例中，所述滚刷连接高度调整机构，用于调整滚刷的高度。

在一个实施例中，所述清洗装置还包括分别连接在滚刷的两端的驱动机构和进液机构。

在一个实施例中，所述滚刷的两端连接滑套结构。

在一个实施例中，所述支撑架不封闭。

在一个实施例中，所述支撑架的底部安装有调平机构。

本发明实施例的第二方面提供了一种底面清洗方法，基于如上所述的晶圆减薄设备实现，所述底面清洗方法包括：

磨削之后的晶圆由磨削模块转移至下一功能模块的过程中，磨削机械手带着磨削之后的晶圆经过清洗装置，清洗装置对该晶圆的底面进行清洗。

在一个实施例中，磨削机械手完成取片或放片后，移动到清洗装置上方时，清洗装置对磨削机械手的底面进行处理。

本发明实施例的有益效果包括：通过在磨削模块与下一道模块之间增加清洗装置，实现晶圆转移的过程中清洗磨削之后的晶圆底面

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晶圆减薄设备；

图2示出了本发明一实施例提供的清洗装置；

图3示出了图2中清洗装置的工作过程；

图4示出了图2中清洗装置的工作原理；

图5示出了本发明另一实施例提供的清洗装置；

图6示出了本发明又一实施例提供的清洗装置；

图7示出了本发明再一实施例提供的清洗装置；

图8示出了本发明一实施例提供的底面清洗方法。

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。

本公开实施例提供的晶圆减薄设备主要应用于晶圆的背面减薄，这里所说的背面是指晶圆未铺设有器件的一面，一般为衬底，衬底材料可以为硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、蓝宝石等。

图1示出了本发明一实施例提供的一种晶圆减薄设备，包括：

设备前端模块1，用于实现晶圆的进出，设备前端模块1设置在晶圆减薄设备的前端。设备前端模块1是实现将晶圆从外部搬送到设备机台内部的过渡模块，用于实现晶圆进出，以实现晶圆的“干进干出”。

磨削模块3，用于对晶圆进行磨削，所述磨削包括粗磨削和精磨削，磨削模块3设置在晶圆减薄设备的末端；

抛光模块2，用于在完成所述磨削之后对晶圆进行化学机械抛光，还具有在此三个模块(设备前端模块1、磨削模块3和抛光模块2)之间传输晶圆的功能，抛光模块2设置在设备前端模块1和磨削模块3之间。

可以理解的是，图1所示的晶圆减薄设备仅为一种示例，在其他实现方式中也可以去掉抛光模块2，仅保留设备前端模块1和磨削模块3，另外，磨削模块3还可以包括多道磨削，例如3道、4道、5道等。类似这些变形的实施例只要能够实现晶圆的磨削减薄均应当落入本申请的保护范围内。

设备前端模块1：

设备前端模块1包括晶圆存储单元11和第一传输单元12。晶圆存储单元11设置在晶圆减薄设备的前端一侧，第一传输单元12设置在晶圆存储单元11和抛光模块2之间，用来实现晶圆在晶圆存储单元11与抛光模块2之间的传输。

晶圆存储单元11由多个前开式晶圆传送盒(Front Opening Unified Pod，FOUP)组成，具体地可以为两个、三个等。前开式晶圆传送盒是半导体制程中被使用来保护、运送并储存晶圆的一种容器，其主要的组成元件为一个能容纳晶圆的前开式容器以及一个前开式的门结构，该前开式的门结构气密连接于晶圆减薄设备的外壁上，以使前开式容器与设备内部连通。

第一传输单元12包括取放片机械手。取放片机械手可旋转、伸展或折叠收缩，还可以沿传输轨道移动。取放片机械手为干燥机械手，用于取放干燥洁净的晶圆。取放片机械手可以通过晶圆传送盒的门结构从晶圆存储单元11取出待处理的晶圆送入抛光模块2，还可以从抛光模块2接收处理完毕的晶圆放入晶圆传送盒中。

抛光模块2：

抛光模块2包括第二传输单元21、第三传输单元22、化学机械抛光单元23和后处理单元24。第二传输单元21、化学机械抛光单元23和后处理单元24分别占据抛光模块2的各边缘，第三传输单元22位于中央。

具体地，第二传输单元21位于抛光模块2中的边缘一侧并沿设备长度方向分布，可以连通设备前端模块1和磨削模块3。化学机械抛光单元23位于抛光模块2的另一侧边缘，并与磨削模块3和第二传输单元21分别相邻。后处理单元24位于抛光模块2的再一侧边缘，并与设备前端模块1、第二传输单元21和化学机械抛光单元23分别相邻。第三传输单元22靠近抛光模块2的中央，被第二传输单元21、化学机械抛光单元23和后处理单元24包围，用来在第二传输单元21、化学机械抛光单元23和后处理单元24之间实现晶圆的相互传输。

在一个实施例中，第二传输单元21包括暂存部和移动缓存部，用于暂存晶圆和托运晶圆。暂存部设置在临近设备前端模块1的位置，用于暂存或转移晶圆。移动缓存部沿着设备前端模块1至磨削模块3的方向设置，并可双向移动。

在一个实施例中，第三传输单元22包括中央机械手，中央机械手用于将磨削后的晶圆从移动缓存部转运至化学机械抛光单元23、将抛光后的晶圆从化学机械抛光单元23转运至后处理单元24、以及将清洗后的晶圆从后处理单元24转运至暂存部。

晶圆从设备前端模块1取出后经由第二传输单元21运送至磨削模块3进行磨削；晶圆在磨削模块3中完成磨削后经由第二传输单元21和第三传输单元22搬运至化学机械抛光单元23进行抛光；完成抛光和清洗后，晶圆再经由第三传输单元22和第二传输单元21传送回设备前端模块1。

后处理单元24用于对抛光后的晶圆进行清洗和干燥，可以包括水平刷洗装置和单腔清洗装置。

磨削模块3：

磨削模块3包括磨削单元31、清洗单元32和第四传输单元33。

磨削单元31用于实现晶圆磨削和厚度测量。如图1所示，磨削单元31包括基座311、安装在基座311上的工作台312、设置在工作台312上的吸盘313以及与吸盘313位置对应的磨削砂轮。工作台312用于承载晶圆，可绕其竖向中轴线旋转。如图1所示，在一个实施例中，吸盘313设有三个，可在粗磨工位、精磨工位和装卸工位314之间轮转。两个磨削砂轮分别实现粗磨削和精磨削。可以理解的是，图1仅是一种示例，吸盘313、磨削砂轮的数量还可以为其他数值，例如吸盘313的数量为1、2、4、5、6等，磨削砂轮的数量为1、3、4等。

清洗单元32用于实现吸盘313清洗、打磨和晶圆清洗。

第四传输单元33包括用于传输晶圆的磨削机械手331，磨削机械手331是指在磨削模块3使用的机械手，用于在磨削单元31和第二传输单元21之间传输晶圆，具体地，用于在装卸工位314对应的吸盘313和移动缓存部之间传递晶圆。磨削机械手331从第二传输单元21的移动缓存部取晶圆送入磨削单元31进行磨削，在磨削和清洗完成后，磨削机械手331从磨削单元31取晶圆然后放置于移动缓存部以便于晶圆的后续传输。磨削机械手331内部设有可以抽真空的管路，以实现真空吸附晶圆。或者，磨削机械手331还可以由带卡爪的机构实现。在一个实施例中，磨削机械手331还可以带动晶圆旋转。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，磨削模块还包括清洗装置40，清洗装置40安装在磨削模块的基座311上、位于工作台312的旁边并处于磨削机械手331的移动轨迹上，用于在磨削机械手331带着晶圆转移的过程中清洗磨削之后的晶圆底面。

清洗装置40可以有多种实现方案，下面具体介绍：

如图2和图3所示，在一个实施例中，清洗装置40包括支撑架41和滚刷42，滚刷42固定在支撑架41上，滚刷42的顶部高于支撑架41的顶部，滚刷42可以用于刷洗晶圆的底面，还可以刷洗磨削机械手331的底面。滚刷42的材质可以为PVA。磨削机械手331带着晶圆移动到清洗装置40上方进行清洗，滚刷42对晶圆的底面进行刷洗。另外，磨削机械手331不传输晶圆的时候，磨削机械手331可以单独移动到清洗装置40上方进行清洗，此时滚刷42对磨削机械手331的底面进行刷洗。

参见图1和图4，清洗装置40的工作工程包括：

磨削机械手331从装卸工位314对应的吸盘313上取下磨削之后的晶圆w，磨削机械手331在带着磨削之后的晶圆w向第二传输单元21移动的过程中经过清洗装置40进行清洗；磨削机械手331带着晶圆w来到清洗装置40上方时磨削机械手331停止摆动，如图4所示，磨削机械手331带着晶圆w旋转，同时滚刷42旋转实现滚刷42对晶圆w底面的清洗；晶圆w底面清洗完成之后，磨削机械手331将晶圆w送至第二传输单元21；空的磨削机械手331摆动至清洗装置40上方，清洗磨削机械手331的底面；待第二传输单元21送来新的晶圆，磨削机械手331再从第二传输单元21将新的晶圆送至装卸工位314对应的吸盘313，以对新的晶圆执行磨削。

如图4所示，当滚刷42清洗晶圆w时，滚刷42绕其轴向滚动同时磨削机械手331带着晶圆w旋转。当滚刷42清洗磨削机械手331时，滚刷42滚动同时磨削机械手331旋转。

如图4所示，当滚刷42清洗晶圆w时，滚刷42的轴向与晶圆w的径向位于同一竖直面，该竖直面经过晶圆w圆心。如图4所示的俯视图，也可以说，滚刷42的轴向与晶圆w的径向在水平面的投影重合。

如图4所示，在一个实施例中，滚刷42的长度大于等于晶圆w的半径且小于晶圆w的直径。滚刷42的长度可以略大于晶圆w半径或者与晶圆w半径的长度大致相同，滚刷42与晶圆w接触区域经过晶圆w圆心。清洗时，滚刷42与晶圆w相向旋转。滚刷42与晶圆w接触位置的滚刷42旋转方向与晶圆w旋转方向相反。在另一个实施例中，滚刷42的长度大于晶圆直径，使滚刷42的边缘均位于晶圆外侧。

在一个实施例中，当滚刷42清洗晶圆时，晶圆处于与滚刷42表面恰好刚刚接触的位置，这种恰好刚刚接触的方式可以实现无应力刷洗，避免滚刷42上残留的颗粒物在压力下划伤晶圆表面。进一步，还可以使晶圆与滚刷42表面分开一微小的距离，即晶圆与滚刷42表面不完全接触，由于磨削之后晶圆表面的杂质都是大尺寸污染物，例如大颗粒、碎渣，当滚刷42与晶圆分开微小距离时，滚刷42仍然可以将这些大尺寸污染物扫走，还能避免对晶圆产生影响。在这种方式下，即使清洗装置40使用较长时间，滚刷42变脏了仍能继续使用，减少了耗材更换的频率，降低了成本。

具体地，在滚刷42清洗晶圆时，晶圆与滚刷42表面之间的距离l为0～1mm之间，即，0≤距离l≤1mm。或者，晶圆与滚刷42表面之间的距离l还可以设置为：0≤距离l≤0.5mm、0≤距离l≤0.1mm、0≤距离l≤0.05mm。

在一个实施例中，滚刷42连接高度调整机构，可以调整滚刷42的高度，进而根据不同工艺调整滚刷42与晶圆、滚刷42与磨削机械手331之间的距离。高度调整机构可以设置在滚刷42两端与支撑架41之间，即分别连接滚刷42和支撑架41。高度调整机构可以由丝杠、螺栓或电机、气缸等驱动件实现。

在一个实施例中，滚刷42的两端连接滑套结构，以便于安装，可以实现滚刷42的快速更换。

如图2所示，支撑架41不封闭，以保证刷洗过程的废液和杂质顺畅排出。支撑架41在滚刷42下方是镂空的。

如图2所示，在一个实施例中，清洗装置40还包括分别连接在滚刷42的两端的驱动机构43和进液机构44。进液机构44持续向滚刷42通入液体，驱动机构43带动滚刷42持续旋转，以保持滚刷42均匀湿润。空闲时驱动机构43带动滚刷42缓慢旋转，保证滚刷42保持均匀湿润的状态，随时能够投入工作。湿润的滚刷42刷洗晶圆表面，可以减少液体飞溅，污染其他单元。

如图2所示，在一个实施例中，清洗装置40还包括安装在支撑架41底部的调平机构45，实现滚刷42上表面的水平。调平机构45可以设有多个。调平机构45包括调整螺栓和锁紧螺帽。

如图5所示，在本发明的另一个实施例中，优化了滚刷42′表面颗粒的排布方式。本实施例提供了一种螺旋形的滚刷42′颗粒排布形式，该排布形式可在滚刷42′旋转过程中，使污染物更容易随水流排出。

如图6所示，在本发明的又一个实施例中，滚刷42"的材质为尼龙，加长滚刷42表面的刷毛，提升清洁能力。

如图7所示，在本发明的再一个实施例中，清洗装置40设置至少两个滚刷42，不同滚刷42可以为不同材质的，配合使用。例如，可将尼龙材质的滚刷42与PVA材质的滚刷42组合应用，两组滚刷42并列安装。晶圆到达该清洗工位时，尼龙滚刷42对应的气缸升起，先用尼龙滚刷42对晶圆底面进行初步清洁，完成后，该气缸下降，PVA滚刷42对应的气缸升起，执行进一步清洁。

本发明实施例通过磨削与抛光之间增加底面清洗工序，去除晶圆底面颗粒污染物，保证了抛光效果。同时避免污染物在移动缓存部表面不断累积甚至传递至磨削工位，保证了磨削质量。

基于以上所述的具有清洗装置的晶圆减薄设备，如图8所示，本发明还提供了一种底面清洗方法，包括：

步骤S1，磨削之后的晶圆由磨削模块转移至下一功能模块的过程中，磨削机械手带着磨削之后的晶圆经过清洗装置，清洗装置对该晶圆的底面进行清洗；

步骤S2，磨削机械手完成取片或放片后，移动到清洗装置上方时，清洗装置对磨削机械手的底面进行处理。

为了便于理解，以一个具体应用场景为例说明图1示出的具有清洗装置的晶圆减薄设备的操作流程，此操作流程包括：

1)第一传输单元12的取放片机械手从晶圆存储单元11中取晶圆；取放片机械手将晶圆传送至第二传输单元21的暂存部；晶圆再被搬送至移动缓存部，此时，移动缓存部靠近暂存部；移动缓存部载着晶圆移动至靠近磨削模块3(如图1中虚线所示)。

2)磨削机械手331将置于移动缓存部的晶圆搬送至磨削单元31的工作台312上，使晶圆固定在当前装卸工位314对应的吸盘313上。

3)工作台312正向旋转120°，晶圆移动至粗磨工位进行粗磨削；粗磨削完成后，工作台312再次正向旋转120°，晶圆移动至精磨工位进行精磨削；精磨削完成后，工作台312反向旋转240°，晶圆移动至装卸工位314。

4)磨削完成，磨削机械手331从装卸工位314取晶圆，磨削机械手331带着晶圆摆动至清洗装置40的正上方。

5)磨削机械手331带着晶圆旋转，同时滚刷加速转动清洗晶圆底面。

6)晶圆底面清洗完成后，磨削机械手331将晶圆传送至移动缓存部，置于移动缓存部的晶圆会被取走进入其他模块执行其他工艺操作。

7)空的磨削机械手331摆动至清洗装置40的正上方，磨削机械手331旋转同时滚刷转动以处理磨削机械手331的底面。

8)处理完成后，磨削机械手331回复至等待位，等待传输下一片晶圆。

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 (12)

1.一种晶圆减薄设备，其特征在于，包括：

设备前端模块，用于实现晶圆的进出，所述设备前端模块设置在所述晶圆减薄设备的前端；

磨削模块，用于对所述晶圆进行磨削，所述磨削模块设置在所述晶圆减薄设备的末端，所述磨削模块包括用于承载晶圆的工作台和用于传输晶圆的磨削机械手；

其中，所述磨削模块还包括清洗装置，所述清洗装置安装在磨削模块的基座上、位于工作台的旁边并处于磨削机械手的移动轨迹上，用于在磨削机械手带着晶圆转移的过程中清洗磨削之后的晶圆底面。

2.如权利要求1所述的晶圆减薄设备，其特征在于，所述清洗装置包括支撑架和滚刷，滚刷固定在支撑架上，滚刷的顶部高于支撑架的顶部，滚刷用于刷洗晶圆的底面和/或刷洗磨削机械手的底面。

3.如权利要求2所述的晶圆减薄设备，其特征在于，所述滚刷清洗晶圆时，滚刷绕其轴向滚动同时磨削机械手带着晶圆旋转。

4.如权利要求2所述的晶圆减薄设备，其特征在于，所述滚刷清洗晶圆时，晶圆处于与滚刷表面恰好刚刚接触的位置。

5.如权利要求4所述的晶圆减薄设备，其特征在于，晶圆与滚刷表面之间的距离为0～1mm之间。

6.如权利要求2所述的晶圆减薄设备，其特征在于，所述滚刷连接高度调整机构，用于调整滚刷的高度。

7.如权利要求2所述的晶圆减薄设备，其特征在于，所述清洗装置还包括分别连接在滚刷的两端的驱动机构和进液机构。

8.如权利要求2所述的晶圆减薄设备，其特征在于，所述滚刷的两端连接滑套结构。

9.如权利要求2所述的晶圆减薄设备，其特征在于，所述支撑架不封闭。

10.如权利要求2所述的晶圆减薄设备，其特征在于，所述支撑架的底部安装有调平机构。

11.一种底面清洗方法，其特征在于，基于权利要求1至10任一项所述的晶圆减薄设备实现，所述底面清洗方法包括：

磨削之后的晶圆由磨削模块转移至下一功能模块的过程中，磨削机械手带着磨削之后的晶圆经过清洗装置，清洗装置对该晶圆的底面进行清洗。

12.如权利要求11所述的底面清洗方法，其特征在于，磨削机械手完成取片或放片后，移动到清洗装置上方时，清洗装置对磨削机械手的底面进行处理。

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