CN116598228A - 一种无线晶圆温度原位测量装置和制造方法及测温方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体测试设备技术领域,且公开了一种无线晶圆温度原位测量装置,该装置包括晶圆腔体结构与检测电路;所述晶圆腔体结构由上层晶圆、中间层晶圆、下层晶圆构成,其中所述上层晶圆和下层晶圆为完整晶圆,所述中间层晶圆被刻蚀形成环状晶圆;所述上层晶圆、中间层晶圆、下层晶圆相互贴合形成的晶圆腔体为真空腔,具有绝热效果以保证检测电路正常工作;所述检测电路包括温度传感器、处理电路和电池,用于晶圆温度数据的采集、处理、存储、通讯及供电;所述温度传感器位于上层晶圆的下表面,可实现晶圆温度原位检测。本发明相比于现有的有线产品,可以实现晶圆温度的无线测量,使用方便。

Description

一种无线晶圆温度原位测量装置和制造方法及测温方法
技术领域
本发明涉及半导体测试设备技术领域,具体为一种无线晶圆温度原位测量装置和制造方法及测温方法。
背景技术
在集成电路制造过程中,温度是极其重要的参数,尤其是随着芯片制程尺寸的不断减小,晶圆表面的温度测量和控制极为重要。例如在等离子刻蚀中,为了提高刻蚀速率和温度分布的均匀性,一般需要对晶圆的温度进行精确的测量,以此来准确控制晶圆的温度,保证良好的刻蚀效果。因此,需要一种温度测量装置,这种测量装置能够记录晶圆在工艺过程中的温度信息,工程师可以通过分析这些温度信息来调整设备参数及工艺,以此来提高芯片制造的良率。
目前,晶圆温度检测装置主要分为有线式和无线式两种。有线式的晶圆温度测量装置将温度传感器嵌入或贴在晶圆表面上,通过导线将信号引出。这种装置制作简单,但存在较多的问题,例如会引入污染,引线对晶圆表面的温度场造成破坏等。无线式的晶圆温度测量装置主要采用嵌入式方法,将温度采集模块、电源模块、通讯电路部分、存储单元等全部嵌入到晶圆里面,形成无线式的测温晶圆。将整个装置放到加工腔室中,待存储模块将整个工艺过程的温度信息保存下来,再将温度数据传输到上位机中进行数据分析。无线式温度测量装置消除了部分污染,并且避免在处理腔室上开设通孔,降低了制造难度。但国内基于无线式装置的研究较少,相关产品更是处于空白。
因此,需要一种无线式的国产化产品,实现晶圆温度的原位测量。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种无线晶圆温度原位测量装置,旨在解决有线式晶圆原位温度检测装置的污染、安装等问题。
(二)技术方案
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种无线晶圆温度原位测量装置,该装置包括晶圆腔体结构与检测电路;所述晶圆腔体结构由上层晶圆、中间层晶圆、下层晶圆构成,其中所述上层晶圆和下层晶圆为完整晶圆,所述中间层晶圆被刻蚀形成环状晶圆;所述上层晶圆、中间层晶圆、下层晶圆相互贴合形成的晶圆腔体为真空腔,具有绝热效果以保证检测电路正常工作;
所述检测电路包括温度传感器、处理电路和电池,用于晶圆温度数据的采集、处理、存储、通讯及供电;所述温度传感器位于上层晶圆的下表面,可实现晶圆温度原位检测;处理电路和电池位于真空腔内。
进一步的,所述中间层晶圆,通过切割的方式,在中央区域切割出一个圆,用于放置薄型无线测量装置。
进一步的,所述真空腔通过在真空键合腔室中用耐高温密封胶键合密封形成。
进一步的,所述处理电路具有数据处理、存储与无线通讯功能。
进一步的,所述检测电路使用无线通信技术进行数据传输。
本发明装置通过组装形成最终的结构,具体制造方法如下:
步骤1:准备三片4寸的硅晶圆,其中上层硅晶圆厚度1mm,中间层硅晶圆厚度2mm,下层硅晶圆厚度0.5mm;准备蓝膜,剪裁为圆形,圆形直径为90mm;
步骤2:通过湿法刻蚀的方式,在上层硅晶圆上刻蚀凹槽;凹槽用来放置温度传感器,其深度为0.2mm;
步骤3:使用电子束蒸镀方式,在上层晶圆内表面蒸镀一层银薄膜;银薄膜的厚度为300nm;
步骤4:通过激光切割的方式,在中间层硅晶圆上切割出环形,环形的宽度为5mm;
步骤5:上层硅片贴上剪裁好的蓝膜,然后旋涂键合胶;
步骤6:匀胶后撕掉蓝膜,将上层硅片放入110℃的烘箱烘烤10min,然后放入150℃的烘箱烘烤10min;
步骤7:上层晶圆与中间层晶圆放入真空键合机中键合;
步骤8:将温度传感器安装到上层晶圆相应的凹槽中,温度传感器通过导热硅胶固定;
步骤9:将薄膜电池固定在柔性PCB下侧,电池通过耐高温的绝缘胶固定;
步骤10:用镊子将隔热材料固定在电池下侧,隔热材料为二氧化硅气凝胶,厚度为0.5mm;
步骤11:下层晶圆与中间层晶圆键合,具体过程重复步骤4-6;整个装置制作完成。
一种无线晶圆温度原位测量装置的测温方法如下:
步骤1:PC连接RFID的读写器,向装置发送测温指令;
步骤2:然后通过机械手臂将装置放置于处理腔室中,开始半导体工艺流程,处理完成后,通过机械臂将装置取出;
步骤3:PC连接RFID的读写器,将晶圆上存储的温度数据下载到PC端。
(三)有益效果
与现有技术相比,本发明提供了一种无线晶圆温度原位测量装置,具备以下有益效果:
1、本发明相比于现有的有线产品,可以实现晶圆温度的无线测量,使用方便。
2、本发明通过真空隔热保证检测电路正常工作,可用于高温环境下的晶圆温度原位检测,例如等离子体刻蚀设备中。
3、本发明使用无线通信技术,使用简便,无需对半导体设备进行改造。
附图说明
图1为本发明装置整体的结构图。
图2为本发明装置侧面的剖面图。
图3为本发明装置的上层晶圆表面传感器分布的俯视图。
图4为本发明装置测温电路结构。
图5为本发明装置的主要制造流程。
图6为本发明装置的应用实施例。
图7为本发明装置的实施例测温图。
图中:1~上层晶圆;2~温度传感器;3~柔性PCB;4~元器件;5~键合胶;6~下层晶圆;7~支撑柱;8~薄膜电池;9~中间层晶圆;10~传感器凹槽;11~真空腔;12~银薄膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一:
请参阅图1-5,一种无线晶圆温度原位测量装置,该装置包括晶圆腔体结构与检测电路;晶圆腔体结构由上层晶圆1、中间层晶圆9、下层晶圆6构成,其中上层晶圆1和下层晶圆6为完整晶圆,中间层晶圆9被刻蚀形成环状晶圆;上层晶圆1、中间层晶圆9、下层晶圆6相互贴合形成的晶圆腔体为真空腔11,具有绝热效果以保证检测电路正常工作;
检测电路包括温度传感器2、处理电路和电池,用于晶圆温度数据的采集、处理、存储、通讯及供电;温度传感器2位于上层晶圆1下表面的传感器凹槽10内,可实现晶圆温度原位检测;处理电路和电池位于真空腔11内。
本实施例中,中间层晶圆9,通过切割的方式,在中央区域切割出一个圆,用于放置薄型无线测量装置。
本实施例中,真空腔11通过在真空键合腔室中用耐高温密封胶键合密封形成。
本实施例中,处理电路具有数据处理、存储与无线通讯功能。
本实施例中,检测电路使用无线通信技术进行数据传输。
实施例二:
一种无线晶圆温度原位测量装置的制造方法如下:
步骤1:准备三片4寸的硅晶圆,其中上层硅晶圆厚度1mm,中间层硅晶圆厚度2mm,下层硅晶圆厚度0.5mm;准备蓝膜,剪裁为圆形,圆形直径为90mm;
步骤2:通过湿法刻蚀的方式,在上层硅晶圆上刻蚀凹槽;凹槽用来放置温度传感器2,其深度为0.2mm;
步骤3:使用电子束蒸镀方式,在上层晶圆1内表面蒸镀一层银薄膜12;银薄膜12的厚度为300nm;
步骤4:通过激光切割的方式,在中间层硅晶圆上切割出环形,环形的宽度为5mm;
步骤5:上层硅片贴上剪裁好的蓝膜,然后旋涂键合胶5;
步骤6:匀胶后撕掉蓝膜,将上层硅片放入110℃的烘箱烘烤10min,然后放入150℃的烘箱烘烤10min;
步骤7:上层晶圆1与中间层晶圆9放入真空键合机中键合;
步骤8:将温度传感器2安装到上层晶圆1相应的传感器凹槽10中,温度传感器2通过导热硅胶固定;
步骤9:将薄膜电池8固定在柔性PCB3下侧,柔性PCB3通过支撑柱7安装在真空腔11,电池通过耐高温的绝缘胶固定;
步骤10:用镊子将隔热材料固定在电池下侧,隔热材料为二氧化硅气凝胶,厚度为0.5mm;
步骤11:下层晶圆6与中间层晶圆9键合,具体过程重复步骤4-6;整个装置制作完成。
实施例三:
一种无线晶圆温度原位测量装置的测温方法如下:
步骤1:PC连接RFID的读写器,向装置发送测温指令;
步骤2:然后通过机械手臂将装置放置于处理腔室中,开始半导体工艺流程,处理完成后,通过机械臂将装置取出;
步骤3:PC连接RFID的读写器,将晶圆上存储的温度数据下载到PC端。。
如图6所示的具体实施例中,共设置有16个温度传感器,温度传感器的分布如图(a)所示,除圆心处的传感器以外,其他传感器以不同半径的同心圆分为三层,第一层直径为25mm,共有3个传感器;第二层直径为50mm,共有5个传感器;第三层直径为80mm,共有7个传感器。其中S5、S6、S15、S16在主控电路上或离主控电路非常近,不利于向上层晶圆贴合。所以S5、S6、S15、S16这4个传感器用于核心模块的温度测,S1-S4、S7-S14这12个传感器用于晶圆表面的温度测量。4个用于核心模块测温的传感器将用于后续隔热效果的验证工作。在安装时需要弯曲传感器部分FPC与上层晶圆贴合。为方便FPC制作,并未将FPC的形状设计为向外发散的互为锐角的传感器臂,而是在不改变传感器位置的条件下设计为直角臂,实物如图(b)所示。
图7为根据图6所述的具体实施例制作的装置所测量的温度曲线。装置核心电路模块的温度小于晶圆表面温度,说明使用真空和气凝胶能获得良好的隔热效果。

Claims (7)

1.一种无线晶圆温度原位测量装置,该装置包括晶圆腔体结构与检测电路;其特征在于:所述晶圆腔体结构由上层晶圆(1)、中间层晶圆(9)、下层晶圆(6)构成,其中所述上层晶圆(1)和下层晶圆(6)为完整晶圆,所述中间层晶圆(9)被刻蚀形成环状晶圆;所述上层晶圆(1)、中间层晶圆(9)、下层晶圆(6)相互贴合形成的晶圆腔体为真空腔(11),具有绝热效果以保证检测电路正常工作;
所述检测电路包括温度传感器(2)、处理电路和电池,用于晶圆温度数据的采集、处理、存储、通讯及供电;所述温度传感器(2)位于上层晶圆(1)下表面的传感器凹槽(10)内,可实现晶圆温度原位检测;处理电路和电池位于真空腔(11)内。
2.根据权利要求1所述的一种无线晶圆温度原位测量装置,其特征在于:所述中间层晶圆(9),通过切割的方式,在中央区域切割出一个圆,用于放置薄型无线测量装置。
3.根据权利要求2所述的一种无线晶圆温度原位测量装置,其特征在于:所述真空腔(11)通过在真空键合腔室中用耐高温密封胶键合密封形成。
4.根据权利要求3所述的一种无线晶圆温度原位测量装置,其特征在于:所述处理电路具有数据处理、存储与无线通讯功能。
5.根据权利要求4所述的一种无线晶圆温度原位测量装置,其特征在于:所述检测电路使用无线通信技术进行数据传输。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种无线晶圆温度原位测量装置的制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:准备三片4寸的硅晶圆,其中上层硅晶圆厚度1mm,中间层硅晶圆厚度2mm,下层硅晶圆厚度0.5mm;准备蓝膜,剪裁为圆形,圆形直径为90mm;
步骤2:通过湿法刻蚀的方式,在上层硅晶圆上刻蚀凹槽;凹槽用来放置温度传感器(2),其深度为0.2mm;
步骤3:使用电子束蒸镀方式,在上层晶圆(1)内表面蒸镀一层银薄膜(12);银薄膜(12)的厚度为300nm;
步骤4:通过激光切割的方式,在中间层硅晶圆上切割出环形,环形的宽度为5mm;
步骤5:上层硅片贴上剪裁好的蓝膜,然后旋涂键合胶(5);
步骤6:匀胶后撕掉蓝膜,将上层硅片放入110℃的烘箱烘烤10min,然后放入150℃的烘箱烘烤10min;
步骤7:上层晶圆(1)与中间层晶圆(9)放入真空键合机中键合;
步骤8:将温度传感器(2)安装到上层晶圆(1)相应的传感器凹槽(10)中,温度传感器(2)通过导热硅胶固定;
步骤9:将薄膜电池(8)固定在柔性PCB(3)下侧,柔性PCB(3)通过支撑柱(7)安装在真空腔(11),电池通过耐高温的绝缘胶固定;
步骤10:用镊子将隔热材料固定在电池下侧,隔热材料为二氧化硅气凝胶,厚度为0.5mm;
步骤11:下层晶圆(6)与中间层晶圆(9)键合,具体过程重复步骤4-6;整个装置制作完成。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种无线晶圆温度原位测量装置的测温方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:PC连接RFID的读写器,向装置发送测温指令;
步骤2:然后通过机械手臂将装置放置于处理腔室中,开始半导体工艺流程,处理完成后,通过机械臂将装置取出;
步骤3:PC连接RFID的读写器,将晶圆上存储的温度数据下载到PC端。
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