CN117161942A - 一种超薄硅晶圆减薄抛光设备及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及晶圆加工技术领域，具体为一种超薄硅晶圆减薄抛光设备及工艺，包括基座台及其顶面安装的封箱，封箱的前侧面侧边处安装有控制面板，基座台的顶面上设置有摆臂式修整器和测厚系统，基座台的顶面上对称开设有置台口，两个置台口内分别设置有抛光台和减薄台，基座台的顶面上方悬置有可在抛光台和减薄台之间往复运动的一对晶圆吸附组。本发明通过设置的基座台容纳抛光台和减薄台，并在其上方设置晶圆吸附组，利用加压头的吸盘真空吸附晶圆，在横向轨道架横移，在纵向滑座上升降而先接触砂轮盘被减薄，再转移接触抛光垫被抛光而增加晶圆强度，此工艺操作有序进行，因减少晶圆的转移和翻面而降低晶圆加工出错的风险。
Description
技术领域
本发明涉及晶圆加工技术领域，具体为一种超薄硅晶圆减薄抛光设备及工艺。
背景技术
目前晶圆经贴膜机贴膜、减薄、抛光及解胶过程完成封装预备工序。实验表明,晶圆减薄磨削后,对磨削面进行去应力抛光,会获得比较高的芯片强度。减薄晶片常用机械磨削，它使用安装在高速主轴上的金刚石和树脂粘合的砂轮，类似于旋涂应用中使用的砂轮。抛光可消除大部分的表面损伤，获得光亮、平整的表面以及较低的表面粗糙度，提供最大的晶片强度。
现如今的减薄机和抛光机各自工作，导致晶圆存在转移费时和磕碰划伤的风险；此外，晶圆被固定为位置不同，减薄机需要固定在朝上设置的吸盘顶面，而与其上方旋转活动的砂轮接触磨削；抛光机需要固定在朝下设置的抛光头底面，而与其下方旋转的抛光垫接触抛光；这种将晶圆反过来覆过去的操作，十分费劲且容易将待处理面放置出错。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种超薄硅晶圆减薄抛光设备及工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种超薄硅晶圆减薄抛光设备，包括基座台及其顶面安装的封箱，所述封箱的前侧面侧边处安装有控制面板，所述基座台的顶面上设置有摆臂式修整器和测厚系统，所述基座台的顶面上对称开设有置台口，两个所述置台口内分别设置有抛光台和减薄台，所述基座台的顶面上方悬置有可在抛光台和减薄台之间往复运动的一对晶圆吸附组；
所述抛光台的顶面设置有可呈水平旋转的抛光垫，所述减薄台的顶面对称嵌设有可呈水平旋转的砂轮盘；所述晶圆吸附组包括悬置于基座台顶面上方的加压头、用于驱动加压头旋转的主轴电机以及用于驱动加压头升降的液压缸；所述加压头的底面嵌设有吸盘，所述加压头的内部设置有气囊，所述加压头与主轴电机之间的主轴外套设有用于向气囊提供空气和抽排加压头内部空气的导气筒。
作为本技术方案的进一步改进，所述抛光台采用高传热性金属板制成，且其下方同轴连接有旋转轴，旋转轴的一侧设置有抛光电机，旋转轴的底端套设有蜗轮，抛光电机的输出轴套接有与蜗轮啮合的蜗杆。
作为本技术方案的进一步改进，所述旋转轴的底部套设有空箱且空箱底部连通设有通气管，所述旋转轴的中心为中空结构，所述基座台的内部设置有冷却机且冷却机的输气管与通气管连接。
作为本技术方案的进一步改进，所述砂轮盘采用金刚石制成圆盘式砂轮，所述砂轮盘的下方同轴连接有砂盘电机，所述减薄台上对称开设有穿孔，所述穿孔内卡接固定有呈环形的固定套，所述砂盘电机的输出轴穿过固定套且电机端面与固定套通过螺栓固定连接。
作为本技术方案的进一步改进，所述吸盘采用多孔陶瓷制成，且其与加压头内部相连通，所述主轴电机的主轴底端与加压头顶面紧密套接，此主轴内部开设有分别通向气囊和加压头的两个通气道，所述导气筒的外壁嵌设有与两个通气道对应相通的两个气阀，气阀通过软管连接有气泵。
作为本技术方案的进一步改进，基座台后方顶面上设置有呈横向设置的横向轨道架，所述横向轨道架的后壁套设有丝杆且丝杆的端部同轴连接有伺服电机，所述导气筒的后方通过螺栓固定连接有纵向滑座，所述纵向滑座的后方卡接有横向滑座，所述横向滑座与横向轨道架卡接且其后方构件的螺纹孔与丝杆螺纹连接，所述液压缸通过螺栓固定连接于横向滑座顶部且其活塞杆底端与纵向滑座顶部通过螺栓固定连接。
作为本技术方案的进一步改进，所述基座台内部设置有储液箱且储液箱内放置有水泵，所述基座台的顶面且位于置台口的前方两侧均嵌设有供液管，所述供液管的底端与水泵的输液管相连接，所述置台口的内壁焊接有导液圈。
作为本技术方案的进一步改进，所述摆臂式修整器安装于基座台的顶面且位于抛光台的靠外一侧，所述测厚系统安装于横向滑座侧边，所述控制面板与伺服电机、摆臂式修整器、测厚系统、抛光电机、砂盘电机、主轴电机、气泵和水泵均控制连接。
作为本技术方案的进一步改进，所述砂轮盘的直径为12英寸，所述砂盘电机的转速为0-6000rpm，所述抛光垫的直径为520mm，所述抛光电机的转速为0-120rpm，所述主轴电机的转速为0-400rpm。
本发明还提供一种超薄硅晶圆减薄抛光工艺，包括以下步骤：
S1、先将晶圆放置于贴膜机中进行单面贴膜；
S2、将贴膜后的晶圆转移到基座台，并使一侧贴膜面朝上放置于砂轮盘上；
S3、再操作控制面板启动液压缸驱动加压头下降，直至吸盘接触晶圆，接着启动气泵抽排加压头内部空气而使得晶圆被吸附于吸盘上；
S4、再同时启动砂盘电机和主轴电机分别驱动砂轮盘和吸盘旋转而进行快速薄化；
S5、待加压头上移复位后，接着启动伺服电机驱动加压头带着薄化的晶圆移至抛光台上方，并下降至抛光垫上；
S6、启动水泵将抛光液和水比例为2：1或1：1的抛光液泵出供液管，而喷向抛光垫上，液量为45ml/min，同时启动抛光电机和主轴电机而对薄化的晶圆抛光，并在最后40s进行水抛；
S7、再将晶圆转移至UV照射机上进行照射解胶。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、该超薄硅晶圆减薄抛光设备及工艺，通过设置的基座台容纳抛光台和减薄台，并在其上方设置晶圆吸附组，利用加压头的吸盘真空吸附晶圆，在横向轨道架横移，在纵向滑座上升降而先接触砂轮盘被减薄，再转移接触抛光垫被抛光而增加晶圆强度，此工艺操作有序进行，因减少晶圆的转移和翻面而降低晶圆加工出错的风险。
2、该超薄硅晶圆减薄抛光设备及工艺，通过调整抛光垫的粒度、水液的配比以及出液时段和液量，当suba600抛光垫+sp2000：水＝2:1抛光液，液量45ml/min，最后40s进行水抛；利于正面抛光使用；当suba600抛光垫+sp2000：水＝1:1抛光液，液量45ml/min，最后40s进行水抛；利于反面抛光使用，保证了抛光消除晶圆内应力。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的整体内部装配结构示意图；
图3为本发明图2的主视图；
图4为本发明图3的内部装配平面图；
图5为本发明的晶圆吸附组在抛光台上的工作状态结构示意图；
图6为本发明的晶圆吸附组在减薄台上的工作状态结构示意图；
图7为本发明的基座台结构示意图；
图8为本发明的晶圆吸附组局部拆分图；
图9为本发明的加压头内部结构平面图；
图10为本发明的抛光台装配结构示意图；
图11为本发明的减薄台的装配拆分图。
图中各个标号意义为：
100、基座台；101、置台口；102、导液圈；110、封箱；120、控制面板；130、横向轨道架；140、伺服电机；150、摆臂式修整器；160、供液管；170、测厚系统；
200、抛光台；210、抛光垫；220、抛光电机；
300、减薄台；301、穿孔；310、砂轮盘；320、砂盘电机；330、固定套；
400、晶圆吸附组；410、加压头；411、吸盘；420、主轴电机；421、导气筒；430、纵向滑座；440、液压缸；450、横向滑座。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。术语“安装”、“连接”应做广义理解，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。
本文所使用的术语“中心轴”、“竖向”、“水平”、“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1-图11所示，本发明提供一种超薄硅晶圆减薄抛光设备及工艺，包括基座台100及其顶面安装的封箱110，封箱110的前侧面侧边处安装有控制面板120，其采用PC控制系统，优选MES、SECS/GEM自动化系统；基座台100的顶面上设置有摆臂式修整器150和测厚系统170，测量方式为非接触式测量，测量传感器采用0.1um级传感器，其均为现有技术，在此不再赘述；
基座台100的顶面上对称开设有置台口101，两个置台口101内分别设置有抛光台200和减薄台300，基座台100的顶面上方悬置有可在抛光台200和减薄台300之间往复运动的一对晶圆吸附组400；从而简化加工工艺，使得晶圆的减薄和抛光集中处理。
具体的，抛光台200的顶面设置有可呈水平旋转的抛光垫210，抛光垫210型号为suba-600/1000；减薄台300的顶面对称嵌设有可呈水平旋转的砂轮盘310，砂轮盘310采用金刚石制成圆盘式砂轮，其粒度为#2000-#6000；晶圆吸附组400包括悬置于基座台100顶面上方的加压头410、用于驱动加压头410旋转的主轴电机420以及用于驱动加压头410升降的液压缸440；液压缸440外接液压站为其供油而驱动负载；
加压头410的底面嵌设有吸盘411，加压头410的内部设置有气囊，以此形成对吸盘411的柔性万向加压效果，使得晶圆压力独立控制、稳定准确，进而保证减薄和抛光精度好；加压头410与主轴电机420之间的主轴外套设有用于向气囊提供空气和抽排加压头410内部空气的导气筒421。
进一步的，抛光台200采用高传热性金属板制成，且其下方同轴连接有旋转轴，旋转轴的一侧设置有抛光电机220，旋转轴的底端套设有蜗轮，抛光电机220的输出轴套接有与蜗轮啮合的蜗杆；
旋转轴的底部套设有空箱且空箱底部连通设有通气管，旋转轴的中心为中空结构，基座台100的内部设置有冷却机且冷却机的输气管与通气管连接；利用抛光台200的高传热性能而快速散热，避免抛光摩擦时热量聚集而影响抛光精度。
具体的，砂轮盘310的下方同轴连接有砂盘电机320，减薄台300上对称开设有穿孔301，穿孔301内卡接固定有呈环形的固定套330，砂盘电机320的输出轴穿过固定套330且电机端面与固定套330通过螺栓固定连接；由于砂盘电机320的转速范围不同，因此其输出轴的外径会适应性改变，以此增加强度；于是固定套330可制作不同规格，以此适配砂盘电机320不同的输出轴通过。
具体的，吸盘411采用多孔陶瓷制成，且其与加压头410内部相连通，使得加压头410内部形成真空时，利用吸盘411吸附晶圆；主轴电机420的主轴底端与加压头410顶面紧密套接，此主轴内部开设有分别通向气囊和加压头410的两个通气道，导气筒421的外壁嵌设有与两个通气道对应相通的两个气阀，气阀通过软管连接有气泵。
进一步的，基座台100后方顶面上设置有呈横向设置的横向轨道架130，横向轨道架130的后壁套设有丝杆且丝杆的端部同轴连接有伺服电机140，导气筒421的后方通过螺栓固定连接有纵向滑座430，纵向滑座430的后方卡接有横向滑座450，横向滑座450与横向轨道架130卡接且其后方构件的螺纹孔与丝杆螺纹连接，液压缸440通过螺栓固定连接于横向滑座450顶部且其活塞杆底端与纵向滑座430顶部通过螺栓固定连接；即使得加压头410能在伺服电机140和液压缸440的配合工作下而横移和升降。
进一步的，基座台100内部设置有储液箱且储液箱内放置有水泵，基座台100的顶面且位于置台口101的前方两侧均嵌设有供液管160，供液管160的底端与水泵的输液管相连接，置台口101的内壁焊接有导液圈102，用于引流聚集抛光液，导液圈102的侧壁开设有若干通孔，导液圈102的下方设置有集液桶，用于收集从通孔流下的液体。
进一步的，摆臂式修整器150安装于基座台100的顶面且位于抛光台200的靠外一侧，用于打磨抛光垫210；测厚系统170安装于横向滑座450侧边，控制面板120与伺服电机140、摆臂式修整器150、测厚系统170、抛光电机220、砂盘电机320、主轴电机420、气泵和水泵均控制连接。
进一步的，砂轮盘310的直径为12英寸，砂盘电机320的转速为0-6000rpm，抛光垫210的直径为520mm，抛光电机220的转速为0-120rpm，主轴电机420的转速为0-400rpm。
本发明的超薄硅晶圆减薄抛光设备加工晶圆时，包括以下步骤：
S1、先将晶圆放置于贴膜机中进行单面贴膜；
S2、将贴膜后的晶圆转移到基座台100，并使一侧贴膜面朝上放置于砂轮盘310上；
S3、再操作控制面板120启动液压缸440驱动加压头410下降，直至吸盘411接触晶圆，接着启动气泵抽排加压头410内部空气而使得晶圆被吸附于吸盘411上；
S4、再同时启动砂盘电机320和主轴电机420分别驱动砂轮盘310和吸盘411旋转而进行快速薄化；
S5、待加压头410上移复位后，接着启动伺服电机140驱动加压头410带着薄化的晶圆移至抛光台200上方，并下降至抛光垫210上；
S6、启动水泵将抛光液和水比例为2：1或1：1的抛光液泵出供液管160，而喷向抛光垫210上，液量为45ml/min，同时启动抛光电机220和主轴电机420而对薄化的晶圆抛光，并在最后40s进行水抛；
S7、再将晶圆转移至UV照射机上进行照射解胶。
本发明提供一份上述设备的加工测试报告，具体如下：
一、加工要求及加工方案：
1、加工要求
产品：2片170微米厚度6寸Si晶圆研磨片，2片240微米厚度6寸Si晶圆切割片，具体要求如下：
研磨片精磨(#6000)，切割片粗磨(#2000)+精磨(#6000)；
双面抛光至110微米厚度。
2、加工方案
根据任务书要求抛光，本次注意，上次抛光有橘皮问题，故抛光此次所如下三种方案验证此问题:
(1)抛光垫为suba600，抛光液为抛光试剂sp2000：水＝2:1，液量45ml/min，最后40s进行水抛；
(2)抛光垫为suba600，抛光液为抛光试剂sp2000：水＝1:1，液量45ml/min，最后40s进行水抛；
(3)抛光垫为suba800抛光垫，抛光液为抛光试剂sp2000：水＝1:1，液量45ml/min，最后40s进行水抛。
3、砂轮工艺参数
#2000砂轮工艺参数：见下表
#6000砂轮工艺参数：见下表
4、抛光工艺条件
抛光垫：suba600/suba800
抛光液：抛光试剂sp2000：水＝1:1；抛光试剂sp2000：水＝2:1
工艺参数：
二、测试结果
1、减薄抛光测试结果
本次加工测试成功地将2片170微米厚度6寸Si晶圆研磨片和2片240微米厚度6寸Si晶圆切割片加工至110微米厚度的超薄Si晶圆。加工测试厚度及厚度均匀性(TTV)数据如下：
单位：μm
单位：μm
2、不同抛光方案测试结果说明
(1)suba600抛光垫+sp2000：水＝2:1抛光液，液量45ml/min，最后40s进行水抛；此方案加工，去除速率与之前使用sp2000原液抛光液加工去除速率变化不大；01、02、03三片的正面使用此方案；表面未发现橘皮现象，厚度均匀性(TTV)满足≤2μm。
(2)suba600抛光垫+sp2000：水＝1:1抛光液，液量45ml/min，最后40s进行水抛；01、02、03三片的反面使用此方案；表面未发现橘皮现象，TTV≤2μm。
(3)suba800抛光垫+sp2000：水＝1:1抛光液，液量45ml/min，最后40s进行水抛；04片双面使用此方案；表面未发现橘皮现象，TTV≤2μm。
需要说明的是，上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超薄硅晶圆减薄抛光设备，包括基座台(100)及其顶面安装的封箱(110)，所述封箱(110)的前侧面侧边处安装有控制面板(120)，所述基座台(100)的顶面上设置有摆臂式修整器(150)和测厚系统(170)，其特征在于：所述基座台(100)的顶面上对称开设有置台口(101)，两个所述置台口(101)内分别设置有抛光台(200)和减薄台(300)，所述基座台(100)的顶面上方悬置有可在抛光台(200)和减薄台(300)之间往复运动的一对晶圆吸附组(400)；
所述抛光台(200)的顶面设置有可呈水平旋转的抛光垫(210)，所述减薄台(300)的顶面对称嵌设有可呈水平旋转的砂轮盘(310)；所述晶圆吸附组(400)包括悬置于基座台(100)顶面上方的加压头(410)、用于驱动加压头(410)旋转的主轴电机(420)以及用于驱动加压头(410)升降的液压缸(440)；所述加压头(410)的底面嵌设有吸盘(411)，所述加压头(410)的内部设置有气囊，所述加压头(410)与主轴电机(420)之间的主轴外套设有用于向气囊提供空气和抽排加压头(410)内部空气的导气筒(421)。
2.根据权利要求1所述的超薄硅晶圆减薄抛光设备，其特征在于：所述抛光台(200)采用高传热性金属板制成，且其下方同轴连接有旋转轴，旋转轴的一侧设置有抛光电机(220)，旋转轴的底端套设有蜗轮，抛光电机(220)的输出轴套接有与蜗轮啮合的蜗杆。
3.根据权利要求2所述的超薄硅晶圆减薄抛光设备，其特征在于：所述旋转轴的底部套设有空箱且空箱底部连通设有通气管，所述旋转轴的中心为中空结构，所述基座台(100)的内部设置有冷却机且冷却机的输气管与通气管连接。
4.根据权利要求3所述的超薄硅晶圆减薄抛光设备，其特征在于：所述砂轮盘(310)采用金刚石制成圆盘式砂轮，所述砂轮盘(310)的下方同轴连接有砂盘电机(320)，所述减薄台(300)上对称开设有穿孔(301)，所述穿孔(301)内卡接固定有呈环形的固定套(330)，所述砂盘电机(320)的输出轴穿过固定套(330)且电机端面与固定套(330)通过螺栓固定连接。
5.根据权利要求4所述的超薄硅晶圆减薄抛光设备，其特征在于：所述吸盘(411)采用多孔陶瓷制成，且其与加压头(410)内部相连通，所述主轴电机(420)的主轴底端与加压头(410)顶面紧密套接，此主轴内部开设有分别通向气囊和加压头(410)的两个通气道，所述导气筒(421)的外壁嵌设有与两个通气道对应相通的两个气阀，气阀通过软管连接有气泵。
6.根据权利要求5所述的超薄硅晶圆减薄抛光设备，其特征在于：基座台(100)后方顶面上设置有呈横向设置的横向轨道架(130)，所述横向轨道架(130)的后壁套设有丝杆且丝杆的端部同轴连接有伺服电机(140)，所述导气筒(421)的后方通过螺栓固定连接有纵向滑座(430)，所述纵向滑座(430)的后方卡接有横向滑座(450)，所述横向滑座(450)与横向轨道架(130)卡接且其后方构件的螺纹孔与丝杆螺纹连接，所述液压缸(440)通过螺栓固定连接于横向滑座(450)顶部且其活塞杆底端与纵向滑座(430)顶部通过螺栓固定连接。
7.根据权利要求6所述的超薄硅晶圆减薄抛光设备，其特征在于：所述基座台(100)内部设置有储液箱且储液箱内放置有水泵，所述基座台(100)的顶面且位于置台口(101)的前方两侧均嵌设有供液管(160)，所述供液管(160)的底端与水泵的输液管相连接，所述置台口(101)的内壁焊接有导液圈(102)。
8.根据权利要求7所述的超薄硅晶圆减薄抛光设备，其特征在于：所述摆臂式修整器(150)安装于基座台(100)的顶面且位于抛光台(200)的靠外一侧，所述测厚系统(170)安装于横向滑座(450)侧边，所述控制面板(120)与伺服电机(140)、摆臂式修整器(150)、测厚系统(170)、抛光电机(220)、砂盘电机(320)、主轴电机(420)、气泵和水泵均控制连接。
9.根据权利要求8所述的超薄硅晶圆减薄抛光设备，其特征在于：所述砂轮盘(310)的直径为12英寸，所述砂盘电机(320)的转速为0-6000rpm，所述抛光垫(210)的直径为520mm，所述抛光电机(220)的转速为0-120rpm，所述主轴电机(420)的转速为0-400rpm。
10.一种超薄硅晶圆减薄抛光工艺,包括权利要求9所述的超薄硅晶圆减薄抛光设备，其特征在于：包括以下步骤：
S1、先将晶圆放置于贴膜机中进行单面贴膜；
S2、将贴膜后的晶圆转移到基座台(100)，并使一侧贴膜面朝上放置于砂轮盘(310)上；
S3、再操作控制面板(120)启动液压缸(440)驱动加压头(410)下降，直至吸盘(411)接触晶圆，接着启动气泵抽排加压头(410)内部空气而使得晶圆被吸附于吸盘(411)上；
S4、再同时启动砂盘电机(320)和主轴电机(420)分别驱动砂轮盘(310)和吸盘(411)旋转而进行快速薄化；
S5、待加压头(410)上移复位后，接着启动伺服电机(140)驱动加压头(410)带着薄化的晶圆移至抛光台(200)上方，并下降至抛光垫(210)上；
S6、启动水泵将抛光液和水比例为2：1或1：1的抛光液泵出供液管(160)，而喷向抛光垫(210)上，液量为45ml/min，同时启动抛光电机(220)和主轴电机(420)而对薄化的晶圆抛光，并在最后40s进行水抛；
S7、再将晶圆转移至UV照射机上进行照射解胶。
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