CN219040415U - 一种光学测量装置和减薄设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学测量装置和减薄设备，该光学测量装置集成在减薄设备的干燥单元中，用于检测处理后的晶圆的厚度形貌，以实现利用厚度形貌反馈控制处理参数；所述光学测量装置包括光学传感器、摆臂、升降机构、旋转机构和底座，光学传感器设置在摆臂的自由端，摆臂通过旋转机构和升降机构连接底座。

Description

一种光学测量装置和减薄设备

技术领域

本实用新型涉及晶圆超精密磨削技术领域，尤其涉及一种光学测量装置和减薄设备。

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，从而将晶圆减薄至预定的厚度。

晶圆磨削时需要对晶圆的厚度起伏形貌、即晶圆面型进行控制，以获得更优的晶圆面型和更好的平坦度。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种光学测量装置和减薄设备，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种光学测量装置，集成在减薄设备的干燥单元中，用于检测处理后的晶圆的厚度形貌，以实现利用厚度形貌反馈控制处理参数；所述光学测量装置包括光学传感器、摆臂、升降机构、旋转机构和底座，光学传感器设置在摆臂的自由端，摆臂通过旋转机构和升降机构连接底座。

在一个实施例中，所述光学传感器连接在摆臂的自由端，摆臂的另一端连接旋转机构以实现往复摆动，旋转机构连接升降机构，升降机构驱动旋转机构连带摆臂和光学传感器在竖直方向移动。

在一个实施例中，所述光学测量装置还包括冷却机构，用于对光学传感器进行冷却。

在一个实施例中，所述冷却机构包括用于放置光学传感器的封装件、分别设于封装件顶端和底端的进气端和出气端以及封装件内部的进气通道。

在一个实施例中，所述光学测量装置还包括长度调节机构，用于调节摆臂伸出的长度，进而调节光学传感器的测量点位与晶圆圆心之间的位置关系。

在一个实施例中，所述长度调节机构包括用于起导向作用的调节滑槽和用于固定的锁紧组件。

本实用新型实施例的第二方面提供了一种减薄设备，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，所述磨削包括粗磨削和/或精磨削，所述磨削模块设置在所述减薄设备的末端；

干燥单元，用于对处理之后的晶圆进行干燥，所述干燥单元设置有如上所述的光学测量装置作为后端的光学测量装置。

在一个实施例中，所述磨削模块中还集成有前端的光学测量装置，所述前端的光学测量装置获取晶圆的厚度形貌的前值，所述后端的光学测量装置获取晶圆的厚度形貌的后值，利用所述前值和所述后值形成闭环控制。

在一个实施例中，所述减薄设备还包括抛光模块，用于在完成磨削之后利用承载头对晶圆进行化学机械抛光；承载头能够根据晶圆的厚度形貌分区调节晶圆的抛光压力；并且，根据所述晶圆的厚度形貌的后值调节所述抛光压力。

在一个实施例中，晶圆在干燥单元执行干燥过程中通过光学测量装置测量晶圆的厚度形貌。

本实用新型实施例的有益效果包括：将光学测量装置集成于干燥单元，可以检测干燥后的晶圆的厚度形貌，节省空间，提高效率。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本实用新型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，并不限制本实用新型的保护范围，其中：

图1示出了本实用新型一实施例提供的减薄设备；

图2示出了本实用新型一实施例提供的光学测量装置的工作原理；

图3示出了本实用新型一实施例提供的光学测量装置的结构；

图4示出了本实用新型一实施例提供的光学测量装置的连接电路。

具体实施方式

下面结合具体实施例及其附图，对本实用新型所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本实用新型的特定的具体实施方式，用于说明本实用新型的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本实用新型实施方式及本实用新型保护范围的限制。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，以下对本实用新型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。

为了说明本实用新型所述的技术方案，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，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)也称为CMP或化学机械平坦化(ChemicalMechanical Planarization)，其含义和实际作用等同。

本公开实施例提供的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示出了本实用新型一实施例提供的一种减薄设备，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。

在另一个实施例中，减薄设备包括设备前端模块1、磨削模块3和后处理单元，后处理单元用于对磨削之后的晶圆进行清洗和干燥，后处理单元包括干燥单元241。

设备前端模块1：

设备前端模块1包括晶圆存储单元和第一传输单元。

晶圆存储单元主要用于存储晶圆以及减薄设备的外部与内部之间交互晶圆，可以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。

第一传输单元主要用于晶圆存储单元与其他模块、单元、装置之间传输晶圆，可以包括取放片机械手。取放片机械手从晶圆存储单元取出待处理的晶圆送入下一道，还可以接收处理完毕的晶圆放入晶圆存储单元。

磨削模块3：

磨削模块3包括磨削单元31、第四传输单元32和测量单元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、安装在基座上的工作台、设置在工作台上的吸盘以及与吸盘位置对应的磨削砂轮。工作台用于承载晶圆，可绕其竖向中轴线旋转。如图1所示，在一个实施例中，吸盘设有三个，可在粗磨工位、精磨工位和装卸工位之间轮转。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、磨削砂轮的数量还可以为其他数值，例如吸盘的数量为1、2、4、5、6等，磨削砂轮的数量为1、3、4等。

第四传输单元32包括磨削机械手，用于在磨削单元31和抛光模块2之间传输晶圆，或者在磨削单元31和后处理单元或干燥单元241之间传输晶圆。

如图1所示，测量单元33包括接触式测量装置331和前端的光学测量装置332，能够实现在线监测晶圆的厚度和厚度形貌。接触式测量装置331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的厚度。接触式测量装置331可以设有两套，分别配置在粗磨区域和精磨区域。

前端的光学测量装置332可以利用光学干涉原理测量晶圆的厚度，获取处理之前的晶圆的厚度形貌前值，这里所说的处理可以指磨削处理或化学机械抛光处理。

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。

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。

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。

化学机械抛光单元23，用于在完成磨削之后利用承载头对晶圆进行化学机械抛光，即CMP。承载头能够根据晶圆的厚度形貌分区调节晶圆的抛光压力。承载头的底部设有可调压腔室，可以通过控制各个可调压腔室内的压力来调节施加于晶圆表面各分区的压力，进而控制CMP之后的晶圆厚度形貌。其中，承载头对晶圆的各分区加载的抛光压力可以根据在完成磨削之后、进行化学机械抛光之前的晶圆的厚度形貌进行调整。或者，承载头对晶圆的各分区加载的抛光压力还可以根据在CMP之后的晶圆的厚度形貌进行调整。

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。

如图1所示，后处理单元24包括沿所述减薄设备的宽度方向相邻设置的清洗单元和干燥单元241，以对抛光后的晶圆进行清洗和干燥。清洗单元用于对化学机械抛光后的晶圆进行刷洗，干燥单元241用于对晶圆进行冲洗和甩干。

如图1所示，干燥单元241设置在化学机械抛光单元23和设备前端模块1之间以便于在对晶圆完成清洗干燥后快速运送至设备前端模块1进行存储，干燥单元241与化学机械抛光单元23沿所述减薄设备的长度方向相邻。

如图1所示，干燥单元241包括用于保持并旋转晶圆的晶圆旋转机构、向晶圆喷射流体的流体供给机构以及流体收集腔。晶圆旋转机构和流体供给机构均设在封闭的流体收集腔内，以防止流体泄漏。晶圆旋转机构使晶圆保持水平，并且晶圆旋转机构带动晶圆围绕其竖向中轴线旋转，即围绕晶圆旋转轴转动。流体供给机构用于向晶圆表面喷淋清洗用的液体或者干燥用的气体，在不同的实际需求下，可以按照不同的操作顺序依次向晶圆喷淋水、酸性溶液和/或碱性溶液、干燥气体等，并将不同液体分别处理。

在清洗时，干燥单元241利用晶圆旋转机构水平支撑晶圆并带动晶圆沿周向水平旋转，同时流体供给机构向晶圆表面喷射清洗液以实现表面冲刷。在干燥时，晶圆旋转机构带动晶圆高速旋转以甩干晶圆表面。可以理解的是，干燥单元241的具体结构并不限于图1所示结构，只要能够满足晶圆干燥功能的结构均应当落入本实用新型的保护范围内。

如图1和图2所示，本实用新型一实施例还提供了一种光学测量装置50，该光学测量装置50集成在减薄设备的干燥单元241中，可以称之为后端的光学测量装置50，用于检测处理后的晶圆的厚度形貌后值，以实现利用厚度形貌后值反馈控制处理参数。其中，处理后的晶圆是指在磨削模块3磨削之后的晶圆，或者在磨削模块3磨削后又在化学机械抛光单元23完成CMP的晶圆。前端的光学测量装置332可以获得厚度形貌前值，后端的光学测量装置50用于获得厚度形貌后值；例如，磨削之前测厚度形貌前值，磨削之后测厚度形貌后值，或者，磨削之后测厚度形貌前值，CMP之后测厚度形貌后值。处理参数可以是磨削参数，例如磨削角度、磨削力、磨削速度等，还可以是CMP参数，例如承载头对晶圆的各分区加载的抛光压力。

本实施例将光学测量装置50集成于干燥单元241，可以检测干燥后的晶圆的厚度形貌，节省空间，提高效率。

如图2所示，光学测量装置50集成在干燥单元241内的晶圆上方，可以检测经过清洗干燥之后的晶圆的面型及平坦度。

如图3所示，光学测量装置50包括光学传感器51、摆臂52、升降机构53、旋转机构54和底座55，光学传感器51设置在摆臂52的自由端，摆臂52通过旋转机构54和升降机构53连接底座55。

如图3所示，光学传感器51连接在摆臂52的自由端，可以跟随摆臂52摆动。摆臂52的另一端连接旋转机构54，在旋转机构54的驱动下，摆臂52的自由端可以带着光学传感器51绕旋转机构54往复摆动。具体地，旋转机构54可以包括相互连接的旋转轴和旋转电机，旋转轴连接摆臂52，此旋转轴与晶圆旋转轴相互平行，使摆臂52在旋转过程中保持光学传感器51与晶圆之间距离的稳定性，提高测量精度。

本实施例通过摆臂52的旋转运动可以测量晶圆不同半径距离上的厚度数据，以此获得晶圆完整径向的厚度形貌。利用集成在干燥单元241的光学测量装置50可精确测量干燥后成品晶圆的厚度形貌及平坦度，不需移动到单独的测量模块或进行线下测量。

如图3所示，旋转机构54连接升降机构53，升降机构53驱动旋转机构54连带摆臂52和光学传感器51在竖直方向上下移动。具体地，升降机构53可以包括驱动电机和丝杠组件，丝杠组件连接旋转机构54，驱动电机固定在底座55上，驱动电机带动丝杠组件动作以实现旋转机构54的升降。

本实施例通过升降机构53可以使光学传感器51靠近或远离晶圆，测量时靠近晶圆并调节测量点位到晶圆的距离，获得更稳定准确的晶圆厚度形貌；在不进行测量时远离晶圆，能够保护光学传感器51，避免污染。

如图3所示，在本实用新型的另一个实施例中，光学测量装置50还包括冷却机构60，用于对光学传感器51进行冷却，可以在测量过程中冷却光学传感器51。冷却机构60包括用于放置光学传感器51的封装件61、分别设于封装件61顶端和底端的进气端62和出气端63以及封装件61内部的进气通道64。本实施例通过在封装件61的内部通气实现冷却以及保护光学传感器51。

如图3所示，光学传感器51置入筒状的封装件61内进行固定。封装件61顶端的进气端62用于通入冷去气体。封装件61的底端开设有出气端63形成一槽口，既可以使光路通过，又可以排出冷却气体。进气通道64连通进气端62和出气端63，并且光学传感器51位于进气通道64内，冷却气体在进气通道64内流通，从而实现对光学传感器51的冷却。另外，在进气端62还设有环绕端口的密封结构，用于对冷却机构60内部进行密封。本实施例通过冷却机构60可对光学测量装置50的光学结构进行冷却，并且防止干燥过程中的水雾干扰测量结果，并可对光学传感器51起保护作用，防止水雾污染。

如图3所示，在本实用新型的另一个实施例中，光学测量装置50还包括长度调节机构70，用于调节摆臂52伸出的长度。长度调节机构70包括调节滑槽71和锁紧组件72。摆臂52安装在调节滑槽71上，以对调节方向起导向作用。锁紧组件72可以由调节螺栓实现。本实施例通过长度调节机构70可以调节摆臂52伸出的长度，可以精确调节光学传感器51的测量点位与晶圆圆心之间的位置关系，从而获得目标测量点位数值。

如图4所示，在本实用新型的一个实施例中，光学测量装置分别连接控制单元和数据处理单元，数据处理单元还连接控制单元、显示单元和数据存储单元。控制单元控制光学测量装置获取晶圆的厚度形貌数据发送至数据处理单元，数据处理单元将处理后的数据发送至显示单元进行显示以及数据存储单元进行存储，数据处理单元还发送反馈数据至控制单元。

本实用新型实施例提供的光学测量装置可以有多种应用场景，下面举例说明。

<应用场景一>

晶圆在干燥单元241执行干燥过程中可通过光学测量装置50进行扫描测量晶圆的厚度形貌，亦可在干燥过程结束后进行测量；测量过程如下：

1.通过控制单元控制光学测量装置50，将摆臂52旋转至测量初始位置，并将摆臂52的高度调整至光学传感器51的合适测量高度开始测量；

2.测量的同时保持干燥单元241中的晶圆以一定速度旋转，可以获得同一半径周向上的不同角度的晶圆厚度形貌；

3.测量过程中摆臂52由晶圆边缘旋转至晶圆圆心，在不同半径测量点位短暂停留进行测量，获得晶圆完整的厚度形貌；

4.数据处理单元接收光学测量装置50输出的测量数据并进行处理，然后将晶圆形貌及平坦度输送至显示单元，将数据处理结果储存至数据存储单元以备用，还可以反馈数据至控制单元，以使控制单元调整对光学测量装置50的控制参数。

应用场景一，实现了在晶圆旋转干燥过程中进行厚度测量，在干燥过程或在干燥过程结束后都可进行在线测量，提高了加工效率。

<应用场景二>

在减薄设备中利用磨削模块3中的前端的光学测量装置332和干燥单元241中的后端的光学测量装置50形成闭环反馈调节，具体流程如下：

1.磨削之后通过前端的光学测量装置332测量晶圆不同半径的厚度，得到晶圆的厚度形貌的前值；

将其作为抛光压力调节的算法数据；

2.晶圆输送至化学机械抛光单元23执行CMP处理，抛光压力可以依据厚度形貌的前值进行调节；

3.CMP完成之后，晶圆输送至后处理单元24进行清洗和干燥处理；

4.晶圆在干燥单元241时，通过后端的光学测量装置50获取晶圆的厚度形貌的后值；

5.利用厚度形貌的后值反馈调节下一片晶圆的抛光压力。

应用场景二，利用厚度形貌的前值和厚度形貌的后值对晶圆的抛光压力进行控制形成闭环反馈系统，可以实现自动调节，能够实时更新抛光压力调节算法。光学测量装置50可测量不同半径区域内晶圆的厚度形貌，以获得晶圆的完整面型，与磨削模块3中的前端的光学测量装置332形成闭环反馈，从而实现实时更新抛光压力调节算法。

综上，本申请中将光学测量装置50集成于干燥单元241，不需再进行线下测量即可精确获取晶圆的厚度形貌；依据光学测量装置50测得的厚度形貌可以对抛光压力进行自适应反馈调节，以形成闭环控制，能够改善晶圆面型及平坦度；在干燥过程即可进行测量，不需要将晶圆放置在特定位置或移动到单独的测量模块，能够缩短工作时长，提高加工效率，提高晶圆产出量。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本实用新型的构思，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实用新型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实用新型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实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种光学测量装置，其特征在于，集成在减薄设备的干燥单元中，用于检测处理后的晶圆的厚度形貌，以实现利用厚度形貌反馈控制处理参数；所述光学测量装置包括光学传感器、摆臂、升降机构、旋转机构和底座，光学传感器设置在摆臂的自由端，摆臂通过旋转机构和升降机构连接底座。

2.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于，所述光学传感器连接在摆臂的自由端，摆臂的另一端连接旋转机构以实现往复摆动，旋转机构连接升降机构，升降机构驱动旋转机构连带摆臂和光学传感器在竖直方向移动。

3.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于，还包括冷却机构，用于对光学传感器进行冷却。

4.如权利要求3所述的光学测量装置，其特征在于，所述冷却机构包括用于放置光学传感器的封装件、分别设于封装件顶端和底端的进气端和出气端以及封装件内部的进气通道。

5.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于，还包括长度调节机构，用于调节摆臂伸出的长度，进而调节光学传感器的测量点位与晶圆圆心之间的位置关系。

6.如权利要求5所述的光学测量装置，其特征在于，所述长度调节机构包括用于起导向作用的调节滑槽和用于固定的锁紧组件。

7.一种减薄设备，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，所述磨削包括粗磨削和/或精磨削，所述磨削模块设置在所述减薄设备的末端；

干燥单元，用于对处理之后的晶圆进行干燥，所述干燥单元设置有如权利要求1至6任一项所述的光学测量装置作为后端的光学测量装置。

8.如权利要求7所述的减薄设备，其特征在于，所述磨削模块中还集成有前端的光学测量装置，所述前端的光学测量装置获取晶圆的厚度形貌的前值，所述后端的光学测量装置获取晶圆的厚度形貌的后值，利用所述前值和所述后值形成闭环控制。

9.如权利要求7所述的减薄设备，其特征在于，还包括抛光模块，用于在完成磨削之后利用承载头对晶圆进行化学机械抛光；承载头能够根据晶圆的厚度形貌分区调节晶圆的抛光压力；并且，根据所述晶圆的厚度形貌的后值调节所述抛光压力。

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