一种晶圆厚度测量装置和磨削机台的制作方法

本发明涉及晶圆超精密磨削技术领域，尤其涉及一种晶圆厚度测量装置和磨削机台。

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，通过磨削加工装置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。晶圆背面的磨削能够减小芯片封装体积，降低封装贴装高度，改善芯片的热扩散效率、电气性能和机械性能，从而减轻芯片的加工量，背面减薄后的芯片厚度甚至可以达到初始厚度的5％以下。

为了将晶圆磨削至目标厚度，需要在磨削过程中对晶圆厚度进行测量，可以采用非接触式的光学测量手段实现。光学测量晶圆厚度是将预定频率的激光向晶圆的表面照射，根据激光照射后来自晶圆表面的反射光与来自背面的反射光形成的干涉波的波形来测量厚度。在磨削过程中，晶圆表面会存在水膜、水珠、颗粒污染物等，会改变光学测量的光路，给非接触测量带来干扰，影响测量精度。综上，现有技术中存在晶圆厚度测量不准确、精度低的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种晶圆厚度测量装置和磨削机台，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厚度测量装置，包括：主体结构、可升降的悬挂结构和光学传感器组件，悬挂结构挂载在主体结构下部，主体结构下部可滑动地设置于悬挂结构的槽内，主体结构内设有通向主体结构与悬挂结构的交接处的第一流体管路用于向该槽内充入第一流体以提升该悬挂结构，主体结构设有贯穿其上、下表面的用于容置光学传感器组件的第一通孔，悬挂结构的槽底部在第一通孔下方设有第二通孔以通过由光学传感器组件输出的光路，悬挂结构内设有第二流体管路以实现由主体结构底面、光学传感器组件底面、槽内面和第二通孔形成的腔室内充满第二流体。

在一个实施例中，所述主体结构包括中间部、从中间部上端向外延伸的环状上凸缘以及从中间部下端向外延伸的环状下凸缘，下凸缘位于悬挂结构的槽内以搭挂悬挂结构。

在一个实施例中，中间部设有第一通孔和第一流体管路，第一流体管路与第一通孔不连通，第一流体管路的出口设在所述下凸缘上表面与所述中间部侧面的连接处。

在一个实施例中，所述悬挂结构包括向上开口的筒部和从筒部上端向内延伸的环状内凸缘，筒部和内凸缘组成所述槽以将主体结构的下凸缘限位于该槽内。

在一个实施例中，筒部设有第二通孔和第二流体管路，第二流体管路与第二通孔连通。

在一个实施例中，所述光学传感器组件包括光学传感器以及位于光学传感器下方的透明挡板。

在一个实施例中，所述悬挂结构还设置有环绕在所述内凸缘内侧面的第一密封圈，以在所述内凸缘的内侧面与所述中间部的外侧面滑动配合时实现气密密封。

在一个实施例中，所述主体结构还设置有环绕在所述下凸缘的外侧面的第三密封圈，以在所述下凸缘的外侧面与所述筒部的内侧面滑动配合时实现气密密封。

在一个实施例中，晶圆厚度测量装置还包括与主体结构连接的可移动支架。

本发明实施例的第二方面提供了一种磨削机台，包括：

磨削机构，用于使砂轮抵接晶圆以对晶圆进行磨削减薄处理；

吸盘，用于保持晶圆并带动晶圆旋转；

转台，用于承载预设数量的所述吸盘并带动全部吸盘整体旋转；

其中，所述转台上设有如上所述的晶圆厚度测量装置。

本发明实施例的有益效果包括：能够有效提高晶圆厚度测量的准确性和精度。

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为本发明一实施例提供的磨削机台的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的磨削机台的部分结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的测量原理示意图；

图4为本发明一实施例提供的晶圆厚度测量装置的结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的晶圆厚度测量装置的结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的操作方法的流程示意图。

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。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。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

芯片制备工艺在晶圆表面形成有电子电路以实现预定的芯片功能，对该表面的背面进行磨削实现了晶圆的背面减薄。晶圆的背面磨削适于通过如图1所示的一个实施例提供的磨削机台来进行。

如图1所示，本发明实施例提供的一种磨削机台，包括：

磨削机构3，用于使砂轮抵接晶圆以对晶圆进行磨削减薄处理；

吸盘1，用于保持晶圆并带动晶圆旋转；

转台2，用于承载预设数量的所述吸盘并带动全部吸盘整体旋转；

其中，所述转台2上设有晶圆厚度测量装置4。

作为一种可实施方式，多个吸盘1在周向上等间隔地设置在转台2上，每个吸盘1可单独旋转，转台2可绕其竖向中轴线旋转以带动多个吸盘1整体旋转移动从而实现吸盘1在不同工位间转换位置。

如图1所示，在转台2上均匀分布有3个可单独旋转的吸盘1，分别为用于吸附晶圆的第一吸盘、第二吸盘和第三吸盘，全部吸盘1为结构完全相同的多孔陶瓷吸盘以实现真空吸附晶圆。晶圆吸附到真空吸盘1的水平吸附面上，从而保持晶圆，通过磨削机构3来对晶圆背面依次进行粗磨削和精磨削。

3个吸盘1中心与转台2中心连线互成120°夹角。3个吸盘1对应3个工位，分别为粗磨工位11、精磨工位12和装卸工位13，其中相对砂轮的2个工位分别用于进行粗磨削和精磨削，剩下1个工位用于晶圆的装卸和清洗。通过转台2的旋转可带动3个吸盘1在这3个工位间切换，以实现吸盘1载着晶圆按照装卸工位13-粗磨工位11-精磨工位12-装卸工位13的顺序循环移动。本实施例采用旋转式转台2进行晶圆磨削，通过反复循环实现晶圆的全自动装卸和连续磨削及清洗，具有材料去除率高、晶圆表面损伤小、容易实现自动化的优点。

如图1所示，磨削机构3由粗磨部31和精磨部32组成，粗磨部31设有用于对晶圆进行粗磨削的粗磨砂轮，精磨部32设有用于对晶圆进行精磨削的精磨砂轮。磨削过程是将磨削用砂轮按压在晶圆表面并旋转，以研磨掉一定厚度。

粗磨部31包括杯形结构的粗磨砂轮、粗磨主轴、粗磨主轴座和粗磨进给机构。粗磨砂轮连接在粗磨主轴的底部以使粗磨主轴带动粗磨砂轮旋转从而实现粗磨砂轮对晶圆表面旋转磨削，粗磨主轴通过粗磨主轴座与粗磨进给机构连接以实现上下移动，通过粗磨进给机构控制粗磨砂轮相对于晶圆接近或远离以进行轴向切入式进给磨削。本实施例中，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4至10μm/s从而实现高速进给，粗磨砂轮的转速为2000至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。

精磨部32包括杯形结构的精磨砂轮、精磨主轴、精磨主轴座和精磨进给机构。精磨砂轮连接在精磨主轴的底部以使精磨主轴带动精磨砂轮旋转从而实现精磨砂轮对晶圆表面旋转磨削，精磨主轴通过精磨主轴座与精磨进给机构连接以实现上下移动，通过精磨进给机构控制精磨砂轮相对于晶圆接近或远离以进行轴向切入式进给磨削。本实施例中，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至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。

通过转台2旋转预定角度，将保持于吸盘1上的晶圆搬运至粗磨部31下方的粗磨工位11，在粗磨工位11由粗磨砂轮对晶圆背面进行粗磨削。然后，通过转台2再次旋转预定角度，将晶圆搬运至精磨部32下方的精磨工位12以进行二次加工，在精磨工位12由精磨砂轮对晶圆背面进行精磨削。晶圆的背面磨削过程具体为：通过进给机构使砂轮下降并实现磨削进给，吸盘1旋转带动晶圆自转，同时旋转的砂轮抵压在晶圆背面进行磨削。在背面磨削时，利用磨削液供给装置向晶圆表面喷淋磨削液以助研磨，磨削液可以为去离子水。

为了实现将晶圆减薄至目标厚度，在磨削过程中利用晶圆厚度测量装置4来测量晶圆厚度。如图1所示，晶圆厚度测量装置4用于在精磨工位12实现非接触式地测量晶圆厚度。

如图2和3所示，本发明实施例提供的一种晶圆厚度测量装置4包括可移动支架5和位于支架5前端的测量主体6。

支架5包括回转底座51和安装在回转底座51上的可绕底座51中轴水平旋转的摆臂52，测量主体6安装在摆臂52的移动端且向下设置以扫过晶圆w表面并在多个测量点测量位于下方的晶圆w厚度。

测量主体6包括：承重的主体结构7、可升降的悬挂结构8和光学传感器组件9，悬挂结构8挂载在主体结构7下部，主体结构7下部可滑动地设置于悬挂结构8的槽81内，主体结构7内设有通向主体结构7与悬挂结构8的交接处的第一流体管路71用于向该槽81内充入第一流体以提升该悬挂结构8，主体结构7设有贯穿其上、下表面的用于容置光学传感器组件9的第一通孔72，悬挂结构8的槽81底部在第一通孔72下方设有第二通孔82以通过由光学传感器组件9底端输出的光路91，悬挂结构8内设有第二流体管路83以实现由主体结构7底面、光学传感器组件9底面、槽81内面和第二通孔82形成的腔室84内充满第二流体。

其中，可移动支架5与主体结构7连接，以支撑主体结构7并通过主体结构7带动测量主体6移动。

本实施例中，晶圆厚度测量装置4有两种状态，分别为：

1)如图4所示的提升状态：主体结构7固定，第一流体管路71通入高压气体或液体，在气压或液压的作用下，将悬挂结构8顶起以增大测量主体6底面距晶圆w的距离从而可以实现无障碍移动，此时第二流体管路83断开流体供给。

2)如图5所示的测量状态：主体结构7固定，第一流体管路71断开流体供给，此时悬挂结构8落下并挂在主体结构7上，第二流体管路83通入高压气体或液体，该气体或液体通过第二通孔82流向晶圆w表面以冲刷晶圆w表面冲走阻碍光路91的污染物，实现了位于晶圆w上方的光路91传输路径所在的空间内充满同一种气体或液体，光路91在同一种介质内传播，使得在晶圆w上、下表面的反射光所形成的干涉波仅与晶圆w厚度相关，提高了厚度测量准确性和精度。

本实施例通过第一流体管路71和第二流体管路83控制悬挂结构8在两个极限位置之间切换。

本装置的测量原理为：光学传感器组件9的测量光路91通过第二通孔82，利用红外光照射晶圆w，并根据晶圆w上下表面的不同反射光计算基板厚度。

本发明实施例通过在非接触式晶圆厚度测量装置4的测量光路91内设置流体通道，保证了测量光传输过程中不会受到晶圆表面液膜、液珠或颗粒物等干扰因素的影响，消除了干扰因素作用效果，能够有效提高晶圆厚度测量的准确性和精度。

如图4和5所示，所述主体结构7包括中间部73、从中间部73上端向外延伸的环状上凸缘74以及从中间部73下端向外延伸的环状下凸缘75，下凸缘75位于悬挂结构8的槽81内以搭挂悬挂结构8。

其中，中间部73设有第一通孔72和第一流体管路71，第一流体管路71与第一通孔72不连通，第一流体管路71的出口711设在所述下凸缘75上表面与所述中间部73侧面的连接处。

在一个实施例中，如图所示，第一流体管路71与第一通孔72均沿竖直方向平行设置，第一流体管路71用于向悬挂结构8喷射高压的第一流体以在流体压力的作用下抬起悬挂结构8，第一流体管路71的第一接头712连接于主体结构7的上表面。

如图4和5所示，主体结构7还设置有环绕在下凸缘75的外侧面的第三密封圈76，以在下凸缘75的外侧面与筒部85的内侧面滑动配合时实现气密密封。

如图4和5所示，所述悬挂结构8包括向上开口的筒部85和从筒部85上端向内延伸的环状内凸缘86，筒部85和内凸缘86组成所述槽81以将主体结构7的下凸缘75限位于该槽81内。

在一个实施例中，如图所示，内凸缘86的底面边缘设有环形凹口87以便于第一流体管路71喷出的第一流体快速与内凸缘86的底面接触并向该底面施加向上的压力从而抬升悬挂结构8。

其中，筒部85设有第二通孔82和第二流体管路83，第二流体管路83与第二通孔82连通。第二通孔82贯穿筒部85底壁的上下表面，第二通孔82可以由圆柱形孔和位于圆柱形孔下方的圆台形孔两部分组成，圆台形孔的上表面直径大于下表面直径。

在一个实施例中，筒部85的底壁内设有沿水平方向延伸的第二流体管路83，第二流体管路83的出口831设在第二通孔82的侧壁上，第二流体管路83用于使由主体结构7底面、光学传感器组件9底面、槽81内面和第二通孔82形成的腔室84内充满第二流体，第二流体管路83的第二接头832连接于悬挂结构8的外侧面。

如图4和5所示，悬挂结构8还设置有环绕在内凸缘86内侧面的第一密封圈88，以在内凸缘86的内侧面与中间部73的外侧面滑动配合时实现气密密封。

如图4和5所示，悬挂结构8在筒部85与内凸缘86结合的位置还设置有第二密封圈89。

如图4和5所示，光学传感器组件9包括可发射入射光至晶圆w表面并接收从晶圆w反射的发射光的光学传感器92以及位于光学传感器92下方的透明挡板93。

透明挡板93设于第一通孔72的底端并与中间部73气密连接以防止第二流体进入第一通孔72而污染容纳于第一通孔72内的光学传感器92。透明挡板93的材质可以为玻璃、塑料、水晶等透光材料，在保证测量光路91能够透过的同时，将腔室84内的气体或液体与光学传感器92隔离，避免损坏传感器。

光学传感器92通过光纤分别连接外部的激光光源和测控仪器以实现光学测量。

如图6所示，磨削机台的工作过程包括：将晶圆放置于装卸工位13，转台2转动120°使晶圆移至粗磨工位11进行粗磨削，加工至晶圆达到第一预定厚度完成粗磨削，第一流体管路71通入高压气体或液体以提升悬挂结构8，转台2转动120°，晶圆移至精磨工位12进行第一阶段精磨削，精磨削至晶圆达到第二预定厚度，使精磨砂轮抬起以停止精磨削，晶圆厚度测量装置4的支架5带动测量主体6沿圆弧方向由初始位置运动至晶圆上方，第二流体管路83通入高压气体或液体且第一流体管路71关断以使悬挂结构8落下，支架5带动测量主体6沿圆弧方向从晶圆边缘移动至靠近中心的位置以在多个测量点采集厚度数据，测厚完成后使第二流体管路83关断且第一流体管路71通入高压气体或液体以提升悬挂结构8并将测量主体6移回初始位置，对精磨参数进行调节并进行第二阶段精磨削，精磨削至晶圆达到第三预定厚度后实施光磨加工，然后将精磨砂轮抬起以结束磨削过程，转台转动120°或反转240°使晶圆移至装卸工位13，实施晶圆及吸盘1的清洗，清洗完成后取走晶圆。

其中，晶圆厚度测量装置4的提升状态适用于转台2进行粗、精磨转换的过程，将装置底面适当抬起，增加与晶圆之间的距离，降低转动过程中底面与晶圆发生触碰干涉的风险。

测量状态用于在精磨工艺暂停时进行晶圆厚度的原位测量，此时装置底面下降缩短与晶圆之间的距离，并且腔室84内充满第二流体以形成稳定的流场环境提高测量准确度。

综上所述，本发明实施例通过设置在测量光路91所在腔室84的气体或液体通道，消除晶圆表面液膜、液珠、颗粒物等污染物对测量精度、稳定性的干扰，提高测量精度。另外，悬挂结构8具有两个极限状态，提升状态能够有效避免测量装置与吸盘1、转台2或晶圆等部件发生碰撞的风险，测量状态能够保证测量光路91处于稳定的气体或液体环境中，并且光学传感器92与晶圆之间的距离保持不变，光学传感器92位置固定，能够避免产生振动从而带来测量干扰。

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。