CN104457548B - 一种非接触式硅片减薄厚度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种非接触式硅片减薄厚度测量装置，涉及厚度测量装置。设有座架、基板、成对推挽式电容器阵列、载样台、交流恒压源、信号处理电路和控制模块；基板固定在座架上端且位于载样台上方，成对推挽式电容器阵列设于基板上，载样台设于座架支承面上，交流恒压源设于座架外部，交流恒压源与基板3中的成对推挽式电容传感器及载样台串联形成闭合回路，信号处理电路与所述闭合回路并联，信号处理电路中设有用于传感信号放大的放大器电路、用于去除共模干扰的同步侦测器及减法运算器，控制模块的输入端接信号处理电路输出端，控制模块用于将信号处理电路输出的信号整合为待测硅片或载样台的位置数据信息，并拟合二次曲面。

Description

一种非接触式硅片减薄厚度测量装置

技术领域

本发明涉及厚度测量装置，尤其是涉及一种用于对硅片减薄厚度进行非接触式测量的装置。

背景技术

随着微机电器件应用的多样化，器件制备和封装中使用的硅片厚薄也多不相同。目前行业内可将硅片减薄至几十微米，相当于普通人头发丝的直径。通过减薄，可以将硅片多余材料去除掉，不仅有效减少了硅片封装体积，同时也提高了器件在散热、机械、电气等方面的性能。但减薄工艺的发展，也伴随着厚度难控制、厚度均匀性难保证等问题，这对硅片厚度测量技术的精度提出了越来越高的要求。

当前各行业使用的厚度测量技术可分为接触式和非接触式两大类。传统的接触式厚度检测，将被测对象的厚度通过一定机械装置转换为位移，再使用常规位移传感器进行测量。中国专利201210348702.X公开了一种用于磨片过程中测量晶圆厚度的测厚仪结构，所述测厚仪结构包括底座、千分尺、晶圆。通过将千分尺通过垂直向测量晶圆的厚度放置，晶圆的下端面紧贴基准座的上端面，此发明避免了晶圆坠落引起的碎片情况，减少了过程损失；且测量过程中，晶圆不会晃动，无需用手加力按住千分尺，晶圆测量误差减少，产品良率提高，但此发明仍未解决接触式厚度检测普遍存在的成本高、灵敏度低、易受干扰、测量不便、人为误差大等缺点，特别是当被测对象的厚度小于0.2mm时，此类装置存在很大的使用局限性。

非接触式厚度检测主要利用电容传感等方式实现。现有的电容传感式测量技术大多采用传感器探头作为传感器的一个极板，接地的靶目标作为传感器的另一个极板，对产生的电容进行检测，这些数据与探头的间隙有关。

中国专利200580000620.4公开了一种双电容非接触式厚度测量系统，包含具有第一基准面及第二基准面的基准导电板、滑座、基准滚轮和第一、二电容位移感测器。当待测量物进入测量系统，则第一、第二电容位移感测器可分别从待测量物的表面取得一测量讯号，通过计算基准讯号与测量计号可以获知待测量物的厚度。但上述方法依赖于电容即时变化的换路动作，不适用于电路稳态的信号测量，且存在电导率不稳定、目标接地路径干扰大等缺点。

现有的另外一种电容传感式测量技术采用将成对的传感器探头置于待测物体两侧，通过对产生的电容进行检测得到上方探头相对物体上表面的距离、下方探头相对物体下表面的距离和两探头之间的距离，从而得到物体厚度。

中国专利201220303356.9公开了一种无接触硅片测量装置，包括检测平台，还包括设于所述检测平台上下两方的厚度测试模块、设于所述检测平台上下两方的电阻率测试模块以及分别与所述厚度测试模块和电阻率测试模块电连接的终端。公开的测量装置实现了硅片厚度的测量，大大缩短了测量时间，减少了设备的使用，同时降低了硅片的损伤率，但未考虑到硅片实际研磨减薄过程中与载样盘之间的粘合，实用性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供可克服现有电容传感式厚度测量装置存在的电导率不稳定、目标接地路径干扰大、实用性较差等缺点的一种非接触式硅片减薄厚度测量装置。

本发明所述非接触式硅片减薄厚度测量装置，设有座架、基板、成对推挽式电容器阵列、载样台、交流恒压源、信号处理电路和控制模块；

基板固定在座架上端且位于载样台上方，成对推挽式电容器阵列设于基板上，载样台设于座架支承面上，交流恒压源设于座架外部，交流恒压源与基板3中的成对推挽式电容传感器及载样台串联形成闭合回路，信号处理电路与所述闭合回路并联，信号处理电路中设有用于传感信号放大的放大器电路、用于去除共模干扰的同步侦测器及减法运算器，控制模块的输入端接信号处理电路输出端，控制模块用于将信号处理电路输出的信号整合为待测硅片或载样台的位置数据信息，并拟合二次曲面。

所述基板最好呈水平悬置状态。

所述成对的推挽式电容传感器可以线性或圆周阵列方式排列。

所述推挽式电容传感器阵列的最外圈传感器所处的圆径小于载样台的外径，

本发明使用时，将待测硅片置于载样台绝缘的水平平面上，并通过石蜡等粘合剂紧密结合。待测硅片和载样台在多次研磨和厚度测量的过程中始终紧密结合，不需要卸下。基板悬置于待测硅片和载样台上方，可使基板在每次测量过程中位置不变。所述控制模块将信号处理电路输出的信号整合为硅片或载样台的位置数据信息，可利用该位置数据信息拟合直观的二次曲面，这样便于调整硅片研磨的施力位置。

本发明所述非接触式硅片减薄厚度测量装置中的基板的制备方法，包括以下步骤：

1)剥离工艺制备刻蚀硅基片的铝掩膜层；

2)用深反应离子刻蚀技术在硅基片上刻蚀出熔融玻璃沉积环槽，形成硅柱，并去掉铝掩膜；

3)高真空条件下将玻璃片和硅基片刻蚀完的一面键合；

4)高温条件下完成玻璃片在沉积环槽中的熔融沉积；

5)研磨抛光减薄玻璃层至硅柱露出，只剩沉积环槽中的玻璃；

6)研磨抛光减薄硅基片没刻蚀的一面，直至露出硅柱和沉积环槽中的玻璃，形成带传感器探测电极的基板；

7)硬板掩膜溅射Al电极层，使传感器探测电极成对存在。

与现有技术比较，本发明的有益效果如下：

1)本发明对现有的硅片厚度测量装置的结构进行了改进，同时采用了微机电系统(MEMS)技术及工艺制备基板，降低了生产成本，提高了灵敏度。所述基板上的成对推挽式电容传感器尺寸小，排列紧密，且测量时基板和载样台保持静止，不需要依赖于电容即时变化的换路动作。

2)基板中成对推挽式电容传感器由相同的电压信号驱动，但是信号之间有一个180度的相移，使得电流跨越硅片或载样台表面，而不是通过硅片或载样台到达地面，这种成对推挽式电容传感器消除了由接地不良建立的任何误差。提供一种对被研磨硅片厚度进行目标不接地的非接触式测量的装置，实现了对被研磨硅片厚度进行目标不接地的非接触式测量)。

3)控制模块将信号处理电路输出的信号整合为硅片或载样台的位置数据信息，并利用位置数据信息拟合三维曲面，便于调整硅片研磨的施力位置。同时降低了因人为操作带来的误差，使读数更加直观、精确。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为嵌有成对推挽式电容传感器阵列的基板的结构示意图。

图3为图2的A部放大示意图。

图4为嵌有成对推挽式电容传感器阵列的基板的制备过程示意图。

图5为本发明实施例的局部放大结构和电路连接关系的示意图。

图6为本发明实施例的信号检测电路的原理示意图。

各图中的标记表示：11.铝掩膜层 12.硅基片 13.玻璃片 14.Al 电极层 101.沉积环槽 102.硅柱 2.成对推挽式电容传感器 3.基板 4.硅片 5.载样台 6.交流恒压源 7.信号处理电路 71.放大器电路 72.同步侦测器 73.减法运算器 8.控制模块

具体实施方式

参见图1～3，本发明实施例所述非接触式硅片减薄厚度测量装置，设有座架1、基板3、成对推挽式电容器2阵列、载样台5、交流恒压源6、信号处理电路7和控制模块8。

基板3固定在座架1上端且位于载样台5上方，基板3呈水平悬置状态。成对推挽式电容器2阵列设于基板3上，成对的推挽式电容传感器2为线性(也可圆周)阵列方式排列。载样台5设于座架1支承面上，交流恒压源6设于座架1外部，交流恒压源6与基板3中的成对推挽式电容传感器2及载样台5串联形成闭合回路，信号处理电路7与所述闭合回路并联，信号处理电路7中设有用于传感信号放大的放大器电路71、用于去除共模干扰的同步侦测器72及减法运算器73，控制模块8的输入端接信号处理电路7输出端，控制模块8用于将信号处理电路7输出的信号整合为待测硅片或载样台的位置数据信息，并拟合二次曲面。

所述推挽式电容传感器2阵列的最外圈传感器所处的圆径小于载样台5的外径。

参照图4的图a～g，所述基板3的制作方法包括以下步骤：

1)剥离工艺制备刻蚀硅基片12的铝掩膜层11；

2)用深反应离子刻蚀技术在硅基片12上刻蚀出熔融玻璃沉积环槽101，形成硅柱102，并去掉铝掩膜11；

3)高真空条件下将玻璃片13和硅基片12刻蚀完的一面键合；

4)高温条件下完成玻璃片13在沉积环槽101中的熔融沉积；

5)研磨抛光减薄玻璃层13至硅柱102露出，只剩沉积环槽101中的玻璃；

6)研磨抛光减薄硅基片12没刻蚀的一面，直至露出硅柱102和沉积环槽101中的玻璃，形成带传感器探测电极2的基板3；

7)硬板掩膜溅射Al电极层14，使传感器探测电极2成对存在。

本实施例的工作原理如下：

参见图5和6，成对的推挽式电容传感器2由同一交流恒压源6驱动，但这两个电压信号彼此相位相差180度。在一半周期期间，电流以一个方向流动通过以下路径：成对传感器2中的一个传感器A→传感器A与待测硅片4间电容→待测硅片4或载样台5→待测硅片4与另一个传感器B间电容→成对传感器2中的另一个传感器B。在下一半周期期间，该电流以相反方向流动。

放大器电路71将传感器2的原始输出电压放大并输出处理信号，同步侦测器72补偿处理信号的相位偏移并输出处理信号。

成对的推挽式电容传感器2经处理之后输出的两个处理信号将被输入至实施减法运算的电路73，因为这两个处理信号彼此相位相差180度，故该减法用于从这两个处理信号中去除共模干扰，但保留传感器信号，输出处理信号。

本发明的信号处理方法如下：

成对的推挽式电容传感器2在该系统的工作范围内的任何空气间隙，对于具有特定介电常数的材料，其厚度灵敏度系数可以计算如下：

厚度灵敏度系数

那么

令

得到

其中d为成对电容传感器2的其中一个传感器A距待测硅片4的距离，V为处理信号，K为空气的介电系数。

选定一个起始半径轴，其上的电容传感器2测得的信号依次V₁₁V₁₂V₁₃V₁₄…V_1j，然后按照顺时针方向第i个半径轴上的电容传感器2测得的信号是V_i1V_i2V_i3V_i4…V_ij，经上述算法处理后，将数据分为传感器探测电极与硅片间的间距d_a和传感器探测电极与载样板之间的间距d_b，记录入表。

测量完毕，将载样台取下，研磨硅片，放回后进行同种方法的测量，得到d_a’和d_b’,对照两次测量中传感器探测电极与载样板之间的数据，将数据一一对应，从而得到△d_ij，为研磨硅片时调节配重砝码的放置提供数据。

公式中η的获取方法如下：

在每次将硅片贴合于载样台上之前，使用测厚仪测量载样台上多对点的高度H，每对点应位于上表面同一直径的两端边缘处，取其平均值

利用上述电路及原理测得各点的处理信号，取其平均值带入公式，即可求得η。

Claims (1)

1.一种非接触式硅片减薄厚度测量装置，其特征在于，所述非接触式硅片减薄厚度测量装置，设有座架、基板、成对推挽式电容器阵列、载样台、交流恒压源、信号处理电路和控制模块；基板固定在座架上端且位于载样台上方，成对推挽式电容器阵列设于基板上，载样台设于座架支承面上，交流恒压源设于座架外部，交流恒压源与基板中的成对推挽式电容传感器及载样台串联形成闭合回路，信号处理电路与所述闭合回路并联，信号处理电路中设有用于传感信号放大的放大器电路、用于去除共模干扰的同步侦测器及减法运算器，控制模块的输入端接信号处理电路输出端，控制模块用于将信号处理电路输出的信号整合为待测硅片或载样台的位置数据信息，并拟合二次曲面；所述基板的制备方法，包括以下步骤：

1)剥离工艺制备刻蚀硅基片的铝掩膜层；

2)用深反应离子刻蚀技术在硅基片上刻蚀出熔融玻璃沉积环槽，形成硅柱，并去掉铝掩膜；

3)高真空条件下将玻璃片和硅基片刻蚀完的一面键合；

4)高温条件下完成玻璃片在沉积环槽中的熔融沉积；

5)研磨抛光减薄玻璃层至硅柱露出，只剩沉积环槽中的玻璃；

6)研磨抛光减薄硅基片没刻蚀的一面，直至露出硅柱和沉积环槽中的玻璃，形成带传感器探测电极的基板；

7)硬板掩膜溅射Al电极层，使传感器探测电极成对存在。