CN116175361A - 一种磨削工作台和晶圆减薄设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨削工作台和晶圆减薄设备，磨削工作台包括由上至下依次叠放的安装盘、支撑环和基座，安装盘用于承载吸盘，支撑环与基座固定连接，安装盘与基座中的驱动机构连接，支撑环内部设有气浮结构，以实现安装盘悬浮于支撑环时在驱动机构的驱动下转动，所述支撑环的上表面具有三个高度完全一致的最高点，使得安装盘抵接于支撑环上表面时保持水平。

Description

一种磨削工作台和晶圆减薄设备

技术领域

本发明涉及晶圆超精密磨削技术领域，尤其涉及一种磨削工作台和晶圆减薄设备。

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，也称衬底。晶圆的背面减薄(Grinding)指对封装前的硅晶片或化合物半导体等多种材料进行高精度磨削，使其厚度减少至合适的超薄形态。

磨削工作台由多层组成，各层的表面平整度或水平度均会影响最上层的表面平整度或水平度，特别是由于磨削工作台的直径很大、周长较长，实际受制于精度能力或安装因素，其上表面精度可能不理想，会出现随机新装的误差，导致不同表面之间处于不稳定接触的状态，最终影响超精密磨削的一致性。

发明内容

本发明实施例提供了一种磨削工作台和晶圆减薄设备，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明实施例的第一方面提供了一种磨削工作台，包括由上至下依次叠放的安装盘、支撑环和基座，安装盘用于承载吸盘，支撑环与基座固定连接，安装盘与基座中的驱动机构连接，支撑环内部设有气浮结构，以实现安装盘悬浮于支撑环时在驱动机构的驱动下转动，所述支撑环的上表面具有三个高度完全一致的最高点，使得安装盘抵接于支撑环上表面时保持水平。

在一个实施例中，所述支撑环的上表面的最高点相对最低点高出1～50μm。

在一个实施例中，三个所述最高点沿支撑环的周向均匀分布。

在一个实施例中，所述支撑环的上表面的最高点和最低点之间平滑过渡。

在一个实施例中，所述支撑环的上表面具有起伏的形状。

在一个实施例中，所述最高点按照靠近磨削工件布置。

在一个实施例中，所述支撑环外侧壁设有配气接头，支撑环内部有气路，支撑环的上表面设有多个气孔，通过配气接头进气，从气孔出气以利用气压将安装盘连带其上的吸盘一同浮起。

在一个实施例中，所述支撑环的材料硬度在2.5到5之间。

在一个实施例中，所述安装盘包括上层和下层，上层包括分隔板和防水罩，下层包括分度盘。

本发明实施例的第二方面提供了一种晶圆减薄设备，包括：

吸盘，用于保持晶圆并带动晶圆旋转；

如上所述的磨削工作台，用于承载预设数量的所述吸盘并带动全部吸盘整体旋转；

磨削工件，用于对晶圆进行磨削减薄处理。

本发明实施例的有益效果包括：能够保证安装盘抵接在支撑环上时保持绝对水平或绝对平整，从而保证良好的接触稳定性与确定性。

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示出了本发明一实施例提供的晶圆减薄设备；

图2至图4示出了本发明一实施例提供的磨削工作台；

图5示出了本发明一实施例提供的支撑环和分度盘；

图6示出了本发明一实施例提供的支撑环和磨削工件的相对位置。

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。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。

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。

为了说明本发明所述的技术方案，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，其含义和实际作用等同。

本公开实施例提供的晶圆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示出了本发明一实施例提供的一种晶圆减薄设备，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设置在晶圆减薄设备的前端。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设置在晶圆减薄设备的末端；

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所示的晶圆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功能均应当落入本申请的保护范围内。

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。晶圆存储单元设置在晶圆减薄设备的前端一侧，第一传输单元设置在晶圆存储单元和抛光模块2之间，用来实现晶圆在晶圆存储单元与抛光模块2之间的传输。

晶圆存储单元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。

第一传输单元包括取放片机械手。取放片机械手可旋转、伸展或折叠收缩，还可以沿传输轨道移动。取放片机械手可以通过晶圆传送盒的门结构从晶圆存储单元取出待处理的晶圆送入抛光模块2，还可以从抛光模块2接收处理完毕的晶圆放入晶圆传送盒中。

抛光模块2：

抛光模块2包括第二传输单元、第三传输单元、化学机械抛光单元和后处理单元。第二传输单元、化学机械抛光单元和后处理单元分别占据抛光模块2的各边缘，第三传输单元位于中央。

具体地，第二传输单元位于抛光模块2中的边缘一侧并沿设备长度方向分布，可以连通设备前端模块1和磨削模块3。化学机械抛光单元位于抛光模块2的另一侧边缘，并与磨削模块3和第二传输单元分别相邻。后处理单元位于抛光模块2的再一侧边缘，并与设备前端模块1、第二传输单元和化学机械抛光单元分别相邻。第三传输单元靠近抛光模块2的中央，被第二传输单元、化学机械抛光单元和后处理单元包围，用来在第二传输单元、化学机械抛光单元和后处理单元之间实现晶圆的相互传输。

在一个实施例中，第二传输单元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。

在一个实施例中，第三传输单元包括中央机械手，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、将抛光后的晶圆从化学机械抛光单元转运至后处理单元、以及将清洗后的晶圆从后处理单元转运至暂存部。

晶圆从设备前端模块1取出后经由第二传输单元运送至磨削模块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和第三传输单元搬运至化学机械抛光单元进行抛光；完成抛光和清洗后，晶圆再经由第三传输单元和第二传输单元传送回设备前端模块1。

后处理单元用于对抛光后的晶圆进行清洗和干燥，可以包括水平刷洗装置和单腔清洗装置。

磨削模块3：

磨削模块3包括磨削单元31、清洗单元和第四传输单元。

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包括磨削工作台40、设置在磨削工作台40上的吸盘60以及与吸盘60位置对应的磨削工件50。其中，吸盘60用于保持晶圆并带动晶圆旋转，具体可以采用多孔陶瓷吸盘，利用真空吸附晶圆。磨削工作台40用于承载预设数量的吸盘60并带动全部吸盘60整体旋转。磨削工件50用于对晶圆进行磨削减薄处理。

磨削工作台40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60设有三个，可在粗磨工位、精磨工位和装卸工位之间轮转。磨削工件50可以是砂轮，图1中两个砂轮分别用于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60、砂轮的数量还可以为其他数值，例如吸盘60的数量为1、2、4、5、6等，砂轮的数量为1、3、4等。

清洗单元用于实现吸盘60清洗、打磨和晶圆清洗。

第四传输单元包括用于传输晶圆的磨削机械手，磨削机械手是指在磨削模块3使用的机械手，用于在磨削单元31和第二传输单元之间传输晶圆，具体地，用于在装卸工位对应的吸盘60和移动缓存部之间传递晶圆。磨削机械手从第二传输单元的移动缓存部取晶圆送入磨削单元31进行磨削，在磨削和清洗完成后，磨削机械手从磨削单元31取晶圆然后放置于移动缓存部以便于晶圆的后续传输。磨削机械手内部设有可以抽真空的管路，以实现真空吸附晶圆。或者，磨削机械手还可以由带卡爪的机构实现。

如图1所示，3个吸盘60的中心与磨削工作台40的中心连线互成120°夹角。3个吸盘60在3个工位间进行轮转，分别为粗磨工位、精磨工位和装卸工位，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。通过磨削工作台40的旋转可带动3个吸盘60在这3个工位间切换，以实现吸盘60载着晶圆按照装卸工位-粗磨工位-精磨工位-装卸工位的顺序循环移动。

磨削过程中，磨削工作台40的工作过程包括

1)磨削机械手将晶圆搬送至磨削工作台40，使晶圆固定在装卸工位对应的吸盘60上；

2)磨削工作台40正向旋转120°，晶圆移动至粗磨工位进行粗磨削；

3)粗磨削完成后，磨削工作台40正向旋转120°，晶圆移动至精磨工位进行精磨削；

4)精磨削完成后，磨削工作台40反向旋转240°，晶圆移动至装卸工位；

5)磨削后的晶圆在装卸工作进行清洗甩干后由磨削机械手取下。

本实施例中，多个吸盘60设置在磨削工作台40上，每个吸盘60可单独旋转，磨削工作台40可绕其竖向中轴线旋转以使磨削工作台40带动多个吸盘60整体旋转移动从而实现吸盘60在不同工位间转换位置，在吸盘60旋转移动至预设位置后需使磨削工作台40保持静止。

为了实现磨削工作台40的气浮结构以及表面平整度要求，如图2至图4所示，本发明实施例提供了一种磨削工作台40，包括由上至下依次叠放的安装盘41、支撑环42和基座43。

安装盘41用于承载吸盘60。如图4所示，在一个实施例中，安装盘41包括固定连接的上层和下层，上层包括分隔板411和防水罩412，下层包括分度盘413。分隔板411用于沿半径方向将圆形的磨削工作台40上表面分割成多个均匀的扇形区域，分隔板411呈现沿半径方向的放射状并具有多片。每个扇形区域均设置有防水罩412，防水罩412与相邻的两片分隔板411固定连接，每个防水罩412表面均开设有安装孔以用于安装吸盘60，吸盘60四周覆盖有防水罩412，防水罩412可以接收磨削产生的废料和废液。下层的分度盘413整体呈圆形并于上层的尺寸匹配，分度盘413表面也开设有多个均匀分布的安装孔以便于吸盘60穿过。另外，安装盘41与基座43中的驱动机构连接，具体地，可以是下层的分度盘413与下方的驱动机构连接，在驱动机构的驱动下，分度盘413带动分隔板411、防水罩412和多个吸盘60同步旋转。

吸盘60的固定方式为：吸盘60通过圆周均布的三个支撑点支撑在分度盘413上，此三点有一处为固定支撑，另两处为高度可调支撑以调节吸盘平面相对于砂轮的角度。

如图2和图4所示，支撑环42位于安装盘41下方，支撑环42的尺寸与安装盘41匹配，具体地，支撑环的外直径为1100～1300mm，支撑环的环宽为80～120mm，支撑环的材料硬度在2.5到5之间，材料优选为大理石等，支撑环的表面粗糙度为优于Ra0.8μm。

安装盘41和支撑环42之间未固定，以实现气浮功能。启动气浮时，支撑环42在气浮力作用下将安装盘41撑起，也就是安装盘41相对于支撑环42浮起，安装盘41的下表面和支撑环42的上表面之间形成缝隙，从而实现驱动机构带动安装盘41旋转。停止气浮时，安装盘41落下、抵接在支撑环42上，在安装盘41和吸盘60的重力作用下，安装盘41的下表面和支撑环42的上表面之间的摩擦力足够大，能够保证在磨削过程中安装盘41静止不动以提供稳定的支撑环境；进一步，还可以通过抽真空的方式使安装盘41静止不动，通过配气接头421气孔422连通负压源，在安装盘41和支撑环42之间进一步形成吸附力，能够更好地保证稳定性。

在一个实施例中，支撑环42与基座43固定连接。基座43的上表面具有凸出的环形凸台，环形凸台的尺寸与支撑环42的尺寸匹配，支撑环42的底部固定在环形凸台上。

在一个实施例中，支撑环42内部设有气浮结构，以实现安装盘41悬浮于支撑环42时在驱动机构的驱动下转动。

如图5所示，气浮结构的实现方式包括：支撑环42外侧壁设有配气接头421，支撑环42内部有气路，支撑环42的上表面设有多个气孔422，通过配气接头421进气，从气孔422出气以利用气压将安装盘41连带其上的吸盘60一同浮起。

为了实现当安装盘41抵接在支撑环42上时保持绝对水平或绝对平整，如图5所示，在本发明的一个实施例中，支撑环42的上表面具有至少三个高度完全一致的最高点H，以使得安装盘41抵接于支撑环42上表面时保持水平。

支撑环42的上表面作为气浮表面，其精度要求较高；但实际受制于精度能力或安装因素，支撑环42的上表面精度不理想，会出现随机新装的误差，换句话说无论在加工过程中多么要求支撑环42的上表面极度平整，安装或运行以后也极有可能发生表面凹凸不平的现象。因此，本发明实施例专门将支撑环42处理至具有3个均布的最高点H的状态，基于三点确定平面的原理，能够保证安装盘41抵接在支撑环42上时保持绝对水平或绝对平整，从而保证良好的接触稳定性与确定性。

本发明实施例避免了一种极端现象：倘若支撑环42出现沿某直径的拱形形变，则安装盘41在支撑环42上会处于不稳定的接触态，磨削加工过程中，不同砂轮、不同的工艺过程、不同的载荷下，安装盘41及其上面的吸盘60将处于不稳态，从而破坏晶圆磨削的一致性。

如图5所示，支撑环42为环形，支撑环42的上表面具有起伏的形状，可以呈波浪状，其中优选地最高点H有三个，且这三个最高点H的高度完全一致。可以理解的是，高度相同的最高点H也可以有4个、5个、6个等，也能实现三点确定平面，最高点H的具体数量并不局限以上所列举之数值，于其它的实施方式中可根据实际的需要来设计，凡达成本申请中揭示之技术思想，采用本申请中的基本原理，均应当被本发明的权利要求所涵盖。

具体地对支撑环42的处理方式可以有：制造加工时直接将支撑环42的上表面加工至起伏的形状；或使用特殊工装将支撑环42的上表面修研至此特殊的形状；或将支撑环42分成多个部分组装至具有多个高点，例如安装面增设几个薄垫以形成凸起。

在一个实施例中，支撑环42的上表面的最高点H相对最低点L高出1～50μm，优选为2～8μm，从而保证有效的气浮能力。进一步，如图5所示，支撑环42的上表面的最高点H和最低点L处均设有气孔422，或者也可以仅在最高点H设置气孔422，从而实现均匀的气浮效果。

如图6所示，三个最高点H沿支撑环42的周向均匀分布，最低点L也可以均匀分布，最高点H和最低点L之间都可以均匀分布。三个最高点H各自的中心与支撑环42的中心连线互成120°夹角。进一步，如图6所示，最高点H可以尽量靠近磨削工件50、即砂轮布置。

如图5所示，支撑环42的上表面的最高点H和最低点L之间平滑过渡。

本发明实施例能够保证在磨削工作过程中绝对可靠与稳定一致的磨削工作台40的接触状态，保证吸盘60支撑稳定、可靠，从而提高研磨的稳定性；当不同的吸盘60旋转至磨削工件50下方时，吸盘60的支撑状态仍能够保持一致，从而提高了不同工位上的不同晶圆在磨削时保持表面平整一致的稳定性。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。

Claims (10)

1.一种磨削工作台，其特征在于，包括由上至下依次叠放的安装盘、支撑环和基座，安装盘用于承载吸盘，支撑环与基座固定连接，安装盘与基座中的驱动机构连接，支撑环内部设有气浮结构，以实现安装盘悬浮于支撑环时在驱动机构的驱动下转动，所述支撑环的上表面具有三个高度完全一致的最高点，使得安装盘抵接于支撑环上表面时保持水平。

2.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，所述支撑环的上表面的最高点相对最低点高出1～50μm。

3.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，三个所述最高点沿支撑环的周向均匀分布。

4.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，所述支撑环的上表面的最高点和最低点之间平滑过渡。

5.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，所述支撑环的上表面具有起伏的形状。

6.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，所述最高点按照靠近磨削工件布置。

7.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，所述支撑环外侧壁设有配气接头，支撑环内部有气路，支撑环的上表面设有多个气孔，通过配气接头进气，从气孔出气以利用气压将安装盘连带其上的吸盘一同浮起。

8.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，所述支撑环的材料硬度在2.5到5之间。

9.如权利要求1所述的磨削工作台，其特征在于，所述安装盘包括上层和下层，上层包括分隔板和防水罩，下层包括分度盘。

10.一种晶圆减薄设备，其特征在于，包括：

吸盘，用于保持晶圆并带动晶圆旋转；

如权利要求1至9任一项所述的磨削工作台，用于承载预设数量的所述吸盘并带动全部吸盘整体旋转；

磨削工件，用于对晶圆进行磨削减薄处理。

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