基于红外技术的TSV晶圆减薄在线控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于红外技术的TSV晶圆减薄在线控制方法及系统，该方法包括对红外传感器进行记录校准，确定红外传感器在研磨装置上的标准位置并进行固定，设定TSV晶圆背面到通孔底部距离的初始设定值；对TSV晶圆进行背面减薄工艺；利用红外传感器发射红外线，得到若干反射波并进行接收；利用数据处理器筛选出TSV晶圆中通孔底部的反射波，计算减薄过程中TSV晶圆背面到通孔底部的距离；将减薄过程中的距离与初始设定值进行实时交互；当减薄过程中距离等于初始设定值时，停止TSV晶圆的背面减薄。本发明有效地实现了无接触测量，能够精确控制TSV晶圆中金属导电柱底部到晶圆背面的厚度，且测量精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种基于红外技术的TSV晶圆 减薄在线控制方法及系统。

背景技术

随着终端客户对电子产品的要求越来越高，芯片的厚度正向越来越薄的 方向发展。在这种情况下，靠进一步缩小互连线的线宽来提高性能的方式受 到材料物理特性和设备工艺的限制，所以硅通孔的概念被及时地提出来。

硅通孔（Through Silicon Via，简称TSV）工艺通过在晶圆中形成金属立 柱，实现晶圆(芯片)之间或芯片与基板间直接的三维互连，这样可以极大地减 小整体封装的厚度。这种互连方式与传统的堆叠技术如键合技术相比具有三 维方向堆叠密度大、封装后外形尺寸小等优点，并且大大提高芯片的速度并 降低功耗。因此，硅通孔技术已经被广泛认为是第四代封装技术，将逐渐成 为高密度封装领域的主流技术。

制备硅通孔晶圆首先需要在晶圆上制作导电金属柱，再通过磨削的方法 对晶圆的背面进行减薄工艺，减薄的最终位置以临近导电金属柱为目标，一 般将晶圆厚度控制在离导电金属柱底部1～5μm。

现有技术减薄工艺中一般分为两种方式：

1、接触式：触点一端接触晶圆，另一端接触参考点，进而得出整个晶圆 的厚度；

2、非接触式：用光学传感器，非接触测量整个晶圆的厚度。此处关键点 在于测量晶圆背面到正面金属层的厚度。

虽然上述两种方法可以通过测量厚度计算得到导电金属柱底部距离晶圆 背面的距离，但在具体工艺中，晶圆上打孔的深度及导电金属柱沉积的深度 均会有一定程度上的误差，因此上述方法不能精确得到导电金属柱底部距离 晶圆背面的距离，对后续的工艺会造成一定影响。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于红外技术的TSV晶圆减 薄在线控制方法及系统，以进一步提高晶圆减薄工艺的精确性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种精确性高的基于红外技术的TSV 晶圆减薄在线控制方法及系统。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于红外技术的TSV晶圆减薄在线控制方法，所述方法包括以下步 骤：

S1、对红外传感器进行记录校准，确定红外传感器在研磨装置上的标准 位置并进行固定，设定TSV晶圆背面到通孔底部距离的初始设定值；

S2、对TSV晶圆进行背面减薄工艺；

S3、利用红外传感器发射红外线，得到若干反射波并进行接收；

S4、利用数据处理器筛选出TSV晶圆中通孔底部的反射波，计算减薄过 程中TSV晶圆背面到通孔底部的距离；

S5、将减薄过程中TSV晶圆背面到通孔底部的距离与初始设定值进行实 时交互；

S6、当减薄过程中TSV晶圆背面到通孔底部的距离等于初始设定值时， 停止TSV晶圆的背面减薄。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中“背面减薄工艺”包括粗磨、 精磨、抛光中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中的初始设定值小于减薄前TSV 晶圆的厚度。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中TSV晶圆背面到通孔底部距 离的初始设定值大于1um。

作为本发明的进一步改进，所述红外传感器的测量频率大于或等于50次 /秒。

作为本发明的进一步改进，所述红外传感器发射的红外线为近红外波。

相应地，一种实现基于红外技术的TSV晶圆减薄在线控制方法的系统， 所述系统包括用于承载晶圆的承载装置和用于减薄晶圆的研磨装置，所述系 统还包括固定于所述承载装置或研磨装置上用于测量TSV晶圆背面到通孔底 部距离的红外传感器、设置于所述红外传感器底部的测量窗口、以及与所述 红外传感器相连的测量反馈系统。

作为本发明的进一步改进，所述红外传感器包括红外发射和接收电路、 信号放大和滤波电路、以及数据处理器。

作为本发明的进一步改进，所述测量窗口包括吹气装置或去离子水喷射 装置。

作为本发明的进一步改进，所述红外传感器的最低位置高于研磨装置的 最低位置。

本发明基于红外技术的TSV晶圆减薄在线控制方法及系统具有以下有益 效果：

有效地实现了无接触测量，测量精度高；

能够精确控制TSV晶圆中金属导电柱底部到晶圆背面的厚度，而不是整 个晶圆厚度，为后续晶圆工艺提供了方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员 来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种基于红外技术的TSV晶圆减薄在线控制方法的具体 流程图；

图2为本发明的一种基于红外技术的TSV晶圆减薄在线控制系统的结构 示意图；

图3为本发明一具体实施方式中承载装置的俯视结构示意图；

图4为本发明中基于红外技术测量TSV晶圆背面到通孔底部距离的原理 示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实 施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的 结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示，本发明的一种基于红外技术的TSV晶圆减薄在线控制方法 包括以下步骤：

S1、对红外传感器进行记录校准，确定红外传感器在研磨装置上的标准 位置并进行固定，设定TSV晶圆背面到通孔底部距离的初始设定值；

S2、对TSV晶圆进行背面减薄工艺；

S3、利用红外传感器发射红外线，得到若干反射波并进行接收；

S4、利用数据处理器筛选出TSV晶圆中通孔底部的反射波，计算减薄过 程中TSV晶圆背面到通孔底部的距离；

S5、将减薄过程中TSV晶圆背面到通孔底部的距离与初始设定值进行实 时交互；

S6、当减薄过程中TSV晶圆背面到通孔底部的距离等于初始设定值时， 停止TSV晶圆的背面减薄。

相应地，一种基于红外技术的TSV晶圆减薄在线控制系统，该系统包括 用于承载晶圆的承载装置和用于减薄晶圆的研磨装置，所述承载装置或研磨 装置上固定有用于测量TSV晶圆背面到通孔底部距离的红外传感器、设置于 红外传感器底部的测量窗口、以及与红外传感器相连的测量反馈系统。

如图2所示为本发明一具体实施方式中基于红外技术的TSV晶圆减薄在 线控制系统的结构示意图。该系统包括承载装置10、研磨装置20，TSV晶圆 30放置于承载装置10上，使用研磨装置20进行TSV晶圆30的背面减薄。 优选地，本实施方式中，承载装置10上还设有一层保护膜11，TSV晶圆30 放置于该保护膜11上，可以降低减薄工艺中承载装置对TSV晶圆正面结构造 成的损伤。

如图3所示为承载装置10的俯视结构示意图，在本实施方式中承载装置 中设有3个用于承载晶圆的承载台，在其他实施方式中承载台的个数也可以 设置为其他数量。

研磨装置20包括固定连接的传动轴21和底盘22，底盘22底面包括若干 研磨部23，TSV晶圆的减薄通过研磨部23实现。

本实施方式中红外传感器40固定设置于研磨装置20的底盘22上，红外 传感器40与底盘22通过安装部24实现固定连接，其他实施方式中红外传感 器40也可以固定设置于承载装置10上。红外传感器40的下方包括一测量窗 口41，测量窗口41包括吹气装置或去离子水喷射装置。测量时，测量窗口 41进行吹气或喷射去离子水，以此保证测量尽小可能地被干扰，进一步提高 测量的精确度。

本实施方式中红外传感器40包括红外发射和接收电路、信号放大和滤波 电路、以及数据处理器，红外传感器40上还连接有一测量反馈系统。测量时， 红外传感器通过红外发射和接收电路发射红外线，得到若干反射波并进行接 收，信号放大和滤波电路将接收到的反射波信号进行放大，并去除反射波中 的杂波，利用数据处理器筛选出TSV晶圆中通孔底部的反射波，计算减薄过 程中TSV晶圆背面到通孔底部的距离。

在本发明的一具体实施方式中，基于红外技术的TSV晶圆减薄在线控制 方法包括以下步骤：

S1、对红外传感器进行记录校准，确定红外传感器在研磨装置上的标准 位置并进行固定，设定TSV晶圆背面到通孔底部距离的初始设定值。

将红外传感器固定于研磨装置的底盘上，减薄时传动轴带动底盘和红外 传感器同时运动，底盘上的研磨部可以对TSV晶圆背面进行减薄。

晶圆减薄后需要对晶圆背面进行刻蚀等工艺，进而露出TSV导电柱，通 常情况下TSV晶圆背面到通孔底部的距离大于1um并以1～20um为佳，初始 设定值小于减薄前TSV晶圆的厚度，如本实施方式中，初始设定值设置为 5um。

S2、对TSV晶圆进行背面减薄工艺。

背面减薄工艺包括粗磨、精磨、抛光中的一种或多种，优选地，首先对 TSV晶圆进行背面粗磨，然后进行精磨，最后进行抛光。

在本实施方式中，选取一厚度为700um的TSV晶圆，晶圆可以为硅晶圆 或玻璃晶圆，TSV导电柱为铜柱且高为200um，采用上述背面减薄工艺对 TSV晶圆研磨。

S3、利用红外传感器发射红外线，得到若干反射波并进行接收。

优选地，在本实施方式中红外传感器发射的红外线为近红外波。

S4、利用数据处理器筛选出TSV晶圆中通孔底部的反射波，计算减薄过 程中TSV晶圆背面到通孔底部的距离。

如图4所示为本发明中红外传感器的测量原理图，红外传感器发射红外 线R1、R2，红外线在晶圆表面会同时进行反射和折射。如红外线R1在TSV 晶圆背面处部分反射，红外线R2在晶圆背面处部分折射，折射的红外线在 TSV导电柱的底部反射后再折射出TSV晶圆外，这样红外线R1、R2经过反 射和/或折射后会形成两束相关干涉光，根据干涉原理可以求得红外光R2在 晶圆内部的折射距离，再根据折射定律即可计算得到TSV晶圆背面到通孔底 部的距离。

S5、将减薄过程中TSV晶圆背面到通孔底部的距离与初始设定值进行实 时交互。

红外传感器的测量频率大于或等于50次/秒，每次测量都会得到当前TSV 晶圆背面到通孔底部的距离，将求得的距离与初始设定值5um进行比较。红 外传感器的测量频率越大，减薄工艺的实时性越好，精确度越高。

S6、当减薄过程中TSV晶圆背面到通孔底部的距离等于初始设定值时， 停止TSV晶圆的背面减薄。

红外传感器探测到的距离为5um时，通过测量反馈系统停止硅通孔晶圆 的背面减薄。

由以上技术方案可以看出，本发明可以通过红外传感器测量TSV晶圆背 面到通孔底部的距离，具有以下有益效果：

有效地实现了无接触测量，测量精度高；

能够精确控制TSV晶圆中金属导电柱底部到晶圆背面的厚度，而不是整 个晶圆厚度，为后续晶圆工艺提供了方便。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节， 而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实 现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且 是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨 在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。 不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实 施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起 见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也 可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。