VG202MKII精密硅片减薄机调试技术_陈洪波

收稿日期 2003-12-08; 定稿日期 2004-01-20文章编号 1004-33652004 05-0565-04VG 202MKII 精密硅片减薄机调试技术陈洪波 , 熊化兵 模拟集成电路国家重点实 验室 ; 中国电子科技集团公司 第二十四研究所 , 重庆 400060摘 要 VG 202M KII 全自动精密硅片减薄机是 SOI 工艺的主要设备之一。由于其具有高精度、全程控等特点 , 设备构造较复杂 , 调试难度较大。文章由原理到实际、 由流程到技巧 , 比较系统地阐述了该设备的关键调试技术。关键词 半导体设备 ; 硅片减薄机 ; SOI 工艺中图分类号 T N 304. 05 文献标识码 AConditioning of VG 202MKII Precision Wafer GrinderCHEN Ho ng-bo, XIONG Hua -bin National Laboratory of Analog Integr ated Circuits ; Sichu an I nstitute of Solid -State Cir cuits, CET C, Chong qing 400060, P. R. China Abstract V G202M KI I is an automatic pr ecision w afer grinder , which is one of major equipment s fo r SOI pro -cess. Featuring hig h precision and full automat ion, the equipment has an intr icate architectur e, and so t he condi-tio ning is difficult. The theor y of operation and pract ical condit ioning of the machine are systematically presentedin the paper.Key words Semiconduct or equipment; W afer grinder; SOI pro cessEEACC 2550E1 引 言VG202M KII 是一 种用于 SOI、 SDB 等 工艺的全自动、 高精度、 连续进刀的减薄机 , 它可快速减薄硅、 碳化物、 陶瓷、 玻璃等其它易脆半导体材料。 对于无膜硅片 , 其总厚度偏差 TT V 为 100 m m 硅圆片≤ 0. 5 m, 150 m m 硅圆片≤ 0. 55 m; 片间厚度偏差 100 mm 硅圆片≤ 1 m, 150 mm 硅圆片≤ 1 m;可减薄 25 片 / 小时。 为了保证以上的精度 , 需要对吸盘外形 , 轴 1 和轴 2 的 a、 b 角度 , 吸盘停泊位置 , 在线测量仪 PU LCOM , 减薄方式 , 进刀参数等进行精密调试。本文将从原理到实际、 从流程到技巧 , 系统地阐述该设备的关键调试技术。2 原 理图 1 是整个减薄工艺过程的示意图 [ 1] 。图 2 给出了一个典型的控制电路图 , 并以此为例来说明其工艺流程。图 1 减薄工艺过程图当测量范围以 1 mm 为测量单位时 , 轴 1 使用300 m 的偏移量。轴 1 的初始厚度为 1 080- 300 m , 即 780 m, 最终厚度为 380 m。 同时 , 轴 2 也使用 300 m 的偏移量 , 即将 300 m 加到轴 2 数据上 , 因此 , 最终厚度为 660 m 。轴 1 使用 325 轮 , 转速为 2400 rpm 。 当流程开始 , PU LCOM 测量硅片初始厚度 , 轴以 F 0 转 速和第 34 卷第 5 期2004 年 10 月微 电 子 学MicroelectronicsV ol. 34, № 5Oct . 2004180 m m/ m in 设定值 向硅片下降 , 硅片以 N 1 速度旋转。轴进刀到达硅片初始厚度加上 AIR CU T 值 780 m 50 m 时 , 其速度发生改变 , 开始使用F 1 速度 , 而硅片速度 N 1 不发生变化 , 继续以 F 1 和N 1 速度减薄。 当硅片当到达 405 m 最终厚度加上F 2 REM OVAL 时 , 速度分别改为 F 2 和 N 2。 当到达最终厚度 380 m 时 , 进刀速度停止 , 进入 SPARKOUT 阶段 , 硅 片转速变为 N 3, 轴停止 在硅片高度上。 旋转 SPARK OU T 设定时间后 , 硅片停止旋转 ,轴以 F 0 速度快速上升 , 至数据设定点。图 2 典型控制电路图以上的粗减过程结束后 , 系统自动进入精减位置 , 轴 2 使用 2000 轮 , 精减过程开始。 PULCOM首先测量出硅片初始厚度 , 轴 2 以 F 0 速度下降 , 同时硅片以 N 1 速度旋转。当到达初始厚度加上 AIRCUT 值 380 m 15 m 时 , 轴 2 该用 F 2 进刀速度 , 而 N 1 不发生变化。 硅片实际厚度是 680 m, 即380 m 300 m 偏移量 。继续用 F 1 和 N 1 速度减薄硅片 , 直到硅片被测量为 365 m F 2 REMOVAL POINT 最终厚度 加上 F 2 REM OVAL 值 360 m 5 m ; 同时 , 硅片转速为 N 2, 即 80 rpm 。当到达目标厚度 360 m 时 , 下降速度停止 , 进入 SPARK OU T 阶段。 硅片转速再次改变到 N 3 , 轴2 继续在硅片上磨削 10 s SPARK OUT 设定值 。与轴 1 不同的是 , 它降低了速度、 增加了时间。 然后 ,进入 F 0 上升阶段 , 先轻轻地以 9 m/ min 的速度在硅片上研磨 10 s。 经计算 , 处于硅片 6 m 以上时 , 以F 0 速度 180 m m/ m in 上升到数据设定点。轻轻的上升过程主要用来去除硅片减薄留下的应力。最终可 以 获 得与 目 标 厚 度 偏差 ≤ 2 m、 总 厚度 偏 差 T TV ≤ 0. 5 m 的硅片。改变进刀速度和硅片转速 , 可获得更好的减薄面。 我们希望去除由粗减引起的损伤层 , 如果不快速上升 , 会引起 15～ 20 m 的微缺陷 , 最终将会损毁精磨轮 , 而且精磨效果会变差。 因此 , 硅片转速越低 ,表面质量越好 , 更低的进刀速度和更高的轴速度也可以增加硅片表面质量、 延长磨轮寿命和减小减薄阻力。当硅片厚度超过 AIRCUT 初始厚度的 60时 , 将产生片厚错误的报警 ; 当硅片厚度小于目标厚度和最终厚度时 , 将产生“ 片薄” 错误报警。3 轴角度调节轴角度 调节对 于获得 较好 的减 薄图 形、 控 制T T V 、 延长磨轮寿命和减小硅片应力都是至关重要的 , 它是精度最高、 难度最大的一项调试。3. 1 轴角度调节原理图 3 是轴角度示意图。 在减薄硅片时 , 磨轮与硅片同时旋转 , 磨轮旋转从点 0 到 a, 再到 b。因此 , 给定时间内 , 仅仅磨削了大约硅片的半径和轮的宽度。由于磨轮 和硅片均 在转动 , 所以 磨削的 面积应 是100 , 因此 , 轴角度对于保证仅磨削硅片的半径这个目标非常重要 , 即正确地调节从点 a 到 b 的抬起量。 减薄有膜硅片和无膜硅片 , 其 TT V 是不一样的有膜硅片的 T TV 会更大 , 且使用的轴角度也不一样。如 , 无膜硅片使用轴角度为 0, 0, - 10 , 有膜硅片可能使用诸如 0, 0, - 25 的轴角度 ; 膜厚度的不一致 , 也会导致平面度的不一样。 - 25 相对于 -10 有更大的抬起量。 如果用 0, 0, - 10 的轴角度减薄有膜硅片 , 将得到更大的交越图形 交越是指磨轮在减薄过程当中通过硅片的中心或 a 点 。 我们注意到 , 多功能测试仪 9500 会显示硅片上随 机的交越段 , 无膜硅片有一个各个方向都更加均匀的轨迹。 同时 , 轴角度也依赖于硅片的尺寸 , 150 m m 圆片的 b角是 - 20 至 - 25, 而 200 mm 圆片的 b 角是 - 25 至- 30。硅片的尺寸越大 , 需要的抬起量也越大。图 3 角度示意图这虽然不是很准确 , 但我们是在微米量级进行566 陈洪波等 V G 202MK II 精 密硅片减薄机调试技术 2004 年 调整 , 因此 , 实际调节量比较接近计算值。 另外 , 吸盘形状也可能影响轴角度的调节 , 因为在完成吸盘修调以后 , 已经有一个磨角为 0, 2, - 25。 在这一角度值 , 磨轮和吸盘能较好地匹配。3. 2 轴角度调节轴角度调节精度很高 微米级 , 可能需要反复逼近 , 且极有可能损伤设备精度或减短设备寿命。 因此 , 该项调试需要较长时间 , 且操作上应当谨慎。轴 1 和轴 2 所调整的角度不同 , 轴 1 和轴 2 的支点不一样。 轴 2 的支点在 a 和 b 之间 , 轴 1 的支点在 0 和 a 之间 , 因此 , 角度调节基本上是相反的。由于轴 2 是减薄轴 , 大多数情况 下 , 只需调节轴 2 即可。3. 2. 1 轴 2 角度调节以 0, 5, 10 为假设初始角 , 希望调整到的角度为 0, 0, - 25。通过轴上附加一个检查器来检测轴的角度。 有 3 个螺杆可以调节 , 中间的螺杆控制 a 角 , 两侧的螺杆控制 b 角 , 两侧的螺杆会对 a 角产生影响 , 因为它们会对中心角产生影响 , 需要最先调节它们。首先 , 改 变 b 角 10 , 但不仅仅 是将其调为 0, 10, - 25 , 而是要达到目标值。由于 a 角与 b角之间的差值是 - 25 b- a , 在 0, 5, 10 角上 , 其差值为 5 10- 5 。从前方看轴 , 松开侧面锁紧栓和中心螺杆 , 负的角意味着距硅片吸盘越远 , 正的角距吸盘越近。若 b 角为 10, 相对 0 来说 , 轮太接近吸盘 , 因此 , 可以逆时针方向松动右侧螺杆 , 再顺时针拧紧左侧螺杆 , 完成后 再拧紧中间螺杆 , 最后 , 检查轴角度。 如果角度差得太多 , 如为 0, - 10,- 45 , 重复以上步骤。 这时 , 应松开左侧螺杆紧右侧螺杆 ; 如果轴角度还是相差甚远 , 这个操作过程可能还要进行多次 , 直到 a 与 b 角相差为 - 25。然后 , 调节中间螺杆 ; 如果轴角度已是 0, - 5, - 30 , 需要使中间角更正 , 即拧紧中间螺杆 , 松开中心螺栓 , 顺时针调节螺母。 此过程虽然会重复多次 , 但比调节侧面螺杆更直接。最后 , 再次检查轴角度 , 使用多功能测试仪校验调节的结果。3. 2. 2 轴 1 角度调节轴 1 的角度调节 , 应首先调节侧面的螺杆 , 即先调 a 角。若希望调到 0, 0, - 25 的角度 , 则应先将a 角调到 0, 而忽略 b 角的读数。顺时针方向调节最近的侧面螺杆 , 使 a 角更负 , 具体调节方法同轴 2。若 a 角为 0, 可用中 心螺杆来调节 b 角 , 使其接近- 25, 顺时针方向调节 , 使 b 角更负 , 反时针方向调节 , 使 b 角更正。这种调节不会影响到 a 角 , 侧面和中心的螺杆有一个与轴 2 相反的影响效果。注意 , b 角改变 10 m 时 , a角将改变约 1 m,若调节 a 角后 , 轴角度为 0, 0, - 10 时 , 再调节 b角度达到 - 20 m 时 , a 角将改变 1 m。4 吸盘调整吸盘调整直接决定着减薄硅片的平整度和表面质量。 吸盘表面的目检应每周进行一次 , 或减薄超过一定数量时进行。 平整度、 外形和高度应每六个月检查一次 [ 3] 。吸盘调整是一个测量、 整形的反复过程 ,新吸 盘 的 厚度 是 33 m m, 如 果吸 盘 厚 度小 于 28m m, 就应该进行更换。新吸盘必须进行调整后才能使用。吸盘的调整过程应在轴 2 上进行 , 以下是修调的参数设置 Spindle 2 2400 RPMN1 200 RPM table speedF1 10 micr ons/ m inute dow n feedrate Grinding w heel R120 或 CBD 150。图 4 为硅片外形曲线示意图。图 4 硅片外形曲线示意图首先检查吸盘高度和形状 , 使用以下方法确定轴角度。对于有膜硅片 , 轴角度是 0, a, b , 其中 , 0 为参考点 , a 为中心角 , b 为边缘角。计算出 a 角为 a chuck flatness - targ et chuck flatness 。 如轴角度为 0, 0, - 7 , 则 a 5- 3 2; 或 a 5- - 2 7。其 b 角不必精确确定。对于无膜硅片 , 100 m m 圆片的 b 角为 b - 6～ - 9; 150 mm 圆片的 b 角为 b - 8 ～ - 11。因此 , 如果当前吸盘尺寸为 5, 目标尺寸为 2, 用于 100 mm 圆片 , 可以设定轴角度为 0, 3, - 6至 0, 3, - 9 。 b 角的大小还依赖于硅片尺寸和膜厚度、 硬度、 结合厚度、 质量等。5 PU LCOM 调试每天应该至少进行一次 PULCOM 的校零 , 一第 5 期 陈洪波等 V G 202MK II 精密硅片减薄机调试技术 567 周应进行一次 PU LCOM 的完全校准。具体步骤可参阅操作手册 [ 2] 。这里只介绍手册上未提及的关于运行 SOI 硅片的 PULCOM 补偿校准。首先将 DATA 设为 01 值 , 将设备置于“ MA N-UAL ” 、 “ No. 1 st ” 模式。 将 0. 5 mm 厚度校准表置于1 探头下 , 将 PU LCOM 置于“ SET UP” 模式 , 1 、3 探头显示“ GA GE- D 模式。 将探头放下 , 3 探头假如显示值为 12, 则 1 探头可能显示为 512 或其它值。 升起探头 , 松开 1 探头 , 将探头放下。 将 1探头值调于 2 这是一个经验值 , 可快速将 1 和 3 值调至相同 , 锁紧 1 探头。将探头放下 , 检查 1 探头显示值是否在 120. 5 范围内。 如果不是 , 重复调试 1 探头所调值必须作出相应调整 。对 1 、 3 探 头 进 行 Auto ZERO 操 作 , 按“ END ” 回 到主界 面 , 放 下两个 探头应 该都显 示为0. 0。升起探头 , 将 1 m m 厚度校准表置于 1 探头下 , 降下探头 , 将 PULCOM 置于“ SET UP ” 模式 , 在3 探头下进行 AutoZERO 操作 , 在 1 探头下进行CAL 操作 , 输入值为 500。 按“ END ” 回到主界面 , 取出厚度校准表 , 将 PULCOM 置于“ Auto ” 模式 , 补偿校准完成。此 处 应注 意 CAL 操作 输 入的 500 值 , 要 用ADE 测量硅片值与 VG202M KII 运行设定值之间的差别作进一步的补偿 , 因而不是一个固定值。最终调试结果如图 5 所示。图 5 调试结果6 结束语本文较为系统地介绍了 VG202M KII 精密硅片减薄机的几项关键调试技术及调试注意事项 , 对其工艺精度的调试具有指导意义。参 考 文 献 [ 1 ] VG 202M KI I Shibayama G rinder R eference M anual[ Z ]. 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