VG202MKII精密硅片减薄机调试技术

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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 12±0. 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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