一种碳化硅抛光过程温度监测装置及方法

技术领域

本发明属于碳化硅抛光领域，涉及一种在碳化硅抛光过程中，不影响抛光工艺的前提下，实时监测碳化硅晶片抛光界面温度的方法，具体是一种碳化硅抛光过程温度监测装置及方法。

背景技术

碳化硅材料作为第三代半导体，有着极为优越的物理特性，在国防军事、航空航天、汽车电子和LED照明等领域有着极大需求，具有重要的应有价值和广阔的发展前景。碳化硅材料具有极为优越的物理特性，伴随而来的还有高精密的加工要求与较大的加工难度。由碳化硅材料加工为半导体基片时，要求其表面超精密，无缺陷，无损伤以及表面粗糙度到达纳米级。化学机械抛光是目前最为常用的碳化硅晶片抛光技术。化学机械抛光过程中存在两个动力学过程一个是抛光液中化学物质与碳化硅晶片表面材料发生化学反应的过程，称为化学动力学过程。另外一个是工件表面反应的溶解物质在机械旋转作用力下被清除的过程，称为机械动力学过程。两者中一方过大均会导致加工质量的下降。

在化学动力学过程中，化学反应速度与抛光温度成指数关系。温度升高时，会加速化学反应，从而加快化学去除作用，增大材料去除率，温度过高时，化学反应速率过快，超过机械作用，会导致晶片表面腐蚀严重和材料去除不均匀；温度过低时，化学反应速率太慢，化学作用小于机械作用，会导致晶片材料表面机械作用过大，出现划伤、刮痕等损伤。

因此，温度能够影响化学机械抛光中化学作用和机械作用平衡关系。同时温度会对碳化硅抛光过程中的晶片翘曲度等产生较大影响，因此对抛光时温度实现在线检测具有重要意义。温度在线检测能够监控抛光过程，推动抛光质量的提高，能更加深入理解碳化硅抛光的原理。

由于化学机械抛光的抛光条件比较特殊，对抛光界面的温度测量比较困难，国内外关于化学机械抛光的温度监测主要有以下方法：

1.使用非接触测温的方法实现测量抛光垫的温度或者抛光工件背面温度。

主要使用热成像仪或红外相机测量抛光垫的温度，可以得到整个抛光垫的温度场分布。该方案的优点是可以实现温度场可视化，同时测量范围较大，可以实现对整个抛光的测量。但是热成像相机与红外相机在低温时的精度较差，同时无法测量到抛光头与晶片接触面的温度。

2. 使用双发射激光诱导荧光（DELIF）技术测量抛光液温度

采用有机玻璃代替抛光头，使用摄像系统拍摄抛光液图像，通过图像分析得出抛光液的温度信息。该方法虽然提高了测量精度，但是由于采用有机玻璃代替抛光头和工件，并且需要添加荧光物质，所测得温度不是真实抛光环境下的温度。

3．在工件上打孔测量抛光工件背面的温度

在硅片上沿着径向均匀打三个孔，将三个无保护套的微型热电偶放置孔中，与抛光液接触。在热电偶传感器周围涂上绝热胶，保证其不受其他零件温升的影响。通过这种方法可以直接测量抛光盘与硅片接触界面上的温度，但对硅片有不可恢复的损伤，不适用于温度在线监测。

对碳化硅抛光过程中的温度进行在线检测具有重大的意义，可以通过监测温度来判断抛光终点检测以及通过监测温度异常来判断抛光过程是否存在异常情况。因此开发在线温度监测装置具有较大的前沿性。

发明内容

本发明专利目的在于提供一种不影响碳化硅晶片正常抛光的前提下实现抛光温度的实时在线监测装置。该装置的测温方式采用非接触式测温，通过红外温度传感器测量碳化硅晶片背面的温度。主控芯片采集到红外温度传感器的返回的温度信息后，通过无线的方式传输至上位机的物联网平台。具体的技术方案如下所述。

一种碳化硅抛光过程温度监测装置，温度监测装置设置在抛光盘的表面，温度监测装置包括壳体，壳体的底面设置有若干开孔，红外温度传感器设置在开孔中，壳体的内腔中固定设置有控制器，控制器与温度传感器信号连接，壳体的顶面中心处设置有装配孔，抛光头连接件固定在装配孔中。

进一步的，壳体包括上壳体和下壳体，上壳体与下壳体通过螺栓固定连接，控制器包括主控PCB板以及温度传感器PCB板，红外温度传感器焊接在温度传感器PCB板上，并从开孔穿出，主控PCB板设置在温度传感器PCB板的上侧，并通过连接线连接。

进一步的，上壳体上设置有开关，开关向壳体的内腔中延伸，并与主控PCB板通过导线连接。

进一步的，上壳体的内壁上固定设置有电池，电池通过导线与控制器连接。

进一步的，上壳体上还设置有观察孔，观察孔中设置有透明挡板，透明挡板为亚力克板。

进一步的，温度监测装置通过抛光头连接件与外部夹持器固定连接，夹持器与温度监测装置同轴设置。

进一步的，温度监测装置与抛光头连接件装配后，温度监测装置的底面与抛光盘抵接，抛光盘的轴线位置设置有转轴，温度监测装置与抛光头连接件绕轴线旋转，抛光盘跟随转轴旋转。

进一步的，主控PCB板上设置有无线信号数据传输模块，无线信号数据传输模块为WIFI信号数据传输模块和/或4G信号数据传输模块和/或蓝牙信号数据传输模块。

一种碳化硅抛光过程温度监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤101设置温度监测模块的预设报警温度，根据工艺参数组合预先存储了若干组的预设报警温度；

步骤102应用温度监测装置获取当前碳化硅抛光的温度信息，并通过无线链接方式传输至上位机，进行温度场重建和温度对比与存储。

步骤103对温度监测装置单次上传的多点温度信息应用算法进行碳化硅抛光过程的温度场计算，并显示在上位机上；

步骤104上位机将采集到温度信息计算出的温度场与预设报警温度对比，判断该温度是否达到报警温度；

步骤105当温度信息大于或等于预设报警温度时，上位机屏幕上显示警报信号；

步骤106当温度信息小于预设报警温度时，跳转至步骤102应用温度监测装置获取当前碳化硅抛光的温度信息。

进一步的，步骤101中预设报警温度可以通过手动选择；

步骤103中，计算温度场的算法为克里金模型法。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

本发明提供的温度在线监测装置能够在不影响碳化硅晶片抛光过程的前提下实时检测出抛光界面的温度。该装置测量的是碳化硅晶片背面的温度，但是由于碳化硅晶片的热扩散率大，抛光过程中晶片上下表面温度差可以忽略不计。因此该监测装置能较为准确的反映抛光界面的温度。由于采用非接触式测温的方式，不需要对碳化硅晶片进行打孔或者接触，不会造成受力不均或者晶片平整度不高，影响到抛光最终质量。该装置可以通过更改上盖的螺栓连接位置适配多类抛光机。利用该温度监测装置可以实现碳化硅抛光过程中的异常检测，装置结构简单，稳定性高。

附图说明

图1为本发明温度监测装置装配示意图；

图2为温度监测装置的结构示意图；

图3为温度监测装置的剖面结构示意图；

图4为外温度传感器PCB板结构示意图；

图5为下壳体结构示意图；

图6为本发明温度监控方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-5所示，一种碳化硅抛光过程温度监测装置，温度监测装置2设置在抛光盘3的表面，温度监测装置包括壳体，壳体的底面设置有若干开孔13，红外温度传感器12设置在开孔中，壳体的内腔中固定设置有控制器，控制器与温度传感器信号连接，壳体的顶面中心处设置有装配孔14，抛光头连接件1固定在装配孔中。

壳体包括上壳体5和下壳体6，上壳体与下壳体通过螺栓4固定连接，控制器包括主控PCB板9以及温度传感器PCB板10，红外温度传感器焊接在温度传感器PCB板上，并从开孔穿出，主控PCB板设置在温度传感器PCB板的上侧，并通过连接线连接。上壳体6上设置有开关7，开关向壳体的内腔中延伸，并与主控PCB板通过导线连接。上壳体的内壁上固定设置有电池11，电池通过导线与控制器连接。上壳体上还设置有观察孔8，观察孔中设置有透明挡板，透明挡板为亚力克板。主控PCB板上设置有无线信号数据传输模块，无线信号数据传输模块为WIFI信号数据传输模块和/或4G信号数据传输模块和/或蓝牙信号数据传输模块。

温度监测装置通过抛光头连接件与外部夹持器固定连接，夹持器与温度监测装置同轴设置。温度监测装置与抛光头连接件装配后，温度监测装置的底面与抛光盘抵接，抛光盘的轴线位置设置有转轴15，温度监测装置与抛光头连接件绕轴线旋转，抛光盘跟随转轴15旋转。

具体来说，温度监测装置由上下壳体通过螺栓固定连接，壳体内腔中设置有控制器，控制器由温度采集模块、电池和信号接收模块组成。温度采集模块包括两层PCB板，其中主控PCB板设置在上方，温度传感器PCB板设置在下方，通过接插件相连接。红外温度传感器焊接在下层的温度传感器PCB板的一面，主控PCB板中集成设置有主控芯片以及信号处理电路。

温度采集模块通过六角铜柱固定在下壳体上，且在下壳体的下表面设置开孔，以保证温度传感器能测量到晶片背面。电池通过背胶固定在上壳体中，通过导线与温度采集模块相连接。上壳体与下壳体之间通过螺栓相连接。最终将该温度监测装置通过抛光头连接件固定在被抛光工件的夹持器上，温度监测装置与夹持器同轴设置。信号接收模块为上位机，其作用是温度信号的接收处理显示记录等，形式有多种，如安装有物联网平台的电脑或者手机。

结合图6，抛光过程中抛光压力等工艺参数变化以及现场条件变化，可能使得抛光质量严重下降或是抛光工件碎裂等情况，此时温度均会发生异常变化。因此可以通过监控温度变化来判断抛光过程是否存在异常，包括如下步骤：

（1）利用本发明专利提供的温度监测装置检测到抛光工件背面的温度；

（2）预先设定好抛光界面的报警温度

（3）实际抛光工作中，将采集到抛光温度进行可视化并与预先设定好的报警温度进行比较，若大于报警温度则触发警报。

具体为一种碳化硅抛光过程温度监测方法，包括以下步骤：

步骤101设置温度监测模块的预设报警温度，根据工艺参数组合预先存储了若干组的预设报警温度，可以通过手动选择不同的预设报警温度

步骤102应用温度监测装置获取当前碳化硅抛光的温度信息，并通过无线链接方式传输至上位机，进行温度场重建和温度对比与存储。上位机是电脑终端，接收并处理信息。

步骤103对温度监测装置单次上传的多点温度信息应用算法进行碳化硅抛光过程的温度场计算，并显示在上位机上。算法为克里金模型法，通过n个数据点，预测抛光盘上的某一点温度。再将温度显示在屏幕上。通过测量获得了29个温度点的温度信息，将整个晶片划分为若干个网格，将已知温度点信息带入克里金模型，预测出某一个网格的信息。通过这种方法获得了整个晶片温度，最后实现可视化。

步骤104上位机将采集到温度信息计算出的温度场与预设报警温度对比，判断该温度是否达到报警温度；

步骤105当温度信息大于或等于预设报警温度时，上位机屏幕上显示警报信号；

步骤106当温度信息小于预设报警温度时，跳转至步骤102应用温度监测装置获取当前碳化硅抛光的温度信息。

在本发明实施例中，通过对碳化硅抛光过程的温度信息进行采集，对其可视化，并与预设报警温度进行温度对比，当温度信息大于或等于预设报警温度时，上位机屏幕上显示警报信号。当温度信息小于预设报警温度时，跳转至应用上述的碳化硅抛光过程温度监测装置获取当前碳化硅抛光的温度信息。当碳化硅抛光过程中出现异常加工情况，导致抛光温度异常时，可以及时发出警报，通知加工人员及时调整，保证了加工质量与提高了加工效率。

由于采用非接触式测温的方式，不需要对碳化硅晶片进行打孔或者接触，不会造成受力不均或者晶片平整度不高，影响到抛光最终质量。非接触式是指晶片在抛光盘与监测装置之间，从上到下依次为监测装置、晶片、抛光盘。该装置可以通过更改上盖的螺栓连接位置适配多类抛光机。利用该温度监测装置可以实现碳化硅抛光过程中的异常检测，装置结构简单，稳定性高。