一种三层结构的轻薄型无线晶圆温度监测装置

技术领域

本发明涉及无线晶圆温度监测技术领域，特别涉及一种三层硅片的无线晶圆温度监测系统，能够应用于半导体制程中的复杂测试环境，与工艺设备相兼容。

背景技术

在半导体芯片制造过程中，温度是一个非常重要的参数，目前，为实现温度场分布的高精度控制，晶圆的温度监测技术已经在半导体芯片制造过程中得到广泛应用。

目前晶圆温度监测方法主要分为接触式测温和非接触式测温两种，传统的接触式晶圆温度监测方法大多需要连接外部电路，工作过程中受限于连线长度，使用范围有限，且难以与不同的工艺腔室相兼容。非接触式测温方法主要通过基于光学的方法来实现，由于通常需要使用到复杂的设备和传感器，例如红外光谱仪，光纤传感器等，也会限制在复杂环境下晶圆温度测试中的应用。随着无线技术的发展，无线温度监测系统成为研究热点。美国公司KLA的HighTemp-400系列产品能够测试到400℃的温度峰值；CYBER OPTICS公司生产的无线自动多传感器晶圆测试装置，使用多合一的测量设备，能够同时测试晶圆的多项物理参数，而国内在无线领域的研究仍然处于空白阶段。在我们以前的研究中，专利CN113506760提出了一种双层晶圆结构，这种结构实现了与多个半导体工艺腔室兼容的原位晶圆温度监测的基本应用，避免了复杂线路带来的限制，但该结构需要利用高深度的刻蚀技术，且很难进行电路集成与装置隔热处理，存在制作过程复杂且成本高的问题。因此，需要一种新型的晶圆温度监测系统，能够实现无线监测晶圆温度，与大部分半导体工艺腔室相兼容，且具有低成本、易制作、测温范围宽的特点。

发明内容

基于此，本发明提供了一种基于硅片加工与嵌入式电路技术的三层硅片无线晶圆温度监测系统。旨在解决现有晶圆温度监测工具测温范围窄，制作成本高且集成难度大的问题。

本发明技术方案为：一种三层结构的轻薄型无线晶圆温度监测装置，该装置由硅座、中间层晶圆、硅盖、电路层组成，所述中间层晶圆中心开设有通孔，上表面开设有八条凹槽，呈放射状，均匀分布在中心通孔周围，凹槽一长一短间隔设置；所述电路层为PCB板和设置在PCB板上的元件，所述PCB板包括中心圆板和八条枝板，组合的形状与中间层晶圆上通孔和凹槽组合的形状完全相同，PCB板放置在中间层晶圆的通孔和凹槽内；PCB板核心区域下表面的中心设置主控芯片，主控芯片周围设置蓝牙模块、蓝牙天线、存储器、稳压芯片，中心圆板的上表面设置充电线圈，薄膜电池；所述蓝牙模块、存储器、稳压芯片、主控芯片的表面统一覆盖一层单向导电金属层；所述PCB板的每条枝板上表面设置两个温度传感器，其中长枝板上的温度传感器设置在顶端和中点位置，短枝板上的温度传感器设置在枝板的两端，薄膜电池为蓝牙模块、蓝牙天线、存储器、主控芯片、温度传感器供电；所述温度传感器与硅盖之间填充有硅脂层，每个传感器通过总线接口受主控芯片驱动；所述硅座、中间层晶圆、硅盖之间通过键合连接；所述PCB板放置入中间层晶圆的通孔和凹槽内，PCB板上下表面的元件与硅盖和硅座之间有空腔，该空腔内采用真空或填充隔热材料，隔热材料与硅座、中间层晶圆的接触位置可采用硅脂隔离。

进一步的，所述中间硅片厚度为3mm，硅座与硅盖均为200μm，中间层晶圆的刻蚀凹槽深度为1mm。

采用上述技术方案后，本发明具有以下显著的效果：

(1)本发明相对于现有的有线晶圆测温方案，实现了无线数据传输，无需引入有线电路，能够与快速退火，等离子刻蚀等复杂工艺设备相兼容。

(2)本发明基于三层硅片键合的设计方法，结合了激光切割与硅片刻蚀技术，能很大程度降低在晶圆中嵌入测温电路的难度，具有成本低廉，操作简捷，可扩展性强的特点。

(3)本发明电路部分采用总线设计，通过少量的IO口驱动多个硬件设备，极大的降低了处理器的功耗和电路复杂度，并具备连接更多传感器的能力。

(4)本发明装置轻薄，总厚度不超过3.5mm，能应用于绝大多数对温度控制和监测有高要求的半导体芯片制造工艺环境中。

附图说明

图1是本发明的三层硅片组装示意图。

图2是本发明的中间层晶圆通孔与刻蚀结构示意图。

图3是本发明的电路层元器件下表面分布图。

图4是本发明的电路层元器件上表面分布图。

图5是本发明的装置截面示意图。

图6是本发明的电路工作原理框图。

图中，1.中间层晶圆上的刻蚀凹槽，2.中间层晶圆上的切割通孔，3.主控芯片，4.蓝牙芯片，5.蓝牙天线，6.充电线圈接口，7.稳压芯片，8.外部存储器，9.PCB板的枝板，10.程序调试接口，11.薄膜电池接口，12.温度传感器，13.充电线圈，14.薄膜电池，15.硅脂，16.中间层晶圆，17.硅盖，18.硅座，19.PCB板，20.导电金属薄膜，21.隔热填充层。

具体实施方式

三层硅片晶圆由硅座、中间层晶圆和硅盖组成。三层硅片之间通过微连接技术键合连接，内含电路层形成一体化的晶圆结构。所述电路层通过蓝牙与外部设备进行通信，实现数据的实时传输和处理。同时，电池通过无线充电线圈进行充电，无需外部电源和数据线的支持，保证系统的可移动性和独立性。所述中间层的结构设计可以将电路完整的支撑在内部空腔内，使电路核心区域不接触硅座和硅盖，为隔热提供了便利性，同时不会因为电路层的引入而影响晶圆外表面的热特性，由此可实现半导体工艺流程中晶圆表面温度的更准确测量。所述电路核心区域是指包括处理器芯片，存储芯片，稳压芯片，蓝牙芯片等在内的中心区域，用来控制分布于周围的传感器区域。所述中间层晶圆的空腔部分由通孔区域与刻蚀区域两部分组成，通过激光切割或水刀切割的方式，得到与电路板核心区域尺寸相匹配的通孔区域，通过硅片深刻蚀技术，在刻蚀区域形成1mm深度的凹槽，对应容纳电路的传感器区域。所述系统内部进行了特殊的结构设计和隔热技术设计。具体地说，上下层硅片和中间层晶圆之间采用了隔热层进行填充，保证电池能在额定温度范围内正常工作，而不会受到外部环境的温度影响。所述系统所需要的传感器采用交叉布局的方式集成在中间层晶圆的分支上，通过在不同位置放置共16个传感器测出晶圆上的温度信息，传感器在工作时将采集到的数据存入数据存储器内，待收到上位机的发送指令后，将16路数据依次发送给PC端的上位机进行温度场还原。所述传感器采集到的信号经过总线传输发送给存储器，避免了将每个传感器都连接到处理器芯片IO口带来的功耗过高、资源占用高的问题。

为了避免在等离子腔体中强烈的电磁干扰，所述核心电路区域采取薄膜单向导电层贴附的方式，在不影响蓝牙信号传输的情况下对电路间的数据传输起到保护作用。所述系统的电池通过无线接收电路进行充电，无需连接外部电源和数据线。充电线圈位于传感器同侧，且与蓝牙模块分别位于核心区域的两端，能避免数据收发过程中无线充电线圈对蓝牙信号产生的干扰。

所述电路层采用柔性PCB设计，整体厚度为1.5mm，传感器附着于柔性PCB的背面，厚度0.75mm，电路核心部分处于PCB正面，其芯片最大厚度为1mm，所述中间层晶圆厚度为3mm，通过激光切割或水刀切割的方式得到通孔区域，通过硅片深刻蚀技术得到的凹槽为1mm。

图1是本发明晶圆的组装示意图。中间层晶圆内电路装配完成后，顶层晶圆与底层晶圆通过键合等工艺与中间层贴合，且传感器区域能通过刻蚀凹槽的支撑以及导热硅脂的涂覆与顶层晶圆紧密接触。

图2是本发明中间层晶圆的构图，凹槽1通过深度刻蚀得到，其上放置温度传感器，刻蚀厚度为1mm，足以能够将我们的温度传感器封装在内部，切割通孔2直径为5cm，这足以容纳下我们的核心硬件电路。凹槽1和通孔2的边缘相连，构成中间层晶圆的空腔形状，与PCB结构兼容。相邻凹槽相对于晶圆圆心呈中心对称均匀分布。

图3是本发明电路层元器件下表面分布图。主控芯片3与蓝牙芯片4、外部存储器8等位于电路中间部分。5为蓝牙天线部分，用于进行数据发送。电池接口11为两个电极，可接入外部薄膜电池，充电线圈通孔6可连接接收线圈，为整个系统充电。调试接口10可用来下载与调试程序。

图4是本发明电路层元器件上表面分布图。本发明的图示中，设置有16个温度传感器，根据实际应用需求的不同，温度传感器的数量和位置可以根据实际测量的需要进行变化。本发明中温度传感器12与电路中的其它芯片处于不同侧，可与硅盖直接接触，测到晶圆表面的温度。线圈13可通过稳压电路直接对电池14进行充电。

图5是本发明的装置截面示意图。温度传感器12位于凹槽1上，且传感器在PCB板19上表面放置，在传感器表面通过涂覆硅脂层15使传感器与晶圆紧密接触，充电线圈13、薄膜电池14与传感器处于同侧，由于传感器分支的支撑作用，使各个芯片悬于晶圆内，不与硅片直接接触。在PCB层的表面覆盖有单向的导电金属薄膜20，防止电路受到等离子体刻蚀环境中的电磁干扰。隔热层21可采用真空的形式，或在核心区域周围填充石棉、气凝胶等隔热材料进行包覆，以有效地隔离晶圆表面与电路核心区域之间的热量传递，从而准确还原出单层晶圆表面的温度状态。

图6是温度采集的工作原理图，其中稳压电路有两个转压分支，一条分支是将无线充电接收电路的5V电压转化为给电池充电的4.2V电压，另一条分支是将电池工作时输出的3.7V电压转化为处理器芯片工作所需要的3.3V电压。本发明的主控芯片只需驱动一块外部存储器芯片，便可将传感器采集到的信号进行保存并传输给上位机。当负责数据处理的主控芯片接收到上位机的读取命令后，将存储器内完成转化的温度数据通过蓝牙传输电路发送至PC端，上位机根据收到的对应坐标温度点信号，可最终还原出晶圆装置表面的温度场分布图。

如表1所示，是本发明在实际工作中PC端上位机指令与PCB电路层工作的交互协议。上位机与温度监测装置之间采用蓝牙串口通信的方式，硬件根据接收到的命令设置温度采集的参数；收到采样时间设置"SETTIME "，其中为0,1,2，分别对应采集1分钟、5分钟、10分钟数据，比如设置采集时间为5分钟发送"SETTIME1 "；收到采样周期设置命令，"SETPERIOD "，单位为ms，比如设置采样周期为1.5s，则发送"SETTIME1500 "；收到上位机发送的“START ”信号后，温度监测装置开始将温度数据发送给外部存储器，温度数据格式示例"Sensor25.8 "；本发明通过使用蓝牙串口将保存在外部存储器中的温度数据通过无线的方式发送至PC端的上位机，在收到上位机的"READDATA "指令后，温度监测装置开始通过蓝牙向PC端发送存储器中保存的温度数据。

表1工作命令的具体内容