CN100399500C - 用于原位轮廓测量的涡流系统 - Google Patents

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Abstract

一种涡流监视系统可以包括细长形铁心。一个或多个线圈可以与细长形铁心耦合以产生振荡磁场，该振荡磁场可以与晶片上的一个或多个导电区域耦合。铁心可以相对于晶片平移以在保持足够信号强度的同时提供更高的分辨率。一种涡流监视系统可以包括DC耦合的边际振荡器用于以谐振频率产生振荡磁场，其中谐振频率可以随着一个或多个导电区域的改变而改变。涡流监视系统可以用于实现实时轮廓控制。

Description

用于原位轮廓测量的涡流系统
技术领域
本发明涉及半导体处理，更具体地说，本发明涉及在半导体处理过程中用于对一个或多个导电区域进行监视的系统和技术。
背景技术
集成电路通常通过在硅晶片上顺序沉积导电层、半导体层或绝缘层以及对这些层的顺序处理而形成于衬底(例如半导体晶片)上。
一个制造步骤包括在非平面表面上沉积填充层，并使填充层平面化直到露出非平面表面。例如，可以在图案化的绝缘层上沉积导电填充层以填充绝缘层中的沟或孔。之后将填充层抛光直到绝缘层的凸出图案暴露出来。在平面化之后，绝缘层的凸出图案之间残留的导电层部分形成过孔、插头和导线，以在衬底上的薄膜电路之间提供导电路径。此外，平面化可以用来使光刻所用衬底表面平面化。
化学机械抛光(CMP)是平面化采用的一种方法。这种平面化方法通常需要衬底安装在载具头或抛光头上。衬底的暴露表面设置为靠着旋转的盘状抛光垫或带状抛光垫。抛光垫既可以是“标准”垫也可以是固定磨粒垫。标准垫具有耐用的粗糙表面，而固定磨粒垫具有保持在容纳介质中的研磨颗粒。载具头向衬底提供可控载荷以将其推向抛光垫。向抛光垫表面供给的抛光液包括至少一种化学活性剂，如果使用标准垫则还包括研磨颗粒。
在半导体处理过程中，确定衬底或衬底上的层的一种或多种特性可能很重要。例如，了解CMP处理过程中导电层的厚度可能很重要，以便可以在恰当的时候终止处理。有若干种方法可以用于确定衬底的特性。例如，光学传感器或电容传感器可以在化学机械抛光过程中用于衬底的原位监视。可替代地(或者在此之外)，可以用涡流传感系统在衬底上的导电区域中感应出涡流以确定参数，例如导电区域的局部厚度。
发明内容
本公开提供了用于获得高空间分辨率涡流测量以及用于获得高信噪比涡流测量的系统和技术。大体上，在一个方面，涡流传感系统包括细长形铁心。细长形铁心具有大于宽度的长度。围绕细长形铁心的突起缠绕的线圈产生时变磁场以在导电区域中感应出涡流，所述导电区域例如晶片上导电层的第一区域。感应出涡流的第一区域也是长度大于宽度的细长形状。
细长形铁心可以位于接近半导体处理装置的晶片载具处。例如，铁心可以至少部分位于化学机械抛光装置的台板中，使突起的顶表面位置接近与台板耦合的抛光垫的顶表面。细长形铁心可以包括铁氧体材料，例如MnZn铁氧体、NiZn铁氧体或其他铁氧体。细长形铁心可以用例如派拉纶的材料涂覆。
大体上，在一个方面，一种方法包括用多个处理参数对晶片上的导电层进行处理。例如，可以用CMP装置抛光金属层，并且处理参数可以包括浆组分以及由抛光头所施加的压力分布。
可以在晶片上导电层的第一区域中感应出涡流，其中第一区域具有大于宽度的长度。可以用由围绕细长形铁心缠绕的线圈中的电流产生的时变磁场感应出涡流。
可以根据第一区域中感应出的涡流来获取第一区域中导电层的厚度数据。可以在导电层的第二区域中感应出涡流，并获取第二区域的测量厚度数据。可以将第一和第二区域的测量厚度数据与期望的厚度轮廓相比较以确定轮廓误差。如果轮廓误差超过了最小允许误差，则可以改变一个或多个处理参数。
第一区域的宽度可以是约一毫米或更小，以使系统在第一区域处的空间分辨率在约一毫米量级。宽度可以在约一毫米和约三毫米之间。
大体上，在一个方面，一种化学机械抛光装置包括直流(DC)耦合的边际振荡器以在线圈中产生时变电流，线圈产生时变磁场与晶片上的导电区域的一部分耦合。边际振荡器可以包括形成长尾对的第一晶体管和第二晶体管。边际振荡器可以包括与第一晶体管耦合的第三晶体管以通过第一晶体管的基极提供DC反馈。
边际振荡器可以以电路的谐振频率产生时变驱动电流，所述电路包括与铁心和电容器耦合的线圈。第三晶体管可以向第一晶体管的基极提供直流反馈而使边际振荡器产生时变驱动电流，使得跨越线圈和电容器的电势差保持在基本恒定的幅值。
大体上，在一个方面，一种方法可以包括以电路的谐振频率产生时变驱动电流，所述电路包括与铁心和电容器耦合的线圈，时变电流是由边际振荡器产生的，边际振荡器具有构成长尾对的第一晶体管和第二晶体管。此方法可以包括在晶片上导电层的第一区域中感应出涡流，其中涡流是由线圈产生的时变磁场感应出的。此方法可以包括确定跨越线圈和电容器的电势差的幅值并根据来自第三晶体管的直流反馈调整时变驱动电流，所述第三晶体管耦合到第一晶体管的基极以将电势差保持在期望的幅值。此方法可以包括根据时变驱动电流确定第一区域的一个或多个参数。
下面的附图和说明中阐述了一个或更多实施方式的细节。根据说明书和附图以及权利要求将使本发明的其他特征和优点更清楚。
附图说明
图1示出实现实时轮廓控制的方法。
图2A和2B示出涡流监视系统实施例的示意图。
图3A和3B示出提高线性度和信噪比的涡流监视系统的实施例。
图4示出根据实施例可以用于确定抛光终点或导电层厚度的方法。
图5是包括涡流监视系统的化学机械抛光装置的实施例的俯视图。
图6A和6B示出涡流监视系统中所用细长形铁心实施例的侧视图和俯视图。
图7A到7C示出涡流监视系统中所用细长形铁心另一实施例的侧视图和俯视图。
图8A到8C示出可以使用的铁心屏蔽罩的实施例。
图9A和9B示出根据实施例使用细长形铁心的化学机械抛光装置的俯视图和侧视图。
图10A和10B示出根据实施例使用细长形铁心的化学机械抛光装置的俯视图。
图11示出根据实施例的位置接近抛光垫的铁心的侧视图。
图12是化学机械抛光装置实施例的示意性分解透视图。
图13是图示了根据实施例铁心相对于台板的位置的侧视图。
在各附图中，相同的标号指示相同的元件。
具体实施方式
在某些半导体处理中，了解衬底上导电区域的厚度可能很重要。例如，为了确定金属的化学机械抛光处理的终点，可能需要监视金属层的厚度。可以根据与金属层厚度有关的测量结果来终止抛光处理。
可以在衬底(例如晶片)上的不同区域处测量导电材料的厚度。例如，可以监视晶片上不同区域的金属层厚度以确保处理是在整个晶片上均匀进行的。之后可以用晶片区域的厚度信息(其可统一称为晶片的“轮廓”)来实时调整处理参数以获得期望的整个晶片的均匀度。例如，在化学机械抛光处理中，可以监视晶片上不同区域的金属层厚度，检测到的非均匀度可以使CMP系统实时调整抛光参数。这样的轮廓控制可以称为实时轮廓控制(RTPC)。
图1示出了可用于在半导体处理过程中实现RTPC的方法100。可以处理晶片上的导电层(110)。例如，可以用包括多区头的CMP装置对晶片上的铜层进行抛光。在对晶片进行抛光的过程中，可以获取晶片上区域的轮廓数据(120)。例如，可以在抛光过程中获取与铜层的一部分的厚度有关的涡流数据，所述部分与由涡流传感系统产生的磁场耦合。
可以对轮廓数据进行处理(130)。例如，可以用信号处理算法使涡流测量结果对晶片特定区域相等。之后可以将处理后的轮廓数据与期望的轮廓数据进行比较以确定轮廓误差是否大于最小允许误差(150)。如果不是，则可以不改变处理参数，并进一步获取晶片上不同区域的轮廓数据(160)。例如，涡流传感器可以相对于晶片平移，以便获取离开晶片中心不同径向距离处的区域的轮廓信息。注意，获取和处理数据的过程在图1中表示为对于晶片的不同区域是分别的离散步骤，但在数据获取发生在较短的时间尺度的情况下也可以是基本连续和并行发生的，所述较短的时间尺度是与涡流传感器相对于晶片的平移相比而言的。
如果误差大于最小允许误差，则可以改变一个或多个处理变量(170)。例如，CMP系统可以递增式改变诸如多区头中一个或多个区的压力之类的变量，以提高抛光的均匀度(从而随之减小测得的轮廓误差)。
如上所述，轮廓信息可以用涡流传感来获取。采用涡流传感，振荡磁场在晶片上的导电区域中感应出涡流。涡流是在与由涡流传感系统产生的磁力线相耦合的区域感应出来的。图2A示出涡流传感系统200的一部分的示意图。系统200包括驱动线圈210用于产生振荡磁场220，该磁场220可以与感兴趣的导电区域230(例如半导体晶片上的金属层部分)耦合。驱动线圈210围绕铁心205缠绕，该铁心205可以由铁氧体材料形成，例如MnZn或NiZn铁氧体。铁心205可以是大体上圆柱形对称的铁心，也可以是如图6A和6B或图7A和7B以及如下所述的细长形铁心。
振荡磁场220在导电区域230中局部产生涡流。涡流使导电区域230起到与传感线圈240和电容器250并联的阻抗源的作用。随着导电区域230的厚度改变，阻抗也改变，导致系统的Q因子改变。通过检测Q因子的改变，涡流传感机构可以感知涡流强度的改变，并从而感知导电区域厚度的改变。因此，涡流传感系统可以用于确定导电区域的参数例如导电区域的厚度，也可以用于确定相关参数例如抛光终点。注意，尽管上面讨论的是特定导电区域的厚度，但铁心205与导电层的相对位置可以改变以获取若干个不同导电区域的厚度信息。
在某些实施方式中，Q因子的改变可以通过对固定驱动频率和幅值情况下涡流幅值作为时间的函数进行测量来确定。可以用整流器260对涡流信号进行整流，通过输出270监视幅值。或者，Q因子的改变可以通过对涡流相位作为时间的函数进行测量来确定。图2B示出的系统280用鉴相器290监视相位作为时间的函数。
图2A和2B的系统200可以用于测量衬底上导电层的厚度。但是，在某些实施方式中，可能期望具有更高信噪比和/或更高空间分辨率以及线性度的涡流传感系统。例如，在RTPC应用中，要在整个晶片上得到期望的均匀度可能需要改进的涡流传感系统。图3A和3B示出用于更高信噪比和线性度的涡流传感系统，而图6A、6B、7A和7B示出可用于更高空间分辨率的铁心设计。这些技术中任一个或两者都可用于对涡流传感进行改进。
图3A示出的涡流传感系统300与图2A和2B所示的系统相比可能更具线性、更稳定并提供更高的信噪比。系统300包括与铁心310(例如大体上圆柱形对称的铁心、图6A和6B或7A和7B所示的细长形铁心、或其他铁心)耦合的线圈320。在操作中，电流发生器330(例如基于边际振荡器(marginal oscillator)电路的电流发生器)以LC储能电路的谐振频率驱动系统，其中LC储能电路由线圈320(具有电感L)和电容器315(具有电容C)形成。幅值为V0的时变电压用整流器335整流并提供给反馈电路337。反馈电路337确定用于电流发生器330的驱动电流以保持电压V0的幅值恒定。对于这样的系统，驱动电流的大小可表示为与导电膜厚度成比例。边际振荡器电路和反馈电路在通过引用而结合的美国专利No.4,000,458中以及通过引用而结合的“Contactless Measurement ofSemiconductor Conductivity by Radio Frequency-Free-Carrier PowerAbsorption”，G.L.Miller，D.A.H.Robinson，J.D.Wiley，Review of ScientificInstruments，vol.47，No.7，July，1976中有进一步说明。
使用例如系统300的系统可以获得许多好处。只要工作频率低到足以使磁场在导电区域中不过分衰减，驱动电流就与导电区域厚度成线性关系。此外，由于振荡幅值是固定的，所以无需高度线性的RF整流器。由于系统是在LC储能电路谐振曲线的峰值处工作的，所以与其他测量系统相比信噪比更高。
系统300还可以提供快速响应(例如可以获得约50毫秒量级的响应时间)，并且操作和分析可以比图2A和2B的实施方式更简便。最后，系统300需要单线圈而不是独立的驱动线圈和传感线圈，这降低了复杂度并节省了绕组空间。
图3B示出了系统300的实施方式，其中电流发生器330包括改进的直流(DC)耦合边际振荡器电路，该边际振荡器电路包括第一晶体管340、第二晶体管350和第三晶体管360。第一晶体管340和第二晶体管350形成长尾对：即它们是基本相同的晶体管，并且驱动电流I经过第一晶体管340和第二晶体管350而交替切换。第三晶体管360通过与第一晶体管340基极的耦合来为长尾对提供DC反馈。通常使用大幅值振荡V0(例如四伏特的峰峰值)。驱动电流I通过测量晶体管340集电极电流平均值而确定。
由第一晶体管340、第二晶体管350和第三晶体管360形成的边际振荡器在缠绕铁心375的线圈370中产生时变电流。时变电流产生与导电层一部分耦合的时变磁场以提供局部厚度信息。使用幅值稳定回路391提供反馈，幅值稳定回路391包括整流器392、参考电压393和积分器394。整流器392可以是峰值展宽器(stretcher)，参考电压393可以是+2伏特，使得跨过LC储能电路的RF幅值峰峰值为4伏特。
如上所述，当边际振荡器以LC储能电路的谐振频率工作时，保持恒定的V0所需的驱动电流大小与导电层的厚度成线性关系。在谐振时，损耗是电阻性的并可以建模为并联损耗电阻Rp 390。Rp包括储能电路电阻RT(包括例如线圈导线的电阻)和样品负载电阻RS。电阻之间的关系如下式(1)所示：
1 R P = 1 R T + 1 R S 式(1)
在储能电路的谐振频率处，I、V0和RP的关系可以简单地由欧姆定律表示：V0＝IRP。这样，随着样品负载电阻的改变，保持V0所必需的驱动电流也改变。这样，驱动电流I就成为负载电阻RS以及有关的导电层局部厚度的量度。
图3B的边际振荡器提供了超越其他边际振荡器设计的许多优点。首先，可以在从DC到晶体管截止频率的范围内的频率处工作。第二，其与高压电平兼容(即其可以用于伏特而不是毫伏量级的电压)。最后，其既简单又稳定。
根据例如图4的过程400，系统300可以用于监视晶片上导电层的厚度。过程400可以在例如带有导电层的晶片正在被抛光时以及铁心正在相对于晶片平移时进行。可以用边际振荡器电路产生振荡磁场，其中振荡磁场与晶片上的部分导电层相耦合(410)。对于位于接近抛光垫处的涡流传感系统，振荡磁场穿过抛光垫延伸进入该部分导电层。
对电压V0进行监视，其中V0是跨越涡流传感系统的线圈和电容器的时变电势差的大小。对用于边际振荡器的驱动电流也进行监视(420)。调整驱动电流以保持恒定的V0(430)。由于保持恒定的幅值所必需的驱动电流与导电层的厚度成线性关系，则驱动电流可用于确定抛光终点和/或导电层的局部厚度(440)。注意方法400中的各个动作可以连续和并行地进行，尽管此处它们是单独列出的。
上面所述并示于图3A和3B中的涡流传感系统可以提供提高的信噪比、提高的线性度和提高的稳定性。通过提供具有更高空间分辨率的涡流传感系统还可以获得额外的优点。更高的空间分辨率可能特别有利于RTPC。获得高分辨率的晶片轮廓信息可以使处理参数的调整更精确，从而可以制造带有更小CD的器件。此处所述的系统和技术提供了可以用于高分辨率涡流系统的线圈几何形状。
提高空间分辨率的一种途径是减小铁心/线圈系统的尺寸以使磁场耦合到晶片的更小区域。图5示出了当铁心505随着台板530的转动而扫过衬底510下方时，包括铁心505的涡流传感系统500的俯视图。计算机(未示出)可以将传感的涡流信号(原始的或者处理过的)细分为多个采样区596。如图5所示，系统的空间分辨率由铁心505的突出之间的距离限制(注意，其他参数也可能影响系统的空间分辨率，例如铁心与导电区域之间的距离以及铁心形状)。台板530可以包括标志540，该标志540由标志传感器550感知以确定台板530的转动位置。
尽管可以通过减小铁心/线圈系统的尺寸来提高空间分辨率，但是可能难以减小铁心/线圈系统的尺寸而不使测量质量受到不能接收的损害。设计中的多种考虑都可能对铁心的最小尺寸带来限制。例如，频率、动态阻抗和质量因子的期望值可能对铁心的最小尺寸带来限制。
涡流传感的期望频率范围可以根据对响应时间的考虑(更高的频率可以有更快的响应)和透入深度(skin depth)的考虑来进行选择。随着电磁辐射的频率(即磁场的频率)增加，透入深度(磁场穿透距离的量度)减小。为了精确地测量层厚，磁场应当穿透整个厚度。
对质量因子和动态阻抗的限制使得无需在电子线圈中麻烦地对大电流进行切换。
表1示出对于可能限制铁心最小尺寸的频率、动态阻抗和质量因子的一些期望值。表1中的频率值基于厚达约1.5微米的铜膜；对于其他材料和/或厚度，不同的频率值可能更合适。注意L表示线圈(例如图3B中的线圈370)的电感，C表示电容器(例如图3B的电容器380)的电容，Z表示线圈和电容器系统的无负载动态阻抗，RP表示并联损耗电阻，其既包括LC电路的并联损耗电阻，也包括导电层的并联损耗电阻。
表1
Figure C20048002836800151
对于小的铁心，可能难以(或不可能)实现例如表1所列的设计准则。例如，随着铁心的尺寸减小，通常需要更细的导线，而更细的导线具有增大的串联损耗电阻。因此，系统的Q因子随着铁心尺寸的减小而降低。
当前发明人认识到可以通过使用一个方向上长而另一个方向上窄的铁心而牺牲垂直方向上的空间分辨率。图6A和6B示出线圈/铁心系统600的侧视图和俯视图，该系统600可用于提供高分辨率涡流测量而不给系统的Q因子带来显著损害。细长形的铁心610大体上是“E”形；即其具有从后部向上延伸的三个突出。如图6B所示，铁心610延伸的长度L大于铁心610的宽度W。线圈620可以围绕中间突起缠绕。线圈620可以与电容器630耦合。在例如图2A和2B中系统200的涡流传感系统的实施方式中，可以使用独立的传感线圈和驱动线圈。
在某些实施方式中，例如线圈620的线圈可以是绞合线(由以统一的绞合样式和捻距扎或编织在一起的独立薄膜绝缘导线构成的导线网(woven wire))，对于涡流传感中常用的频率，其损耗可以小于单股线。铁心610可以是MnZn铁氧体，也可以是NiZn铁氧体。铁心610可以有涂层。例如，铁心610可以用如派拉纶(parylene)之类的材料涂覆以防止水进入铁心610中的孔隙并防止线圈短路。
图7A和7B示出不同的线圈/铁心系统700的侧视图和俯视图，其也可以用于提供高分辨率涡流测量而不给所感知的信号带来显著损害。细长形铁心710可以是“U”形；即其具有从后部向上延伸的两个突出。如图7B所示，铁心710延伸的长度L大于铁心710的宽度W。线圈720可以围绕两个突起缠绕并可以与电容器730耦合。同样，对于例如图2A和2B中所示的实施方式，可以使用独立的传感线圈和驱动线圈。图7C示出对于U形铁心的可替换绕组方案的侧视图。如图7C所示，线圈720可以缠绕在“8字”结构的两个突起之间。
在某些实施方式中，可以屏蔽铁心以便更精确地将磁力线导向导电层的特定部分，从而提高空间分辨率。注意，对铁心的屏蔽导致Q因子的降低，因此所示的屏蔽结构应当提供足够的磁力线导向而不给Q因子带来太大的损害。图8A和8C示出可以使用的不同屏蔽结构。图8A示出接近铁心800的屏蔽罩810的侧视图。屏蔽罩810可以具有间隙(未示出)以便不会由于涡流传感系统产生的时变磁场而在屏蔽罩810中感应出涡流。屏蔽罩810可以由铝板制成。图8B示出屏蔽罩820的俯视图和侧视图，其也可以由铝板制成。俯视图示出防止在屏蔽罩820中产生涡流的间隙825。图8C示出用铜带形成的屏蔽罩830的俯视图。铜带的第一端836与第二端837之间的间隙835防止了在屏蔽罩830中产生涡流。
图9A和9B示出衬底920关于细长形铁心910(其可以与图6A和6B中的铁心610或图7A和7B中的铁心710相似)的相对位置的俯视图和侧视图。对于经过A-A’面(该面经过半径为R的晶片920的中心)的视图，铁心910定向为使其长轴垂直于晶片920的半径。铁心910如图所示相对于晶片直径而平移。注意由围绕铁心910缠绕的线圈产生的磁场在导电区域中感应出涡流，该导电区域的形状也是长度大于宽度的细长形。但是，长度和宽度通常与铁心910的长度和宽度不同，并且导电区域的纵横比和横截面通常也与铁心910的不同。
尽管图9A和9B的结构对于晶片920的A-A’面的大部分可以提供提高的分辨率，但在铁心910沿着径向的起始和末端部分930平移时，部分铁心910与衬底不接近。因此对930部分的测量精度较低并可能给铁心910的最大期望长度L带来限制。此外，当铁心910接近晶片920的中心时，其对更大的径向范围进行采样。因此，对于特定径向距离r≈R的空间分辨率明显优于r≈0的空间分辨率。
如上面所解释的，铁心910的长度L大于其宽度W。即纵横比L/W大于1。L、W以及L/W的不同值可以用于不同的实施方式中。例如，W的范围可以是从几分之一毫米到超过一厘米，而L的范围可以是从约一毫米(对于较小的W值)到十厘米或更大。
在特定实施方式中，W在约一毫米与约十毫米之间，而L在约一厘米到约五厘米之间。更具体地说，例如图6A和6B中线圈610的线圈可以约为五毫米宽，每个突起约为一毫米宽并且相邻突起之间的每段间隔约为一毫米。长度可以是约二十毫米。高度可以是约五毫米并且如果期望可以有更多线圈匝数时高度可以增加。对于例如图7A和7B中线圈710的线圈，长度可以是约两厘米，宽度可以是约2.5毫米。每个突起可以约为一毫米宽，突起之间的间隔可以约为1.5毫米。高度可以约为三毫米。当然此处给出的值是示例性的；可以使用其他许多种配置。
在某些实施方式中，细长形铁心的长轴可以不与衬底的半径精确地垂直。但是，细长形铁心仍然可以提供超过可用的铁心几何外形的更高分辨率，特别是在晶片边缘附近。图10A示出的实施方式中，细长形铁心1010位于台板1020下方。在扫过衬底1030下方之前，铁心1010在位置1015处。在位置1015处，铁心1010近似垂直于衬底1030的半径。因此，对于r≈R，导电层与由围绕铁心1010缠绕的线圈产生的磁场耦合的部分大体上在离开衬底中心相同径向距离处。注意，在铁心1010扫过衬底1030下方时，台板1020和衬底1030都在转动，并且晶片也可以如所示的那样相对于台板1020扫过。此外，可以用标志1040和标志传感器1050来感知台板1020的转动位置。
图10B示出在铁心1010扫过晶片1030下方时，晶片1030的特写。在第一位置1012处，铁心1010测量半径r≈R处的厚度。但是，在位置1014处，铁心跨越了从r1到r2的半径范围。因此，晶片1030外边缘处的空间分辨率比晶片1030中心附近的空间分辨率要好得多。注意这种效果随着铁心1010的长度L减小而降低。
如上所述，空间分辨率还取决于铁心与导电层之间的距离。图11示出系统1100的侧视图，该系统1100提供了很接近的铁心，并防止了流体泄漏。铁心1110与线圈1120耦合用于产生时变磁场以在晶片(未示出)上的导电区域中感应出涡流。铁心1110和线圈1120固定在传感器外壳1130中。传感器外壳1130既保护铁心1110和线圈1120不受流体损害，又将其相对于晶片定位。外壳1130通过O形密封环1140与上台板1150耦合以防泄漏。垫组件1155包括子垫1160、垫1170以及含变薄部分1185的垫窗口1180。变薄部分1185使铁心1110可以与晶片非常接近。例如，铁心1110顶部之间的距离可以是约50mil。注意也可以采用其他结构；特别是可以采用不带子垫和/或不带垫窗口的垫结构。
图12示出化学机械抛光装置20，其可以用于例如上面所述的涡流传感系统。类似的抛光装置20的说明可以在美国专利申请No.09/900,664中找到，其全部公开通过引用而结合于此。图13示出铁心42(例如图6A和6B的铁心610、图7A和7B的铁心710、或其他铁心)相对于具有变薄段36的抛光垫30可以如何定位(并相对于装置20的抛光站22如此定位)。
参考图12和13，可以由CMP装置20抛光一个或多个衬底10。抛光装置20包括一系列抛光站22以及传输站23。传输站23将衬底在载具头与负载装置之间传输。
每个抛光站包括可转动台板24，台板24上设置有抛光垫30。第一和第二个站可包括具有坚硬耐用外表面的两层抛光垫或具有嵌入研磨颗粒的固定磨粒垫。最后一个抛光站可包括比较软的抛光垫。每个抛光站还可以包括垫调节器装置28来维持抛光垫的条件以便其有效地对衬底进行抛光。
可转动的多头传送带60支撑四个载具头70。传送带由中心柱62通过传送带电机组件(未示出)的带动围绕传送带轴线62转动，以使载具头系统和安装在其上的衬底在抛光站22与传输站23之间运转。载具头系统中的三个接纳和夹持衬底，并通过将其压靠在抛光垫上而对其进行抛光。同时，载具头系统之一从传输站23接收衬底并将衬底发送到传输站23。
每个载具头70由载具驱动轴74连接到载具头转动电机76(通过除去盖子68的四分之一而示出)，以使每个载具头可以围绕其自身轴线独立转动。此外，每个载具头70在传送带支撑板66中形成的径向槽72中独立地横向振动。适当的载具头70的说明可以在美国专利No.6,422,927中找到，其全部公开通过引用而结合。在操作中，台板围绕其中心轴线25转动，载具头围绕其中心轴线71转动并进行横跨抛光垫表面的横向平移。
包括活性剂(例如用于氧化物抛光的去离子水)和化学活性催化剂(例如用于氧化物抛光的氢氧化钾)的浆38可以通过浆供应端口或组合的浆/冲洗臂39供给抛光垫30的表面。如果抛光垫30是标准垫，则浆38还可以包括研磨颗粒(例如用于氧化物抛光的二氧化硅)。台板24中形成有凹入26，并可在抛光垫30中形成覆盖在凹入26上的薄段36。如果需要，将孔26和垫的薄段36定位成在部分台板转动过程中无论载具头的平移位置如何都通过衬底10下方。
如图13所示，CMP装置20还可以包括例如光学斩波器的位置传感器80以在铁心42位于衬底10下方时进行传感。例如，光学斩波器可以安装在载具头70对面的固定点处。标志82可以安装在台板周边。选择标志82的安装点和长度，使其在铁心42扫过衬底10下方时中断传感器80的光学信号。或者，CMP装置可以包括编码器以确定台板的角位置。
参考图13，涡流监视系统40可以包括驱动和反馈电路50，其包括例如上面所述并示于图3A和3B中的边际振荡器的振荡器。随着台板的每次转动，涡流传感系统位于抛光垫32的薄段36之下的铁心42和线圈44扫过衬底下方。注意尽管此处示出了单个线圈44，但在某些实施方式中使用独立的驱动线圈和传感线圈并提供独立的传感电路。电路50可以位于台板24之外，并可以通过旋转电接头29耦合到台板中的元件。
计算机90可以从电路50接收测量结果，并可编程以将从铁心每次扫过衬底之下得到的测量结果分为多个采样区域(例如图5中的采样区域596)，以计算每个采样区域的径向位置、将测量结果根据径向范围分类、确定每个采样区域的最小、最大和平均测量结果以及用多个径向范围来确定抛光终点，如1999年12月13日提交的并于2002年6月4日授权的美国专利No.6,399,501中所讨论的，其全部内容通过引用结合于此。注意，根据系统40的结构，测量可以是幅值测量、相位测量和/或驱动电流测量。在抛光期间，来自计算机的输出可以显示在输出设备92上，以使用户可以直观地监视抛光操作的进展。
此外，在根据径向范围对涡流测量结果进行分类后，关于金属膜厚度的信息可以实时反馈到闭环控制器以便周期地或连续地改变由载具头施加的抛光压力分布，如1999年7月7日提交的美国专利申请No.60/143,219中讨论的，其全部内容通过引用结合于此。例如，计算机可以确定对于外径向区域，终点标准已经得到满足，但对于内径向区域尚未满足。这表明下面的层在环形的外部区域中已经暴露，而在衬底的内部区域尚未暴露。在此情况下，计算机可以减小施加压力的区域的直径以使压力只施加到衬底的内部区域，从而减少衬底外部区域上的凹陷和腐蚀。或者，计算机可以在第一次得到衬底上任意部分处下面的层已经暴露的指示时，即在金属层首次清洁时，停止衬底的抛光。
已经说明了多种实施方式。但是，应当理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。例如，可以使用不同的线圈几何形状。铁心相对于台板和衬底的位置可以与所说明的不同。尽管示出了具有基本上矩形截面的细长形铁心，但也可以采用其他结构。例如可以使用椭圆形截面，则其中“长度”指长轴而“宽度”指短轴。图1和4中所示的过程的各个动作不一定需要以所示顺序进行。因此，其他实施例包括在所附权利要求的范围内。

Claims (49)

1.一种用于化学机械抛光的装置，包括：
用于支撑抛光表面的台板；
产生涡流信号的涡流监视系统，所述涡流监视系统包括：
至少部分位于所述台板中的细长形铁心，所述细长形铁心具有向着所述抛光表面延伸的一个或多个突起，所述一个或多个突起具有沿着第一方向的长度和沿着与所述第一方向正交的第二方向的宽度，所述第一方向和所述第二方向都平行于所述抛光表面，所述长度比所述宽度更长。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述细长形铁心包括后部，所述一个或多个突起从所述后部向着所述抛光表面垂直延伸。
3.根据权利要求2所述的装置，还包括与所述一个或多个突起中的至少一个耦合的线圈。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述线圈包括导线网。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述一个或多个突起包括第一突起和第二突起，并且其中所述线圈与所述第一突起和所述第二突起耦合成8字形结构。
6.根据权利要求3所述的装置，还包括与所述后部相耦合的另一个线圈。
7.根据权利要求2所述的装置，其中，所述后部与所述一个或多个突起中的至少一个突起沿所述长度的轴线具有相同长度。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述长度是所述宽度的至少两倍。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述长度在五毫米与十厘米之间。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述宽度小于一厘米。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述涡流监视系统还包括位置接近所述细长形铁心外表面的屏蔽罩。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述屏蔽罩包括间隙。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个突起包括平行延伸的第一突起和第二突起。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述台板可以围绕转动轴线转动，所述长度与从所述转动轴线经过所述铁心延伸的台板半径平行。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述宽度垂直于所述台板的所述半径。
16.一种涡流传感系统，包括：
细长形铁心，所述细长形铁心具有后部以及沿远离所述后部的方向而延伸的一个或多个突起，所述一个或多个突起具有沿着第一方向的长度和沿着与所述第一方向正交的第二方向的宽度，所述第一方向和所述第二方向都与所述突起的延伸方向垂直，所述长度比所述宽度更长；
具有安装特征的外壳，所述安装特征被成形并构造为将所述细长形铁心定位于台板的凹入中；
围绕所述细长形铁心的一部分缠绕的线圈；
在所述线圈中产生电流的驱动系统；以及
传感系统，所述传感系统根据导电区域中产生的涡流得到所述导电区域的特性。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述细长形铁心包括后部以及从所述后部向着抛光表面垂直延伸的一个或多个突起。
18.根据权利要求17所述的系统，还包括与所述一个或多个突起中的至少一个耦合的线圈。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述细长形铁心包括铁氧体材料。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述铁氧体材料从由MnZn铁氧体材料和NiZn铁氧体材料构成的组中选择。
21.根据权利要求16所述的系统，其中所述细长形铁心用材料涂覆。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述材料包括派拉纶。
23.根据权利要求16所述的系统，还包括所述台板，所述台板可以围绕转动轴线转动，其中，所述台板具有圆形形状，所述细长形铁心的所述长度与从所述转动轴线经过所述铁心延伸的台板半径平行。
24.根据权利要求17所述的系统，其中，所述细长形铁心的所述宽度垂直于所述台板的所述半径。
25.根据权利要求21所述的系统，还包括：
所述台板，其包括互补的安装特征以接纳所述外壳；
抛光垫，所述抛光垫具有安装到所述台板的抛光表面，使得当所述外壳的所述安装特征与所述台板的互补的安装特征啮合时，所述细长形铁心的所述一个或多个突起之中一个的顶表面定位成离开所述抛光垫的所述抛光表面两毫米或更少。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述顶表面离开所述抛光表面一毫米到两毫米之间。
27.根据权利要求25所述的系统，其中所述细长形铁心具有U形的截面。
28.根据权利要求25所述的系统，其中所述细长形铁心具有E形的截面。
29.一种原位轮廓控制的方法，包括：
用多个处理参数对晶片上的导电层的表面进行处理；
用细长形铁心在晶片上的导电层的第一区域中感应出涡流，所述细长形铁心具有向着所述导电层延伸的一个或多个突起，所述一个或多个突起具有沿着第一方向的长度和沿着与所述第一方向正交的第二方向的宽度，所述第一方向和所述第二方向都平行于所述导电层的所述表面，所述突起的所述长度大于所述突起的所述宽度，使得所述第一区域具有沿着所述第一方向的长度和沿着所述第二方向的宽度，所述第一区域的所述长度大于所述第一区域的所述宽度；以及
获取所述第一区域中所述导电层的测量厚度数据，所述厚度数据基于所述第一区域中感应出的所述涡流。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括：
在所述导电层的第二区域中感应出涡流，所述第二区域具有沿着所述第一方向的长度和沿着所述第二方向的宽度，其中，所述第二区域的所述长度与所述第一区域的所述长度相同，所述第二区域的所述宽度与所述第一区域的所述宽度相同；以及
获取所述第二区域中所述导电层的测量厚度数据，所述厚度数据基于所述第二区域中感应出的所述涡流。
31.根据权利要求30所述的方法，还包括将所述第一区域和所述第二区域中所述导电层的所述测量厚度数据与期望的厚度轮廓相比较以确定轮廓误差。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括根据所述轮廓误差改变所述处理参数中的至少一个。
33.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一区域的所述长度是所述宽度的至少两倍。
34.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一区域的所述宽度为一毫米或更少。
35.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一区域的所述宽度在一毫米到三毫米之间。
36.根据权利要求29所述的方法，其中所述涡流是响应于时变磁场而产生的，所述时变磁场是由与细长形铁心耦合的线圈产生的。
37.根据权利要求29所述的方法，其中获取所述第一区域中所述导电层的测量厚度数据的步骤包括根据传感线圈中传感信号的幅值而获取幅值数据。
38.根据权利要求29所述的方法，其中获取所述第一区域中所述导电层的测量厚度数据的步骤包括根据传感线圈中传感信号的相位而获取相位数据。
39.根据权利要求29所述的方法，其中获取所述第一区域中所述导电层的测量厚度数据的步骤包括根据驱动电流获取驱动电流数据，所述驱动电流用于保持跨越线圈和电容器的电压恒定，所述线圈和所述电容器包括在产生时变磁场以在所述第一区域中感应出所述涡流的电路中。
40.一种用于半导体处理的装置，包括：
晶片载具；
位置接近所述晶片载具的细长形铁心，所述细长形铁心具有沿朝向抛光表面的方向延伸的一个或多个突起，所述一个或多个突起具有沿着第一方向的长度和沿着与所述第一方向正交的第二方向的宽度，所述第一方向和所述第二方向都垂直于所述突起的延伸方向，所述长度比所述宽度更长；
围绕所述细长形铁心的一部分缠绕的线圈；
在所述线圈中产生电流的驱动系统，所述电流产生时变磁场；以及
传感系统，所述传感系统根据所述晶片的导电部分中产生的涡流来得到位于所述晶片载具中的晶片的特性，所述涡流是响应于所述时变磁场而产生的。
41.根据权利要求40所述的装置，其中所述细长形铁心包括后部以及从所述后部向着所述晶片载具垂直延伸的一个或多个突起。
42.根据权利要求41所述的装置，其中，所述后部与所述一个或多个突起中的至少一个突起沿所述长度的轴线具有相同长度。
43.根据权利要求41所述的装置，其中其中所述一个或多个突起包括第一突起和第二突起，并且其中所述线圈与所述第一突起和所述第二突起耦合成8字形结构。
44.根据权利要求40所述的装置，还包括使所述细长形铁心相对于所述晶片载具平移的平移机构。
45.根据权利要求44所述的装置，其中，所述平移机构设置为使所述细长形铁心沿移动方向平移，所述细长形铁心的所述长度垂直于所述移动方向。
46.根据权利要求45所述的装置，其中，所述细长形铁心的所述宽度平行于所述移动方向。
47.根据权利要求40所述的装置，还包括安装到台板的抛光垫。
48.根据权利要求40所述的装置，其中所述驱动系统包括边际振荡器。
49.根据权利要求48所述的装置，其中所述传感系统包括反馈电路来确定所述边际振荡器的驱动电流。
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