CN101275825A - Cmp过程中晶圆下液体薄膜中间变量的测量装置 - Google Patents

Abstract

一种CMP过程中晶圆下液体薄膜中间变量的测量装置，包括激光器、分光镜、滤光片、摄像头、用以计算测量的计算机以及用以提供具有两种荧光材料的抛光液的抛光液供给机构，激光器通过光纤连接发散透镜，发散透镜的出射光学范围覆盖晶圆下的液体薄膜，分光镜位于晶圆的上方，分光镜的两个出射方向设有两个滤光片，每个滤光片与各自摄像头相对，摄像头与计算机数据连接，计算机包括用以计算得到两种荧光强度后，将其比值作为相对荧光强度，计算得到厚度、温度和pH值的中间变量测量模块。本发明能够对CMP过程中晶圆下中间变量(如厚度、温度、pH值)进行有效测量。

Description

CMP过程中晶圆下液体薄膜中间变量的测量装置

技术领域

本发明涉及激光测量领域，尤其是一种CMP过程中晶圆下液体薄膜的中间变量(抛光液膜厚度、液膜温度、液膜pH)的测量装置。

背景技术

随着超大规模集成电路多层内联技术的发展，需在硅片上实现多层布线结构，且每一层都要求具有很高的全局平整度，以满足蚀刻要求。1990年，IBM公司率先提出了化学机械抛光(CMP，ChemicalMechanical Planarization)全局平面化技术，并于1991年成功应用于64Mb的DRAM生产中。之后，CMP技术得到了快速发展。目前CMP技术的研究开发工作已发展到全球，并呈现出激烈竞争势头。

尽管CMP被认为是获得光滑无损伤表面的最有效方法，并且已经广泛地用于集成电路制造等领域，但在确定某个具体加工对象的CMP加工工艺前，仍需进行大量的实验，凭经验不断调整工艺参数，直到得到满意的加工效果为止，原因在于人们至今未能完全掌握CMP的加工机理。揭示CMP加工机理的关键在于对其加工过程是否有深入的了解。但由于CMP特有的加工方式：晶圆与抛光垫的紧密接触、加工区内抛光液膜和磨粒的微小尺寸、物理和化学参数的相互作用等因素，决定了对CMP过程观测的难度。

实际CMP过程中各输入参数(压力、转速、抛光垫结构等)之间是相互独立的，而中间变量之间是相互作用的，例如：液膜厚度不同，试件与抛光垫的接触状态(直接接触、非接触或半接触)不同，抛光液的流动和混合(新加入抛光液所占百分比)情况不同，温度分布场不同，抛光液pH值不同等等因素对化学反应有很大影响。所以中间变量的变化会直接影响到晶圆与抛光垫之间的接触状态及材料去除机理。此外，从变量的性质来看，特定工艺的输入参数属状态变量(与时间无关)，输出参数(去除率、表面均匀性等)属过程变量(随时间变化)，直接建立两者之间的关系必将进入对大量实验分类统计的唯相学范畴，虽然对加工工艺有很强的指导意义，但无力揭示CMP加工机理。而中间变量属过程变量，如能确定中间变量与输入参数、输出参数与中间变量的关系，并通过中间变量联系输入输出参数，则有望剖析CMP机理。

激光技术是20世纪60年代发展起来的一门新兴技术，自从它问世以来发展很快，不仅在工业生产，国防军事，医学卫生等方面得到广泛的应用，而且在林业生产中也被吸收应用。利用激光测量厚度检测时间短、反应灵敏，具有较高的测量速度，测量范围较宽，对环境无辐射危害。当荧光物质受紫外光或波长较短的可见光照射时，会发射出各种颜色和不同强度的可见荧光，而当光源停止照射时，荧光随之消失。利用荧光物质的这一特性，用一定波长的激光辐照一种或几种荧光物质，根据其发射荧光光谱或荧光图像分析预测参量的方法，即为LIF技术。LIF技术在分子反应动力学中已成为十分强有力的实验方法，除被广泛应用于物质的结构、状态、价态、微区、剖层以及无损检测和遥感遥测等领域，还可用于温度、应力、润滑油膜厚度、OH基浓度等物理量的测量。其原理是当这些参数变化时，荧光峰值发生偏移或荧光强度发生变化，利用这种变化即可推算出这些参数的变化。

发明内容

为了克服已有技术的不能测量CMP过程中晶圆下中间变量的不足，本发明提供一种基于LIF技术、能够对CMP过程中晶圆下中间变量(如厚度、温度、PH值)进行有效测量的CMP过程中晶圆下中间变量的测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种CMP过程中晶圆下液体薄膜中间变量的测量装置，包括激光器、分光镜、滤光片、摄像头、用于计算测量的计算机以及标有两种荧光材料的抛光液的抛光液供给机构，所述激光器通过光纤连接发散透镜，所述发散透镜的出射光范围覆盖晶圆下的液体薄膜，所述分光镜位于晶圆的上方，所述分光镜的两个出射方向设有两个滤光片，所述每个滤光片与各自摄像头相对，所述的摄像头与所述计算机数据连接，所述的计算机包括用以将摄像头采集的荧光图像进行图像处理，计算得到两种荧光强度后，依照荧光强度与厚度的对应关系得到液体薄膜的厚度；将两种荧光强度的比值作为相对荧光强度，依照相对荧光强度与温度的对应曲线得到液体薄膜的温度；依照相对荧光强度与pH值的对应曲线得到液体薄膜的pH值的中间变量测量模块。

作为优选的一种方案：所述的测量装置还包括用以消除两个摄像头的拍摄时差的同步器，所述的摄像头连接同步器。

进一步，所述的激光器为Ar离子激光器。

所述的晶圆为光学玻璃。

所述的摄像头为CCD摄像头。

本发明的技术构思为：在工作状态下抛光垫和晶圆之间的液体薄膜厚度非常小达到微米级，所以很难用接触的方式对晶圆下液体薄膜进行测量。

采用Ar离子激光器照射透明微通道中的待测抛光液液体薄膜，抛光液中含有两种不同激发波长的荧光物质。荧光物质受到激发以后分子发生了电子从较低的能级到较高能级的跃迁，分子由于不稳定，通过辐射跃迁的返回基态，同时产生荧光。两种荧光物质在受到激发以后产生两种波长的荧光，发出的荧光通过分光镜分成两束相同强度的光线，然后分别通过各自的滤光片，得到一定波长的荧光，最后传送到两个CCD摄像头进行荧光信息的采集，并通过图像采集卡输入到计算机得到两张不同荧光波长的荧光图像。利用图像处理技术，计算得到CMP过程中晶圆下抛光液的混合情况、厚度、温度和pH值。

选择的激光器要有良好的指向性，要有稳定的功率输出，输出功率越稳定，监测的噪声越小，而信噪比越高。被测量的荧光强度一般都比较微弱，在这个检测系统中体现了充分考虑了每个环节的信号丢失，使得误差最小化。根据光学成像原理，考虑了焦距、放大倍数、像差和球面相差。使用滤光片的目的使消除待测液体薄膜中各种粒子引起的散射光和激光光源，通过需要的荧光，但滤光片减少了进入CCD摄像头的荧光光强，因此选择滤光片不仅要考虑中心波长，也要考虑半波带宽和波峰折射率。在测量过程中要求两个CCD摄像头同一时刻拍下两张图像，而每一图像具有不同的光频率颜色，为了做到同步性，需要在计算机上加一个同步器来保证两张图像是描述同一时刻的液体薄膜信息。

本发明的有益效果主要表现在：1、在线测量CMP过程中晶圆下液体薄膜中间变量；2、两种荧光物质作为测量工具，分光镜将荧光分为两束，两种不同的滤光片得到规定波长的荧光，图像处理中将相对荧光强度作为测量温度、pH值的参考信息，消除了环境误差的影响；3、同步器保证两张荧光图像描述的是同一时刻的液体薄膜信息。

附图说明

图1是本发明的CMP过程中晶圆下中间变量的测量设备的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种CMP过程中晶圆下液体薄膜中间变量的测量装置，包括激光器1、分光镜8、滤光片9、摄像头10、用于计算测量的计算机12以及用以提供具有两种荧光材料的抛光液的抛光液供给机构，所述激光器1通过光纤2连接发散透镜3，所述发散透镜3的出射光学范围覆盖晶圆7下的液体薄膜，所述分光镜8位于晶圆7的上方，所述分光镜8的两个出射方向设有两个滤光片9，所述每个滤光片9与各自摄像头10相对，所述的摄像头10与所述计算机11数据连接，所述的计算机12包括用以将摄像头采集的荧光图像进行图片处理，计算得到两种荧光强度后，依照荧光强度与厚度的对应关系得到液体薄膜的厚度；将两种荧光强度的比值作为相对荧光强度，依照相对荧光强度与温度的对应曲线得到液体薄膜的温度；依照相对荧光强度pH值的对应曲线得到液体薄膜的pH值的中间变量测量模块。

所述同步器11控制两个摄像头的拍摄时间，用于消除两个摄像头的拍摄时差，保证两个CCD摄像头拍摄到同一时刻的晶圆下抛光液体信息图像。

所述的激光器1为Ar离子激光器。所述的晶圆7为光学玻璃。所述的摄像头10为CCD摄像头。

本实施例中，如图1，CMP过程中液体薄膜双重激光诱导荧光遥测方法装置包括Ar离子激光器、光纤2、发散透镜3、三通阀门4、含有两种荧光物质罗丹明B和荧光素的抛光液输入装置5，光学玻璃6、分光镜7、滤光片8、CCD摄像头、同步器11、计算机12。在检测过程中，因为硅片的透明度不好，影响到荧光的透过，不利于检测，所以利用物理和化学特性都与硅片相近的透明的光学玻璃代替硅片。Ar离子激光器照射光学玻璃下待测液体薄膜，液体中溶有两种不同激发波长的荧光物质。两种荧光物质在受到激发以后产生两种波长的荧光。发出的荧光通过分光镜分成两束相同强度的光线，然后分别通过各自的滤光片，得到一定波长的荧光，最后传送到两个CCD摄像头进行荧光信息的采集，并通过图像采集卡输入到计算机最终得到两张不同荧光波长的荧光图像。在测量过程中要求两个CCD摄像头同一时刻拍下两张图像，而每一图像具有不同的光频率颜色，为了做到同步性，需要在计算机上加一个同步器来保证两张图像是描述同一时刻的液体薄膜信息。最后利用图像处理技术，计算得到CMP过程中抛光液的混合情况、厚度、温度和pH值。

本实施例利用双重激发激光诱导荧光遥测技术测量CMP过程中晶圆下液体薄膜如下在线信息：

1)、抛光液的流动、混合特性：用两种荧光物质分别标定抛光液，其中一种视为“老”抛光液，另一种视为“新”抛光液，“老”抛光液持续加入，“新”抛光液定时加入。由两种激发荧光组成的混合光被分光镜等分成两道光束，各自经相应滤光片后，得到两种荧光物质的激发荧光，分别由相应CCD接受，即观察区内“新”、“老”抛光液荧光图像。两幅图像的灰度比即“新”抛光液所占比例。连续拍摄图像，即可动态地观察抛光液的流动、混合特性。

2)、抛光液膜厚度变化测定：如果某一荧光物质溶液满足如下条件，溶液浓度很小，温度不变，pH值不变，激发光频率和强度不变，光被吸收的百分率不太大，那么当溶液的厚度不变时，它所发生的荧光强度和该溶液的浓度成正比。反之，当溶液浓度不变时，它所发生的荧光强度和该溶液的厚度成正比。据报道LIF技术可分辩15μm以下的厚度，而试件与抛光垫之间抛光液膜的厚度为数十微米，所以LIF技术有足够的分辨率测定抛光液膜的厚度。

3)、抛光液膜温度分布测定：采用的两种荧光物质，含其中一种荧光物质的荧光强度几乎不受温度影响，含另一种荧光物质的溶液荧光强度受温度影响很大，而且成线性关系，温度越高荧光强度越弱，标定出溶液相对荧光强度与溶液温度的关系曲线后，即可根据试件下方抛光液膜的两幅荧光图像，推算出抛光液膜各点温度值，进而描绘出温度场。

4)、抛光液膜pH分布值测定：某些荧光物质(如荧光黄)的溶液在一定pH值范围内，荧光强度随pH值的增强而增强。利用与温度测定相类似的方法，即可测定抛光液膜的pH值。

Claims (5)

1、一种CMP过程中晶圆下液体薄膜中间变量的测量装置，其特征在于：所述的测量装置包括激光器、分光镜、滤光片、摄像头、用于计算测量的计算机以及用以提供具有两种荧光材料的抛光液的抛光液供给机构，所述激光器通过光纤连接发散透镜，所述发散透镜的出射光范围覆盖晶圆下的液体薄膜，所述分光镜位于晶圆的上方，所述分光镜的两个出射方向设有两个滤光片，所述每个滤光片与各自摄像头相对，所述的摄像头与所述计算机数据连接，所述的计算机包括用以将摄像头采集的荧光图像进行图像处理，计算得到两种荧光强度后，依照荧光强度与厚度的对应关系得到液体薄膜的厚度；将两种荧光强度的比值作为相对荧光强度，依照相对荧光强度与温度的对应曲线得到液体薄膜的温度；依照相对荧光强度与PH值的对应曲线得到液体薄膜的PH值的中间变量测量模块。

2、如权利要求1所述的CMP过程中晶圆下液体薄膜中间变量的测量装置，其特征在于：所述的测量装置还包括用以消除两个摄像头的拍摄时差的同步器，所述的摄像头连接同步器。

3、如权利要求1或2所述的CMP过程中晶圆下液体薄膜中间变量的测量装置，其特征在于：所述的激光器为Ar离子激光器。

4、如权利要求4所述的CMP过程中晶圆下液体薄膜中间变量的测量装置，其特征在于：所述的晶圆为光学玻璃。

5、如权利要求4所述的CMP过程中晶圆下液体薄膜中间变量的测量装置，其特征在于：所述的摄像头为CCD摄像头。

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