CN101660896B - 基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置，涉及半导体晶圆的化学机械抛光设备技术领域。包括晶圆承载移动机构、激光器总成和数据检测控制电路，其特征在于所述的激光器总成为位置可移动式激光器总成，晶圆承载移动机构为晶圆承载转动机构。采用该发明装置能够对晶圆的表面进行多点检测从而了解晶圆表面膜层的厚度和分布情况，以确定下一步抛光过程的工艺参数，从而完善了抛光工艺过程，提高产品质量。特别适用于半导体晶圆的化学机械抛光设备上。

Description

基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置

技术领域

本发明涉及半导体晶圆的化学机械抛光设备上的光学干涉法膜厚检测装置技术领域。

背景技术

在半导体器件加工中，需要执行CMP操作去除加工缺陷来得到高的平面度。抛光前需对晶圆表面膜层状况有一定了解以确定抛光参数；抛光后要了解抛光状况以确定下一步抛光工艺。但目前已有的膜厚检测装置存在以下缺点：1.在机械结构上采用固定光源，然后在X-Y方向移动盛片台来确定检测点，其缺点为不容易检测同心圆上的点，故不能较好地对采用区域压力控制后的晶圆进行检测，且布点比较麻烦。2.数据检测运算采用乘法器和低通滤波器等硬件电路实现，精度低，灵活性差。国外激光干涉法在线检测为短波干涉，本发明采用长波干涉。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置，采用该发明装置能够对晶圆的表面进行多点检测从而了解晶圆表面膜层的厚度和分布情况，以确定下一步抛光过程的工艺参数，从而完善了抛光工艺过程，提高产品质量。

本发明的主要技术方案是：一种基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置，包括晶圆承载移动机构、激光器总成和数据检测控制电路，其特征在于所述的激光器总成为位置可移动式激光器总成，晶圆承载移动机构为晶圆承载转动机构。

所述的位置可移动式激光器总成的结构具有激光器光源相对于晶圆的Z轴及X轴的调整移动机构，X轴的调整移动机构的结构为：伺服电机通过丝杠激光器承载机构连接；Z轴的调整移动机构的结构为：设有可上下调节的滑台及滑道；接收臂和可调节其角度使红外摄像头与红外激光信号可视的自锁减速箱及旋转手轮相连；发射端与接收端同心旋转式连接。

所述的位置可移动式激光器总成中设有用于记录校准后的位置的编码器。

所述的晶圆承载转动机构的结构为：伺服电机11通过涡轮蜗杆减速器和皮带轮和盛片转台连接。

所述的晶圆承载转动机构上设有晶圆真空吸附机构。

所述的晶圆真空吸附机构的结构为：晶圆盛片转台表面开有圈环形凹槽的，该凹槽通过晶圆承载转盘轴中的孔和真空机连通。

上述的数据检测控制电路结构可为(参考图7)：具有光敏二极管接收器、前置放大电路和滤波电路、测量数据采集卡和数据处理器；其中光敏二极管置于接收端上的准直透镜末端接受干涉后的光信号，另一端通过电缆与放大电路相连把电流信号转换为放大的电压信号，放大电路的输出端连接一个有源带通滤波器电路，对放大后的电压信号进行滤波处理隔绝低频和高频干扰；滤波器输出端连接数据采集卡，可根据需要设定采集数据频率，采集到的数据经数据处理器处理后转变为实验数据储存。

所述的放大电路和滤波电路的结构为：放大电路为二级放大，第一级放大100000倍，第二级可根据需要选择性放大5.1-47倍；滤波电路为有源带通滤波器；通过调节RC原件的值来调节通过频率。结构如图8、图9。

所述的位置可移动式激光器总成中的激光器可采用1310nm单模光纤激光二极管，接收器采用光电二极管，激光器与接收器分别连接到发射臂上的准直透镜和接收臂上的准直透镜上；信号发生器产生的频率信号控制激光器发射光信号，此光信号经光缆传输后经准直透镜聚焦照射到晶圆表面，经晶圆表面的干涉后进入接收端上的准直透镜，经准直透镜汇聚到接收光电二极管，光电二极管把光信号转变为电流信号，电流信号经放大滤波后经数据采集卡采集后又经数据处理器处理作为实验数据保存；放大器采用二极放大，其中第一级的电流信号经一个100k的电阻被放大为100000倍的电压信号，第二级放大可以根据需要选择连通5.1倍、10倍、20倍、和47倍；滤波电路为模拟有源带通滤波器，隔绝低频噪音和高频干扰。

所述的红外激光发生器产生的光信号(如图10)可经立方棱镜平均分为两路，一路照射到晶圆上作为测量光束，另外一路作为对比光束；测量光束经晶圆反射后进入接收端的光敏二极管，对比光束直接进入用于接收对比信号的光敏二极管；以对比光束产生的信号作为基准可以消除由于激光光源不稳定造成的测量误差。

本发明具有突出的有益效果：它克服了已有技术之不足，很好解决了现有技术中长期以来存在的并一直未能解决的问题，采用该发明装置能够对晶圆的表面进行多点检测从而了解晶圆表面膜层的厚度和分布情况，以确定下一步抛光过程的工艺参数，从而完善了抛光工艺过程，提高产品质量。特别适用于半导体晶圆的化学机械抛光设备上。

1)、在机械结构上采用激光器调整移动机构来对光源进行X向运动，确定检测点的半径，然后通过晶圆的承载旋转机构来确定同心圆上的点。这样的机械结构能够较好的反映采用区域压力控制后硅片膜厚的分布情况，以确定下一次区域压力控制的参数。

2)、通过高精度A/D采集数据，使用软件实现相关检测运算，其优点是精度高，灵活性好，稳定性好。

3)、采用真空吸附盛片台，可在工件旋转过程中在线测量，适于需对工件加工状态在线监控的使用要求。可实现信号处理和自动检测。

该装置能够在CMP抛光过程中通过机械手传递，来检测晶圆抛光前和抛光后表面膜层的厚度及厚度分布情况，以确定下一步抛光的技术参数，为其抛光工艺过程的完善和改进创造条件，从而提高产品质量，提升CMP设备的整体技术水平和设备档次。

以下结合附图及实施例作详述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的机械结构示意图。

图2为图1中激光器的调整机构示意图。

图3为图1中盛片台旋转机构的结构示意图。

图4为图2中的激光器的调整机构内部结构示意图。

图5为图1中激光器承载机构移动结构示意图。

图6为图3中用的真空气路图。

图7为本发明的电原理图。

图8为图7的电路放大器原理图。

图9为图7的二阶有源跟踪滤波器原理图。

图10为本发明的光路原理图。

图中标号说明：01-盛片台，02-光纤输出接头，03-准直透镜04-发射端，05-激光发生器，06-Z轴滑台，07-编码器，08-减速箱，09-手轮，10-接收端，11-盛片台电机，12-小带轮，13-底板，14-快速旋转接头，15-支撑件，16-传动轴，17-轴承座，18-大带轮，19-激光器承载机构，20-限位传感器，21-工作台电机，22-发射臂，23-接收臂，24-外轴承，25-手轮，26-蜗杆，27-编码器，28-蜗轮，29-内轴承，30-连轴器，31-丝杠，32-导轨，33-导轨法兰，34-光学系统组件，35-调制激光光源，36-频率信号，37-信号发生器，38-参考信号，39-处理系统，40-数据采集，41-滤波器，42-放大器，43-实验样件，44-测量平台。

具体实施方式

本发明装置结构主要由晶圆的承载旋转机构、激光器调整移动机构、晶圆的真空吸附气路三部分构成，其装置结构如图1所示。

依据原理为光的薄膜干涉，如图10。干涉后光强为

$E=E_1+E_2+2\sqrt{E_1{E}_2}\cos \left(\frac{4n_2\mathrm{\π}d\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)$

由光强E可以得到膜厚d。配套的电气软件系统包括前置放大电路、滤波器电路、测量数据的采集和测量后数据处理，原理图如图7所示。

晶圆的承载旋转机构由电机11、减速器、带轮12驱动盛片台01旋转，如图2。盛片台做旋转运动，真空发生器组件与盛片台的连接采用快速旋转接头实现。盛片台表面开有24圈环形凹槽，晶圆放在盛片台上后，打开真空发生器组件使盛片台表面凹槽中产生真空压力吸附晶圆，测量结束后通过真空发生器吹气破坏真空。盛片台旋转采用伺服电机经涡轮蜗杆减速器和皮带轮驱动。

激光器调整机构包括发射臂22、接收臂23、自锁减速箱08和手轮09和滑台06。减速箱08安装在滑台06上，可上下移动。其内部结构如图4。发射臂22与接收臂23同心旋转，发射臂22手动旋转到一定角度后固定，旋转手轮09调节接收臂角度23，接收臂23可自锁。激光器移动机构采用电机21、丝杠31驱动，如图5。激光器承载机构的直线运动通过伺服电机和精密滚珠丝杠驱动。

激光器05采用1310nm单模光纤激光二极管，保证光波频率，相位，偏振态，传播方向的一致性。接收器采用光电二极管。激光器与接收器分别连接到发射臂04上的准直透镜03和接收臂10上的准直透镜上。

晶圆采用真空吸附，保证晶圆固定和不损伤。真空气路包括节流阀、减压阀、真空发生器组件，如图6。调节节流阀和减压阀可控制真空度。测试完毕后吹气破坏真空，取下晶圆。

传感器及放大滤波电路：采用PIN光电二极管作为传感器对光强信号进行检测，光电二极管输出的电流信号幅值为0～10μA，与输入光光强度成近似线性关系。信号频率为1～10KHz，放大器电路如图8所示。其中放大器采用高精度、低噪声的宽带运算放大器OP37，增益带宽积为63MHz。为降低噪声及防止混叠对数据采集及处理系统的影响，在放大电路后级采用了图9所示的跟踪滤波器，该滤波器为二阶有源带通滤波器，通过调整R、C元件的值改变中心频率。

由信号发生器37的频率信号控制红外激光发生器35产生调制的光信号，再通过连接在发射端04上的光缆02传输到准直透镜03后入射到晶圆表面。在晶圆表面产生反射和折射，反射光与折射光产生干涉后的光信号被接收端10的透镜接收后通过光缆连接到光电二极管转换为电信号输出。通过电信号的值可以反映出晶圆表面膜层的厚度。

滑台06可上下调节，旋转手轮09可调节接收端10角度，红外摄像头使红外激光信号可视。三者用于发射光与接收光对准。编码器07用于记录校准后的位置。

光电二极管产生的微弱信号通过放大器42的两级放大作用转换为可以采集的电压信号。再经过二阶有源带通滤波器41的滤波作用消除噪声干扰和防止信号失真。最后经数据采集卡40高速采集后送入软件处理系统39，通过微机和软件系统进行数字解调运算。

测量时先对准盛片台01中心，寻找晶圆圆心的具体方法是激光器承载机构19缓慢向盛片台01运动，在运动过程中通过数据采集以及软件处理系统时刻采集当前数据，当采集到有效信号时，激光器承载机构19停止1秒后快速运动100mm，此时激光束正好打在晶圆圆心处。然后通过移动激光器承载机构和旋转盛片台来完成对要求点的测量。

为消除红外激光发生器05的不稳定造成的误差，把红外激光发生器05产生的光信号平均分为两路，一路照射到晶圆上作为输入源，另外一路作为对比信号。

数据采集处理系统及数据处理算法：数据采集卡选用高速PCI总线数据采集卡PCI-1716，其中模拟量数据采集系统的分辨率为16bit，采样频率为250KHz，内置1KFIFO，可实现信号的连续采集。锁定放大器采用数字(软件)方式实现，数字LIA是通过数据采集卡的ADC将模拟信号转化为数字信号再由微处理器来进行数字解调运算。

软件具体实现方法为：DSP或微机通过参考信号r(t)产生中断信号的时间间隔确定载波信号的频率f_r，并控制A/D的采样频率f_s(f_s≥10f_r)，由DSP或微机根据N来合成正弦参考序列r_s(k)和余弦参考序列r_c(k)，对于数据长度为M的测量序列有：

r_s(k)＝sin(2πkf_r/f_s)

r_c(k)＝cos(2πkf_r/f_s)

k＝0，1，2…M-1

按如下公式确定x(k)和r_s(k)的互相关系数R_xrs；x(k)和r_c(k)的互相关系数R_xrc：

$R_{\mathrm{xrs}}=\frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)\·r_s\left(k\right)$

$R_{\mathrm{xrc}}=\frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)\·r_c\left(k\right)$

由R_xrs及R_xrc即可确定被测信号的幅度A和相位；

$A=2\sqrt{R_{\mathrm{xrs}}^2+R_{\mathrm{xrc}}^2}$

再把此值代入方程组：

A₁＝P+KcosTh₁

A₂＝P+KcosTh₂

A₃＝P+KcosTh₃

就可以得出P，K，T的值，从而标定好公式。再把实际需要测量的硅片的幅度和相位值代入此公式就可以得到所需要测量的膜厚值

数字LIA比模拟LIA有许多优点，如谐波抑制能力强、无直流漂移、实行数字处理有很好的灵活性等，微机及软件实现锁定放大功能。

综上：盛片台01做定轴旋转运动，激光器承载机构19做直线运动，完成对晶圆表面做多点检测，通过软件系统的数据采集和数据处理，得到晶圆表面膜层的厚度和分布情况，为调整下一步的抛光参数提供依据。

本发明装置可用以测量晶圆的表面膜层厚度和分布情况，具体操作如下：

1、吸附晶圆：晶圆放在盛片台01上后，开启真空发生器组件，使盛片台01表面凹槽中产生真空压力，吸附晶圆。

2、打开激光发生器05，通过红外摄像机观察光斑大小，调整激光光源到适合大小。通过旋转手轮09调节接收臂10角度，调节滑台06调节光源到晶圆表面的距离。当接收臂10的透镜接收到最亮光斑时结束调节，锁死滑台06，通过绝对值编码器07记住此时接收臂10的角度位置。

3、开启电机21使激光器承载机构19直线运动到远离盛片台06的限位开关20处停止，此时激光光源没有落在晶圆上，故接收端10没有信号输出。驱动激光承载机构19接近晶圆，在输出端接收到信号后再前进100mm，找到晶圆圆心。从圆心开始移动激光器承载机构19和旋转盛片台01进行多点测量。

4、激光器05由信号发生器37产生一个稳定的频率信号36控制产生一个稳定的调制激光光束经光缆02传输到发射臂04上的准直透镜03后发射到晶圆表面。接收臂09上的透镜接收到的光信号传输到光电二极管，产生微弱的电流信号。微弱信号经过高精度、低噪声的放大器42放大后再经过滤波器41滤波作用，然后由数据采集系统40对数据进行高速采集后送入软件处理系统39，再通过微机及软件实现锁定放大功能，对比信号38经过同样一套系统后与对比信号相除得到信号经干涉后的衰减比例，最后通过标定后的公式输出相对应点的膜厚值。

5、测量完毕，激光器承载机构19运动回初始位置。此时，软件再对数据进行运算处理后输出一份膜厚检测值。

Claims (7)

1.一种基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置，包括晶圆承载移动机构、激光器总成和数据检测控制电路，其特征在于所述的激光器总成为位置可移动式激光器总成，晶圆承载移动机构为晶圆承载转动机构；所述的位置可移动式激光器总成的结构具有激光器光源相对于晶圆的Z轴及X轴的调整移动机构，X轴的调整移动机构的结构为：伺服电机(21)通过丝杠(31)与激光器承载机构(19)连接；Z轴的调整移动机构的结构为：设有可上下调节的滑台及滑道；激光器与接收器分别连接到发射臂、接收臂上，自锁减速箱安装在滑台上，可上下移动，发射臂与接收臂同心旋转，发射臂手动旋转到一定角度后固定，旋转手轮(09)调节接收臂角度，接收臂可自锁。

2.根据权利要求1所述的基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置，其特征在于所述的位置可移动式激光器总成中设有用于记录校准后的位置的编码器(07)。

3.根据权利要求1所述的基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置，其特征在于所述的晶圆承载转动机构上设有晶圆真空吸附机构。

4.根据权利要求1所述的基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置，其特征在于所述的位置可移动式激光器总成中的激光发生器(05)采用1310nm单模光纤激光二极管，接收器采用光电二极管。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置，其特征在于所述的数据检测控制电路的结构为：具有光电二极管接收器、放大电路和滤波电路、测量数据采集卡和数据处理器；其中光电二极管置于接收臂上的准直透镜的末端接受光信号，然后再把光信号转变为电流信号后通过电缆与放大电路的输入端相连把电流信号转换为放大的电压信号，放大电路的输出端连接一个有源带通滤波器电路，对放大后的电压信号进行滤波处理隔绝低频和高频干扰；滤波器输出端连接数据采集卡，根据需要设定采集数据频率，采集到的数据经数据处理器处理后转变为实验数据储存。

6.根据权利要求5所述的基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置，其特征在于所述的放大电路和滤波电路的结构为：放大电路为二级放大，第一级放大100000倍，第二级可根据需要选择性放大5.1-47倍；滤波电路为有源带通滤波器；通过调节RC元件的值调节通过频率。

7.根据权利要求5所述的基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置，其特征在于所述的激光发生器(05)产生的光信号经立方棱镜平均分为两路，一路照射到晶圆上作为测量光束，另外一路作为对比光束；测量光束经晶圆反射后被用于测量信号接收的光电二极管接收，对比光束直接被一个用于对比信号接收的光电二极管接收。

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