CN102049733A - 电涡流金属膜厚度终点检测装置 - Google Patents

Abstract

电涡流金属膜厚度终点检测装置，属于集成电路化学机械抛光工艺设备技术领域。该装置包括电涡流传感器、导电滑环、导电定环、多频信号发生单元、前置电路以及含有数据处理与控制程序的计算控制单元。电涡流传感器安装在抛光机的抛光台内且与工件对应的抛光垫下方的一个阶梯孔内，该电涡流传感器包括线圈、壳体和压紧螺母。多频信号发生器为电涡流传感器提供激励信号；因金属膜厚度变化引起的电涡流传感器的电感变化信号经前置电路、导电滑环和导电定环输入到计算控制单元。本发明可克服由振动引起的提离值变化对终点检测的影响，提供准确的终点检测；同时电涡流传感器安装拆卸方便，且可解决因电涡流传感器的安装间隙所引起的抛光液的渗漏问题。

Description

电涡流金属膜厚度终点检测装置

技术领域

本发明涉及集成电路化学机械抛光(CMP)工艺技术领域，特别涉及一种化学机械抛光过程中电涡流金属膜厚度终点检测装置。

背景技术

随着集成电路(IC)制造技术的飞速发展，特征线宽已达到45nm以下，晶圆尺寸达到直径300mm以上，金属层布线达到13层以上，电涡流方法比较适用，但已有的电涡流终点检测装置仅含有电涡流传感器、信号发生器和阻抗分析仪，使用一种工作频率，其工作原理是根据不同厚度的金属薄膜对电涡流传感器线圈的阻抗值影响不同，利用阻抗分析仪测量电涡流线圈阻抗的变化来确定终点值。由于CMP过程中抛光盘和晶圆都在转动造成提离高度(即电涡流传感器与被测面之间的距离)不稳定，这种电涡流金属膜厚度终点检测装置受提离高度的影响，无法准确提供终点检测，通常辅助以光学终点检测装置。另外已有的电涡流检测装置的电涡流传感器安装与拆卸较为困难，而且密封性能差，不能很好的解决实际工作中因电涡流传感器的安装间隙所引起的抛光液的渗漏问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种化学机械抛光过程中电涡流金属膜厚度终点检测装置，既能准确的进行终点检测，又能使电涡流传感器安装和拆卸方便，并可解决因电涡流传感器的安装间隙所引起的抛光液的渗漏问题。

本发明的技术方案如下：

一种化学机械抛光过程中电涡流金属膜厚度终点检测装置，其特征在于：该装置包括电涡流传感器、多频信号发生器、导电滑环、导电定环、前置电路以及含有数据处理与控制程序的计算控制单元；所述的电涡流传感器安装在抛光机的抛光台内且与工件对应的抛光垫下方的一个阶梯孔内，电涡流传感器括线圈、壳体和压紧螺母，壳体为一个空心的阶梯轴，所述的线圈安装在阶梯轴顶部，压紧螺母设置在抛光台的上表面和阶梯轴的上轴肩之间，压紧螺母的内孔与阶梯轴配合，并通过外螺纹与抛光台连接；所述的多频信号发生器通过双芯屏蔽数据线经前置电路、导电滑环和导电定环与电涡流传感器连接，为电涡流传感器提供工作信号；因金属膜厚度变化引起的电涡流传感器的电感变化信号通过双芯屏蔽数据线经前置电路、导电滑环和导电定环输入到计算控制单元；当晶圆表面的金属膜厚到达终点厚度值时，该装置控制抛光机停止抛光。

本发明的技术特征还在于：电涡流传感器的线圈为单层空芯线圈；所述的多频信号发生器为扫频模式或多频叠加模式；在阶梯轴的下轴肩下部设有密封圈。

本发明与现有的化学机械抛光过程中电涡流金属膜厚度终点检测装置相比，具有以下优点及突出性效果：本发明可克服由振动引起的提离高度变化对终点检测的影响，提供准确的终点检测；与传统的电涡流传感器采用的多层自粘线圈相比，本发明中的单层空芯线圈有效减小分布电容对测量的影响，提高测量精度；发明了一种新的电涡流传感器外壳结构，方便安装拆卸，并可有效解决因电涡流传感器的安装间隙所引起的抛光液的渗漏问题。

附图说明

图1(a)、(b)、(c)为化学机械抛光过程中电涡流金属膜厚度终点检测装置测量原理示意图。

图2为化学机械抛光过程中电涡流金属膜厚度终点检测装置的安装结构示意图。

图3为图2中A部分的放大图。

图4为电涡流金属膜厚度终点检测装置的电路原理框图。

图5为电涡流金属膜厚度终点检测装置中信号处理与控制程序流程框图。

图6为不同厚度金属铜膜标样(c＝3.0、6.0、9.0μm)的等效电感L随激励信号频率ω的变化关系曲线图。

图7为待测厚度金属铜膜样品的等效电感L随激励信号频率ω的变化关系曲线。

图8为不同提离条件下的等效电感L随激励信号频率ω的变化关系曲线。

图9为单层和多层线圈示意图。

图中：10-抛光头；20-被测晶圆；21-金属膜；30-抛光垫；40-抛光台；50-导电定环；51-导电滑环；60-电涡流传感器；61-传感器端盖；62-压紧螺母；63-壳体；64-密封圈；65-双芯屏蔽数据线；66-线圈；70-多频信号发生器；71-计算控制单元；80-为电涡流传感器线圈等效电路回路；81-为金属膜的等效电路回路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构、工作原理和工作过程做进一步的说明。

该装置的测量原理如图1所示，置于被测金属膜21上的电涡流传感器60的示意图如图1-a所示，其中h为提离高度，c为膜厚，r₁和r₂分别为线圈的内外径，σ为金属膜的电导率。该模型的等效电路如图1-b所示，其电路回路82为待测金属膜的等效电路，电路原理如图1-c，计算控制单元通过前置电路对电涡流传感器60两端电感L的变化信号进行计算处理，得到电涡流传感器等效电感随工作频率的变化关系曲线。根据基尔霍夫定律其表达式为：

$\left[\begin{array}{cc}{R}_1+\mathrm{j\ω}{L}_1& \mathrm{j\ω}{L}_{12}\\ \mathrm{j\ω}{L}_{21}& R_2+\mathrm{j\ω}{L}_2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_0\\ 0\end{array}\right]---\left(1\right)$

将式(1)消去I₂，得到

(R₁+jωL_c)I₁＝U₀                                (2)

其中等效电感L_c可表示为

$L_c=L_1-\frac{\mathrm{\ω}{L}_{12}{L}_{21}}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}_2^2}({\mathrm{\ωL}}_2+j{R}_2)---\left(3\right)$

可见，等效电感L_c的实部L随频率变化，即

$L=\mathrm{Re}\left(L_c\right)=L_1-\frac{L_{12}{L}_{21}{L}_2}{\frac{R_2^2}{{\mathrm{\ω}}^2}+L_2^2}---\left(4\right)$

式中L₁为线圈电感，L₂为金属膜等效电感，L₁₂，L₂₁为线圈电感与金属膜等效电感之间的互感，L₁₂＝L₂₁。对于确定尺寸的电涡流传感器，L₁₂，L₂₁，L₂是不随激励信号频率改变的。当金属层厚度远小于激励信号频率下的趋肤深度

时，金属膜的等效电阻R₂也不随激励信号频率改变，其中μ为磁导率，ω为激励信号频率，σ为电导率。对于金属铜，在1.0MHz时，其趋肤深度为66.7μm。因而等效电感的实部L随激励信号频率ω的增加单调递减。

由式(4)可见，等效电感的实部L不仅与线圈电感L₁和金属膜等效电感L₂以及它们间的互感L₂₁有关，还随金属膜的等效电阻R₂变化。当金属膜厚度增加时，R₂减小，相应的L也发生变化，因而通过测量L的变化就可以反过来确定金属膜厚度。

式(4)也可以表示为如下形式

$L=A-\frac{B}{\frac{C}{{\mathrm{\ω}}^2}+D}---\left(5\right)$

比较式(4)和(5)可得，

因而利用拟合式(5)对等效电感L随激励信号频率ω的变化关系曲线进行拟合确定出C/D值。

为了获得尽可能高的分辨率，将式(4)对激励信号频率求导得

$L^{\′}=\frac{\mathrm{const}}{\frac{L_2^4}{R_2^2}{\mathrm{\ω}}^3+{2L}_2^2\mathrm{\ω}+\frac{R_2^2}{\mathrm{\ω}}}---\left(6\right)$

由式(6)可见，当ω满足

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0=\frac{\sqrt{3}{R}_2}{{3L}_2}---\left(7\right)$

L′具有最大值，即L随ω的变化最显著，该频率点定义为特征频率。上述分析得知：C/D值对应于等效电感L随激励信号频率ω的变化关系曲线的拐点，拐点对应于特征频率ω₀，如果能够确定出L′达到最大值时的特征频率ω₀，就能通过特征频率与金属膜厚度的一一对应关系得出被测膜的厚度。并且由式(7)可知，此测量值与提离值高度h无关(R₂，L₂与提离无关)，为避免实时在线测量过程中提离高度的波动对测量精度的影响提供了一种有效的方法。

图2、图3为化学机械抛光过程中电涡流金属膜厚度终点检测装置的结构及安装示意图。该装置包括电涡流传感器60、导电滑环51、导电定环50、多频信号发生器70、前置电路、计算控制单元71，所述的多频信号发生器70通过双芯屏蔽数据线65经前置电路、导电滑环51和导电定环50与电涡流传感器60连接，为电涡流传感器60提供激励信号；因金属膜21厚度变化引起的电涡流传感器60的电感变化信号通过双芯屏蔽数据线经前置电路、导电滑环和导电定环输入到计算控制单元71；经计算控制单元处理后得到的等效电感L随激励信号频率ω的变化关系曲线。在抛光台40内且与工件对应的抛光垫30下方的位置设有一个阶梯孔，所述电涡流传感器60安装在阶梯孔内；所述电涡流传感器60含有传感器端盖61、压紧螺母62、壳体63、密封圈64、信号传输线65和线圈66，壳体为一个空心的阶梯轴，线圈安装在壳体顶部，压紧螺母设置在抛光台的上表面和壳体的上轴肩之间，螺母通过外螺纹与抛光台连接，螺母的内孔与壳体配合。双芯屏蔽数据线穿过壳体的中心孔与抛光台上的导电滑环51与导电滑环定环50连接，导电滑环定环通过双芯屏蔽数据线与该装置的前置电路相连。

装置开机后，预热15分钟，用已知厚度的金属膜为标样，开始工作，多频信号发生器通过前置电路为电涡流传感器60提供扫频或多频叠加信号，计算控制单元通过前置电路采集电涡流传感器60电感的变化信号，经快速傅里叶变换计算得到标样的等效电感随激励信号频率的变化关系曲线，拟合出ω₀值储存于数据采集与处理单元；将标样取出，开始终点检测，终点检测过程中，该装置不断采集得到的电涡流传感器60信号并实时处理信号得到电涡流传感器60的等效电感随激励信号频率的变化关系曲线，拟合出等效电感ω₀值并与标样的等效电感ω₀值的进行比较，当与标样的ω₀值一致时，该装置控制抛光机停止抛光。使用不同标样可得到一系列不同厚度值对应的特征频率ω₀值，终点检测前通过键盘设定相应的终点厚度值，可实现不同厚度值的终点检测。

图4为电涡流金属膜厚度终点检测装置的电路原理框图，其含有电涡流传感器60、前置电路、多频信号发生器70和计算控制单元71。所述的多频信号发生器通过双芯屏蔽数据线经前置电路、导电滑环和导电定环与电涡流传感器连接，为电涡流传感器提供激励信号；因金属膜厚度变化引起的电涡流传感器的电感变化信号通过双芯屏蔽数据线经前置电路、导电滑环和导电定环输入到计算控制单元。

图5为电涡流金属膜厚度终点检测装置中信号处理与控制程序流程框图，首先为传感器标定，得到ω₀与金属膜厚度c的校准关系曲线，将电涡流传感器60置于化学机械抛光垫30下抛光台40的阶梯孔中，以已知厚度的金属膜为标样(其中h＝2μm、r₁＝3.0mm、r₂＝4.0mm、c＝3.0、6.0、9.0μm)，测得电涡流传感器在各厚度金属膜条件下的一组等效电感L随激励信号频率ω的变化关系曲线(图6)；利用等效电路模型获得的拟合公式：对图6中的各曲线进行拟合并确定出不同厚度标样所对应的

值和特征频率

(表1)，即得到了电涡流传感器的特征频率ω₀与金属膜厚度c的校准关系曲线。

表1不同膜厚所对应的C/D值

预先设定化学机械抛光待测金属膜的终点厚度值，即终点ω₀值为0.152MHz；

将电涡流传感器放置于待测金属铜膜之下(假定厚度为c＝6.0μm)，测得其等效电感L随激励信号频率ω的变化关系曲线(图7)。

采用同样的拟合方法对图7中的等效电感L随激励信号频率ω的变化关系曲线进行拟合，得到其相应的参数C/D＝0.0696和特征频率ω₀＝0.152MHz。

将待测样品的C/D值与表1数据进行对比，可以确定出其膜厚度为6.0μm。

最后将所得的厚度值与预设的终点值对比，当两者相等时即停止化学机械抛光，否则继续重复上述步骤，直到达到所设定的厚度值为止。

为了验证该方法中测量精度受提离高度的影响很小，如下设定铜膜厚度为3.0μm，利用电涡流传感器测量得到不同提离高度条件下的等效电感L随激励信号频率ω的变化关系曲线(图8)，并通过数据拟合得到C/D值(表2)。

表2不同提离所对应的C/D值

提离h(mm)	1.5	2.0	2.5
				C/D	0.2856	0.2849	0.2849

由表2可见，当提离大范围由2.0mm变化到1.5mm时，C/D值仅仅变化了2.5％。通常，实时测量中的提离波动远小于这种变化幅度，因而采用C/D值来计算膜厚可以忽略化学机械抛光过程中难以避免的提离变化的影响。

图9-a所示为该装置中电涡流传感器线圈示意图，由于线圈使用交流信号，线圈不同层间有分布电容存在，线圈等效为一个电感与电容的并联，不再符合图1中所述测量原理，影响测量精度，该线圈为一个单层线圈，可避免多层线圈如图9-b所示不同层线圈之间的分布电容对测量的影响。

Claims (4)

1.一种电涡流金属膜厚度终点检测装置，其特征在于：该装置包括电涡流传感器、多频信号发生器、导电滑环、导电定环、前置电路以及含有数据处理与控制程序的计算控制单元；所述的电涡流传感器安装在抛光机的抛光台内且与工件对应的抛光垫下方的一个阶梯孔内，电涡流传感器括线圈、壳体和压紧螺母，壳体为一个空心的阶梯轴，所述的线圈安装在阶梯轴顶部，压紧螺母设置在抛光台的上表面和阶梯轴的上轴肩之间，压紧螺母的内孔与阶梯轴配合，并通过外螺纹与抛光台连接；所述的多频信号发生器通过双芯屏蔽数据线经前置电路、导电滑环和导电定环与电涡流传感器连接，为电涡流传感器提供激励信号；因金属膜厚度变化引起的电涡流传感器的电感变化信号通过双芯屏蔽数据线经前置电路、导电滑环和导电定环输入到计算控制单元；当晶圆表面的金属膜厚到达终点厚度值时，该装置控制抛光机停止抛光。

2.根据权利要求1所述的一种电涡流金属膜厚度终点检测装置，其特征在于：电涡流传感器的线圈为单层空芯线圈。

3.根据权利要求1所述的一种电涡流金属膜厚度终点检测装置，其特征在于：所述的多频信号发生器为扫频模式或多频叠加模式。

4.根据权利要求1所述的一种电涡流金属膜厚度终点检测装置，其特征在于：在阶梯轴的下轴肩下部设有密封圈。

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