CN102175133B - 全局金属膜厚度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种全局金属膜厚度测量装置，包括底座，底座上固定有转台和直线单元，转台包括定子部分和转子部分，定子部分固定在底座上，转子部分上固定工作台，工作台内有真空管路，转子部分的旋转接头与所述真空管路相连，直线单元包括导轨和可沿导轨滑动的滑块，导轨固定在底座上，滑块上固定连接水平的悬臂，悬臂的另一端设置有测头，测头内设电涡流探头；滑块也可以与悬臂铰接，滑块上固定电磁铁，悬臂一端下方固定铁块，另一端设置测头，测头内设电涡流探头和竖直的通气孔及节流孔，通气孔和节流孔同轴相连后贯通测头，本发明能够实现探头与被测工件之间提离高度的自适应，不受设备机械运动精度的影响；能够实现探头与被测工件之间较小的提离高度，而探头与工件不会接触。

Description

全局金属膜厚度测量装置

技术领域

本发明涉及半导体行业膜厚精密测量技术领域，特别涉及一种全局金属膜厚度测量装置。

背景技术

随着集成电路(IC)制造技术的发展，晶圆尺寸达到直径300mm以上，特征线宽已达到45nm以下，采用新的半导体、导体和介电材料以克服集成度提高所带来的功耗和信号延迟方面的问题。铜互连延迟限制了IC向更高速发展，低k介质、小线宽及多层数是改善的有效途径。但低k介质层的机械强度远小于铜线，导致传统的大应力CMP抛光容易撕裂。其解决方案是采用两步抛光法，即先采用大应力CMP将铜层抛光到一定厚度，然后再利用无应力抛光。在第二步无应力抛光前，需要精确确定工件上各个点的铜膜厚度，电涡流方法是非接触式测量方法，不破坏铜膜，精度高，较为适用，在实际应用过程遇到的问题主要是提离(即电涡流传感器与被测薄膜间的距离)的不稳定，影响膜厚测量精度。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种全局金属膜厚度测量装置，实现测头与工件间隙的自适应，不受工件厚度和机械运转精度的影响，将提离高度稳定在一个较小范围内，实现了对工件膜厚度的快速准确全局测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种全局金属膜厚度测量装置，包括底座10，其特征在于，底座10上固定有转台20和直线单元30，转台20包括定子部分21和转子部分22，定子部分21固定在底座10上，转子部分22上固定工作台50，工作台50内有真空管路，转子部分22的旋转接头23与所述真空管路相连，直线单元30包括导轨31和可沿导轨31滑动的滑块32，导轨31固定在底座10上，滑块32上固定连接水平的悬臂40，悬臂40的另一端设置有与工作台50台面相对的测头80，测头80内设置电涡流探头82。

直线单元30可以是直线电机或者导轨丝杠单元配合电机，悬臂40固定在电机上。

电涡流探头82为轴对称线圈821。

更进一步，如果要实现更精确控制，可使得滑块32与悬臂40铰接，滑块32上还固定有电磁铁33，悬臂40一端下方固定与电磁铁33相对的铁块41，另一端设置有与工作台50台面相对的测头80，测头80内设电涡流探头82和竖直的通气孔81及节流孔83，通气孔81和节流孔83同轴相连后贯通测头80。

本发明与现有技术相比，具有的优点是：能够实现探头与被测工件之间提离高度的自适应，不受设备机械运动精度的影响；能够实现探头与被测工件之间较小的提离高度，而探头与工件不会接触。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，悬臂40和滑块32铰接，测头80在工作台上方；

图2是图1中A处局部放大视图；

图3是本发明的结构示意图，悬臂40和滑块32铰接，测头80远离工作台；

图4是电涡流探头82测量原理图，其中图4(a)为电涡流探头线圈对工件测量示意，图4(b)为探头线圈等效电路和电涡流等效电路，图4(c)为膜厚测量电路原理；

图5是全局测量示意图；

图6是本发明的结构示意图，悬臂40和滑块32固定；

图7是图6中B处局部放大图；

图8是本发明所述装置信号处理单元原理图。

在附图中：

10-底座，                 20-转台，          21-定子部分，

22-转子部分，             23-旋转接头，      30-直线单元，

31-导轨，                 32-滑块，          33-电磁铁，

40-悬臂，                 41-铁块，          50-工件台，

60-轴承，                 70-销轴，          80-测头，

81-通气孔，               82-电涡流探头，    821-电涡流探头线圈，

823-探头线圈等效电路，    824-电涡流等效电路，

825-膜厚测量电路原理；    83-节流孔，        90-工件，

901-待测金属膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明为全局金属膜厚度测量装置，一种全局金属膜厚度测量装置，包括底座10，底座10上固定有转台20和直线单元30，转台20包括定子部分21和转子部分22，定子部分21固定在底座10上，转子部分22上固定工作台50，用以放置待测工件90，工作台50内有真空管路，转子部分22的旋转接头23与所述真空管路相连，通过真空实现工件台50对工件90的吸附，直线单元30包括导轨31和可沿导轨31滑动的滑块32，导轨31固定在底座10上，所述滑块32与悬臂40通过轴承60与销轴70铰接，滑块32上还固定有电磁铁33，滑块32由步进电机控制在水平位置上直线移动，悬臂40一端下方固定与电磁铁33相对的铁块41，另一端设置有与工作台50台面相对的测头80，通过控制电磁铁33的对铁块的吸和放实现测头80的抬起和放下，测头80内设电涡流探头82和竖直的通气孔81及节流孔83，通气孔81和节流孔83同轴相连后贯通测头80，节流孔83的孔径小于通气孔81的孔径，通过通气孔81通气实现测头80气浮于工件90表面，所述电涡流探头82为轴对称线圈821。

测头80工作时，电磁铁33断电，通过通气孔81的气体的压力和流量控制测头80与工件90之间的间隙，通过转台20的旋转和滑块32的平移，电涡流探头82可以扫过或定位到所需要测量的位置。

如图3所示，测量结束后，测头80不工作，电磁铁33通电，通过悬臂40的旋转将测头80抬起，直线单元往远离工件的方向移动，使得测头80离开工件90表面，便于工件的装卸。

本发明所述装置的电涡流探头82测膜厚的原理图如图4所示，涡流探头为一轴对称线圈821，在探头下方有工件90，工件上表面待测金属膜901，在测量开始前，先要进行标定，取一系列已知金属膜厚度的标准工件，测头80工作，工件在工作台50的带动下旋转，电涡流探头82在直线单元30的带动下运行到工件90的待测点上方，在工作时通入交流信号U₀，产生交变磁场，线圈电阻为R₁，可等效为环路823，当金属薄膜901靠近线圈时，由于空间中存在交变磁场，金属薄膜901内产生电涡流即环状电流，该环状电流可等效为环路824，R₂为等效环路中金属薄膜的电阻值，环路823和环路824之间通过互感L₁₂和L₂₁相互作用，使用基尔霍夫定律对等效电路原理图825分析，得到线圈821的等效电感为

可见，等效电感Lc的实部L随频率变化，即

对于一定的传感器结构，L₁₂，L₂₁，L₂是不随激励频率改变的。当金属层厚度远小于激励频率下的趋肤深度时，金属膜的等效电阻R₂也是不随频率改变的。以上公式中μ为磁导率，ω为圆频率，σ为电导率。对于金属铜，在1MHz时，其趋肤深度为66.7μm。

因此在L₁₂，L₂₁，L₂均为常数，不随圆频率变化的情况下，等效电感的实部L随频率ω的变化关系曲线是单调的递减的。

可见等效电感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也就发生变化，因而通过测量L的变化就可以反过来确定金属薄膜厚度，在这里等效电感L可表示为L＝A-B/(C/ω²+D)，其中，A＝L1、B＝L₂₁L₁₂L₂、

为了获得尽可能高的分辨率，将等效电感L对激励信号频率ω求导得

当ω满足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薄膜厚度的一一对应关系得出被测薄膜的厚度。并且由L的表达式可知，此测量值与提离h无关(R2，L2与提离无关)。

如图5所示，金属膜厚全局测量的方法是，根据测量点数的要求，探头在待测金属膜上方从工件中心到边缘或者从边缘到中心每次步进一定距离后暂停，旋转一周，根据测量点数要求间隔一定角度测量一次，该圆周的测点测完后，步进到下一测量圆周，继续测量，根据每个测点(i，j)的步进距离位置(r_ij)和旋转角度(θ_ij)以及膜厚值，即可得到工件全局的膜厚分布。

如图6和图7所示，为扫描测量装置的另一实施例，对于电涡流探头82间隙波动要求不高的情形，悬臂40和滑块32之间可以固定连接，滑块32受电机控制在水平方向上直线移动，这时测头80不需要气浮装置，安装时调整测头80与工件台50之间的间隙为所需要值，使用扫频测量原理确定特征频率值从而确定金属膜厚。

如图8所示，信号处理单元中，计算机程序控制电机控制器，当测头暂停时，信号发生器给探头提供序列信号，信号频率可以为1KHz、2KHz、4KHz、8KHz、16KHz、32KHz、64KHz、128KHz、512KHz、1MHz、2MHz、4MHz、8MHz、16MHz，然后信号采集卡采集探头信号输入计算机处理后记录膜厚值，当完成一个测点(i，j)的膜厚测量，计算机对电机驱动器发出指令，电机驱动器控制电机带动转台20转动并在同一圆周的下一个测点暂停，完成该点的膜厚测量，重复此步骤完成一个圆周内各个测点的膜厚测量。当完成一个圆周内的各测点膜厚测量后，计算机对电机驱动器发出指令，电机驱动器控制直线单元30中的直线电机或者导轨丝杠单元配合电机，通过滑块32和悬臂40将探头步进到下一测量圆周，继续测量，得到工件全局的膜厚分布。

Claims (10)

1.一种全局金属膜厚度测量装置，包括底座(10)，其特征在于，底座(10)上固定有转台(20)和直线单元(30)，转台(20)包括定子部分(21)和转子部分(22)，定子部分(21)固定在底座(10)上，转子部分(22)上固定工作台(50)，工作台(50)内有真空管路，转子部分(22)的旋转接头(23)与所述真空管路相连，直线单元(30)包括导轨(31)和可沿导轨(31)滑动的滑块(32)，导轨(31)固定在底座(10)上，滑块(32)上固定连接水平的悬臂(40)，悬臂(40)一端下方固定与电磁铁(33)相对的铁块(41)，悬臂(40)的另一端设置有与工作台(50)台面相对的测头(80)，测头(80)内设置电涡流探头(82)。

2.根据权利要求1所述的全局金属膜厚度测量装置，其特征在于，所述直线单元(30)为直线电机，或者为导轨丝杠单元配合电机，悬臂(40)固定在电机上。

3.根据权利要求1所述的全局金属膜厚度测量装置，其特征在于，所述电涡流探头(82)为轴对称线圈(821)。

4.根据权利要求1所述的全局金属膜厚度测量装置，其特征在于，电涡流探头(82)由信号发生器提供信号，并由信号采集卡采集探头信号。

5.根据权利要求4所述的全局金属膜厚度测量装置，其特征在于，所述信号发生器提供信号为1KHz、2KHz、4KHz、8KHz、16KHz、32KHz、64KHz、128KHz、512KHz、1MHz、2MHz、4MHz、8MHz、16MHz的序列信号。

6.一种全局金属膜厚度测量装置，包括底座(10)，其特征在于，底座(10)上固定有转台(20)和直线单元(30)，转台(20)包括定子部分(21)和转子部分(22)，定子部分(21)固定在底座(10)上，转子部分(22)上固定工作台(50)，工作台(50)内有真空管路，转子部分(22)的旋转接头(23)与所述真空管路相连，直线单元(30)包括导轨(31)和可沿导轨(31)滑动的滑块(32)，导轨(31)固定在底座(10)上，所述滑块(32)与悬臂(40)铰接，滑块(32)上还固定有电磁铁(33)，悬臂(40)一端下方固定与电磁铁(33)相对的铁块(41)，另一端设置有与工作台(50)台面相对的测头(80)，测头(80)内设电涡流探头(82)和竖直的通气孔(81)及节流孔(83)，通气孔(81)和节流孔(83)同轴相连后贯通测头(80)。

7.根据权利要求6所述的全局金属膜厚度测量装置，其特征在于，所述通气孔(81)的孔径大于节流孔(83)的孔径。

8.根据权利要求6所述的全局金属膜厚度测量装置，其特征在于，所述电涡流探头(82)为轴对称线圈(821)。

9.根据权利要求6所述的全局金属膜厚度测量装置，其特征在于，电涡流探头(82)由信号发生器提供信号，并由信号采集卡采集探头信号。

10.根据权利要求9所述的全局金属膜厚度测量装置，其特征在于，所述信号发生器提供信号为1KHz、2KHz、4KHz、8KHz、16KHz、32KHz、64KHz、128KHz、512KHz、1MHz、2MHz、4MHz、8MHz、16MHz的序列信号。

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