CN102183198A - 用于测量硅片的膜厚度的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测量硅片的膜厚度的测量装置，包括位置速度传感器，位置速度传感器沿纵向线性排列成第一和第二位置速度传感器阵列，第一和第二位置速度传感器阵列在横向上彼此间隔开，第一位置速度传感器阵列中的位置速度传感器在横向上分别与第二位置速度传感器阵列中的位置速度传感器一一对应；电涡流传感器，电涡流传感器位于第一位置速度传感器阵列与第二位置速度传感器阵列之间的垂直于横向的对称平面内；和控制器，控制器分别与位置速度传感器和电涡流传感器相连用于根据位置速度传感器和电涡流传感器的检测信号控制膜厚的测量。根据本发明实施例的测量装置可以实现硅片全局膜厚度的精确测量。

Description

用于测量硅片的膜厚度的测量装置
技术领域
本发明涉及一种测量装置，尤其是涉及一种用于测量硅片的膜厚度的测量装置。
背景技术
随着超大规模集成电路器件密度的增加和特征尺寸的减小，现在芯片均采用铜布线和铜互连。一般来说，制造芯片至少需要四次铜膜沉积和化学机械抛光工艺。化学机械抛光过程控制是影响产出的关键步骤，但它需要极其精确而稳定的膜厚和形貌测量。
为了更好地优化化学机械抛光工艺参数，增加化学机械抛光的成品率和更好的平坦化效果，硅片全局精确膜厚值是至关重要的。化学机械抛光可以针对硅片上膜厚不同的各点或各区域采用不同的工艺参数，以达到硅片全局的平坦化，以及良好的硅片内抛光均匀度。并且可以根据不同硅片的膜厚情况，对该硅片采用不同的抛光工艺参数，可以保证硅片与硅片之间的抛光均匀度。所以，精确地测量硅片上各点的膜厚度是很重要的。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种可以实现测量硅片全局膜厚度的测量装置。
为了实现上述目的，根据本发明的实施例提出一种用于测量硅片的膜厚度的测量装置，所述测量装置包括：位置速度传感器，所述位置速度传感器沿纵向线性排列成第一和第二位置速度传感器阵列，所述第一和第二位置速度传感器阵列在横向上彼此间隔开且所述第一位置速度传感器阵列中的位置速度传感器在所述横向上分别与所述第二位置速度传感器阵列中的位置速度传感器一一对应；电涡流传感器，所述电涡流传感器位于所述第一位置速度传感器阵列与第二位置速度传感器阵列之间的垂直于所述横向的对称平面内；和控制器，所述控制器分别与所述位置速度传感器、所述测距传感器和所述电涡流传感器相连用于根据所述位置速度传感器、所述测距传感器和所述电涡流传感器的检测信号控制膜厚的测量。
根据本发明实施例的测量装置，通过所述电涡流传感器测量待测硅片的膜厚度，通过所述位置速度传感器实时检测待测硅片的速度和位置，精确地定位所述电涡流电感器所测量的点的位置，并将待测硅片的膜厚度检测信号、位置检测信号和速度检测信号反馈给所述控制器以形成闭环控制，从而实现硅片全局膜厚度的精确测量。
另外，根据本发明实施例的测量装置可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述测量装置还包括测距传感器，所述测距传感器设置在所述电涡流传感器周围且与所述控制器相连，其中所述控制器利用所述测距传感器的检测信号对所述涡流传感器的检测信号进行校正，从而得到更精确的膜厚度。
根据本发明的一个实施例，所述电涡流传感器在竖向上成对设置且所述电涡流传感器对的相邻的磁极相反，其中所述测距传感器与设置在所述电涡流传感器对中的上电涡流传感器周围。所述电涡流传感器对的相邻的磁极相反，可以增强磁性，从而增强所述电涡流传感器的检测信号的强度。
根据本发明的一个实施例，所述测距传感器的底面与所述电涡流传感器的底面在同一水平面内。
根据本发明的一个实施例，所述电涡流传感器、所述测距传感器以及所述第一位置速度传感器阵列与第二位置速度传感器阵列彼此平行且处于同一水平面内。
根据本发明的一个实施例，所述位置速度传感器为接近开关，所述接近开关包括在竖向上彼此相对且间隔开设置的信号发生元件和信号接收元件。
根据本发明的一个实施例，所述接近开关为光电接近开关。
根据本发明的一个实施例，所述测距传感器为超声测距传感器、激光测距传感器或者红外线测距传感器。
根据本发明的一个实施例，所述测量装置还包括支架，所述位置速度传感器、所述测距传感器和所述电涡流传感器分别安装在所述支架上，这样可以使所述位置速度传感器、所述测距传感器和所述电涡流传感器处于稳定的状态，从而避免在测量过程中上述传感器因颤动或移动影响测量结果的准确性，并且通过保证支架的加工精度，可以方便地保证测量装置的精度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的测量装置的俯视结构示意图；
图2是根据本发明实施例的测量装置的主视结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，设备上相邻的两个装置之间通过加工媒介之间的联系也称之为“相连”或“连接”。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面参照图1和图2描述根据本发明实施例的测量装置。如图1和图2所示，根据本发明实施例的测量装置包括位置速度传感器4、电涡流传感器2和控制器。
位置速度传感器4沿纵向A线性排列成第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列(图1中的上下两个位置速度传感器阵列)，所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列分别具有多个位置速度传感器4。
所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列在横向B上彼此间隔开，用于测量硅片1的平移速度和旋转速度。
根据本发明实施例的测量装置，所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列在横向B上的间隔距离没有特别限制，可以根据具体应用调整所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列在横向B上的间隔距离。
所述第一位置速度传感器阵列中的位置速度传感器4在横向B上分别与所述第二位置速度传感器阵列中的位置速度传感器4一一对应。具体地说，所述第一位置速度传感器阵列中的左侧第一个位置速度传感器4与所述第二位置速度传感器阵列中的左侧第一个位置速度传感器4在横向B上对应，所述第一位置速度传感器阵列中的左侧第二个位置速度传感器4与所述第二位置速度传感器阵列中的左侧第二个位置速度传感器4在横向B上对应，以此类推，直至所述第一位置速度传感器阵列和所述第二位置速度传感器阵列中的最后一个位置速度传感器(图1中的最右侧位置速度传感器)在横向B上对应。
电涡流传感器2位于所述第一位置速度传感器阵列与所述第二位置速度传感器阵列之间的垂直于横向B的对称平面内，如图1所示，电涡流传感器2在水平面上的投影位于所述第一位置速度传感器阵列与所述第二位置速度传感器阵列在水平面上的投影之间的纵向对称中心线L上。硅片1从电涡流传感器2的下方经过，从而完成对硅片1上的预定点处的膜厚度的测量。控制器(未示出)分别与位置速度传感器4和电涡流传感器2相连用于根据位置速度传感器3和电涡流传感器2的检测信号控制膜厚度的测量。
如图1和图2所示，在利用根据本发明实施例的测量装置测量硅片1的膜厚度时，硅片1的圆心沿所述第一位置速度传感器阵列和所述第二位置速度传感器阵列的纵向对称中心线L的方向(图1中的空心箭头所指的方向和图2中的实心箭头所指的方向)匀速平移，且硅片1在匀速平移的同时匀速旋转。当硅片1平移至图1中的位置时，第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列的最左侧的两个位置速度传感器4检测到硅片1后，停止硅片1的平移运动。此时最左侧的两个位置速度传感器4在硅片1上的投影位于硅片1的圆周上，通过最左侧的两个位置速度传感器4依次检测到硅片1的硅片缺口11的时间间隔和最左侧的两个位置速度传感器4与硅片1的圆心连线的夹角可以计算出硅片1的匀速旋转速度。然后硅片1继续匀速移动，并通过同一位置速度传感器阵列中的相邻两个位置速度传感器4依次检测到硅片1的时间间隔和所述相邻两个位置速度传感器4的距离计算得到硅片1的匀速移动速度。根据硅片1的匀速移动速度和匀速旋转速度可以计算得到电涡流传感器2所测量的硅片1上的点的轨迹和位置。
根据本发明实施例的测量装置通过电涡流传感器2测量硅片1的膜厚度，通过位置速度传感器4实时检测硅片1的速度和位置，精确地定位电涡流电感器2所测量的点的位置，控制器分别从电涡流传感器2和位置速度传感器4接收硅片1的膜厚度检测信号、位置检测信号和速度检测信号以形成闭环控制。控制器通过硅片1的匀速平移速度、匀速旋转速度和硅片1的直径大小可以精确地计算出电涡流传感器2所测量的点的轨迹和位置，被测量的点的轨迹为螺旋线。通过调节硅片1的匀速平移速度和匀速旋转速度，电涡流传感器2可以测量到硅片1上大部分点的膜厚度，从而实现硅片1全局膜厚的精确测量，换言之，根据本发明实施例的测量装置可以测量整个硅片1上的膜厚度。
在本发明的一些实施例中，测量装置还包括测距传感器3，测距传感器3设置在电涡流传感器2周围且与所述控制器相连，从而将检测信号反馈给所述控制器。测距传感器3用于测量电涡流传感器2与硅片1的距离，测距传感器3与电涡流传感器2之间的距离可以预先设定。例如，测距传感器3与硅片1之间的距离加上或减去测距传感器3与电涡流传感器2之间的距离就是电涡流传感器2与硅片1之间的距离。控制器利用测距传感器3的检测信号对涡流传感器2的检测信号进行校正。
在本发明的一个示例中，测距传感器3的底面与电涡流传感器2的底面在同一水平面内，换言之，测距传感器3与电涡流传感器2之间的距离为零。这样，测距传感器3测量到的值就是电涡流传感器2与硅片1之间的距离。在本发明的一个具体示例中，测距传感器3为超声测距传感器、激光测距传感器或者红外线测距传感器。
在本发明的一个示例中，电涡流传感器2在竖向C上成对设置，且所述电涡流传感器对的相邻的磁极相反，即在竖向C上的上电涡流传感器2和下电涡流传感器2的相邻的磁极相反，测距传感器3设置在上电涡流传感器2的周围。在测量时，硅片1从上电涡流传感器2和下电涡流传感器2之间经过。上电涡流传感器2和下电涡流传感器2以相邻磁极相反的方式设置可以增强磁性，从而增强电涡流传感器2的检测信号的强度。在本发明的一个具体示例中，电涡流传感器2可以是已知的电涡流传感器。
在本发明的一个实施例中，电涡流传感器2与所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列中的两个近端位置速度传感器4在水平面内的投影位于同一圆周上，所述圆周的大小与硅片1的圆周的大小可以相同。其中，所述近端是指在利用根据本发明实施例的测量装置对硅片1的膜厚度进行测量时，所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列的先接近硅片1的端部(在图1和图2中的左端)。在测量时，硅片1水平设置，因此电涡流传感器2和两个近端位置速度传感器4在水平面内的投影可以位于硅片1的圆周上。在实际测量时，通常根据待测硅片1的圆周的大小来确定所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列之间的距离、以及电涡流传感器2的位置，从而使电涡流传感器2和两个近端位置速度传感器4在水平面内的投影位于待测硅片1的圆周上，这样更容易确定硅片1的测量起始位置。
在本发明的一个示例中，电涡流传感器2、测距传感器3、所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列彼此平行且处于同一水平面内，由此，使得测量更加方便。
在本发明的一些实施例中，如图2所示，位置速度传感器4可以为接近开关，所述接近开关包括在竖向C上彼此相对且间隔开设置的信号发生元件和信号接收元件，即所述信号发生元件和信号接收元件处于不同的水平面内。所述信号发生元件和信号接收元件相配合用于测量硅片1的旋转速度。在本发明的一个具体示例中，所述接近开关可以为光电接近开关。
在本发明的一个示例中，所述测量装置还包括支架5，位置速度传感器4、测距传感器3和电涡流传感器2分别安装在支架5上。这样可以使位置速度传感器4、测距传感器3和电涡流传感器2处于稳定的状态，从而避免在测量过程中上述传感器因颤动或移动影响测量结果的准确性，并且通过支架5的加工，就可以保证安装精度，从而保证测量精度。
在本发明的一个示例中，所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列彼此平行且处于同一水平面内，电涡流传感器2在竖向C上同时设置在所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列的纵向对称中心线的正上方和正下方以形成电涡流传感器对，所述电涡流传感器对的相邻的磁极相反，测距传感器3设置在所述电涡流传感器对中的上电涡流传感器2的周围，且测距传感器3的底面与上电涡流传感器2的底面在同一水平面内。电涡流传感器2与所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列中的两个近端位置速度传感器4在水平面内的投影位于同一圆周上。电涡流传感器2、测距传感器3和位置速度传感器4可以分别安装在支架5上。
下面描述利用根据本发明实施例的测量装置测量硅片1的膜厚度的过程。
如图1和图2所示，在利用根据本发明实施例的测量装置测量硅片1的膜厚度时，硅片1的圆心沿所述第一位置速度传感器阵列和所述第二位置速度传感器阵列的纵向对称中心线L的方向(图1中的空心箭头所指的方向和图2中的实心箭头所指的方向)匀速平移，且硅片1在匀速平移的同时匀速旋转。硅片1的硅片缺口11作为膜厚度测量的起始点。当硅片1平移至图1中的位置时，在所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列的最左侧(近端)的两个位置速度传感器4检测到硅片1后，停止硅片1的平移运动。然后利用最左侧的两个位置速度传感器4检测硅片1的硅片缺口11，在硅片1的旋转过程中，硅片缺口11依次经过上述两个位置速度传感器4，从而检测到硅片缺口11，由此得到硅片的旋转速度。
硅片1的旋转速度的计算方法为：ω＝θ/T，其中，ω为硅片1旋转速度，θ为所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列的最左侧两个位置速度传感器4与硅片1的圆心连线的夹角，T为最左侧两个位置速度传感器4依次检测到硅片1的硅片缺口11的时间间隔。计算出的旋转速度反馈给所述控制器，用于实时检测和控制硅片1的旋转速度。
当再次检测到硅片缺口11的T/2时间之后，开始匀速平移硅片。因为电涡流传感器2在竖向C上设置在所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列的纵向对称中心线L的正上方，且电涡流传感器2与最左侧两个位置速度传感器4在水平面内的投影位于硅片1的圆周上，所以此时电涡流传感器2正好以硅片1的硅片缺口11为起始点测量硅片1的膜厚度，测距传感器3测量电涡流传感器2与硅片1的距离。
硅片1的平移速度由同一阵列中的相邻两个位置速度传感器测量得到。
硅片1的平移速度的计算方法为：v＝l/T′，其中，v为硅片1的平移速度，l为同一位置速度传感器阵列的相邻的位置速度传感器4的间距，T′为上述相邻的位置速度传感器4依次检测到硅片1的间隔时间。计算出的平移速度反馈给所述控制器，用于实时检测和控制硅片1的平移速度。
当电涡流传感器2测量到硅片1的圆心的膜厚度时，停止硅片1的平移和旋转运动，测量结束，由此，获得了整个硅片1上的膜厚度值，即实现了膜厚的全局测量。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于测量硅片的膜厚度的测量装置，其特征在于，包括：
位置速度传感器，所述位置速度传感器沿纵向线性排列成第一和第二位置速度传感器阵列，所述第一和第二位置速度传感器阵列在横向上彼此间隔开，所述第一位置速度传感器阵列中的位置速度传感器在所述横向上分别与所述第二位置速度传感器阵列中的位置速度传感器一一对应；
电涡流传感器，所述电涡流传感器位于所述第一位置速度传感器阵列与第二位置速度传感器阵列之间的垂直于所述横向的对称平面内；和
控制器，所述控制器分别与所述位置速度传感器和所述电涡流传感器相连用于根据所述位置速度传感器和所述电涡流传感器的检测信号控制膜厚的测量。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，还包括测距传感器，所述测距传感器设置在所述电涡流传感器周围且与所述控制器相连，其中所述控制器利用所述测距传感器的检测信号对所述涡流传感器的检测信号进行校正。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述电涡流传感器在竖向上成对设置且所述电涡流传感器对的相邻的磁极相反，其中所述测距传感器设置在所述电涡流传感器对中的上电涡流传感器周围。
4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述测距传感器的底面与所述电涡流传感器的底面在同一水平面内。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电涡流传感器与所述第一位置速度传感器阵列和第二位置速度传感器阵列中的两个近端位置速度传感器在水平面内的投影位于同一圆周上。
6.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述电涡流传感器、所述测距传感器以及所述第一位置速度传感器阵列与第二位置速度传感器阵列彼此平行且处于同一水平面内。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述位置速度传感器为接近开关，所述接近开关包括在竖向上彼此相对且间隔开设置的信号发生元件和信号接收元件。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述接近开关为光电接近开关。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测距传感器为超声测距传感器、激光测距传感器或者红外线测距传感器。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的测量装置，其特征在于，还包括支架，所述位置速度传感器、所述测距传感器和所述电涡流传感器分别安装在所述支架上。
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