CN103234449A

CN103234449A - 有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法及装置

Info

Publication number: CN103234449A
Application number: CN2013101701466A
Authority: CN
Inventors: 赵乾; 余强; 孟永钢; 路新春
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: CN103234449B

Abstract

本发明提出了一种有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法，包括以下步骤：将电涡流传感器置于与导体膜间隔预定距离的位置；向电涡流传感器输入预定频率范围的交变电流作为激励信号；获取电涡流传感器的等效阻抗随激励信号的频率的变化关系曲线，以便得到等效阻抗的实部与激励信号的频率的比值；得到比值随所述激励信号的频率变化的关系曲线；得到关系曲线中的峰值点的激励频率；比较待测导体膜对应的峰值激励频率与标样的峰值激励频率，以得到待测导体膜的厚度值。该方法可以简便、快速地测量导体膜厚度，且能够减小提离波动对厚度测量的影响，从而提高测量精度。本发明还提出了一种有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量装置。

Description

有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法及装置

技术领域

本发明涉及导体膜厚度测量技术领域，特别涉及一种有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法及装置。

背景技术

目前，导体膜厚度的测量方法通常包括：四点探针法、电涡流法、X射线吸收法、X射线荧光法、激光超声法等。

四点探针法会对导体膜的表面造成损伤。X射线吸收法与X射线荧光法具有放射性，因此不适宜于在常规环境中应用。传统的电涡流测量方法多通过单频点的电涡流传感器的阻抗变化、电感变化或Q值变化来测量单层薄膜的厚度。在实际应用过程中电涡流法主要存在如下问题：a）测量分辨率和精度有限；b）实际测量过程中存在提离高度（即电涡流传感器与被测薄膜间的距离）变化的影响。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法，该方法可以简便、快速地测量导体薄膜（即导体膜）厚度，且能够减小提离（指传感器与待测样品之间的测量距离）波动对厚度测量的影响，从而提高测量精度。

本发明的另一个目的在于提出一种有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量装置。

为达到上述目的，本发明第一方面的实施例公开了有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法，包括以下步骤：将所述电涡流传感器置于与导体膜间隔预定距离的位置；向所述电涡流传感器输入预定频率范围的交变电流作为激励信号；获取所述电涡流传感器的等效阻抗随所述激励信号的频率的变化关系曲线，以便得到所述等效阻抗的实部与激励信号的频率的比值；得到所述比值随所述激励信号的频率变化的关系曲线，并得到所述关系曲线中的峰值点的激励频率；以及比较待测导体膜对应的峰值激励频率与标样的峰值激励频率，以得到所述待测导体膜的厚度值。

根据本发明实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法，测量导体膜的厚度，受到提离距离波动的影响非常小。因此，尽管测量过程中提离距离可能发生波动，但对厚度测量的结果影响非常小。因此，该方法可以简便、快速地测量导体膜的厚度、并且可以极大地减小提离距离波动对厚度测量结果的影响。另外，该方法操作简单，易于实现。

另外，根据本发明上述实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述预定频率范围位于[1KHz-200MHz]之间。

在一些示例中，所述导体膜的厚度位于[10纳米至5微米]之间。

在一些示例中，所述电涡流传感器的探头线圈匝数为[1匝至100匝]之间。

本发明第二方面的实施例公开了一种有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量装置，包括：电涡流传感器，所述电涡流传感器置于与导体膜间隔预定距离的位置；前置信号处理模块，所述前置信号处理模块用于向所述电涡流传感器输入激励信号，并获得所述电涡流传感器的测量信号，其中，所述激励信号为预定频率范围的交变电流；以及数据采集处理模块，所述数据采集处理模块用于在所述交变电流的预定相位时，采集所述前置信号处理模块提供的测量信号，以根据所述测量信号得到所述电涡流传感器的等效阻抗的实部与激励信号的频率的比值，并得到所述比值随所述激励信号的频率变化的关系曲线，并得到所述关系曲线中的峰值点的激励频率，以及比较待测导体膜对应的峰值激励频率与标样的峰值激励频率，以得到所述待测导体膜的厚度值。

根据本发明实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量装置，测量导体膜的厚度，受到提离距离波动的影响非常小。因此，尽管测量过程中提离距离可能发生波动，但对厚度测量的结果影响非常小。因此，该装置可以简便、快速地测量导体膜的厚度、并且可以极大地减小提离距离波动对厚度测量结果的影响。另外，该装置结构简单，成本低。

另外，根据本发明上述实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量装置还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述前置信号处理模块还用于：将所述测量信号转换为模拟电信号。

进一步地，所述数据采集处理模块还用于：将所述模拟电信号转换为数字信号。

在一些示例中，所述电涡流传感器的线圈的外径大于3毫米，所述线圈的匝数为1匝至100匝。

在一些示例中，所述预定频率范围位于[1KHz-200MHz]之间。

本发明附加的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

本发明所述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法的流程图；以及

图2是根据本发明另一个实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量装置的示意图；

图3a和3b分别示出了采用本发明实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量装置在不同薄膜厚度和不同提离下，利用电涡流传感器测量导体膜时传感器的阻抗实部与激励频率的比值随激励频率变化的关系曲线；以及

图4a和4b分别示出了根据本发明一个实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量装置中激励频率随导体膜厚度和提离变化的关系曲线。

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，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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，需要说明的是，除非另有规定和限定，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，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解所述术语的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法及装置。

图1是根据本发明一个实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法的流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S101：将电涡流传感器置于与导体膜间隔预定距离的位置。即将电涡流传感器放置在与导体膜间隔预定提离距离h的位置处，其中，该预定距离（预定提离距离h）根据经验值确定。

步骤S102：向电涡流传感器输入预定频率范围的交变电流作为激励信号。即向电涡流传感器输入多频交变电流，并将该多频交变电流作为激励信号。

在该示例中，电涡流传感器的探头线圈匝数为但不限于[1匝至100匝]之间。另外，预定频率范围位于但不限于[1KHz-200MHz]之间。

步骤S103：获取电涡流传感器的等效阻抗随激励信号的频率的变化关系曲线，以便得到等效阻抗的实部与激励信号的频率的比值。例如：可通过测量的方式，得到电涡流传感器的等效阻抗Z随激励信号的频率f的变化关系曲线，并可根据该变化关系曲线推导出等效阻抗Z的实部R与激励信号的频率f的比值R/f。

步骤S104：得到比值随激励信号的频率变化的关系曲线，并得到关系曲线中的峰值点的激励频率。该比值R/f随激励信号的频率f的变化关系曲线中存在一个峰值点，峰值点对应的激励频率（即峰值点的激励频率）记为f₀。由此，当导体膜的厚度处于5微米以内时，激励频率f₀随导体膜厚度变化的灵敏度远远大于其随提离距离h变化的灵敏度。在该实例中，导体膜的厚度位于但不限于：[10纳米至5微米]之间。

步骤S105：比较待测导体膜对应的峰值激励频率与标样的峰值激励频率，以得到待测导体膜的厚度值。例如：首先对激励频率f₀进行分析，通过比较待测样品导体膜（待测导体膜）与标样（导体膜）的峰值频率值（激励频率）f₀，从而得出待测导体膜的厚度值。

根据本发明实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法可以简便地、快速地测量导体膜的厚度，并且极大地减小提离波动对厚度测量的影响，从而提升测量的精度。另外，该方法操作简单，易于实现。

图2是根据本发明一个实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量装置的示意图。

如图2所示，该有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量装置10包括：电涡流传感器100、前置信号处理模块200和数据采集处理模块300。

其中，电涡流传感器100置于与导体膜20间隔预定距离的位置。即将电涡流传感器100放置在与导体膜20间隔预定提离距离h的位置处，其中，该预定距离（预定提离距离h）根据经验值确定。此外，在本发明的一个或多个实施例中，电涡流传感器100的线圈的外径大于3毫米，线圈的匝数为但不限于1匝至100匝。

前置信号处理模块200与电涡流传感器100相连，用于向电涡流传感器100输入激励信号，并获得电涡流传感器100的测量信号，其中，激励信号为预定频率范围的交变电流（即多频交变电流）。在本发明的一个实施例中，前置信号处理模块200还用于将测量信号转换为模拟电信号。即前置信号处理模块200向电涡流传感器100输入激励信号的同时，将获得的电涡流传感器100的测量信号转换为模拟电信号。

数据采集处理模块300与前置信号处理模块200相连，数据采集处理模块300用于在交变电流的预定相位时，采集前置信号处理模块200提供的测量信号，以根据测量信号得到电涡流传感器100的等效阻抗的实部与激励信号的频率的比值，并得到比值随激励信号的频率变化的关系曲线，并得到关系曲线中的峰值点的激励频率，以及比较待测导体膜对应的峰值激励频率与标样的峰值激励频率，以得到待测导体膜的厚度值。

在本发明的一个实施例中，数据采集处理模块300还用于：将所述模拟电信号转换为数字信号。即数据采集处理模块300在交变电流的预定相位时采集前置信号处理模块200提供的模拟电信号并将模拟电信号转换为数字信号，继而通过计算机400处理分析得到比值R/f随激励信号频率f的变化关系，进一步分析得到峰值点频率（即峰值点的激励频率）f₀，最终通过比较待测样品与标样的峰值频率值（激励频率）f₀，从而得出待测导体膜的厚度值。

具体地，结合图2所示，可以将电涡流传感器100放置在与已知厚度的导体膜20间隔预定提离距离h的上方位置处。然后向电涡流传感器100输入预定频率范围的交变电流，例如预定频率范围位于[1KHz-200MHz]之间，这样可以在电涡流传感器100的周围产生源电磁场。由于所述源电磁场的作用，已知厚度的导体膜20中会产生感应电涡流，并且伴随产生相应的感应电磁场。由于所述源电磁场和所述感应电磁场的相互作用，导致电涡流传感器100的电涡流线圈的阻抗Z发生变化。因此电涡流传感器100的阻抗Z及其分量实部R中会包含导体膜20的厚度、提离h等信息。利用前置信号处理模块200可以获得电涡流传感器100阻抗Z的大小。

构造一个新参数：阻抗Z的实部R与激励信号频率f的比值R/f。R/f随f变化的关系曲线存在一个峰值点，峰值点对应的激励频率记做f₀。该峰值点频率f₀随导体膜20的厚度变化远远大于其随提离h的变化。因此分析比较待测样品与标样的峰值频率值f₀可以得到导体膜20的厚度大小，且基本不受测量时提离h变化的影响。

例如：选取多个厚度彼此不同的已知厚度的导体膜20（例如100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm），并且选取一定的提离距离h进行测量，以便得到电涡流传感器100在多个不同已知厚度下，峰值点频率f₀随导体膜厚度t的关系（例如关系曲线），得到标定。

将电涡流传感器100放置在与待测厚度的导体膜20间隔所上述一定的提离h的位置处，然后再次进行测量，以便得到待测厚度的导体膜20的峰值点频率f₀，最后对比所述关系（例如关系曲线）即可得到所述待测厚度的导体膜20的厚度。

利用本发明实施例的测量装置10测量导体膜20的厚度，受到提离距离h波动的影响非常小。因此，尽管测量过程中提离距离h可能发生波动，但对厚度测量的结果影响非常小。因此，本发明实施例的装置可以简便、快速地测量导体膜20的厚度、并且可以极大地减小提离距离h波动对厚度测量结果的影响。

图3a和3b分别示出了在不同薄膜厚度和不同提离下，利用电涡流传感器测量导体膜时传感器的阻抗实部R与激励频率f的比值R/f随激励频率f变化的关系曲线。由图3a和图3b可以看出，R/f随激励频率f变化的关系曲线存在一个峰值点，且峰值点频率f₀随膜厚的变化大于其随提离h的变化。

图4a和4b分别示出了峰值频率f₀随导体膜厚度t和提离h变化的关系曲线。由图4a和图4b可以看出，峰值点频率f₀随膜厚的变化曲线为幂函数关系，当导体膜20厚度在一定厚度范围内时，其灵敏度非常高；而峰值点频率f₀随提离h的变化曲线为线性关系，其灵敏度远远小于f₀随膜厚的灵敏度。

如下表所示，导体膜20处于部分厚度下时，f₀随提离h的灵敏度和其厚度的灵敏度对比。从表1中可以看出，f₀随厚度变化的灵敏度远远大于其随提离h变化的灵敏度。即有效的减小了提离波动对膜厚测量精度的影响。

表1

在本发明的一些实施例中，可以利用前置信号处理模块200向电涡流传感器100输入预定频率的交变电流。具体地，交变电流的频率可以是1KHz-200MHz，即所述预定频率为1KHz-200MHz。

在本发明的具体示例中，电涡流传感器100的线圈的外径可以大于3毫米，所述线圈的匝数范围可以在1匝至100匝之间。这样可以使所述源电磁场的磁场强度足够大，以便更加精确地测量所述晶圆的金属膜的厚度。

根据本发明实施例的有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量装置可以简便地、快速地测量导体膜的厚度，并且可以极大地减小提离波动对厚度测量的影响。

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，对所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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述电涡流传感器置于与导体膜间隔预定距离的位置；

向所述电涡流传感器输入预定频率范围的交变电流作为激励信号；

获取所述电涡流传感器的等效阻抗随所述激励信号的频率的变化关系曲线，以便得到所述等效阻抗的实部与激励信号的频率的比值；

得到所述比值随所述激励信号的频率变化的关系曲线，并得到所述关系曲线中的峰值点的激励频率；以及

比较待测导体膜对应的峰值激励频率与标样的峰值激励频率，以得到所述待测导体膜的厚度值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定频率范围位于[1KHz-200MHz]之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导体膜的厚度位于[10纳米至5微米]之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电涡流传感器的探头线圈匝数为[1匝至100匝]之间。

5.一种有效减小提离波动影响的导体膜厚度测量装置，其特征在于，包括：

电涡流传感器，所述电涡流传感器置于与导体膜间隔预定距离的位置；

前置信号处理模块，所述前置信号处理模块用于向所述电涡流传感器输入激励信号，并获得所述电涡流传感器的测量信号，其中，所述激励信号为预定频率范围的交变电流；以及

数据采集处理模块，所述数据采集处理模块用于在所述交变电流的预定相位时，采集所述前置信号处理模块提供的测量信号，以根据所述测量信号得到所述电涡流传感器的等效阻抗的实部与激励信号的频率的比值，并得到所述比值随所述激励信号的频率变化的关系曲线，并得到所述关系曲线中的峰值点的激励频率，以及比较待测导体膜对应的峰值激励频率与标样的峰值激励频率，以得到所述待测导体膜的厚度值。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述前置信号处理模块还用于：将所述测量信号转换为模拟电信号。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数据采集处理模块还用于：将所述模拟电信号转换为数字信号。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电涡流传感器的线圈的外径大于3毫米，所述线圈的匝数为1匝至100匝。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述预定频率范围位于[1KHz-200MHz]之间。