CN104864805B - 水平度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种水平度测量装置，测量一待测对象的水平度，该测量装置包括参考平面、数个测量探针、参考探针、电源、伺服电机及控制器。参考平面具有上表面及下表面。数个测量探针布置在参考平面的上表面，数个测量探针高出参考平面上表面的高度已知。参考探针布置在参考平面的上表面，参考探针的高度高于测量探针。电源的一电极与数个测量探针电连接，电源的另一电极与参考探针电连接。伺服电机驱动待测对象在竖直方向运动。控制器接收并记录数个测量探针与待测对象接触时伺服电机的反馈值，根据伺服电机的反馈值判断待测对象的水平度是否符合要求。本发明还揭示了一种使用该测量装置测量一待测对象的水平度的方法。

Description

水平度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种水平度和相对距离测量装置及方法，以测量一待测对象的水平度和待测对象与该测量装置之间的相对距离。

背景技术

随着半导体技术的快速发展及半导体器件的特征尺寸不断缩小，对工艺加工精度的要求越来越高。在工艺加工的各步骤中，对工艺加工设备的检测和校准是确保工艺加工精度很重要的环节。例如，在电化学抛光工艺中，晶圆夹盘夹持晶圆并携带晶圆至喷嘴的上方，晶圆的待抛光面朝向喷嘴，通过喷嘴向晶圆的待抛光面喷射电解液，以对晶圆进行电抛光。在电化学抛光过程中，晶圆夹盘的水平度和晶圆夹盘与喷嘴之间的相对距离决定了夹持在晶圆夹盘上的晶圆的水平度以及晶圆与喷嘴之间的相对距离。如果晶圆夹盘的水平度不满足要求，晶圆夹盘与喷嘴之间存在一定角度，或者晶圆夹盘与喷嘴之间的相对距离没有达到设定距离，均会对电化学抛光工艺结果造成不良影响，例如，影响电化学抛光均匀性等。因此，在进行电化学抛光工艺前，测量晶圆夹盘的水平度及晶圆夹盘与喷嘴之间的相对距离是有必要的。

上述仅以电化学抛光工艺为例，说明水平度及相对距离测量在半导体工艺加工中的重要性。除了电化学抛光工艺以外，电镀工艺、化学气相沉积工艺等，晶圆的水平度均是很关键的工艺参数。然而，目前还没有适用于前述工艺的水平度和相对距离测量装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种水平度和相对距离测量装置，该测量装置结构简单，能够测量一待测对象的水平度和待测对象与该测量装置之间的相对距离。

为实现上述目的，本发明提出的水平度和相对距离测量装置，在进行水平度测量时，该水平度和相对距离测量装置可称为水平度测量装置，包括：参考平面、数个测量探针、参考探针、电源、伺服电机及控制器。参考平面具有上表面及下表面。数个测量探针布置在参考平面的上表面，数个测量探针高出参考平面上表面的高度已知。参考探针布置在参考平面的上表面，参考探针的高度高于测量探针。电源的一电极与数个测量探针电连接，电源的另一电极与参考探针电连接。伺服电机驱动待测对象在竖直方向运动。控制器接收并记录数个测量探针与待测对象接触时伺服电机的反馈值，根据伺服电机的反馈值判断待测对象的水平度是否符合要求。还能够根据伺服电机的反馈值判断待测对象与该测量装置之间的相对距离。

本发明还提出一种使用上述测量装置测量一待测对象的水平度的方法，包括如下步骤：

调节参考平面的水平度，以使参考平面保持水平；

伺服电机驱动待测对象下降，参考平面上的参考探针率先与待测对象接触；

伺服电机驱动待测对象继续下降，参考平面上的第一个测量探针与待测对象接触，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第一反馈值；

伺服电机驱动待测对象继续下降，参考平面上的第二个测量探针与待测对象接触，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第二反馈值；

伺服电机驱动待测对象继续下降，参考平面上的第三个测量探针与待测对象接触，伺服电机停止驱动待测对象向下运动，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第三反馈值；

控制器根据伺服电机的第一反馈值、第二反馈值及第三反馈值，计算出该三个值中最大值与最小值之间的差值；

判断差值是否在设定的误差范围内，如果差值在设定的误差范围内，则待测对象的水平度符合要求，如果差值不在设定的误差范围内，则待测对象的水平度不符合要求。

综上所述，本发明提出的水平度和相对距离测量装置及方法，能够测量待测对象的水平度及待测对象与该测量装置之间的相对距离，且该测量装置结构简单，适于推广应用。

附图说明

图1揭示了本发明的水平度和相对距离测量装置的第一实施例的俯视图。

图2揭示了本发明的水平度和相对距离测量装置的第二实施例的俯视图。

图3揭示了本发明的水平度和相对距离测量装置的第一实施例的侧视图。

图4揭示了利用本发明的水平度和相对距离测量装置测量一待测对象水平度的结构示意图。

图5揭示了本发明的水平度测量方法的流程图。

图6揭示了本发明的相对距离测量方法的流程图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。

本发明所提出的测量装置具有测量水平度和相对距离两种功能。因此可称之为水平度和相对距离测量装置。在进行水平度测量时，也可认为该测量装置是一种水平度测量装置。

参阅图1和图3，图1揭示了本发明水平度和相对距离测量装置的第一实施例的俯视图，图3揭示了本发明水平度和相对距离测量装置的第一实施例的侧视图。结合图1和图3，该测量装置100包括参考平面101、测量探针103、参考探针105、可调节支柱107、电源、伺服电机及控制器，其中，电源、伺服电机及控制器在图中未显示。

如图1所示，在本实施例中，参考平面101为圆环状，参考平面101具有上表面及与上表面相对的下表面。测量探针103的数量为3个，该3个测量探针103以参考平面101的直径为轴线对称分布在参考平面101的上表面，3个测量探针103高出参考平面101上表面的高度精确已知。参考探针105与其中一个测量探针103相对布置在参考平面101的上表面，参考探针105的高度略高于测量探针103，以保证待测对象下降至参考平面101的上方时先与参考探针105接触。测量探针103和参考探针105均为金属弹簧探针，当测量探针103或参考探针105受到下压力时，能够收缩一定行程，确保自身不受到损坏。测量探针103和参考探针105分别连接电源的两个电极，例如，如果测量探针103与电源的阳极电连接，那么参考探针105则和电源的阴极电连接；反之，如果测量探针103与电源的阴极电连接，那么参考探针105则和电源的阳极电连接。3个测量探针103和电源的电极并联连接。在其他实施例中，测量探针103的数量并不仅限于3个。可以采用更多数量的测量探针103，这些测量探针103以均匀间隔的方式布置在参考平面101上。

如图3所示，在本实施例中，可调节支柱107的数量为3个，该3个可调节支柱107以参考平面101的直径为轴线对称分布在参考平面101的下表面。每一个可调节支柱107可独立调节其高低，以调节参考平面101的水平度，以使参考平面101保持水平。在其他实施例中，可调节支柱107的数量并不仅限于3个。同样可以采用更多数量的调节支柱107，这些调节支柱107以均匀间隔的方式布置在参考平面101的下表面上。

参考平面的形状也并不局限于上述实施例中所描述的圆环状。如图2所示，揭示了本发明水平度和相对距离测量装置的第二实施例的俯视图。该水平度和相对距离测量装置200包括参考平面201、测量探针203、参考探针205、可调节支柱、电源、伺服电机及控制器。在该实施例中，参考平面201为圆盘状平面，而参考探针205位于参考平面201的圆心处。其余部分，第二实施例与第一实施例相同。

参阅图4，揭示了利用本发明水平度和相对距离测量装置测量一待测对象水平度的结构示意图。在一个实施例中，以电化学抛光装置为例对本发明水平度和相对距离测量装置的使用进行说明。如图4所示，电化学抛光装置包括喷头300和晶圆夹盘400。喷头300具有水平布置的支撑部301。晶圆夹盘400夹持晶圆500，晶圆500的待抛光面朝向喷头300，晶圆500的待抛光面上分布有导电金属层。水平度和相对距离测量装置100安装在喷头300的支撑部301上，由支撑部301支撑，通过可调节支柱107调节参考平面101的水平度，以使参考平面101保持水平，并且使参考平面101的上表面与喷头300的顶表面齐平。然后，伺服电机驱动晶圆夹盘400下降，在晶圆夹盘400下降的过程中，参考探针105率先与晶圆500的待抛光面接触。晶圆夹盘400继续下降，第一个测量探针103与晶圆500的待抛光面接触，由于晶圆500的待抛光面上分布有导电金属层，因此，当第一个测量探针103与晶圆500的待抛光面接触时，第一个测量探针103、参考探针105、晶圆500及电源构成第一导通回路，电流导通，与此同时，该第一导通回路发送第一信号至控制器，控制器接收第一信号后，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第一反馈值。伺服电机的反馈值与晶圆夹盘400的高度值相对应。接着，伺服电机驱动晶圆夹盘400继续向下运动，第二个测量探针103与晶圆500的待抛光面接触，第二个测量探针103、参考探针105、晶圆500及电源构成第二导通回路，第二导通回路发送第二信号至控制器，控制器接收第二信号后，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第二反馈值。以此类推，当第三个测量探针103与晶圆500的待抛光面接触时，第三个测量探针103、参考探针105、晶圆500及电源构成第三导通回路，第三导通回路发送第三信号至控制器，控制器接收第三信号后，发送控制信号至伺服电机，伺服电机接收控制信号后，停止驱动晶圆夹盘400向下运动，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第三反馈值。控制器根据伺服电机的第一反馈值、第二反馈值及第三反馈值，计算出该三个值中最大值与最小值之间的差值，如果差值在设定的误差范围内，则晶圆500和晶圆夹盘400的水平度符合要求；如果差值超出设定的误差范围，则晶圆500和晶圆夹盘400的水平度不符合要求，需要重新调整晶圆夹盘400的水平度并再次测量晶圆夹盘400的水平度，直至晶圆夹盘400的水平度符合要求。考虑到实际的晶圆500待抛光表面不能做到绝对水平，因此三个测量探针103是依次与晶圆500的待抛光表面接触的，接触的时间越接近，说明晶圆500的表面的水平度越高。

参阅图5，揭示了本发明水平度测量方法的流程图。该水平度测量方法包括如下步骤：

S610，调节参考平面101的水平度，以使参考平面101保持水平；

S612，伺服电机驱动待测对象下降，在待测对象下降的过程中，参考平面101上的参考探针105率先与待测对象接触，其中，待测对象为一导体或待测对象朝向参考平面101的一面分布有导电层；

S614，伺服电机驱动待测对象继续下降，参考平面101上的第一个测量探针103与待测对象接触，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第一反馈值；

S616，伺服电机驱动待测对象继续下降，参考平面101上的第二个测量探针103与待测对象接触，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第二反馈值；

S618，伺服电机驱动待测对象继续下降，参考平面101上的第三个测量探针103与待测对象接触，伺服电机停止驱动待测对象向下运动，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第三反馈值；

S620，控制器根据伺服电机的第一反馈值、第二反馈值及第三反馈值，计算出该三个值中最大值与最小值之间的差值；

S622，判断差值是否在设定的误差范围内；

S624，如果差值在设定的误差范围内，则待测对象的水平度符合要求；

S626，如果差值不在设定的误差范围内，则待测对象的水平度不符合要求，调整待测对象的水平度，然后，返回步骤S610，再次测量待测对象的水平度，直至待测对象的水平度符合要求。

上述水平度测量方法还进一步包括设置待测对象下降高度的极限值，伺服电机驱动待测对象下降的过程中，判断待测对象下降的高度是否已达极限值，如果待测对象下降的高度达到极限值时，而控制器没有接收到伺服电机的反馈值或仅接收到伺服电机的部分反馈值，则伺服电机停止驱动待测对象向下运动。当待测对象下降的高度达到极限值时，而控制器没有接收到伺服电机的反馈值或仅接收到伺服电机的部分反馈值，则有可能是待测对象下降高度的极限值设置不恰当或者测量探针103与待测对象接触不良，因此，需停止待测对象向下运动并查明原因，以防待测对象向下过度运动而导致参考探针105和测量探针103被压坏。

该水平度和相对距离测量装置还可以进行相对距离测量，在进行相对距离测量时，也可认为该测量装置是一种相对距离测量装置。

在进行相对距离测量时，当第一个测量探针103与晶圆500的待抛光面接触时，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第一反馈值，由于测量探针103高出参考平面101上表面的高度精确已知，因此，可以获得第一反馈值与测量探针103高出参考平面101上表面的高度值之间的对应关系，测量探针103高出参考平面101上表面的高度值也就是此时晶圆500与参考平面101上表面之间的相对距离。根据第一反馈值与控制器接收并记录第一反馈值时晶圆500与参考平面101上表面之间的相对距离的对应关系，只要知道伺服电机的任一反馈值，均可以计算出与该反馈值相对应的晶圆500与参考平面101之间的相对距离。

参阅图6，揭示了本发明相对距离测量方法的流程图。该相对距离测量方法包括如下步骤：

S710，调整待测对象的水平度，使待测对象的水平度符合要求；

S712，伺服电机驱动待测对象下降，在待测对象下降的过程中，参考平面101上的参考探针105率先与待测对象接触；

S714，伺服电机驱动待测对象继续下降，参考平面101上的第一个测量探针103与待测对象接触，伺服电机停止驱动待测对象向下运动，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第一反馈值；

S716，获得第一反馈值与控制器接收并记录第一反馈值时待测对象与参考平面101之间的相对距离的对应关系，根据该对应关系，计算出与伺服电机任一反馈值相对应的待测对象与参考平面101之间的相对距离。

其中，控制器接收并记录第一反馈值时待测对象与参考平面101之间的相对距离也就是测量探针103高出参考平面101上表面的高度值。

由上述可知，本发明提出的水平度和相对距离测量装置及方法，能够测量待测对象的水平度及待测对象与该测量装置之间的相对距离，且该测量装置结构简单，适于推广应用。

综上所述，本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元件数目的改变或等效元件的代替等仍都应属于本发明的权利范围。

Claims (8)

1.一种水平度测量装置，测量一待测对象的水平度，其特征在于，该测量装置包括：

参考平面，所述参考平面具有上表面及与上表面相对的下表面；

数个测量探针，所述数个测量探针布置在参考平面的上表面，数个测量探针高出参考平面上表面的高度已知；

参考探针，所述参考探针布置在参考平面的上表面，参考探针的高度高于测量探针；

电源，所述电源的一电极与数个测量探针电连接，电源的另一电极与参考探针电连接，所述电源的电极与数个测量探针并联连接；

伺服电机，所述伺服电机驱动待测对象在竖直方向运动；及

控制器，所述控制器接收并记录数个测量探针与待测对象接触时伺服电机的反馈值，根据伺服电机的反馈值判断待测对象的水平度是否符合要求；

其中，所述电源通过所述参考探针和所述数个测量探针与所述待测对象形成的电回路数等于所述数个测量探针的数量；

其中，所述待测对象为一导体或待测对象朝向参考平面的一面分布有导电层；

其中，所述伺服电机驱动待测对象下降，参考平面上的参考探针率先与待测对象接触，伺服电机驱动待测对象继续下降，其中一个测量探针与待测对象接触，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的一反馈值，所述反馈值与待测对象的高度值相对应。

2.根据权利要求1所述的水平度测量装置，其特征在于，当余下的测量探针分别与待测对象接触时，所述控制器接收并记录各测量探针与待测对象接触时伺服电机的反馈值，控制器接收并记录伺服电机反馈的数个反馈值后，计算出该数个反馈值中最大值与最小值之间的差值，并判断差值是否在设定的误差范围内，如果差值在设定的误差范围内，则待测对象的水平度符合要求，如果差值不在设定的误差范围内，则待测对象的水平度不符合要求。

3.根据权利要求1所述的水平度测量装置，其特征在于，所述参考平面为圆环状或者圆盘状。

4.根据权利要求1所述的水平度测量装置，其特征在于，所述测量探针和参考探针均为金属弹簧探针。

5.根据权利要求1所述的水平度测量装置，其特征在于，还进一步包括数个可调节支柱，所述数个可调节支柱布置在参考平面的下表面，数个可调节支柱调节参考平面的水平度。

6.一种使用权利要求1至5中任一项所述的水平度测量装置测量一待测对象的水平度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

调节参考平面的水平度，以使参考平面保持水平；

伺服电机驱动待测对象下降，参考平面上的参考探针率先与待测对象接触；

伺服电机驱动待测对象继续下降，参考平面上的第一个测量探针与待测对象接触，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第一反馈值；

伺服电机驱动待测对象继续下降，参考平面上的第二个测量探针与待测对象接触，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第二反馈值；

伺服电机驱动待测对象继续下降，参考平面上的第三个测量探针与待测对象接触，伺服电机停止驱动待测对象向下运动，控制器接收并记录此时伺服电机反馈的第三反馈值；

控制器根据伺服电机的第一反馈值、第二反馈值及第三反馈值，计算出该三个值中最大值与最小值之间的差值；

判断差值是否在设定的误差范围内，如果差值在设定的误差范围内，则待测对象的水平度符合要求，如果差值不在设定的误差范围内，则待测对象的水平度不符合要求。

7.根据权利要求6所述的测量一待测对象的水平度的方法，其特征在于，如果差值不在设定的误差范围内，调整待测对象的水平度，然后，再次测量待测对象的水平度。

8.根据权利要求6所述的测量一待测对象的水平度的方法，其特征在于，设置待测对象下降高度的极限值，伺服电机驱动待测对象下降的过程中，判断待测对象下降的高度是否已达极限值，如果待测对象下降的高度达到极限值时，而控制器没有接收到伺服电机的反馈值或仅接收到伺服电机的部分反馈值，则伺服电机停止驱动待测对象向下运动。