CN105965380B - 用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置。该测量装置由FPGA器件控制的D/A转换器产生正弦交变信号源，并通过射频变压器驱动激励/检测线圈产生交变测量磁场，由于交变测量磁场中的金属膜层产生的电涡流导致的激励/检测线圈的阻抗值发生改变，通过测量激励/检测线圈的阻抗可以计算出相应的金属薄膜层的厚度。该装置使用电涡流法可以测量1000nm范围内的金属薄膜层厚度，精度和实时性高，能够满足CMP设备的抛光工艺要求。
Description
技术领域
本发明属于金属薄膜厚度测量技术领域，具体涉及一种用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置。
背景技术
在化学机械抛光(CMP)过程中，某些工艺要求去除晶片表面的金属薄膜层的厚度，要求将金属薄膜层从1000nm逐渐减薄至100～200nm，并在此基础上进一步加工去除。现有的基于电涡流法的普通金属薄膜厚度测量仪器无法满足对于1000nm厚度以下的薄膜层的测量要求。
目前国外所开发的专用CMP电涡流法金属薄膜厚度测量装置中，如专利US6433541B1所公布的测量装置，虽然可以满足对目前测量范围的要求，但其技术复杂，所用的移相电路和锁定放大器均以模拟电路为基础进行构建，电路设计和调试复杂，且精度难以提高，同时由于驱动电桥的交流电源与检测电桥之间未进行隔离，从电桥输出的信号中存在较大的交流共模成分，因此在后续电路中使用了差动运算放大器。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，能够满足CMP设备对于晶片表面金属薄膜层厚度进行高精度的在线测量。
本发明是这样实现的，一种用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，包括：
阻抗测量电路，包括一个两边测量臂能完全平衡的阻抗测量电桥以及提供一定频率的正弦交流信号源以驱动该阻抗测量电桥的射频变压器T1；
数字式正交锁定放大器，包括FPGA主控器件及外围电路，用于根据设定的交变信号的频率ω，生成相关的正弦序列{r1n}和与正弦序列{r1n}正交的余弦序列{r2n},由所述正弦序列{r1n}经转换形成输出序列后输出到D/A转换器中产生角频率为ω的正弦信号，由该正弦交流信号源经过滤波放大电路滤波放大后输入至所述射频变压器T1以驱动阻抗测量电桥；同时从所述阻抗测量电桥中输出的偏差信号经信号调理电路进行放大滤波后，再经A/D转换器转换后输入到FPGA中，形成反映被测信息的检测信号序列{xn},该检测信号序列{xn}分别与存储的正弦序列{r1n}和余弦序列{r2n}进行预先设定长度的相乘和累加运算，得到的结果除以一个系数K后得到数字式正交锁定放大器的同相输出信号I和正交输出信号Q，并由同相输出信号I和正交输出信号Q计算出反映被测物体信息的信号的幅值V和相位θ。
其中，所述滤波放大电路包括：
有源滤波器，用于将所述D/A转换器输出的正弦信号进行滤波后输出；
三极管功率放大电路，用于将所述有源滤波器滤波后输出的信号进行功率放大后输入到所述射频变压器T1输出交流信号源以驱动所述阻抗测量电桥。
所述三极管功率放大电路包括：
三极管Q1,所述三极管Q1基极接所述有源滤波器的信号输出端；所述三极管Q1的发射极连接一个电极RL,并通过一个电容C1接射频变压器T1的输入侧负极端,所述电阻RL的另一端以及射频变压器T1的输入侧正极端接电路电压VCC端，所述三极管Q1的集电极接负压电VEE端。
所述信号调理电路包括：
宽带运算放大器，用于将所述阻抗测量电桥的输出信号放大后输出；
抗混叠低通滤波器，用于所述宽带运算放大器放大输出的信号进行抗混叠滤波器输出到所述A\D转换器，由所述A\D转换器输入到所述数字式正交锁定放大器的FPGA主控器件。
所述阻抗测量电桥包括电阻器R1a、R1b、R2a、R2b、R3、R4，调整元件VR1、VR2，参考线圈Z1、激励/检测线圈Z2；所述电阻器R1a与R2a、R1b与R2b、R3与R4分别串联后，再与参考线圈Z1、激励/检测线圈Z2分别在的两个相对的测量臂连接从而形成相互并联，所述调整元件VR1串联在电阻器R1b与R2b之间，所述调整元件VR1的滑动杆连接在电阻器R1a与R2a之间的连接线上后与所述射频变压器的输出侧正极相接，所述调整元件VR2的滑动杆接在电阻器R3、R4之间的连接线上后与所述射频变压器的输出侧负极相接，所述调整元件VR2的两端分别与参考线圈Z1、激励/检测线圈Z2的一端相接，所述激励/检测线圈Z2的另一端接所述阻抗测量电桥的信号输出端，所述参考线圈Z1的另一端接所述阻抗测量电桥的信号参考端。
所述数字式正交锁定放大器生成的所述正弦序列{r1n}和余弦序列{r2n}为固定长度为N的数组，在控制信号源输出时，依次循环输出正弦序列{r1n}的值，并通过改变频率控制参数，改变工作频率，从而改变输出的正弦交流信号源的频率，其中N>20。
所述正弦交流信号源的频率1MHz～10MHz。
本发明通过采用以FPGA器件作为控制核心器件的数字式锁定放大器，其中FPGA核心器件的乘法器、积分元件、移相电路以及频率变换和调整完全由数字电路和软件(如Verilog语言)实现，大大提高了测量装置的灵活性、稳定性和测量精度。
附图说明
图1为本发明的电路总体结构示意图；
图2为阻抗测量电桥示意图；
图3为参考线圈或激励/检测线圈的等效电路示意图；
图4为FPGA器件控制D/A转换器生成正弦波形的示意图。
具体实施方式
下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。
本发明以FPGA器件作为控制核心器件构成式正交锁定放大器，产出一定频率的正弦交流信号来驱动阻抗测量电桥，同时由FPGA产生正弦信号的正弦序列{r1n}以及与正弦序列{r1n}正交的余弦序列{r2n}作为参考信号，与输入到FPGA器件中的检测信号序列{xn}分别完成相乘和累加运算，得到锁定放大器的同相输出信号I和正交输出信号Q，并据此计算出反映被测物体信息的信号的幅值V和相位θ，从而实现晶片表面金属薄膜抛光过程的表面金属薄膜厚度的在线测量。
参见图1-4所示，一种用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，包括：
阻抗测量电路，包括一个两边测量臂能完全平衡的阻抗测量电桥，以及提供一定频率的正弦交流信号源以驱动该阻抗测量电桥的射频变压器T1；
数字式正交锁定放大器，包括FPGA主控器件及外围电路，用于根据设定的交变信号的频率ω，生成相关的正弦序列{r1n}和与正弦序列{r1n}正交的余弦序列{r2n},由所述正弦序列{r1n}经转换形成输出序列{yn}后输出到D/A转换器中产生角频率为ω的正弦信号，由该正弦交流信号源经过滤波放大电路滤波放大后输入至所述射频变压器T1以驱动阻抗测量电桥；同时从所述阻抗测量电桥中输出的偏差信号经信号调理电路进行放大滤波后，再经A/D转换器转换后输入到FPGA中，形成反映被测信息的检测信号序列{xn},该检测信号序列{xn}分别与存储的正弦序列{r1n}和余弦序列{r2n}进行预先设定长度的相乘和累加运算，得到的结果除以一个系数K后得到数字式正交锁定放大器的同相输出信号I和正交输出信号Q，并由同相输出信号I和正交输出信号Q计算出反映被测物体信息的信号的幅值V和相位θ。
进一步的，本发明中，所述滤波放大电路具体可以采用以下技术，包括：
有源滤波器，用于将所述D/A转换器输出的正弦信号进行滤波后输出；
三极管功率放大电路，用于将所述有源滤波器滤波后输出的信号进行功率放大后输入到所述射频变压器T1输出交流信号源以驱动所述阻抗测量电桥。
参见图1所示，进一步的，本发明中，所述三极管功率放大电路具体可以是包括三极管Q1,所述三极管Q1基极接所述有源滤波器的信号输出端；所述三极管Q1的发射极连接一个电极RL,并通过一个电容C1接射频变压器T1的输入侧负极端,所述电阻RL的另一端以及射频变压器T1的输入侧正极端接电路电压VCC端，所述三极管Q1的集电极接负压电VEE端。
进一步的，本发明中，所述信号调理电路可以是具体体包括：
宽带运算放大器，用于将所述阻抗测量电桥的输出信号放大后输出；
抗混叠低通滤波器，用于所述宽带运算放大器放大输出的信号进行抗混叠滤波器输出到所述A\D转换器，由所述A\D转换器输入到所述数字式正交锁定放大器的FPGA主控器件。
需要说明的是，本发明中，所述数字式正交锁定放大器生成的所述正弦序列{r1n}和余弦序列{r2n}为固定长度为N的数组，在控制信号源输出时，依次循环输出正弦序列{r1n}的值，并通过改变频率控制参数，改变工作频率，从而改变输出的正弦交流信号源的频率，其中N>20。
所述正弦交流信号源的频率1MHz～10MHz。
本发明中，所述阻抗测量电桥可以是现有技术中可用的阻抗测量电板，或是采用本发明实施例提供的测量电桥如图2所示，通过利用精密电阻器R1a、R1b、R2a、R2b、R3、R4和高稳定性的调整元件VR1、VR2以及参考线圈Z1和激励/检测线圈Z2构建一个阻抗测量的电桥，并在其中的A点直接连接后续放大电路的参考点GND，由一个1MHz～10MHz的交流信号源通过射频变压器T1驱动该测量电桥，为电桥提供交流信号源。其中调整元件VR1、VR2用于在静态时调整电路，测量电桥平衡，使得A、B两点的电位差为零。在进行测量时，由于在参考线圈Z1和激励/检测线圈Z2上的交变信号源产生交变磁场，当有金属等导体处于激励/检测线圈Z2产生的交变磁场中时，在其内部产生电涡流，并由于互感效应引起激励/检测线圈Z2的等效阻抗发生变化，并使激励/检测线圈Z2线圈上面获取的信号幅值改变，通过测量该信号的大小可以进一步测量出激励/检测线圈Z2磁场中金属薄膜层的厚度。
为实现激励/检测线圈Z2变化时对于其输出信号的测量，在无导体进入激励/检测线圈Z2的磁场中时，应该满足电桥的平衡调节，此时电桥的输出信号幅值为零。根据电桥平衡条件，应该满足：
R1·(jωL2+r2)＝R2·(jωL1+r1)
其中，R1为阻抗测量电桥中R1a、R1b和调整元件VR1在电桥中参考线圈Z1所在一侧的电阻值构成的等效电阻值，R2为阻抗测量电桥中R2a、R2b和调整元件VR1在电桥中激励/检测线圈Z2所在一侧的电阻值构成的等效电阻值，jωL1和jωL1分别为参考线圈Z1和激励/检测线圈Z2中的感抗部分，r1为参考线圈Z1中的电阻值r1x与电阻器R3和V调整元件R2在参考线圈Z1一侧电阻值构成的等效电阻，r2为激励/检测线圈Z2中的电阻值r2x与电阻器R4和调整元件VR2在激励/检测线圈Z2一侧电阻值构成的等效电阻，参考线圈Z1和激励/检测线圈Z2的等效电路如图3所示。由以上公式进一步可以得到：
因此，为了使电桥平衡，上述公式的实部应为零，即由于引入了调整元件VR1，可以调整电桥电路中R1和R2的阻值之比，使其满足电桥平衡条件。
对于通常的测量装置，在一定频率下，线圈感抗的影响较大，而其电阻值r非常小，因此多数情况下将其忽略，只要保证电感值满足匹配条件即可，在r1和r2存在误差时电桥并不完全平衡，但对于测量结果的影响较小。但是随着测量要求的提高，测量量程的进一步减小，对于线圈的电阻r的影响将不可忽略，本发明通过引入了第二个调整元件VR2，通过调节调整元件VR2，改变r2和r1的阻值之比，实现电桥的完全平衡，使平衡时电桥输出为零。
在上述公式中，当时，可以得到：
即只要调整元件VR2使得便可以实现电桥的平衡条件。在实际使用中，R3和R4应该使用阻值很小(<10Ω)的精密电阻器，减小附加电阻对于测量电路灵敏度的影响。
本发明采用的阻抗测量电桥检测装置中采用了VR1和VR2两个调整元件，可实现电桥两边测量臂的完全平衡，进一步提高测量精度，能进一步测量厚度更薄的金属薄膜层。
需要说明的是，本发明中，正弦交流信号源是通过一个射频变压器T1驱动阻抗测量电桥，由于射频变压器T1的隔离作用，可在阻抗测量电桥中选择任意一点作为电路参考点。通过将阻抗测量电桥中的A点作为参考点与后续放大电路的零点连接，并从B点获取信号，这样就消除了测量电路输入信号的共模成分，使共模信号为零。因此后续的放大电路无需使用差动放大器，直接使用普通的宽带运算放大器进行放大即可。
需要说明的是，本发明中，在所述FPGA器件内，使用存储器存储生产的一个周期内的正弦函数的数字化波形量值正弦序列{r1n}，数据长度为N，为了保证初始信号质量和减少谐波，通常N>20，同时生成与数字化波形量值正弦序列{r1n}等长度的余弦序列{r2n}。采用一个M(2M≥N)位的二进制计数器作为地址发生器，正弦波信号的数据存储器的地址由地址发生器的输出控制，输出频率为f/N的正弦波，f为FPGA器件的工作频率。由于设置的正弦波形的数据格式可能会同所用的D/A转换器的数据格式有差异，因此需要进行一定的转换以形成相应输出序列{yn}，本发明使用加法器将正弦序列{r1n}叠加一个常数c后形成输出序列{yn},输出到D/A转换器(AD9764)，即可生成所需正弦信号波形，如图4所示。
由D/A转换器输出的正弦信号经过有源滤波器滤波后，获得幅值为1～2V的正弦信号，再由三极管Q1功率放大后，经过射频变压器T1驱动阻抗测量电桥。在无检测物体时，调节电桥中的调整元件VR1和VR2，使得测量电桥的输出值为零，达到电桥的平衡状态。一旦有测量目标进入线圈的测量范围时，即可检测到与正弦信号同频率的输出信号。
由运算放大器构成的放大电路，实现对阻抗测量电桥输出信号的放大。由于交流驱动电源信号的频率较高，同时放大倍率较大，因此使用精密宽带运算放大器(AD8045)，信号放大后经过抗混叠低通滤波器后输入到A/D转换器中。
FPGA器件控制A/D转换器获得采样信号序列{xn}后，完成数字式相敏检波和解调运算，得到信号的幅值和相移，具体操作过程为：由参考序列{r1n}和{r2n}分别与采样序列{xn}通过乘法器相乘，并在逻辑控制器的控制下将乘法器得到的结果通过累加器进行累加，用得到的结果除以一个系数K后，即可获得锁定放大器的同相输出信号I和正交输出信号Q：
其中，W为设定的累加器计算长度，在完成W次累加运算后输出计算结果，并将计算结果清零。由得到的同相输出信号I和正交输出信号Q值，就可以计算出被测信号的幅值V和相位θ：
通过以上被测信号的幅值V和相位θ，就可以实现在线测量晶片表面金属薄膜厚度。
本发明以FPGA作为数字化锁定放大器控制核心，通过电涡流法测量晶片金属薄膜厚度，具有精度高、灵活性好、电路调试简单、稳定性好等优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，其特征在于：包括：
阻抗测量电路，包括一个两边测量臂能完全平衡的阻抗测量电桥以及提供一定频率的正弦交流信号源以驱动该阻抗测量电桥的射频变压器T1；
数字式正交锁定放大器，包括FPGA主控器件及外围电路，用于根据设定的交变信号的频率ω，生成相关的正弦序列{r1n}和与正弦序列{r1n}正交的余弦序列{r2n},由所述的正弦序列{r1n}经过转换形成输出序列后输出到D/A转换器中产生角频率为ω的正弦信号，由该正弦交流信号源经过滤波放大电路滤波放大后输入至所述射频变压器T1以驱动阻抗测量电桥；同时从所述阻抗测量电桥中输出的偏差信号经信号调理电路进行放大滤波后，再经A/D转换器转换后输入到FPGA中，形成反映被测信息的检测信号序列{xn}, 该检测信号序列{xn}分别与存储的正弦序列{r1n}和余弦序列{r2n}进行预先设定长度的相乘和累加运算，得到的结果除以一个系数K后得到数字式正交锁定放大器的同相输出信号I和正交输出信号Q，并由同相输出信号I和正交输出信号Q计算出反映被测物体信息的信号的幅值V和相位θ。
2.根据权利要求1所述的用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，其特征在于：所述滤波放大电路包括：
有源滤波器，用于将所述D/A转换器输出的正弦信号进行滤波后输出；
三极管功率放大电路，用于将所述有源滤波器滤波后输出的信号进行功率放大后输入到所述射频变压器T1输出交流信号源以驱动所述阻抗测量电桥。
3.根据权利要求2所述的用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，其特征在于：所述三极管功率放大电路包括：
三极管Q1，所述三极管Q1基极接所述有源滤波器的信号输出端；所述三极管Q1的发射极连接一个电阻RL，并通过一个电容C1接射频变压器T1的输入端负极端，所述电阻RL的另一端以及射频变压器T1的输入侧正极端接电路电压VCC端，所述三极管Q1的集电极接负压电VEE端。
4.根据权利要求3所述的用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，其特征在于：所述信号调理电路包括：
宽带运算放大器，用于将所述阻抗测量电桥的输出信号放大后输出；
抗混叠低通滤波器，用于对所述宽带运算放大器放大输出的信号滤波并输出到所述A/D转换器，由所述A/D转换器输入到所述数字式正交锁定放大器的FPGA主控器件。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，其特征在于：所述阻抗测量电桥包括：电阻器R1a、R1b、R2a、R2b、R3、R4，调整元件VR1、VR2，参考线圈Z1、激励/检测线圈Z2；所述电阻器R1a与R2a、R1b与R2b、R3与R4分别串联后，再与参考线圈Z1、激励/检测线圈Z2分别在的两个相对的测量臂连接，从而形成相互并联，所述调整元件VR1串联在R1b与R2b之间，所述调整元件VR1的滑动杆连接在电阻器R1a与R2a之间的连接线上后与所述射频变压器T1的输出侧正极相接，所述调整元件VR2的滑动杆连接在电阻器R3与R4之间的连接线上后与所述射频变压器T1的输出侧负极相接，所述调整元件VR2的两端分别与参考线圈Z1、激励/检测线圈Z2的一端相接，所述激励/检测线圈Z2的另一端接所述阻抗测量电桥的信号输出端，所述参考线圈Z1的另一端接所述阻抗测量电桥的信号参考端。
6.根据权利要求1所述的用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，其特征在于：所述数字式正交锁定放大器生成的所述正弦序列{r1n}和余弦序列{r2n}为固定长度为N的数组，在控制信号源输出时，依次循环输出正弦序列{r1n}的值，并通过改变频率控制参数，改变工作频率，从而改变输出的正弦交流信号源的频率，其中N＞20。
7.根据权利要求1所述的用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，其特征在于：所述正弦交流信号源的频率为1-10MHz。
8.根据权利要求1所述的用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，其特征在于：所述输出序列由所述的正弦序列{r1n}通过叠加一个常数c得到。
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