CN105990174B - 半导体晶圆的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体晶圆的测量装置和方法。该测量装置包括，探头、驱动轮和承载架，其中的探头包括电涡流探头，而承载架包括滑轨和旋转环，滑轨的形状与旋转环相匹配；用于测试的晶圆安放在旋转环上，晶圆与旋转环的相对位置被旋转环与所述晶圆的边缘相接触的部分所限定，旋转环带动晶圆在滑轨上转动且在转动过程中晶圆和旋转环无相对滑动，旋转环的转动由驱动轮驱动；电涡流探头分为发射探头和接收探头，发射探头和接收探头在测量晶圆时非接触的分设于晶圆的正反两面，发射探头和接收探头均垂直地指向晶圆所在的平面且二者始终共线，以保证接收探头接收到发射探头产生的激励信号。本发明同时还公开了使用该种测量装置对晶圆进行测量的方法。

Description

半导体晶圆的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体加工和测试领域，尤其涉及一种在无应力抛光工艺中对半导体晶圆进行测量的装置和方法。

背景技术

随着随着半导体工业的发展，极大规模集成电路(VLSI)以及超大规模集成电路(ULSI)已经被广泛的应用。相比以往的集成电路，极大规模集成电路和超大规模集成电路具有更复杂的多层结构，更小的特征尺寸。无应力平坦化技术能够克服传统的化学机械平坦化技术在超微细特征尺寸集成电路中的缺陷。无应力抛光技术基于电化学原理，能够无机械应力的对金属互联结构进行平坦化。无应力抛光技术能够通过控制相应区域的电流密度和对应工艺时间，来精确的控制对特定区域晶圆表面的去除率。在抛光工艺前，需要采用测量晶圆表面金属层厚度，再根据前值厚度来控制后续无应力抛光工艺。

传统接触式四探针测量会造成金属表面损伤，在实际生产中通常采用非接触式测量方法，例如电涡流式非接触式电流。该方法通常需要一个发射探头，一个接收探头。发射探头产生电涡流，接收探头接收通过了晶圆的电涡流，可以获取到对应点的厚度。然而，在晶圆正反两面的接收(或发射)探头容易被固定晶圆的夹具所干扰，导致位于夹具固持区域的晶圆上的点难以被采样计算，如果夹具设计不合理而造成更大面积的晶圆上的点被遮蔽，将会严重影响测量的精度。即使那些被遮蔽的点数量较少，也仍然需要进行特殊的测量流程来避开这些固持结构，赘入冗杂的步骤并抬升工艺成本。

发明内容

本发明针对现有方案中存在的步骤冗杂、取点不全的技术问题，开发出了一种新的半导体晶圆的测量装置，该装置不仅能够连续、便捷地对晶圆厚度进行测量，而且测量过程中不会被其他障碍所阻挡，在不影响测量结果的前提下实现了测量结果的准确、全面。另外地，基于该半导体晶圆的测量装置，本发明也给出了相应的测量方法，方便本领域技术人员实际操作。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种半导体晶圆的测量装置，包括探头、驱动轮和承载架，所述探头包括电涡流探头，所述承载架包括滑轨和旋转环，所述滑轨的形状与所述旋转环相匹配；所述晶圆安放在所述旋转环上，所述晶圆与所述旋转环的相对位置被所述旋转环与所述晶圆的边缘相接触的部分所限定，所述旋转环带动所述晶圆在所述滑轨上转动且在转动过程中所述晶圆和所述旋转环无相对滑动，所述旋转环的转动由所述驱动轮驱动；所述电涡流探头分为发射探头和接收探头，所述发射探头和所述接收探头在测量晶圆时非接触的分设于所述晶圆的正反两面，所述发射探头和所述接收探头平行于所述晶圆所在的平面共同运动，所述发射探头和所述接收探头均垂直地指向所述晶圆所在的平面且二者始终共线，以保证所述接收探头接收到所述发射探头产生的激励信号。

可选地，所述驱动轮紧贴所述旋转环的外侧设置并驱动所述旋转环转动。

可选地，所述驱动轮通过传动带驱动所述旋转环转动。

可选地，所述驱动轮为齿轮或磨砂轮。

优选地，所述晶圆上设置有位置标记以标示测量时的初始位置。

进一步地，所述探头还包括位置标记探头，所述位置标记探头用于探测所述晶圆的位置标记。

优选地，所述旋转环的内侧设置有台阶槽以方便所述晶圆嵌入，所述晶圆的边缘恰好被台阶槽的台阶抵住。

优选地，所述旋转环与所述晶圆边缘相接触的表面设置有黏合物。

优选地，所述测量装置还包括一装卸台，用于顶取和/或落下所述晶圆。

使用上述的测量装置对半导体晶圆进行测量的方法，包括步骤：

将所述晶圆放置于所述旋转环上；

调整并确定所述晶圆的初始位置；

驱动所述旋转环旋转并对所述晶圆进行测量；

记录测量数据并撤下晶圆，测量过程完结。

优选地，对半导体晶圆进行测量的方法还包括步骤：

测量过程完结后，装卸台向上顶起，以取出晶圆。

本发明装置及方法能够大大提高测量晶圆厚度时的效率、准确度以及完整度，符合行业内持续追求高精度的技术趋势，具有显著的进步。

附图说明

图1是本发明测量装置第一实施例的俯视图；

图2是本发明测量装置第一实施例的纵向截面图；

图3是本发明测量装置第一实施例中去除晶圆和旋转环后的俯视图；

图4是本发明测量装置第一实施例中驱动轮驱动旋转环的示意图；

图5是本发明测量装置第二实施例中驱动轮驱动旋转环的示意图；

图6是本发明测量方法具体实施方式中将晶圆放置在承载架的示意图；

图7是本发明测量方法具体实施方式中确定晶圆的初始位置的示意图；

图8是本发明测量方法具体实施方式中对晶圆中心的厚度进行测量的示意图；

图9是本发明测量方法具体实施方式中对晶圆中心以外的厚度进行测量的示意图；

图10是本发明测量方法具体实施方式中测量结束撤下晶圆的示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更清晰、明确地理解本发明的设计思路及发明意图，申请人特准备了如下翔实的具体实施例及具体实施放肆加以阐述和说明，请公众及本领域技术人员参考附图知会：

图1-4揭示了本发明第一实施例中的测量装置。该测量装置包括探头、驱动轮104和承载架。其中的承载架进一步包括相配套的旋转环102和滑轨108，以及支持它们的三根支杆110。探头则有三种：用于发射电涡流激励信号的发射探头105、用于接收信号的接受探头107以及用于检测晶圆101初始位置的位置标记探头106。

图1是本发明第一实施例的俯视图，图中的晶圆101已静置于旋转环102上，并通过一定的方式将晶圆101与旋转环102固定为一体。作为旋转环102，顾名思义地，是一个尺寸与晶圆101尺寸相接近的圆形夹持环，该旋转环102安装在一个与之形状相匹配的滑轨108上，能够在滑轨108上顺畅的转动。晶圆101仅边缘处与旋转环102相接触，旋转环102与晶圆101相接触的部分承担了支持和限定晶圆101的任务，以保证晶圆101能够跟随旋转环102以相同的运动状态一起转动，且二者在转动过程中不会发生相对滑动。

在旋转的过程中，保证晶圆101和旋转环102之间不发生相对滑动是非常重要的。因为，如果发生了相对滑动，这种滑动以及滑动所造成的相对位置的变化几乎是不可测的，这将导致后续即使测得了晶圆101的厚度数据，也无法将这些数据与相应的点对应起来，从而使测量失去意义。基于这样的原因，旋转环102与晶圆101的边缘相接触的部分需要进行一定的设计，使之除了能够起到支持晶圆101的作用，还能够具有一定的限定作用，以保证晶圆101与旋转环102可以在滑轨108上一体地、共同地旋转。参考图2，在本实施例中，为了达到限定晶圆101与旋转环102的相对位置的目的，在旋转环102与晶圆101边缘相接触的位置处、旋转环102的内侧，设置了一个圆环形的台阶槽以方便晶圆101嵌入。当晶圆101被妥善安放于旋转环102内时，晶圆101的边缘将恰好被台阶槽的台阶(也即旋转环102的内侧壁)抵住，整个晶圆101被较为牢靠的卡在旋转环102内，从而能够保证在旋转过程中晶圆101与旋转环102的相对位置固定不变。

上述这种旋转环102式的夹具设计，相比于现有的托盘式或支撑杆式等设计，空余出了晶圆101除边缘以外的大片区域，在该区域内的晶圆101的上方和下方均没有冗余的阻挡物，为测量探头腾出了测量的空间，使测量过程中取点更加方便和全面。而对于晶圆101的边缘，由于晶圆101的边缘通常都会经历去边等工艺处理，晶圆101边缘位置处的厚度往往并不是本领域人员所关心的，所以旋转环102式的设计并不会对测量的准确性产生不利影响。

以图1中过AA的竖直平面对测量装置作纵截面，得到的图2展示了该实施例中测量装置的各机构间的连接和位置关系。其中用于产生电涡流的发射探头105和接收探头107均被固定在同一个运动架103上，该运动架103由动力装置驱动(图中未画出)，能够带动两个探头在平行于晶圆101所在的平面中共同运动，以便测量晶圆101不同位置处的厚度。为了使发射探头105发出的激励信号能够准确的传输到接收探头107上，两个探头均需要垂直的正对晶圆101的表面设置，且发射探头105和接收探头107必须共线，即使在运动状态下也应当保持这种形态共同进动。电涡流式的测量方法不需要接触晶圆101，因而发射探头105和接收探头107分设在晶圆101的正反两侧，且与晶圆101的表面相隔一段距离，这样就避免了测量对晶圆101表面造成损伤。按照这样的设计，当旋转环102带动晶圆101旋转，而运动架103又在平行于晶圆101的平面内移动时，则在晶圆101上所需要测量的(除晶圆101边缘以外的)任一点均可以不受任何阻挡的得以测量，且测量过程也即简化为操纵探头移动的过程，从而大大提高了测量晶圆的效率、准度以及完整度。

在第一实施例中，除了设置有发射探头105和接收探头107以外，在旋转环102的外侧还设置有一个位置标记探头106，该位置标记探头106用于在测量开始之前，寻找晶圆101上的一个位置标记，以确定晶圆101上的测量起始点。由于运动架103及晶圆101的运动方式通常都会由计算机准确地加以记录，所以只要通过位置标记探头106确定下来晶圆101测量时的初始位置，在测量完成后就能根据计算机的结果重现测量的轨迹，将测量所得的数据与晶圆101上相应各点一一对应起来。

晶圆101上的位置标记一般是设置在晶圆101边缘上的一个缺口，而位置标记探头106通常与晶圆101具有一定的高度差，且宜设计为可摆动的。这样，在确定初始位置时，就可以将位置标记探头106摆至晶圆101边缘的上方以寻找缺口，而初始位置确定后又可摆出以腾出测量或取放晶圆101的空间。

由于传统的圆盘式的晶圆夹具在本实施例中被替换为了圆环式的晶圆夹具旋转环102，为了使旋转环102能够带动晶圆101旋转，在驱动旋转环102的方式上也需要有所改变，才能保证测量过程不被障碍物所阻挡。因此，本发明采用了轮式驱动的方式来驱动旋转环102旋转。在第一实施例中，这种轮式驱动的方式更具体地体现为，在旋转环102的外侧紧贴着旋转环102的边缘处设置有一个驱动轮104，该驱动轮104优选齿轮，且与旋转环102的边缘相吻合，当驱动轮104在马达或电机(图中未画出)的驱动下旋转时，即可带动旋转环102发生转动，这种转动通常是可以根据马达或电机的转速进行精确地控制的，由此就可以在不干扰测量的前提下为旋转环102提供动力，并对测量位置加以准确的控制。

同时，为了使本实施例中的测量装置更加实用，本实施例中还设置有一个装卸台109，该装卸台109位于旋转环102的中心，用于顶取或放置晶圆101。由于晶圆101在旋转环102上不能发生相对滑动，也就不可能从水平方向对晶圆101进行取放，因此装卸台109主要是通过在竖直平面内上行或下落，来实现取放晶圆101的目的的。

另外，由图3中可以看到该测量装置的承载架中的支杆110在滑轨108上相应的分布位置，三根支杆110基本上是以滑轨108的中心呈120度分布，用于支撑整个承载架，且并没有占用晶圆101边缘以内的区域，为测量提供了便利。

图4则重点展示了旋转环102与驱动轮104紧贴并紧密咬合的情况，并对它们的锯齿进行了放大。

图5中主要展示了本发明测量装置的第二实施例的部分特征。该第二实施例中的测量装置与第一实施例最大的不同在于，虽然二者均是采用了轮式驱动的方式来带动旋转环转动的，但在第二实施例中，这种轮式驱动的方式更具体的体现为由驱动轮203通过传动带202的传动来最终带动旋转环201旋转。其中的驱动轮203宜具有一定的摩擦力，可以使用轮面带有细小颗粒的磨砂轮，以更加稳定的对旋转环201进行驱动，防止打滑。这种由传动带202和驱动轮203相配合的轮式驱动方式，同样能够为旋转环201的转动提供动力，且不会占用晶圆上除边缘以外的测量空间。

第二实施例的测量装置与第一实施例的另一区别在于，为了使晶圆在旋转环201中更加稳定、不发生滑动，该实施例中的旋转环202与晶圆边缘相接触的位置处还额外地设置了黏合物，更具体的说是一圈防滑胶条，从而更加有效地消除了晶圆与旋转环201之间发生相对滑动的顾虑。

接下来将对本发明测量方法的具体实施方式加以介绍。正如附图6-10所展示的，以第一实施例中的测量装置为例，本发明的测量方法大致可分为如下步骤：

将晶圆101放置于旋转环102上；

调整并确定晶圆101的初始位置；

驱动旋转环102旋转并对晶圆101进行测量；

记录测量数据并撤下晶圆101，测量过程完结。

其中图6主要展示了晶圆101被静置于旋转环102的情形，而图7则展示的是摆动位置标记探头106来探测晶圆101上的位置标记的过程。

图8-9中则涉及发射探头105和接收探头106由晶圆101的中心逐步向边缘运动的过程，在运动的同时记录下晶圆101相应点处的厚度。当然地，在测量过程中，晶圆101始终随着旋转环102转动。

图10是测量工作业已完成，通过装卸台109取下晶圆101的过程。可以看到，装卸台109向上顶起，方便操作人员通过机械手取出晶圆101。

以上实施例及实施方式显示了本发明卓越的进步性，也非常便于本领域技术人员理解，但需要注意的是，它们并非限制性的。显而易见的，本发明申请的权利要求书具有更为宽泛的范围，在判断是否涉嫌侵权时，敬请以此为准。

Claims (10)

1.一种半导体晶圆的测量装置，包括探头、驱动轮和承载架，其特征在于，所述探头包括电涡流探头，所述承载架包括滑轨和旋转环，所述滑轨的形状与所述旋转环相匹配；

所述半导体晶圆安放在所述旋转环上，所述半导体晶圆与所述旋转环的相对位置被所述旋转环与所述半导体晶圆的边缘相接触的部分所限定，所述旋转环带动所述半导体晶圆在所述滑轨上转动且在转动过程中所述半导体晶圆和所述旋转环无相对滑动，所述旋转环的转动由所述驱动轮驱动，所述驱动轮紧贴所述旋转环的外侧设置并驱动所述旋转环转动，或者所述驱动轮通过传动带驱动所述旋转环转动；

所述电涡流探头分为发射探头和接收探头，所述发射探头和所述接收探头在测量半导体晶圆时非接触的分设于所述半导体晶圆的正反两面，所述发射探头和所述接收探头平行于所述半导体晶圆所在的平面共同运动，所述发射探头和所述接收探头均垂直地指向所述半导体晶圆所在的平面且二者始终共线，以保证所述接收探头接收到所述发射探头产生的激励信号。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述驱动轮紧贴所述旋转环的外侧设置并驱动所述旋转环转动时，所述驱动轮为齿轮。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述驱动轮通过传动带驱动所述旋转环转动时，所述驱动轮为磨砂轮。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述半导体晶圆上设置有位置标记以标示测量时的初始位置。

5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述探头还包括位置标记探头，所述位置标记探头用于探测所述半导体晶圆的位置标记。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述旋转环的内侧设置有台阶槽以方便所述半导体晶圆嵌入，所述半导体晶圆的边缘恰好被台阶槽的台阶抵住。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述旋转环与所述半导体晶圆边缘相接触的表面设置有黏合物。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括一装卸台，用于顶取和/或落下所述半导体晶圆。

9.使用如权利要求1所述的测量装置对半导体晶圆进行测量的方法，其特征在于，包括步骤：

将所述半导体晶圆放置于所述旋转环上；

调整并确定所述半导体晶圆的初始位置；

驱动所述旋转环旋转并对所述半导体晶圆进行测量；

记录测量数据并撤下半导体晶圆，测量过程完结。

10.根据权利要求9所述的对半导体晶圆进行测量的方法，其特征在于，还包括步骤：

测量过程完结后，装卸台向上顶起，以取出半导体晶圆。

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