CN114473844A - 一种膜厚测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种膜厚测量装置，包括电涡流传感器、前置信号处理模块、数据采集模块和通讯模块；电涡流传感器连接前置信号处理模块，前置信号处理模块连接数据采集模块，数据采集模块连接通讯模块，通讯模块与上位机通信；电涡流传感器包括激励线圈和感应线圈；激励线圈和感应线圈均为扁平线圈，并且同轴设置，激励线圈与感应线圈的绕线方向相同；前置信号处理模块包括跟随电路、差分放大单元、整流滤波单元、比较放大单元、信号发生单元、相位解调单元和滤波放大单元。

Description

一种膜厚测量装置
技术领域
本发明涉及化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种膜厚测量装置。
背景技术
化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)技术是IC制造过程中的首选平面化工艺。在化学机械抛光中，对半导体器件的制造工艺而言，过多或过少的材料去除都会导致器件电性的减退甚至失效。为了提高化学机械抛光工艺的可控度，提升产品的稳定性，降低产品的缺陷率，使每一片晶圆达到均一性的生产，化学机械抛光的终点检测技术(Endpoint Detection，EPD)应运而生。
在金属CMP终点检测中，电涡流检测是最常用的方法，其输出的信号为电压信号，经实验验证，该电压信号的大小与所测金属晶圆膜厚有关，也与电涡流传感器与所测金属晶圆的距离有关，其中，该距离被称为传感器的提离高度(Lift-off Distance)，在不同的提离高度下膜厚与电压值的对应关系不同。在实际加工中，位于传感器与被抛晶圆之间的是抛光垫，故抛光垫的厚度即为提离高度，抛光垫的厚度会随着加工的进行变薄，即提离高度变小，此时电压值与膜厚的对应关系发生变化，导致测量误差变大，影响抛光效果。
发明内容
本发明实施例提供了一种膜厚测量装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明实施例提供了一种膜厚测量装置，包括电涡流传感器、前置信号处理模块、数据采集模块和通讯模块；
所述电涡流传感器连接前置信号处理模块，前置信号处理模块连接数据采集模块，数据采集模块连接通讯模块，通讯模块与上位机通信；
所述电涡流传感器包括激励线圈和感应线圈；所述激励线圈和感应线圈均为扁平线圈，并且同轴设置，激励线圈与感应线圈的绕线方向相同；
所述前置信号处理模块包括跟随电路、差分放大单元、整流滤波单元、比较放大单元、信号发生单元、相位解调单元和滤波放大单元。
在一个实施例中，利用所述膜厚测量装置测量晶圆的金属膜厚时，使用K值进行计算，其中，所述K值用于表征所述膜厚测量装置的输出信号的虚部与实部的比值，所述K值不受提离高度的影响。
在一个实施例中，所述跟随电路的输入端连接感应线圈，跟随电路的输出端连接差分放大单元的输入端，差分放大单元的输出端分别连接整流滤波单元和相位解调单元，整流滤波单元的输出端连接比较放大单元的输入端，比较放大单元的输出端连接数据采集模块，信号发生单元的输出端分别连接激励线圈和相位解调单元，相位解调单元的输出端连接滤波放大单元的输入端，滤波放大单元的输出端连接数据采集模块。
在一个实施例中，所述电涡流传感器还包括线圈骨架和屏蔽壳；所述线圈骨架用于支撑固定感应线圈和激励线圈并使两个线圈之间绝缘；所述屏蔽壳用于减小外界磁场干扰。
在一个实施例中，所述感应线圈和激励线圈同向绕制在所述线圈骨架上。
在一个实施例中，所述屏蔽壳包覆在所述线圈骨架的外周。
在一个实施例中，所述屏蔽壳的芯层由金属材料制成，并且所述屏蔽壳的表面涂覆有非金属材料层以防止金属离子污染。
在一个实施例中，所述激励线圈和感应线圈均为环形的扁平线圈，激励线圈和感应线圈上下并列并且同轴设置。
在一个实施例中，所述激励线圈和感应线圈均为环形的扁平线圈，激励线圈和感应线圈同轴并且平行设置，激励线圈位于环形的感应线圈的环内，感应线圈包裹着激励线圈的外径。
本发明实施例的有益效果包括：能够提高测量准确性。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，但这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：
图1为本发明一实施例提供的化学机械抛光设备的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的化学机械抛光设备的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的膜厚测量装置的组成结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的电涡流传感器的结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的电涡流传感器的示意图；
图6为本发明另一实施例提供的电涡流传感器的示意图；
图7为本发明一实施例提供的电涡流传感器的等效电路图；
图8示出了使用膜厚测量装置的测量步骤；
图9示出了幅值差与相位差的关系曲线；
图10示出了K值与金属膜厚的关系曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本发明具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。
此外，还需要说明的是，本申请中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。
为了说明本发明所述的技术方案，下面将参考附图并结合实施例来进行说明。
在本申请中，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)也称为化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization)，晶圆(wafer)也称为晶片、硅片、基片或晶圆(substrate)，其含义和实际作用等同。
如图1所示，本发明实施例提供的化学机械抛光设备1的主要构成部件有用于保持晶圆w并带动晶圆w旋转的承载头10、覆盖有抛光垫21的抛光盘20、用于修整抛光垫21的修整器30、以及用于提供抛光液的供液部40。
在化学机械抛光过程中，承载头10通过负压吸取晶圆w，并将晶圆w含有金属薄膜的一面压在抛光垫21上，并且承载头10做旋转运动以及沿抛光盘20的径向往复移动使得与抛光垫21接触的晶圆w表面被逐渐抛除，同时抛光盘20旋转，供液部40向抛光垫21表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过承载头10与抛光盘20的相对运动使晶圆w与抛光垫21摩擦以进行抛光。在抛光期间，使用修整器30可以移除残留在抛光垫21表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从晶圆w表面脱落的废料等，还可以将由于研磨导致的抛光垫21表面形变进行平整化。
如图2所示，化学机械抛光设备1还包括用于在线测量晶圆w膜厚的膜厚测量装置50。膜厚测量装置50安装在抛光盘20内，位于抛光垫21下方。膜厚测量装置50跟随抛光盘20旋转从而实现在抛光的同时进行膜厚在线测量。
膜厚测量装置50可以采用电涡流检测，电涡流检测的原理是膜厚测量装置50在扫过晶圆w时，晶圆w表面的金属膜层会感生涡流而使膜厚测量装置50产生的磁场发生变化，从而在抛光过程中，膜厚测量装置50测量涡流变化来对金属膜层的膜厚进行测量。从而在抛光过程中，实时监测晶圆w的膜厚变化，以便采取相应的抛光工艺，避免出现过抛或者抛光不完全。另外，根据测得的膜厚调节承载头10的压力来精确的控制金属薄膜的去除速率，实现更好的全局平坦化。
如图3所示，膜厚测量装置50包括电涡流传感器51、前置信号处理模块、数据采集模块和通讯模块。
电涡流传感器51连接前置信号处理模块，前置信号处理模块连接数据采集模块，数据采集模块连接通讯模块，通讯模块连接上位机。
如图3所示，在本发明的一个实施例中，前置信号处理模块包括跟随电路、差分放大单元、整流滤波单元、比较放大单元、信号发生单元、相位解调单元和滤波放大单元。
如图3所示，跟随电路的输入端连接感应线圈512，跟随电路的输出端连接差分放大单元的输入端，差分放大单元的输出端分别连接整流滤波单元和相位解调单元，整流滤波单元的输出端连接比较放大单元的输入端，比较放大单元的输出端连接数据采集模块，信号发生单元的输出端分别连接激励线圈511和相位解调单元，相位解调单元的输出端连接滤波放大单元的输入端，滤波放大单元的输出端连接数据采集模块。
本发明实施例中，通过信号发生单元向激励线圈511输入工作频率f的激励信号，激励信号可以为正弦波信号，前置信号处理模块检测通过电磁感应耦合后感应线圈512两端的输出信号，将输出信号与激励信号进行相位解调、滤波放大后得到相位信号；将输出信号进行跟随、差分放大、整流滤波以及比较放大后得到幅值信号。再通过数据采集模块和通讯模块将幅值信号和相位信号送到上位机，进行解算。
如图4所示，电涡流传感器51包括激励线圈511、感应线圈512、线圈骨架513和屏蔽壳514。
如图4所示，线圈骨架513是用来支撑固定感应线圈512和激励线圈511并使两个线圈之间绝缘，将感应线圈512和激励线圈511同向绕制在其上面，并在线圈骨架513一侧引出两个线圈的四根引线，线圈骨架513的材料可以是有机玻璃或者是PPS工程塑料。
如图4所示，在线圈骨架513的周围有一圈屏蔽壳514，其材料可以是坡莫合金或者铝，厚度为0.2mm至0.5mm。屏蔽壳514可以减小外界磁场环境的变化对电涡流传感器51性能造成的影响。在一个实施例中，屏蔽壳514的芯层由金属材料制成，并且表面涂覆有非金属材料层以防止金属离子污染。
电涡流传感器51作为膜厚测量装置50的核心部分，主要是用来激发交变的电磁场和感应不同金属薄膜而引起的互感效应所产生的感生电动势的变化。在其他条件不变的情况下，感生电动势和金属膜厚存在一一对应的关系。
激励线圈511主要是通入固定频率的交流信号，产生交变的磁场，进而在金属薄膜和感应线圈512中产生感应电动势，激励线圈511、感应线圈512和金属薄膜三者之间存在耦合的电磁感应关系。激励线圈511和感应线圈512均为扁平线圈，并且同轴设置，激励线圈511与感应线圈512的绕线方向相同。线圈可以采用漆包线绕线工艺绕制，也可以通过PCB或者MEMS工艺制作。
如图5所示，作为一种可实施方式，激励线圈511和感应线圈512均为环形的扁平线圈，激励线圈511和感应线圈512上下并列并且同轴设置。具体地，在化学机械抛光设备1中，激励线圈511位于感应线圈512下方，激励线圈511与感应线圈512之间的间距小于0.9mm。激励线圈511的内径大于1mm，外径小于5mm，匝数小于100匝。感应线圈512的内径大于1mm，外径小于8mm，匝数不大于600匝且不小于激励线圈511的匝数。
如图6所示，作为另一种可实施方式，激励线圈511和感应线圈512均为环形的扁平线圈，激励线圈511和感应线圈512同轴并且平行设置，激励线圈511位于环形的感应线圈512的环内，感应线圈512包裹着激励线圈511的外径。激励线圈511的内径大于1mm，外径小于5mm，匝数小于100匝。感应线圈512的内径不小于激励线圈511的外径，感应线圈512外径小于8mm，匝数不大于600匝，不小于激励线圈511匝数。
在以下说明中，将电涡流传感器51与金属薄膜的提离高度定义为感应线圈512到金属薄膜的距离，另外，提离高度不大于4mm。
电涡流传感器51的安装位置如图2所示，电涡流传感器51的上表面应当尽量靠近抛光垫21，一般抛光垫21的初始厚度为3.5mm，所以提离高度一般也是3.5mm。电涡流传感器51是通过抛光盘20内的卡座固定在指定位置处。电涡流传感器51的四根引线连接至前置信号处理模块，再经过数据采集模块和通讯模块，最后到达上位机，进行膜厚信息解算。
如图7所示，利用变压器模型，可以解算其耦合关系。
这里定义，激励线圈511的电感量为L1，激励线圈511的内阻为R1，输入激励线圈511的激励信号的激励电压为U1，激励信号的激励电流为I1，激励信号的角频率为ω；感应线圈512两端的输出电压为U2，感应线圈512的电感量为L2；金属薄膜的等效电感为Lt，金属薄膜的等效电阻为Rt，金属薄膜的感应电流为It；激励线圈511与金属薄膜之间的互感系数为M1t，激励线圈511与金属薄膜之间的互感因子为k1t(x)，激励线圈511与感应线圈512之间的互感系数为M12，激励线圈511与感应线圈512之间的互感因子为k12，感应线圈512与金属薄膜之间的互感系数为M2t，感应线圈512与金属薄膜之间的互感因子为k2t(x)。
假设感应线圈512开路，且忽略激励线圈511受到金属薄膜互感的影响，根据基尔霍夫电压定律，可以得到：
I1(R1+jωL1)＝U1 (1)
RtLt+jωLtIt＝jωM1tI1 (2)
R2I2+jωL2I2+jωM12I1-jωM2tIt＝U2 (3)
互感系数可表达为：
Figure BDA0003448371300000071
Figure BDA0003448371300000081
Figure BDA0003448371300000082
其中，x为提离高度。在线圈其他参数确定的情况下互感因子仅与距离有关，换言之，k1t(x)与激励线圈511与金属薄膜之间的垂直距离有关，k2t(x)与感应线圈512与金属薄膜之间的垂直距离有关。基于本申请实施例中电涡流传感器51的双线圈结构，如图5或图6所示，激励线圈511与感应线圈512之间的距离是固定的，所以，k12为常数，k1t(x)和k2t(x)均可表示为与提离高度x相关的函数。并且，k12、k1t(x)和k2t(x)的数值均在0和1之间。
结合以上各式(1)～(6)，可以得到测量金属薄膜时感应线圈512两端的输出电压为：
Figure BDA0003448371300000083
上式中，互感因子主要是与线圈与金属薄膜之间的距离相关，在金属薄膜的材质确定的情况下，其等效电感和等效电阻主要是与膜厚相关。所以在线圈的结构、金属薄膜材质、激励电压等确定的情况下，感应线圈512的输出电压U2只受到提离高度和金属膜厚的影响。
当没有导体膜时，I2和It为0，根据算式感应(3)、(4)，线圈512在空气中输出的空气值为：
Figure BDA0003448371300000084
结合算式(7)和(8)，则有：
Figure BDA0003448371300000085
令X＝real(U2-Uair)，Y＝imag(U2-Uair)，代入上式(9)得到：
Figure BDA0003448371300000086
接下来，根据等效涡流环理论，在导体膜厚极其薄时，可以得到：
Lt＝μ0·S(r2，r1) (11)
Figure BDA0003448371300000091
其中，μ0为相对磁导率，σ为电导率，S(r2，r1)为一自定义函数，r2为等效涡流环的外径，r1为等效涡流环的内径，t为膜厚。
当线圈结构固定时，等效涡流环的外径r2、内径r1、以及S(r2，r1)可以视为保持不变，那么则有：
Figure BDA0003448371300000092
将式(13)代入式(10)，得到：
Figure BDA0003448371300000093
从上式可以看出，当激励频率和被测金属薄膜材质确定时，
Figure BDA0003448371300000094
仅仅与金属膜厚t有关，而与提离高度x无关。所以，采用上述方案可以有效消除提离高度变动对金属膜厚测量的误差，并且获得良好的信号值-金属膜厚的线性度。
基于以上分析，本申请人研究发现在上述电涡流传感器51的特定结构下，其输出信号的虚部与实部的比值，也就是K值与金属膜厚存在强线性关系。
本发明实施例提供的电涡流式膜厚测量装置50适于测量晶圆w表面膜层为金属材料的，例如铜、钨、铝、钽、钛等。晶圆w的膜厚可以为0至3um。
利用膜厚测量装置50测量晶圆的金属膜厚时，使用K值进行计算。K值用于表征膜厚测量装置50的输出信号的虚部与实部的比值。
其中，K值＝∣(信号值虚部-空气值虚部)/(信号值实部-空气值实部)∣。
K值与金属膜厚的相关系数R2大于0.99。K值不受提离高度的影响。
空气值虚部和空气值实部可以预先存储，使用时直接提取即可。
本发明实施例中，由于K值与金属膜厚存在强线性关系，并且K值不受提离高度的影响，通过计算K值再去获取金属薄膜的膜厚，能够提高测量准确性。
下面以具体应用场景为例对膜厚测量装置50的使用过程进行说明。
实际生产中，首先需要在测量之前对膜厚测量装置50进行标定，标定步骤具体为：
步骤一，将电涡流传感器51安装在抛光盘20内固定处，将其引线连接到前置信号处理模块，确保数据采集模块、通讯模块以及上位机正常工作。
步骤二，通过信号发生单元向激励线圈511输入工作频率f的正弦激励信号，工作频率f需要满足感应线圈512回路在此频率下处于谐振状态。工作频率f的频率范围可以取100kHz-8MHz，优选为1.5MHz。
步骤三，记录化学机械抛光设备1未放置镀金属的晶圆w时，膜厚测量装置50在空气中输出的空气值U′air。
步骤四，在化学机械抛光设备1上放置所需要测量的晶圆w，晶圆w可以采用在预设膜厚范围内、具有任意膜厚的镀有金属薄膜的一片晶圆w，膜厚记为t1，得到的输出信号分别为U′1。其中，所测量的金属薄膜膜厚范围不超过3um。
步骤五，上位机通过线性标定算法，理论上，因为K-t曲线是一条过原点的曲线，即通过两点(|imag(U′1-U′air)/real(U′1-U′air)|，t1)和(0，0)确定K值与金属膜厚的标定曲线K-t。但实际中，因为存在测量误差和其他不确定因素的影响，为了保证标定曲线的准确性，可以重复步骤四，通过至少两片的不同膜厚的金属薄膜测量来得到更加准确的标定曲线。
步骤六，重复上述步骤，完成其他金属材质薄膜的标定曲线，并将其存储在上位机中。
然后，标定完成之后，使用膜厚测量装置50探测待测的金属薄膜，采集膜厚测量装置50的输出信号，计算K值，并利用上述标定关系，得到实际的膜厚。如图8所示，具体在线测量时的步骤包括：
步骤1，通过上位机，确定在待测金属材质对应的标定曲线。
步骤2，向激励线圈511输入工作频率为f的激励信号。
步骤3，获取空气值U′air。
步骤4，在设备上放置未知膜厚t3的晶圆w，采集膜厚测量装置50的输出信号U′3，并计算K＝imag(U′3-U′air)/real(U′3-U′air)。
步骤5，根据标定曲线K-t，计算得到金属薄膜的膜厚t3。
下面通过实际测量结果验证本申请中的方案。在化学机械抛光过程中，电涡流传感器51的安装位置误差、抛光垫21的磨损、机台的振动等因素都会影响提离高度的变化。提离高度的变化会改变膜厚测量装置50的输出信号，特别地会使其幅值和相位发生变化。实际工况中，造成提离高度变动最大的因素是安装误差和抛光垫21在抛光过程中的磨损，重点关注提离高度的变化范围为2mm-4mm。
如图9所示，其中每一条线示出了在不同提离高度下测量某一金属薄膜的结果。图9示出了，在同一金属膜厚下，随着提离高度在2mm-4mm范围内变动时，虚部差与实部差成强线性关系，即二者的比值K值此时为一个常数，不受提离高度变动的影响。并且随着金属膜厚从100nm、300nm、500nm、900nm、1300nm、1700nm、2100nm和2500nm变化时候，K值逐渐增大，即K值与金属膜厚一一对应。K值与金属膜厚的关系如图10所示，两者表现出强线性关系，在所研究的量程和提离高度变动范围内，K值与金属膜厚的相关系数R2大于0.99。很明显，利用K值来标定金属膜厚，有着三个显著的优点，包括标定方法简单，即可以通过最少两个点确定标定曲线；量程大，无拐点；满足测量分辨率的需求下，分辨率不会随着膜厚的变化而显著变化。
综上所述，本发明实施例所提出的膜厚测量装置50及金属膜厚测量方法可以实现在大提离高度下，提离高度为小于4mm，对多种金属材质进行高精度的亚纳米量级厚度测量，可以在大量程下，膜厚≤3um，依然有着不受膜厚变化而改变的分辨率，并且大大减小提离高度对薄膜测量的影响。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种膜厚测量装置，其特征在于，包括电涡流传感器、前置信号处理模块、数据采集模块和通讯模块；
所述电涡流传感器连接前置信号处理模块，前置信号处理模块连接数据采集模块，数据采集模块连接通讯模块，通讯模块与上位机通信；
所述电涡流传感器包括激励线圈和感应线圈；所述激励线圈和感应线圈均为扁平线圈，并且同轴设置，激励线圈与感应线圈的绕线方向相同；
所述前置信号处理模块包括跟随电路、差分放大单元、整流滤波单元、比较放大单元、信号发生单元、相位解调单元和滤波放大单元。
2.如权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，利用所述膜厚测量装置测量晶圆的金属膜厚时，使用K值进行计算，其中，所述K值用于表征所述膜厚测量装置的输出信号的虚部与实部的比值，所述K值不受提离高度的影响。
3.如权利要求2所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述跟随电路的输入端连接感应线圈，跟随电路的输出端连接差分放大单元的输入端，差分放大单元的输出端分别连接整流滤波单元和相位解调单元，整流滤波单元的输出端连接比较放大单元的输入端，比较放大单元的输出端连接数据采集模块，信号发生单元的输出端分别连接激励线圈和相位解调单元，相位解调单元的输出端连接滤波放大单元的输入端，滤波放大单元的输出端连接数据采集模块。
4.如权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述电涡流传感器还包括线圈骨架和屏蔽壳；所述线圈骨架用于支撑固定感应线圈和激励线圈并使两个线圈之间绝缘；所述屏蔽壳用于减小外界磁场干扰。
5.如权利要求4所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述感应线圈和激励线圈同向绕制在所述线圈骨架上。
6.如权利要求4所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述屏蔽壳包覆在所述线圈骨架的外周。
7.如权利要求6所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述屏蔽壳的芯层由金属材料制成，并且所述屏蔽壳的表面涂覆有非金属材料层以防止金属离子污染。
8.如权利要求4所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述激励线圈和感应线圈均为环形的扁平线圈，激励线圈和感应线圈上下并列并且同轴设置。
9.如权利要求4所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述激励线圈和感应线圈均为环形的扁平线圈，激励线圈和感应线圈同轴并且平行设置，激励线圈位于环形的感应线圈的环内，感应线圈包裹着激励线圈的外径。
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