CN114705115A - 一种涡流传感器 - Google Patents

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张康
李婷
张为强
尹影
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Abstract

本发明公开了一种涡流传感器,控制模块触发波形生成模块产生使线圈模块谐振的正弦波形,线圈模块谐振生成电流信号;信号传输模块基于电流信号得到采样电压信号,信号传输模块对采样电压信号进行处理后发送至控制模块;控制模块根据接收处理后的采样电压信号,计算晶圆表面导电膜厚度值;线圈模块内部包括多个不同测量截面的线圈,在被测晶圆抛光过程中,对于抛光过程的每个阶段,将对应的测量截面的线圈切换至检测回路中,从而实现针对不同的测量过程进行时间分割,每个过程精确匹配电涡流传感器的最佳线性、分辨率参数。

Description

一种涡流传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域,具体涉及一种涡流传感器。
背景技术
在集成电路制造工艺中,晶圆衬底导电膜在沉淀后,经过化学机械抛光工艺处理,能有效提高光刻工艺的套刻精度。因此,导电膜厚度在化学机械抛光工艺过程中需要实时监测,在预定厚度值停止继续研磨。检测实时薄膜厚度及表面形貌的化学机械抛光机是一种能够在线优化平坦化工艺的集成电路制造专用设备。目前应用实时监测化学机械抛光机的检测方式有光检测、涡流相位差和振幅差检测等检测方式。光检测灵敏度高,但只能用于不同介质之间对光源的反射率差异,确定终点位置。光检测方式不需要电涡流传感器,仅需要激光源以及光源接收装置。涡流相位差、振幅差以及阻抗变化检测方式。涡流检测方式对检测导电膜传感器稳定性、灵敏度、分辨率以及线性度要求较高。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题在于解决现有技术中的对检测导电膜传感器的稳定性、精准度的问题,从而提供一种涡流传感器。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
本发明实施例提供一种涡流传感器,包括:波形生成模块、线圈模块、信号传输模块、控制模块,其中,波形生成模块的输入端与控制模块的输出端连接,波形生成模块的输出端与信号传输模块的第一输入端连接;信号传输模块的第二输入端与线圈模块的输入端连接,信号传输模块的输出端与控制模块的输入端连接;线圈模块的输出端接地,线圈模块的控制端与控制模块的输出端连接;控制模块触发波形生成模块产生使线圈模块谐振的正弦波形,线圈模块谐振生成电流信号;信号传输模块基于电流信号得到采样电压信号,信号传输模块对采样电压信号进行处理后发送至控制模块;控制模块根据接收处理后的采样电压信号,计算晶圆表面导电膜厚度值;线圈模块内部包括多个不同测量截面的线圈,在被测晶圆抛光过程中,对于抛光过程的每个阶段,将对应的测量截面的线圈切换至检测回路中。
在一实施例中,线圈模块内部的多个不同测量截面的线圈,每个线圈的电感量、品质因数、线圈视在阻抗保持一致。
在一实施例中,线圈模块内部的多个不同测量截面的线圈,全部的线圈均绕制于同一个磁芯上。
在一实施例中,波形生成模块包括:波形发生器及功率放大器,其中,波形发生器的输入端与控制模块的输出端连接,波形发生器的输出端与功率放大器的输入端连接,功率放大器的输出端与信号传输模块的第一输入端连接。
在一实施例中,线圈模块还包括:第一模拟选择器、第二模拟选择器、谐振电容,其中,第一模拟选择器的第一端与信号传输模块的第二输入端、谐振电容的第一端连接,第一模拟选择器的控制端与控制模块的输出端连接;第二模拟选择器的第一端与接地,第二模拟选择器的第一端还与谐振电容的第一端连接,第二模拟选择器的控制端与控制模块的输出端连接;控制模块通过控制第一模拟选择器的第二端、第二模拟选择器的第二端分别与同一线圈的第一端连接、第二端对应连接,使该线圈切换至检测回路中。
在一实施例中,涡流传感器还包括:位置传感器,位置传感器与控制模块的输入端连接;在涡流传感器进入/退出被测晶圆边缘时,控制模块基于位置传感器采集的涡流传感器当前位置信息,将对应的测量截面的线圈切换至检测回路中。
在一实施例中,涡流传感器还包括:温度传感器,温度传感器与控制模块的输入端连接;控制模块基于温度传感器采集的温度信息,对接收到的处理后的采样电压信号进行补偿,并基于补偿后的采样电压信号计算得到的晶圆表面导电膜厚度值进行补偿。
在一实施例中,涡流传感器还包括:稳幅电路,稳幅电路的输出端与线圈模块的输入端连接,稳幅电路用于将线圈模块两端的电压稳定在预设电压阈值。
在一实施例中,信号传输模块包括:采样电阻、放大滤波电路及模数转换电路,其中,采样电阻的第一端与波形生成模块的输出端连接,采样电阻的第二端与线圈模块的输入端连接;放大滤波电路的第一输入端、第二输入端分别与采样电阻的第一端、第二端对应连接,放大滤波电路的输出端与模数转换电路的输入端连接;模数转换电路的输出端与控制模块的输入端连接。
本发明技术方案,具有如下优点:
1.本发明提供的涡流传感器,控制模块触发波形生成模块产生使线圈模块谐振的正弦波形,线圈模块谐振生成电流信号;信号传输模块基于电流信号得到采样电压信号,信号传输模块对采样电压信号进行处理后发送至控制模块;控制模块根据接收处理后的采样电压信号,计算晶圆表面导电膜厚度值;线圈模块内部包括多个不同测量截面的线圈,在被测晶圆抛光过程中,对于抛光过程的每个阶段,将对应的测量截面的线圈切换至检测回路中,从而实现针对不同的测量过程进行时间分割,每个过程精确匹配电涡流传感器的最佳线性、分辨率参数。
2.本发明提供的涡流传感器,在涡流传感器进入/退出被测晶圆边缘时,控制模块基于位置传感器采集的涡流传感器当前位置信息,将对应的测量截面的线圈切换至检测回路中。从而实现针对不同的测量空间进行时间分割,每个空间精确匹配电涡流传感器的最佳线性、分辨率参数。
3.本发明提供的涡流传感器,控制模块基于温度传感器采集的温度信息,对接收到的处理后的采样电压信号进行补偿,并基于补偿后的采样电压信号计算得到的晶圆表面导电膜厚度值进行补偿,提高实时在线监测晶圆表面导电膜厚度的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的涡流传感器的一个具体示例的组成图;
图2为本发明实施例提供的线圈绕制方式示意图;
图3为本发明实施例提供的线圈缠绕形状示意图;
图4为本发明实施例提供的涡流传感器的另一个具体示例的组成图;
图5为本发明实施例提供的线圈模块的一个具体示例的组成图;
图6为本发明实施例提供的线圈模块的另一个具体示例的组成图;
图7为本发明实施例提供的涡流传感器的另一个具体示例的组成图;
图8为本发明实施例提供的晶圆测量轨迹示意图;
图9为本发明实施例提供的涡流传感器的另一个具体示例的组成图;
图10为本发明实施例提供的涡流传感器的另一个具体示例的组成图;
图11为本发明实施例提供的涡流传感器的另一个具体示例的组成图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,还可以是两个元件内部的连通,可以是无线连接,也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外,下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例
根据法拉第电磁感应原理,块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时(与金属是否块状无关,且切割不变化的磁场时无涡流),导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。
本发明实施例基于上述原理提供一种涡流传感器,以测量晶圆表面导电膜厚度值,如图1所示,涡流传感器包括:波形生成模块1、线圈模块2、信号传输模块3、控制模块4。
如图1所示,波形生成模块1的输入端与控制模块4的输出端连接,波形生成模块1的输出端与信号传输模块3的第一输入端连接;信号传输模块3的第二输入端与线圈模块2的输入端连接,信号传输模块3的输出端与控制模块4的输入端连接;线圈模块2的输出端接地,线圈模块2的控制端与控制模块4的输出端连接。
进一步地,本发明实施例的控制模块4触发波形生成模块1产生使线圈模块2谐振的正弦波形,线圈模块2谐振生成电流信号;信号传输模块3基于电流信号得到采样电压信号,信号传输模块3对采样电压信号进行处理后发送至控制模块4;控制模块4根据接收处理后的采样电压信号,计算晶圆表面导电膜厚度值。
具体地,基于涡流传感器的工作原理,当无晶圆靠近涡流传感器与有晶圆靠近传感器时,输入至线圈模块2内的电流信号不同,信号传输模块3内部设置采样电路,由于输入至线圈模块2内的电流信号不同,导致采样电路输出的采样信号(采样电压信号)变化,控制模块4根据接收的采样电压信号,将晶圆靠近时对应的采样电压信号,与无晶圆靠近时对应的采样电压信号进行比较、计算,最终得到晶圆的当前表面导电膜厚度值。
进一步地,线圈模块2内部包括多个不同测量截面的线圈,在被测晶圆抛光过程中,对于抛光过程的每个阶段,将对应的测量截面的线圈切换至检测回路中。
具体地,本发明实施例的涡流传感器在使用前,不同截面积的线圈,需要在测量前期进行核对、调整参数,使不同截面线圈对空输出数据、线性度一致。在化学机械研磨设备对晶圆表面导电膜抛光过程中,控制模块4针对晶圆在不同抛光期间、位置时,切换不同测量截面积,以保证晶圆不同位置测量精度,即空间分辨率。
示例性地,假设晶圆抛光过程分为“初期”、“中期”、“末期”,每段期间抛光特点如下:
①初期抛光速率快,对空间精度、厚度精度要求低。
②中期抛光速率较慢,对空间精度、厚度精度要求相对初期要高。
③末期抛光速率最慢,对空间精度、厚度精度要求最高。
基于上述阶段特点,本发明实施例的控制模块4可以根据上位机设置的过程参数,对于每个阶段,切换不同测量截面积的线圈,精确控制测量精度满足不同过程对精度要求。
例如:在整个抛光过程中,晶圆表面的导电金属膜厚度由厚变薄。在这个过程中,上位机根据实时采集导电金属膜厚度信息、涡流传感器的温度信息,在导电金属膜厚度由厚变薄的过程中实时在线切换传感器的有效测量截面积由大到小连续切换,渐渐提高对导电金属膜厚度信息的测量精度。
在一具体实施例中,如图2所示,线圈模块2内部的多个不同测量截面的线圈(即图2中的L1、L2、L3,线圈的数量仅用于举例,但并不以此为限制),全部的线圈均绕制于同一个磁芯上。线圈模块2内部的多个不同测量截面的线圈,每个线圈的电感量、品质因数、线圈视在阻抗保持一致。
具体地,本发明实施例使用多个按照特定绕制方式加工的不同截面积线圈,套装在同一个“O”型铁氧体磁芯中,每个线圈留出连接抽头,抽头分别一一对接在两个模拟开关电路中,通过控制模拟开关电路可以在线切换不同形状的工作线圈,改变测量截面积。不同测量截面的线圈应保证电感量、品质因数、温度系数、视在阻抗一致,使不同截面积线圈连接同一个高精度电容,对空输出数据、线性度一致。此外,可变测量截面电涡流传感器中所使用的单个线圈,可以单独制作成测量恒定截面电涡流传感器。
具体地,可变测量截面电涡流信号检测传感器(即涡流传感器)包含“O”字形铁氧体(铁氧体形状不仅限于“O”字形)、多个不同形状线圈、环氧树脂胶、高精度电容。其中,铁氧体磁芯、线圈的形状无固定形式,可根据不同应用场景调整,但磁通量横截等效面积不得低于20平方毫米且不高于500平方毫米。线圈等效半径的、横截面积均与被测晶圆表面导电膜厚度、振荡电路阻抗匹配有强相关性,线圈形式可根据不同应用去调整。
具体地,本发明实施例的线圈使用适合线径的紫铜漆包线,缠绕合适的匝数后使用高温绝缘树脂塑封定型。线圈电气参数满足表1中内容。
表1
序号 参数名称 设计值 备注
1 电感量L ≥16uH
2 线圈阻抗R ≤5Ω
3 品质因数Q 8≤Q≤500
其中,线圈的形状、横截面积可以根据应用环境进行调整。例如:圆形、椭圆形、长方形、正方形、螺旋形等。线圈缠绕示意图如图3所示。
在一具体实施例中,如图4所示,波形生成模块1包括:波形发生器11及功率放大器12,其中,波形发生器11的输入端与控制模块4的输出端连接,波形发生器11的输出端与功率放大器12的输入端连接,功率放大器12的输出端与信号传输模块3的第一输入端连接。
具体地,本发明实施例的波形发生器11可以由数字电路或者模拟电路实现,在此不作限制限制,而功率放大器12可以为以运算放大器为基础的电路,以实现波形放大。
在一具体实施例中,如图5所示,线圈模块2还包括:第一模拟选择器K1、第二模拟选择器K2、谐振电容C,其中,图5中的n个线圈的截面积不同。
如图5所示,第一模拟选择器K1的第一端与信号传输模块3的第二输入端、谐振电容C的第一端连接,第一模拟选择器K1的控制端与控制模块4的输出端连接;第二模拟选择器K2的第一端与接地,第二模拟选择器K2的第一端还与谐振电容C的第一端连接,第二模拟选择器K2的控制端与控制模块4的输出端连接;
进一步地,控制模块4通过控制第一模拟选择器K1的第二端、第二模拟选择器K2的第二端分别与同一线圈的第一端连接、第二端对应连接,使该线圈切换至检测回路中。例如:若需要使用L1时,控制模块4控制第一模拟选择器K1的第二端与L1的第一端连接、第二模拟选择器K2的第二端与L1的第二端连接,从而将L1切换至检测回路中。
进一步地,本发明实施例还可以根据需求对拓扑进一步设置,例如:图6中,设置电阻ZS1~ZSn,以实现限流、稳压的作用。
在一具体实施例中,如图7所示,涡流传感器还包括:位置传感器5,位置传感器5与控制模块4的输入端连接;在涡流传感器进入/退出被测晶圆边缘时,控制模块4基于位置传感器5采集的涡流传感器当前位置信息,将对应的测量截面的线圈切换至检测回路中。
具体地,本发明实施例提出的涡流传感器,其测量晶圆时的位置轨迹如图8所示,位置由边缘A向中心O再向外侧B移动。
由于涡流传感器在进入/退出晶圆边缘时,过程中会出现涡流传感器一部分不再晶圆正下方,会引起边缘测量误差。提高涡流传感器的空间分辨率,可减小该过程对测量数据的影响。在该过程中,控制模块4可以根据涡流位置传感器5返回的位置信息(涡流传感器在晶圆下面的位置),精确控制第一模拟选择器K1、第二模拟选择器K2,通过切换不同截面积的线圈,以改变涡流传感器的空间分辨率,实时减小边缘位置测量误差。
例如:在涡流传感器处在晶圆边缘时,控制模块4控制线圈模块2切换到最小有效测量截面状态,减少电涡流在晶圆表面导电膜边缘产生边缘效应的影响,提高空间测量精度。
在一具体实施例中,如图9所示,涡流传感器还包括:温度传感器6,温度传感器6与控制模块4的输入端连接;控制模块4基于温度传感器6采集的温度信息,对接收到的处理后的采样电压信号进行补偿,并基于补偿后的采样电压信号计算得到的晶圆表面导电膜厚度值进行补偿。
具体地,涡流传感器具有温度采集接口,温度传感器6可以实时采集周围环境温度数据T,温度数据T可作为晶圆表面导电膜厚度数据H计算的补偿温度系数k。
在一具体实施例中,如图10所示,涡流传感器还包括:稳幅电路7,稳幅电路7的输出端与线圈模块2的输入端连接,稳幅电路7用于将线圈模块2两端的电压稳定在预设电压阈值。
在一具体实施例中,如图11所示,信号传输模块3包括:采样电阻Rs、放大滤波电路及模数转换电路,其中,控制模块4以FPGA为例。
如图11所示,采样电阻Rs的第一端与波形生成模块1的输出端连接,采样电阻Rs的第二端与线圈模块2的输入端连接;放大滤波电路的第一输入端、第二输入端分别与采样电阻Rs的第一端、第二端对应连接,放大滤波电路的输出端与模数转换电路的输入端连接;模数转换电路的输出端与控制模块4的输入端连接。
具体地,涡流传感器谐振时,无晶圆靠近时(即无电涡流损耗Pepd),涡流传感器的功率为P0,流入线圈模块2的电流为I0,线圈模块2两端电压幅值为V0,采样电阻Rs两端电压为VRS1=RS×I0。当晶圆靠近时,晶圆表面的导电膜与线圈模块2中交变电流产生互感,产生涡电流损耗功率Pepd。由于有稳幅电路7存在,使线圈模块2两端电压幅值稳定在设定值V0处。为了保持V0不改变,故外部电路对传感器消耗的功率等价补偿,此时流入线圈模块2的电流为I1,采样电阻Rs两端电压为:VRS2=RS×I1。采样电阻Rs两端的电压值变化量:ΔVRS=VRS2-VRS1=RS×ΔI,ΔI=I1-I0。晶圆表面导电膜厚度ΔH与流入传感器的电流ΔI成一定的线性关系。因此,检测采样电阻Rs两端变化可间接测量晶圆表面导电膜厚度值。厚度与电流的关系式:
Figure BDA0003616077270000121
(ΔI,T,k);T是温度,k是补偿温度系数。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种涡流传感器,其特征在于,包括:波形生成模块、线圈模块、信号传输模块、控制模块,其中,
所述波形生成模块的输入端与所述控制模块的输出端连接,所述波形生成模块的输出端与所述信号传输模块的第一输入端连接;所述信号传输模块的第二输入端与所述线圈模块的输入端连接,所述信号传输模块的输出端与所述控制模块的输入端连接;所述线圈模块的输出端接地,线圈模块的控制端与控制模块的输出端连接;
所述控制模块触发所述波形生成模块产生使所述线圈模块谐振的正弦波形,所述线圈模块谐振生成电流信号;所述信号传输模块基于所述电流信号得到采样电压信号,所述信号传输模块对所述采样电压信号进行处理后发送至所述控制模块;所述控制模块根据接收处理后的采样电压信号,计算晶圆表面导电膜厚度值;
所述线圈模块内部包括多个不同测量截面的线圈,在被测晶圆抛光过程中,对于所述抛光过程的每个阶段,将对应的测量截面的线圈切换至检测回路中。
2.根据权利要求1所述的涡流传感器,其特征在于,
线圈模块内部的多个不同测量截面的线圈,每个线圈的电感量、品质因数、线圈视在阻抗保持一致。
3.根据权利要求2所述的涡流传感器,其特征在于,
线圈模块内部的多个不同测量截面的线圈,全部的线圈均绕制于同一个磁芯上。
4.根据权利要求3所述的涡流传感器,其特征在于,所述波形生成模块包括:波形发生器及功率放大器,其中,
所述波形发生器的输入端与所述控制模块的输出端连接,所述波形发生器的输出端与所述功率放大器的输入端连接,所述功率放大器的输出端与所述信号传输模块的第一输入端连接。
5.根据权利要求3所述的涡流传感器,其特征在于,所述线圈模块还包括:第一模拟选择器、第二模拟选择器、谐振电容,其中,
所述第一模拟选择器的第一端与所述信号传输模块的第二输入端、所述谐振电容的第一端连接,所述第一模拟选择器的控制端与所述控制模块的输出端连接;
所述第二模拟选择器的第一端与接地,所述第二模拟选择器的第一端还与所述谐振电容的第一端连接,所述第二模拟选择器的控制端与所述控制模块的输出端连接;
所述控制模块通过控制所述第一模拟选择器的第二端、所述第二模拟选择器的第二端分别与同一线圈的第一端连接、第二端对应连接,使该线圈切换至检测回路中。
6.根据权利要求1-5任一项所述的涡流传感器,其特征在于,还包括:
位置传感器,所述位置传感器与所述控制模块的输入端连接;
在所述涡流传感器进入/退出被测晶圆边缘时,控制模块基于所述位置传感器采集的所述涡流传感器当前位置信息,将对应的测量截面的线圈切换至检测回路中。
7.根据权利要求6所述的涡流传感器,其特征在于,还包括:
温度传感器,所述温度传感器与所述控制模块的输入端连接;
所述控制模块基于所述温度传感器采集的温度信息,对接收到的处理后的采样电压信号进行补偿,并基于补偿后的采样电压信号计算得到的晶圆表面导电膜厚度值进行补偿。
8.根据权利要求7所述的涡流传感器,其特征在于,还包括:
稳幅电路,所述稳幅电路的输出端与所述线圈模块的输入端连接,所述稳幅电路用于将所述线圈模块两端的电压稳定在预设电压阈值。
9.根据权利要求1所述的涡流传感器,其特征在于,所述信号传输模块包括:采样电阻、放大滤波电路及模数转换电路,其中,
所述采样电阻的第一端与所述波形生成模块的输出端连接,所述采样电阻的第二端与所述线圈模块的输入端连接;
所述放大滤波电路的第一输入端、第二输入端分别与所述采样电阻的第一端、第二端对应连接,所述放大滤波电路的输出端与所述模数转换电路的输入端连接;
所述模数转换电路的输出端与所述控制模块的输入端连接。
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