CN115464556A - 一种金属膜厚测量方法和化学机械抛光设备 - Google Patents

一种金属膜厚测量方法和化学机械抛光设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属膜厚测量方法和化学机械抛光设备，其中方法包括：利用电涡流传感器测量晶圆表面的金属薄膜的厚度，所述电涡流传感器包括依次叠放的检测线圈、激励线圈和补偿线圈；获取所述电涡流传感器的输出电压得到特征值，所述特征值等于输出电压的实部与虚部的比值，所述特征值与被测金属膜厚呈线性关系；根据所述特征值确定被测金属膜厚。

Description

一种金属膜厚测量方法和化学机械抛光设备
技术领域
本发明涉及化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种金属膜厚测量方法和化学机械抛光设备。
背景技术
集成电路(Integrated Circuit，IC)是信息技术产业发展的核心和命脉。集成电路一般通过在硅晶圆上相继沉积导电层、半导体层或绝缘层而形成。从而使晶圆表面沉积有填料层形成的薄膜。制造工艺中，需要持续平坦化填料层直到露出图案化的顶表面，以在凸起图案之间形成导电路径。
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。传统的电涡流测厚方法，需要先测量空气值信号作为基值，而后，计算出金属薄膜下的测量信号与空气值信号的变化量，进而得到信号变化量与金属膜厚之间的关系，从而完成厚度测量，这类方法大多很难在大量程下获得较好的线性度。
发明内容
本发明实施例提供了一种金属膜厚测量方法和化学机械抛光设备，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明实施例的第一方面提供了一种金属膜厚测量方法，包括：
利用电涡流传感器测量晶圆表面的金属薄膜的厚度，所述电涡流传感器包括依次叠放的检测线圈、激励线圈和补偿线圈；
获取所述电涡流传感器的输出电压得到特征值，所述特征值等于输出电压的实部与虚部的比值，所述特征值与被测金属膜厚呈线性关系；
根据所述特征值确定被测金属膜厚。
在一个实施例中，所述特征值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为所述特征值，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为所述电涡流传感器的输出电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为互感因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为电导率，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为相对磁导率，t为被测金属膜厚。
在一个实施例中，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为等效涡流环结构参数的函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为等效涡流环的外径，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为等效涡流环的内径。
在一个实施例中，所述检测线圈的第一端连接所述补偿线圈的第二端并同时接地，所述检测线圈的第一端和所述补偿线圈的第二端为异名端，所述检测线圈的第二端连接第一电阻的第一端，所述补偿线圈的第一端连接第三电阻的第一端，所述第一电阻的第二端和第三电阻的第二端连接并引出所述输出电压。
在一个实施例中，所述输出电压为：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为输入激励线圈的激励电压的角频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为检测线圈和激励线圈之间的等效互感系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为激励电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为检测线圈和金属薄膜之间的等效互感系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为金属薄膜的感应电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为第一电阻的阻值，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为第三电阻的阻值，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为激励线圈和补偿线圈之间的等效互感系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为补偿线圈和金属薄膜之间的等效互感系数。
在一个实施例中，所述等效互感系数和互感因子的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
Figure DEST_PATH_IMAGE046
Figure DEST_PATH_IMAGE048
Figure DEST_PATH_IMAGE050
Figure DEST_PATH_IMAGE052
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为激励线圈和金属薄膜之间的等效互感系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure DEST_PATH_IMAGE064
都是互感因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE066
为提离高度，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为检测线圈的电感量，
Figure DEST_PATH_IMAGE070
为激励线圈的电感量，
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为补偿线圈的电感量，
Figure DEST_PATH_IMAGE074
为金属薄膜的等效电感。
在一个实施例中，所述检测线圈、激励线圈和补偿线圈同向绕制在线圈骨架上，所述激励线圈位于检测线圈和补偿线圈之间，所述检测线圈的安装位置靠近抛光盘上表面，所述检测线圈、激励线圈和补偿线圈的水平截面均为矩形，并且，所述激励线圈的水平截面面积小于检测线圈的水平截面面积，检测线圈与补偿线圈的水平截面面积相同。
本发明实施例的第二方面提供了一种化学机械抛光设备，包括：
抛光盘，其覆盖有用于对晶圆进行抛光的抛光垫；
承载头，用于保持晶圆并将晶圆按压在所述抛光垫上；
电涡流传感器，用于在抛光期间测量晶圆的膜厚；
控制装置，用于实现如上所述的金属膜厚测量方法。
本发明实施例的第三方面提供了一种控制装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的金属膜厚测量方法的步骤。
本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的金属膜厚测量方法的步骤。
本发明实施例的有益效果包括：无需测量空气值，直接得到与金属膜厚呈线性的特征值，测量准确度高。
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示意图；
图5为本发明一实施例提供的电涡流传感器的等效电路图；
图6为本发明一实施例提供的电涡流传感器的结构示意图；
图7示出了本发明一实施例提供的电涡流传感器的测量范围；
图8至图10示出了本发明一实施例提供的电涡流传感器的线圈结构；
图11示出了不同激励线圈尺寸对横向分辨率的影响；
图12为本发明一实施例提供的金属膜厚测量方法的流程示意图；
图13示出了特征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）也称为化学机械平坦化（Chemical Mechanical Planarization），晶圆（wafer）也称为晶片、硅片、基片或基板（substrate）等，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，修整器30用于对抛光垫21表面形貌进行修整和活化。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。
在化学机械抛光过程中，晶圆w被承载头20压在抛光垫21上，并随承载头20沿抛光盘10径向往复运动，同时，承载头20与抛光盘10同步旋转运动，使得与抛光垫21接触的晶圆w表面被逐渐抛除。
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和控制装置。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挨着抛光垫21设置，晶圆w放在抛光垫21上，因此，膜厚测量装置50距晶圆w的距离即为抛光垫21的厚度。
在抛光过程中，需要实时监测晶圆w的膜厚变化以及膜厚值，以便采取相应的抛光工艺，避免出现过抛或者抛光不完全。在抛光过程中对晶圆表面金属膜厚进行在线测量，从而通过调节承载头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。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，从而在通过抛光移除该金属膜层时，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。
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52、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52，前置信号处理模块52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。
电涡流传感器作为膜厚测量装置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。
如图4所示，本发明一实施例提供了一种用于CMP的电涡流传感器，其包括依次叠放的检测线圈
Figure 664334DEST_PATH_IMAGE068
、激励线圈
Figure 315895DEST_PATH_IMAGE070
和补偿线圈
Figure 767736DEST_PATH_IMAGE072
。线圈可以采用漆包线绕线工艺绕制，也可以通过PCB（Printed circuit board，印刷电路板）或者MEMS（Micro Electro MechanicalSystems，微机电系统）工艺制造。
其中，激励线圈
Figure 897366DEST_PATH_IMAGE070
用于通入交流信号并产生交变的磁场，激励线圈
Figure 242896DEST_PATH_IMAGE070
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、检测线圈
Figure 737463DEST_PATH_IMAGE068
和补偿线圈
Figure 738917DEST_PATH_IMAGE072
中产生感应电动势。检测线圈
Figure 734555DEST_PATH_IMAGE068
用于检测形成于晶圆的金属薄膜的电涡流信号，补偿线圈
Figure 809958DEST_PATH_IMAGE072
用于消除检测线圈
Figure 537743DEST_PATH_IMAGE068
中的共模信号。本发明实施例利用补偿线圈
Figure 88810DEST_PATH_IMAGE072
消除检测线圈
Figure 560242DEST_PATH_IMAGE068
中的共模信号量，得到仅仅由金属膜厚变化引起的检测线圈
Figure 254267DEST_PATH_IMAGE068
的信号变化量。
如图4所示，在一个实施例中，检测线圈
Figure 418532DEST_PATH_IMAGE068
的安装位置靠近抛光盘上表面，换句话说，如图4所示，检测线圈
Figure 456895DEST_PATH_IMAGE068
在三个线圈中位于最上方，以靠近晶圆，从而更利于捕获晶圆的金属薄膜感生的电涡流信号。将线圈与金属薄膜的提离高度定义为检测线圈
Figure 138543DEST_PATH_IMAGE068
到金属薄膜的距离，本发明实施例中，提离高度不大于5mm。
如图3所示，在一个实施例中，前置信号处理模块52包括差分放大单元、移相单元、余弦同步检波单元、正弦同步检波单元、第一低通滤波放大单元、第二低通滤波放大单元、第一向量计算单元、特征值计算单元和第二向量计算单元。
如图3所示，电涡流传感器51的输出电压
Figure DEST_PATH_IMAGE076
接入差分放大单元，差分放大单元的输出端分别连接余弦同步检波单元的第一输入端和正弦同步检波单元的第一输入端，信号发生器输出交变激励电压
Figure DEST_PATH_IMAGE078
分别接入激励线圈
Figure 47593DEST_PATH_IMAGE070
和移相单元，移相单元的输出端分别连接余弦同步检波单元的第二输入端和正弦同步检波单元的第二输入端，余弦同步检波单元的输出端连接第一低通滤波放大单元的输入端，正弦同步检波单元的输出端连接第二低通滤波放大单元的输入端，第一低通滤波放大单元的输出端和第二低通滤波放大单元的输出端均分别连接第一向量计算单元、特征值计算单元和第二向量计算单元，第一向量计算单元、特征值计算单元和第二向量计算单元的输出端分别连接数据采集模块。最后通过数据采集模块和通讯模块将幅值信号、特征值信号和相位信号送到上位机，进行解算。
本实施例中，通过信号发生器向激励线圈
Figure 54864DEST_PATH_IMAGE070
两端和移相单元分别输入交变激励电压
Figure 314944DEST_PATH_IMAGE078
；通过差分放大单元来检测电桥回路的输出电压
Figure 128179DEST_PATH_IMAGE076
，然后输入到正弦同步检波单元和余弦同步检波单元；并通过移项单元将原始激励电压信号和移项后的正交电压信号，分别输入到余弦同步检波单元和正弦同步检波单元；而后，得到输出电压
Figure 298260DEST_PATH_IMAGE076
的实部分量X和虚部分量Y，再通过向量计算，可得到输出电压
Figure 804328DEST_PATH_IMAGE076
的幅值输出
Figure DEST_PATH_IMAGE080
、相位输出
Figure DEST_PATH_IMAGE082
、特征值K= X/Y。最后，通过数据采集模块和通讯模块将幅值信号、相位信号或者是特征值信号送到上位机，从而在机台上获取相关的信号。本发明实施例优先选用特征值信号进行膜厚测量。
为了消除检测线圈
Figure 191185DEST_PATH_IMAGE068
中由激励线圈
Figure 870428DEST_PATH_IMAGE070
磁场变化引起的无用信号的影响，而直接获得仅由膜厚变化引起的信号变化量，将检测线圈
Figure 957332DEST_PATH_IMAGE068
和补偿线圈
Figure 571984DEST_PATH_IMAGE072
按如图5所示的电路连接起来。
如图5所示，在一个实施例中，激励线圈
Figure 744340DEST_PATH_IMAGE070
连接交变激励电压
Figure 696115DEST_PATH_IMAGE078
。检测线圈
Figure 840789DEST_PATH_IMAGE068
和补偿线圈
Figure 688659DEST_PATH_IMAGE072
的一个异名端直接相连并接地，另一侧串联两个相同阻值的电阻形成电桥回路，选择阻值较大的电阻（兆欧级）以使电桥回路中的电流接近于零，两电阻之间引出输出电压
Figure 410627DEST_PATH_IMAGE076
。具体地，检测线圈的第一端连接补偿线圈的第二端并同时接地，检测线圈的第一端和补偿线圈的第二端为异名端，检测线圈的第二端连接第一电阻的第一端，补偿线圈的第一端连接第三电阻的第一端，第一电阻的第二端和第三电阻的第二端连接并引出电涡流传感器的输出电压
Figure 369356DEST_PATH_IMAGE076
。其中，第一电阻和第三电阻的阻值相同，且均为阻值较大的电阻（兆欧级）。
如图6所示，在一个实施例中，电涡流传感器51包括依次叠放的检测线圈
Figure 102957DEST_PATH_IMAGE068
、激励线圈
Figure 121729DEST_PATH_IMAGE070
、补偿线圈
Figure 330993DEST_PATH_IMAGE072
、线圈骨架511和屏蔽壳512。
如图6所示，线圈骨架511是用来支撑固定检测线圈
Figure 264052DEST_PATH_IMAGE068
、激励线圈
Figure 180055DEST_PATH_IMAGE070
和补偿线圈
Figure 166466DEST_PATH_IMAGE072
并使两两线圈之间绝缘，将检测线圈
Figure 800709DEST_PATH_IMAGE068
、激励线圈
Figure 38924DEST_PATH_IMAGE070
和补偿线圈
Figure 75013DEST_PATH_IMAGE072
同向绕制在线圈骨架511上面。并在线圈骨架511一侧引出三个线圈的六根引线。线圈骨架511的材料可以是有机玻璃或者是PPS工程塑料。
如图6所示，在线圈骨架511的周围有一圈屏蔽壳512，其材料可以是坡莫合金或者铝，厚度为0.2mm至0.5mm。屏蔽壳512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512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。
如图7所示，在一个实施例中，电涡流传感器51在抛光盘20中的安装位置设定为使得各个线圈的长度方向平行于抛光盘20的半径方向（如图7中点画线所示）。由于线圈的长度方向平行于抛光盘20的半径方向，并且线圈跟随抛光盘20旋转，因此线圈的窄的宽度沿着线圈的移动方向，其在晶圆表面的横向检测范围变窄，提高了横向的分辨率。
如图8至图10所示，检测线圈
Figure 232325DEST_PATH_IMAGE068
、激励线圈
Figure 353864DEST_PATH_IMAGE070
和补偿线圈
Figure 395770DEST_PATH_IMAGE072
的水平截面均为矩形，激励线圈
Figure 817524DEST_PATH_IMAGE070
位于检测线圈
Figure 348999DEST_PATH_IMAGE068
和补偿线圈
Figure 629939DEST_PATH_IMAGE072
之间。
并且，如图8和图9所示，激励线圈
Figure 537852DEST_PATH_IMAGE070
的水平截面面积小于检测线圈
Figure 345271DEST_PATH_IMAGE068
的水平截面面积，检测线圈
Figure 47648DEST_PATH_IMAGE068
与补偿线圈
Figure 314419DEST_PATH_IMAGE072
的水平截面面积相同，这里的水平是指平行于抛光盘上表面的方向。换句话说，激励线圈
Figure 557182DEST_PATH_IMAGE070
的尺寸小，检测线圈
Figure 156790DEST_PATH_IMAGE068
和补偿线圈
Figure 967751DEST_PATH_IMAGE072
的尺寸相同。激励线圈
Figure 285600DEST_PATH_IMAGE070
的外周长小于检测线圈
Figure 332054DEST_PATH_IMAGE068
的外周长，检测线圈
Figure 51748DEST_PATH_IMAGE068
的外周长等于补偿线圈
Figure 33610DEST_PATH_IMAGE072
的外周长。
本实施例中，将线圈的水平截面设计为矩形，是为了在不降低厚度测量分辨率的前提下，利用宽度较小的尺寸，产生沿宽度方向更小范围的空间磁场，从而获得更好的横向分辨率，即增强晶圆边缘区域厚度测量的性能。换句话说，如图7所示，线圈的长度方向平行于抛光盘的半径方向，在线圈随抛光盘旋转的过程中线圈相对于晶圆的移动轨迹穿越晶圆的两个边缘形成一接近晶圆直径的近似横向（如图7中双点曲线所示），线圈的宽度方向沿着这个横向，线圈的宽度窄从而在此横向上的每一个检测点的横向范围小，也就是说横向的检测点增多、横向分辨率提高。但是，为了保证线圈整面的磁通量不随之减小、保证测量的量程范围，虽然减小了线圈的宽度，还需要保证线圈的长度在一定范围内、不能过小。
在一个实施例中，激励线圈
Figure 635493DEST_PATH_IMAGE070
的水平截面面积为检测线圈
Figure 423321DEST_PATH_IMAGE068
或补偿线圈
Figure 935204DEST_PATH_IMAGE072
的20%~80%。
下面论证使用小尺寸的激励线圈
Figure 150285DEST_PATH_IMAGE070
的作用。如图11中（a）所示，假设晶圆表面实际存在微小的凸起或凹陷。如图11中（b）所示，使用较小尺寸的激励线圈的电涡流传感器（本发明实施例中提供的）的输出信号能够检测到该微小的凸起或凹陷，检测精度高、分辨率高。如图11中（c）所示，使用较大尺寸的激励线圈的电涡流传感器（例如激励线圈的尺寸和检测线圈、补偿线圈的尺寸相同）的输出信号不能检测到该微小的凸起或凹陷，使得检测精度变低。
如图11所示，经过实际测试验证了在检测线圈
Figure 239464DEST_PATH_IMAGE068
和补偿线圈
Figure 830982DEST_PATH_IMAGE072
大小相当的情况下，减小激励线圈
Figure 695908DEST_PATH_IMAGE070
尺寸之后，电涡流传感器51可以检测到晶圆表面较小范围的凸起和凹陷，即可以获得更好的横向分辨率，提升电涡流传感器51的边缘检测性能。
进一步，使检测线圈
Figure 81890DEST_PATH_IMAGE068
和补偿线圈
Figure 596048DEST_PATH_IMAGE072
的尺寸大于激励线圈
Figure 663361DEST_PATH_IMAGE070
，是为了让检测线圈
Figure 946575DEST_PATH_IMAGE068
和补偿线圈
Figure 831354DEST_PATH_IMAGE072
能够接受更大范围的、由激励线圈
Figure 832808DEST_PATH_IMAGE070
在金属薄膜中产生的交变电涡流而激发的交变磁场，从而检测到更大范围的磁场能量。
如图4、6和9所示，检测线圈
Figure 438233DEST_PATH_IMAGE068
、激励线圈
Figure 638270DEST_PATH_IMAGE070
和补偿线圈
Figure 631634DEST_PATH_IMAGE072
三者同轴放置并且相互平行。换句话说，三者的轴向对称面相同。检测线圈
Figure 556602DEST_PATH_IMAGE068
、激励线圈
Figure 28035DEST_PATH_IMAGE070
和补偿线圈
Figure 82579DEST_PATH_IMAGE072
的高度均不大于1mm。两两线圈之间的垂直距离小于等于0.9mm，即检测线圈
Figure 184527DEST_PATH_IMAGE068
位于激励线圈
Figure 894994DEST_PATH_IMAGE070
下方小于0.9mm的位置，激励线圈
Figure 232434DEST_PATH_IMAGE070
位于补偿线圈
Figure 610326DEST_PATH_IMAGE072
下方小于0.9mm的位置。
如图8至图10所示，检测线圈
Figure 617596DEST_PATH_IMAGE068
、激励线圈
Figure 80939DEST_PATH_IMAGE070
和补偿线圈
Figure 956491DEST_PATH_IMAGE072
的水平截面均为圆角矩形。
如图4、6和10所示，检测线圈
Figure 188889DEST_PATH_IMAGE068
、激励线圈
Figure 101481DEST_PATH_IMAGE070
和补偿线圈
Figure 114437DEST_PATH_IMAGE072
各自在中央位置设有一形状和大小相同的矩形镂空区域，从而形成环状并具有内宽、内长和外宽、外长。
三个线圈的内宽和内长的尺寸、形成相同。激励线圈
Figure 731363DEST_PATH_IMAGE070
的结构参数为：内宽大于等于1mm，外宽小于等于6mm，内长大于等于5mm，外长小于等于20mm，匝数不大于300匝。检测线圈
Figure 254486DEST_PATH_IMAGE068
和补偿线圈
Figure 931455DEST_PATH_IMAGE072
的结构参数完全一致，其外宽小于等于8mm，外长小于等于20mm，匝数不大于700匝。
以一个具体应用为例，选取激励线圈
Figure 166127DEST_PATH_IMAGE070
的内宽2mm、内长4mm、外宽4mm、外长6mm、匝数50匝；检测线圈
Figure 321165DEST_PATH_IMAGE068
和补偿线圈
Figure 465838DEST_PATH_IMAGE072
的内宽2mm、内长4mm、外宽6.5mm、外长8.5mm、匝数500匝；补偿线圈
Figure 844867DEST_PATH_IMAGE072
与激励线圈
Figure 504519DEST_PATH_IMAGE070
之间的距离和激励线圈
Figure 400930DEST_PATH_IMAGE070
与检测线圈
Figure 462427DEST_PATH_IMAGE068
之间的距离相同，均为0.5mm。
下面利用变压器模型，解算其耦合关系。在图5所示的电路中，
Figure 543516DEST_PATH_IMAGE068
为检测线圈的电感量，
Figure 690463DEST_PATH_IMAGE070
为激励线圈的电感量，
Figure 124987DEST_PATH_IMAGE072
为补偿线圈的电感量，
Figure 40990DEST_PATH_IMAGE074
为金属薄膜的等效电感，
Figure 27401DEST_PATH_IMAGE006
为电涡流传感器的输出电压，
Figure 97863DEST_PATH_IMAGE078
为交变激励电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE084
为检测线圈内的电流，
Figure 195132DEST_PATH_IMAGE030
为激励电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE086
为补偿线圈内的电流，
Figure 637746DEST_PATH_IMAGE034
为金属薄膜的感应电流，
Figure 998320DEST_PATH_IMAGE036
为与检测线圈串联的第一电阻的阻值，
Figure 916597DEST_PATH_IMAGE038
为与补偿线圈串联的第三电阻的阻值，
Figure DEST_PATH_IMAGE088
为金属薄膜的等效电阻，
Figure 427344DEST_PATH_IMAGE040
为激励线圈和补偿线圈之间的等效互感系数，
Figure 380257DEST_PATH_IMAGE028
为检测线圈和激励线圈之间的等效互感系数，
Figure 911732DEST_PATH_IMAGE032
为检测线圈和金属薄膜之间的等效互感系数，
Figure 192672DEST_PATH_IMAGE054
为激励线圈和金属薄膜之间的等效互感系数，
Figure 100585DEST_PATH_IMAGE042
为补偿线圈和金属薄膜之间的等效互感系数。
其中
Figure 908004DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 610381DEST_PATH_IMAGE038
为远大于检测线圈和补偿线圈阻抗的电阻，例如
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，则有
Figure DEST_PATH_IMAGE092
。
图5所示电路中的电压电流关系依据基尔霍夫电压定律，可以得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE094
Figure DEST_PATH_IMAGE096
Figure DEST_PATH_IMAGE098
其中，
Figure 283676DEST_PATH_IMAGE026
为输入激励线圈的激励电压的角频率。
其中等效互感系数
Figure 464122DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 266993DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure DEST_PATH_IMAGE100
、
Figure DEST_PATH_IMAGE102
、
Figure DEST_PATH_IMAGE104
可以表达为：
Figure DEST_PATH_IMAGE044A
Figure DEST_PATH_IMAGE046A
Figure DEST_PATH_IMAGE048A
Figure DEST_PATH_IMAGE050A
Figure DEST_PATH_IMAGE052A
其中，
Figure 655118DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 972967DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 19420DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 739114DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure 219512DEST_PATH_IMAGE064
都是互感因子，它们的值在0~1之间。当三线圈的结构固定的时候，
Figure 24657DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 609222DEST_PATH_IMAGE040
是一个常数，
Figure 121106DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 336187DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 159786DEST_PATH_IMAGE042
是只与提离高度
Figure 688988DEST_PATH_IMAGE066
有关的函数。
根据等效涡流环理论，可以得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE106
Figure DEST_PATH_IMAGE108
其中，
Figure 55378DEST_PATH_IMAGE012
是导体的电导率，
Figure 503677DEST_PATH_IMAGE014
是导体的相对磁导率，t是被测金属膜厚度，r1和r2分别是等效涡流环的结构参数，
Figure 283414DEST_PATH_IMAGE018
是等效涡流环结构参数的函数。当线圈结构和电路参数固定的情况下，r1、r2和
Figure 583683DEST_PATH_IMAGE018
的值可认为固定不变。
定义常数G，可表达为：
Figure DEST_PATH_IMAGE110
又因为电桥电阻
Figure DEST_PATH_IMAGE112
，联立以上各式，可得到特征值
Figure 70159DEST_PATH_IMAGE004
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
从上式可以看出，当其他条件不变的情况下，特征值K与被测金属膜厚t呈现线性关系。传统的电涡流测厚方法，需要先测量空气值信号作为基值，而后，计算出金属薄膜下的测量信号与空气值信号的变化量，进而得到信号变化量与金属膜厚之间的关系，从而完成厚度测量，这类方法大多很难在大量程下获得较好的线性度。而本发明中，基于上述三线圈的电涡流传感器结构，在提取特征值
Figure 361463DEST_PATH_IMAGE004
的过程中，已经消掉了与金属膜厚
Figure DEST_PATH_IMAGE114
无关的信号量，可直接建立特征值
Figure 894076DEST_PATH_IMAGE004
与金属膜厚
Figure 499501DEST_PATH_IMAGE114
之间的关系，无需在厚度测量前先获得空气值信号，并且可以获得极好的线性度。
基于以上分析，如图12所示，本发明实施例还提供了一种金属膜厚测量方法，包括：
步骤S1，利用电涡流传感器测量晶圆表面的金属薄膜的厚度，电涡流传感器包括依次叠放的检测线圈、激励线圈和补偿线圈；
步骤S2，获取电涡流传感器的输出电压得到特征值
Figure 902800DEST_PATH_IMAGE004
，特征值
Figure 958481DEST_PATH_IMAGE004
等于输出电压的实部与虚部的比值，特征值
Figure 181652DEST_PATH_IMAGE004
与被测金属膜厚
Figure 354882DEST_PATH_IMAGE114
呈线性关系；
步骤S3，根据特征值
Figure 612688DEST_PATH_IMAGE004
确定被测金属膜厚
Figure 573691DEST_PATH_IMAGE114
。
本发明实施例中，利用三线圈的电涡流传感器的结构，可以得到与被测金属膜厚
Figure 549737DEST_PATH_IMAGE114
呈线性关系的特征值
Figure 496964DEST_PATH_IMAGE004
，利用特征值
Figure 671594DEST_PATH_IMAGE004
可以直接确定被测金属膜厚
Figure 6760DEST_PATH_IMAGE114
。
具体在使用过程中，首先需要对本发明的膜厚测量装置50进行标定，具体标定步骤包括：
步骤1，将电涡流传感器51安装在抛光盘内固定处，将引线连接到前置信号处理模块52，确保数据采集模块、通讯模块以及上位机正常工作。
步骤2，通过信号发生器向激励线圈输入固定频率的正弦激励电压。频率范围可以取100kHz-10MHz，常常选用1.5MHz。
步骤3，在机台上放置所需要测量的膜厚范围内,至少两个膜厚的镀有金属薄膜的晶圆，两个厚度分别记为t1和t2，得到的特征值分别记为
Figure DEST_PATH_IMAGE116
、
Figure DEST_PATH_IMAGE118
，所选的两个膜厚差值越大越好。本实施例中，所测量的金属膜厚范围不超过3um。
步骤4，在上位机通过线性标定算法，即通过两点 (
Figure 407786DEST_PATH_IMAGE116
，t1)和(
Figure 424283DEST_PATH_IMAGE118
，t2)确定标定曲线K-t。也可以重复步骤3，通过更多的不同厚度的金属薄膜测量来得到更加准确的标定曲线。
步骤5，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，在本实施例中，所测量的金属材质包括铜、铝、钨、钴等。
然后在化学机械抛光过程中，测量晶圆的金属膜厚的具体步骤包括：
步骤一，通过上位机，确定该膜厚测量装置50在所测量金属材质下的标定曲线。
步骤二，在抛光该材质的晶圆过程中，采集膜厚测量装置50输出的特征值K。
步骤三，根据标定表K-t的映射关系，计算得到被测金属膜厚
Figure 656681DEST_PATH_IMAGE114
。
在实际工况中，造成提离高度
Figure 959487DEST_PATH_IMAGE066
变动最大的因素是安装误差和抛光垫在抛光过程中的磨损，最大磨损量一般不超过0.4mm。如图13所示，本申请经过了实验测试，在三种不同的提离高度3.2mm、3.4mm和3.6mm下，特征值K与金属膜厚
Figure 910125DEST_PATH_IMAGE114
变化的关系如图13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，特征值K与金属膜厚
Figure 986707DEST_PATH_IMAGE114
的相关系数大于0.999。很明显，利用特征值K来标定金属膜厚有着显著的优点，包括：标定方法简单，不需要测量空气值作为基值，可以实现厚度测量的自校准；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；受提离高度变动对测量结果的影响较小。
本发明实施例还提供了一种控制装置，其包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现如图12所示的方法步骤。所述控制装置是指具有数据处理能力的终端，包括但不限于计算机、工作站、服务器，甚至是一些性能优异的智能手机、掌上电脑、平板电脑、个人数字助理（PDA）、智能电视（Smart TV) 等。控制装置上一般都安装有操作系统，包括但不限于：Windows操作系统、LINUX操作系统、安卓（Android）操作系统、Symbian操作系统、Windowsmobile操作系统、以及iOS操作系统等等。以上详细罗列了控制装置的具体实例，本领域技术人员可以意识到，控制装置并不限于上述罗列实例。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如图12所示的方法步骤。所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random AccessMemory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种金属膜厚测量方法，其特征在于，包括：
利用电涡流传感器测量晶圆表面的金属薄膜的厚度，所述电涡流传感器包括依次叠放的检测线圈、激励线圈和补偿线圈；
获取所述电涡流传感器的输出电压得到特征值，所述特征值等于输出电压的实部与虚部的比值，所述特征值与被测金属膜厚呈线性关系；
根据所述特征值确定被测金属膜厚。
2.如权利要求1所述的金属膜厚测量方法，其特征在于，所述特征值为：
Figure 79617DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为所述特征值，
Figure 137703DEST_PATH_IMAGE004
为所述电涡流传感器的输出电压，
Figure 714177DEST_PATH_IMAGE006
为互感因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为常 数，
Figure 515911DEST_PATH_IMAGE008
为电导率，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为相对磁导率，t为被测金属膜厚。
3.如权利要求2所述的金属膜厚测量方法，其特征在于，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 267967DEST_PATH_IMAGE012
为等效涡流环结构参数的函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为等效涡流环的外径，
Figure 621588DEST_PATH_IMAGE014
为等效涡流 环的内径。
4.如权利要求2所述的金属膜厚测量方法，其特征在于，所述检测线圈的第一端连接所述补偿线圈的第二端并同时接地，所述检测线圈的第一端和所述补偿线圈的第二端为异名端，所述检测线圈的第二端连接第一电阻的第一端，所述补偿线圈的第一端连接第三电阻的第一端，所述第一电阻的第二端和第三电阻的第二端连接并引出所述输出电压。
5.如权利要求4所述的金属膜厚测量方法，其特征在于，所述输出电压为：
Figure 623042DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为输入激励线圈的激励电压的角频率，
Figure 523739DEST_PATH_IMAGE018
为检测线圈和激励线圈之间的等 效互感系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为激励电流，
Figure 599143DEST_PATH_IMAGE020
为检测线圈和金属薄膜之间的等效互感系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为金属薄 膜的感应电流，
Figure 264610DEST_PATH_IMAGE022
为第一电阻的阻值，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为第三电阻的阻值，
Figure 222202DEST_PATH_IMAGE024
为激励线圈和补偿线圈 之间的等效互感系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为补偿线圈和金属薄膜之间的等效互感系数。
6.如权利要求5所述的金属膜厚测量方法，其特征在于，所述等效互感系数和互感因子的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
Figure DEST_PATH_IMAGE029
Figure DEST_PATH_IMAGE031
Figure DEST_PATH_IMAGE033
Figure DEST_PATH_IMAGE035
其中，
Figure 333115DEST_PATH_IMAGE036
为激励线圈和金属薄膜之间的等效互感系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 387659DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 224028DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure DEST_PATH_IMAGE041
都是互感因子，
Figure 731233DEST_PATH_IMAGE042
为提离高度，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为检测线圈的电感量，
Figure 412881DEST_PATH_IMAGE044
为激励线圈的电感量，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为补偿线圈的电感量，
Figure 587510DEST_PATH_IMAGE046
为金属薄膜的等效电感。
7.如权利要求1所述的金属膜厚测量方法，其特征在于，所述检测线圈、激励线圈和补偿线圈同向绕制在线圈骨架上，所述激励线圈位于检测线圈和补偿线圈之间，所述检测线圈的安装位置靠近抛光盘上表面，所述检测线圈、激励线圈和补偿线圈的水平截面均为矩形，并且，所述激励线圈的水平截面面积小于检测线圈的水平截面面积，检测线圈与补偿线圈的水平截面面积相同。
8.一种化学机械抛光设备，其特征在于，包括：
抛光盘，其覆盖有用于对晶圆进行抛光的抛光垫；
承载头，用于保持晶圆并将晶圆按压在所述抛光垫上；
电涡流传感器，用于在抛光期间测量晶圆的膜厚；
控制装置，用于实现如权利要求1至7任一项所述的金属膜厚测量方法。
9.一种控制装置，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的金属膜厚测量方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的金属膜厚测量方法的步骤。
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Wang Chengxin

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GR01 Patent grant
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