CN1505554A - 具有光学和涡流监视的集成结束点检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种化学机械抛光设备(20)和方法，其可使用涡流监视系统(40)和光学监视系统(140)。来自监视系统的信号可以在输出线上组合并被计算机提取。可以计算抛光垫(30)的厚度。涡流监视系统(40)和光学监视系统(140)可测量衬底上的基本上相同的位置。

Description

具有光学和涡流监视的集成结束点检测系统
发明背景
本发明一般涉及衬底的化学机械抛光，特别涉及在化学机械抛光期间用于监视金属层的方法和设备。
通常通过在硅晶片上连续沉积导电、半导电或绝缘层而在衬底上形成集成电路。一个制造步骤包括在非平面(non-planar)表面上沉积填料层(filler layer)，并平面化该填料层，直到露出非平面表面为止。例如，可以在图案化的绝缘层上沉积导电填料层，以便填充绝缘层中的沟槽或孔。然后对填料层进行抛光，直到露出绝缘层的突起图形为止。平面化之后，保留在绝缘层的突起图形之间的导电层形成在衬底上的薄膜电路之间提供导电路径的通孔(vias)、导电塞(plugs)和导电(lines)。此外，必须平面化以平面化衬底表面，用于光刻。
化学机械抛光(CMP)是一种可接受的平面化方法。这种平面化方法通常要求衬底安装在载座(carrier)或抛光头上。衬底暴露的表面被置于旋转的抛光盘垫(rotating polishing disk pad)或带垫(belt pad)上。抛光垫可以是“标准”垫或固定的磨料垫(fixed-abrasive pad)。标准垫具有耐用粗糙表面，而固定的磨料垫具有保持在封闭介质中的研磨剂颗粒。载座头提供在衬底上的可控负载，以便贴着抛光垫将其推动。包括至少一种化学反应剂和如果使用标准垫还包括研磨剂颗粒的抛光浆料输送给抛光垫的表面。
在CMP中的一个问题是确定是否完成抛光工艺，即是否衬底层已经被平面化到所希望的平面度或厚度，或者是否已经除去了所需量的材料。导电层或膜的过抛(除去太多)将导致电路电阻增加。另一方面，导电层的欠抛(除去太少)将导致电气短路。衬底层的初始厚度、浆料成分、抛光垫状况、抛光垫和衬底之间的相对速度以及衬底上的负载的变化都可能引起材料除去速度的变化。这些变化导致达到抛光结束点所需要的时间改变。因此不能只作为抛光时间的函数确定抛光结束点。
确定抛光结束点的一种方法是从抛光表面除去衬底并检查它。例如，将衬底传送到测量台(metrology station)，在那里例如利用表面光度仪(profilometer)或电阻率测量对衬底层的厚度进行测量。如果不符合希望的指标，将衬底再装载到CMP设备中，进行进一步处理。这是非常耗时的工序，降低了CMP设备的产量。或者，检查结果表明已经除去了过量材料，则表示该衬底不能使用。
近年来，例如已经利用光学或电容传感器进行了衬底的原位监视，以便检测抛光结束点。另一种提出的结束点检测技术包括测量摩擦力、电机电流、浆料化学成分、声学和导电性。已经被人考虑的检测技术是在金属层中感应涡流，并在除去金属层时测量涡流的变化。
发明概述
在一种方案中，本发明旨在提供用于化学机械抛光的设备。该设备具有支撑抛光表面的台板(platen)、设置在台板上以便产生第一信号的涡流监视系统、设置在台板上以便产生第二信号的光学监视系统、在台板中用于将第一和第二信号合并成输出线上的第三信号的电路、和用于接收输出线上的第三信号并提取第一和第二信号的计算机。
本发明的实施可包括一个或多个以下特征。台板可以是可旋转的，并且输出线可通过电路和计算机之间的旋转电气接头(electrical union)。载座头可保持衬底与抛光表面接触。电路可将来自第一和第二信号的数据组装成数据包，并且计算机可从该数据包提取数据。
在另一方案中，本发明旨在提供确定抛光垫厚度的方法。在该方法中，具有设置在其上的导电层的衬底设置成与抛光垫的抛光表面接触。由电感器产生交变磁场，以便在导电层中感应涡流。测量磁场的强度，并且至少从磁场的强度计算抛光垫的厚度。
本发明的实施例可包括一个或多个以下特征。产生交变磁场可包括用驱动信号驱动电感器。可以测量磁场和驱动信号之间的相位差。抛光垫的厚度可以至少从磁场的强度和该相位差计算出来。可以用具有第一已知厚度的第一抛光垫和具有第二已知厚度的第二抛光垫对测试衬底进行抛光，并且可产生至少一个关于在抛光期间抛光垫的厚度与信号的强度间关系的系数。如果抛光垫的厚度在预定厚度之下，则可以给用户发出警报。
在另一方案中，本发明旨在提供在化学机械抛光期间测量衬底上的导电层的方法。在该方法中，具有设置在其上的导电层的衬底设置成与抛光垫的抛光表面接触。在衬底和抛光垫之间产生相对运动，以便对衬底进行抛光。利用驱动信号驱动电感器，以便产生交变磁场，该磁场在导电层中感应涡流，测量磁场强度以及磁场和驱动信号之间的相位差，在磁场强度基础上计算校正因子，并由相位差和校正因子计算导电层厚度。
本发明的实施例可包括一个或多个下列特征。可以至少从磁场强度计算抛光垫的厚度。利用具有第一已知厚度的第一抛光垫和具有第二已知厚度的第二抛光垫对测试衬底进行抛光，或者当第一抛光垫具有第一已知厚度时用第一抛光垫抛光测试衬底，和当第一抛光垫具有第二已知厚度时用第一抛光垫抛光测试衬底。可以产生至少一个关于在抛光期间抛光垫的厚度与信号的强度间关系的系数。如果抛光垫的厚度在预定厚度之下，则可以给用户发出警报。
在另一方案中，本发明旨在提供化学机械抛光设备。该设备具有抛光表面，保持具有形成在其上的导电层的衬底与抛光表面接触的载座头；产生衬底和抛光表面之间的相对运动的电机；包括电感器和驱动电感器产生交变磁场的电流源的涡流监视系统，该交变磁场在导电层中感应涡流；测量磁场强度以及磁场和驱动信号之间的相位差的传感器；以及经配置在磁场强度基础上计算校正因子和由相位差和校正因子计算导电层的厚度的计算机。
在另一方案中，本发明旨在提供用于化学机械抛光的设备。该设备具有支撑抛光表面的台板、保持衬底的载座头、在抛光期间产生第一信号的涡流监视系统、和设置成可以在抛光期间产生第二信号的光学监视系统。涡流监视系统包括产生磁场的电感器，该磁场延伸到衬底第一区，光学监视系统包括光源，该光源定位和取向成可以将光束引导到衬底第一区中的一点上。因此，涡流监视系统和光学监视系统基本上测量衬底上的相同位置。
本发明的实施可包括一个或多个以下特征。涡流监视系统可包括具有多个叉形物(prongs)的芯件(core)。光学监视系统可包括至少部分地设置在叉形物之间的检测器。光束可在距离叉形物基本上为等距离的点上撞击衬底。光束也可在直接位于芯件之上的斑点上撞击衬底。
本发明的实施例的可能的优点可包括一个或多个下列优点。光学和涡流监视系统可基本上监视衬底上的同一点。在体抛光期间可以测量导电层的厚度。在抛光期间还可以测量用于抛光衬底的抛光垫的厚度。由载座头施加的压力分布(profile)可被调整以补偿非均匀抛光速度和厚度不均匀的衬底。可以以高精度停止抛光。可以减少过抛和欠抛，如可能形成表面凹陷(dishing)和腐蚀，由此提高了产量和生产率。
参照下列包括附图和权利要求书的说明中本发明的其它特征和优点将更显然。
附图简单简述
图1是化学机械抛光的示意分解透视图。
图2是载座头的示意剖面图。
图3A是包括涡流监视系统和光学监视系统的化学机械抛光台的部分截面的示意侧视图。
图3B是图3A的抛光台的台板的示意顶视图。
图4是涡流监视体系的示意电路图。
图5是表示由涡流监视系统产生的磁场的示意剖面图。
图6A-6D示意性地表示采用涡流传感器检测抛光结束点的方法。
图7是来自涡流监视系统的振幅轨迹的曲线图。
图8是读出振幅和相位偏移的涡流监视系统的示意电路图。
图9是来自涡流监视系统的相位偏移轨迹的曲线图。
图10A-l0C是具有光学和涡流监视系统的台板的剖面图。
图11是表示来自光学监视系统的振幅轨迹的曲线。
图12A和12B分别是表示在不同抛光垫厚度处由涡流监视系统产生的振幅轨迹和相位差轨迹的曲线。
详细说明
参见图1，可用CMP设备20抛光一个或多个衬底10。相似的抛光设备20的说明可在美国专利US5738574中发现。抛光设备20包括一系列抛光台(polishing stations)22a、22b和22c以及传送台(transferstation)23。
每个抛光台包括可旋转台板24，其上设置抛光垫30。第一和第二抛光台22a和22b可包括具有硬的耐用外表面的两层抛光垫或具有埋置研磨剂颗粒的固定的磨料垫。最后抛光台22c可包括相对软的垫或两层垫。每个抛光台还可包括垫调节装置28，以便保持抛光垫的状况，因此将有效地抛光衬底。
参见图3A，两层抛光垫30通常具有靠着台板24的表面的支撑层(backing layer)32和用于抛光衬底10的覆盖层(covering layer)34。覆盖层34通常比支撑层32硬。然而，一些垫只有覆盖层而没有支撑层。覆盖层34可由泡沫化的或浇注聚氨基甲酸酯(polyurethane)构成，可能的话可以具有填料，例如中空微球体，和/或带槽表面。支撑层32可由用氨基甲酸乙酯(urethane)提取的压缩毡纤维构成。两层抛光垫具有由IC-1000构成的覆盖层和由SUBA-4构成的支撑层，并可从纽约Delaware的Rodel公司获得(IC-1000和SUBA-是Rodel公司的产品名。)。
在抛光步骤期间，利用浆料输送口或组合浆料/漂洗臂39将含有液体(例如用于氧化抛光的去离子水)和PH值调节剂(例如用于氧化抛光的氢氧化钾)的浆料38输送到抛光垫30的表面上。如果抛光垫30是标准垫，则浆料38还可包括研磨剂颗粒(例如用于氧化抛光的二氧化硅)。
参见图1，可旋转多头圆盘传送带(carousel)60支撑四个载座头70。该圆盘传送带通过中心支柱62并由圆盘传送带电机组件(未示出)驱动可围绕圆盘传送带轴64旋转，以便围绕载座头系统和在抛光台22和传送台23之间的固定在其上的衬底运动。载座头系统中的三个接收和保持衬底，并通过将它们压在抛光垫上而对它们进行抛光。同时，一个载座头系统通过传送台23从装载装置接收衬底和将衬底输送给装载装置。
每个载座头70由载座驱动轴74连接到载座头旋转电机76(通过除去盖子68四分之一所示的)上，以便每个载座头可独立围绕它自己的轴旋转。此外，每个载座头70在形成在圆盘传送带支撑板66中的径向槽72中独立地横向振荡。在操作中，台板围绕它自己的中心轴25旋转，载座头围绕它自己的中心轴71旋转，并且穿过抛光垫的表面横向移动。
如前述专利申请中所公开的和如图2所示，示例性载座头70包括外壳202、基座组件204、万向接头机构(gimbal mechanism)206(可以认为是基座组件204的一部分)、装载室208、保持环210、和衬底支撑组件(backing assembly)212，该衬底支撑组件可包括三个可压缩室(pressurizable chamber)，如浮置上部室236、浮置下部室234和外部室238。装载室208位于外壳202和基座组件204之间，以便给基座组件204的垂直位置施加负载和控制该垂直位置。第一压力调节器(未示出)可通过通道232可变地(fluidly)连接到装载室208，以便控制装载室中的压力和基座组件204的垂直位置。
衬底支撑组件212包括柔性内部膜片216、柔性外部膜片218、内部支撑结构220、外部支撑结构230、内部间隔环222和外部间隔环232。柔性内部膜片216包括在可控区域给衬底10施加压力的中心部分。基座组件204和内部膜片216之间的容积由内部簧片(flap)244密封并提供可压缩的浮置下部室234。被内部簧片244和外部簧片246密封的基座组件204和内部膜片216之间的环形容积限定了可压缩浮置上部室236。内部膜片216和外部膜片218之间的密封容积限定了可压缩外部室238。三个压力调节器(未示出)可独立地连接到浮置下部室234、浮置上部室236和外部室238上。因此，流体如气体可独立地被引入或引出每个室。
浮置上部室236、浮置下部室234和外部室238中的压力的组合控制了内部膜片216靠着外部膜片218的顶表面的接触面积和压力。例如，通过将流体泵出浮置上部室236，内部膜片216的边缘被提升远离外部膜片218，由此减小内部膜片和外部膜片之间的接触区域的接触直径DC。相反，通过将流体泵送到浮置上部室236中，使内部膜片216的边缘朝向外部膜片218下降，由此增加接触区域的接触直径DC。此外，通过将流体泵入或泵出浮置下部室234，可以改变内部膜片216靠着外部膜片218的压力。因此，可以控制被载座头承载的区域中的压力和该区域的直径。
参见图3A和3B，在台板24中形成凹腔(recess)26，例如由玻璃或硬塑料制成的透明盖27可以置于凹腔26上。此外，在透明盖27上方的抛光垫30中形成透明部件36。透明盖27和透明部件36设置成使得在一部分台板旋转期间它们穿过衬底10底部，而与载座头的移动位置无关。假设抛光垫32是两层垫，则可以通过在支撑层32中切割一孔和通过用透明塞代替一部分盖层34而构成透明部件36。该塞可以是相对纯的聚合物或聚氨基甲酸乙酯，例如不用填料形成。通常，透明部件36的材料应该是非磁性的和非导电的。
参见图3A，第一抛光台22a包括原位涡流监视系统40和光学监视系统140。涡流监视系统40和光学监视系统140可以用作抛光工艺控制和结束点检测系统。第二抛光台22b和最后抛光台22c都可只包括光学监视系统，虽然它们当中任一个可以额外地包括涡流监视系统或只有涡流监视系统。
如图3B所示，在台板每次旋转时芯件42和窗口部件36在衬底10的底部扫过。每次窗口部件扫过衬底底部，可以从涡流监视系统40和光学监视系统140收集数据。
参见图4，涡流监视系统40包括在衬底上的金属层中感应涡流的驱动系统48和感测系统(sensing system)58，读出系统58检测由驱动系统在金属层中感应的涡流。监视系统40包括设置在凹腔26中以便随着台板旋转的芯件42、围绕芯件42的一部分缠绕的驱动线圈44、和围绕芯件42的第二部分缠绕的感测线圈(sense coil)46。对于驱动系统48，监视系统40包括连接到驱动线圈44的振荡器50。对于感测系统58，监视系统40包括与感测线圈46并联连接的电容器52、连接到感测线圈46的RF放大器54、和二极管56。振荡器50、电容器52、RF放大器54和二极管56可设置在凹腔26内部的印制电路板160上。计算机90可通过旋转电气接头92耦合到台板中的部件上，包括印制电路板160。
参见图5，芯件42可以是由非导电材料形成的U形体，该非导电材料具有相对高磁导率。驱动线圈可以设计成与来自振荡器的驱动信号匹配。可以通过试验确定准确的绕组结构、芯成分和形状、以及电容器尺寸。如图所示，透明盖27的下表面可包括两个矩形缺口29，芯件42的两个叉形物42a和42b可延伸到该缺口中，以便靠近衬底设置。
参见图3A，在工作中，振荡器50驱动驱动线圈44，产生通过芯件42的主体延伸并进入芯件的两极42a和42b之间的间隙的振荡磁场48。至少一部分磁场48延伸穿过抛光垫30的薄部36并进入衬底10。如果金属层12存在于衬底10上，振荡磁场48在金属层12中产生涡流。涡流使金属层12作为与感测线圈46和电容器52并联的阻抗源工作。随着金属层厚度的变化，阻抗改变，导致感测机构的Q因子改变。通过检测感测机构的Q因子的变化，涡流传感器可感测涡流的强度变化，并因此感测金属层12的厚度变化。
一般情况下，导电膜的期望的初始厚度越大，所需的谐振频率越低。例如，对于例如2000埃的相对薄的膜，可以选择电容和电感以便提供相对高的谐振频率，例如约2MHz。另一方面，对于相对较厚的膜，例如20000埃，可以选择电容和电感以便提供相对较低的谐振频率，例如约50KHz。然而，高谐振频率在厚铜层时仍然可以工作的很好。此外，可以使用非常高的频率(2MHz以上)以减少来自载座头中的金属部件的背景噪声。
首先，参见图3A、4和6A，在进行抛光之前，同时不存在任何衬底时，振荡器50被转换到LC电路的谐振频率。这个谐振频率导致来自RF放大器54的输出信号的最大振幅。
参见图6B和7，对于抛光操作，衬底10设置成与抛光垫30接触。衬底10可以包括硅晶片12和导电层16，例如金属层如铜，其被设置在一个或多个图案化的下层14上，下层14可以是半导体、导体或绝缘体层。阻挡层18，如钽或氮化钽可使金属层与下部介电层分开。
图案化的下层可以包括金属结构，例如通路、焊盘(pads)和互连件。在抛光之前，由于开始时导电层16的体积相对较厚并且是连续的，因此它具有低电阻率，可能在导电层中产生相对强的涡流。如前所述，涡流引起金属层执行与感测线圈46和电容器52并联的阻抗源的功能。因而，导电膜16的存在减小了传感器电路的Q因子，由此显著减小了来自RF放大器56的信号的振幅。
参见图6C和7，在抛光衬底10时，导电层16的大部分被磨薄。在导电层16变薄时，它的面电阻率(sheet resistivity)增加，并且金属层中的涡流衰减。因而，金属层16和传感器电路58之间的耦合减少了(即有效阻抗源的电阻率增加了)。随着耦合下降，传感器电路58的Q因子向它的原始值增加。
参见图6D和7，最后除去大部分导电层16，在图案化的绝缘层14之间的沟槽中留下导电互连件16’。此时，衬底中的导电部分和传感器电路58之间的耦合达到最小值，其中衬底中的导电部分一般很小和一般是非连续的。因而，传感器电路的Q因子达到最大值(虽然不如完全不存在衬底时的Q因子大)。这引起从传感器电路到台板的输出信号增大。
除了振幅的感测变化之外，涡流监视系统还可以计算感测信号中的相位偏移。在抛光金属层时，感测信号的相位相对于来自振荡器的驱动信号变化。这个相位差与抛光层的厚度相关。
如图8所示，相位测量装置的一个实施例合并了驱动和感测信号以产生振幅信号和相位偏移信号，这些信号的脉冲宽度或工作循环(duty cycle)与相位差成比例。在这个实施例中，使用两个XOR门100和102以便将分别来自感测线圈46和振荡器50的正弦信号转换成方波信号。两个方波信号馈送到第三XOR门104的输入端。第三XOR门104的输出是相位偏移信号，它的脉冲宽度或工作循环与两个方波信号之间的相位差成比例。相位偏移信号被RC滤波器106过滤以产生类直流(DC-like)信号，该信号的电压与该相位差成比例。或者，信号被馈送到可编程数字逻辑中，例如进行相位偏移测量的复杂可编程逻辑器件(CPLD)或场可编程门阵列(FGPA)。由测量驱动和感测信号之间的相位差的涡流监视系统产生的轨迹的例子示于图9中。由于相位测量对于驱动频率的稳定性来说是高度灵敏的，因此可以增加相位锁定环路电子装置。
相位差测量的可能优点是相位差与金属层厚度的相关性可能比振幅的更线性。此外，金属层的绝对厚度可以在可能厚度的宽范围上确定。
参见图3A，用作反射仪或干涉仪的光学监视系统140可以固定到具有涡流监视系统40的凹腔26中的台板24上。光学监视系统140包括光源144和检测器146。用于光源144和检测器146的电子装置可以设置在印制电路板160上。光源产生光束142，该光束通过透明窗口部件36和浆料传播以便照射在衬底10的暴露表面上。例如，光源144可以是激光器，光束142可以是准直激光束。激光束142可以从激光器144相对于垂直衬底表面的轴以一定角度投射。此外，如果孔26和窗口36变长，光束扩大器(expander)(未示出)可设置在光束的路径中，以便沿着窗口的细长轴放大光束。
参见图10A-10C，光学监视系统140可如此定位，以便光束142在芯件42的两个叉形物43之间的位置照射衬底。在一个实施例中，光源144设置成可向芯件42沿着基本上平行于台板24表面的路径引导光源。光束142从设置在芯件42前面的反射镜162向上反射，以便光束142在叉形物43之间通过，从衬底10反射，然后照射检测器146，该检测器146具有设置在叉形物43之间的至少一部分。在这种结构中，光束被引导到被芯件的磁场覆盖的区域内部的衬底上的点上。因而，光学监视系统140可测量基本上与涡流监视系统40检测的衬底上的相同的位置的反射率。虽然未示出，芯件42和检测器146可以安装在一个或多个印制电路板160上或固定到其上。
由光学监视系统产生的轨迹250的例子示于图11中。强度轨迹250的整个形状可以如下解释。首先，金属层16由于下层图案化层14而具有某些初始形貌。由于这种形貌，在光束照射到金属层上时散射。在抛光操作进行到轨迹的部分252中时，金属层变得更平坦，并且被抛光金属层的反射率增加。随着在轨迹的部分254中除去大块金属层，强度保持相对稳定。一旦在轨迹中开始暴露氧化物层，在轨迹的部分256中整个信号强度快速下降。一旦在轨迹中氧化物层完全暴露，在轨迹的部分258中强度再次稳定化，虽然由于在除去氧化物层时的干涉测量效应使它可能进行小的振荡。
参见图3A、3B和4，CMP设备20还可包括位置传感器80、如光学斩波器，以便感测芯件42和光源44处于衬底10底部的时间。例如，光学斩波器可以安装在与载座头70相反的固定点上。标记82固定于台板的周边上。选择标记82的固定点和长度，以便它中断传感器80的光学信号，同时透明部件36扫过衬底10的底部。或者，CMP设备可包括确定台板的角度位置的编码器。
通用可编程数字计算机90从涡流监视系统接收强度信号和相位偏移信号以及从光学监视系统接收强度信号。印制电路板160可包括电路，如通用微处理器或专用集成电路，以便将来自涡流监视系统和光学监视系统的信号转换成数字数据。这个数字数据可组合成分立数据包，这些数据包经过串行通信通道例如RS-232发送给计算机90。只要印制电路板160和计算机90使用相同的数据包格式，计算机90可提取和使用在结束点或工艺控制算法中测量的强度和相位偏移。例如，每个数据包可包括五个字节，其中两个字节是光学信号数据，两个字节是用于涡流信号的振幅或相位差数据，一位表示数据包是否包括振幅或相位偏移数据，其余位包括表示窗口部件36是否处于衬底底部、校验和位等的标记。
由于在每次台板旋转时监视系统扫过衬底底部，原位和在连续实时收集关于金属层厚度和暴露下层的信息。计算机90可以编程以便在衬底一般为透明部件36之上(如由位置传感器确定的)时采样来自监视系统的测量。随着抛光进行，金属层的反射率或厚度改变，并且采样信号随着时间变化。时间改变采样信号可称之为轨迹。在抛光期间来自监视系统的测量结果可以在输出装置94上显示，以便允许该装置的操作者目测抛光操作的进程。此外，如下面讨论的，可以使用该轨迹控制抛光工艺和确定金属层抛光操作的结束点。
在操作中，CMP设备20使用涡流监视系统40和光学监视系统140确定已经除去大块填料层的时间和确定基本上露出下部停止层的时间。计算机90将工艺控制和结束点检测逻辑信号施加于采样信号以确定改变工艺参数的时间和检测抛光结束点。用于检测器逻辑的可能的工艺控制和结束点准则包括局部最小值或最大值、倾斜度的变化、振幅或倾斜度的阈值、或者其组合。
此外，计算机90可以编程以将通过每次扫过衬底底部而测量的来自涡流监视系统40和光学监视系统140的测量结果分成多个采样区96，以便计算每个采样区的径向位置，将振幅测量结果分类成径向范围，确定每个采样区的最小值、最大值和平均测量值，以及使用多个径向范围确定抛光结束点。
此外，计算机90可编程为在来自涡流监视系统40的信号的基础上确定抛光垫30的厚度和导电层16的绝对厚度。通常，来自涡流检测器的强度和相位偏移信号取决于芯件40和导电层16之间的距离。特别是，如图12A和12B所示，随着抛光垫磨损和变薄，导电层16将移动靠近芯件40，耦合将增加，因而振幅和相位信号的强度将下降。
如前所述，来自涡流监视系统40的强度和相位偏移信号也取决于导电层16的厚度。然而，在导电层的一定临界厚度之上，振幅信号对层厚是不灵敏的。因此，当抛光开始时，振幅信号保持恒定，直到已经除去足量材料，即导电层比临界厚度薄(在时间δ)。此时，振幅信号的强度开始增加。相反，相位偏移信号立刻反应以使导电层的厚度改变。
采用强度和相位偏移信号确定抛光垫的厚度。开始，进行校正步骤，以便对具有比临界厚度厚的导电层的测试衬底在具有已知不同厚度的两个抛光垫上进行抛光。或者，校正步骤可以在不同磨损程度、相同的抛光垫上进行。在校正步骤期间，为每个抛光垫测量强度信号和相位偏移信号的强度。从这些测量结果，计算出两个系数ΔA和ΔΦ，分别表示振幅和相位偏移信号的信号强度，这是抛光垫厚度产生的。
之后，在器件晶片的抛光期间，使用强度和相位偏移信号的测量强度以及系数ΔA和ΔΦ(或者等效搜索表)确定抛光垫的厚度。特别是，由于在抛光工艺开始时振幅信号对导电层的厚度不敏感，因此振幅信号的这个初始强度与抛光垫的厚度相关。然后抛光垫的测量厚度可用于修正抛光参数或产生警报。例如，如果抛光垫厚度在预定值以下，则计算机可能产生信号，表示必须更换抛光垫。
在抛光期间强度和相位偏移信号还可用于确定衬底上的导电层的绝对厚度。由于相位偏移信号对导电层的厚度变化很灵敏，因此产生搜索表(在测试衬底的试验测量基础上)，以使相位偏移信号的强度与导电层的厚度相关。在抛光器件衬底期间，可以在抛光开始时测量振幅信号的初始强度。采用两个系数ΔA和ΔΦ，计算机可计算被调节的相位信号强度，该信号强度考虑了由于抛光垫厚度变化产生的任何偏移。然后计算机采用搜索表和被调相位信号强度精确地计算导电层的绝对厚度。
计算机90还可连接到控制由载座头70施加的压力的压力机构、连接到控制载座头旋转速度的载座头旋转电机76上、连接到控制台板旋转速度的台板旋转电机(未示出)上、或者连接到控制输送给抛光垫的浆料成分的浆料分配系统39上。具体而言，在将测量分类到径向范围中之后，可以实时将关于金属膜厚度的信息输送给闭环控制器，以便周期性地或连续地修正由载座头施加的抛光压力分布。例如，计算机可确定对于外部径向范围已经满足结束点标准，但是对于内部径向范围不满足。这将表示在衬底的环形外部区域而不是衬底的内部区域中已经露出下层。在这种情况下，计算机将减小施加压力的区域的直径，以便压力只施加于衬底的内部区域，由此减少衬底的外部区域上的凹陷和腐蚀。
涡流和光学监视系统可用在各种抛光系统中。抛光垫或载座头或者这两者都可以移动以提供抛光表面和衬底之间的相对运动。抛光垫可以是固定到台板上的圆形(或一些其它形状)垫、在输送装置和拾取滚轮(take-up rollers)之间延伸的带、或者是连续带。抛光垫可以固定到台板上，在抛光操作之间在台板上递增前进的、或者在抛光期间在台板上连续被驱动的。在抛光期间抛光垫可以固定到台板上，或者在抛光期间在台板和抛光垫之间承载流体。抛光垫可以是标准(例如有或没有填料的聚氨基甲酸乙酯)垫、软垫、或者固定的磨料垫。除了在不存在衬底时调谐之外，振荡器的驱动频率可以在具有抛光或未抛光衬底时(有或没有载座头)调谐到谐振频率，或者转换到其它参考值。
虽然示出了设置在相同孔中，光学监视系统140可以设置在涡流监视系统40以外的台板上的不同位置上。例如，光学监视系统140和涡流监视系统40可设置在台板的相反侧，因此它们交替地扫描衬底表面。
如果涡流传感器使用单线圈，本发明的各种方案如线圈在与衬底相反的抛光表面的设置或者相位差的测量仍然适用。在单线圈系统中，振荡器和感测电容器(和其它传感器电路)连接到同一线圈。
前面已经借助优选实施例介绍了本发明。然而，本发明不限于前面所述和所示的实施例。本发明的范围由权利要求书限定。

Claims (20)

1、一种用于化学机械抛光的设备，包括：
支撑抛光表面的台板；
设置在台板中以便产生第一信号的涡流监视系统；
设置在台板中以便产生第二信号的光学监视系统；
在台板中的电路，其将第一和第二信号合并成输出线上的第三信号；和
用于接收输出线上的第三信号并提取第一和第二信号的计算机。
2、如权利要求1所述的设备，其中台板是可旋转的。
3、如权利要求2所述的设备，还包括旋转电接头，其中输出线经过电路和计算机之间的旋转电接头。
4、如权利要求1所述的设备，还包括保持衬底与抛光表面接触的载座头。
5、如权利要求1所述的设备，其中电路将来自第一和第二信号的数据组合成数据包，并且计算机提取来自数据包的数据。
6、一种确定抛光垫厚度的方法，包括：
设置具有形成在其上的导电层的衬底使其与抛光垫的抛光表面接触；
从电感器产生交变磁场，以便在导电层中感应涡流；
测量磁场的强度；和
至少由磁场的强度计算抛光垫的厚度。
7、如权利要求6所述的方法，其中产生交变磁场包括用驱动信号驱动电感器，并且还包括测量磁场和驱动信号之间的相位差。
8、如权利要求7所述的方法，其中至少由磁场强度和相位差计算抛光垫的厚度。
9、如权利要求6所述的方法，还包括用具有第一已知厚度的第一抛光垫和具有第二已知厚度的第二抛光垫抛光测试衬底，并且在抛光期间的产生至少一个关于抛光垫厚度与信号强度系数。
10、如权利要求6所述的方法，还包括如果抛光垫厚度在预定厚度之下，则给用户发出警报。
11、一种在化学机械抛光期间测量衬底上的导电层的厚度的方法，包括：
设置具有设置在其上的导电层的衬底使其与抛光垫的抛光表面接触；
产生衬底和抛光垫之间的相对运动，以便对衬底进行抛光；
用驱动信号驱动电感器，以便产生在导电层中感应涡流的交变磁场；
测量该磁场的强度以及磁场和驱动信号之间的相位差；
在磁场强度基础上计算校正因子；和
由相位差和校正因子计算导电层的厚度。
12、如权利要求11所述的方法，还包括至少由磁场的强度计算抛光垫的厚度。
13、如权利要求12所述的方法，还包括用具有第一已知厚度的第一抛光垫和具有第二已知厚度的第二抛光垫抛光测试衬底，并且在抛光期间的产生至少一个关于抛光垫厚度与信号强度系数。
14、如权利要求12所述的方法，还包括当第一抛光垫具有第一已知厚度时用第一抛光垫抛光测试衬底，当第一抛光垫具有第二已知厚度时用第一抛光垫抛光测试衬底，并且在抛光期间的产生至少一个关于抛光垫厚度与信号强度系数。
15、如权利要求12所述的方法，还包括如果抛光垫厚度在预定厚度之下，则给用户发出警报。
16、一种化学机械抛光设备，包括：
抛光表面；
保持具有设置其上的导电层的衬底与抛光表面接触的载座头；
产生衬底和抛光表面之间的相对运动的电机；
包括电感器和电流源的涡流监视系统，其中电流源用于驱动电感器以产生在导电层中感应涡流的交变磁场；
测量磁场的强度以及磁场和驱动信号之间的相位差的传感器；和
计算机，其经配置以在磁场强度基础上计算校正因子并由相位差和该校正因子计算导电层的厚度。
17、一种用于化学机械抛光的设备，包括：
支撑抛光表面的台板；
保持衬底的载座头；
在抛光期间产生第一信号的涡流监视系统，该涡流监视系统包括产生延伸到衬底第一区域的磁场的电感器；
设置成在抛光期间产生第二信号的光学监视系统，该光学监视系统包括光源，该光源设置和定向成可以将光束引导到衬底的第一区域中的点上，以便涡流监视系统和光学监视系统基本上测量衬底上的相同位置。
18、如权利要求17所述的设备，其中该涡流监视系统包括具有多个叉形物的芯件，光学监视系统包括至少部分设置在叉形物之间的检测器。
19、如权利要求18所述的设备，其中光束在距离叉形物基本上为等距离的点照射衬底。
20、如权利要求17所述的设备，其中涡流监视系统包括芯件，光束在直接位于芯件上方的点照射衬底。
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