CN1922463A - 通过耦合涡流传感器测量薄膜厚度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供一种用于在薄膜厚度测量过程中把测量光点尺寸和噪声减到最小的方法。所述方法从把第一涡流传感器设置成对准与导电薄膜相联系的第一表面开始。所述方法包括把第二涡流传感器设置成对准与导电薄膜相联系的第二表面。第一和第二涡流传感器可以共享公用的轴线或彼此偏离。所述方法还包括交替地向第一涡流传感器和第二涡流传感器供电。在本发明的一个方面，在第一涡流传感器和第二涡流传感器之间切换电源的操作之间包含延迟时间。所述方法还包括根据来自第一涡流传感器和第二涡流传感器的信号的组合计算薄膜厚度测量值。还提供一种设备和一种系统。

Description

通过耦合涡流传感器测量薄膜厚度的方法和设备

发明背景

本发明一般地涉及半导体制造，更具体地说，涉及用于晶片处理过程中过程控制的在线计量学。

在半导体制造过程中有多个步骤，其中底部衬底经历各种各样的层的形成和去除。小的特征尺寸、严格的表面平面性要求，与不断地寻求增大产量相结合，使得人们极其希望当已经达到正确的厚度时，亦即，当达到工艺步骤的终点时，停止所述过程。

涡流传感器用于位移、接近度和薄膜厚度的测量。所述传感器依靠由7贴近正被测量的物体的探测线圈的波动电磁场在样品上引起的电流感应。波动电磁场是由于交变电流通过所述线圈而建立的。波动电磁场感生涡流，涡流扰乱主磁场，其结果是改变所述线圈的电感。

图1是涡流传感器工作原理的简化原理图。交变电流流过贴近导电物体102的线圈100。所述线圈的电磁场在导电物体102内感生涡流104。涡流的振幅和相位又影响所述线圈上的负载。因而，所述线圈的阻抗便受到位于附近的导电物体中感生的涡流的影响。测量这种影响，以便检测导电物体102的接近度以及所述物体的厚度。距离106影响涡流104对线圈100的作用，因此，若物体1002移动，则来自监测涡流对线圈影响的传感器的信号也将变化。

试图使用涡流传感器来测量薄膜的厚度的成效有限。因为来自涡流传感器的信号对薄膜的厚度和衬底至传感器的距离两者都敏感，必须求解两个未知数。图2是具有涡流传感器的晶片载体的原理图，涡流传感器用来在化学机械平面化工艺(CMP)过程中测量晶片的厚度。晶片载体108包括涡流传感器110。在CMP操作过程中，由载体108的载体薄膜112支持的晶片114被压在衬垫116上，以便将晶片的表面平面化。衬垫116由不锈钢底板118支持。

图2配置的一个缺点来自载体薄膜的可变性，可能改变+/-3密耳。因而，载体薄膜导致晶片和传感器之间距离的相当大的可变性。另外，施加在载体薄膜上的不同的向下压力随着载体薄膜的压缩引起进一步的变化。因此，对影响距离而后者又影响传感器的厚度测量值的所有这些变量都进行标定，变得极其困难。这种配置的另一个缺点是由与正在被测量的导电材料隔开的另一个导电材料的存在引起的，这一般称作第三物体效应。若导电层的厚度小于所谓趋肤深度，则来自线圈的电磁场将不会被完全吸收，而将部分地穿到图2衬垫116的不锈钢底板118。这将在不锈钢带内感生附加的涡流，从而影响来自涡流传感器的总信号。另外，应当指出，衬垫随着时间的磨损或受腐蚀导致不锈钢底板和涡流传感器之间距离的变化，这影响对涡流传感器总信号的贡献。因而，当连续地处理晶片时必须考虑磨损因素。因而，由于被引入厚度测量的可变性的缘故，误差的数量高得无法接受而且不可预测。

鉴于上述各点，有必要消除或补偿在工作状态下固有的可变性，以便可以确定准确的终点，更精确地达到所需的厚度。

发明概要

广义而言，本发明通过确定在理想的状态下亦即在不工作的状态下晶片的厚度，并提供所述厚度以便可以考虑或抵消由在加工操作过程中引入的未知数造成的可变性，满足这些需求。

按照本发明一个实施例，提供一种用于把薄膜厚度测量过程中的噪声减到最小的方法。所述方法从把第一涡流传感器设置成朝向与导电薄膜关联的第一表面开始。所述方法包括把第二涡流传感器设置成位于导电薄膜的相反一侧并朝向与导电薄膜关联的第二表面。第一和第二涡流传感器可以共享公用的轴线或彼此偏离。所述方法还包括交替地向第一涡流传感器和第二涡流传感器供电，使得第一涡流传感器和第二涡流传感器一次只有一个被供电。在本发明的一个方面，在第一涡流传感器和第二涡流传感器之间切换电源的操作之间包含延迟时间。所述方法还包括根据来自第一涡流传感器和第二涡流传感器的信号的组合计算薄膜厚度的测量值。

在另一个实施例中，提供用于映射晶片厚度的传感器阵列。传感器阵列包括多个顶部传感器和在顶部传感器相反一面的多个底部传感器。多个底部传感器中的每一个与多个顶部传感器中相应的一个同轴。还把多个底部传感器配置成当多个顶部传感器中相应的一个起作用时不起作用。包括既与多个顶部传感器保持联系又与多个底部传感器保持联系的电源。还包括配置成从所述电源交替地向多个底部传感器和多个顶部传感器供电的控制器。

按照本发明的又一个实施例，提供一种用于处理晶片的系统。所述系统包括化学机械平面化(CMP)工具。CMP工具包括限定在外壳内的晶片载体。晶片载体具有底面，底面具有定义在其上的窗口。载体薄膜附在晶片载体的底面。载体薄膜配置成在CMP操作过程中支持晶片。传感器被嵌入晶片中。传感器设置在所述窗口的顶面上。所述传感器配置成在晶片内感生涡流，以便确定晶片的接近度和厚度。所述传感器阵列设置在在所述CMP工具以外。传感器阵列与嵌入晶片载体的传感器通信。传感器阵列包括第一传感器和相应的第二传感器。第一传感器和相应的第二传感器配置成在起作用的状态和不起作用的状态之间交替。第一传感器还配置成当第二传感器处于不起作用的状态时处于起作用的状态。传感器阵列配置成检测与第一传感器和相应的第二传感器至晶片的距离无关的晶片厚度信号。

要明白，如所声明的，以上的一般描述和以下的详细说明是示范性的而且仅仅是示范性的而不是对于本发明的限制。

附图的简短说明

包括在本说明书并构成其一部分的附图图解说明本发明的示范性实施例并与所述描述一起用来解释本发明的原理。

图1是涡流传感器的工作原理的简化原理图。

图2是晶片载体的示意图，晶片载体具有涡流传感器，用于在化学机械平面化工艺(CMP)过程中测量晶片的厚度。

图3是耦合传感器的简化原理图，用于按照本发明的一个实施例测量进入的晶片的厚度。

图4是按照本发明一个实施例的如在图3中配置的耦合涡流传感器的信号的曲线图。

图5是按照本发明一个实施例的用于测量进入的晶片或薄膜的厚度的耦合传感器的可供选择的配置的简化原理图。

图6A是按照本发明一个实施例的用于测量进入的晶片的厚度的耦合传感器的另一种可供选择的配置的简化原理图。

图6B是曲线图，图解说明按照本发明的一个实施例当利用在所述曲线图一侧配置的用于检测薄膜厚度的涡流传感器阵列时，平均信号的稳定性。

图7A是按照本发明一个实施例的耦合到CMP过程下游的进入厚度传感器的简化原理图。

图7B是耦合到下游CMP过程厚度传感器的进入厚度传感器的可供选择的实施例的简化原理图。

图8A和8B是曲线图，图解说明按照本发明一个实施例的来自用于薄膜厚度的涡流传感器的信号和来自标准电阻率薄膜厚度测量装置的信号之间的相关性。

图9是曲线图，图解说明按照本发明一个实施例的用于测量铜薄膜厚度的涡流传感器的标定曲线。

图10是曲线图，图解说明按照本发明一个实施例的在衬底上铜薄膜的CMP操作过程中两个涡流传感器的输出信号。

图11A是按照本发明一个实施例的测量抛光带的温度随时间而变化的红外线(IR)传感器信号的曲线图。

图11B是按照本发明一个实施例的晶片温度随着时间而变化的红外线信号的曲线图。

图12是CMP过程的30秒时间序列T1-T9的示意图，图解说明按照本发明一个实施例的由晶片载体内的涡流传感器测量的铜薄膜的去除。

图13是简化原理图，图解说明按照本发明一个实施例的应用于或者偏移或者同轴的两个传感器上的切换方案的占空比。

图14A和14B是示范性曲线，图解说明按照本发明一个实施例的非切换供电方案(powerizing scheme)和切换供电方案之间的噪声差。

图15A和15B是示范性曲线，图解说明在非切换供电方案中遭受的噪声。

图16A和16B是示范性曲线，表示当切换供电方案应用于按照本发明一个实施例的传感器时类似于图15A和15B的读数。

图17是简化原理图，图解说明在按照本发明一个实施例的同轴配置中的边缘排斥改善。

图18是流程图，图解说明按照本发明一个实施例的用于把薄膜厚度测量过程中的噪声减到最小的方法操作。

优选实施例的详细说明

现将参照附图详细描述本发明的几个示范性实施例。图1和2在上面已在″发明背景″部分讨论过了。

涡流传感器(ECS)用于测量移动晶片的金属薄膜厚度。已经确定，ECS能够为以典型装载机器人速度移动的晶片提供足够快速的响应。因此，有可能″在运行过程中″完成厚度测量值，而又不影响加工产量。另外，晶片的运动可以被利用来从群配置中有限数目的传感器产生厚度分布曲线。例如，晶片对准器提供旋转方向和线性半径方向的运动。因此，传感器群可以在晶片经历公共自动化晶片处理方案的同时，捕获晶片的厚度分布曲线。在一个实施例中，可以产生每一个晶片的厚度分布曲线，使得下游过程的方法法可以针对厚度分布曲线进行优化。

下面开头的各附图提供进入的传感器或传感器群的配置，它确定非加工的状态下，亦即无干扰状态下晶片的厚度。然后，可以存储这厚度和/或将其通知处理金属薄膜的下游制造过程。就是说，可以把进入的厚度提供给下游制造过程的类似的厚度测量装置。然后，与下游制造过程相联系的传感器可以用所述进入的厚度进行标定，以便使由加工条件造成的未知数或变量成为不相干的。应当指出，传感器群是指两个或3个传感器的组合，用于定义新的计量学特性。在一个实施例中，传感器被组合在群中以便消除对距离的敏感性。在这里还提供利用所述传感器配置采集的数据的采样结果。这里使用的传感器的阵列包括组合成覆盖(亦即映射)晶片的较大的面积的两个或两个以上传感器群。另外，定位在晶片同一侧的3个传感器可以认为是一个阵列。

当把群集传感器与先存在的工位结合在一起时，便可以为下游的加工操作映射和存储晶片的厚度。另外，当从处理室取出晶片时，还可以扫描所处理的晶片厚度，以便提供关于加工操作的结果的反馈。相应地，可以根据所述反馈对操作的方法进行调整。当然，也可以为进一步的加工操作提供后处理结果。

图3是按照本发明一个实施例的用于测量进入的晶片的厚度的耦合传感器的简化原理图。顶部传感器130和底部传感器132配置成提供表示晶片138的厚度的信号。在一个实施例中，传感器130和132是涡流传感器。晶片138包括衬底142和金属层140。顶部传感器的轴线134偏离底部传感器132的轴线136。本专业技术人员将会认识到，通过偏移顶部传感器130和底部传感器132(其中两个传感器都是涡流传感器)，由传感器130和132产生的电磁场便不会彼此干扰，亦即不会彼此抑制。在其中频率是相同的而且轴线134与轴线136对准的地方，在某些情况下可能出现对这些信号的抑制，但是，如下面将要说明的，可以进行调整，以便避免对这些信号的抑制。控制器144与传感器132和134通信。在一个实施例中，控制器144配置成从传感器132和134接收信号并确定晶片138的厚度。应当指出，控制器144求来自传感器130和132的信号的平均值，以便得到表示晶片厚度的信号。另外，通过设置顶部传感器130和底部传感器132，顶部传感器和晶片138顶面之间距离146的变化或底部传感器和晶片138的底面之间的距离148的变化被抵消了。就是说，当两个传感器都静止时，通过平均这些读数抵消了任何一个距离的变化，使得现在所述信号是厚度而不是厚度和接近度的函数。在另一个实施例中，控制器144把算出的厚度通知下游的工具，诸如CMP工具，使得下游过程可以根据进入的晶片厚度优化过程的设置，诸如所施加的下压力和带速度。

图4是按照本发明一个实施例的来自像在图3中配置的涡流传感器的信号的曲线图。曲线图150画出涡流传感器的输出(伏)与时间的关系。曲线152代表来自定位在晶片下面的传感器，诸如图3的底部传感器132的信号。曲线154代表来自定位在晶片上面的传感器，诸如图3的顶部传感器130的信号。粗曲线156代表曲线152和154的平均值。对于本专业技术人员来说，曲线156显然提供一种基本上恒定的信号。就是说，通过组合来自顶部传感器的信号和来自底部传感器的信号，便排除了传感器的信号对距离的依赖性。例如，随着图3的晶片138移近顶部传感器130，所述信号增大。区域158例证了晶片接近顶部传感器的运动。因而，来自顶部传感器的信号强度相应地增大，如区域158中的曲线152图解说明的。同时，晶片移离底部传感器。因此，来自底部传感器的信号强度减小，类似于来自顶部传感器的信号强度的增大，如区域158中曲线154图解说明的。因而，顶部和底部信号强度的平均值保持恒定。因为信号强度与传感器至物体的距离是线性相关的，所以物体向静止的第一传感器的运动所引起的信号强度变化，被物体移离静止的第二传感器的运动所引起的强度的相反变化所抵销。这又消除了信号强度对距离的敏感性。

因而，通过群集传感器或具有在工作状态下起作用的传感器的传感器群(诸如嵌入CMP工具的晶片载体中的传感器)，可以标定在工作状态下起作用的传感器，以便更准确地提供关于去除速率和过程终点的信息。就是说，提供进入的薄膜厚度的准确测量值或晶片的厚度，使得在加工条件下引起的误差可以通过标定装置补偿。另外，所述传感器群可以用作连续运行过程控制，其中晶片具有厚度分布曲线(由第一传感器或传感器群映射的厚度分布曲线)并且所述分布曲线被下载给过程工具的控制器，以便定制所述过程，诸如CMP过程，以便去除薄膜厚度的正确数量。

图5是按照本发明一个实施例的用于测量进入的晶片或薄膜的厚度的耦合传感器的可供选择的配置的简化原理图。这里顶部传感器130和底部传感器132共享同一垂直轴160。为了消除顶部和底部传感器之间信号的任何干扰或抑制，可以为各自传感器中的每一个施加不同的频率。另外，可以施加相移，使得两个传感器相位不同。就是说，一个传感器把信号波形翻转180度，以便消除对信号的抑制。如上面所描述的，因为排除了距离作为变量，所以信号强度是厚度的函数。表述为数学方程式：S＝k(THK)，其中S是信号强度，k是灵敏度系数，THK是厚度。在一个实施例中，在信号强度和灵敏度系数对于上述方程式是已知的地方，可以通过标定曲线来确定所述厚度。可以把这个确定的厚度提供给半导体制造过程中处理金属薄膜的下游过程工具，诸如CMP工具，正如参照图8和9所讨论的。另外，可以应用参照图13-16B更详细地讨论的切换供电方案。因此，可以用单一电源145来为两个传感器130和132供电。当然，可以把单一电源用于切换供电方案，其中如图3所示偏移这些传感器。

图6A是按照本发明一个实施例的用于测量进入的晶片的厚度的耦合传感器的另一个可供选择的配置的简化原理图。在所述实施例中，传感器群配置成确定晶片138沿着顶部传感器130的轴线162的厚度。这样定位底部传感器132a和132b，使得从每一个传感器至轴线162的距离相等。因而，通过求来自传感器132a和132b的信号的平均值，便确定所述信号，因而，确定沿着轴线162的厚度。这里，不涉及顶部和底部传感器之间信号的干扰或抑制，因为底部传感器132a和132b都偏离顶部传感器130的轴线。区域164、166、168、170和172表示当晶片穿过顶部传感器130和底部传感器132a和132b之间定义的空间时晶片138的运动。参照图6B更详细地描述这些区域的意义。

图6B是曲线图，图解说明按照本发明一个实施例的当利用配置成在所述曲线图的一侧的用于检测薄膜厚度的涡流传感器群时平均信号的稳定性。在所述配置中，涡流传感器群包括顶部传感器130和两个底部传感器132a和132b。晶片138在顶部传感器130和底部传感器132a和132b之间穿行。曲线图171画出ECS读数(伏)与时间(毫秒)的关系。曲线169代表传感器132a的读数，而曲线173代表传感器132b的读数。曲线175代表顶部传感器130的读数。在一个实施例中，求来自传感器132a和132b的信号的平均值。然后求所述结果与来自传感器130的信号的平均值。最后的平均信号由曲线177代表。曲线图171图解说明晶片138穿过传感器群时不同的位置。例如，晶片138进入传感器群并在曲线图上由区域164代表。应当指出，11伏的ECS读数代表与0厚度对应的起点，因为晶片在这里还测量不到。随着晶片边缘穿过传感器群，所述信号稳定下来。然后，晶片继续沿着这个中央行走路径前行，如区域166表达的。如可以看到的，平均读数用曲线177代表，保持相对稳定。

接着，晶片上移0.020英寸。尽管来自顶部传感器130的信号强度(亦即，实测的信号和厚度0处的基准信号之间的差值)变得较强，但是来自底部传感器132a和132b的信号强度变得较弱。但是，用曲线177表达的平均值仍旧相对恒定。然后，晶片从所述中央路径下移0.020英寸。相应地，来自顶部传感器130的信号强度变得较弱，而同时来自底部传感器132a和132b的信号强度变得较强。如上所述，顶部传感器信号和底部传感器信号的平均值仍旧相对恒定。因而，如上所述，传感器群提供稳定的信号，其中晶片离开传感器的距离已无关系，因为顶部和底部信号的平均抵消了晶片移动造成的可变性，或者甚至晶片翘曲造成的信号变动。然后，晶片138移出传感器群如区域172所描绘的，在此处信号发生变化，因为当退出时传感器看到晶片的边缘。应当指出，图6A区域164-172代表如参照图6B所描述的类似运动模式。图6A的运动曲线图产生基本上恒定的如图6B所示的平均信号。本专业技术人员将会认识到，传感器可以用以下方式配置：一个底部传感器和一个顶部传感器、一个底部传感器和两个底部传感器、或任何其它适当的配置，来抵消晶片的运动以便维持稳定的读数。

图7A是按照本发明一个实施例的耦合到下游CMP过程厚度传感器的进入厚度传感器的简化原理图。这里，进入厚度传感器130a确定晶片的厚度和/或晶片138的衬底142上面的薄膜140的厚度。把表示所述确定的厚度的信号输送到控制器144。控制器144又把所述信号输送到用于嵌入CMP过程的晶片载体174的传感器130b。在一个实施例中，传感器130a和130b是涡流传感器。在另一个实施例中，传感器130a和130b是红外线传感器。应当指出，通过向传感器130b提供进入的晶片138的厚度，就可以完成标定，以便基本上消除对传感器和晶片之间距离的敏感性。传感器130b和晶片138之间距离的可变性可以是由各种工作状态期间载体薄膜176压缩所引起的或者仅仅由载体薄膜厚度固有的变动引起的，它可以高达+/-3毫米。另外，抛光衬垫178顶部和不锈钢底板180之间的距离影响来自传感器130b的信号。此外，表示进入的晶片138的厚度的信号可以用来标定传感器130b，以便基本上消除抛光衬垫允差和衬垫腐蚀所引起的可变性，它影响抛光衬垫178顶部和不锈钢底板180之间距离。

图7B是耦合到下游CMP过程的厚度传感器的进入厚度传感器的可供选择的实施例的简化原理图。在图7B中，由顶部传感器130a以及底部传感器132a和132b构成的传感器群与控制器144通信。这里，设置适当的传感器群，诸如图6A和6B的传感器群，以便确定晶片138的或所述晶片的薄膜140的进入厚度。本专业技术人员将会认识到，参照图3和5的传感器群也是可以用来确定晶片138厚度的适当的传感器群。在一个实施例中，控制器144求来自底部传感器132a和132b的信号的平均值，以便确定关于晶片138的沿着顶部传感器130a的轴线通过晶片的厚度的厚度信号。然后，求底部传感器平均信号与来自顶部传感器130a的信号的平均值，以便确定晶片138或薄膜140的厚度。然后把这厚度输送到嵌入传感器130b。如上面参照图7A所指出的，可以对传感器130b进行自动标定，其中对这些传感器和晶片138之间距离的敏感性和对抛光衬垫178的顶部和不锈钢底板180之间距离的敏感性基本上已排除。就是说，可以实时进行自动标定，以便调整衬垫磨损或CMP载体至板的机械位移的其它机械漂移问题造成的传感器接近度的变化所引起的ECS读数。

图7B的传感器130b设置在垫片175上面。垫片175与晶片载体174的底面对准。垫片175由任何适当的非导电材料组成。在一个实施例中，垫片175是聚合物。在另一个实施例中，垫片175的厚度处于约1毫米(mm)和约1.5毫米之间。应当指出，垫片175为传感器130b提供窗口，用于发送和接收表示晶片或晶片上薄膜的厚度和接近度的信号。

尽管图7A和7B的实施例图解说明用于CMP处理之前的传感器或传感器群，但是也可以把传感器或传感器群定位在CMP处理之后，以便提供配置成改善连续运行过程控制的信息。尽管进入厚度为把特定的方法下载至过程工具工位以便补偿任何进入的薄膜厚度作好准备，但是CMP之后的厚度为校正在CMP之后的厚度均匀性测量中确定的任何检测出来工艺变动。就是说，提供CMP之后的厚度均匀性测量结果作为向传感器130b的反馈，以便传感器130b进一步精细调谐标定设置，以获得准确的终点。在一个实施例中，控制器144从后CMP传感器群向传感器130b提供反馈。在另一个实施例中，涡流传感器是一般可以获得的涡流传感器，诸如可以从SUNX Limited(公司)获得的GP-A系列模拟位移传感器。在另一个实施例中，可以在图7A和7B的晶片载体中设置多个传感器。所述多个传感器可以链接在一起，以便检测晶片的接近度和金属薄膜厚度。例如，可以把电容传感器包括在晶片载体中，以便确定晶片和ECS传感器之间的距离。当把电容传感器链接到ECS传感器时，可以向ECS传感器提供所述距离。

图8A和8B是曲线图，图解说明按照本发明一个实施例的，来自测量薄膜厚度的涡流电流传感器的信号和来自标准电阻率薄膜厚度测量装置的信号之间的相关性。图8A的曲线190代表来自典型的电阻传感器方法信号。曲线192代表在存在第三金属物体，诸如CMP工具的抛光衬垫或带的不锈钢底板、晶片载体、空气轴承台板等的情况下，在离开晶片中心不同的点上来自涡流电流传感器的信号。曲线194a代表来自不存在第三金属物体的涡流传感器的信号。因而，涡流传感器与来自电阻测量的标准四点方法的信号紧密相关。另外，百分偏差在+/-5％内，如三角形196图解说明的，其中每一个三角形对应于所述每一个三角形上方各曲线上的相应的各点之间的差值。

图8B类似地图解说明与来自典型电阻传感器方法的信号相关的涡流传感器测量值。这里，曲线190b代表来自典型的电阻传感器方法的信号，而同时194b代表来自不存在第三金属物体的涡流传感器的信号。应当指出，在图8A中测量的晶片不同于在图8B中测量的晶片。ECS信号194b也与RS75信号紧密相关。就是说，这些信号之间的百分偏差一般在+/-5％之内，如三角形196图解说明的。本专业技术人员将会认识到，这些曲线两端的点对应于薄膜的边缘(亦即晶片的边缘)，因而不认为这些曲线两端的点是相关的。

图9是曲线图，图解说明按照本发明一个实施例的用于测量铜薄膜厚度的涡流传感器的标定曲线。曲线198代表不存在第三金属物体时铜的薄膜厚度和所述厚度的相关联的ECS电压读数。曲线200代表在存在第三金属物体的情况下，铜的薄膜厚度和所述厚度的相关联的ECS电压读数。本专业技术人员将会认识到，所述标定曲线可以应用于上面参照图3、5、6A、6B、7A和7B所描述的传感器。另外，标定曲线可以针对任何导电薄膜层产生，这里描述铜只是为了便于图解说明，而并不意味着限制。

图10是曲线图，图解说明按照本发明一个实施例的在衬底上铜薄膜的CMP操作过程中两个涡流传感器的输出信号。曲线210代表经历CMP操作的晶片的前沿ECS信号随时间变化的信号。曲线212代表经历CMP操作的晶片的后沿随时间变化的ECS信号。应当指出，定义在曲线214和216之间的区域除去了晶片的表面特征(topography)，而同时曲线216之后的区域从晶片除去了铜覆盖层。点210-1代表终点，亦即，清除所述晶片前沿的铜覆盖层(overburden)。点212-1代表晶片后沿的终点。本专业技术人员将会认识到，从嵌入晶片载体的ECS采集的信息将产生连续的数据，用于确定去除的速率。另外，可以观察前沿和后沿之间去除速率的变动。在传感器嵌入晶片载体中的地方，传感器提供关于正在被测量的晶片的厚度或晶片上的薄膜的厚度的连续的实时数据。就是说，不存在抛光带或衬垫每循环一次传感器摄取一个快照提供离散的测量值的窗口。这里描述的实施例提供连续的测量值和厚度监测。

图11A是按照本发明一个实施例的测量抛光带的温度随时间变化的红外线(IR)传感器信号的曲线图。本专业技术人员将会认识到，硅衬底对红外线信号是透明的，因此，红外线信号可以检测正在被抛光表面的表面平面化的晶片的薄膜的温度。图11A曲线图的这些曲线代表在所述带的不同位置上(诸如所述带相对于操作者的中心前后的位置)的对红外线信号的监测。

图11B是按照本发明一个实施例的晶片温度的红外线信号随时间变化的曲线图。这里，监测晶片温度以便监视在CMP工艺流程过程中温度的变化。对于图11A和11B的每一个实施例，在关联的过程的终点处，线218和220分别与所述曲线图的响应曲线相交。就是说，带的温度和晶片的温度在终点处开始下降，所述终点在所述曲线的拐点上。在一个实施例中，在所述处理过程中，晶片温度变化约20℃，而带的温度变化约10℃。

图12是CMP过程的30秒时间序列T1-T9的示意图，图解说明按照本发明一个实施例的利用晶片载体内的涡流传感器测量的铜薄膜的去除过程。时间序列T1-T9中的每一个都示出y轴线上的ECS信号(伏)和x轴上的时间间隔(秒)。时间序列T1说明所述过程的开始，而同时时间序列T2说明铜薄膜的去除过程起点。就是说，在时间序列T2去除479材料。时间序列T3-T8说明大约30秒周期和在所述时间序列过程中相关的材料的除去量。时间序列T9说明终点状态的出现。

图13是简化的示意图，图解说明按照本发明一个实施例的应用于或者偏移或者同轴的两个传感器的切换方案的占空比。这里，与第一传感器相联系的占空比250相对于与第二传感器相联系的占空比252错开。就是说，当占空比252处于″通″状态时，占空比250处于″断″状态，反之亦然。这样，利用这种交替供电方案消除了这些传感器通过正在被测量的衬底的交叉耦合。应当指出，交替供电方案可以称作切换方案。如下面在图14A至16B中将要表明的，与两个传感器都同时供电的方案对比，图13切换方案造成的噪声显著减少。应当指出，第一和第二传感器可以彼此偏离，亦即，第一传感器的轴线偏离所述第二传感器的轴线，如在图3、6A和7B图解说明的。作为另一方案，如在图5图解说明的，在所述配置下第一传感器和所述第二传感器可以是同轴的。

图14A和14B是示范性曲线，图解说明按照本发明一个实施例的，非切换供电方案和切换供电方案之间的噪声差。图14A图解说明非切换供电方案的电压读数。图14B图解说明切换供电方案的电压读数。如可以看到的，与图14A相联系的噪声电平显著地大于与图14B相联系的噪声电平。如上所述，噪声电平的降低是消除当它们同时通电时第一和第二传感器通过晶片的耦合造成的。这样，通过交替地为传感器中的每一个供电，可以获得更准确的读数，较少干扰。应当指出，这里描述的实施例允许用单一电源来为这些传感器供电，从而消除由不同电源的不同噪声特性引起的误差。

图15A和15B是示范性曲线图，图解说明在非切换供电方案中招致的噪声。图15B中分解图15A的区域254。这里，曲线256代表来自上传感器的信号，而同时曲线258代表来自下传感器电压信号。区域254中扩展的曲线256，如在图15B中所表明的，电压读数一般说来在7.7和7.9伏之间振荡。图16A和16B是示范性曲线图，代表按照本发明一个实施例的，当切换供电方案应用于传感器时类似于图15A和15B的读数。曲线260代表下传感器电压读数，而同时曲线262代表上传感器电压读数。如在图16A中可以看到的，电压读数和在图15A中相应的信号对比相对平坦。在图16B中扩展区域264进一步图解说明曲线260相对平坦。这里，下传感器的电压读数仍旧是相当稳定的，都在7.75和7.8伏的区域内，与图15B的7.7和7.9伏之间形成鲜明对比。

图17是简化的示意图，图解说明按照本发明一个实施例的同轴配置中边缘排斥改善。晶片280包括用虚线282和284图解说明的两个同心圆。在偏移配置中，涡流传感器可以限于测量定义在曲线284内的区域内的厚度。但是，在同轴配置中，所述区域可以是扩大至定义在曲线282内的区域。这样，这里测量晶片280的较大的范围。例如，在涡流传感器探针的直径为大致18毫米的情况下，可以测量的面积可以再扩大约9毫米。类似地，在所述探针的直径为12毫米的情况下，测量面积可以再扩大约至少6毫米。

图18是流程图，图解说明按照本发明一个实施例的薄膜厚度测量过程中用于把检查光点尺寸和噪声减到最小的方法操作。所述方法从操作270开始，在操作270中，将第一涡流传感器设置成朝向与导电薄膜关联的第一表面。所述方法进到操作272，在操作272中，将第二涡流传感器设置成朝向与导电薄膜关联的第二表面。这里，如上面参照图3和5描述的，第二涡流传感器和第一涡流传感器可以对准半导体衬底的相反两侧。应当指出，第一涡流传感器和第二涡流传感器可以是同轴的或彼此偏离，如在这里图解说明的。当涡流传感器是同轴时，与偏移配置对比，减小了检查光点尺寸。例如，在偏移配置中，如参照图3图解说明的，检查光点尺寸和这些涡流传感器的两个探针直径一样大。但是，在同轴配置中，如参照图5图解说明的，检查光点尺寸缩小为涡流传感器探针的单一直径。另外，涡流传感器可以位于诸如化学机械平面化过程工具的处理工具内或作为与对准工位相联系的映射功能的一部分。

然后图18的方法进到操作274，在操作274中，将电源交替地连接到第一涡流传感器和第二涡流传感器。就是说，第一涡流传感器的电源是″通″的时，第二涡流传感器的电源是″断″的。因此，一次仅仅向这些涡流传感器中一个供电，从而消除这些涡流传感器通过衬底的交叉耦合。在一个实施例中，可以把延迟时间包括在替供电方案中。就是说，反复不断地″接通″和″断开″第一涡流传感器的电源，在″接通″第二涡流传感器的电源之前经过一个延迟时间。在本发明的一个实施例中，所述延迟时间可以是一毫秒，但是，可以施加任何适当的延迟时间。所述方法移到操作276，在操作276中，根据来自第一涡流传感器和第二涡流传感器的信号的组合算出薄膜厚度测量值。因为交替供电方案使噪声减到最小，所以算出的薄膜厚度将具有较高的准确性和精确度。

在本发明的一个实施例中，其中第一和第二涡流传感器是同轴的，所述相对的涡流传感器可以配置成以相应的涡流传感器的最小电感负载的形式出现。本专业技术人员将会认识到，这可以通过把涡流传感器包括在开环系统中来实现。另外，这里描述的实施例允许用单一电源向第一涡流传感器和第二涡流传感器两者供电，因为供电是交替的。因而，排除了多个电源向涡流传感器供电时引入的误差，例如，不同的电源的噪声特性。另外，可以通过在同轴配置中应用交替供电方案来排除在偏移配置中发生的边缘排斥。就是说，当传感器头部接近晶片的边缘时，探针的一部分将露在晶片圆周之外，而且一部分露在晶片的圆周上。这种曝露的结果是边缘排斥，其中测量不到晶片的边缘区域。所述边缘区域可能和涡流传感器的直径一样大，因而，在同轴配置中，和偏移涡流传感器对比边缘排斥将减到最小。就是说，可以把边缘排斥区域缩小为传感器的半径。

总括地说，本发明提供通过群集的传感器配置确定半导体制造过程诸如CMP过程终点的方法。所述群集传感器为通过最初在不加工的状态下确定晶片上的薄膜的厚度，确定终点和相关的去除或淀积的速率作好准备。在一个实施例中，正被测量的薄膜厚度约在0微米和2微米之间。把所述确定的厚度提供给与加工操作相联系的第二传感器，以便标定所述传感器，使得来自加工条件的在厚度测量值中造成误差的变量基本上被排除。应当指出，尽管已经就CMP过程描述这些实施例，但是这些群集的传感器阵列不限于CMP过程。例如，所述传感器可以使用在衬底上去除或淀积一个层或薄膜，诸如蚀刻和淀积过程的任何半导体过程内。另外，定义了用于将噪声最小化的切换供电方案。切换供电方案消除对置的传感器同时供电时发生的这些传感器通过衬底的耦合。当以同轴配置的形式设置传感器时，所述切换供电方案，以及通过把传感器包括在开环系统中而使传感器以电感负载的形式出现的相对的传感器的最小化过程，减小了边缘排斥的程度。

这里已经就几个示范性实施例描述了本发明。考虑本发明的说明书和实践，本发明的其它实施例对本专业的技术人员将变得显而易见。应该把上述实施例和优选的特征看作是示范性的，本发明由后附的权利要求书定义。

Claims (19)

1.一种用于在薄膜厚度测量过程中把检查光点尺寸和噪声减到最小的方法，所述方法包括：

把第一涡流传感器设置成朝向与导电薄膜关联的衬底的第一表面；

把第二涡流传感器设置成朝向所述衬底的与所述导电薄膜关联的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对；

交替地向所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器供电，使得向所述第一涡流传感器供电时不向所述第二涡流传感器供电，而不向所述第一涡流传感器供电时向所述第二涡流传感器供电；以及

根据来自所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器的信号的组合计算所述薄膜厚度测量值。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述方法把第二涡流传感器设置成朝向与所述导电薄膜关联的第二表面的操作包括使所述第一涡流传感器的轴线偏离所述第二涡流传感器的轴线。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述方法交替地向所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器供电的操作包括：

a)向所述第一涡流传感器供电；

b)结束向所述第一涡流传感器的供电；

c)等待一段延迟时间；

d)向所述第二涡流传感器供电；

e)结束向所述第二涡流传感器的供电；以及

f)等待一段所述延迟时间。

4.如权利要求3所述的方法，其中还包括：对于每一个测量位置重复步骤a)-f)。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述方法把第二涡流传感器设置成朝向与所述导电薄膜关联的第二表面的操作包括：对准所述第一涡流传感器，使之与所述第二涡流传感器同轴。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述方法交替地向所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器供电的操作包括：把所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器两者配置成当相应的涡流传感器不起作用时以最小化的电感负载的形式出现。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述方法把所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器两者配置成当相应的涡流传感器不起作用时以最小化的电感负载的形式出现的操作包括：把所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器两者都包括在开环中。

8.如权利要求1所述的方法，其中还包括：

从单一电源向所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器两者供电；以及

重复所述电源的所述交替操作，以便对于每一个位置在交替的时间向所述第一和所述第二涡流传感器供电。

9.一种用于映射晶片厚度的传感器阵列包括：

多个顶部传感器；

与所述顶部传感器相对的多个底部传感器，其中所述多个底部传感器中的每一个与所述多个顶部传感器中相应的一个同轴，所述多个底部传感器还配置成当所述多个顶部传感器中相应的一个起作用时不起作用；

与所述多个顶部传感器和所述多个底部传感器两者保持联系的电源；以及

控制器，配置成交替地从所述电源向所述多个底部传感器和所述多个顶部传感器供电。

10.如权利要求9所述的传感器阵列，其中所述多个顶部传感器和所述多个底部传感器都是涡流传感器。

11.如权利要求9所述的传感器阵列，其中所述控制器还配置成当把所述传感器从不起作用的状态切换到起作用的状态时包含一段延迟时间。

12.如权利要求9所述的传感器阵列，其中所述传感器阵列被包括在半导体处理工具的对准工位。

13.如权利要求11所述的传感器阵列，其中所述延迟时间是1毫秒。

14.一种用于处理晶片的系统包括：

化学机械平面化(CMP)工具，所述CMP工具包括，

被限定在外壳内的晶片载体，所述晶片载体的底面具有限定在该底面上的窗口；

附在所述晶片载体的所述底面上的载体薄膜，所述载体薄膜配置成在CMP操作过程中支持晶片；以及

嵌入所述晶片中的传感器，所述传感器设置在所述窗口的顶面上面，所述传感器配置成在所述晶片感生涡流，以便确定所述晶片的接近度和厚度；

在所述CMP工具以外的传感器阵列，所述传感器阵列与嵌入所述晶片载体的传感器通信，所述传感器阵列包括第一传感器和相应的第二传感器，所述第一传感器和所述相应的第二传感器配置成交替地处于起作用的状态和不起作用的状态，所述第一传感器还配置成当所述第二传感器处于不起作用的状态时处于起作用的状态，所述传感器阵列配置成检测晶片的与所述第一传感器和所述相应的第二传感器至所述晶片的距离无关的晶片厚度信号。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述传感器阵列的所述第一传感器和所述相应的第二传感器具有公共轴线。

16.如权利要求14所述的系统，其中所述传感器阵列的所述第一传感器的轴线偏离所述相应的第二传感器的轴线。

17.如权利要求16所述的系统，其中求来自所述第一传感器的信号与来自所述相应的第二传感器的信号的平均值，以便确定初始厚度。

18.如权利要求14所述的系统，其中还包括：

与所述第一传感器和所述相应的第二传感器两者保持联系的电源；以及

控制器，它配置成交替地向所述第一传感器和所述相应的第二传感器供电。

19.如权利要求15所述的系统，其中所述控制器与所述嵌入的传感器以及所述传感器阵列通信，所述控制器配置成根据由所述嵌入的传感器或所述传感器阵列提供的信号确定所述晶片的厚度，所述控制器能够向CMP控制器提供CMP之前的晶片和CMP之后的晶片两者的厚度分布曲线。

Images