CN213932356U - 一种用于cmp的金属膜厚测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于CMP的金属膜厚测量装置，包括：电涡流传感器，其包括磁芯和线圈，线圈沿磁芯的周向缠绕在磁芯的外周壁上；磁芯为长方体，磁芯的长度为其宽度的2‑10倍，磁芯的宽度为2‑4mm，磁芯的高度为1‑3mm；前置信号处理模块，与电涡流传感器连接，用于对电涡流传感器输入固定频率的正弦激励信号，并通过电涡流传感器采集与金属膜厚相关的电压信号；数据采集处理模块，与前置信号处理模块连接，用于接收前置信号处理模块输出的电压信号将其转换为数字信号，并根据预存的厚度标定表将数字信号转换为对应的膜厚值；通讯模块，用于实现数据采集处理模块与上位机之间的通讯。
Description
技术领域
本实用新型涉及化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种用于CMP的金属膜厚测量装置。
背景技术
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)是集成电路制造中获得全局平坦化的一种手段。随着集成电路制造技术的飞速发展，纳米量级金属薄膜厚度的生长、表征及其非接触式的厚度精确测量显得十分重要。具体到化学机械抛光过程中，通常使用电涡流传感器对薄膜厚度进行在线测量，从而控制抛光过程工艺参数，实现对晶圆表面的金属薄膜进行准确的去除，并在去除到指定的厚度值时停止抛光。现有的化学机械抛光设备中电涡流传感器主要面临着难以达到纳米量级厚度分辨率的问题。
实用新型内容
本实用新型实施例提供了一种用于CMP的金属膜厚测量装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本实用新型实施例提供了一种用于CMP的金属膜厚测量装置，包括：
电涡流传感器，其包括磁芯和线圈，所述线圈沿所述磁芯的周向缠绕在所述磁芯的外周壁上；所述磁芯为长方体，所述磁芯的长度为其宽度的2-10倍，所述磁芯的宽度为2-4mm，所述磁芯的高度为1-3mm；
前置信号处理模块，与所述电涡流传感器连接，用于对所述电涡流传感器输入固定频率的正弦激励信号，并通过所述电涡流传感器采集与金属膜厚相关的电压信号；
数据采集处理模块，与所述前置信号处理模块连接，用于接收所述前置信号处理模块输出的所述电压信号将其转换为数字信号，并根据预存的厚度标定表将所述数字信号转换为对应的膜厚值；
通讯模块，用于实现所述数据采集处理模块与上位机之间的通讯。
在一个实施例中，所述前置信号处理模块包括恒压源和分压式调幅电路，恒压源用于提供固定频率的正弦激励信号，分压式调幅电路用于采集电涡流传感器两端的电压信号，所述分压式调幅电路包括谐振电容和分压电阻，分压电阻和电涡流传感器并联后与谐振电容和恒压源串联。
在一个实施例中，所述谐振电容可根据以下算式计算得到：
其中，f0为选定的目标激励频率，L为电涡流传感器的电感，C为谐振电容的电容，r为电涡流传感器的内阻。
在一个实施例中，所述分压电阻取谐振时电涡流传感器的两端阻抗的实部。
在一个实施例中，所述线圈沿所述磁芯的横截面周向缠绕在所述磁芯的外周壁上，其中，所述横截面垂直于磁芯高度方向。
在一个实施例中，所述磁芯材料为镍锌铁氧体或者锰锌铁氧体。
在一个实施例中，所述线圈由漆包铜线绕制，漆包铜线的直径为0.05mm-0.2mm。
在一个实施例中，所述电涡流传感器还包括电磁屏蔽壳，所述电磁屏蔽壳内限定有容纳腔，所述磁芯和线圈设置在所述容纳腔内。
在一个实施例中，所述电磁屏蔽壳的材料为铝。
在一个实施例中，所述电涡流传感器还包括封装外壳，所述封装外壳开设有槽，用于容纳装有所述磁芯和线圈的所述电磁屏蔽壳。
本实用新型实施例的有益效果包括：能够获得亚纳米量级厚度分辨率，提高了金属膜厚测量的准确性以及化学机械抛光过程控制的准确性。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本实用新型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，并不限制本实用新型的保护范围，其中：
图1为本实用新型一实施例提供的金属膜厚测量装置的组成示意图；
图2为本实用新型一实施例提供的电涡流传感器的结构示意图；
图3为本实用新型一实施例提供的磁芯的形状示意图；
图4为金属膜厚测量数据组成的线条图；
图5为本实用新型一实施例提供的前置信号处理模块的电路示意图；
图6为本实用新型一实施例提供的金属膜厚测量装置的参数设置过程示意图；
图7为本实用新型一实施例提供的化学机械抛光装置的结构示意图；
图8为本实用新型一实施例提供的电涡流传感器的结构示意图；
图9为本实用新型一实施例提供的电涡流传感器的测量原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及其附图，对本实用新型所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本实用新型的特定的具体实施方式，用于说明本实用新型的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本实用新型实施方式及本实用新型保护范围的限制。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，以下对本实用新型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。
为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
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)也称为基板(substrate)，其含义和实际作用等同。
如图1所示，本实用新型实施例提供了一种金属膜厚测量装置100，包括：
电涡流传感器10，其包括磁芯11和线圈12，线圈12沿磁芯11的周向缠绕在磁芯11的外周壁上；
前置信号处理模块20，与电涡流传感器10连接，用于对电涡流传感器10输入固定频率的正弦激励信号，并通过电涡流传感器10采集与金属膜厚相关的电压信号；
数据采集处理模块30，与前置信号处理模块20连接，用于接收前置信号处理模块20输出的电压信号将其转换为数字信号，并根据预存的厚度标定表将数字信号转换为对应的膜厚值；
通讯模块40，用于实现数据采集处理模块30与上位机之间的通讯。
本实用新型实施例提供的金属膜厚测量装置100能够获得亚纳米量级厚度分辨率。
其中，电涡流传感器10用于产生交变的检测磁场，并通过互感效应的磁场能量耦合将被检测的金属膜厚转换为线圈12的阻抗信号。前置信号处理模块20对电涡流传感器10输入固定频率的正弦激励信号以将阻抗信号转换为电压信号并对电压信号进行检波整流、滤波和放大。数据采集处理模块30包括单片机，单片机根据预存的厚度标定表将数字信号转换为对应的膜厚值。
如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，电涡流传感器10包括长方体形状的磁芯11和沿磁芯11周向绕制的线圈12。磁芯11材料为镍锌铁氧体或者锰锌铁氧体，优选磁导率为1000的镍锌铁氧体或者磁导率为2000的锰锌铁氧体。线圈12沿磁芯11的横截面周向缠绕在磁芯11的外周壁上，其中，横截面垂直于磁芯11高度方向。线圈12由漆包铜线绕制，漆包铜线的直径为0.05mm-0.2mm，优选直径为0.1mm。
如图3所示，长方体磁芯11的长度L是宽度W的2-10倍，磁芯11的宽度W可取2-4mm，磁芯11的高度H可取1-3mm。
所绕制的线圈12匝数可取40-160匝，可进行多层多匝绕制。针对电导率较低的金属薄膜，例如钨薄膜，应选用较大的线圈12匝数，如120匝；针对电导率较高的金属薄膜，例如铜薄膜，可选用较小的线圈12匝数，如60匝。
本实施例中，电涡流传感器10作为金属膜厚测量装置100的核心部分，主要用于产生激发被测金属薄膜内的电涡流，并通过互感效应的磁场能量耦合将被检测的金属膜厚转换为线圈12的阻抗信号，再通过前置信号处理模块20采集阻抗信号所转换的电压信号，利用电压信号与膜厚的线性映射关系实现对膜厚的检测。另外，具有磁芯11的线圈12可以使得线圈12激发出来的磁场强度更大，可以在较大的提离高度下，即1mm-4mm的提离高度范围内实现厚度测量；磁场空间分布更集中于磁芯11的上方，一般沿磁芯11宽度方向的分布范围小于磁芯11宽度的两倍。同时，沿磁芯11长度方向又可以测量到较大区域范围，从而能够更多地获取晶圆w表面金属膜厚信息。
如图4所示，以金属钨的测量为例，本申请提供的电涡流传感器10可以实现
的亚纳米量级的厚度分辨率。图中，R2是曲线与直线拟合的相关系数，其越接近于1，说明拟合效果越好。
如图5所示，在一个实施例中，前置信号处理模块20可以包括恒压源AC和分压式调幅电路，恒压源AC提供固定频率的正弦激励信号，利用分压式调幅电路采集电涡流传感器10两端的电压信号。如图5所示，分压式调幅电路包括谐振电容C1和分压电阻R1，分压电阻R1和电涡流传感器10并联后与谐振电容C1和恒压源AC串联。
为了使得电涡流传感器10产生的磁场能够完全穿透目标金属薄膜，所采用的激励频率下的集肤深度要大于目标金属膜厚。集肤深度计算公式如下：
其中，δ为集肤深度，单位为毫米mm；f为激励频率，单位为赫兹Hz；μ为磁导率，单位为亨利每米H/m；σ为电导率，单位为西门子每米S/m。
本实用新型实施例所选取的激励频率范围为400KHz-4MHz，依据所需测量的金属膜厚范围及金属类型确定所需要的目标激励频率f0，所需测量的金属膜厚范围越小、所测量金属的电导率越小，那么所选取的目标激励频率f0也需要越大。
为了尽可能获取高的厚度分辨率，如图5所示的分压式调幅电路中所匹配的谐振电容C1可根据下式，利用选定的目标激励频率f0计算得到：
其中，L为电涡流传感器10的电感，C为谐振电容C1的电容，r为电涡流传感器10的内阻。
如图5所示的分压式调幅电路的分压电阻R1取谐振时电涡流传感器10的两端阻抗ZLC的实部，可使电涡流传感器10的两端电压随其两端阻抗ZLC的变化值最大，从而达到提高厚度测量灵敏度的效果。
如图6所示，金属膜厚测量装置的参数设置过程包括：
1)依据所需测量的金属膜厚范围及金属类型确定所需要的目标激励频率f0；
2)依据目标激励频率f0反推分压式调幅电路的谐振电容C1和分压电阻R1；
3)匹配电路板系统调整整流、滤波、放大电路的参数；
4)通过已知厚度的一组标准样片对金属膜厚测量装置进行标定；
5)利用金属膜厚测量装置对另一组已知厚度的样片进行测量，得到测量值；
6)判断(测量值-真实值)/真实值是否小于给定误差值，其中，真实值为样片的已知厚度；
7)若否，则返回步骤3)；若是，则参数设置成功。
如图7所示，化学机械抛光装置包括用于保持晶圆w并带动晶圆w旋转的承载头1、覆盖有抛光垫2的抛光盘3。在化学机械抛光过程中，承载头1将晶圆w按压在抛光盘3表面覆盖的抛光垫2上，承载头1旋转并沿抛光盘3的径向往复移动，同时抛光盘3旋转，使得与抛光垫2接触的晶圆w表面被逐渐抛除。
本实用新型实施例提供的电涡流传感器10设置在抛光盘3的盘面下方，电涡流传感器10上方对应位置处的抛光垫2设置有毛玻璃窗口21，电涡流传感器10跟随抛光盘3旋转从而实现在抛光的同时进行在线测量。
如图8所示，电涡流传感器10还包括电磁屏蔽壳13。电磁屏蔽壳13为长方体，其上端开口，材料为铝。电磁屏蔽壳13用于容纳磁芯11和线圈12，其与线圈12之间留有一定的空隙，可屏蔽掉环境中的电磁干扰，使得电涡流传感器10产生的磁场尽可能从其上方区域穿过。
电涡流传感器10还包括封装外壳14，封装外壳14靠近边缘的位置开设有槽，用于容纳装有磁芯11和线圈12的电磁屏蔽壳13。封装外壳14由透明材料制成，例如无色透明有机玻璃。如图8所示，封装外壳14左侧的空间用于灌封电涡流传感器10，右侧的空间可以留给光学检测系统，使得从封装外壳14下方产生的激光可以穿过透明的封装外壳14、抛光垫2上的毛玻璃窗口21最后照射在被检测的晶圆w上，并返回到光学检测系统的接收器中。
如图8所示，电涡流传感器10通过密封圈15及抛光盘3上的卡槽，装卡在抛光垫2的毛玻璃窗口21下方区域。
图9示出了在抛光期间电涡流传感器10在晶圆w表面扫过的轨迹和区域。图9中具有一定宽度的圆环状阴影区域表示电涡流传感器10扫描到的区域。抛光过程中，抛光盘3带动电涡流传感器10与晶圆w发生相对运动，可以通过运动学坐标解算，得到扫过区域的位置与晶圆w表面位置的映射关系，从而得到晶圆w表面金属膜厚的形貌分布。可见，相较于传统的扁平型圆形线圈，在其直径与本申请所述线圈的宽度相同时，本申请所述结构在垂直于径向方向上可获得更大范围的金属膜厚信息。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本实用新型的构思，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实用新型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实用新型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实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种用于CMP的金属膜厚测量装置，其特征在于，包括：
电涡流传感器，其包括磁芯和线圈，所述线圈沿所述磁芯的周向缠绕在所述磁芯的外周壁上；所述磁芯为长方体，所述磁芯的长度为其宽度的2-10倍，所述磁芯的宽度为2-4mm，所述磁芯的高度为1-3mm；
前置信号处理模块，与所述电涡流传感器连接，用于对所述电涡流传感器输入固定频率的正弦激励信号，并通过所述电涡流传感器采集与金属膜厚相关的电压信号；
数据采集处理模块，与所述前置信号处理模块连接，用于接收所述前置信号处理模块输出的所述电压信号将其转换为数字信号，并根据预存的厚度标定表将所述数字信号转换为对应的膜厚值；
通讯模块，用于实现所述数据采集处理模块与上位机之间的通讯。
2.如权利要求1所述的用于CMP的金属膜厚测量装置，其特征在于，所述前置信号处理模块包括恒压源和分压式调幅电路，恒压源用于提供固定频率的正弦激励信号，分压式调幅电路用于采集电涡流传感器两端的电压信号，所述分压式调幅电路包括谐振电容和分压电阻，分压电阻和电涡流传感器并联后与谐振电容和恒压源串联。
3.如权利要求2所述的用于CMP的金属膜厚测量装置，其特征在于，所述分压电阻取谐振时电涡流传感器的两端阻抗的实部。
4.如权利要求1所述的用于CMP的金属膜厚测量装置，其特征在于，所述线圈沿所述磁芯的横截面周向缠绕在所述磁芯的外周壁上，其中，所述横截面垂直于磁芯高度方向。
5.如权利要求1所述的用于CMP的金属膜厚测量装置，其特征在于，所述磁芯的材料为镍锌铁氧体或者锰锌铁氧体。
6.如权利要求1所述的用于CMP的金属膜厚测量装置，其特征在于，所述线圈由漆包铜线绕制，漆包铜线的直径为0.05mm-0.2mm。
7.如权利要求1所述的用于CMP的金属膜厚测量装置，其特征在于，所述电涡流传感器还包括电磁屏蔽壳，所述电磁屏蔽壳内限定有容纳腔，所述磁芯和线圈设置在所述容纳腔内。
8.如权利要求7所述的用于CMP的金属膜厚测量装置，其特征在于，所述电磁屏蔽壳的材料为铝。
9.如权利要求7所述的用于CMP的金属膜厚测量装置，其特征在于，所述电涡流传感器还包括封装外壳，所述封装外壳开设有槽，用于容纳装有所述磁芯和线圈的所述电磁屏蔽壳。
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2020
- 2020-12-30 CN CN202023302597.5U patent/CN213932356U/zh active Active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112729096A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-04-30 | 清华大学 | 一种用于化学机械抛光的金属膜厚测量装置 |
| CN114473844A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-05-13 | 华海清科股份有限公司 | 一种膜厚测量装置 |
| CN114473844B (zh) * | 2021-12-31 | 2023-09-29 | 华海清科股份有限公司 | 一种膜厚测量装置 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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