一种用于CMP的电涡流传感器和膜厚测量装置的制作方法

一种用于cmp的电涡流传感器和膜厚测量装置
技术领域
1.本发明涉及化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种用于cmp的电涡流传感器和膜厚测量装置。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.在金属cmp终点检测中，电涡流检测是最常用的方法。现有的化学机械抛光设备中或者其他领域的电涡流金属膜厚测量系统中，面临着难以达到纳米量级厚度分辨率、横向分辨率差、量程范围小等问题。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种用于cmp的电涡流传感器和膜厚测量装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
6.本发明实施例的第一方面提供了一种用于cmp的电涡流传感器，包括依次叠放的检测线圈、激励线圈和补偿线圈，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，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。
7.在一个实施例中，所述激励线圈的水平截面面积为检测线圈或补偿线圈的20%~80%。
8.在一个实施例中，所述检测线圈和补偿线圈的异名端相连。
9.在一个实施例中，所述电涡流传感器在抛光盘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的半径方向。
10.在一个实施例中，所述检测线圈、激励线圈和补偿线圈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。
11.在一个实施例中，所述检测线圈、激励线圈和补偿线圈的高度均不大于1mm。
12.在一个实施例中，所述激励线圈的结构参数为：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。
13.在一个实施例中，所述检测线圈和补偿线圈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。
14.在一个实施例中，所述检测线圈、激励线圈和补偿线圈三者同轴放置并且相互平行。
15.在一个实施例中，两两线圈之间的垂直距离小于等于0.9mm。
16.在一个实施例中，所述电涡流传感器还包括线圈骨架和屏蔽壳；所述线圈骨架用于支撑固定检测线圈、激励线圈和补偿线圈并使两两线圈之间绝缘；所述屏蔽壳用于减小外界磁场干扰。
17.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所述线圈骨架上。
18.本发明实施例的第二方面提供了一种膜厚测量装置，包括如上所述的电涡流传感器，还包括前置信号处理模块、数据采集模块和通讯模块；所述电涡流传感器连接前置信号处理模块，前置信号处理模块连接数据采集模块，数据采集模块连接通讯模块，通讯模块与上位机通信。
19.本发明实施例的第三方面提供了一种化学机械抛光设备，包括承载头、抛光盘、修整器和抛光液供给装置，还包括安装在抛光盘中的如上所述的膜厚测量装置。
20.本发明实施例的有益效果包括：可获得纳米量级厚度分辨率、高横向分辨率、可满足半导体制造的大量程的在线测量。
附图说明
21.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电涡流传感器的结构示意图；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至图7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8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9示出了不同激励线圈尺寸对横向分辨率的影响；图10为本发明一实施例提供的电涡流传感器的等效电路图；图11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12示出了特征值与金属膜厚的关系曲线。
具体实施方式
22.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，本技术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技术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。
23.此外，还需要说明的是，本技术中使用的例如前、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。
24.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。
25.在本技术中，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。
26.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。
27.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，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。
28.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。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。
29.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，从而在抛光过程中，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。从而在抛光过程中，实时监测晶圆w的膜厚变化，以便采取相应的抛光工艺，避免出现过抛或者抛光不完全。另外，根据测得的膜厚调节承载头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。
30.进一步，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。
31.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。
32.如图3所示，电涡流传感器51包括依次叠放的检测线圈、激励线圈、补偿线圈、线圈骨架511和屏蔽壳512。
33.如图3所示，线圈骨架511是用来支撑固定检测线圈、激励线圈和补偿线圈
并使两两线圈之间绝缘，将检测线圈、激励线圈和补偿线圈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。
34.如图3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。
35.电涡流传感器51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。
36.如图4至图7所示，本发明一实施例提供了一种用于cmp的电涡流传感器51，其包括依次叠放的检测线圈、激励线圈和补偿线圈。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 mechanical systems，微机电系统）工艺制造。
37.其中，激励线圈用于通入交流信号并产生交变的磁场，激励线圈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、检测线圈和补偿线圈中产生感应电动势。检测线圈用于检测形成于晶圆的金属薄膜的电涡流信号，补偿线圈用于消除检测线圈中的共模信号。本发明实施例利用补偿线圈消除检测线圈中的共模信号量，得到仅仅由金属膜厚变化引起的检测线圈的信号变化量。
38.如图5至图7所示，检测线圈、激励线圈和补偿线圈的水平截面均为矩形，激励线圈位于检测线圈和补偿线圈之间。
39.如图4所示，在一个实施例中，检测线圈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到金属薄膜的距离，本发明实施例中，提离高度不大于5mm。
40.如图8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8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。
41.并且，如图3至图6所示，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，这里的水平是指平行于抛光盘上表面的方向。换句话说，激励线圈的尺寸小，检测线圈和补偿线圈的尺寸相同。激励线圈的外周长小于检测线圈的外周长，检测线圈的外周长等于补偿线圈的外周长。
42.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8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8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。
43.在一个实施例中，激励线圈的水平截面面积为检测线圈或补偿线圈的20%~80%。
44.下面论证使用小尺寸的激励线圈的作用。如图9中（a）所示，假设晶圆表面实际存在微小的凸起或凹陷。如图9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9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。
45.如图9所示，经过实际测试验证了在检测线圈和补偿线圈大小相当的情况下，减小激励线圈尺寸之后，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。
46.进一步，使检测线圈和补偿线圈的尺寸大于激励线圈，是为了让检测线圈和补偿线圈能够接受更大范围的、由激励线圈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。
47.如图3至图6所示，检测线圈、激励线圈和补偿线圈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、激励线圈和补偿线圈的高度均不大于1mm。两两线圈之间的垂直距离小于等于0.9mm，即检测线圈位于激励线圈下方小于0.9mm的位置，激励线圈位于补偿线圈下方小于0.9mm的位置。
48.如图5至图7所示，检测线圈、激励线圈和补偿线圈的水平截面均为圆角矩形。
49.如图4、5和7所示，检测线圈、激励线圈和补偿线圈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。
50.三个线圈的内宽和内长的尺寸、形成相同。激励线圈的结构参数为：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。检测线圈和补偿线圈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。
51.以一个具体应用为例，选取激励线圈的内宽2mm、内长4mm、外宽4mm、外长6mm、匝数50匝；检测线圈和补偿线圈的内宽2mm、内长4mm、外宽6.5mm、外长8.5mm、匝数500匝；补偿线圈与激励线圈之间的距离和激励线圈与检测线圈之间的距离相同，均为0.5mm。
52.线圈作为电涡流传感器51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膜厚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。为了消除检测线圈中由激励线圈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，将检测线圈和补偿线圈按如图10所示的电路连接起来。
53.如图10所示，在一个实施例中，激励线圈连接交变激励电压。检测线圈和补偿线圈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。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。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）。
54.如图11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。
55.如图11所示，电涡流传感器51的输出电压接入差分放大单元，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分别接入激励线圈和移相单元，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。
56.本实施例中，通过信号发生器向激励线圈两端和移相单元分别输入交变激励电压；通过差分放大单元来检测电桥回路的输出电压，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，可得到输出电压的幅值输出、相位输出、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。
57.本发明实施例优先选用特征值信号进行膜厚测量。
58.本技术经过研究发现采用图3所示电涡流传感器的三线圈结构以及图10所示线圈连接电路，获取的特征值与被测金属膜厚呈线性关系。具体地，获取电涡流传感器的输出电压得到特征值，特征值等于输出电压的实部与虚部的比值。根据特征值可以直接确定被测金属膜厚。
59.特征值为：其中，为所述特征值，为所述电涡流传感器的输出电压，为互感因子，为常数，为电导率，为相对磁导率，t为被测金属膜厚。
60.如图12所示，经过试验测试验证了特征值与金属膜厚的线性关系。在三种不同的提离高度3.2mm、3.4mm和3.6mm下，特征值k与金属膜厚变化的关系如图12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。
61.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。
62.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。
63.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。