專利名稱：一種cmp過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光測量領(lǐng)域，尤其是一種CMP過程中晶圓下中間 變量(拋光液膜厚度、液膜溫度、液膜pH)的測量方法。
技術(shù)背景隨著超大規(guī)模集成電路多層內(nèi)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，需在硅片上實現(xiàn)多 層布線結(jié)構(gòu)，且每一層都要求具有很高的全局平整度，以滿足蝕刻要 求。1990年，IBM公司率先提出了化學(xué)機械拋光(CMP， Chemical Mechanical Planarization)全局平面化技術(shù)，并于1991年成功應(yīng)用于 64Mb的DRAM生產(chǎn)中。之后，CMP技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前CMP 技術(shù)的研究開發(fā)工作已發(fā)展到全球，并呈現(xiàn)出激烈競爭勢頭。盡管CMP被認(rèn)為是獲得光滑無損傷表面的最有效方法，并且己經(jīng) 廣泛地用于集成電路制造等領(lǐng)域，但在確定某個具體加工對象的CMP 加工工藝前，仍需進行大量的實驗，憑經(jīng)驗不斷調(diào)整工藝參數(shù)，直到 得到滿意的加工效果為止，原因在于人們至今未能完全掌握CMP的 加工機理。揭示CMP加工機理的關(guān)鍵在于對其加工過程是否有深入 的了解。但由于CMP特有的加工方式晶圓與拋光墊的緊密接觸、 加工區(qū)內(nèi)拋光液膜和磨粒的微小尺寸、物理和化學(xué)參數(shù)的相互作用等 因素，決定了對CMP過程觀測的難度。實際CMP過程中各輸入?yún)?shù)(壓力、轉(zhuǎn)速、拋光墊結(jié)構(gòu)等)之間 是相互獨立的，而中間變量之間是相互作用的，例如液膜厚度不同， 試件與拋光墊的接觸狀態(tài)(直接接觸、非接觸或準(zhǔn)接觸)不同，拋光液的流動和混合(新加入拋光液所占百分比)情況也不同，導(dǎo)致溫度 場不同，而溫度對化學(xué)反應(yīng)有很大影響，故而拋光液pH值分布也不 同。所以中間變量的變化會直接影響到晶圓與拋光墊之間的接觸狀態(tài) 及材料去除機理。此外，從變量的性質(zhì)來看，特定工藝的輸入?yún)?shù)屬 狀態(tài)變量(與時間無關(guān))，輸出參數(shù)(去除率、表面均勻性等)屬過程 變量(隨時間變化)，直接建立兩者之間的關(guān)系必將陷入對大量實驗分 類統(tǒng)計的唯相學(xué)范疇，雖然對加工工藝有很強的指導(dǎo)意義，但無力揭 示CMP加工機理。而中間變量屬過程變量，如能確定中間變量與輸 入?yún)?shù)、輸出參數(shù)與中間變量的關(guān)系，并通過中間變量聯(lián)系輸入輸出參數(shù)，則有望剖析CMP機理。激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，自從它問 世以來發(fā)展很快，不僅在工業(yè)生產(chǎn)，國防軍事，醫(yī)學(xué)衛(wèi)生等方面得到 廣泛的應(yīng)用，而且在林業(yè)生產(chǎn)中也被吸收應(yīng)用。利用激光測量厚度檢 測時間短、反應(yīng)靈敏，具有較高的測量速度，測量范圍較寬，對環(huán)境 無輻射危害。當(dāng)熒光物質(zhì)受紫外光或波長較短的可見光照射時，會發(fā) 射出各種顏色和不同強度的可見熒光，而當(dāng)光源停止照射時，熒光隨 之消失。利用熒光物質(zhì)的這一特性，用一定波長的激光輻照一種或幾 種熒光物質(zhì)，根據(jù)其發(fā)射熒光光譜或熒光圖像分析預(yù)測參量的方法， 即為LIF技術(shù)。LIF技術(shù)在分子反應(yīng)動力學(xué)中已成為十分強有力的實 驗方法，除被廣泛應(yīng)用于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、價態(tài)、微區(qū)、剖層以及 無損檢測和遙感遙測等領(lǐng)域，還可用于溫度、應(yīng)力、潤滑油膜厚度、 OH基濃度等物理量的測量。其原理是當(dāng)這些參數(shù)變化時，熒光峰值 發(fā)生偏移或熒光強度發(fā)生變化，利用這種變化即可推算出這些參數(shù)的 變化。發(fā)明內(nèi)容為了克服已有技術(shù)的不能測量CMP過程中晶圓下中間變量的不足，本發(fā)明提供一種基于LIF技術(shù)、能夠?qū)MP過程中晶圓下中間 變量(如厚度、溫度、pH值)進行有效測量的CMP過程中晶圓下中本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量方法，所述的測量方法包括以下步驟(1) 、在拋光液中加入熒光物質(zhì)，并將拋光液輸送到拋光機的拋光墊和晶圓之間，形成液體薄膜；(2) 、開啟激光器照射所述液體薄膜，所述液體薄膜受到激發(fā)后產(chǎn)生 熒光；(3) 、液體薄膜發(fā)出的熒光通過濾光片傳送到攝像頭進行熒光信息的 采集；(4) 、將攝像頭采集的熒光圖像進行圖片處理，計算得到熒光強度， 依照熒光強度與厚度的對應(yīng)關(guān)系得到液體薄膜的厚度；依照熒光強度 與溫度的對應(yīng)曲線得到液體薄膜的溫度；依照熒光強度與pH值的對 應(yīng)曲線得到液體薄膜的pH值。作為優(yōu)選的一種方案在所述的(l)中加入兩種不同的熒光物質(zhì)； 在所述的(3)中，液體薄膜發(fā)出的熒光通過分光鏡分成兩束相同強度 的光線，再分別傳送到兩個攝像頭；在所述的(4)中，計算得到兩種 熒光強度后，依照熒光強度與厚度的對應(yīng)曲線得到液體薄膜的厚度； 將兩種熒光強度的比值作為相對熒光強度，并依照相對熒光強度與溫度的對應(yīng)曲線得到液體薄膜的溫度；依照相對熒光強度與pH值的對 應(yīng)曲線得到液體薄膜的PH值。進一步，在所述的(4)中，使用同步器消除兩個攝像頭的拍攝時 差，將采集到的兩個攝像頭的熒光圖像輸出后進行圖像處理。所述的激光器為Ar離子激光器。所述的晶圓為光學(xué)玻璃。所述的攝像頭為CCD攝像頭。 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為在工作狀態(tài)下拋光墊和晶圓之間的液體薄膜厚度非常小達到微米級，所以很難用接觸的方式對晶圓下液體薄膜進 行測量。采用Ar離子激光器照射透明微通道中的待測拋光液液體薄膜，拋 光液中標(biāo)有兩種不同激發(fā)波長的熒光物質(zhì)。熒光物質(zhì)受到激發(fā)以后分 子發(fā)生了電子從較低的能級到較高能級的躍遷，分子由于不穩(wěn)定，通 過輻射躍遷的返回基態(tài)，同時產(chǎn)生熒光。兩種熒光物質(zhì)在受到激發(fā)以 后產(chǎn)生兩種波長的熒光，發(fā)出的熒光通過分光鏡分成兩束相同強度的 光線，然后分別通過各自的濾光片，得到一定波長的熒光，最后傳送 到兩個CCD攝像頭進行熒光信息的采集，并通過圖像采集卡輸入到 計算機得到兩張不同熒光波長的熒光圖像。利用圖像處理技術(shù)，計算 得到CMP過程中拋光液的混合情況、厚度、溫度和pH值。選擇的激光器要有良好的指向性，要有穩(wěn)定的功率輸出，輸出功率 越穩(wěn)定，監(jiān)測的噪聲越小，而信噪必越高。被測量的熒光強度一般都 比較微弱，在這個檢測系統(tǒng)中體現(xiàn)了充分考慮了每個環(huán)節(jié)的信號丟失， 使得誤差最小化。根據(jù)光學(xué)成像原理，考慮了焦距、放大倍數(shù)、像差 和球面相差。使用濾光片的目的使消除待測液體薄膜中各種粒子引起的散射光和激光光源，通過需要的熒光，但濾光片減少了進入CCD 攝像頭的熒光光強，因此選擇濾光片不僅要考慮中心波長，也要考慮半波帶寬和波峰折射率。在測量過程中要求兩個CCD攝像頭同一時刻拍下兩張圖像，而每一圖像具有不同的光頻率顏色，為了做到同步 性，需要在計算機上加一個同步器來保證兩張圖像是描述同一時刻的 液體薄膜信息。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、在線測量CMP過程中晶圓下 液體薄膜中間變量；2、兩種熒光物質(zhì)作為測量工具，分光鏡將熒光分 為兩束，兩種不同的濾光片得到規(guī)定波長的熒光，圖像處理中將相對 熒光強度作為測量溫度、pH值的參考信息，消除了環(huán)境誤差的影響；3、同步器保證兩張熒光圖像描述的是同一時刻的液體薄膜信息。


圖1是本發(fā)明的CMP過程中晶圓下中間變量的測量設(shè)備的示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。參照圖1 ， 一種CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量方法，所述的測量方法包括以下步驟(1) 、在拋光液5中加入熒光物質(zhì)，并將拋光液5輸送到拋光機6的拋光墊和晶圓7之間，形成液體薄膜；(2) 、開啟激光器l照射所述液體薄膜，所述液體薄膜受到激發(fā)后產(chǎn) 生熒光；(3) 、液體薄膜發(fā)出的熒光通過濾光片9傳送到攝像頭10進行熒光信息的采集；(4)、將攝像頭采集的熒光圖像進行圖片處理，在計算機12中，計算得到熒光強度，依照熒光強度與厚度的對應(yīng)關(guān)系得到液體薄膜的厚度; 依照熒光強度與溫度的對應(yīng)曲線得到液體薄膜的溫度；依照熒光強度 與pH值的對應(yīng)曲線得到液體薄膜的pH值。在所述的(1)中加入兩種不同的熒光物質(zhì)；在所述的(3)中， 液體薄膜發(fā)出的熒光通過分光鏡7分成兩束相同強度的光線，再分別 傳送到兩個攝像頭；在所述的(4)中，計算得到兩種熒光強度后，依 照熒光強度與厚度的對應(yīng)曲線得到液體薄膜的厚度；將兩種熒光強度 的比值作為相對熒光強度，并依照相對熒光強度與溫度的對應(yīng)曲線得 到液體薄膜的溫度；依照相對熒光強度與pH值的對應(yīng)曲線得到液體 薄膜的pH值。在所述的(4)中，將采集到的兩個攝像頭的熒光圖像輸入用于消 除兩個攝像頭的拍攝時差的同步器11,所述同步器11輸出后進行圖 像處理。所述的激光器1為Ar離子激光器。所述的晶圓7為光學(xué)玻璃。所述的攝像頭10為CCD攝像頭。本實施例中，如圖1， CMP過程中液體薄膜雙重激光誘導(dǎo)熒光遙測方法裝置包括Ar離子激光器、光纖2、發(fā)散透鏡3、三通閥門4、含有兩種熒光物質(zhì)羅丹明B和熒光素的拋光液輸入裝置5，光學(xué)玻璃6、分光鏡7、濾光片8、 CCD攝像頭、同步器ll、計算機12。在檢測過程中，因為硅片的透明度不好，影響到熒光的透過，不利于檢測，所以利用物理和化學(xué)特性都與硅片相近的透明的光學(xué)玻璃代替硅片。Ar離子激光器照射光學(xué)玻璃下待測液體薄膜，液體中溶有兩種不同激發(fā)波長的熒光物質(zhì)。兩種熒光物質(zhì)在受到激發(fā)以后產(chǎn)生兩種波長的熒光。 發(fā)出的熒光通過分光鏡分成兩束相同強度的光線，然后分別通過各自 的濾光片，得到一定波長的熒光，最后傳送到兩個CCD攝像頭進行 熒光信息的采集，并通過圖像采集卡輸入到計算機最終得到兩張不同熒光波長的熒光圖像。在測量過程中要求兩個CCD攝像頭同一時刻拍下兩張圖像，而每一圖像具有不同的光頻率顏色，為了做到同步性， 需要在計算機上加一個同步器來保證兩張圖像是描述同一時刻的液體薄膜信息。最后利用圖像處理技術(shù)，計算得到CMP過程中拋光液的 混合情況、厚度、溫度和pH值。本實施例利用雙重激發(fā)激光誘導(dǎo)熒光遙測技術(shù)測量CMP過程中 晶圓下液體薄膜如下在線信息1) 、拋光液的流動、混合特性用兩種熒光物質(zhì)分別標(biāo)定拋光液，其中一種視為"老"拋光液，另一種視為"新"拋光液，"老"拋光液持續(xù) 加入，"新"拋光液定時加入。由兩種激發(fā)熒光組成的混合光被分光鏡 等分成兩道光束，各自經(jīng)相應(yīng)濾光片后，得到兩種熒光物質(zhì)的激發(fā)熒光，分別由相應(yīng)CCD接受，即觀察區(qū)內(nèi)"新"、"老"拋光液熒光圖像。兩幅圖像的灰度比即"新"拋光液所占比例。連續(xù)拍攝圖像，即可動態(tài) 地觀察拋光液的流動、混合特性。2) 、拋光液膜厚度變化測定如果某一熒光物質(zhì)溶液滿足如下條 件，溶液濃度很小，溫度不變，pH值不變，激發(fā)光頻率和強度不變，光被吸收的百分率不太大，那么當(dāng)溶液的厚度不變時，它所發(fā)生的熒 光強度和該溶液的濃度成正比。反之，當(dāng)溶液濃度不變時，它所發(fā)生的熒光強度和該溶液的厚度成正比。據(jù)報道LIF技術(shù)可分辯15//m以下的厚度，而試件與拋光墊之間拋光液膜的厚度為數(shù)十微米，所以LIF 技術(shù)有足夠的分辨率測定拋光液膜的厚度。3)、拋光液膜溫度分布測定通常含熒光物質(zhì)的溶液熒光強度受 溫度影響很大，溫度越高熒光強度越弱，標(biāo)定出溶液相對熒光強度與 溶液溫度的關(guān)系曲線后，即可根據(jù)試件下方拋光液膜的熒光圖像，推 算出拋光液膜各點溫度值，進而描繪出溫度場。4)、拋光液膜pH分布值測定某些熒光物質(zhì)(如熒光黃)的溶液 在一定pH值范圍內(nèi)，熒光強度隨pH值的增強而增強。利用與溫度測定相類似的方法，即可測定拋光液膜的pH值。
權(quán)利要求
1、一種CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量方法，其特征在于所述的測量方法包括以下步驟(1)、在拋光液中加入熒光物質(zhì)，并將拋光液輸送到拋光機的拋光墊和晶圓之間，形成液體薄膜；(2)、開啟激光器照射所述液體薄膜，所述液體薄膜受到激發(fā)后產(chǎn)生熒光；(3)、液體薄膜發(fā)出的熒光通過濾光片傳送到攝像頭進行熒光信息的采集；(4)、將攝像頭采集的熒光圖像進行圖片處理，計算得到熒光強度，依照熒光強度與厚度的對應(yīng)關(guān)系得到液體薄膜的厚度；依照熒光強度與溫度的對應(yīng)曲線得到液體薄膜的溫度；依照熒光強度與pH值的對應(yīng)曲線得到液體薄膜的pH值。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的 測量方法，其特征在于在所述的(1)中加入兩種不同的熒光物質(zhì)； 在所述的(3)中，液體薄膜發(fā)出的熒光通過分光鏡分成兩束相同強度 的光線，再分別傳送到兩個攝像頭；在所述的(4)中，計算得到兩種 熒光強度后，將兩種熒光強度的比值作為相對熒光強度，并依照相對 熒光強度與溫度的對應(yīng)曲線得到液體薄膜的溫度；依照相對熒光強度 與pH值的對應(yīng)曲線得到液體薄膜的pH值。
3、 如權(quán)利要求2所述的一種CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的 測量方法，其特征在于在所述的(4)中，使用同步器消除兩個攝像 頭的拍攝時差，將采集到的兩個攝像頭的熒光圖像輸出后進行圖像處理。
4、 如權(quán)利要求1_3之一所述的一種CMP過程中晶圓下液體薄膜中 間變量的測量方法，其特征在于所述的激光器為Ar離子激光器。
5、 如權(quán)利要求4所述的一種CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量方法，其特征在于所述的晶圓為光學(xué)玻璃。
6、 如權(quán)利要求4所述的一種CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的 測量方法，其特征在于所述的攝像頭為CCD攝像頭。
全文摘要
一種CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量方法，包括以下步驟(1)、在拋光液中加入熒光物質(zhì)，并將拋光液輸送到拋光機的拋光墊和晶圓之間，形成液體薄膜；(2)、開啟激光器照射所述液體薄膜，所述液體薄膜受到激發(fā)后產(chǎn)生熒光；(3)、液體薄膜發(fā)出的熒光通過濾光片傳送到攝像頭進行熒光信息的采集；(4)、將攝像頭采集的熒光圖像進行圖片處理，計算得到熒光強度，依照熒光強度與厚度的對應(yīng)關(guān)系得到液體薄膜的厚度；依照熒光強度與溫度的對應(yīng)曲線得到液體薄膜的溫度；依照熒光強度與pH值的對應(yīng)曲線得到液體薄膜的pH值。本發(fā)明能夠?qū)MP過程中晶圓下中間變量(如厚度、溫度、pH值)進行有效測量。
文檔編號B24B49/12GK101266915SQ20071016462
公開日2008年9月17日 申請日期2007年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月25日
發(fā)明者樓飛燕, 袁巨龍, 鄭曉鋒 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)