專利名稱：渦流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦流傳感器，尤其涉及一種適合于檢測導(dǎo)電膜厚 度的渦流傳感器，該導(dǎo)電膜形成在諸如半導(dǎo)體晶片的基板的表面上。 本發(fā)明還涉及具有這種渦流傳感器的基板處理設(shè)備，例如拋光設(shè)備或 基板淀積設(shè)備。
背景技術(shù)：
為了在諸如半導(dǎo)體晶片的基板中形成互連電路，采用用銅電鍍基 板的工藝從而在其上形成銅層，然后通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)除去 銅層中不需要的部分，從而在基板中形成銅互連層。在這種工藝中在 化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)期間，必須精確地控制銅層的拋光工藝的進(jìn)程 (銅層的膜厚)?？梢圆捎霉鈱W(xué)傳感器或渦流傳感器來控制這種導(dǎo)電 膜的膜厚。
光學(xué)傳感器基于光的波長來測量導(dǎo)電膜的膜厚。相應(yīng)地，可以在 要施加光的區(qū)域中進(jìn)行膜厚的精確測量。例如，為了在化學(xué)機(jī)械拋光 期間檢測形成在半導(dǎo)體基板上的導(dǎo)電膜的膜厚，在拋光過程中必須在 通過其而將光直接施加在基板上的位置上形成開口。然而，如此形成 開口可能對化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的拋光性能造成負(fù)面的影響。
渦流傳感器基于在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦流傳感器的大小來測量導(dǎo) 電膜的膜厚。因而，例如，可以將渦流傳感器安裝在化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的拋光工具中。此外，渦流傳感器可以在拋光期間利用非接觸方式 測量半導(dǎo)體基板的拋光情況。因此，不要求拋光工具具有用于觀察基 板的開口。例如，在拋光期間可以利用非接觸方式測量形成在半導(dǎo)體 基板上的導(dǎo)電膜的膜厚(拋光量)，而不需要在拋光墊中形成任何窗 口。此外，有人提出一種能檢測超薄膜例如阻擋層的拋光工藝的結(jié)束 點(diǎn)的渦流傳感器。
然而，當(dāng)渦流傳感器的傳感器線圈被掩埋在由諸如不銹鋼的導(dǎo)電 材料構(gòu)成的拋光臺中時，由傳感器線圈產(chǎn)生的磁通量在拋光臺中產(chǎn)生 渦流。因而，減小了向外發(fā)射的磁通量。在這種情況下，由于到達(dá)被 測量半導(dǎo)體晶片的磁通量減少了，所以在晶片上的導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦 流也減少了。因而，要求渦流傳感器具有高靈敏度。
例如，在將渦流傳感器設(shè)置在拋光設(shè)備中的情況下，將拋光墊設(shè) 置在半導(dǎo)體基板的導(dǎo)電膜與渦流傳感器的傳感器線圈之間。如果測量 環(huán)境例如拋光墊的厚度改變，則來自渦流傳感器的信號也改變。因此， 要求渦流傳感器在將這種測量環(huán)境看作為參數(shù)之一的情況下來測量 基板的膜厚。相應(yīng)地，需要復(fù)雜和麻煩的工藝來測量基板的膜厚。
當(dāng)測量超薄導(dǎo)電膜時，在諸如半導(dǎo)體晶片的基板的內(nèi)部所產(chǎn)生的 渦流是不能忽略的。因而，為了測量超薄導(dǎo)電膜的膜厚，應(yīng)該將來自 基板內(nèi)部的影響作為測量環(huán)境來考慮，其將對利用渦流傳感器進(jìn)行的 測量造成負(fù)面的影響。因此，需要復(fù)雜和麻煩的工藝來測量基板的膜 厚。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述缺陷做出了本發(fā)明。因此，本發(fā)明的目的是提供一種渦 流傳感器，它不受測量環(huán)境的影響，并且能很容易地以高精確度測量 導(dǎo)電膜。
根據(jù)本發(fā)明的第一方案，提供一種渦流傳感器，其具有設(shè)置在形成在基板上的導(dǎo)電膜附近的傳感器線圈，以及用于為傳感器線圈提供AC信號以在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生渦流的信號源。渦流傳感器包括可用于檢 測在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦流的檢測電路。檢測電路連接到傳感器線圈。 該渦流傳感器還包括由具有高導(dǎo)磁率的材料制成的外殼。外殼在其中 容納傳感器線圈。因此，將外殼配置成使得傳感器線圈形成磁通的路 徑，以便有效地在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生渦流。利用上述設(shè)置，來自傳感器線圈的磁通形成路徑(磁路)，以便 穿過位于傳感器線圈周圍的具有高導(dǎo)磁率的外殼，然后穿過將要測量 的導(dǎo)電膜。由于磁通不穿過安裝環(huán)境中的部件，因此磁通沒有衰減。 因此，可以通過傳感器線圈在導(dǎo)電膜中有效地產(chǎn)生渦流，并且可以以 高靈敏度測量導(dǎo)電膜的膜厚。外殼可以形成為圓柱形或包圍傳感器線圈的形狀。傳感器線圈包 括可用于在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生渦流的激勵線圈以及可用于檢測在導(dǎo)電膜 中產(chǎn)生的渦流的檢測線圈。傳感器線圈還可以包括可用于與檢測線圈 協(xié)作來調(diào)節(jié)檢測輸出零點(diǎn)的平衡線圈。通過調(diào)節(jié)零點(diǎn)，可以只放大與 導(dǎo)電膜的厚度相應(yīng)的變量信號。外殼可以設(shè)置在導(dǎo)電部件(拋光墊) 內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的第二方案，提供一種渦流傳感器，其具有設(shè)置在形 成在基板上的導(dǎo)電膜附近的傳感器線圈，以及用于為傳感器線圈提供 AC信號以在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生渦流的信號源。渦流傳感器包括可用于檢 測在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦流的檢測電路。檢測電路連接到傳感器線圈。 該渦流傳感器還包括其中容納傳感器線圈的絕緣部件。絕緣部件掩埋 在導(dǎo)電材料(拋光墊)中。根據(jù)本發(fā)明的第三方案，提供一種渦流傳感器，其具有設(shè)置在形 成在基板上的導(dǎo)電膜附近的傳感器線圈，以及用于為傳感器線圈提供 AC信號以在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生渦流的信號源。渦流傳感器包括可用于基 于從傳感器線圈看到的阻抗來檢測在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦流的檢測電路。該渦流傳感器還包括控制器，其用于在直角坐標(biāo)系中指定阻抗的 電阻分量和電抗分量的點(diǎn)，并且從通過連接在該點(diǎn)與直角坐標(biāo)系中的 預(yù)定中心點(diǎn)之間的線形成的角度來檢測導(dǎo)電膜的膜厚?？梢詫⒖刂破?配置成從該角度檢測導(dǎo)電膜的膜厚而不會由于傳感器線圈和導(dǎo)電膜 之間的距離而受到影響。可以通過校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表將預(yù)定中心點(diǎn)校準(zhǔn)為可 以獲得導(dǎo)電膜的膜厚而不會由于傳感器線圈和導(dǎo)電膜之間的距離而 受到影響的點(diǎn)，其中所述校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表包括膜厚以及與膜厚相應(yīng)的電阻分量(Xm)和電抗分量(Ym)。當(dāng)相對于不同的測量環(huán)境基于相同的導(dǎo)電膜的膜厚的電阻分量 和電抗分量的輸出值在xy坐標(biāo)系中繪制初級測量線時，初級測量線 在單個交叉點(diǎn)(中心點(diǎn))上彼此交叉而與測量環(huán)境無關(guān)。當(dāng)在未知的 測量環(huán)境下測量導(dǎo)電膜的膜厚時，交叉點(diǎn)和具有在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦 流信號的電阻分量和電抗分量的輸出值的點(diǎn)在xy坐標(biāo)系中被實(shí)際測 量線連接。通過比較實(shí)際測量線的斜率(實(shí)際測量線與基準(zhǔn)線之間的 角度)與初級測量線的斜率(初級測量線與基準(zhǔn)線之間的角度)，可 以很容易獲得導(dǎo)電膜的膜厚。因此，渦流傳感器可以很容易地和快速 地測量導(dǎo)電膜的膜厚而不受拋光墊厚度的影響。根據(jù)本發(fā)明的第四方案，提供一種渦流傳感器，其具有設(shè)置在形 成在基板上的第一導(dǎo)電膜附近的傳感器線圈，以及用于為傳感器線圈 提供AC信號以在第一導(dǎo)電膜中產(chǎn)生渦流的信號源。渦流傳感器包括 可用于基于從傳感器線圈看到的阻抗來檢測在第一導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的 渦流的檢測電路。該渦流傳感器還包括控制器，其用于在直角坐標(biāo)系 中指定阻抗的電阻分量和電抗分量的第一阻抗坐標(biāo)，并且對第一阻抗 坐標(biāo)進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)、平行位移和擴(kuò)展(expansion )?？梢詫⒖刂破髋渲贸蛇M(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)，從而使第二導(dǎo)電材料的阻抗 的第二阻抗坐標(biāo)與直角坐標(biāo)系的軸一致，并且進(jìn)行擴(kuò)展，從而當(dāng)?shù)谝?阻抗坐標(biāo)受到第二阻抗坐標(biāo)影響時，可以用放大方式獲得第一導(dǎo)電材料的阻抗的第一阻抗坐標(biāo)的變化。
獲得相位旋轉(zhuǎn)角度從而使在第二導(dǎo)電材料(基板)中產(chǎn)生的渦流
的電阻分量和電抗分量的輸出值與xy坐標(biāo)系中的x軸或y軸一致。 當(dāng)測量導(dǎo)電膜的膜厚時，以所述相位旋轉(zhuǎn)角度對測量到的渦流的電阻 分量和電抗分量的輸出值進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)。因此，可以消除在第二導(dǎo)電 材料中產(chǎn)生的渦流的電阻分量和電抗分量。相應(yīng)地，渦流傳感器可以 精確地測量第一導(dǎo)電膜的膜厚而不受第二導(dǎo)電膜的影響。在第一導(dǎo)電 膜如此之薄以至于受到第二導(dǎo)電膜的影響的情況下，相位旋轉(zhuǎn)更有 效。這種相位旋轉(zhuǎn)可以只在需要精確測量時進(jìn)行。因此，相位旋轉(zhuǎn)可 以避免用于膜厚測量的麻煩工藝。
第二導(dǎo)電膜可以包括半導(dǎo)體晶片，而第一導(dǎo)電膜可以包括形成在 半導(dǎo)體晶片上的阻擋層或金屬膜。
根據(jù)本發(fā)明的第五方案，提供一種渦流傳感器，其具有設(shè)置在形 成在基板上的導(dǎo)電膜附近的傳感器線圈，以及用于為傳感器線圈提供 AC信號以在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生渦流的信號源。渦流傳感器包括可用于基 于從傳感器線圈看到的阻抗來檢測在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦流的檢測電 路。該渦流傳感器還包括可用于根據(jù)導(dǎo)電膜的淀積情況存儲校正系數(shù) 的存儲器件以及控制器，其用于在直角坐標(biāo)系中指定阻抗的電阻分量 和電抗分量的點(diǎn)，并且通過存儲在存儲器件中的校正系數(shù)來校正該 點(diǎn)。
通過測量具有導(dǎo)電膜的參考晶片的膜厚，并且按照阻抗坐標(biāo)將膜 厚的弧形軌跡上的基準(zhǔn)點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)調(diào)整為所希望的坐標(biāo)(x， y)，可 以消除渦流傳感器的個體差異?？梢詫⒖刂破髋渲贸墒沟卯?dāng)測量參考 導(dǎo)電膜的膜厚時電阻分量和電抗分量是常數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的第六方案，提供一種渦流傳感器，其具有設(shè)置在形 成在基板上的導(dǎo)電膜附近的傳感器線圈，以及用于為傳感器線圈提供 AC信號以在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生渦流的信號源。渦流傳感器包括可用于基于從傳感器線圈看到的阻抗來檢測在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦流的檢測電 路。該渦流傳感器還包括控制器，其用于在直角坐標(biāo)系中指定阻抗的 電阻分量和電抗分量的阻抗坐標(biāo)，并且根據(jù)工藝進(jìn)程在直角坐標(biāo)系中 在半圓形的軌跡上移動阻抗坐標(biāo)。
因此，控制器在直角坐標(biāo)系中指定阻抗的電阻分量和電抗分量的 阻抗坐標(biāo)。阻抗坐標(biāo)的位置根據(jù)工藝進(jìn)程在直角坐標(biāo)系中的半圓形軌 跡上移動?？梢詫⒖刂破髋渲贸苫谧杩棺鴺?biāo)移動的弧形長度計(jì)算導(dǎo) 電膜的膜厚的變化。導(dǎo)電膜的膜厚的變化可以從阻抗坐標(biāo)移動的弧形 長度(弧長)來計(jì)算?？梢詫u流傳感器配置成使得弧形的長度不受 位于導(dǎo)電膜下面的基板的導(dǎo)電率的影響。例如，即使下層硅基板是低 電阻基板，也可以檢測具有高電阻的導(dǎo)電膜例如金屬膜或阻擋層的膜 厚而不受下層硅基板的影響。
阻抗可以明顯地沿著直角坐標(biāo)系中的軸之一改變。在這種情況 下，可以將控制器配置成選擇直角坐標(biāo)系中的上述那個軸?？梢詫⒆?抗坐標(biāo)構(gòu)造成由主放大器的偏移量、放大度、相位旋轉(zhuǎn)或極性選擇來 進(jìn)行設(shè)置。
可以將控制器配置成每隔預(yù)定的時間測量阻抗坐標(biāo)并基于阻抗 特性和模型數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性來檢測工藝的結(jié)束點(diǎn)。可以將控制器配 置成預(yù)測直到工藝結(jié)束點(diǎn)的剩余時間。因此，可以監(jiān)視(拋光)工藝 的進(jìn)程并且迅速處理在(拋光)工藝期間產(chǎn)生的不正常情況，用于預(yù) 防性維護(hù)。
希望基板固定(holding)裝置具有遠(yuǎn)離傳感器線圈的導(dǎo)電部件， 以便對在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦流沒有影響。
根據(jù)本發(fā)明的第七方案，提供一種渦流傳感器，其具有設(shè)置在具 有多個區(qū)的基板附近并被容納在高導(dǎo)磁率材料的外殼中的空心傳感 器線圈，以及用于為傳感器線圈提供AC信號以在基板中產(chǎn)生渦流的 信號源。渦流傳感器還包括可用于獲得關(guān)于在基板的多個區(qū)中產(chǎn)生的渦流的信號數(shù)據(jù)的檢測電路。該渦流傳感器還包括用于基于該信號數(shù) 據(jù)檢測工藝結(jié)束點(diǎn)的控制器。可以將控制器配置成采用包括關(guān)于多個區(qū)的最佳區(qū)的信號數(shù)據(jù) 值、關(guān)于多個區(qū)的信號數(shù)據(jù)的平均值、關(guān)于多個區(qū)的所希望組合的信號數(shù)據(jù)的平均值、有效值、信號數(shù)據(jù)的一階時間導(dǎo)數(shù)(first time-derivative)、信號數(shù)據(jù)的二階時間導(dǎo)數(shù)和信號數(shù)據(jù)的n階時間導(dǎo) 數(shù)的確定值。此外，可以將控制器配置成對確定值與預(yù)定值進(jìn)行比較， 以檢測工藝的結(jié)束點(diǎn)?？梢詫⒖刂破髋渲贸蓪π盘枖?shù)據(jù)進(jìn)行邊緣切割處理(edge cutting process)。信號數(shù)據(jù)可以包括阻抗的X和Y分量、相位9、合成阻抗 Z、頻率F和由其轉(zhuǎn)換的膜厚值。可以將控制器配置成利用系數(shù)對通 過信號數(shù)據(jù)計(jì)算出的參考時間進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算以計(jì)算附加工藝時間周 期，并且將該附加工藝時間周期加到參考時間上，從而檢測工藝的結(jié) 束點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的第八方案，提供一種具有處理裝置和上述渦流傳感 器的基板處理設(shè)備，所述處理裝置用于對基板進(jìn)行處理。根據(jù)本發(fā)明的第九方案，提供一種具有拋光表面、基板固定裝置 和上述渦流傳感器的拋光設(shè)備，所述基板固定裝置用于固定基板并使 基板緊壓住拋光表面。根據(jù)本發(fā)明的第十方案，提供一種具有基板淀積裝置和上述渦流 傳感器的基板淀積設(shè)備，所述基板淀積裝置用于在基板上淀積導(dǎo)電 膜。根據(jù)本發(fā)明，可以避免來自測量環(huán)境的負(fù)面影響并且以高精度很 容易、快速地測量導(dǎo)電膜的膜厚。通過以下結(jié)合附圖所進(jìn)行的說明本發(fā)明的上述和其他目的、特征 和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中附圖以舉例的方式示出了本發(fā)明的優(yōu)選 實(shí)施例。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的具有渦流傳感器的拋光設(shè) 備的示意圖2是示出圖1所示的渦流傳感器的傳感器線圈的放大剖面圖3是示出由拋光設(shè)備的頂環(huán)固定的半導(dǎo)體晶片與圖1所示的渦 流傳感器的傳感器線圈之間的關(guān)系的平面圖4是示出用作根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的渦流傳感器的頻率型 渦流傳感器的例子的方框圖5是示出用作根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的渦流傳感器的阻抗型 渦流傳感器的例子的方框圖6是圖5所示的渦流傳感器的等效電路圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的渦流傳感器的傳感器線圈 的例子的透視圖8是示出圖7所示的傳感器線圈中的連接的電路圖9是圖8的等效電路圖10是示出在圖8所示的檢測線圈和平衡線圈中產(chǎn)生的電壓的 矢量圖11是示出連接到圖5所示的傳感器線圈的同步檢測電路的方 框圖12是示出根據(jù)導(dǎo)電膜的膜厚變化按照阻抗坐標(biāo)的電阻分量 (R)和電抗分量(X)的圓形軌跡的曲線圖13是示出根據(jù)導(dǎo)電膜和傳感器線圈之間的間隙(墊厚度)變 化在阻抗坐標(biāo)上的圓形軌跡變化的曲線圖14A到14C是示出由相位旋轉(zhuǎn)消除硅基板的阻抗分量并且擴(kuò) 展TaN膜的分量的示意圖15A到15D是示出設(shè)置適合于膜厚檢測的放大器增益的方法的曲線圖；圖16A和16B是示出基于弧長測量膜厚的方法的示意圖；圖17是示出在渦流傳感器掩埋在由絕緣材料制成的拋光臺中時 由渦流傳感器產(chǎn)生的磁通量分布的剖面圖；圖18是示出在渦流傳感器掩埋在由導(dǎo)電材料制成的拋光臺中時 由渦流傳感器產(chǎn)生的磁通量分布的剖面圖；圖19是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的由渦流傳感器產(chǎn)生的磁通 量分布的剖面圖；圖20是示出在渦流傳感器掩埋在由導(dǎo)電材料(SUS)制成的拋 光臺中的情況下和在渦流傳感器掩埋在由絕緣材料(SiC)制成的拋 光臺中的情況下根據(jù)第二實(shí)施例的渦流傳感器的特性的曲線圖；圖21是示出在渦流傳感器掩埋在由導(dǎo)電材料(SUS)制成的拋 光臺中的情況下和在渦流傳感器掩埋在由絕緣材料(SiC)制成的拋 光臺中的情況下渦流傳感器的特性的曲線圖；圖22是示出由根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的渦流傳感器產(chǎn)生的磁通 量分布的剖面圖；圖23是示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的拋光設(shè)備的透視圖；以及圖24是示出根據(jù)本發(fā)明的具有渦流傳感器的淀積設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面參照圖1到23說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有渦流傳感器的 拋光設(shè)備。圖1示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的具有渦流傳感器10的拋光設(shè) 備。如圖1所示，拋光設(shè)備具有拋光臺1、固定于拋光臺1的表面上 的拋光墊2、用于固定半導(dǎo)體晶片W并使半導(dǎo)體晶片W擠壓拋光墊 2的頂環(huán)3、以及用于測量半導(dǎo)體晶片W上的將要被拋光的導(dǎo)電膜的拋光設(shè)備的拋光臺1可圍繞支撐軸20旋轉(zhuǎn)， 如箭頭21所示。頂環(huán)3可圍繞其軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如箭頭22所示。頂環(huán)3使半導(dǎo)體晶片W擠壓拋光臺1上的拋光墊2，同時頂環(huán)3 和拋光臺1彼此獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)。此時，將拋光液從拋光液供應(yīng)噴嘴(未 示出)輸送到拋光墊2上。由此，對半導(dǎo)體晶片W進(jìn)行拋光。在本 實(shí)施例中，拋光設(shè)備的拋光臺1由諸如SiC的陶瓷材料或諸如不銹鋼(SUS)的金屬材料制成。如圖1所示，渦流傳感器IO包括掩埋在拋光臺1中的傳感器線 圈100、前置放大器102、主放大器104、以及控制器106。盡管傳感 器線圈100和前置放大器102在所示的例子中是分開的，但是前置放 大器可以完整地結(jié)合到傳感器線圈100中。電纜108從傳感器線圈 IOO延伸出來穿過拋光臺1的支撐軸20。因此，傳感器線圈100通過 旋轉(zhuǎn)接頭23連接到控制器106和主放大器104，所述旋轉(zhuǎn)接頭23設(shè) 置在支撐軸20的端部。渦流傳感器10的控制器106包括模擬濾波器，例如低通濾波器(LPF)、帶通濾波器(BPF)、高通濾波器(HPF)、或陷波濾波器， 或者使用軟件來除去傳感器信號中的噪聲的數(shù)字濾波器。每個濾波器 可以具有適當(dāng)?shù)慕刂诡l率。例如，當(dāng)?shù)屯V波器具有0.1到lkHz的 截止頻率時，可以在拋光期間將包含在傳感器信號中的噪聲除去，以 便精確地測量半導(dǎo)體晶片W的膜厚。圖2是示出渦流傳感器10的傳感器線圈100的放大剖面圖。拋 光墊2固定在拋光臺1的上表面上。如圖2所示，氟樹脂110附著到 拋光墊2附近的傳感器線圈100的上端面上。氟樹脂110可以防止在 將拋光墊2從拋光臺1剝離時將傳感器線圈100與拋光墊2 —起除去。 氟樹脂110的上端面位于拋光臺1的上表面下方0到0.05mm的位置 上，從而拋光墊2不會在傳感器線圈IOO上方的位置上膨脹。因此， 傳感器線圈100的存在不影響拋光工藝。拋光臺1的上表面與傳感器線圈100的上端面之間的高度差應(yīng)該優(yōu)選盡可能地小。例如，實(shí)際上 可以將該高度差設(shè)置在0.01 mm左右。傳感器線圈100的高度可以通 過設(shè)置在傳感器線圈100下端的薄墊片(薄板)112或者通過螺絲(未 示出)來調(diào)節(jié)。
即使其具有旋轉(zhuǎn)部件，互連傳感器線圈100和控制器106的旋轉(zhuǎn) 接頭23也可以傳輸信號。然而，旋轉(zhuǎn)接頭23用以傳輸信號的信號線 數(shù)量有限。在本實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)接頭23可以只有八條信號線，用于 DC電壓源、輸出信號、以及各個控制信號。 一條信號線可以從控制 器106通過旋轉(zhuǎn)接頭23向前置放大器102傳輸包括判別DC電壓、 調(diào)制頻率、1位數(shù)字信號等的控制信號。前置放大器102具有可用于 處理控制信號的輸入部件。例如，根據(jù)關(guān)于傳感器線圈IOO中的線圈 平衡的指令信號和待拋光膜的特性，可以在2到8MHz的范圍內(nèi)調(diào)節(jié) 前置放大器102的振蕩頻率。還可以調(diào)節(jié)RF電壓的放大增益。對信 號線的數(shù)量的上述限制可以通過使用無線信號傳輸來消除。
圖3是示出由頂環(huán)3固定的半導(dǎo)體晶片W和掩埋在拋光臺1中 的渦流傳感器10的傳感器線圈100之間的關(guān)系的平面圖。如圖3所 示，擋塊(dog) 4設(shè)置在拋光臺1的周邊，并且將擋塊傳感器5設(shè) 置成與擋塊4相對應(yīng)。擋塊傳感器5檢測擋塊4并相應(yīng)地檢測拋光臺 1的旋轉(zhuǎn)。根據(jù)來自擋塊傳感器5的檢測信號開始對由頂環(huán)3固定的 半導(dǎo)體晶片W進(jìn)行信號處理。具體地講，渦流傳感器10的傳感器線 圈100掃描如圖3所示的軌跡線24上的半導(dǎo)體晶片W，同時拋光臺 l旋轉(zhuǎn)。
在拋光臺1進(jìn)行了一次旋轉(zhuǎn)時，擋塊傳感器5檢測擋塊4并將檢 測信號輸出到渦流傳感器10。此時，由于傳感器線圈100還沒有位 于半導(dǎo)體晶片W的下方，所以來自渦流傳感器10的傳感器線圈100 的傳感器信號代表晶片W外部的檢測結(jié)果。當(dāng)傳感器線圈100移動 到半導(dǎo)體晶片W下方的區(qū)域時，渦流傳感器10的控制器106接收傳感器信號，該傳感器信號具有與在晶片w的導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦流相 對應(yīng)的電平。在傳感器線圈100經(jīng)過半導(dǎo)體晶片w下方的區(qū)域之后， 渦流傳感器10的控制器106接收具有使得渦流沒被產(chǎn)生的電平的傳 感器信號，即代表晶片W外部的檢測結(jié)果的傳感器信號。在這種情況下，可以將傳感器線圈100配置成連續(xù)進(jìn)行檢測。然 而，由于由控制器106接收到的傳感器信號的電平在拋光期間隨著晶 片W的膜厚變化而改變，因此如果半導(dǎo)體晶片W上的導(dǎo)電膜的膜厚 簡單地由傳感器線圈100來進(jìn)行檢測，則測量時間是不穩(wěn)定的。因而， 希望在開始測量半導(dǎo)體晶片W的拋光區(qū)域時獲得和設(shè)置傳感器信號 的電平。例如，通過在從拋光液供應(yīng)噴嘴(未示出)輸送水的同時對 參考晶片(虛擬晶片)進(jìn)行水拋光，可以獲得測量時間。具體地講， 可以在拋光臺1上對其上淀積有1000nm的銅層的參考晶片進(jìn)行水拋 光，所述拋光臺1以60min—1的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)120秒種。更具體地講，在控制器106從擋塊傳感器5接收到擋塊4的檢測 信號之后，針對半導(dǎo)體晶片W的外部和內(nèi)部由傳感器信號計(jì)算傳感 器信號值的中間值。將計(jì)算得到的中間值設(shè)置為測量半導(dǎo)體晶片W 的標(biāo)準(zhǔn)電平。因此， 一旦控制器106在從擋塊傳感器5接收到擋塊4 的檢測信號之后接收到電平比標(biāo)準(zhǔn)電平高的傳感器信號，例如就每1 毫秒獲得傳感器信號。當(dāng)傳感器線圈IOO從晶片W移開時，結(jié)束傳 感器信號的獲得。將所得到的傳感器信號分配給對應(yīng)于晶片W的物 理尺寸的各個區(qū)域。此外，可以在該系統(tǒng)中設(shè)置傳感器信號的有效和 無效。例如，當(dāng)不進(jìn)行拋光處理時、當(dāng)傳感器信號的電平高于預(yù)定電 平時、當(dāng)傳感器信號的電平低于預(yù)定電平時、或者當(dāng)頂環(huán)3不位于傳 感器線圈100上方時，可以將傳感器信號設(shè)置為無效。在渦流傳感器10中，位于導(dǎo)電膜附近的傳感器線圈100使磁通 穿過晶片的導(dǎo)電膜，以便在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生渦流。根據(jù)由渦流產(chǎn)生的傳 感器信號測量導(dǎo)電膜的膜厚。因而，渦流傳感器10通過在拋光臺1中掩埋傳感器線圈100可以測量導(dǎo)電膜的膜厚而不需要在拋光臺1上 的拋光墊2中形成任何窗口。
例如，通過根據(jù)本發(fā)明的渦流傳感器從拋光開始就監(jiān)測導(dǎo)電膜的 膜厚。因此，通過該渦流傳感器，可以從拋光開始到結(jié)束實(shí)時地對導(dǎo) 電膜的膜厚進(jìn)行連續(xù)或間歇地監(jiān)測。這一特征有助于拋光工藝的改變 或補(bǔ)充。連續(xù)測量意味著通過設(shè)備進(jìn)行的其中渦流傳感器連續(xù)面對具 有形成在其上的導(dǎo)電膜的半導(dǎo)體基板的測量(參見圖23和24)。間 歇測量意味著由設(shè)備進(jìn)行的其中渦流傳感器周期性地面對具有形成 在其上的導(dǎo)電膜的半導(dǎo)體基板的測量(參見圖1和3)。
此外，例如在渦流傳感器10的控制器106接收到表示在晶片上 形成的鎢膜的膜厚變?yōu)?000埃的信號之后，拋光工藝可以快速地切 換到低壓處理，其中在低壓下使晶片擠壓拋光墊。此夕卜，可以基于已 經(jīng)測量到的絕對膜厚以各種方式實(shí)時地控制和改變拋光工藝。例如， 可以進(jìn)行水拋光以降低拋光臺的溫度和拋光速率?；蛘?，可以將要輸 送到拋光墊上的漿料變?yōu)榫哂械蛼伖馑俾实臐{料。這種基于渦流傳感 器的傳感器信號的工藝控制可以減少表面凹陷(dishing)量和腐蝕量。 當(dāng)然，使用渦流傳感器的這種工藝控制不僅可以應(yīng)用于鎢拋光，而且 還可以應(yīng)用于銅拋光和鋁拋光。
在鎢拋光的情況下，當(dāng)來自渦流傳感器的傳感器信號表示1000 埃、500埃、或0埃的膜厚時，可以進(jìn)行上述拋光條件的改變，以實(shí) 現(xiàn)各種類型的工藝管理。或者，當(dāng)所需的拋光量作為膜厚被輸出時可 以改變拋光條件。在銅拋光的情況下，當(dāng)來自渦流傳感器的傳感器信 號表示1500埃的膜厚時，可以改變拋光條件。
下面將說明利用根據(jù)本發(fā)明的渦流傳感器的導(dǎo)電膜的膜厚的測 量工藝的具體例子。
將上述渦流傳感器10分為兩種類型的渦流傳感器，包括頻率型 渦流傳感器和阻抗型渦流傳感器，所述頻率型渦流傳感器在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生渦流并在變化的振蕩頻率的變化基礎(chǔ)上檢測膜厚，所述阻抗型渦 流傳感器改變從傳感器線圈向?qū)щ娔た吹降淖杩共⒃谧杩棺兓幕A(chǔ)上檢測膜厚。圖4是示出頻率型渦流傳感器10a的示意圖，圖5是 示出阻抗型渦流傳感器10b的示意圖。如圖4所示，頻率型渦流傳感器10a具有設(shè)置在被測半導(dǎo)體晶片 W的導(dǎo)電膜6附近的傳感器線圈100、連接到傳感器線圈100的可變 頻率Colpitis振蕩器120 (信號源)、和連接到Colpitis振蕩器120的 分頻器/計(jì)數(shù)器電路122。在這種渦流傳感器10a中，當(dāng)導(dǎo)電膜6的膜 厚改變時，Colpitis振蕩器120的振蕩頻率改變。因此，可以通過 Colpitis振蕩器120的振蕩頻率的變化來檢測導(dǎo)電膜6的膜厚的變化。 分頻器/計(jì)數(shù)器電路122可以檢測Colpitis振蕩器120的振蕩頻率的變 化，由此檢測導(dǎo)電膜6的膜厚的變化。具體^k講，傳感器線圈100和 振蕩器120形成振蕩回路，該振蕩回路以對應(yīng)于導(dǎo)電膜6的膜厚的振 蕩頻率振蕩。通過分頻器/計(jì)數(shù)器電路122對振蕩器120的振蕩信號 進(jìn)行分頻和計(jì)數(shù)，以檢測振蕩器120的振蕩頻率。將振蕩器120的振 蕩頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的膜厚。如圖5所示，阻抗型渦流傳感器10b具有設(shè)置在被測半導(dǎo)體晶片 W的導(dǎo)電膜6附近的傳感器線圈100、連接到傳感器線圈100的AC 信號源124、以及用于檢測從傳感器線圈100看到的包括導(dǎo)電膜6的 阻抗的同步檢測電路126。形成在被測半導(dǎo)體晶片W上的導(dǎo)電膜6 可以是銅鍍膜或諸如Au、 Cr或W的金屬的蒸發(fā)膜，其厚度大約為0 到2nm;或者是形成為銅鍍膜或蒸發(fā)膜的下層的阻擋層，其厚度在埃 的數(shù)量級上。阻擋層是由Ta、 TaN、 Ti、 TiN、 WN等制成的高電阻 層。為了精確檢測化學(xué)機(jī)械拋光的結(jié)束點(diǎn)重要的是檢測阻擋層的膜 厚。傳感器線圈100具有一匝到幾十匝的線圈。傳感器線圈100設(shè)置 在導(dǎo)電膜6附近，例如在距離導(dǎo)電膜6大約0.5到5mm的位置上。圖6示出圖5所示的渦流傳感器10b的等效電路。在圖6所示的等效電路中，由于阻抗型渦流傳感器10b中的AC信號源124的振蕩 頻率是恒定的，因此當(dāng)導(dǎo)電膜6的膜厚改變時，從AC信號源124向 傳感器線圈100看到的阻抗z改變。在圖6所示的等效電路中，L, 代表傳感器線圈100的自阻抗(包括傳感器線圈100的初級自阻抗)， R,代表傳感器線圈100的電阻(包括傳感器線圈100的初級等效電 阻)，以及I,代表流過傳感器線圈100的電流。關(guān)于導(dǎo)電膜6， 112代 表對應(yīng)于渦流損失的等效電阻，L2代表導(dǎo)電膜6的自阻抗，12代表流 過導(dǎo)電膜6的渦流。渦流12取決于導(dǎo)電膜6的等效電阻R2和自阻抗 L2。當(dāng)導(dǎo)電膜6的膜厚改變時渦流12也改變。相應(yīng)地，可以通過從 AC信號源124看到的阻抗z的變化經(jīng)由導(dǎo)電膜6和傳感器線圈100 之間的互阻抗M來檢測導(dǎo)電膜6的膜厚的變化。
更具體地講，AC信號源124包括具有1到50MHz的固定頻率 的振蕩器，例如石英振蕩器。當(dāng)由AC信號源124提供AC電壓時， 電流ir流過傳感器線圈100。當(dāng)電流流過設(shè)置在導(dǎo)電膜6附近的傳感 器線圈100時，引起磁通與導(dǎo)電膜6的互連，以便在傳感器線圈100 和導(dǎo)電膜6之間形成互阻抗M。由此，渦流12流過導(dǎo)電膜6。從AC 信號源124的端子128和130看到的阻抗z根據(jù)在導(dǎo)電膜6中產(chǎn)生的 渦流的大小而變化。
渦流傳感器的信號源可以采用單一的無線電波、混合無線電波、 AM調(diào)制無線電波、FM調(diào)制無線電波、信號發(fā)生器的掃描頻率、或 者多個信號源的振蕩頻率。當(dāng)傳感器面對被拋光的晶片時，對交變脈 沖電磁場(alternating burst electromagnetic field)或正弓玄波進(jìn)行平衡 調(diào)制、振幅調(diào)制或脈沖調(diào)制，由此在渦流傳感器中產(chǎn)生磁場和磁通。 希望選擇具有良好靈敏度以便符合被測膜的類型的振蕩頻率和調(diào)制 方法。
圖7示出根據(jù)本實(shí)施例的傳感器線圈100的例子。傳感器線圈 100具有分開的線圈，包括用于在導(dǎo)電膜中形成渦流的線圈和用于檢測導(dǎo)電膜中的渦流的線圈。在本實(shí)施例中，如圖7所示，傳感器線圈 100具有纏繞在線軸132上的三個線圈134a、 134b和134c。中心線 圈134b是連接到AC信號源124上的激勵線圈。激勵線圈134b通過 磁場在位于傳感器線圈100附近的半導(dǎo)體晶片W上的導(dǎo)電膜6中形 成渦流，所述磁場是通過由AC信號源124提供的電壓產(chǎn)生的。將檢 測線圈134a設(shè)置在線軸132的上部(導(dǎo)電膜附近)。檢測線圈134a 檢測由形成在導(dǎo)電膜中的渦流所產(chǎn)生的磁場。將平衡線圈134c設(shè)置 在激勵線圈134b的與檢測線圈134a相反的一側(cè)。
圖8示出在傳感器線圈100中的線圈134a、 134b和134c的連接 的例子。圖9示出圖8的等效電路。在本實(shí)施例中，線圈134a、 134b 和134c具有相同數(shù)量的匝數(shù)(l至l」500匝)。檢測線圈134a和平衡線 圈134c以相反的相位彼此連接在一起。
因此，檢測線圈134a和平衡線圈134c形成相位相反的串聯(lián)電路。 該串聯(lián)電路的每一端連接到包括可變電阻VR2的電阻電橋電路138。 激勵線圈134b連接到AC信號源124。激勵線圈134b在位于激勵線 圈134b附近的導(dǎo)電膜6中產(chǎn)生交變磁場和渦流。通過調(diào)節(jié)可變電阻 VR,禾卩VR2的電阻值，可以調(diào)節(jié)包括線圈134a和134c的串聯(lián)電路的 輸出電壓，從而當(dāng)沒有導(dǎo)電膜位于傳感器線圈100附近時，輸出電壓 為0。
通過與線圈134a和134c并聯(lián)連接的可變電阻VR,和VR2來調(diào)節(jié) 線圈134a和134c的信號(LA、 Lc)。可變電阻\012調(diào)節(jié)所述信號， 以便使其具有相同相位，而可變電阻VR,調(diào)節(jié)所述信號的長度。具體 地講，在圖9所示的等效電路中，調(diào)節(jié)可變電阻VR^ ^VRw+VRl2) 禾口 VR2 (=VR2"+VR2_2)，從而VR,"x (VRw+jcoLc) = VR卜2x (VRw+J(oLa)。因此，如圖10所示，將由虛線所示的線圈134a和 134c的信號(LA、 Lc)調(diào)節(jié)為由實(shí)線所示的具有相同相位和振幅的 信號?？勺冸娮鑆R4 (-VRw+VRw)和VR2 (-VR^+VR2-2)的調(diào)節(jié)優(yōu)選自動地由伺服電動機(jī)(DC脈沖電動機(jī))來進(jìn)行。因此，考慮到 傳感器線圈100和設(shè)置傳感器線圈100的環(huán)境的一些變化可以自動地 調(diào)節(jié)平衡，從而使渦流傳感器10沒有個體差異。具體地講，檢測線圈134a和平衡線圈134c的串聯(lián)電路與連接到 AC信號源124的激勵線圈134b分開。通過電阻電橋電路138來調(diào)節(jié) 平衡。因而，可以調(diào)節(jié)零點(diǎn)。具體地講，平衡線圈134c可用于調(diào)節(jié) 檢測線圈134a的檢測輸出的零點(diǎn)。因此，可以從零檢測流過導(dǎo)電膜 的渦流，從而可以提高流過導(dǎo)電膜的渦流的檢測靈敏度。因而，可以 基于在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦流的大小以高靈敏度檢測導(dǎo)電膜的變化。當(dāng) 導(dǎo)電膜位于檢測線圈134a附近時，由在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦流所產(chǎn)生 的磁通與檢測線圈134a和平衡線圈134c互連。由于檢測線圈134a 與其他線圈相比更接近導(dǎo)電膜，因此由線圈134a和134c產(chǎn)生的感應(yīng) 電壓不平衡，以便檢測由導(dǎo)電膜中的渦流形成的互連磁通。圖11示出用于測量從圖5所示的AC信號源124向傳感器線圈 100所看到的阻抗z的同步檢測電路126的例子。在圖11所示的測量 電路中，可以根據(jù)膜厚的變化在阻抗平面坐標(biāo)系(x， y)中獲得電阻 分量(R)、電抗分量(X)、阻抗分量(Z)和相位輸出(e^an"R/X)。 相應(yīng)地，利用這些信號輸出，例如，通過阻抗的各個分量的大小來測 量膜厚。因此，可以用各種方式檢測工藝進(jìn)展。下面將術(shù)語"阻抗" 用作電阻分量(R)和電抗分量(X)的含義。如上所述，AC信號源124包括具有固定頻率的振蕩器，例如石 英振蕩器，所述AC信號源124向位于具有被測導(dǎo)電膜6的半導(dǎo)體晶 片W附近的傳感器線圈100提供AC信號。例如，AC信號源124提 供具有1到50MHz的固定頻率的電壓。在AC信號源124中產(chǎn)生的 AC電壓經(jīng)過帶通濾波器140輸送給傳感器線圈100的激勵線圈134b。 在傳感器線圈100的端子上檢測到的信號經(jīng)過高頻放大器142和移相 電路144傳輸?shù)接嘞彝綑z測電路146和正弦同步檢測電路148，其中所述余弦同步檢測電路146和所述正弦同步檢測電路148形成同步 檢測單元。同步檢測單元從檢測信號提取余弦分量(X分量)和正弦 分量(y)。移相電路144從形成在信號源124中的振蕩信號形成同 相位分量(0°)和正交分量(90°)的兩個信號。分別將這兩個信號傳 輸?shù)接嘞彝綑z測電路146和正弦同步檢測電路148。由此，進(jìn)行上 述同步檢測。
通過低通濾波器150和152從進(jìn)行了同步檢測的信號中除去不需 要的至少為5kHz的高頻分量。然后，獲得X分量輸出作為余弦同步 檢測的輸出，并獲得Y分量輸出作為正弦同步檢測的輸出。此外， 通過矢量運(yùn)算電路154從X和Y分量輸出獲得阻抗分量Z=(X2+Y2)1/2 。 同樣，通過矢量運(yùn)算電路(e處理電路)156從X和Y分量輸出獲得 相位輸出(e^tan"Y/X)。提供濾波器以便除去傳感器信號的噪聲分量。 這些濾波器具有為它們的目的而適當(dāng)設(shè)置的截止頻率。
因此，提取信號輸出X和Y、相位e、以及合成阻抗Z并將其轉(zhuǎn)
換成阻抗型渦流傳感器中的膜厚值?？梢詮男盘栞敵鰔和y、相位e、
合成阻抗Z等獲得關(guān)于金屬膜(Cu、 Al、 Au或W)、阻擋層(Ta、 TaN、 Ti、 TiN或WN)、或用于與阻擋層的接觸插頭(contactplug) 的多晶硅的膜厚的測量信息。測量信息可以單獨(dú)使用或者組合使用以 用于拋光工藝的檢測，例如結(jié)束點(diǎn)檢測。可以將渦流傳感器設(shè)置在拋 光臺內(nèi)并位于拋光臺的表面附近，以便經(jīng)過拋光墊而面對被拋光的半 導(dǎo)體晶片。利用這種設(shè)置，渦流傳感器可以基于流過半導(dǎo)體晶片上的 導(dǎo)電膜的渦流來檢測半導(dǎo)體晶片上的導(dǎo)電膜的膜厚。
如從圖6所示的等效電路中所看到的那樣，當(dāng)電壓和電流中的每 一個具有正弦波時，建立以下關(guān)系式(1)和(2)。<formula>formula see original document page 21</formula> ...... (1)<formula>formula see original document page 21</formula> ...... (2)
從上述關(guān)系式看出，從初級側(cè)看到的阻抗z表現(xiàn)為等式(3)。五Z22……(3)A2 + ，Ij電阻分量x和電抗分量y分別表現(xiàn)為下列等式(4)和(5)(《+ ^-^"V = JC"丄J 一 "^5-T^T = >"(4)+ W，(5)這里，當(dāng)從等式(4)和(5)中除去對應(yīng)于渦流電阻的112時，獲得以下等式(6)。(JC —《)2 + ;_"xZ'(2"2)〖=「丄Pw2 U、2(6)這樣，等式(6)表示中心點(diǎn)為(x-R,，尸coL"2+k2)/2)且半徑為k^L,/2的圓形的軌跡，其中k是耦合系數(shù)，并且]VNc(L山)"2。這意味著從初級側(cè)看到的阻抗z位于圖12所示的半圓上的任何 點(diǎn)上。對應(yīng)于渦流損失的電阻R2由下列等式(7)表示，其中p是體 積電阻率，L是導(dǎo)電膜的等效長度，W是導(dǎo)電膜的等效寬度，d是導(dǎo) 電膜的厚度。及2 =/°〖『xd(7)圖12示出按照阻抗坐標(biāo)從AC信號源124看到的阻抗z的軌跡。 垂直軸表示電抗分量(X)，而水平軸表示電阻分量(R)。點(diǎn)C表示 膜厚大到100pm (可以將導(dǎo)電膜看作是完美的導(dǎo)體)的情況。在這種 情況下，從AC信號源124的端子128和130看到的阻抗z (參見圖 6)具有在位于傳感器線圈100附近的導(dǎo)電膜6中的極度增加的渦流、等效地并聯(lián)連接到傳感器線圈100的極度減小的電阻分量(R2)和極 度減小的電抗分量。因而，電阻分量(R)和電抗分量(X)都變小。
當(dāng)導(dǎo)電膜在拋光期間變薄時，從傳感器線圈100的輸入端(端子 128和130)看到的阻抗z具有與點(diǎn)C相比的增加的等效電阻分量(R2) 和增加的電抗分量。點(diǎn)B表示從傳感器線圈100的輸入端看到的阻抗 z具有最大電阻分量(R)的點(diǎn)。在點(diǎn)B,從傳感器線圈100的輸入 端看到的渦流損失被最大化。當(dāng)導(dǎo)電膜在進(jìn)一步拋光期間變更薄時， 渦流減小。因此，從傳感器線圈IOO看到的電阻分量(R)逐漸減小， 這是因?yàn)闇u流逐漸減小。當(dāng)通過拋光完全除去導(dǎo)電膜時，不會引起更 多的渦流損失。相應(yīng)地，等效地并聯(lián)連接到傳感器線圈100的電阻分 量(R2)變?yōu)闊o限大。因此，只有傳感器線圈100的電阻分量(R,) 保留下來。此時，電抗分量(X)對應(yīng)于傳感器線圈本身的電抗分量 (L,)。點(diǎn)A代表該狀態(tài)。
當(dāng)利用鑲嵌工藝在形成在氧化硅膜中的溝槽中形成銅互連時，在 氧化硅膜上形成阻擋層，例如氮化鉭(TaN)或氮化鈦(TiN)，并且 進(jìn)一步在阻擋層上形成金屬互連，例如具有高導(dǎo)電率的銅或鎢。因而， 在對這種導(dǎo)電膜進(jìn)行拋光的情況下，重要的是檢測對阻擋層進(jìn)行拋光 的結(jié)束點(diǎn)。然而，如上所述，阻擋層形成為具有相對低的導(dǎo)電率和厚 度在埃的數(shù)量級上的超薄膜，例如氮化鉭(TaN)或氮化鈦(TiN)。
利用根據(jù)本實(shí)施例的渦流傳感器，可以很容易地檢測接近拋光結(jié) 束點(diǎn)的這種阻擋層的膜厚。具體地講，圖12所示的點(diǎn)D代表膜厚為 大約1000埃的情況。電阻分量的變化根據(jù)膜厚從點(diǎn)D到點(diǎn)A的變化 基本上以線性方式變得極大，在所述點(diǎn)A膜厚為零。此時，如圖12 所示，電抗分量(x)與電阻分量(R)相比具有極度減少量的變化。 因而，在采用基于振蕩頻率的變化來檢測膜厚的原理的渦流傳感器 中，所述振蕩頻率的變化是由電抗變化引起的，振蕩頻率的變化大大 小于膜厚的變化，因此必須提高頻率以便提高頻率變化的分辨能力。阻抗型渦流傳感器可以通過檢測電阻分量的變化利用固定振蕩 頻率來檢測膜厚的變化。因此，可以利用相對低的頻率很清楚地監(jiān)測 極薄膜的拋光條件。在本實(shí)施例中，基于由膜厚變化引起的電阻分量 變化來檢測膜厚。然而，根據(jù)導(dǎo)電膜的類型，可以基于振蕩頻率的變 化來檢測膜厚。或者，可以基于電抗分量和電阻分量的合成阻抗來檢 測膜厚。此外，還可以通過測量弧長來檢測膜厚，這將在后面進(jìn)行說 明。
為了檢測具有相對低的導(dǎo)電率的阻擋層，與檢測具有高導(dǎo)電率的
金屬膜的情況相比希望提高AC信號源124的振蕩頻率。當(dāng)振蕩頻率 升高時，可以清楚地監(jiān)測阻擋層的膜厚在0到250埃的范圍內(nèi)的變化。 在具有相對高的導(dǎo)電率的金屬膜例如銅膜的情況下，甚至在低振蕩頻 率下也可以清楚地檢測膜厚的變化。此外，在上述頻率中間的振蕩頻 率可以適當(dāng)?shù)赜糜阪u膜。因此，希望根據(jù)被測膜的類型來選擇振蕩頻 率。
接下來，將說明來自阻抗型渦流傳感器10b中的拋光墊2的影響。 如圖1所示，通過掩埋在拋光臺1中的渦流傳感器10的傳感器線圈 100經(jīng)由拋光墊2來測量正在被拋光的形成在半導(dǎo)體晶片W表面上 的導(dǎo)電膜。為了測量通過拋光設(shè)備的拋光墊2來拋光的半導(dǎo)體晶片W 上的導(dǎo)電膜6的膜厚，形成在傳感器線圈100的上端和導(dǎo)電膜6之間 的間隙G (參見圖5)根據(jù)置于傳感器線圈100和導(dǎo)電膜6之間的拋 光墊2的厚度而變化。結(jié)果，如圖13所示，X和Y分量的弧形軌跡
根據(jù)通過具有厚度山、d2、 (13和山(山<(12<(13<(14)的拋光墊形成的間
隙G而變化。因此，為了基于X和Y分量的弧形軌跡精確地測量半 導(dǎo)體晶片W上的導(dǎo)電膜6的膜厚，必須利用具有各種厚度的拋光墊 來準(zhǔn)備關(guān)于晶片的膜厚的X和Y分量的測量信息?？梢栽诿看斡眯?的拋光墊來替換舊的拋光墊時準(zhǔn)備這種測量信息。在準(zhǔn)備測量信息之 后，測量導(dǎo)電膜6的膜厚。
24在X和Y分量的測量結(jié)果中，如圖13所示，針對不同的傳感器 線圈上端與導(dǎo)電膜之間的間隙G用線(ri、 i"2和r3)連接導(dǎo)電膜的相 同膜厚的X和Y分量的輸出值。線(n、 i"2禾卩r3)在交叉點(diǎn)(中心點(diǎn)) P彼此交叉。因此，可以從通過渦流傳感器的X和Y分量的測量結(jié) 果獲得中心點(diǎn)P。這些初步測量線rn (n=l、 2、 3…)中的每一條相 對于基準(zhǔn)線L (圖13中的水平線)以仰角e傾斜，其中所述基準(zhǔn)線L 穿過交叉點(diǎn)P并且Y分量為恒定值。仰角e取決于導(dǎo)電膜的膜厚。相應(yīng)地，即使用于對半導(dǎo)體晶片W的導(dǎo)電膜6進(jìn)行拋光的拋光 墊的厚度是未知的，也可以基于根據(jù)導(dǎo)電膜的膜厚先前已經(jīng)測量的仰角e的變化趨勢的相關(guān)性來計(jì)算導(dǎo)電膜的膜厚。具體地講，中心點(diǎn)p和具有導(dǎo)電膜6的X和Y分量的輸出值(測量結(jié)果)的點(diǎn)用實(shí)際測 量線rn連接起來。當(dāng)獲得實(shí)際測量線L相對于基準(zhǔn)線L的仰角e時，可以基于仰角e來計(jì)算導(dǎo)電膜6的膜厚。當(dāng)然，基準(zhǔn)線L可以是圖13中的X分量為恒定值的垂直線。接下來，將說明由仰角e計(jì)算膜厚的具體例子。例如，制備具有不同厚度的拋光墊以及在其上形成有不同膜厚的銅膜的樣品晶片。在 直角坐標(biāo)系中測量代表這些拋光墊和樣品的組合的點(diǎn)。例如，針對2mm的拋光墊厚度和2000埃的膜厚計(jì)算點(diǎn)(x,， y,)，并且針對3mm 的拋光墊厚度和2000埃的膜厚計(jì)算點(diǎn)(x2， y2)。然后，計(jì)算穿過這 些點(diǎn)的線。這條線用下面的等式(8)來代表。這條線具有仰角e,并 穿過針對2000埃的共同膜厚的點(diǎn)。",-^f^(H,) ……(8)同樣，針對2mm的拋光墊厚度和3000埃的膜厚計(jì)算點(diǎn)(x3， y3)， 并且針對3mm的拋光墊厚度和3000埃的膜厚計(jì)算點(diǎn)(X4， y4)。然 后，計(jì)算穿過這些點(diǎn)的線。這條線用下面的等式(9)表示。這條線 具有仰角62并穿過針對3000埃的共同膜厚的點(diǎn)。<formula>formula see original document page 26</formula> ……(9)具有不同傾角的這些線在中心點(diǎn)p相交。當(dāng)仰角e具有相同值時， 導(dǎo)電膜具有相同的膜厚，而與拋光墊厚度無關(guān)。通過以下等式(io) -(13)計(jì)算具有不同傾角的線的交叉點(diǎn)(中心點(diǎn))。
<formula>formula see original document page 26</formula> ...... (10)
<formula>formula see original document page 26</formula> ...... (11)
<formula>formula see original document page 26</formula>……(12)
<formula>formula see original document page 26</formula>……(13)
渦流傳感器的控制器106用于按照以下方式基于仰角e來測量膜
厚?？刂破?06計(jì)算對應(yīng)于導(dǎo)電膜類型的中心點(diǎn)p和對應(yīng)于導(dǎo)電膜的
膜厚的仰角e，并將中心點(diǎn)p和仰角e存儲在諸如存儲器的存儲器件 中。當(dāng)拋光設(shè)備工作時，控制器106基于實(shí)際測量線l的仰角e來計(jì)
算導(dǎo)電膜的膜厚，所述實(shí)際測量線rn將具有X和Y分類的輸出值的
點(diǎn)和存儲器中的中心點(diǎn)p互連起來。具體地講，渦流傳感器的控制器
106形成運(yùn)算單元，從而可以在拋光期間快速地測量半導(dǎo)體晶片w上
的導(dǎo)電膜6的膜厚。可以將用于計(jì)算中心點(diǎn)p和仰角e的信息存儲在 存儲器中，并且可以在每次測量時計(jì)算中心點(diǎn)p和仰角e。此外，可 以利用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表來校準(zhǔn)中心點(diǎn)，所述校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表包括厚度以及對應(yīng)
于膜厚的電阻分量(Xm)和電抗分量(Ym)。
即使將要利用渦流傳感器進(jìn)行測量的導(dǎo)電膜是由相同的材料構(gòu) 成的，導(dǎo)電膜的電阻率也會根據(jù)淀積條件例如淀積設(shè)備或淀積方法而稍微變化。如果導(dǎo)電膜具有不同的電阻率，則電阻分量(R)和電抗 分量(X)的輸出值在圖12中的這些輸出值的圓形軌跡上根據(jù)它們 的電阻率而變化。具體地講，當(dāng)電阻率具有小的變化值時，輸出值在 圓形軌跡上順時針移動。當(dāng)電阻率具有大的變化值時，輸出值在圓形 軌跡上逆時針移動。因而，根據(jù)由淀積條件變化引起的電阻率的變化 來預(yù)置校正系數(shù)。計(jì)算渦流傳感器的測量結(jié)果，并且通過校正系數(shù)進(jìn) 行校正以消除電阻率的變化。因此，可以精確地測量導(dǎo)電膜的膜厚。對于上述目的，渦流傳感器的控制器106 (參見圖1)用于消除 電阻率的變化。具體地講，預(yù)先獲得用于消除由淀積條件變化引起的 導(dǎo)電膜的電阻率變化的校正系數(shù)，并且將其存儲在諸如存儲器的存儲 器件中。當(dāng)測量導(dǎo)電膜的膜厚時，執(zhí)行諸如用存儲器中的校正系數(shù)乘 以X和Y分量的輸出值等處理，以便以高精度測量導(dǎo)電膜的膜厚。 因此，渦流傳感器的控制器106可以以高精度測量半導(dǎo)體晶片W上 的導(dǎo)電膜6的膜厚，同時不存在由淀積條件變化所引起的任何誤差。當(dāng)拋光阻擋層(例如，厚度大約為30nm的TaN膜)時，在測量 點(diǎn)在阻抗平面上移動時它們也許不形成一個圓形。甚至在這種情況 下，通過放大阻抗平面的一部分并且測量測量點(diǎn)的移動距離也可以獲 得膜厚的變化和膜厚的值。當(dāng)對作為半導(dǎo)體晶片的導(dǎo)電膜的銅層進(jìn)行拋光但是具有極小厚 度的TaN層(阻擋層)留在半導(dǎo)體晶片上時，在半導(dǎo)體晶片的硅材 料中產(chǎn)生的渦流可能大大地影響由渦流傳感器得到的X和Y分量的 測量結(jié)果。相應(yīng)地，為了精確地測量超薄阻擋層例如剩余TaN層的 膜厚而不受半導(dǎo)體晶片的硅材料的影響，必須從測量結(jié)果中除去由于 硅材料所造成的X和Y分量，以便只提取由于諸如TaN層的阻擋層 產(chǎn)生的坐標(biāo)變化。具體地講，通過渦流傳感器預(yù)先測量由于不具有淀 積在其上的導(dǎo)電膜的半導(dǎo)體晶片中的硅材料而產(chǎn)生的X和Y分量。 從渦流傳感器的測量結(jié)果中除去由于硅材料而產(chǎn)生的X和Y分量。因此，甚至在諸如TaN層的阻擋層保留在半導(dǎo)體晶片上的t青況下， 也可以以高精度測量阻擋層的膜厚。具體地講，可以消除在拋光期間 不變的來自硅材料的影響，并且可以在拋光期間在阻抗平面上以放大 狀態(tài)顯示由阻擋層的膜厚變化所引起的變化。
相應(yīng)地，在本實(shí)施例中，預(yù)先測量沒有導(dǎo)電膜的硅基板的X和Y 分量。渦流傳感器的控制器106 (參見圖1)進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)，以使X 和Y分量的輸出值與xy坐標(biāo)系中的x軸或y軸一致。為此，在xy
坐標(biāo)系(直角坐標(biāo)系)中計(jì)算用于進(jìn)行上述相位旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角e，并
且將其存儲在諸如存儲器的存儲器件中。
例如，當(dāng)測量保留在半導(dǎo)體晶片(硅基板)上的諸如TaN層的 阻擋層時，獲得由圖14A中的實(shí)線所示的軌跡。如圖14A所示，阻 擋層(TaN)的膜厚的變化極小。在這種情況下，將受到硅基板影響 的點(diǎn)P的坐標(biāo)輸入到具有轉(zhuǎn)換邏輯軟件的控制器106中，以便進(jìn)行坐 標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)移動。具體地講，如圖14B所示，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以便使硅基板 的阻抗分量與x軸或y軸一致。然后，如圖14C所示，在x方向和y 方向上只放大TaN的分量。由此，可以避免來自硅基板的阻抗分量 的影響并提高了檢測靈敏度。根據(jù)上述方法，在不用預(yù)先測量硅基板 的X和Y分量的情況下可以消除來自硅基板的阻抗分量的影響，并 且可以以放大方式只顯示阻擋層的阻抗的變化。
具體地講，首先進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)和偏移量調(diào)整(平行位移)，然后 轉(zhuǎn)變坐標(biāo)系，如圖14B所示。因此，通過相位角的旋轉(zhuǎn)可以消除硅基 板的X和Y分量。接著，如圖14C所示，在y方向上進(jìn)行擴(kuò)展，以 便以方夂大方式只顯示阻擋層的分量，從而可以以高精度檢測阻擋層的 膜厚。這樣，這種方法采用相位旋轉(zhuǎn)和擴(kuò)展來測量基板上的導(dǎo)電膜的 膜厚。
更具體地講，渦流傳感器的控制器106用于消除受到硅影響的坐 標(biāo)分量并擴(kuò)展與諸如超薄阻擋層的導(dǎo)電膜6的膜厚對應(yīng)的坐標(biāo)分量，以便精確地測量導(dǎo)電膜的膜厚。在本例中，對來自渦流傳感器的結(jié)果 進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)。然而，可以通過從包括阻擋層的結(jié)果中減去只包括硅的結(jié)果的X和Y分量，來只提取和輸出阻擋層的靈敏度。此外，相對于從傳感器線圈100到半導(dǎo)體晶片(導(dǎo)電膜)的距離， 如果固定半導(dǎo)體晶片的頂環(huán)3中的諸如不銹金屬材料的導(dǎo)電材料位 于傳感器線圈100附近，則由于頂環(huán)3的導(dǎo)電材料而產(chǎn)生的X和Y 分量可能影響輸出值。因而，希望固定半導(dǎo)體晶片的頂環(huán)3中的諸如 不銹金屬材料的導(dǎo)電材料遠(yuǎn)離傳感器線圈100，從而使頂環(huán)3不影響 來自渦流傳感器的X和Y分量的輸出值(在半導(dǎo)體晶片的導(dǎo)電膜中 產(chǎn)生的渦流)。優(yōu)選地，導(dǎo)電材料可以離傳感器線圈100至少10mm。 在這種情況下，可以將來自頂環(huán)3中的不銹金屬材料的影響基本上減 小到可忽略的程度。當(dāng)頂環(huán)中的導(dǎo)電材料有影響時，上述相位旋轉(zhuǎn)可 以將該影響減小到可忽略的程度。渦流傳感器的校準(zhǔn)可以如下進(jìn)行。對參考晶片的導(dǎo)電膜進(jìn)行拋 光，并測量參考晶片的膜厚。調(diào)節(jié)主放大器104的相位、增益和偏移 量并在主放大器104中進(jìn)行反轉(zhuǎn)(inversion),從而使圖12中的電阻 分量(R)和電抗分量(X)的圓形軌跡中的基準(zhǔn)點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)是固定 不變的，其中在所述基準(zhǔn)點(diǎn)開始測量，在所述結(jié)束點(diǎn)除去導(dǎo)電膜。因 此，可以消除渦流傳感器的個體差異的影響并精確地檢測導(dǎo)電膜的膜 厚的變化。渦流傳感器的控制器106在拋光過程中可以快速地進(jìn)行導(dǎo)電膜 的膜厚測量。如果需要在預(yù)定膜厚切換拋光模式，則可以將前置放大 器或主放大器預(yù)先設(shè)定在一定范圍內(nèi)，使得可以在埃的數(shù)量級上測量 膜厚，以便進(jìn)行精確的膜厚測量。例如，在大約300埃切換拋光模式 的情況下，當(dāng)拋光厚度至少為大約300埃的Cu層或W層時可以將前 置放大器或主放大器配置成使測量結(jié)果超出可測量的范圍(即，處于 飽和狀態(tài))。當(dāng)Cu層或W層具有小于大約300埃的厚度時可以將前置放大器或主放大器配置成其具有線性的放大度。
具體地講，可以將前置放大器或主放大器配置成具有以下特性， 在大于預(yù)定膜厚時信號飽和而在小于預(yù)定膜厚時信號改變。因此，可 以在預(yù)定膜厚切換工藝。此時，拋光外形具有陡峭的形狀，并且由于
微分值(differential value)的設(shè)置的寬度增寬而便于設(shè)置。例如，當(dāng) 在預(yù)定膜厚T,切換拋光工藝時，如圖15A所示，將放大器的增益預(yù) 先設(shè)置成在膜厚T,時飽和，如圖15B所示。這樣，如圖15C所示， 可以在膜厚T,以下獲得基本恒定的輸出。在膜厚T,時輸出開始明顯 下降。如圖15D所示，在時間微分的底部檢測t2，從而在拋光期間可 以清楚地檢測預(yù)定膜厚T,。
基于上述測量結(jié)果，渦流傳感器的控制器106將工作模式從上述 的膜厚測量切換到針對阻擋層的膜厚測量，其采用了相位旋轉(zhuǎn)和擴(kuò) 展。因此，可以進(jìn)行具有高精度的拋光工藝。在這種工作模式下，通 過切換振蕩頻率或放大度可以可靠地檢測具有小膜厚的阻擋層的存 在，從而可以適當(dāng)?shù)卮_定拋光工藝的結(jié)束點(diǎn)。此外，在拋光鎢膜、銅 膜等的情況下，可以通過在預(yù)定膜厚時將拋光工藝從高壓拋光工藝切 換到低壓拋光工藝來防止拋光過程中的凹陷或腐蝕。
在具有低電阻(例如，0.01到0.03Q.cm的電阻率)的基板的情 況下，例如鵒處理等，由于基板的電阻變化而降低了膜厚測量的精度。 如果形成在基板上的金屬膜的電阻率和膜厚相同，則按照阻抗坐標(biāo)的 軌跡曲線中的弧長是恒定的，與基板的電阻無關(guān)。例如，根據(jù)用于校 準(zhǔn)的基板的電阻、金屬膜的厚度、和膜厚的變化在阻抗曲線上預(yù)先測 量測量點(diǎn)的移動(移動距離)。接著，可以基于當(dāng)拋光基板時獲得的 拋光開始點(diǎn)與阻抗曲線上的弧中的當(dāng)前點(diǎn)之間的距離來計(jì)算實(shí)際基 板的膜厚。希望用于校準(zhǔn)的基板的金屬材料與實(shí)際基板的導(dǎo)電材料是 相同的材料。具體地將，即使基板具有低電阻率或其是通過不穩(wěn)定材 料形成的，通過預(yù)先計(jì)算各種金屬的膜厚和弧中的測量點(diǎn)的位置，也可以適當(dāng)?shù)赜?jì)算導(dǎo)電膜的膜厚的變化。下面將說明在具有低電阻的基板的情況下使用弧長的方法，在具 有相對低導(dǎo)電率的膜的膜厚測量中，這種方法是適用的。從拋光數(shù)據(jù)的x、 y和z計(jì)算阻抗平面上的軌跡，并且其可以用于拋光工藝的結(jié) 束點(diǎn)的檢測。然而，如果坐標(biāo)軸中的絕對值用作用于結(jié)束點(diǎn)檢測的信 號，則因?yàn)闇y量點(diǎn)由于下層硅基板的影響而在相應(yīng)的拋光工藝中變 化，所以不能獲得高靈敏度。從這一觀點(diǎn)來看，測量了拋光軌跡從拋 光開始點(diǎn)(t=0)時的坐標(biāo)(Xo， Y。)到拋光時間t之后的坐標(biāo)位置 (Xp， Yp)的長度。由于這種方法采用測量弧長，因此即使拋光軌跡 在阻抗平面上移動，也可以總是獲得來自拋光開始點(diǎn)的變化的絕對 值。因而，可以提高測量靈敏度。圖16A和16B示出采用測量弧長的方法的例子。圖16A示出阻 抗平面上的弧長，圖16B示出下層硅基板具有不同導(dǎo)電率時的弧長C 和D。例如，當(dāng)拋光臺以60min"的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，每次旋轉(zhuǎn)即每一秒 鐘傳感器線圈穿過基板的預(yù)定區(qū)域，并且獲得預(yù)定區(qū)域上的數(shù)據(jù)。因 此，獲得在1=0時的坐標(biāo)(Xo， Yo)、在t,時的坐標(biāo)(Xp Y,)、以及 在b時的坐標(biāo)(Xp Y2)?；谶@些數(shù)據(jù)，獲得1=0時的點(diǎn)與1=^時 的點(diǎn)之間的弧長L,。同樣，獲得從t,到t2的弧長L2，以及獲得從t2到t3的弧長L3。下面將說明在使用具有不同電阻率的低電阻基板作為硅基板的 情況下鎢膜的膜厚的測量。在這種情況下，如果硅基板具有相同的電 阻率，則在拋光期間阻抗軌跡具有阻抗平面上的弧形的形式。即使具 有不同電阻率的低電阻基板用作硅基板，當(dāng)W膜的膜厚具有相同的 變化量時，阻抗軌跡處在相同長度的相同弧上。例如，如圖16B所示，當(dāng)對厚度為3000埃的W膜進(jìn)行拋光時， 其中下層硅基板具有0.03&cm的電阻率的弧C具有與其中下層硅基 板具有O.OlQ.cm的電阻率的弧D相同的長度。在從阻抗坐標(biāo)上的半圓形的中心看到的旋轉(zhuǎn)角之間存在差異，這是因?yàn)槭艿较聦庸杌宓?電阻率的影響。相應(yīng)地，通過如上所述的具有己知電阻率的基板上的 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)角之間的差異。因此，可以計(jì)算形成在包括具有
未知電阻率的下層硅基板的基板上的w膜的膜厚。
根據(jù)如上所述的具有渦流傳感器的拋光設(shè)備，可以相隔很短的時 間就在半導(dǎo)體晶片的整個表面上進(jìn)行膜厚測量，以檢測拋光工藝的結(jié)
束點(diǎn)。此外，由于可以檢測諸如Ta、 TaN、 TiN、或Ti的阻擋層的結(jié) 束點(diǎn)，因此可以以極高的精度來檢測拋光工藝的結(jié)束點(diǎn)。此時，即使 在拋光工藝的最后階段產(chǎn)生導(dǎo)電膜的小片殘留物(局部殘留物)，根 據(jù)本發(fā)明的渦流傳感器也可以檢測直徑至少為5mm的小片殘留物。 因此，在拋光工藝過程中可以可靠地拋光和除去小片殘留物。此外， 甚至在半導(dǎo)體晶片具有由導(dǎo)電材料制成的多層互連的情況下，渦流傳 感器也可以可靠地檢測導(dǎo)電膜，只要互連的密度不大于90%即可。
希望設(shè)置包括LPF、 BPF、 HPF、和陷波濾波器的各種濾波器的 截止頻率，以便在測量拋光臺的轉(zhuǎn)矩電流、通過渦流測量金屬膜的阻 抗變化、通過光學(xué)監(jiān)測器測量氧化物膜的膜厚變化、通過微波測量金 屬膜或氧化物膜的膜厚信號的變化等之后，通過信號再生分析噪聲分 量并除去噪聲分量。例如，當(dāng)將渦流傳感器中的LPF的截止頻率設(shè) 置在0.1到lkHz的范圍內(nèi)時，可以除去在該傳感器中產(chǎn)生的噪聲分 量，從而通過精確信號檢測來精確地檢測特征點(diǎn)。
例如，當(dāng)通過電解拋光或化學(xué)機(jī)械拋光除去金屬膜時，可以根據(jù) 由渦流傳感器所測量到的絕對膜厚利用閉合回路來控制頂環(huán)擠壓拋 光墊的壓力、拋光臺的溫度、拋光臺和頂環(huán)的轉(zhuǎn)速等，以便控制拋光 工藝中的拋光速度和晶片內(nèi)的均勻性。
此外，渦流傳感器可用于拋光預(yù)測或預(yù)防性的維護(hù)。例如，每隔 預(yù)定的時間對從被拋光晶片獲得的渦流傳感器的阻抗特性進(jìn)行測量。 基于阻抗特性和模型數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，來進(jìn)行拋光預(yù)測，以便預(yù)測獲得與拋光工藝結(jié)束點(diǎn)的模型數(shù)據(jù)相對應(yīng)的阻抗特性所需要的剩余時間。這樣，與CMP設(shè)備中的拋光臺的旋轉(zhuǎn)無關(guān)，可以以比使拋光 臺回轉(zhuǎn)一次所需的時間更短的間隔檢測拋光結(jié)束點(diǎn)。此外，可以在初 期預(yù)測到拋光結(jié)束點(diǎn)的剩余時間。相應(yīng)地，由于可以檢測拋光工藝的 進(jìn)程，因此可以快速地處理在拋光期間出現(xiàn)的反常情況。還可以利用根據(jù)本發(fā)明的渦流傳感器通過阻抗分析來檢測用于 處理用來拋光的漿料或廢液的工藝的結(jié)束點(diǎn)。例如，將頻率為2、 8、 20、和160MHz的電磁波、以及頻率為30到300GHz的微波施加到 拋光墊上的漿料、在拋光工藝期間已經(jīng)被釋放的漿料排放管道中的漿 料、或者漿料排放槽中的漿料。檢測去磁場、反射幅度和反射的阻抗 變化。然后，對拋光之前的標(biāo)準(zhǔn)阻抗、相對值和絕對值求平均值。因 此，可以從平均值的時間微分的變化來檢測拋光結(jié)束點(diǎn)。此外，在諸 如電解電鍍或化學(xué)鍍的淀積工藝、或者諸如(超純水)電解拋光或電 化學(xué)拋光的拋光工藝中，可以連續(xù)監(jiān)測電鍍液的廢液、電解質(zhì)、超純 水等的阻抗變化，以檢測淀積工藝或拋光工藝的結(jié)束點(diǎn)。此外，可以通過信號的積分處理來確定反常情況。具體地講，渦 流傳感器或微波傳感器的阻抗的積分值等于傳感器的阻抗從拋光開 始點(diǎn)的時間積分值。對阻抗T (x)、 T (y)、和T (z)以及通過傳感 器檢測到的膜厚進(jìn)行從拋光開始時間to到當(dāng)前時間t的積分，以計(jì)算 信號積分值St(f)。具體地講，計(jì)算從拋光開始時間到當(dāng)前時間的信 號積分值St (f)。計(jì)算信號積分值St (f)與預(yù)先計(jì)算的從參考晶片 的拋光開始時間到拋光結(jié)束點(diǎn)的信號積分值So (f)的比值。可以使 用該比值來檢測拋光結(jié)束點(diǎn)或拋光情況中的反常情況。在檢測拋光(工藝)結(jié)束點(diǎn)的方法中，可以在渦流傳感器或微波 傳感器中進(jìn)行邊緣切割處理，其中在所述拋光(工藝)結(jié)束點(diǎn)將導(dǎo)電 膜從晶片上除去。具體地講，將半導(dǎo)體晶片分為多個區(qū)域(N個區(qū))， 例如五個區(qū)。在渦流傳感器中，為每個區(qū)獲得阻抗的X和Y分量、相位e、合成阻抗z、頻率F、和由其轉(zhuǎn)換而來的膜厚值。在微波傳 感器中，為每個區(qū)獲得反射信號和傳輸信號。當(dāng)從各個區(qū)上的數(shù)據(jù)獲 得的值(確定值)高于預(yù)定值或低于預(yù)定值時，檢測拋光(工藝)結(jié) 束點(diǎn)。例如，這種結(jié)束點(diǎn)檢測可以采用包括最佳區(qū)上的數(shù)據(jù)的單值、
所有N個區(qū)上的數(shù)據(jù)的平均值、N個區(qū)的期望組合上的數(shù)據(jù)的平均
值、有效值、數(shù)據(jù)的一階時間導(dǎo)數(shù)、數(shù)據(jù)的二階時間導(dǎo)數(shù)以及數(shù)據(jù)的n階時間導(dǎo)數(shù)的確定值。
此外，為了基于參考時間來檢測完全除去金屬膜的結(jié)束點(diǎn)，所述 參考時間是從傳感器信號計(jì)算得來的，利用系數(shù)對參考時間進(jìn)行算術(shù) 運(yùn)算，以計(jì)算額外的拋光時間段。將額外的拋光時間段加到參考時間 上，以獲得拋光結(jié)束點(diǎn)。這樣，可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)置拋光結(jié)束點(diǎn)。
例如，如圖17所示，當(dāng)將傳感器線圈100設(shè)置在由諸如SiC的 陶瓷(絕緣材料)制成的拋光臺1內(nèi)時，通過傳感器線圈100產(chǎn)生磁 通MF，以便在位于拋光臺1上方的檢測空間中形成大的通路(磁路)。 因此，可以有效地在通過拋光臺1上的拋光墊(拋光表面)所拋光的 半導(dǎo)體晶片W上的導(dǎo)電膜6中產(chǎn)生渦流。
然而，如圖18所示，如果渦流傳感器的傳感器線圈100掩埋在 由諸如不銹鋼的導(dǎo)電材料制成的拋光臺1內(nèi)，則由傳感器線圈100產(chǎn) 生的磁通在拋光臺1中產(chǎn)生渦流，以便降低向外發(fā)射的磁通的強(qiáng)度。 在這種情況下，由于到達(dá)半導(dǎo)體晶片W的磁通MF減少，因此減弱 了在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生的渦流的信號。相應(yīng)地，不能檢測到在導(dǎo)電膜中產(chǎn) 生的渦流，要不然就要求傳感器線圈100具有極高的靈敏度。
因而，不希望在渦流傳感器的傳感器線圈附近設(shè)置待測導(dǎo)電材料 以外的導(dǎo)電材料(在安裝環(huán)境中)。然而，例如，不銹鋼材料可以適 用于拋光臺的材料，在該拋光臺中掩埋傳感器線圈。具體地講，盡管 具有高導(dǎo)熱率的陶瓷材料例如SiC或氧化鋁(A1203)已經(jīng)廣泛地用 作拋光臺的材料，但是不銹鋼材料可以降低制造成本。當(dāng)SiC用作拋光臺的材料時， 一般通過流過拋光臺的冷卻水來控制拋光臺的溫度。 例如，氧化物膜不會受到溫度的影響。因而，當(dāng)對氧化物膜進(jìn)行拋光 時，不銹鋼材料可以用作拋光臺的材料而不用溫度控制。然而，不銹鋼材料是導(dǎo)電的。當(dāng)渦流傳感器形成交變磁場時，在不銹鋼材料內(nèi)產(chǎn)生渦流，使得發(fā)射到半導(dǎo)體晶片w上的導(dǎo)電膜的磁通有害地減小。在這種情況下，希望用于在被測導(dǎo)電膜中產(chǎn)生渦流的 磁通較少地受到傳感器線圈的安裝環(huán)境的影響。具體地講，即使傳感 器線圈的安裝環(huán)境包括諸如不銹鋼材料的導(dǎo)電材料，渦流傳感器也應(yīng) 該優(yōu)選具有高靈敏度。圖19示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的傳感器線圈100。將傳感器 線圈100設(shè)置在由具有高導(dǎo)磁率的材料制成的圓柱形外殼200中。如 上所述，當(dāng)拋光設(shè)備通過拋光墊對半導(dǎo)體晶片W的導(dǎo)電膜6進(jìn)行拋 光時，將傳感器線圈100設(shè)置在由諸如不銹鋼材料的導(dǎo)電材料制成的 拋光臺1中，以便測量導(dǎo)電膜6的膜厚。外殼200由諸如鐵氧體，非晶材料、透磁合金、超導(dǎo)磁合金或高 導(dǎo)磁率合金(Mumetal)的具有高導(dǎo)磁率的材料制成。例如，外殼200 的相對磁導(dǎo)率u是50。因此，通過外殼200的磁通量可以是通過位 于傳感器線圈周圍的空氣的磁通量的50倍。換言之，外殼200可以 以電絕緣材料例如設(shè)置在傳感器線圈100周圍的陶瓷材料的五十分 之一 的厚度而使等效磁通量通過。利用圖19所示的設(shè)置，將電流輸送給設(shè)置在外殼200內(nèi)的傳感 器線圈IOO的空心線圈，以產(chǎn)生磁通MF。如圖19所示，即使當(dāng)拋 光臺1由諸如不銹鋼(SUS)材料的導(dǎo)電材料制成時，也不會由于磁 通MF而在拋光臺1中產(chǎn)生渦流。因此，測量所需的磁通MF的通路 (磁路)不會減少，這與圖18所示的例子不同。因而，可以保持磁 通MF的通路(磁路)，以便有效地在半導(dǎo)體晶片W的導(dǎo)電膜6中產(chǎn) 生渦流。具體地講，外殼200用作防止由傳感器線圈IOO的空心線圈35產(chǎn)生的磁通MF穿過導(dǎo)電材料的拋光臺1并將磁通MF擴(kuò)展到半導(dǎo)體 晶片W上的檢測空間中的路徑。因此，磁通MF可以在被測導(dǎo)電膜6 中產(chǎn)生大量的渦流。
例如，在圖20中，方塊代表拋光臺1是由諸如不銹鋼(SUS) 材料的導(dǎo)電材料制成的情況，而菱形代表拋光臺1是由諸如SiC的陶 瓷材料(絕緣材料)制成的情況。如圖20所示，即使在拋光臺1是 由導(dǎo)電材料制成的情況下，也可以基本上保持與拋光臺1是由陶瓷材 料制成的情況相同的靈敏度。具體地講，可以獲得測量靈敏度，從而 從傳感器線圈看到的X和Y分量的輸出值在直角坐標(biāo)系中的相似的 圓形軌跡上改變。阻抗由包括電阻分量和電抗分量的復(fù)數(shù)表示。將從 傳感器線圈看到的阻抗作為X分量以及Y分量來進(jìn)行檢測，其中所 述X分量是余弦同步檢測的輸出值，所述Y分量是正弦同步檢測的 輸出值。X分量對應(yīng)電阻分量，Y分量對應(yīng)電抗分量。
圖21示出圖18所示的渦流傳感器的靈敏度與圖17所示的渦流 傳感器的靈敏度的對比曲線。具體地講，菱形代表圖17所示的拋光 臺1是由諸如SiC的陶瓷材料(絕緣材料)制成的情況，而方塊代表 圖18所示的拋光臺1是由諸如不銹鋼(SUS)材料的導(dǎo)電材料制成 的情況。如從圖21可以看出的那樣，在圖17所示的情況下通過足量 的磁通在導(dǎo)電膜中產(chǎn)生足量的渦流。另一方面，由于不足的磁通量而 在導(dǎo)電膜中沒有產(chǎn)生足量的渦流。在根據(jù)本實(shí)施例的渦流傳感器中， 由于將傳感器線圈100設(shè)置在具有高導(dǎo)磁率的圓柱形外殼200中，因 此可以實(shí)現(xiàn)如圖19所示的磁通量分布。因此，即使當(dāng)拋光臺由諸如 不銹鋼(SUS)材料的導(dǎo)電材料制成時，渦流傳感器也可以具有與拋 光臺是由諸如SiC或氧化鋁(A1203)的陶瓷材料(絕緣材料)制成 的情況基本相同的靈敏度。這種具有高導(dǎo)磁率的材料包括鐵氧體、非 晶材料、透磁合金、超導(dǎo)磁合金和高導(dǎo)磁率合金。
這樣，如圖20和21所示，即使當(dāng)出于設(shè)計(jì)目的而使拋光臺l由諸如不銹鋼材料的導(dǎo)電材料制成時，與拋光臺是由諸如SiC的陶瓷材 料制成的情況相比，根據(jù)本實(shí)施例的渦流傳感器也可以防止X和Y 分量的輸出值的下降以及靈敏度的急劇下降。在本實(shí)施例中，將傳感器線圈100設(shè)置在具有高導(dǎo)磁率的圓柱形 外殼200中，并且將外殼200掩埋在拋光臺1中。然而，如圖22所 示，可以將諸如SiC的陶瓷材料(絕緣部件)200a掩埋在磁通MF 的通路范圍內(nèi)，以在半導(dǎo)體晶片W的導(dǎo)電膜6中產(chǎn)生有效的渦流。 在這種情況下，由傳感器線圈IOO的空心線圈產(chǎn)生的磁通MF沒有在 由諸如不銹鋼材料的導(dǎo)電材料制成的拋光臺中產(chǎn)生無用的渦流。這 樣，可以在被測導(dǎo)電膜6中產(chǎn)生大量渦流?？紤]到成本等問題，這種 結(jié)構(gòu)與整個拋光臺是由陶瓷材料制成的情況相比具有更少的設(shè)計(jì)限 制。在上述實(shí)施例中，通過固定在拋光臺上的拋光墊對形成在半導(dǎo)體 晶片上的導(dǎo)電膜進(jìn)行拋光。然而，本發(fā)明還可應(yīng)用于在刻蝕工藝、電 解拋光工藝、電化學(xué)拋光工藝、以及超純水電解工藝中利用導(dǎo)電膜的 膜厚測量進(jìn)行的工藝控制。此外，利用導(dǎo)電膜的膜厚測量進(jìn)行的工藝 控制不僅可以用于除去導(dǎo)電膜，而且還可以用于淀積導(dǎo)電膜。圖23示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的拋光設(shè)備。圖23所示的拋光 設(shè)備具有帶式的拋光墊41、用于旋轉(zhuǎn)拋光墊41的巻軸42和43、以 及用于旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體并使半導(dǎo)體晶片擠壓拋光墊41的頂環(huán)(固定裝置) 45。半導(dǎo)體晶片的表面與拋光墊41 (拋光表面)形成滑動接觸。這 樣，對半導(dǎo)體晶片的表面進(jìn)行拋光。該拋光設(shè)備具有設(shè)置在頂環(huán)45 正下方的支架46。將根據(jù)本發(fā)明的渦流傳感器掩埋在支架46中，以 監(jiān)測半導(dǎo)體晶片的表面情況。此外，根據(jù)本發(fā)明的渦流傳感器不僅可以用在拋光設(shè)備中，而且 還可以用在各種基板處理設(shè)備中。例如，用于在基板的表面上電鍍膜 的電鍍設(shè)備可以包括根據(jù)本發(fā)明的渦流傳感器。圖24示出具有根據(jù)本發(fā)明的渦流傳感器的電鍍設(shè)備的例子。該電鍍設(shè)備用于在半導(dǎo)體晶
片W上淀積金屬鍍膜并具有在其中容納電鍍液的電鍍槽51 、用于在 電鍍槽51中固定半導(dǎo)體晶片W的固定器52、以及設(shè)置成面對半導(dǎo) 體晶片W的陽極55。將渦流傳感器的傳感器線圈100設(shè)置在固定器 52內(nèi)并將其連接到控制器53。控制器53包括AC信號源和用于檢測 淀積在半導(dǎo)體晶片上的金屬鍍膜的膜厚的同步檢測電路。這樣，可以 以非接觸方式可靠地獲得鍍膜的淀積情況。
本發(fā)明不限于上述實(shí)施例。例如，拋光設(shè)備中的基板固定裝置和 渦流傳感器不限于所示例子。盡管已經(jīng)詳細(xì)地示出和說明了本發(fā)明的 某些優(yōu)選實(shí)施例，但是應(yīng)該理解的是可以在不脫離所附權(quán)利要求書的 范圍的情況下進(jìn)行各種改變和修改。
工業(yè)實(shí)用性
本發(fā)明適合用于渦流傳感器，該渦流傳感器適用于檢測形成在諸 如半導(dǎo)體晶片的基板的表面上的導(dǎo)電膜的厚度。
權(quán)利要求
1、一種渦流傳感器，包括空心的傳感器線圈，設(shè)置在具有多個區(qū)的基板附近，并被容納在高導(dǎo)磁率材料制成的外殼中；信號源，被配置用于為所述傳感器線圈提供AC信號，以在所述基板中產(chǎn)生渦流；檢測電路，被配置用于獲得關(guān)于在所述基板的所述多個區(qū)中產(chǎn)生的所述渦流的信號數(shù)據(jù)；以及控制器，被配置用于基于該信號數(shù)據(jù)來檢測工藝的結(jié)束點(diǎn)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦流傳感器，其中所述控制器被配置用于采用包括關(guān)于所述多個區(qū)中的最佳區(qū)的信號數(shù)據(jù)值、關(guān)于所述多 個區(qū)的所述信號數(shù)據(jù)的平均值、關(guān)于所述多個區(qū)的期望組合的所述信 號數(shù)據(jù)的平均值、有效值、所述信號數(shù)據(jù)的一階時間導(dǎo)數(shù)、所述信號數(shù)據(jù)的二階時間導(dǎo)數(shù)和所述信號數(shù)據(jù)的n階時間導(dǎo)數(shù)的確定值，并且 將該確定值與預(yù)定值進(jìn)行比較，以檢測所述工藝的所述結(jié)束點(diǎn)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦流傳感器，其中所述控制器被配置 用于對所述信號數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣切割處理，其中所述信號數(shù)據(jù)包括阻抗的X和Y分量、相位e、合成阻抗Z、 頻率F和由其轉(zhuǎn)換的膜厚值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦流傳感器，其中所述控制器被配置 用于利用系數(shù)對從所述信號數(shù)據(jù)計(jì)算得來的參考時間進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算， 以計(jì)算額外的工藝時間段，并將所述額外的工藝時間段加到所述參考 時間上，以便檢測所述工藝的所述結(jié)束點(diǎn)。
5、 一種基板處理設(shè)備，包括 處理裝置，用于對基板進(jìn)行處理；以及 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的渦流傳感器。
6、 一種拋光設(shè)備，包括 拋光表面；基板固定裝置，被配置用于固定基板并使所述基板緊壓住所述拋 光表面；以及根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的渦流傳感器。
7、 一種基板淀積設(shè)備，包括基板淀積裝置，被配置用于在基板上淀積導(dǎo)電膜；以及 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的渦流傳感器。
全文摘要
一種渦流傳感器，包括空心的傳感器線圈，設(shè)置在具有多個區(qū)的基板附近，并被容納在高導(dǎo)磁率材料的外殼中；信號源，被配置用于為該傳感器線圈提供AC信號，以在該基板中產(chǎn)生渦流；檢測電路，被配置用于獲得關(guān)于在該基板的所述多個區(qū)中產(chǎn)生的渦流的信號數(shù)據(jù)；以及控制器，被配置用于基于該信號數(shù)據(jù)來檢測工藝的結(jié)束點(diǎn)。
文檔編號G01B7/00GK101329157SQ20081013402
公開日2008年12月24日 申請日期2004年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月20日
發(fā)明者多田光男, 須藤康成 申請人:株式會社荏原制作所