[发明专利]通过耦合涡流传感器测量薄膜厚度的方法和设备

说明书

本申请是提交于2004年12月6日，申请号为“200480042104.3”，题为“通过 耦合涡流传感器测量薄膜厚度的方法和设备”的申请的分案申请。

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。