[发明专利]基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体晶圆的化学机械抛光设备上的光学干涉法膜厚检测 装置技术领域。

背景技术

在半导体器件加工中，需要执行CMP操作去除加工缺陷来得到高的平面 度。抛光前需对晶圆表面膜层状况有一定了解以确定抛光参数；抛光后要了 解抛光状况以确定下一步抛光工艺。但目前已有的膜厚检测装置存在以下缺 点：1.在机械结构上采用固定光源，然后在X-Y方向移动盛片台来确定检 测点，其缺点为不容易检测同心圆上的点，故不能较好地对采用区域压力控 制后的晶圆进行检测，且布点比较麻烦。2.数据检测运算采用乘法器和低 通滤波器等硬件电路实现，精度低，灵活性差。国外激光干涉法在线检测为 短波干涉，本发明采用长波干涉。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚检测 装置，采用该发明装置能够对晶圆的表面进行多点检测从而了解晶圆表面 膜层的厚度和分布情况，以确定下一步抛光过程的工艺参数，从而完善了抛 光工艺过程，提高产品质量。

本发明的主要技术方案是：一种基于红外光学干涉法的半导体晶圆膜厚 检测装置，包括晶圆承载移动机构、激光器总成和数据检测控制电路，其特 征在于所述的激光器总成为位置可移动式激光器总成，晶圆承载移动机构为 晶圆承载转动机构。

所述的位置可移动式激光器总成的结构具有激光器光源相对于晶圆的 Z轴及X轴的调整移动机构，X轴的调整移动机构的结构为：伺服电机通过 丝杠激光器承载机构连接；Z轴的调整移动机构的结构为：设有可上下调节 的滑台及滑道；接收臂和可调节其角度使红外摄像头与红外激光信号可视的 自锁减速箱及旋转手轮相连；发射端与接收端同心旋转式连接。

所述的位置可移动式激光器总成中设有用于记录校准后的位置的编码 器。

所述的晶圆承载转动机构的结构为：伺服电机11通过涡轮蜗杆减速器 和皮带轮和盛片转台连接。

所述的晶圆承载转动机构上设有晶圆真空吸附机构。

所述的晶圆真空吸附机构的结构为：晶圆盛片转台表面开有圈环形凹槽 的，该凹槽通过晶圆承载转盘轴中的孔和真空机连通。

上述的数据检测控制电路结构可为(参考图7)：具有光敏二极管接收 器、前置放大电路和滤波电路、测量数据采集卡和数据处理器；其中光敏二 极管置于接收端上的准直透镜末端接受干涉后的光信号，另一端通过电缆与 放大电路相连把电流信号转换为放大的电压信号，放大电路的输出端连接一 个有源带通滤波器电路，对放大后的电压信号进行滤波处理隔绝低频和高频 干扰；滤波器输出端连接数据采集卡，可根据需要设定采集数据频率，采集 到的数据经数据处理器处理后转变为实验数据储存。

所述的放大电路和滤波电路的结构为：放大电路为二级放大，第一级放 大100000倍，第二级可根据需要选择性放大5.1-47倍；滤波电路为有源带 通滤波器；通过调节RC原件的值来调节通过频率。结构如图8、图9。

所述的位置可移动式激光器总成中的激光器可采用1310nm单模光纤激 光二极管，接收器采用光电二极管，激光器与接收器分别连接到发射臂上的 准直透镜和接收臂上的准直透镜上；信号发生器产生的频率信号控制激光器 发射光信号，此光信号经光缆传输后经准直透镜聚焦照射到晶圆表面，经晶 圆表面的干涉后进入接收端上的准直透镜，经准直透镜汇聚到接收光电二极 管，光电二极管把光信号转变为电流信号，电流信号经放大滤波后经数据采 集卡采集后又经数据处理器处理作为实验数据保存；放大器采用二极放大， 其中第一级的电流信号经一个100k的电阻被放大为100000倍的电压信号， 第二级放大可以根据需要选择连通5.1倍、10倍、20倍、和47倍；滤波电 路为模拟有源带通滤波器，隔绝低频噪音和高频干扰。

所述的红外激光发生器产生的光信号(如图10)可经立方棱镜平均分 为两路，一路照射到晶圆上作为测量光束，另外一路作为对比光束；测量光 束经晶圆反射后进入接收端的光敏二极管，对比光束直接进入用于接收对比 信号的光敏二极管；以对比光束产生的信号作为基准可以消除由于激光光源 不稳定造成的测量误差。