多点测量晶圆表面铜层厚度的在线计算方法与流程

本发明涉及金属膜厚测量技术领域，特别涉及一种多点测量晶圆表面铜层厚度的在线计算方法。

背景技术：

在集成电路制造过程中，CMP(Chemical Mechanical Planarization，化学机械平坦化)技术是当今最有效的全局平坦化方法，并已成为集成电路制造的核心技术之一。其中，对于CMP工艺，需要严格控制材料的去除量，以避免晶圆“过抛”或者“欠抛”等情况的发生。对铜CMP工艺，在铜CMP工艺过程后，为了全面分析本次工艺结果，迫切需要对晶圆表面剩余铜层厚度进行准确有效的测量，进而为后续的工艺参数优化提供可靠依据。因此，如何对晶圆表面剩余铜层厚度进行准确有效的测量十分重要。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种多点测量晶圆表面铜层厚度的在线计算方法，该方法可以多点测量晶圆铜层厚度，准确可靠。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种多点测量晶圆表面铜层厚度的在线计算方法，包括以下步骤：根据XY模式和全局模式，分别定义两组二维变量，其中，每组变量含二维数组A、二维数组B和二维数组C，分别保存原始连续采样信号值、每测量段的采样点数和厚度计算值；将每个测量点所在局部测量区间内的所有采样点的平均值作为该测量点的输出值，并补偿每段测量半径或者测量圆的第1测量点和最后1测量点的采样点数；通过多点标定算法利用预设的标定表进行厚度值计算；在厚度值计算结束后，将全部计算结果顺次与各测量点坐标一一匹配，并将测量结果输出到指定文件中。

本发明实施例的多点测量晶圆表面铜层厚度的在线计算方法，可以通过变量定义，并且对输出值进行预处理，进而通过多点标定算法进行厚度值计算，从而可以多点测量晶圆铜层厚度，实现对晶圆表面铜层厚度准确有效的计算，进而为后续的工艺参数优化提供可靠依据，提高了测量的准确度。

另外，根据本发明上述实施例的晶圆表面铜层厚度的检测方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述保存原始连续采样信号值、每测量段的采样点数和厚度计算值之前，还包括：判断当前所处测量模式，其中，所述测量模式包括所述XY模式或全局模式。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述XY模式下，具体包括：将晶圆圆心作为坐标原点，控制传感器探头移动至所述晶圆圆心，以晶圆边缘缺口所在半径为X轴负半轴，依次测量X轴负半轴、Y轴负半轴、X轴正半轴和Y轴正半轴方向上的四段半径，其中，所述传感器探头在每段测量半径上移动的距离为晶圆半径与预设留边宽度的差值，并且在每段测量半径上测量时，控制所述电涡流测量传感器连续采样，直到所述传感器探头运动至本段终点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述全局模式下，具体包括：将所述晶圆圆心作为原点，控制所述传感器探头从所述晶圆圆心向外运动，并且控制晶圆转盘带动晶圆做匀速转动，所述晶圆边缘缺口处为每圈测量起点，其中，所述传感器探头在晶圆表面各测量圆的半径处保持静止，且随着所述晶圆的自转，控制所述电涡流测量传感器完成各测量圆周上的连续采样，以及在完成本圈测量后，控制所述传感器探头运动至下一个半径处开始下一圈测量，直至完成全部测量。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述测量结果的保存格式可以为.txt。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的多点测量晶圆表面铜层厚度的在线计算方法的流程图；

图2为根据本发明一个具体实施例的多点测量晶圆表面铜层厚度的在线计算方法的流程图；

图3为根据本发明一个实施例的标定表存储格式的原理示意图；

图4为根据本发明一个实施例的上层控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

对于晶圆表面铜层，本发明所属测量系统采用电涡流检测方法，用于CMP前/后晶圆表面铜层厚度的测量。测量系统主要由以下部分构成：电涡流测量传感器、机械臂、晶圆转盘及支架。其中，晶圆转盘用于吸附晶圆并带动晶圆旋转；电涡流传感器探头安装在机械臂前端，并随机械臂直线运动；晶圆支架用于配合机械传输机构的放片与取片过程。测量时，晶圆的旋转运动与探头的直线运动相互配合，完成晶圆表面铜层的多点测量。本发明所属上层控制系统采用“工控机+运动控制卡”的控制模式。其中，多轴运动控制卡可同时满足运动控制和信号输入/输出的需要。上层控制系统通过多轴运动控制卡实时监控测量系统的动作与状态。测量时，电涡流传感器连续采样信号，传感器输出信号通过运动控制卡实时反馈给上层控制系统。全部采样结束后，上层控制利用本发明所述方法完成测量值的计算及处理。

具体地，针对上述工艺过程，上层控制系统可以建立独立的读取线程，负责实时读取电涡流传感器输出信号，并建立独立的测量工艺线程，负责全自动工艺过程的运行，即根据用户选择的测量模式(XY模式或者全局模式)，为本次测量过程单独打开一个线程。在完成一次测量所需的全部数据采样后，上层控制系统即采用本发明所述算法依次完成数据的在线处理和计算工作。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的多点测量晶圆表面铜层厚度的在线计算方法。

图1是本发明一个实施例的多点测量晶圆表面铜层厚度的在线计算方法的流程图。

如图1所示，该多点测量晶圆表面铜层厚度的在线计算方法包括以下步骤：

在步骤S101中，根据XY模式和全局模式，分别定义两组二维变量，其中，每组变量含二维数组A、二维数组B和二维数组C，分别保存原始连续采样信号值、每测量段的采样点数和厚度计算值。

也就是说，如图2所示，首先进行变量定义。针对XY和全局两种测量模式，分别定义两组二维变量。其中，每组变量含3个二维数组A、B和C，分别保存原始连续采样信号值(未标定值)、每测量段的采样点数和厚度计算值。

其中，在本发明的一个实施例中，在保存原始连续采样信号值、每测量段的采样点数和厚度计算值之前，还包括：判断当前所处测量模式，其中，测量模式包括XY模式或全局模式；如果处于XY模式，则以第一采样率和第一探头运动速率控制电涡流传感器测量晶圆表面两条垂直直径上多个测量点的厚度值；如果处于全局模式，则以第二采样率和第二晶圆旋转速率控制电涡流传感器测量晶圆表面以同心圆组均匀分布的多个测量点的厚度值。

可以理解的是，在本发明的实施例中，根据工艺需求，可以设置XY模式和全局模式两种测量模式。其中，XY模式测量晶圆表面两条垂直直径上各点的厚度值；全局模式测量晶圆表面以同心圆组均匀分布的多点厚度值。例如，在XY模式下一条测量直径上的输出测量点数可以为100，而在全局模式可以根据8系列点分布，输出测量点总数可为121点，169点和225点

进一步地，在本发明的一个实施例中，在XY模式下，具体包括：将晶圆圆心作为坐标原点，控制传感器探头移动至晶圆圆心，以晶圆边缘缺口所在半径为X轴负半轴，依次测量X轴负半轴、Y轴负半轴、X轴正半轴和Y轴正半轴方向上的四段半径，其中，传感器探头在每段测量半径上移动的距离为晶圆半径与预设留边宽度的差值，并且在每段测量半径上测量时，控制电涡流测量传感器连续采样，直到传感器探头运动至本段终点。

具体地，对于XY模式，定义晶圆圆心为坐标原点，固定探头从home位(起始位)运动至坐标原点的距离，以晶圆边缘上缺口(Notch)所在半径为X轴负半轴，依次测量X轴负半轴、Y轴负半轴、X轴正半轴和Y轴正半轴方向上的四段半径。测量过程中，探头在每段测量半径上移动的距离为晶圆半径与用户设定的预留边宽度(最外测量点距离晶圆边缘的径向距离)的差值。在每段半径上测量时，控制系统连续采样，直到探头运动至本段终点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在全局模式下，具体包括：将晶圆圆心作为原点，控制传感器探头从晶圆圆心向外运动，并且控制晶圆转盘带动晶圆做匀速转动，晶圆边缘缺口处为每圈测量起点，其中，传感器探头在晶圆表面各测量圆的半径处保持静止，且随着晶圆的自转，控制电涡流测量传感器完成各测量圆周上的连续采样，以及在完成本圈测量后，控制传感器探头运动至下一个半径处开始下一圈测量，直至完成全部测量。

具体地，对于全局模式，电涡流传感器探头在测量时从晶圆圆心(原点)向外运动，而晶圆转盘则带动晶圆做匀速转动，晶圆边缘缺口(Notch)处为每圈测量起点。每圈测量时，传感器探头在晶圆表面各测量圆的半径处保持静止，随着晶圆的自转，完成各特定半径圆周上的连续采样。在完成本圈测量后，探头运动至下一个半径处开始下一圈测量，直至完成全部测量。在本发明中，相邻两个测量圆周之间的径向间距相同，可以根据测量总点数和设定的预留边宽度自行计算。需要说明的是，根据8系列点分布，各测量圆周上测量的数据点数由内至外逐渐增多，各圈测量点在所在圆周上均匀分布。

在步骤S102中，将每个测量点所在局部测量区间内的所有采样点的平均值作为该测量点的输出值，并补偿每段测量半径或者测量圆的第1测量点和最后1测量点的采样点数。

也就是说，如图2所示，其次进行输出值预处理。准确获取各测量点的输出值是计算各测量点测量值的前提与保证。测量时，对于同一半径(XY模式)或者同一圆上(全局模式)，测量系统采取连续采样的方式，而非定点测量。因此，控制系统将每个测量点所在局部测量区间内的所有采样点的平均值作为该测量点的输出值，并补偿每段(测量半径或者测量圆)测量时的第1点和最后1点的采样点数，可在充分利用有效测量数据的同时，降低电涡流传感器的测量误差。

以全局模式为例，定义二维数组B负责统计系统在各测量圆上连续采集到的输出值个数，定义二维数组A依次存储各测量圆上实时采集到的全过程输出值。对于同一测量圆上的输出值，根据各测量圆上测量点数的要求(8系列点分布)，分段均分全部输出值，所分段数即为本测量圆上要求的测量点数，并将每段上全部采样值的平均值作为该段所属测量点的输出值。然而，如果当前测量圆上的全部输出值个数m不能按照测量点数n均分，则在保持所有输出值采集顺序不变的基础上，将多余的输出值个数p(p为m除以n的余数)均分给当前测量圆上的第1个测量点和最后1个测量点，即当前测量圆的第1个测量点取前(m/n+p/2)个输出值的平均值，第2个测量点取后续(m/n)(取商)个输出值的平均值，以此类推，第n个测量点取最后(m/n+p/2)个输出值的平均值。这样，在完成各测量点输出值计算的同时，补偿了晶圆转台在每圈测量时由于启动阶段的加速过程和停止阶段的减速过程(分别对应第1个测量点和最后1个测量点)所造成的采样点数差异。以上预处理工作完成后，再按照测量点序，将各测量点的输出值保存在一维数组中，以便后续循环计算。

在步骤S103中，通过多点标定算法利用预设的标定表进行厚度值计算。

也就是说，如图2所示，进一步进行测量值计算。对于测量系统，多点标定算法可以很好地消除测量过程中提离高度的波动，保证测量准确度，而且算法本身简便可靠。因此，本发明在上层控制系统开发时利用QtSql模块建立专门的标定数据库用于存储计算铜膜厚度所需的多点标定表，即每一个测量点拥有一条标定曲线。标定数据库保存在上层控制系统的本地工控机中。数据库中，标定表存储格式原理如图3所示。当上层控制系统完成电涡流传感器输出信号的预处理后，利用选定的标定表即可进行厚度值的计算。

测量前，定义二维数组X和Y，分别用于提取和存储指定标定表中的待标定值和标定值。计算时，控制系统自动搜索当前输出值所属对应标定曲线的标定区间，并根据所在标定区间拟合计算参数，计算出对应的测量值。计算的循环次数受所选标定表的行数与列数限制，加强了程序运行的安全性。基于待标定值与标定值之间较好的线性关系，各标定区间拟合方式采用线性拟合，而且标定点数越多，标定曲线越准确。

具体地，测量值计算流程包括：判断当前未标定值(预处理后的输出值)所属标定区间，如果输出值小于所在测量点的最小标样的待标定值，则计算测量值为该标定曲线最小标样的标定值(厚度值)；如果输出值大于所在测量点的最大标样的待标定值，则计算测量值为该标定曲线最大标样的标定值；如果输出值属于所在测量点的某段标定区间，则根据所在标定区间拟合本区间内的线性标定关系，即计算出对应斜率a与截距b；最后根据拟合得到的斜率与截距，计算出当前未标定值所对应的厚度值。

在步骤S104中，在厚度值计算结束后，将全部计算结果顺次与各测量坐标一一匹配，并将测量结果输出到指定文件中。

可选地，在本发明的一个实施例中，测量结果的保存格式可以为.txt。

也就是说，如图2所示，最后进行坐标匹配，并且计算结束后，将全部计算结果顺次与各测量坐标一一匹配，并将测量结果输出到指定文件中。本发明中，测量结果的保存格式为.txt。

需要说明的是，在本发明的实施例中，如图4所示，本发明还包括判断当前所处测量模式，其中，测量模式包括XY模式或全局模式。

根据本发明实施例的多点测量晶圆表面铜层厚度的在线计算方法，可以通过变量定义，并且对输出值进行预处理，进而通过多点标定算法进行厚度值计算，从而实现对晶圆表面铜层厚度的准确有效的计算，进而为后续的工艺参数优化提供可靠依据，提高了测量的准确度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。