涡流传感器的制作方法

专利名称：涡流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涡流传感器，尤其涉及一种适合于检测导电膜厚 度的涡流传感器，该导电膜形成在诸如半导体晶片的基板的表面上。 本发明还涉及具有这种涡流传感器的基板处理设备，例如抛光设备或 基板淀积设备。
背景技术：
为了在诸如半导体晶片的基板中形成互连电路，采用用铜电镀基 板的工艺从而在其上形成铜层，然后通过化学机械抛光(CMP)除去 铜层中不需要的部分，从而在基板中形成铜互连层。在这种工艺中在 化学机械抛光(CMP)期间，必须精确地控制铜层的抛光工艺的进程 (铜层的膜厚)。可以采用光学传感器或涡流传感器来控制这种导电 膜的膜厚。
光学传感器基于光的波长来测量导电膜的膜厚。相应地，可以在 要施加光的区域中进行膜厚的精确测量。例如，为了在化学机械抛光 期间检测形成在半导体基板上的导电膜的膜厚，在抛光过程中必须在 通过其而将光直接施加在基板上的位置上形成开口。然而，如此形成 开口可能对化学机械抛光设备的抛光性能造成负面的影响。
涡流传感器基于在导电膜中产生的涡流传感器的大小来测量导 电膜的膜厚。因而，例如，可以将涡流传感器安装在化学机械抛光设备的抛光工具中。此外，涡流传感器可以在抛光期间利用非接触方式 测量半导体基板的抛光情况。因此，不要求抛光工具具有用于观察基 板的开口。例如，在抛光期间可以利用非接触方式测量形成在半导体 基板上的导电膜的膜厚(抛光量)，而不需要在抛光垫中形成任何窗 口。此外，有人提出一种能检测超薄膜例如阻挡层的抛光工艺的结束 点的涡流传感器。
然而，当涡流传感器的传感器线圈被掩埋在由诸如不锈钢的导电 材料构成的抛光台中时，由传感器线圈产生的磁通量在抛光台中产生 涡流。因而，减小了向外发射的磁通量。在这种情况下，由于到达被 测量半导体晶片的磁通量减少了，所以在晶片上的导电膜中产生的涡 流也减少了。因而，要求涡流传感器具有高灵敏度。
例如，在将涡流传感器设置在抛光设备中的情况下，将抛光垫设 置在半导体基板的导电膜与涡流传感器的传感器线圈之间。如果测量 环境例如抛光垫的厚度改变，则来自涡流传感器的信号也改变。因此， 要求涡流传感器在将这种测量环境看作为参数之一的情况下来测量 基板的膜厚。相应地，需要复杂和麻烦的工艺来测量基板的膜厚。
当测量超薄导电膜时，在诸如半导体晶片的基板的内部所产生的 涡流是不能忽略的。因而，为了测量超薄导电膜的膜厚，应该将来自 基板内部的影响作为测量环境来考虑，其将对利用涡流传感器进行的 测量造成负面的影响。因此，需要复杂和麻烦的工艺来测量基板的膜 厚。

发明内容
鉴于上述缺陷做出了本发明。因此，本发明的目的是提供一种涡 流传感器，它不受测量环境的影响，并且能很容易地以高精确度测量 导电膜。
根据本发明的第一方案，提供一种涡流传感器，其具有设置在形成在基板上的导电膜附近的传感器线圈，以及用于为传感器线圈提供AC信号以在导电膜中产生涡流的信号源。涡流传感器包括可用于检 测在导电膜中产生的涡流的检测电路。检测电路连接到传感器线圈。 该涡流传感器还包括由具有高导磁率的材料制成的外壳。外壳在其中 容纳传感器线圈。因此，将外壳配置成使得传感器线圈形成磁通的路 径，以便有效地在导电膜中产生涡流。利用上述设置，来自传感器线圈的磁通形成路径(磁路)，以便 穿过位于传感器线圈周围的具有高导磁率的外壳，然后穿过将要测量 的导电膜。由于磁通不穿过安装环境中的部件，因此磁通没有衰减。 因此，可以通过传感器线圈在导电膜中有效地产生涡流，并且可以以 高灵敏度测量导电膜的膜厚。外壳可以形成为圆柱形或包围传感器线圈的形状。传感器线圈包 括可用于在导电膜中产生涡流的激励线圈以及可用于检测在导电膜 中产生的涡流的检测线圈。传感器线圈还可以包括可用于与检测线圈 协作来调节检测输出零点的平衡线圈。通过调节零点，可以只放大与 导电膜的厚度相应的变量信号。外壳可以设置在导电部件(抛光垫) 内。根据本发明的第二方案，提供一种涡流传感器，其具有设置在形 成在基板上的导电膜附近的传感器线圈，以及用于为传感器线圈提供 AC信号以在导电膜中产生涡流的信号源。涡流传感器包括可用于检 测在导电膜中产生的涡流的检测电路。检测电路连接到传感器线圈。 该涡流传感器还包括其中容纳传感器线圈的绝缘部件。绝缘部件掩埋 在导电材料(抛光垫)中。根据本发明的第三方案，提供一种涡流传感器，其具有设置在形 成在基板上的导电膜附近的传感器线圈，以及用于为传感器线圈提供 AC信号以在导电膜中产生涡流的信号源。涡流传感器包括可用于基 于从传感器线圈看到的阻抗来检测在导电膜中产生的涡流的检测电路。该涡流传感器还包括控制器，其用于在直角坐标系中指定阻抗的 电阻分量和电抗分量的点，并且从通过连接在该点与直角坐标系中的 预定中心点之间的线形成的角度来检测导电膜的膜厚。可以将控制器 配置成从该角度检测导电膜的膜厚而不会由于传感器线圈和导电膜 之间的距离而受到影响。可以通过校准数据表将预定中心点校准为可 以获得导电膜的膜厚而不会由于传感器线圈和导电膜之间的距离而 受到影响的点，其中所述校准数据表包括膜厚以及与膜厚相应的电阻分量(Xm)和电抗分量(Ym)。当相对于不同的测量环境基于相同的导电膜的膜厚的电阻分量 和电抗分量的输出值在xy坐标系中绘制初级测量线时，初级测量线 在单个交叉点(中心点)上彼此交叉而与测量环境无关。当在未知的 测量环境下测量导电膜的膜厚时，交叉点和具有在导电膜中产生的涡 流信号的电阻分量和电抗分量的输出值的点在xy坐标系中被实际测 量线连接。通过比较实际测量线的斜率(实际测量线与基准线之间的 角度)与初级测量线的斜率(初级测量线与基准线之间的角度)，可 以很容易获得导电膜的膜厚。因此，涡流传感器可以很容易地和快速 地测量导电膜的膜厚而不受抛光垫厚度的影响。根据本发明的第四方案，提供一种涡流传感器，其具有设置在形 成在基板上的第一导电膜附近的传感器线圈，以及用于为传感器线圈 提供AC信号以在第一导电膜中产生涡流的信号源。涡流传感器包括 可用于基于从传感器线圈看到的阻抗来检测在第一导电膜中产生的 涡流的检测电路。该涡流传感器还包括控制器，其用于在直角坐标系 中指定阻抗的电阻分量和电抗分量的第一阻抗坐标，并且对第一阻抗 坐标进行相位旋转、平行位移和扩展(expansion )。可以将控制器配置成进行相位旋转，从而使第二导电材料的阻抗 的第二阻抗坐标与直角坐标系的轴一致，并且进行扩展，从而当第一 阻抗坐标受到第二阻抗坐标影响时，可以用放大方式获得第一导电材料的阻抗的第一阻抗坐标的变化。
获得相位旋转角度从而使在第二导电材料(基板)中产生的涡流
的电阻分量和电抗分量的输出值与xy坐标系中的x轴或y轴一致。 当测量导电膜的膜厚时，以所述相位旋转角度对测量到的涡流的电阻 分量和电抗分量的输出值进行相位旋转。因此，可以消除在第二导电 材料中产生的涡流的电阻分量和电抗分量。相应地，涡流传感器可以 精确地测量第一导电膜的膜厚而不受第二导电膜的影响。在第一导电 膜如此之薄以至于受到第二导电膜的影响的情况下，相位旋转更有 效。这种相位旋转可以只在需要精确测量时进行。因此，相位旋转可 以避免用于膜厚测量的麻烦工艺。
第二导电膜可以包括半导体晶片，而第一导电膜可以包括形成在 半导体晶片上的阻挡层或金属膜。
根据本发明的第五方案，提供一种涡流传感器，其具有设置在形 成在基板上的导电膜附近的传感器线圈，以及用于为传感器线圈提供 AC信号以在导电膜中产生涡流的信号源。涡流传感器包括可用于基 于从传感器线圈看到的阻抗来检测在导电膜中产生的涡流的检测电 路。该涡流传感器还包括可用于根据导电膜的淀积情况存储校正系数 的存储器件以及控制器，其用于在直角坐标系中指定阻抗的电阻分量 和电抗分量的点，并且通过存储在存储器件中的校正系数来校正该 点。
通过测量具有导电膜的参考晶片的膜厚，并且按照阻抗坐标将膜 厚的弧形轨迹上的基准点和结束点调整为所希望的坐标(x， y)，可 以消除涡流传感器的个体差异。可以将控制器配置成使得当测量参考 导电膜的膜厚时电阻分量和电抗分量是常数。
根据本发明的第六方案，提供一种涡流传感器，其具有设置在形 成在基板上的导电膜附近的传感器线圈，以及用于为传感器线圈提供 AC信号以在导电膜中产生涡流的信号源。涡流传感器包括可用于基于从传感器线圈看到的阻抗来检测在导电膜中产生的涡流的检测电 路。该涡流传感器还包括控制器，其用于在直角坐标系中指定阻抗的 电阻分量和电抗分量的阻抗坐标，并且根据工艺进程在直角坐标系中 在半圆形的轨迹上移动阻抗坐标。
因此，控制器在直角坐标系中指定阻抗的电阻分量和电抗分量的 阻抗坐标。阻抗坐标的位置根据工艺进程在直角坐标系中的半圆形轨 迹上移动。可以将控制器配置成基于阻抗坐标移动的弧形长度计算导 电膜的膜厚的变化。导电膜的膜厚的变化可以从阻抗坐标移动的弧形 长度(弧长)来计算。可以将涡流传感器配置成使得弧形的长度不受 位于导电膜下面的基板的导电率的影响。例如，即使下层硅基板是低 电阻基板，也可以检测具有高电阻的导电膜例如金属膜或阻挡层的膜 厚而不受下层硅基板的影响。
阻抗可以明显地沿着直角坐标系中的轴之一改变。在这种情况 下，可以将控制器配置成选择直角坐标系中的上述那个轴。可以将阻 抗坐标构造成由主放大器的偏移量、放大度、相位旋转或极性选择来 进行设置。
可以将控制器配置成每隔预定的时间测量阻抗坐标并基于阻抗 特性和模型数据之间的相关性来检测工艺的结束点。可以将控制器配 置成预测直到工艺结束点的剩余时间。因此，可以监视(抛光)工艺 的进程并且迅速处理在(抛光)工艺期间产生的不正常情况，用于预 防性维护。
希望基板固定(holding)装置具有远离传感器线圈的导电部件， 以便对在导电膜中产生的涡流没有影响。
根据本发明的第七方案，提供一种涡流传感器，其具有设置在具 有多个区的基板附近并被容纳在高导磁率材料的外壳中的空心传感 器线圈，以及用于为传感器线圈提供AC信号以在基板中产生涡流的 信号源。涡流传感器还包括可用于获得关于在基板的多个区中产生的涡流的信号数据的检测电路。该涡流传感器还包括用于基于该信号数 据检测工艺结束点的控制器。可以将控制器配置成采用包括关于多个区的最佳区的信号数据 值、关于多个区的信号数据的平均值、关于多个区的所希望组合的信号数据的平均值、有效值、信号数据的一阶时间导数(first time-derivative)、信号数据的二阶时间导数和信号数据的n阶时间导 数的确定值。此外，可以将控制器配置成对确定值与预定值进行比较， 以检测工艺的结束点。可以将控制器配置成对信号数据进行边缘切割处理(edge cutting process)。信号数据可以包括阻抗的X和Y分量、相位9、合成阻抗 Z、频率F和由其转换的膜厚值。可以将控制器配置成利用系数对通 过信号数据计算出的参考时间进行算术运算以计算附加工艺时间周 期，并且将该附加工艺时间周期加到参考时间上，从而检测工艺的结 束点。根据本发明的第八方案，提供一种具有处理装置和上述涡流传感 器的基板处理设备，所述处理装置用于对基板进行处理。根据本发明的第九方案，提供一种具有抛光表面、基板固定装置 和上述涡流传感器的抛光设备，所述基板固定装置用于固定基板并使 基板紧压住抛光表面。根据本发明的第十方案，提供一种具有基板淀积装置和上述涡流 传感器的基板淀积设备，所述基板淀积装置用于在基板上淀积导电 膜。根据本发明，可以避免来自测量环境的负面影响并且以高精度很 容易、快速地测量导电膜的膜厚。通过以下结合附图所进行的说明本发明的上述和其他目的、特征 和优点将变得显而易见，其中附图以举例的方式示出了本发明的优选 实施例。


图1是示出根据本发明第一实施例的具有涡流传感器的抛光设 备的示意图2是示出图1所示的涡流传感器的传感器线圈的放大剖面图3是示出由抛光设备的顶环固定的半导体晶片与图1所示的涡 流传感器的传感器线圈之间的关系的平面图4是示出用作根据本发明第一实施例的涡流传感器的频率型 涡流传感器的例子的方框图5是示出用作根据本发明第一实施例的涡流传感器的阻抗型 涡流传感器的例子的方框图6是图5所示的涡流传感器的等效电路图7是示出根据本发明第一实施例的涡流传感器的传感器线圈 的例子的透视图8是示出图7所示的传感器线圈中的连接的电路图9是图8的等效电路图10是示出在图8所示的检测线圈和平衡线圈中产生的电压的 矢量图11是示出连接到图5所示的传感器线圈的同步检测电路的方 框图12是示出根据导电膜的膜厚变化按照阻抗坐标的电阻分量 (R)和电抗分量(X)的圆形轨迹的曲线图13是示出根据导电膜和传感器线圈之间的间隙(垫厚度)变 化在阻抗坐标上的圆形轨迹变化的曲线图14A到14C是示出由相位旋转消除硅基板的阻抗分量并且扩 展TaN膜的分量的示意图15A到15D是示出设置适合于膜厚检测的放大器增益的方法的曲线图；图16A和16B是示出基于弧长测量膜厚的方法的示意图；图17是示出在涡流传感器掩埋在由绝缘材料制成的抛光台中时 由涡流传感器产生的磁通量分布的剖面图；图18是示出在涡流传感器掩埋在由导电材料制成的抛光台中时 由涡流传感器产生的磁通量分布的剖面图；图19是示出根据本发明第二实施例的由涡流传感器产生的磁通 量分布的剖面图；图20是示出在涡流传感器掩埋在由导电材料(SUS)制成的抛 光台中的情况下和在涡流传感器掩埋在由绝缘材料(SiC)制成的抛 光台中的情况下根据第二实施例的涡流传感器的特性的曲线图；图21是示出在涡流传感器掩埋在由导电材料(SUS)制成的抛 光台中的情况下和在涡流传感器掩埋在由绝缘材料(SiC)制成的抛 光台中的情况下涡流传感器的特性的曲线图；图22是示出由根据本发明另一实施例的涡流传感器产生的磁通 量分布的剖面图；图23是示出根据本发明另一实施例的抛光设备的透视图；以及图24是示出根据本发明的具有涡流传感器的淀积设备的示意图。
具体实施方式
下面参照图1到23说明根据本发明实施例的具有涡流传感器的 抛光设备。图1示出根据本发明第一实施例的具有涡流传感器10的抛光设 备。如图1所示，抛光设备具有抛光台1、固定于抛光台1的表面上 的抛光垫2、用于固定半导体晶片W并使半导体晶片W挤压抛光垫 2的顶环3、以及用于测量半导体晶片W上的将要被抛光的导电膜的抛光设备的抛光台1可围绕支撑轴20旋转， 如箭头21所示。顶环3可围绕其轴进行旋转，如箭头22所示。顶环3使半导体晶片W挤压抛光台1上的抛光垫2，同时顶环3 和抛光台1彼此独立地旋转。此时，将抛光液从抛光液供应喷嘴(未 示出)输送到抛光垫2上。由此，对半导体晶片W进行抛光。在本 实施例中，抛光设备的抛光台1由诸如SiC的陶瓷材料或诸如不锈钢(SUS)的金属材料制成。如图1所示，涡流传感器IO包括掩埋在抛光台1中的传感器线 圈100、前置放大器102、主放大器104、以及控制器106。尽管传感 器线圈100和前置放大器102在所示的例子中是分开的，但是前置放 大器可以完整地结合到传感器线圈100中。电缆108从传感器线圈 IOO延伸出来穿过抛光台1的支撑轴20。因此，传感器线圈100通过 旋转接头23连接到控制器106和主放大器104，所述旋转接头23设 置在支撑轴20的端部。涡流传感器10的控制器106包括模拟滤波器，例如低通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF)、高通滤波器(HPF)、或陷波滤波器， 或者使用软件来除去传感器信号中的噪声的数字滤波器。每个滤波器 可以具有适当的截止频率。例如，当低通滤波器具有0.1到lkHz的 截止频率时，可以在抛光期间将包含在传感器信号中的噪声除去，以 便精确地测量半导体晶片W的膜厚。图2是示出涡流传感器10的传感器线圈100的放大剖面图。抛 光垫2固定在抛光台1的上表面上。如图2所示，氟树脂110附着到 抛光垫2附近的传感器线圈100的上端面上。氟树脂110可以防止在 将抛光垫2从抛光台1剥离时将传感器线圈100与抛光垫2 —起除去。 氟树脂110的上端面位于抛光台1的上表面下方0到0.05mm的位置 上，从而抛光垫2不会在传感器线圈IOO上方的位置上膨胀。因此， 传感器线圈100的存在不影响抛光工艺。抛光台1的上表面与传感器线圈100的上端面之间的高度差应该优选尽可能地小。例如，实际上 可以将该高度差设置在0.01 mm左右。传感器线圈100的高度可以通 过设置在传感器线圈100下端的薄垫片(薄板)112或者通过螺丝(未 示出)来调节。
即使其具有旋转部件，互连传感器线圈100和控制器106的旋转 接头23也可以传输信号。然而，旋转接头23用以传输信号的信号线 数量有限。在本实施例中，旋转接头23可以只有八条信号线，用于 DC电压源、输出信号、以及各个控制信号。 一条信号线可以从控制 器106通过旋转接头23向前置放大器102传输包括判别DC电压、 调制频率、1位数字信号等的控制信号。前置放大器102具有可用于 处理控制信号的输入部件。例如，根据关于传感器线圈IOO中的线圈 平衡的指令信号和待抛光膜的特性，可以在2到8MHz的范围内调节 前置放大器102的振荡频率。还可以调节RF电压的放大增益。对信 号线的数量的上述限制可以通过使用无线信号传输来消除。
图3是示出由顶环3固定的半导体晶片W和掩埋在抛光台1中 的涡流传感器10的传感器线圈100之间的关系的平面图。如图3所 示，挡块(dog) 4设置在抛光台1的周边，并且将挡块传感器5设 置成与挡块4相对应。挡块传感器5检测挡块4并相应地检测抛光台 1的旋转。根据来自挡块传感器5的检测信号开始对由顶环3固定的 半导体晶片W进行信号处理。具体地讲，涡流传感器10的传感器线 圈100扫描如图3所示的轨迹线24上的半导体晶片W，同时抛光台 l旋转。
在抛光台1进行了一次旋转时，挡块传感器5检测挡块4并将检 测信号输出到涡流传感器10。此时，由于传感器线圈100还没有位 于半导体晶片W的下方，所以来自涡流传感器10的传感器线圈100 的传感器信号代表晶片W外部的检测结果。当传感器线圈100移动 到半导体晶片W下方的区域时，涡流传感器10的控制器106接收传感器信号，该传感器信号具有与在晶片w的导电膜中产生的涡流相 对应的电平。在传感器线圈100经过半导体晶片w下方的区域之后， 涡流传感器10的控制器106接收具有使得涡流没被产生的电平的传 感器信号，即代表晶片W外部的检测结果的传感器信号。在这种情况下，可以将传感器线圈100配置成连续进行检测。然 而，由于由控制器106接收到的传感器信号的电平在抛光期间随着晶 片W的膜厚变化而改变，因此如果半导体晶片W上的导电膜的膜厚 简单地由传感器线圈100来进行检测，则测量时间是不稳定的。因而， 希望在开始测量半导体晶片W的抛光区域时获得和设置传感器信号 的电平。例如，通过在从抛光液供应喷嘴(未示出)输送水的同时对 参考晶片(虚拟晶片)进行水抛光，可以获得测量时间。具体地讲， 可以在抛光台1上对其上淀积有1000nm的铜层的参考晶片进行水抛 光，所述抛光台1以60min—1的旋转速度旋转120秒种。更具体地讲，在控制器106从挡块传感器5接收到挡块4的检测 信号之后，针对半导体晶片W的外部和内部由传感器信号计算传感 器信号值的中间值。将计算得到的中间值设置为测量半导体晶片W 的标准电平。因此， 一旦控制器106在从挡块传感器5接收到挡块4 的检测信号之后接收到电平比标准电平高的传感器信号，例如就每1 毫秒获得传感器信号。当传感器线圈IOO从晶片W移开时，结束传 感器信号的获得。将所得到的传感器信号分配给对应于晶片W的物 理尺寸的各个区域。此外，可以在该系统中设置传感器信号的有效和 无效。例如，当不进行抛光处理时、当传感器信号的电平高于预定电 平时、当传感器信号的电平低于预定电平时、或者当顶环3不位于传 感器线圈100上方时，可以将传感器信号设置为无效。在涡流传感器10中，位于导电膜附近的传感器线圈100使磁通 穿过晶片的导电膜，以便在导电膜中产生涡流。根据由涡流产生的传 感器信号测量导电膜的膜厚。因而，涡流传感器10通过在抛光台1中掩埋传感器线圈100可以测量导电膜的膜厚而不需要在抛光台1上 的抛光垫2中形成任何窗口。
例如，通过根据本发明的涡流传感器从抛光开始就监测导电膜的 膜厚。因此，通过该涡流传感器，可以从抛光开始到结束实时地对导 电膜的膜厚进行连续或间歇地监测。这一特征有助于抛光工艺的改变 或补充。连续测量意味着通过设备进行的其中涡流传感器连续面对具 有形成在其上的导电膜的半导体基板的测量(参见图23和24)。间 歇测量意味着由设备进行的其中涡流传感器周期性地面对具有形成 在其上的导电膜的半导体基板的测量(参见图1和3)。
此外，例如在涡流传感器10的控制器106接收到表示在晶片上 形成的钨膜的膜厚变为1000埃的信号之后，抛光工艺可以快速地切 换到低压处理，其中在低压下使晶片挤压抛光垫。此夕卜，可以基于已 经测量到的绝对膜厚以各种方式实时地控制和改变抛光工艺。例如， 可以进行水抛光以降低抛光台的温度和抛光速率。或者，可以将要输 送到抛光垫上的浆料变为具有低抛光速率的浆料。这种基于涡流传感 器的传感器信号的工艺控制可以减少表面凹陷(dishing)量和腐蚀量。 当然，使用涡流传感器的这种工艺控制不仅可以应用于钨抛光，而且 还可以应用于铜抛光和铝抛光。
在钨抛光的情况下，当来自涡流传感器的传感器信号表示1000 埃、500埃、或0埃的膜厚时，可以进行上述抛光条件的改变，以实 现各种类型的工艺管理。或者，当所需的抛光量作为膜厚被输出时可 以改变抛光条件。在铜抛光的情况下，当来自涡流传感器的传感器信 号表示1500埃的膜厚时，可以改变抛光条件。
下面将说明利用根据本发明的涡流传感器的导电膜的膜厚的测 量工艺的具体例子。
将上述涡流传感器10分为两种类型的涡流传感器，包括频率型 涡流传感器和阻抗型涡流传感器，所述频率型涡流传感器在导电膜中产生涡流并在变化的振荡频率的变化基础上检测膜厚，所述阻抗型涡 流传感器改变从传感器线圈向导电膜看到的阻抗并在阻抗变化的基础上检测膜厚。图4是示出频率型涡流传感器10a的示意图，图5是 示出阻抗型涡流传感器10b的示意图。如图4所示，频率型涡流传感器10a具有设置在被测半导体晶片 W的导电膜6附近的传感器线圈100、连接到传感器线圈100的可变 频率Colpitis振荡器120 (信号源)、和连接到Colpitis振荡器120的 分频器/计数器电路122。在这种涡流传感器10a中，当导电膜6的膜 厚改变时，Colpitis振荡器120的振荡频率改变。因此，可以通过 Colpitis振荡器120的振荡频率的变化来检测导电膜6的膜厚的变化。 分频器/计数器电路122可以检测Colpitis振荡器120的振荡频率的变 化，由此检测导电膜6的膜厚的变化。具体^k讲，传感器线圈100和 振荡器120形成振荡回路，该振荡回路以对应于导电膜6的膜厚的振 荡频率振荡。通过分频器/计数器电路122对振荡器120的振荡信号 进行分频和计数，以检测振荡器120的振荡频率。将振荡器120的振 荡频率转换成相应的膜厚。如图5所示，阻抗型涡流传感器10b具有设置在被测半导体晶片 W的导电膜6附近的传感器线圈100、连接到传感器线圈100的AC 信号源124、以及用于检测从传感器线圈100看到的包括导电膜6的 阻抗的同步检测电路126。形成在被测半导体晶片W上的导电膜6 可以是铜镀膜或诸如Au、 Cr或W的金属的蒸发膜，其厚度大约为0 到2nm;或者是形成为铜镀膜或蒸发膜的下层的阻挡层，其厚度在埃 的数量级上。阻挡层是由Ta、 TaN、 Ti、 TiN、 WN等制成的高电阻 层。为了精确检测化学机械抛光的结束点重要的是检测阻挡层的膜 厚。传感器线圈100具有一匝到几十匝的线圈。传感器线圈100设置 在导电膜6附近，例如在距离导电膜6大约0.5到5mm的位置上。图6示出图5所示的涡流传感器10b的等效电路。在图6所示的等效电路中，由于阻抗型涡流传感器10b中的AC信号源124的振荡 频率是恒定的，因此当导电膜6的膜厚改变时，从AC信号源124向 传感器线圈100看到的阻抗z改变。在图6所示的等效电路中，L, 代表传感器线圈100的自阻抗(包括传感器线圈100的初级自阻抗)， R,代表传感器线圈100的电阻(包括传感器线圈100的初级等效电 阻)，以及I,代表流过传感器线圈100的电流。关于导电膜6， 112代 表对应于涡流损失的等效电阻，L2代表导电膜6的自阻抗，12代表流 过导电膜6的涡流。涡流12取决于导电膜6的等效电阻R2和自阻抗 L2。当导电膜6的膜厚改变时涡流12也改变。相应地，可以通过从 AC信号源124看到的阻抗z的变化经由导电膜6和传感器线圈100 之间的互阻抗M来检测导电膜6的膜厚的变化。
更具体地讲，AC信号源124包括具有1到50MHz的固定频率 的振荡器，例如石英振荡器。当由AC信号源124提供AC电压时， 电流ir流过传感器线圈100。当电流流过设置在导电膜6附近的传感 器线圈100时，引起磁通与导电膜6的互连，以便在传感器线圈100 和导电膜6之间形成互阻抗M。由此，涡流12流过导电膜6。从AC 信号源124的端子128和130看到的阻抗z根据在导电膜6中产生的 涡流的大小而变化。
涡流传感器的信号源可以采用单一的无线电波、混合无线电波、 AM调制无线电波、FM调制无线电波、信号发生器的扫描频率、或 者多个信号源的振荡频率。当传感器面对被抛光的晶片时，对交变脉 冲电磁场(alternating burst electromagnetic field)或正弓玄波进行平衡 调制、振幅调制或脉冲调制，由此在涡流传感器中产生磁场和磁通。 希望选择具有良好灵敏度以便符合被测膜的类型的振荡频率和调制 方法。
图7示出根据本实施例的传感器线圈100的例子。传感器线圈 100具有分开的线圈，包括用于在导电膜中形成涡流的线圈和用于检测导电膜中的涡流的线圈。在本实施例中，如图7所示，传感器线圈 100具有缠绕在线轴132上的三个线圈134a、 134b和134c。中心线 圈134b是连接到AC信号源124上的激励线圈。激励线圈134b通过 磁场在位于传感器线圈100附近的半导体晶片W上的导电膜6中形 成涡流，所述磁场是通过由AC信号源124提供的电压产生的。将检 测线圈134a设置在线轴132的上部(导电膜附近)。检测线圈134a 检测由形成在导电膜中的涡流所产生的磁场。将平衡线圈134c设置 在激励线圈134b的与检测线圈134a相反的一侧。
图8示出在传感器线圈100中的线圈134a、 134b和134c的连接 的例子。图9示出图8的等效电路。在本实施例中，线圈134a、 134b 和134c具有相同数量的匝数(l至l」500匝)。检测线圈134a和平衡线 圈134c以相反的相位彼此连接在一起。
因此，检测线圈134a和平衡线圈134c形成相位相反的串联电路。 该串联电路的每一端连接到包括可变电阻VR2的电阻电桥电路138。 激励线圈134b连接到AC信号源124。激励线圈134b在位于激励线 圈134b附近的导电膜6中产生交变磁场和涡流。通过调节可变电阻 VR,禾卩VR2的电阻值，可以调节包括线圈134a和134c的串联电路的 输出电压，从而当没有导电膜位于传感器线圈100附近时，输出电压 为0。
通过与线圈134a和134c并联连接的可变电阻VR,和VR2来调节 线圈134a和134c的信号(LA、 Lc)。可变电阻\012调节所述信号， 以便使其具有相同相位，而可变电阻VR,调节所述信号的长度。具体 地讲，在图9所示的等效电路中，调节可变电阻VR^ ^VRw+VRl2) 禾口 VR2 (=VR2"+VR2_2)，从而VR,"x (VRw+jcoLc) = VR卜2x (VRw+J(oLa)。因此，如图10所示，将由虚线所示的线圈134a和 134c的信号(LA、 Lc)调节为由实线所示的具有相同相位和振幅的 信号。可变电阻VR4 (-VRw+VRw)和VR2 (-VR^+VR2-2)的调节优选自动地由伺服电动机(DC脉冲电动机)来进行。因此，考虑到 传感器线圈100和设置传感器线圈100的环境的一些变化可以自动地 调节平衡，从而使涡流传感器10没有个体差异。具体地讲，检测线圈134a和平衡线圈134c的串联电路与连接到 AC信号源124的激励线圈134b分开。通过电阻电桥电路138来调节 平衡。因而，可以调节零点。具体地讲，平衡线圈134c可用于调节 检测线圈134a的检测输出的零点。因此，可以从零检测流过导电膜 的涡流，从而可以提高流过导电膜的涡流的检测灵敏度。因而，可以 基于在导电膜中产生的涡流的大小以高灵敏度检测导电膜的变化。当 导电膜位于检测线圈134a附近时，由在导电膜中产生的涡流所产生 的磁通与检测线圈134a和平衡线圈134c互连。由于检测线圈134a 与其他线圈相比更接近导电膜，因此由线圈134a和134c产生的感应 电压不平衡，以便检测由导电膜中的涡流形成的互连磁通。图11示出用于测量从图5所示的AC信号源124向传感器线圈 100所看到的阻抗z的同步检测电路126的例子。在图11所示的测量 电路中，可以根据膜厚的变化在阻抗平面坐标系(x， y)中获得电阻 分量(R)、电抗分量(X)、阻抗分量(Z)和相位输出(e^an"R/X)。 相应地，利用这些信号输出，例如，通过阻抗的各个分量的大小来测 量膜厚。因此，可以用各种方式检测工艺进展。下面将术语"阻抗" 用作电阻分量(R)和电抗分量(X)的含义。如上所述，AC信号源124包括具有固定频率的振荡器，例如石 英振荡器，所述AC信号源124向位于具有被测导电膜6的半导体晶 片W附近的传感器线圈100提供AC信号。例如，AC信号源124提 供具有1到50MHz的固定频率的电压。在AC信号源124中产生的 AC电压经过带通滤波器140输送给传感器线圈100的激励线圈134b。 在传感器线圈100的端子上检测到的信号经过高频放大器142和移相 电路144传输到余弦同步检测电路146和正弦同步检测电路148，其中所述余弦同步检测电路146和所述正弦同步检测电路148形成同步 检测单元。同步检测单元从检测信号提取余弦分量(X分量)和正弦 分量(y)。移相电路144从形成在信号源124中的振荡信号形成同 相位分量(0°)和正交分量(90°)的两个信号。分别将这两个信号传 输到余弦同步检测电路146和正弦同步检测电路148。由此，进行上 述同步检测。
通过低通滤波器150和152从进行了同步检测的信号中除去不需 要的至少为5kHz的高频分量。然后，获得X分量输出作为余弦同步 检测的输出，并获得Y分量输出作为正弦同步检测的输出。此外， 通过矢量运算电路154从X和Y分量输出获得阻抗分量Z=(X2+Y2)1/2 。 同样，通过矢量运算电路(e处理电路)156从X和Y分量输出获得 相位输出(e^tan"Y/X)。提供滤波器以便除去传感器信号的噪声分量。 这些滤波器具有为它们的目的而适当设置的截止频率。
因此，提取信号输出X和Y、相位e、以及合成阻抗Z并将其转
换成阻抗型涡流传感器中的膜厚值。可以从信号输出x和y、相位e、
合成阻抗Z等获得关于金属膜(Cu、 Al、 Au或W)、阻挡层(Ta、 TaN、 Ti、 TiN或WN)、或用于与阻挡层的接触插头(contactplug) 的多晶硅的膜厚的测量信息。测量信息可以单独使用或者组合使用以 用于抛光工艺的检测，例如结束点检测。可以将涡流传感器设置在抛 光台内并位于抛光台的表面附近，以便经过抛光垫而面对被抛光的半 导体晶片。利用这种设置，涡流传感器可以基于流过半导体晶片上的 导电膜的涡流来检测半导体晶片上的导电膜的膜厚。
如从图6所示的等效电路中所看到的那样，当电压和电流中的每 一个具有正弦波时，建立以下关系式(1)和(2)。<formula>formula see original document page 21</formula> ...... (1)<formula>formula see original document page 21</formula> ...... (2)
从上述关系式看出，从初级侧看到的阻抗z表现为等式(3)。五Z22……(3)A2 + ，Ij电阻分量x和电抗分量y分别表现为下列等式(4)和(5)(《+ ^-^"V = JC"丄J 一 "^5-T^T = >"(4)+ W，(5)这里，当从等式(4)和(5)中除去对应于涡流电阻的112时，获得以下等式(6)。(JC —《)2 + ;_"xZ'(2"2)〖=「丄Pw2 U、2(6)这样，等式(6)表示中心点为(x-R,，尸coL"2+k2)/2)且半径为k^L,/2的圆形的轨迹，其中k是耦合系数，并且]VNc(L山)"2。这意味着从初级侧看到的阻抗z位于图12所示的半圆上的任何 点上。对应于涡流损失的电阻R2由下列等式(7)表示，其中p是体 积电阻率，L是导电膜的等效长度，W是导电膜的等效宽度，d是导 电膜的厚度。及2 =/°〖『xd(7)图12示出按照阻抗坐标从AC信号源124看到的阻抗z的轨迹。 垂直轴表示电抗分量(X)，而水平轴表示电阻分量(R)。点C表示 膜厚大到100pm (可以将导电膜看作是完美的导体)的情况。在这种 情况下，从AC信号源124的端子128和130看到的阻抗z (参见图 6)具有在位于传感器线圈100附近的导电膜6中的极度增加的涡流、等效地并联连接到传感器线圈100的极度减小的电阻分量(R2)和极 度减小的电抗分量。因而，电阻分量(R)和电抗分量(X)都变小。
当导电膜在抛光期间变薄时，从传感器线圈100的输入端(端子 128和130)看到的阻抗z具有与点C相比的增加的等效电阻分量(R2) 和增加的电抗分量。点B表示从传感器线圈100的输入端看到的阻抗 z具有最大电阻分量(R)的点。在点B,从传感器线圈100的输入 端看到的涡流损失被最大化。当导电膜在进一步抛光期间变更薄时， 涡流减小。因此，从传感器线圈IOO看到的电阻分量(R)逐渐减小， 这是因为涡流逐渐减小。当通过抛光完全除去导电膜时，不会引起更 多的涡流损失。相应地，等效地并联连接到传感器线圈100的电阻分 量(R2)变为无限大。因此，只有传感器线圈100的电阻分量(R,) 保留下来。此时，电抗分量(X)对应于传感器线圈本身的电抗分量 (L,)。点A代表该状态。
当利用镶嵌工艺在形成在氧化硅膜中的沟槽中形成铜互连时，在 氧化硅膜上形成阻挡层，例如氮化钽(TaN)或氮化钛(TiN)，并且 进一步在阻挡层上形成金属互连，例如具有高导电率的铜或钨。因而， 在对这种导电膜进行抛光的情况下，重要的是检测对阻挡层进行抛光 的结束点。然而，如上所述，阻挡层形成为具有相对低的导电率和厚 度在埃的数量级上的超薄膜，例如氮化钽(TaN)或氮化钛(TiN)。
利用根据本实施例的涡流传感器，可以很容易地检测接近抛光结 束点的这种阻挡层的膜厚。具体地讲，图12所示的点D代表膜厚为 大约1000埃的情况。电阻分量的变化根据膜厚从点D到点A的变化 基本上以线性方式变得极大，在所述点A膜厚为零。此时，如图12 所示，电抗分量(x)与电阻分量(R)相比具有极度减少量的变化。 因而，在采用基于振荡频率的变化来检测膜厚的原理的涡流传感器 中，所述振荡频率的变化是由电抗变化引起的，振荡频率的变化大大 小于膜厚的变化，因此必须提高频率以便提高频率变化的分辨能力。阻抗型涡流传感器可以通过检测电阻分量的变化利用固定振荡 频率来检测膜厚的变化。因此，可以利用相对低的频率很清楚地监测 极薄膜的抛光条件。在本实施例中，基于由膜厚变化引起的电阻分量 变化来检测膜厚。然而，根据导电膜的类型，可以基于振荡频率的变 化来检测膜厚。或者，可以基于电抗分量和电阻分量的合成阻抗来检 测膜厚。此外，还可以通过测量弧长来检测膜厚，这将在后面进行说 明。
为了检测具有相对低的导电率的阻挡层，与检测具有高导电率的
金属膜的情况相比希望提高AC信号源124的振荡频率。当振荡频率 升高时，可以清楚地监测阻挡层的膜厚在0到250埃的范围内的变化。 在具有相对高的导电率的金属膜例如铜膜的情况下，甚至在低振荡频 率下也可以清楚地检测膜厚的变化。此外，在上述频率中间的振荡频 率可以适当地用于钨膜。因此，希望根据被测膜的类型来选择振荡频 率。
接下来，将说明来自阻抗型涡流传感器10b中的抛光垫2的影响。 如图1所示，通过掩埋在抛光台1中的涡流传感器10的传感器线圈 100经由抛光垫2来测量正在被抛光的形成在半导体晶片W表面上 的导电膜。为了测量通过抛光设备的抛光垫2来抛光的半导体晶片W 上的导电膜6的膜厚，形成在传感器线圈100的上端和导电膜6之间 的间隙G (参见图5)根据置于传感器线圈100和导电膜6之间的抛 光垫2的厚度而变化。结果，如图13所示，X和Y分量的弧形轨迹
根据通过具有厚度山、d2、 (13和山(山<(12<(13<(14)的抛光垫形成的间
隙G而变化。因此，为了基于X和Y分量的弧形轨迹精确地测量半 导体晶片W上的导电膜6的膜厚，必须利用具有各种厚度的抛光垫 来准备关于晶片的膜厚的X和Y分量的测量信息。可以在每次用新 的抛光垫来替换旧的抛光垫时准备这种测量信息。在准备测量信息之 后，测量导电膜6的膜厚。
24在X和Y分量的测量结果中，如图13所示，针对不同的传感器 线圈上端与导电膜之间的间隙G用线(ri、 i"2和r3)连接导电膜的相 同膜厚的X和Y分量的输出值。线(n、 i"2禾卩r3)在交叉点(中心点) P彼此交叉。因此，可以从通过涡流传感器的X和Y分量的测量结 果获得中心点P。这些初步测量线rn (n=l、 2、 3…)中的每一条相 对于基准线L (图13中的水平线)以仰角e倾斜，其中所述基准线L 穿过交叉点P并且Y分量为恒定值。仰角e取决于导电膜的膜厚。相应地，即使用于对半导体晶片W的导电膜6进行抛光的抛光 垫的厚度是未知的，也可以基于根据导电膜的膜厚先前已经测量的仰角e的变化趋势的相关性来计算导电膜的膜厚。具体地讲，中心点p和具有导电膜6的X和Y分量的输出值(测量结果)的点用实际测 量线rn连接起来。当获得实际测量线L相对于基准线L的仰角e时，可以基于仰角e来计算导电膜6的膜厚。当然，基准线L可以是图13中的X分量为恒定值的垂直线。接下来，将说明由仰角e计算膜厚的具体例子。例如，制备具有不同厚度的抛光垫以及在其上形成有不同膜厚的铜膜的样品晶片。在 直角坐标系中测量代表这些抛光垫和样品的组合的点。例如，针对2mm的抛光垫厚度和2000埃的膜厚计算点(x,， y,)，并且针对3mm 的抛光垫厚度和2000埃的膜厚计算点(x2， y2)。然后，计算穿过这 些点的线。这条线用下面的等式(8)来代表。这条线具有仰角e,并 穿过针对2000埃的共同膜厚的点。",-^f^(H,) ……(8)同样，针对2mm的抛光垫厚度和3000埃的膜厚计算点(x3， y3)， 并且针对3mm的抛光垫厚度和3000埃的膜厚计算点(X4， y4)。然 后，计算穿过这些点的线。这条线用下面的等式(9)表示。这条线 具有仰角62并穿过针对3000埃的共同膜厚的点。<formula>formula see original document page 26</formula> ……(9)具有不同倾角的这些线在中心点p相交。当仰角e具有相同值时， 导电膜具有相同的膜厚，而与抛光垫厚度无关。通过以下等式(io) -(13)计算具有不同倾角的线的交叉点(中心点)。
<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)
涡流传感器的控制器106用于按照以下方式基于仰角e来测量膜
厚。控制器106计算对应于导电膜类型的中心点p和对应于导电膜的
膜厚的仰角e，并将中心点p和仰角e存储在诸如存储器的存储器件 中。当抛光设备工作时，控制器106基于实际测量线l的仰角e来计
算导电膜的膜厚，所述实际测量线rn将具有X和Y分类的输出值的
点和存储器中的中心点p互连起来。具体地讲，涡流传感器的控制器
106形成运算单元，从而可以在抛光期间快速地测量半导体晶片w上
的导电膜6的膜厚。可以将用于计算中心点p和仰角e的信息存储在 存储器中，并且可以在每次测量时计算中心点p和仰角e。此外，可 以利用校准数据表来校准中心点，所述校准数据表包括厚度以及对应
于膜厚的电阻分量(Xm)和电抗分量(Ym)。
即使将要利用涡流传感器进行测量的导电膜是由相同的材料构 成的，导电膜的电阻率也会根据淀积条件例如淀积设备或淀积方法而稍微变化。如果导电膜具有不同的电阻率，则电阻分量(R)和电抗 分量(X)的输出值在图12中的这些输出值的圆形轨迹上根据它们 的电阻率而变化。具体地讲，当电阻率具有小的变化值时，输出值在 圆形轨迹上顺时针移动。当电阻率具有大的变化值时，输出值在圆形 轨迹上逆时针移动。因而，根据由淀积条件变化引起的电阻率的变化 来预置校正系数。计算涡流传感器的测量结果，并且通过校正系数进 行校正以消除电阻率的变化。因此，可以精确地测量导电膜的膜厚。对于上述目的，涡流传感器的控制器106 (参见图1)用于消除 电阻率的变化。具体地讲，预先获得用于消除由淀积条件变化引起的 导电膜的电阻率变化的校正系数，并且将其存储在诸如存储器的存储 器件中。当测量导电膜的膜厚时，执行诸如用存储器中的校正系数乘 以X和Y分量的输出值等处理，以便以高精度测量导电膜的膜厚。 因此，涡流传感器的控制器106可以以高精度测量半导体晶片W上 的导电膜6的膜厚，同时不存在由淀积条件变化所引起的任何误差。当抛光阻挡层(例如，厚度大约为30nm的TaN膜)时，在测量 点在阻抗平面上移动时它们也许不形成一个圆形。甚至在这种情况 下，通过放大阻抗平面的一部分并且测量测量点的移动距离也可以获 得膜厚的变化和膜厚的值。当对作为半导体晶片的导电膜的铜层进行抛光但是具有极小厚 度的TaN层(阻挡层)留在半导体晶片上时，在半导体晶片的硅材 料中产生的涡流可能大大地影响由涡流传感器得到的X和Y分量的 测量结果。相应地，为了精确地测量超薄阻挡层例如剩余TaN层的 膜厚而不受半导体晶片的硅材料的影响，必须从测量结果中除去由于 硅材料所造成的X和Y分量，以便只提取由于诸如TaN层的阻挡层 产生的坐标变化。具体地讲，通过涡流传感器预先测量由于不具有淀 积在其上的导电膜的半导体晶片中的硅材料而产生的X和Y分量。 从涡流传感器的测量结果中除去由于硅材料而产生的X和Y分量。因此，甚至在诸如TaN层的阻挡层保留在半导体晶片上的t青况下， 也可以以高精度测量阻挡层的膜厚。具体地讲，可以消除在抛光期间 不变的来自硅材料的影响，并且可以在抛光期间在阻抗平面上以放大 状态显示由阻挡层的膜厚变化所引起的变化。
相应地，在本实施例中，预先测量没有导电膜的硅基板的X和Y 分量。涡流传感器的控制器106 (参见图1)进行相位旋转，以使X 和Y分量的输出值与xy坐标系中的x轴或y轴一致。为此，在xy
坐标系(直角坐标系)中计算用于进行上述相位旋转的旋转角e，并
且将其存储在诸如存储器的存储器件中。
例如，当测量保留在半导体晶片(硅基板)上的诸如TaN层的 阻挡层时，获得由图14A中的实线所示的轨迹。如图14A所示，阻 挡层(TaN)的膜厚的变化极小。在这种情况下，将受到硅基板影响 的点P的坐标输入到具有转换逻辑软件的控制器106中，以便进行坐 标轴的旋转移动。具体地讲，如图14B所示，进行旋转以便使硅基板 的阻抗分量与x轴或y轴一致。然后，如图14C所示，在x方向和y 方向上只放大TaN的分量。由此，可以避免来自硅基板的阻抗分量 的影响并提高了检测灵敏度。根据上述方法，在不用预先测量硅基板 的X和Y分量的情况下可以消除来自硅基板的阻抗分量的影响，并 且可以以放大方式只显示阻挡层的阻抗的变化。
具体地讲，首先进行相位旋转和偏移量调整(平行位移)，然后 转变坐标系，如图14B所示。因此，通过相位角的旋转可以消除硅基 板的X和Y分量。接着，如图14C所示，在y方向上进行扩展，以 便以方夂大方式只显示阻挡层的分量，从而可以以高精度检测阻挡层的 膜厚。这样，这种方法采用相位旋转和扩展来测量基板上的导电膜的 膜厚。
更具体地讲，涡流传感器的控制器106用于消除受到硅影响的坐 标分量并扩展与诸如超薄阻挡层的导电膜6的膜厚对应的坐标分量，以便精确地测量导电膜的膜厚。在本例中，对来自涡流传感器的结果 进行相位旋转。然而，可以通过从包括阻挡层的结果中减去只包括硅的结果的X和Y分量，来只提取和输出阻挡层的灵敏度。此外，相对于从传感器线圈100到半导体晶片(导电膜)的距离， 如果固定半导体晶片的顶环3中的诸如不锈金属材料的导电材料位 于传感器线圈100附近，则由于顶环3的导电材料而产生的X和Y 分量可能影响输出值。因而，希望固定半导体晶片的顶环3中的诸如 不锈金属材料的导电材料远离传感器线圈100，从而使顶环3不影响 来自涡流传感器的X和Y分量的输出值(在半导体晶片的导电膜中 产生的涡流)。优选地，导电材料可以离传感器线圈100至少10mm。 在这种情况下，可以将来自顶环3中的不锈金属材料的影响基本上减 小到可忽略的程度。当顶环中的导电材料有影响时，上述相位旋转可 以将该影响减小到可忽略的程度。涡流传感器的校准可以如下进行。对参考晶片的导电膜进行抛 光，并测量参考晶片的膜厚。调节主放大器104的相位、增益和偏移 量并在主放大器104中进行反转(inversion),从而使图12中的电阻 分量(R)和电抗分量(X)的圆形轨迹中的基准点和结束点是固定 不变的，其中在所述基准点开始测量，在所述结束点除去导电膜。因 此，可以消除涡流传感器的个体差异的影响并精确地检测导电膜的膜 厚的变化。涡流传感器的控制器106在抛光过程中可以快速地进行导电膜 的膜厚测量。如果需要在预定膜厚切换抛光模式，则可以将前置放大 器或主放大器预先设定在一定范围内，使得可以在埃的数量级上测量 膜厚，以便进行精确的膜厚测量。例如，在大约300埃切换抛光模式 的情况下，当抛光厚度至少为大约300埃的Cu层或W层时可以将前 置放大器或主放大器配置成使测量结果超出可测量的范围(即，处于 饱和状态)。当Cu层或W层具有小于大约300埃的厚度时可以将前置放大器或主放大器配置成其具有线性的放大度。
具体地讲，可以将前置放大器或主放大器配置成具有以下特性， 在大于预定膜厚时信号饱和而在小于预定膜厚时信号改变。因此，可 以在预定膜厚切换工艺。此时，抛光外形具有陡峭的形状，并且由于
微分值(differential value)的设置的宽度增宽而便于设置。例如，当 在预定膜厚T,切换抛光工艺时，如图15A所示，将放大器的增益预 先设置成在膜厚T,时饱和，如图15B所示。这样，如图15C所示， 可以在膜厚T,以下获得基本恒定的输出。在膜厚T,时输出开始明显 下降。如图15D所示，在时间微分的底部检测t2，从而在抛光期间可 以清楚地检测预定膜厚T,。
基于上述测量结果，涡流传感器的控制器106将工作模式从上述 的膜厚测量切换到针对阻挡层的膜厚测量，其采用了相位旋转和扩 展。因此，可以进行具有高精度的抛光工艺。在这种工作模式下，通 过切换振荡频率或放大度可以可靠地检测具有小膜厚的阻挡层的存 在，从而可以适当地确定抛光工艺的结束点。此外，在抛光钨膜、铜 膜等的情况下，可以通过在预定膜厚时将抛光工艺从高压抛光工艺切 换到低压抛光工艺来防止抛光过程中的凹陷或腐蚀。
在具有低电阻(例如，0.01到0.03Q.cm的电阻率)的基板的情 况下，例如鹆处理等，由于基板的电阻变化而降低了膜厚测量的精度。 如果形成在基板上的金属膜的电阻率和膜厚相同，则按照阻抗坐标的 轨迹曲线中的弧长是恒定的，与基板的电阻无关。例如，根据用于校 准的基板的电阻、金属膜的厚度、和膜厚的变化在阻抗曲线上预先测 量测量点的移动(移动距离)。接着，可以基于当抛光基板时获得的 抛光开始点与阻抗曲线上的弧中的当前点之间的距离来计算实际基 板的膜厚。希望用于校准的基板的金属材料与实际基板的导电材料是 相同的材料。具体地将，即使基板具有低电阻率或其是通过不稳定材 料形成的，通过预先计算各种金属的膜厚和弧中的测量点的位置，也可以适当地计算导电膜的膜厚的变化。下面将说明在具有低电阻的基板的情况下使用弧长的方法，在具 有相对低导电率的膜的膜厚测量中，这种方法是适用的。从抛光数据的x、 y和z计算阻抗平面上的轨迹，并且其可以用于抛光工艺的结 束点的检测。然而，如果坐标轴中的绝对值用作用于结束点检测的信 号，则因为测量点由于下层硅基板的影响而在相应的抛光工艺中变 化，所以不能获得高灵敏度。从这一观点来看，测量了抛光轨迹从抛 光开始点(t=0)时的坐标(Xo， Y。)到抛光时间t之后的坐标位置 (Xp， Yp)的长度。由于这种方法采用测量弧长，因此即使抛光轨迹 在阻抗平面上移动，也可以总是获得来自抛光开始点的变化的绝对 值。因而，可以提高测量灵敏度。图16A和16B示出采用测量弧长的方法的例子。图16A示出阻 抗平面上的弧长，图16B示出下层硅基板具有不同导电率时的弧长C 和D。例如，当抛光台以60min"的转速旋转时，每次旋转即每一秒 钟传感器线圈穿过基板的预定区域，并且获得预定区域上的数据。因 此，获得在1=0时的坐标(Xo， Yo)、在t,时的坐标(Xp Y,)、以及 在b时的坐标(Xp Y2)。基于这些数据，获得1=0时的点与1=^时 的点之间的弧长L,。同样，获得从t,到t2的弧长L2，以及获得从t2到t3的弧长L3。下面将说明在使用具有不同电阻率的低电阻基板作为硅基板的 情况下钨膜的膜厚的测量。在这种情况下，如果硅基板具有相同的电 阻率，则在抛光期间阻抗轨迹具有阻抗平面上的弧形的形式。即使具 有不同电阻率的低电阻基板用作硅基板，当W膜的膜厚具有相同的 变化量时，阻抗轨迹处在相同长度的相同弧上。例如，如图16B所示，当对厚度为3000埃的W膜进行抛光时， 其中下层硅基板具有0.03&cm的电阻率的弧C具有与其中下层硅基 板具有O.OlQ.cm的电阻率的弧D相同的长度。在从阻抗坐标上的半圆形的中心看到的旋转角之间存在差异，这是因为受到下层硅基板的 电阻率的影响。相应地，通过如上所述的具有己知电阻率的基板上的 校准数据来校准旋转角之间的差异。因此，可以计算形成在包括具有
未知电阻率的下层硅基板的基板上的w膜的膜厚。
根据如上所述的具有涡流传感器的抛光设备，可以相隔很短的时 间就在半导体晶片的整个表面上进行膜厚测量，以检测抛光工艺的结
束点。此外，由于可以检测诸如Ta、 TaN、 TiN、或Ti的阻挡层的结 束点，因此可以以极高的精度来检测抛光工艺的结束点。此时，即使 在抛光工艺的最后阶段产生导电膜的小片残留物(局部残留物)，根 据本发明的涡流传感器也可以检测直径至少为5mm的小片残留物。 因此，在抛光工艺过程中可以可靠地抛光和除去小片残留物。此外， 甚至在半导体晶片具有由导电材料制成的多层互连的情况下，涡流传 感器也可以可靠地检测导电膜，只要互连的密度不大于90%即可。
希望设置包括LPF、 BPF、 HPF、和陷波滤波器的各种滤波器的 截止频率，以便在测量抛光台的转矩电流、通过涡流测量金属膜的阻 抗变化、通过光学监测器测量氧化物膜的膜厚变化、通过微波测量金 属膜或氧化物膜的膜厚信号的变化等之后，通过信号再生分析噪声分 量并除去噪声分量。例如，当将涡流传感器中的LPF的截止频率设 置在0.1到lkHz的范围内时，可以除去在该传感器中产生的噪声分 量，从而通过精确信号检测来精确地检测特征点。
例如，当通过电解抛光或化学机械抛光除去金属膜时，可以根据 由涡流传感器所测量到的绝对膜厚利用闭合回路来控制顶环挤压抛 光垫的压力、抛光台的温度、抛光台和顶环的转速等，以便控制抛光 工艺中的抛光速度和晶片内的均匀性。
此外，涡流传感器可用于抛光预测或预防性的维护。例如，每隔 预定的时间对从被抛光晶片获得的涡流传感器的阻抗特性进行测量。 基于阻抗特性和模型数据之间的相关性，来进行抛光预测，以便预测获得与抛光工艺结束点的模型数据相对应的阻抗特性所需要的剩余时间。这样，与CMP设备中的抛光台的旋转无关，可以以比使抛光 台回转一次所需的时间更短的间隔检测抛光结束点。此外，可以在初 期预测到抛光结束点的剩余时间。相应地，由于可以检测抛光工艺的 进程，因此可以快速地处理在抛光期间出现的反常情况。还可以利用根据本发明的涡流传感器通过阻抗分析来检测用于 处理用来拋光的浆料或废液的工艺的结束点。例如，将频率为2、 8、 20、和160MHz的电磁波、以及频率为30到300GHz的微波施加到 抛光垫上的浆料、在抛光工艺期间已经被释放的浆料排放管道中的浆 料、或者浆料排放槽中的浆料。检测去磁场、反射幅度和反射的阻抗 变化。然后，对抛光之前的标准阻抗、相对值和绝对值求平均值。因 此，可以从平均值的时间微分的变化来检测抛光结束点。此外，在诸 如电解电镀或化学镀的淀积工艺、或者诸如(超纯水)电解抛光或电 化学抛光的抛光工艺中，可以连续监测电镀液的废液、电解质、超纯 水等的阻抗变化，以检测淀积工艺或抛光工艺的结束点。此外，可以通过信号的积分处理来确定反常情况。具体地讲，涡 流传感器或微波传感器的阻抗的积分值等于传感器的阻抗从抛光开 始点的时间积分值。对阻抗T (x)、 T (y)、和T (z)以及通过传感 器检测到的膜厚进行从抛光开始时间to到当前时间t的积分，以计算 信号积分值St(f)。具体地讲，计算从抛光开始时间到当前时间的信 号积分值St (f)。计算信号积分值St (f)与预先计算的从参考晶片 的抛光开始时间到抛光结束点的信号积分值So (f)的比值。可以使 用该比值来检测抛光结束点或抛光情况中的反常情况。在检测抛光(工艺)结束点的方法中，可以在涡流传感器或微波 传感器中进行边缘切割处理，其中在所述抛光(工艺)结束点将导电 膜从晶片上除去。具体地讲，将半导体晶片分为多个区域(N个区)， 例如五个区。在涡流传感器中，为每个区获得阻抗的X和Y分量、相位e、合成阻抗z、频率F、和由其转换而来的膜厚值。在微波传 感器中，为每个区获得反射信号和传输信号。当从各个区上的数据获 得的值(确定值)高于预定值或低于预定值时，检测抛光(工艺)结 束点。例如，这种结束点检测可以采用包括最佳区上的数据的单值、
所有N个区上的数据的平均值、N个区的期望组合上的数据的平均
值、有效值、数据的一阶时间导数、数据的二阶时间导数以及数据的n阶时间导数的确定值。
此外，为了基于参考时间来检测完全除去金属膜的结束点，所述 参考时间是从传感器信号计算得来的，利用系数对参考时间进行算术 运算，以计算额外的抛光时间段。将额外的抛光时间段加到参考时间 上，以获得抛光结束点。这样，可以适当地设置抛光结束点。
例如，如图17所示，当将传感器线圈100设置在由诸如SiC的 陶瓷(绝缘材料)制成的抛光台1内时，通过传感器线圈100产生磁 通MF，以便在位于抛光台1上方的检测空间中形成大的通路(磁路)。 因此，可以有效地在通过抛光台1上的抛光垫(抛光表面)所抛光的 半导体晶片W上的导电膜6中产生涡流。
然而，如图18所示，如果涡流传感器的传感器线圈100掩埋在 由诸如不锈钢的导电材料制成的抛光台1内，则由传感器线圈100产 生的磁通在抛光台1中产生涡流，以便降低向外发射的磁通的强度。 在这种情况下，由于到达半导体晶片W的磁通MF减少，因此减弱 了在导电膜中产生的涡流的信号。相应地，不能检测到在导电膜中产 生的涡流，要不然就要求传感器线圈100具有极高的灵敏度。
因而，不希望在涡流传感器的传感器线圈附近设置待测导电材料 以外的导电材料(在安装环境中)。然而，例如，不锈钢材料可以适 用于抛光台的材料，在该抛光台中掩埋传感器线圈。具体地讲，尽管 具有高导热率的陶瓷材料例如SiC或氧化铝(A1203)已经广泛地用 作抛光台的材料，但是不锈钢材料可以降低制造成本。当SiC用作抛光台的材料时， 一般通过流过抛光台的冷却水来控制抛光台的温度。 例如，氧化物膜不会受到温度的影响。因而，当对氧化物膜进行抛光 时，不锈钢材料可以用作抛光台的材料而不用温度控制。然而，不锈钢材料是导电的。当涡流传感器形成交变磁场时，在不锈钢材料内产生涡流，使得发射到半导体晶片w上的导电膜的磁通有害地减小。在这种情况下，希望用于在被测导电膜中产生涡流的 磁通较少地受到传感器线圈的安装环境的影响。具体地讲，即使传感 器线圈的安装环境包括诸如不锈钢材料的导电材料，涡流传感器也应 该优选具有高灵敏度。图19示出根据本发明第二实施例的传感器线圈100。将传感器 线圈100设置在由具有高导磁率的材料制成的圆柱形外壳200中。如 上所述，当抛光设备通过抛光垫对半导体晶片W的导电膜6进行抛 光时，将传感器线圈100设置在由诸如不锈钢材料的导电材料制成的 抛光台1中，以便测量导电膜6的膜厚。外壳200由诸如铁氧体，非晶材料、透磁合金、超导磁合金或高 导磁率合金(Mumetal)的具有高导磁率的材料制成。例如，外壳200 的相对磁导率u是50。因此，通过外壳200的磁通量可以是通过位 于传感器线圈周围的空气的磁通量的50倍。换言之，外壳200可以 以电绝缘材料例如设置在传感器线圈100周围的陶瓷材料的五十分 之一 的厚度而使等效磁通量通过。利用图19所示的设置，将电流输送给设置在外壳200内的传感 器线圈IOO的空心线圈，以产生磁通MF。如图19所示，即使当抛 光台1由诸如不锈钢(SUS)材料的导电材料制成时，也不会由于磁 通MF而在抛光台1中产生涡流。因此，测量所需的磁通MF的通路 (磁路)不会减少，这与图18所示的例子不同。因而，可以保持磁 通MF的通路(磁路)，以便有效地在半导体晶片W的导电膜6中产 生涡流。具体地讲，外壳200用作防止由传感器线圈IOO的空心线圈35产生的磁通MF穿过导电材料的抛光台1并将磁通MF扩展到半导体 晶片W上的检测空间中的路径。因此，磁通MF可以在被测导电膜6 中产生大量的涡流。
例如，在图20中，方块代表抛光台1是由诸如不锈钢(SUS) 材料的导电材料制成的情况，而菱形代表抛光台1是由诸如SiC的陶 瓷材料(绝缘材料)制成的情况。如图20所示，即使在抛光台1是 由导电材料制成的情况下，也可以基本上保持与抛光台1是由陶瓷材 料制成的情况相同的灵敏度。具体地讲，可以获得测量灵敏度，从而 从传感器线圈看到的X和Y分量的输出值在直角坐标系中的相似的 圆形轨迹上改变。阻抗由包括电阻分量和电抗分量的复数表示。将从 传感器线圈看到的阻抗作为X分量以及Y分量来进行检测，其中所 述X分量是余弦同步检测的输出值，所述Y分量是正弦同步检测的 输出值。X分量对应电阻分量，Y分量对应电抗分量。
图21示出图18所示的涡流传感器的灵敏度与图17所示的涡流 传感器的灵敏度的对比曲线。具体地讲，菱形代表图17所示的抛光 台1是由诸如SiC的陶瓷材料(绝缘材料)制成的情况，而方块代表 图18所示的抛光台1是由诸如不锈钢(SUS)材料的导电材料制成 的情况。如从图21可以看出的那样，在图17所示的情况下通过足量 的磁通在导电膜中产生足量的涡流。另一方面，由于不足的磁通量而 在导电膜中没有产生足量的涡流。在根据本实施例的涡流传感器中， 由于将传感器线圈100设置在具有高导磁率的圆柱形外壳200中，因 此可以实现如图19所示的磁通量分布。因此，即使当抛光台由诸如 不锈钢(SUS)材料的导电材料制成时，涡流传感器也可以具有与抛 光台是由诸如SiC或氧化铝(A1203)的陶瓷材料(绝缘材料)制成 的情况基本相同的灵敏度。这种具有高导磁率的材料包括铁氧体、非 晶材料、透磁合金、超导磁合金和高导磁率合金。
这样，如图20和21所示，即使当出于设计目的而使抛光台l由诸如不锈钢材料的导电材料制成时，与抛光台是由诸如SiC的陶瓷材 料制成的情况相比，根据本实施例的涡流传感器也可以防止X和Y 分量的输出值的下降以及灵敏度的急剧下降。在本实施例中，将传感器线圈100设置在具有高导磁率的圆柱形 外壳200中，并且将外壳200掩埋在抛光台1中。然而，如图22所 示，可以将诸如SiC的陶瓷材料(绝缘部件)200a掩埋在磁通MF 的通路范围内，以在半导体晶片W的导电膜6中产生有效的涡流。 在这种情况下，由传感器线圈IOO的空心线圈产生的磁通MF没有在 由诸如不锈钢材料的导电材料制成的抛光台中产生无用的涡流。这 样，可以在被测导电膜6中产生大量涡流。考虑到成本等问题，这种 结构与整个抛光台是由陶瓷材料制成的情况相比具有更少的设计限 制。在上述实施例中，通过固定在抛光台上的抛光垫对形成在半导体 晶片上的导电膜进行抛光。然而，本发明还可应用于在刻蚀工艺、电 解抛光工艺、电化学抛光工艺、以及超纯水电解工艺中利用导电膜的 膜厚测量进行的工艺控制。此外，利用导电膜的膜厚测量进行的工艺 控制不仅可以用于除去导电膜，而且还可以用于淀积导电膜。图23示出根据本发明另一实施例的抛光设备。图23所示的抛光 设备具有带式的抛光垫41、用于旋转抛光垫41的巻轴42和43、以 及用于旋转半导体并使半导体晶片挤压抛光垫41的顶环(固定装置) 45。半导体晶片的表面与抛光垫41 (抛光表面)形成滑动接触。这 样，对半导体晶片的表面进行抛光。该抛光设备具有设置在顶环45 正下方的支架46。将根据本发明的涡流传感器掩埋在支架46中，以 监测半导体晶片的表面情况。此外，根据本发明的涡流传感器不仅可以用在抛光设备中，而且 还可以用在各种基板处理设备中。例如，用于在基板的表面上电镀膜 的电镀设备可以包括根据本发明的涡流传感器。图24示出具有根据本发明的涡流传感器的电镀设备的例子。该电镀设备用于在半导体晶
片W上淀积金属镀膜并具有在其中容纳电镀液的电镀槽51 、用于在 电镀槽51中固定半导体晶片W的固定器52、以及设置成面对半导 体晶片W的阳极55。将涡流传感器的传感器线圈100设置在固定器 52内并将其连接到控制器53。控制器53包括AC信号源和用于检测 淀积在半导体晶片上的金属镀膜的膜厚的同步检测电路。这样，可以 以非接触方式可靠地获得镀膜的淀积情况。
本发明不限于上述实施例。例如，抛光设备中的基板固定装置和 涡流传感器不限于所示例子。尽管已经详细地示出和说明了本发明的 某些优选实施例，但是应该理解的是可以在不脱离所附权利要求书的 范围的情况下进行各种改变和修改。
工业实用性
本发明适合用于涡流传感器，该涡流传感器适用于检测形成在诸 如半导体晶片的基板的表面上的导电膜的厚度。
权利要求
1、一种涡流传感器，包括空心的传感器线圈，设置在具有多个区的基板附近，并被容纳在高导磁率材料制成的外壳中；信号源，被配置用于为所述传感器线圈提供AC信号，以在所述基板中产生涡流；检测电路，被配置用于获得关于在所述基板的所述多个区中产生的所述涡流的信号数据；以及控制器，被配置用于基于该信号数据来检测工艺的结束点。
2、 根据权利要求1所述的涡流传感器，其中所述控制器被配置用于采用包括关于所述多个区中的最佳区的信号数据值、关于所述多 个区的所述信号数据的平均值、关于所述多个区的期望组合的所述信 号数据的平均值、有效值、所述信号数据的一阶时间导数、所述信号数据的二阶时间导数和所述信号数据的n阶时间导数的确定值，并且 将该确定值与预定值进行比较，以检测所述工艺的所述结束点。
3、 根据权利要求1所述的涡流传感器，其中所述控制器被配置 用于对所述信号数据进行边缘切割处理，其中所述信号数据包括阻抗的X和Y分量、相位e、合成阻抗Z、 频率F和由其转换的膜厚值。
4、 根据权利要求1所述的涡流传感器，其中所述控制器被配置 用于利用系数对从所述信号数据计算得来的参考时间进行算术运算， 以计算额外的工艺时间段，并将所述额外的工艺时间段加到所述参考 时间上，以便检测所述工艺的所述结束点。
5、 一种基板处理设备，包括 处理装置，用于对基板进行处理；以及 根据权利要求1至4中任一项所述的涡流传感器。
6、 一种抛光设备，包括 抛光表面；基板固定装置，被配置用于固定基板并使所述基板紧压住所述抛 光表面；以及根据权利要求1至4中任一项所述的涡流传感器。
7、 一种基板淀积设备，包括基板淀积装置，被配置用于在基板上淀积导电膜；以及 根据权利要求1至4中任一项所述的涡流传感器。
全文摘要
一种涡流传感器，包括空心的传感器线圈，设置在具有多个区的基板附近，并被容纳在高导磁率材料的外壳中；信号源，被配置用于为该传感器线圈提供AC信号，以在该基板中产生涡流；检测电路，被配置用于获得关于在该基板的所述多个区中产生的涡流的信号数据；以及控制器，被配置用于基于该信号数据来检测工艺的结束点。
文档编号G01B7/00GK101329157SQ20081013402
公开日2008年12月24日 申请日期2004年10月18日 优先权日2003年10月20日
发明者多田光男, 须藤康成 申请人:株式会社荏原制作所