专利名称：导体膜的厚度的测量装置和测量导体膜的厚度的方法
技术领域：
本发明涉及一种导体膜的厚度的测量装置和利用所述测量装置测量导体膜的厚度的方法。
背景技术：
目前，导体膜的厚度的测量方法包括四点探针法、电涡流法、X射线吸收法和X荧光法。四点探针法会对导体膜的表面造成损伤。X射线吸收法与X荧光法具有放射性，因此不适宜于在一般的环境中应用。电涡流法通过单频点的电涡流传感器的阻抗变化、电感变化或Q值变化来测量导体膜的厚度，但存在后续信号处理复杂、对可靠性和稳定性的要求较高等缺陷。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种可以简便地、快速地测量导体膜的厚度的
测量装置。本发明的另一个目的在于提出一种可以简便地、快速地测量导体膜的厚度的方法。为了实现上述目的，根据本发明第一方面的实施例提出一种导体膜的厚度的测量装置，所述导体膜的厚度的测量装置包括电涡流传感器；测力传感器，所述测力传感器与所述电涡流传感器相连用于测量所述电涡流传感器受到的所述导体膜的电磁力的大小；前置信号处理模块，所述前置信号处理模块与所述电涡流传感器相连用于向所述电涡流传感器输入具有预定频率的交变电流，所述前置信号处理模块与所述测力传感器相连用于获得所述测力传感器的测量信号且将所述测量信号转换为模拟电信号；和数据采集模块，所述数据采集模块与所述前置信号处理模块相连用于在所述交变电流的预定相位时采集所述前置信号处理模块提供的所述模拟电信号并将所述模拟电信号转换为数字信号。通过利用根据本发明实施例的导体膜的厚度的测量装置测量导体膜的厚度，不会对所述导体膜的表面造成损伤。而且，所述测量装置通过设置所述测力传感器，从而可以利用所述电涡流传感器受到的所述导体膜的电磁力的大小来表征所述导体膜的厚度，这样不仅可以大大地简化测量过程，而且可以大大地简化后续的信号处理过程。因此，所述测量装置可以简便地、快速地测量所述导体膜的厚度。另外，根据本发明实施例的导体膜的厚度的测量装置还可以具有如下附加的技术特征根据本发明的一个实施例，所述电涡流传感器的线圈的外径大于3毫米，所述线圈的匝数大于100。这样可以使所述源电磁场的磁场强度足够大，以便更加精确地测量所述晶圆的金属膜的厚度。根据本发明的一个实施例，所述测力传感器为压电石英晶体动态力传感器。通过利用所述压电石英晶体动态力传感器，可以更加精确地测量所述电涡流传感器受到的所述导体膜的电磁力的大小。根据本发明的一个实施例，所述测力传感器的测量精度大于lmN。这样可以更加精确地测量所述电涡流传感器受到的所述导体膜的电磁力的大小，并进而可以更加精确地测量所述导体膜的厚度。根据本发明第二方面的实施例提出一种测量导体膜的厚度的方法，所述测量导体膜的厚度的方法包括A)将电涡流传感器放置在与已知厚度的导体膜间隔预定距离的位置处，向所述电涡流传感器输入预定频率的交变电流，且利用测力传感器测量所述电涡流传感器受到的所述已知厚度的导体膜的电磁力的大小；B)利用前置信号处理模块获得所述测力传感器的测量信号且将所述测量信号转换为模拟电信号，然后利用数据采集模块在所述交变电流的预定相位时采集所述前置信号处理模块提供的所述模拟电信号并将所述模拟电信号转换为数字信号以便得到所述电涡流传感器受到的所述电磁力的测量值；C) 重复所述步骤A)和所述B)多次以便得到所述电涡流传感器受到的多个已知厚度的导体膜的电磁力的测量值，其中所述多个已知厚度的导体膜的厚度彼此不同，然后建立所述多个已知厚度的导体膜的厚度与所述电涡流传感器受到的所述多个已知厚度的导体膜的电磁力的测量值的关系；和D)将所述电涡流传感器放置在与待测厚度的导体膜间隔所述预定距离的位置处，重复所述步骤A)和所述B)以便得到所述电涡流传感器受到的所述待测厚度的导体膜的电磁力的测量值，且根据所述关系得到所述待测厚度的导体膜的厚度。根据本发明实施例的测量导体膜的厚度的方法通过利用根据本发明第一方面所述的测量装置来测量所述导体膜的厚度，从而可以简便地、快速地测量所述导体膜的厚度。根据本发明的一个实施例，在所述步骤A)中，利用所述前置信号处理模块向所述电涡流传感器输入预定频率的交变电流。根据本发明的一个实施例，在所述步骤B)中，所述信号采集模块产生所述预定频率的脉冲信号以便在所述预定相位采集所述前置信号处理模块提供的模拟电信号。这样可以使所述数据采集模块更加精确地在所述预定相位采集所述前置信号处理模块提供的模拟电信号，从而可以使所述测量装置更加精确地测量所述电涡流传感器受到的所述导体膜的电磁力的大小，即可以使所述测量装置更加精确地测量所述导体膜的厚度。根据本发明的一个实施例，所述待测厚度的导体膜为晶圆的金属膜。根据本发明的一个实施例，在所述步骤A)中，所述电涡流传感器对所述晶圆的金属膜进行全局扫描。这样可以对所述晶圆的金属膜进行全局测量。根据本发明的一个实施例，所述预定频率为4MHZ-5MHZ。这样可以更加精确地测量所述导体膜的厚度。本发明的附加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。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图1是根据本发明实施例的导体膜的厚度的测量装置的结构示意图2是根据本发明实施例的测量导体膜的厚度的方法的流程图；图3示出了在零相位时在不同的导体膜的厚度下电涡流传感器受到的电磁力的大小与交变电流的频率的关系曲线；图4示出了在零相位时在不同的交变电流的频率下电涡流传感器受到的电磁力的大小与导体膜的厚度的关系曲线；和图示出了由图4中的电磁力-膜厚关系曲线生成的线性度曲线。
具体实施例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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”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。在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、 “连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。下面参考图1描述根据本发明实施例的导体膜20的厚度的测量装置10。如图1 所示，根据本发明实施例的导体膜20的厚度的测量装置10包括电涡流传感器100、测力传感器200、前置信号处理模块300和数据采集模块400。测力传感器200与电涡流传感器100相连用于测量电涡流传感器100受到的导体膜20的电磁力的大小。前置信号处理模块300与电涡流传感器100相连用于向电涡流传感器100输入具有预定频率的交变电流，前置信号处理模块300与测力传感器200相连用于获得测力传感器200的测量信号且将所述测量信号转换为模拟电信号。数据采集模块 400与前置信号处理模块300相连用于在所述交变电流的预定相位时采集前置信号处理模块300提供的模拟电信号并将所述模拟电信号转换为数字信号。下面参考图2描述根据本发明实施例的测量导体膜20的厚度的方法。如图2所示，根据本发明实施例的测量导体膜20的厚度的方法包括A)将电涡流传感器100放置在与已知厚度的导体膜20间隔预定距离L的位置处， 向电涡流传感器100输入预定频率的交变电流，且利用测力传感器200测量电涡流传感器 100受到的已知厚度的导体膜20的电磁力的大小；B)利用前置信号处理模块300获得测力传感器200的测量信号，且前置信号处理模块300将所述测量信号转换为模拟电信号，然后利用数据采集模块400在所述交变电流的预定相位时采集前置信号处理模块300提供的所述模拟电信号并将所述模拟电信号转换为数字信号以便得到电涡流传感器100受到的所述电磁力的测量值；C)重复所述步骤A)和所述B)多次以便得到电涡流传感器100受到的多个已知厚度的导体膜20的电磁力的测量值，其中所述多个已知厚度的导体膜20的厚度彼此不同，然后建立所述多个已知厚度的导体膜20的厚度与电涡流传感器100受到的所述多个已知厚度的导体膜20的电磁力的测量值的关系；和D)将电涡流传感器100放置在与待测厚度的导体膜20间隔所述预定距离L的位置处，重复所述步骤A)和所述B)以便得到电涡流传感器100受到的所述待测厚度的导体膜20的电磁力的测量值，且根据所述关系得到所述待测厚度的导体膜20的厚度。具体地，首先可以将电涡流传感器100放置在与已知厚度的导体膜20间隔预定距离L(即提离高度h)的位置处，例如可以将电涡流传感器100放置在所述已知厚度的导体膜20的上方。然后向电涡流传感器100输入预定频率的交变电流，这样可以在电涡流传感器100的周围产生源电磁场。由于所述源电磁场的作用，已知厚度的导体膜20中会产生感应电涡流，并且伴随产生相应的感应电磁场。由于所述源电磁场和所述感应电磁场的相互作用，以及已知厚度的导体膜20和电涡流传感器100中的电流流动，因此在电涡流传感器100和已知厚度的导体膜20之间就会产生相互作用的电磁力。利用测力传感器200可以测量电涡流传感器100受到的已知厚度的导体膜20的电磁力的大小。其中，电涡流传感器100受到的已知厚度的导体膜20的电磁力与已知厚度的导体膜20受到的电涡流传感器 100的电磁力大小相等且方向相反。其中，所述感应电磁场的大小与提离高度h、导体膜20的厚度、导体膜20的电导率 σ和所述交变电流的频率有关。换言之，电涡流传感器100受到的所述电磁力的大小与提离高度h、导体膜20的厚度、导体膜20的电导率ο和所述交变电流的频率有关。通过保持提离高度h、导体膜20的电导率ο和所述交变电流的频率不变，可以使电涡流传感器100 受到的所述电磁力的大小与导体膜20的厚度一一对应。即可以利用电涡流传感器100受到的所述电磁力的大小来表征导体膜20的厚度。由于所述交变电流的交变特性，电涡流传感器100受到的所述电磁力的大小和方向也会以相应的频率发生周期性变化，因此在每一次测量中可以利用数据采集模块400在所述交变电流的预定相位时采集前置信号处理模块300提供的所述模拟电信号。数据采集模块400将所述模拟电信号转换为数字信号以便得到电涡流传感器100受到的所述电磁力的测量值。可以利用显示装置(例如计算机500)读取电涡流传感器100受到的所述电磁力的测量值。选取多个厚度彼此不同的已知厚度的导体膜20(例如50nm、100nm、200nm、300nm、 400nm、500nm、700nm、900nm、1200nm、1500nm)，并且对应地重复所述步骤A)和所述B)多次
以便得到电涡流传感器100受到的多个已知厚度的导体膜20的电磁力的测量值，然后建立所述多个已知厚度的导体膜20的厚度与电涡流传感器100受到的所述多个已知厚度的导体膜20的电磁力的测量值的关系(例如关系曲线)。将电涡流传感器100放置在与待测厚度的导体膜20间隔所述预定距离L的位置处以便保持提离高度h不变，然后重复所述步骤A)和所述B)以便得到电涡流传感器100 受到的所述待测厚度的导体膜20的电磁力的测量值，最后根据所述关系即可得到所述待测厚度的导体膜20的厚度。
通过利用根据本发明实施例的导体膜20的厚度的测量装置10测量导体膜20的厚度，不会对导体膜20的表面造成损伤。而且，测量装置10通过设置测力传感器200，从而可以利用电涡流传感器100受到的导体膜20的电磁力的大小来表征导体膜20的厚度，这样不仅可以大大地简化测量过程，而且可以大大地简化后续的信号处理过程。因此，测量装置10可以简便地、快速地测量导体膜20的厚度。根据本发明实施例的测量导体膜20的厚度的方法通过利用测量装置10来测量导体膜20的厚度，从而可以简便地、快速地测量导体膜20的厚度。在本发明的一些实施例中，在所述步骤A)中，可以利用前置信号处理模块300 向电涡流传感器100输入预定频率的交变电流。具体地，所述交变电流的频率可以是 100KHz-50MHz,即所述预定频率为 100KHz_50MHz。在本发明的一个实施例中，在所述步骤B)中，数据采集模块400可以产生所述预定频率的脉冲信号以便在所述预定相位(例如零相位)采集前置信号处理模块300提供的模拟电信号。换言之，所述脉冲信号的频率等于所述交变电流的频率。这样可以使数据采集模块400更加精确地在所述预定相位采集前置信号处理模块300提供的模拟电信号，从而可以使测量装置10更加精确地测量电涡流传感器100受到的导体膜20的电磁力的大小， 即可以使测量装置10更加精确地测量导体膜20的厚度。图3示出了在零相位时在不同的导体膜的厚度下电涡流传感器100受到的导体膜 20的电磁力的大小与所述交变电流的频率的关系曲线。由图3可以看出，电涡流传感器100 受到的导体膜20的电磁力的大小足够分辨不同的导体膜20的厚度之间的差别。图4示出了在零相位时在不同的所述交变电流的频率下电涡流传感器100受到的导体膜20的电磁力的大小与导体膜20的厚度的关系曲线。由图4可以看出，当所述交变电流的频率为3MHz-6MHz时，所述关系曲线的线性度最好。对3ΜΗζ_6ΜΗζ频率段的所述关系曲线进行线性拟合，可以得到如图5所示的线性度曲线。由图5可以看出，当所述交变电流的频率为4ΜΗζ-5ΜΗζ时，所述线性度曲线的线性程度最好。有利地，所述预定频率可以是 4ΜΗζ-5ΜΗζ。换言之，所述交变电流的频率可以是4ΜΗζ_5ΜΗζ。这样可以更加精确地测量导体膜20的厚度。在本发明的一些示例中，测力传感器200的测量精度可以大于lmN。这样可以更加精确地测量电涡流传感器100受到的导体膜20的电磁力的大小，并进而可以更加精确地测量导体膜20的厚度。有利地，测力传感器200的最大分辨率可以大于等于0. lmN/nm，这样可以利用测量装置10对纳米量级的导体膜20的厚度进行测量。在本发明的一个示例中，测力传感器200可以是压电石英晶体动态力传感器。通过利用所述压电石英晶体动态力传感器，可以更加精确地测量电涡流传感器100受到的导体膜20的电磁力的大小。在本发明的一些示例中，所述待测厚度的导体膜20可以是晶圆的金属膜。换言之，可以利用测量装置10和所述测量导体膜20的厚度的方法来测量所述晶圆的金属膜的厚度。在本发明的一个示例中，电涡流传感器100的线圈的外径可以大于3毫米，所述线圈的匝数可以大于100。这样可以使所述源电磁场的磁场强度足够大，以便更加精确地测量所述晶圆的金属膜的厚度。在本发明的一个具体示例中，在所述步骤A)中，电涡流传感器100可以对所述晶圆的金属膜进行全局扫描。这样可以对所述晶圆的金属膜进行全局测量。根据本发明实施例的测量装置10可以简便地、快速地测量导体膜20的厚度。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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种导体膜的厚度的测量装置，其特征在于，包括电涡流传感器；测力传感器，所述测力传感器与所述电涡流传感器相连用于测量所述电涡流传感器受到的所述导体膜的电磁力的大小；前置信号处理模块，所述前置信号处理模块与所述电涡流传感器相连用于向所述电涡流传感器输入具有预定频率的交变电流，所述前置信号处理模块与所述测力传感器相连用于获得所述测力传感器的测量信号且将所述测量信号转换为模拟电信号；和数据采集模块，所述数据采集模块与所述前置信号处理模块相连用于在所述交变电流的预定相位时采集所述前置信号处理模块提供的所述模拟电信号并将所述模拟电信号转换为数字信号。
2.根据权利要求1所述的导体膜的厚度的测量装置，其特征在于，所述电涡流传感器的线圈的外径大于3毫米，所述线圈的匝数大于100。
3.根据权利要求1所述的导体膜的厚度的测量装置，其特征在于，所述测力传感器为压电石英晶体动态力传感器。
4.根据权利要求1或3所述的导体膜的厚度的测量装置，其特征在于，所述测力传感器的测量精度大于lmN。
5.一种测量导体膜的厚度的方法，其特征在于，包括A)将电涡流传感器放置在与已知厚度的导体膜间隔预定距离的位置处，向所述电涡流传感器输入预定频率的交变电流，且利用测力传感器测量所述电涡流传感器受到的所述已知厚度的导体膜的电磁力的大小；B)利用前置信号处理模块获得所述测力传感器的测量信号且将所述测量信号转换为模拟电信号，然后利用数据采集模块在所述交变电流的预定相位时采集所述前置信号处理模块提供的所述模拟电信号并将所述模拟电信号转换为数字信号以便得到所述电涡流传感器受到的所述电磁力的测量值；C)重复所述步骤A)和所述B)多次以便得到所述电涡流传感器受到的多个已知厚度的导体膜的电磁力的测量值，其中所述多个已知厚度的导体膜的厚度彼此不同，然后建立所述多个已知厚度的导体膜的厚度与所述电涡流传感器受到的所述多个已知厚度的导体膜的电磁力的测量值的关系；和D)将所述电涡流传感器放置在与待测厚度的导体膜间隔所述预定距离的位置处，重复所述步骤A)和所述B)以便得到所述电涡流传感器受到的所述待测厚度的导体膜的电磁力的测量值，且根据所述关系得到所述待测厚度的导体膜的厚度。
6.根据权利要求5所述的测量导体膜的厚度的方法，其特征在于，在所述步骤A)中，利用所述前置信号处理模块向所述电涡流传感器输入预定频率的交变电流。
7.根据权利要求5所述的测量导体膜的厚度的方法，其特征在于，在所述步骤B)中，所述信号采集模块产生所述预定频率的脉冲信号以便在所述预定相位采集所述前置信号处理模块提供的模拟电信号。
8.根据权利要求5所述的测量导体膜的厚度的方法，其特征在于，所述待测厚度的导体膜为晶圆的金属膜。
9.根据权利要求8所述的测量导体膜的厚度的方法，其特征在于，在所述步骤A)中，所述电涡流传感器对所述晶圆的金属膜进行全局扫描。
10.根据权利要求5所述的测量导体膜的厚度的方法，其特征在于，所述预定频率为 4MHz-5MHz。
全文摘要
本发明公开了一种导体膜的厚度的测量装置和测量导体膜的厚度的方法。所述导体膜的厚度的测量装置包括电涡流传感器；测力传感器，测力传感器与电涡流传感器相连用于测量电涡流传感器受到的导体膜的电磁力的大小；前置信号处理模块，前置信号处理模块与电涡流传感器相连用于向电涡流传感器输入具有预定频率的交变电流，前置信号处理模块与测力传感器相连用于获得测力传感器的测量信号且将测量信号转换为模拟电信号；和数据采集模块，数据采集模块与前置信号处理模块相连用于在交变电流的预定相位时采集前置信号处理模块提供的模拟电信号并将模拟电信号转换为数字信号。根据本发明实施例的测量装置可以简便地、快速地测量导体膜的厚度。
文档编号G01B7/06GK102538655SQ20121000491
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者余强, 孟永钢, 赵乾, 路新春 申请人:清华大学