專利名稱：Cmp過(guò)程中晶圓下液體薄膜中間變量的測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光測(cè)量領(lǐng)域，尤其是一種CMP過(guò)程中晶圓下液體 薄膜的中間變量(拋光液膜厚度、液膜溫度、液膜pH)的測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
隨著超大規(guī)模集成電路多層內(nèi)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，需在硅片上實(shí)現(xiàn)多 層布線結(jié)構(gòu)，且每一層都要求具有很高的全局平整度，以滿足蝕刻要 求。1990年，IBM公司率先提出了化學(xué)機(jī)械拋光(CMP， Chemical Mechanical Planarization)全局平面化技術(shù)，并于1991年成功應(yīng)用于 64Mb的DRAM生產(chǎn)中。之后，CMP技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前CMP 技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作已發(fā)展到全球，并呈現(xiàn)出激烈競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)頭。
盡管CMP被認(rèn)為是獲得光滑無(wú)損傷表面的最有效方法，并且已經(jīng) 廣泛地用于集成電路制造等領(lǐng)域，但在確定某個(gè)具體加工對(duì)象的CMP 加工工藝前，仍需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，憑經(jīng)驗(yàn)不斷調(diào)整工藝參數(shù)，直到 得到滿意的加工效果為止，原因在于人們至今未能完全掌握CMP的 加工機(jī)理。揭示CMP加工機(jī)理的關(guān)鍵在于對(duì)其加工過(guò)程是否有深入 的了解。但由于CMP特有的加工方式晶圓與拋光墊的緊密接觸、 加工區(qū)內(nèi)拋光液膜和磨粒的微小尺寸、物理和化學(xué)參數(shù)的相互作用等 因素，決定了對(duì)CMP過(guò)程觀測(cè)的難度。
實(shí)際CMP過(guò)程中各輸入?yún)?shù)(壓力、轉(zhuǎn)速、拋光墊結(jié)構(gòu)等)之間 是相互獨(dú)立的，而中間變量之間是相互作用的，例如液膜厚度不同， 試件與拋光墊的接觸狀態(tài)(直接接觸、非接觸或半接觸)不同，拋光 液的流動(dòng)和混合(新加入拋光液所占百分比)情況不同，溫度分布場(chǎng)不同，拋光液pH值不同等等因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)有很大影響。所以中間 變量的變化會(huì)直接影響到晶圓與拋光墊之間的接觸狀態(tài)及材料去除機(jī) 理。此外，從變量的性質(zhì)來(lái)看，特定工藝的輸入?yún)?shù)屬狀態(tài)變量(與 時(shí)間無(wú)關(guān))，輸出參數(shù)(去除率、表面均勻性等)屬過(guò)程變量(隨時(shí)間 變化)，直接建立兩者之間的關(guān)系必將進(jìn)入對(duì)大量實(shí)驗(yàn)分類統(tǒng)計(jì)的唯相 學(xué)范疇，雖然對(duì)加工工藝有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，但無(wú)力揭示CMP加工 機(jī)理。而中間變量屬過(guò)程變量，如能確定中間變量與輸入?yún)?shù)、輸出 參數(shù)與中間變量的關(guān)系，并通過(guò)中間變量聯(lián)系輸入輸出參數(shù)，則有望剖析CMP機(jī)理。激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，自從它問(wèn) 世以來(lái)發(fā)展很快，不僅在工業(yè)生產(chǎn)，國(guó)防軍事，醫(yī)學(xué)衛(wèi)生等方面得到 廣泛的應(yīng)用，而且在林業(yè)生產(chǎn)中也被吸收應(yīng)用。利用激光測(cè)量厚度檢 測(cè)時(shí)間短、反應(yīng)靈敏，具有較高的測(cè)量速度，測(cè)量范圍較寬，對(duì)環(huán)境 無(wú)輻射危害。當(dāng)熒光物質(zhì)受紫外光或波長(zhǎng)較短的可見(jiàn)光照射時(shí)，會(huì)發(fā) 射出各種顏色和不同強(qiáng)度的可見(jiàn)熒光，而當(dāng)光源停止照射時(shí)，熒光隨 之消失。利用熒光物質(zhì)的這一特性，用一定波長(zhǎng)的激光輻照一種或幾 種熒光物質(zhì)，根據(jù)其發(fā)射熒光光譜或熒光圖像分析預(yù)測(cè)參量的方法， 即為L(zhǎng)IF技術(shù)。LIF技術(shù)在分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中已成為十分強(qiáng)有力的實(shí) 驗(yàn)方法，除被廣泛應(yīng)用于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、價(jià)態(tài)、微區(qū)、剖層以及 無(wú)損檢測(cè)和遙感遙測(cè)等領(lǐng)域，還可用于溫度、應(yīng)力、潤(rùn)滑油膜厚度、 OH基濃度等物理量的測(cè)量。其原理是當(dāng)這些參數(shù)變化時(shí)，熒光峰值 發(fā)生偏移或熒光強(qiáng)度發(fā)生變化，利用這種變化即可推算出這些參數(shù)的 變化。 發(fā)明內(nèi)容為了克服已有技術(shù)的不能測(cè)量CMP過(guò)程中晶圓下中間變量的不足，本發(fā)明提供一種基于LIF技術(shù)、能夠?qū)MP過(guò)程中晶圓下中間 變量(如厚度、溫度、PH值)進(jìn)行有效測(cè)量的CMP過(guò)程中晶圓下中 間變量的測(cè)量裝置。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種CMP過(guò)程中晶圓下液體薄膜中間變量的測(cè)量裝置，包括激 光器、分光鏡、濾光片、攝像頭、用于計(jì)算測(cè)量的計(jì)算機(jī)以及標(biāo)有兩 種熒光材料的拋光液的拋光液供給機(jī)構(gòu)，所述激光器通過(guò)光纖連接發(fā) 散透鏡，所述發(fā)散透鏡的出射光范圍覆蓋晶圓下的液體薄膜，所述分 光鏡位于晶圓的上方，所述分光鏡的兩個(gè)出射方向設(shè)有兩個(gè)濾光片， 所述每個(gè)濾光片與各自攝像頭相對(duì)，所述的攝像頭與所述計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù) 連接，所述的計(jì)算機(jī)包括用以將攝像頭采集的熒光圖像進(jìn)行圖像處理， 計(jì)算得到兩種熒光強(qiáng)度后，依照熒光強(qiáng)度與厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到液體 薄膜的厚度；將兩種熒光強(qiáng)度的比值作為相對(duì)熒光強(qiáng)度，依照相對(duì)熒 光強(qiáng)度與溫度的對(duì)應(yīng)曲線得到液體薄膜的溫度；依照相對(duì)熒光強(qiáng)度與 pH值的對(duì)應(yīng)曲線得到液體薄膜的pH值的中間變量測(cè)量模塊。作為優(yōu)選的一種方案所述的測(cè)量裝置還包括用以消除兩個(gè)攝像 頭的拍攝時(shí)差的同步器，所述的攝像頭連接同步器。進(jìn)一步，所述的激光器為Ar離子激光器。所述的晶圓為光學(xué)玻璃。所述的攝像頭為CCD攝像頭。 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為在工作狀態(tài)下拋光墊和晶圓之間的液體薄膜厚度非常小達(dá)到微米級(jí)，所以很難用接觸的方式對(duì)晶圓下液體薄膜進(jìn)行測(cè)量。采用Ar離子激光器照射透明微通道中的待測(cè)拋光液液體薄膜，拋光液中含有兩種不同激發(fā)波長(zhǎng)的熒光物質(zhì)。熒光物質(zhì)受到激發(fā)以后分 子發(fā)生了電子從較低的能級(jí)到較高能級(jí)的躍遷，分子由于不穩(wěn)定，通 過(guò)輻射躍遷的返回基態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生熒光。兩種熒光物質(zhì)在受到激發(fā)以 后產(chǎn)生兩種波長(zhǎng)的熒光，發(fā)出的熒光通過(guò)分光鏡分成兩束相同強(qiáng)度的 光線，然后分別通過(guò)各自的濾光片，得到一定波長(zhǎng)的熒光，最后傳送到兩個(gè)CCD攝像頭進(jìn)行熒光信息的采集，并通過(guò)圖像采集卡輸入到計(jì)算機(jī)得到兩張不同熒光波長(zhǎng)的熒光圖像。利用圖像處理技術(shù)，計(jì)算 得到CMP過(guò)程中晶圓下拋光液的混合情況、厚度、溫度和pH值。選擇的激光器要有良好的指向性，要有穩(wěn)定的功率輸出，輸出功率 越穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)的噪聲越小，而信噪比越高。被測(cè)量的熒光強(qiáng)度一般都 比較微弱，在這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中體現(xiàn)了充分考慮了每個(gè)環(huán)節(jié)的信號(hào)丟失， 使得誤差最小化。根據(jù)光學(xué)成像原理，考慮了焦距、放大倍數(shù)、像差 和球面相差。使用濾光片的目的使消除待測(cè)液體薄膜中各種粒子引起 的散射光和激光光源，通過(guò)需要的熒光，但濾光片減少了進(jìn)入CCD 攝像頭的熒光光強(qiáng)，因此選擇濾光片不僅要考慮中心波長(zhǎng)，也要考慮 半波帶寬和波峰折射率。在測(cè)量過(guò)程中要求兩個(gè)CCD攝像頭同一時(shí) 刻拍下兩張圖像，而每一圖像具有不同的光頻率顏色，為了做到同步 性，需要在計(jì)算機(jī)上加一個(gè)同步器來(lái)保證兩張圖像是描述同一時(shí)刻的 液體薄膜信息。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、在線測(cè)量CMP過(guò)程中晶圓下 液體薄膜中間變量；2、兩種熒光物質(zhì)作為測(cè)量工具，分光鏡將熒光分 為兩束，兩種不同的濾光片得到規(guī)定波長(zhǎng)的熒光，圖像處理中將相對(duì) 熒光強(qiáng)度作為測(cè)量溫度、pH值的參考信息，消除了環(huán)境誤差的影響；3、同步器保證兩張熒光圖像描述的是同一時(shí)刻的液體薄膜信息。


圖1是本發(fā)明的CMP過(guò)程中晶圓下中間變量的測(cè)量設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照?qǐng)D1 ， 一種CMP過(guò)程中晶圓下液體薄膜中間變量的測(cè)量裝置， 包括激光器1、分光鏡8、濾光片9、攝像頭10、用于計(jì)算測(cè)量的計(jì)算 機(jī)12以及用以提供具有兩種熒光材料的拋光液的拋光液供給機(jī)構(gòu)，所 述激光器1通過(guò)光纖2連接發(fā)散透鏡3，所述發(fā)散透鏡3的出射光學(xué) 范圍覆蓋晶圓7下的液體薄膜，所述分光鏡8位于晶圓7的上方，所 述分光鏡8的兩個(gè)出射方向設(shè)有兩個(gè)濾光片9，所述每個(gè)濾光片9與 各自攝像頭10相對(duì)，所述的攝像頭10與所述計(jì)算機(jī)11數(shù)據(jù)連接，所 述的計(jì)算機(jī)12包括用以將攝像頭采集的熒光圖像進(jìn)行圖片處理，計(jì)算 得到兩種熒光強(qiáng)度后，依照熒光強(qiáng)度與厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到液體薄膜 的厚度；將兩種熒光強(qiáng)度的比值作為相對(duì)熒光強(qiáng)度，依照相對(duì)熒光強(qiáng) 度與溫度的對(duì)應(yīng)曲線得到液體薄膜的溫度；依照相對(duì)熒光強(qiáng)度pH值 的對(duì)應(yīng)曲線得到液體薄膜的pH值的中間變量測(cè)量模塊。所述同步器11控制兩個(gè)攝像頭的拍攝時(shí)間，用于消除兩個(gè)攝像頭 的拍攝時(shí)差，保證兩個(gè)CCD攝像頭拍攝到同一時(shí)刻的晶圓下拋光液 體信息圖像。所述的激光器1為Ar離子激光器。所述的晶圓7為光學(xué)玻璃。 所述的攝像頭10為CCD攝像頭。本實(shí)施例中，如圖1， CMP過(guò)程中液體薄膜雙重激光誘導(dǎo)熒光遙測(cè)方法裝置包括Ar離子激光器、光纖2、發(fā)散透鏡3、三通閥門4、含 有兩種熒光物質(zhì)羅丹明B和熒光素的拋光液輸入裝置5,光學(xué)玻璃6、 分光鏡7、濾光片8、 CCD攝像頭、同步器ll、計(jì)算機(jī)12。在檢測(cè)過(guò) 程中，因?yàn)楣杵耐该鞫炔缓?，影響到熒光的透過(guò)，不利于檢測(cè)，所 以利用物理和化學(xué)特性都與硅片相近的透明的光學(xué)玻璃代替硅片。Ar 離子激光器照射光學(xué)玻璃下待測(cè)液體薄膜，液體中溶有兩種不同激發(fā) 波長(zhǎng)的熒光物質(zhì)。兩種熒光物質(zhì)在受到激發(fā)以后產(chǎn)生兩種波長(zhǎng)的熒光。 發(fā)出的熒光通過(guò)分光鏡分成兩束相同強(qiáng)度的光線，然后分別通過(guò)各自 的濾光片，得到一定波長(zhǎng)的熒光，最后傳送到兩個(gè)CCD攝像頭進(jìn)行 熒光信息的采集，并通過(guò)圖像采集卡輸入到計(jì)算機(jī)最終得到兩張不同 熒光波長(zhǎng)的熒光圖像。在測(cè)量過(guò)程中要求兩個(gè)CCD攝像頭同一時(shí)刻 拍下兩張圖像，而每一圖像具有不同的光頻率顏色，為了做到同步性， 需要在計(jì)算機(jī)上加一個(gè)同步器來(lái)保證兩張圖像是描述同一時(shí)刻的液體 薄膜信息。最后利用圖像處理技術(shù)，計(jì)算得到CMP過(guò)程中拋光液的 混合情況、厚度、溫度和pH值。本實(shí)施例利用雙重激發(fā)激光誘導(dǎo)熒光遙測(cè)技術(shù)測(cè)量CMP過(guò)程中 晶圓下液體薄膜如下在線信息-1)、拋光液的流動(dòng)、混合特性用兩種熒光物質(zhì)分別標(biāo)定拋光液， 其中一種視為"老"拋光液，另一種視為"新"拋光液，"老"拋光液持續(xù) 加入，"新"拋光液定時(shí)加入。由兩種激發(fā)熒光組成的混合光被分光鏡 等分成兩道光束，各自經(jīng)相應(yīng)濾光片后，得到兩種熒光物質(zhì)的激發(fā)熒 光，分別由相應(yīng)CCD接受，即觀察區(qū)內(nèi)"新"、"老"拋光液熒光圖像。兩幅圖像的灰度比即"新"拋光液所占比例。連續(xù)拍攝圖像，即可動(dòng)態(tài) 地觀察拋光液的流動(dòng)、混合特性。2) 、拋光液膜厚度變化測(cè)定如果某一熒光物質(zhì)溶液滿足如下條 件，溶液濃度很小，溫度不變，pH值不變，激發(fā)光頻率和強(qiáng)度不變， 光被吸收的百分率不太大，那么當(dāng)溶液的厚度不變時(shí)，它所發(fā)生的熒 光強(qiáng)度和該溶液的濃度成正比。反之，當(dāng)溶液濃度不變時(shí)，它所發(fā)生 的熒光強(qiáng)度和該溶液的厚度成正比。據(jù)報(bào)道LIF技術(shù)可分辯15pm以下的厚度，而試件與拋光墊之間拋光液膜的厚度為數(shù)十微米，所以LIF技術(shù)有足夠的分辨率測(cè)定拋光液膜的厚度。3) 、拋光液膜溫度分布測(cè)定采用的兩種熒光物質(zhì)，含其中一種熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度幾乎不受溫度影響，含另一種熒光物質(zhì)的溶液熒 光強(qiáng)度受溫度影響很大，而且成線性關(guān)系，溫度越高熒光強(qiáng)度越弱， 標(biāo)定出溶液相對(duì)熒光強(qiáng)度與溶液溫度的關(guān)系曲線后，即可根據(jù)試件下 方拋光液膜的兩幅熒光圖像，推算出拋光液膜各點(diǎn)溫度值，進(jìn)而描繪 出溫度場(chǎng)。4)、拋光液膜pH分布值測(cè)定某些熒光物質(zhì)(如熒光黃)的溶液 在一定pH值范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度隨pH值的增強(qiáng)而增強(qiáng)。利用與溫度測(cè) 定相類似的方法，即可測(cè)定拋光液膜的pH值。
權(quán)利要求
1、一種CMP過(guò)程中晶圓下液體薄膜中間變量的測(cè)量裝置，其特征在于所述的測(cè)量裝置包括激光器、分光鏡、濾光片、攝像頭、用于計(jì)算測(cè)量的計(jì)算機(jī)以及用以提供具有兩種熒光材料的拋光液的拋光液供給機(jī)構(gòu)，所述激光器通過(guò)光纖連接發(fā)散透鏡，所述發(fā)散透鏡的出射光范圍覆蓋晶圓下的液體薄膜，所述分光鏡位于晶圓的上方，所述分光鏡的兩個(gè)出射方向設(shè)有兩個(gè)濾光片，所述每個(gè)濾光片與各自攝像頭相對(duì)，所述的攝像頭與所述計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)連接，所述的計(jì)算機(jī)包括用以將攝像頭采集的熒光圖像進(jìn)行圖像處理，計(jì)算得到兩種熒光強(qiáng)度后，依照熒光強(qiáng)度與厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到液體薄膜的厚度；將兩種熒光強(qiáng)度的比值作為相對(duì)熒光強(qiáng)度，依照相對(duì)熒光強(qiáng)度與溫度的對(duì)應(yīng)曲線得到液體薄膜的溫度；依照相對(duì)熒光強(qiáng)度與PH值的對(duì)應(yīng)曲線得到液體薄膜的PH值的中間變量測(cè)量模塊。
2、 如權(quán)利要求1所述的CMP過(guò)程中晶圓下液體薄膜中間變量的測(cè)量 裝置，其特征在于所述的測(cè)量裝置還包括用以消除兩個(gè)攝像頭的拍 攝時(shí)差的同步器，所述的攝像頭連接同步器。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的CMP過(guò)程中晶圓下液體薄膜中間變量的 測(cè)量裝置，其特征在于所述的激光器為Ar離子激光器。
4、 如權(quán)利要求4所述的CMP過(guò)程中晶圓下液體薄膜中間變量的測(cè)量 裝置，其特征在于所述的晶圓為光學(xué)玻璃。
5、 如權(quán)利要求4所述的CMP過(guò)程中晶圓下液體薄膜中間變量的測(cè)量 裝置，其特征在于所述的攝像頭為CCD攝像頭。
全文摘要
一種CMP過(guò)程中晶圓下液體薄膜中間變量的測(cè)量裝置，包括激光器、分光鏡、濾光片、攝像頭、用以計(jì)算測(cè)量的計(jì)算機(jī)以及用以提供具有兩種熒光材料的拋光液的拋光液供給機(jī)構(gòu)，激光器通過(guò)光纖連接發(fā)散透鏡，發(fā)散透鏡的出射光學(xué)范圍覆蓋晶圓下的液體薄膜，分光鏡位于晶圓的上方，分光鏡的兩個(gè)出射方向設(shè)有兩個(gè)濾光片，每個(gè)濾光片與各自攝像頭相對(duì)，攝像頭與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)連接，計(jì)算機(jī)包括用以計(jì)算得到兩種熒光強(qiáng)度后，將其比值作為相對(duì)熒光強(qiáng)度，計(jì)算得到厚度、溫度和pH值的中間變量測(cè)量模塊。本發(fā)明能夠?qū)MP過(guò)程中晶圓下中間變量(如厚度、溫度、pH值)進(jìn)行有效測(cè)量。
文檔編號(hào)G01K11/00GK101275825SQ20081005924
公開(kāi)日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者樓飛燕, 袁巨龍, 鄭曉鋒 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)