專利名稱：用于原位輪廓測量的渦流系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體處理，更具體地說，本發(fā)明涉及在半導(dǎo)體處理過程中用于對一個或多個導(dǎo)電區(qū)域進行監(jiān)視的系統(tǒng)和技術(shù)。
背景技術(shù)：
集成電路通常通過在硅晶片上順序沉積導(dǎo)電層、半導(dǎo)體層或絕緣層以及對這些層的順序處理而形成于襯底(例如半導(dǎo)體晶片)上。
一個制造步驟包括在非平面表面上沉積填充層，并使填充層平面化直到露出非平面表面。例如，可以在圖案化的絕緣層上沉積導(dǎo)電填充層以填充絕緣層中的溝或孔。之后將填充層拋光直到絕緣層的凸出圖案暴露出來。在平面化之后，絕緣層的凸出圖案之間殘留的導(dǎo)電層部分形成過孔、插頭和導(dǎo)線，以在襯底上的薄膜電路之間提供導(dǎo)電路徑。此外，平面化可以用來使光刻所用襯底表面平面化。
化學(xué)機械拋光(CMP)是平面化采用的一種方法。這種平面化方法通常需要襯底安裝在載具頭或拋光頭上。襯底的暴露表面設(shè)置為靠著旋轉(zhuǎn)的盤狀拋光墊或帶狀拋光墊。拋光墊既可以是“標(biāo)準(zhǔn)”墊也可以是固定磨粒墊。標(biāo)準(zhǔn)墊具有耐用的粗糙表面，而固定磨粒墊具有保持在容納介質(zhì)中的研磨顆粒。載具頭向襯底提供可控載荷以將其推向拋光墊。向拋光墊表面供給的拋光液包括至少一種化學(xué)活性劑，如果使用標(biāo)準(zhǔn)墊則還包括研磨顆粒。
在半導(dǎo)體處理過程中，確定襯底或襯底上的層的一種或多種特性可能很重要。例如，了解CMP處理過程中導(dǎo)電層的厚度可能很重要，以便可以在恰當(dāng)?shù)臅r候終止處理。有若干種方法可以用于確定襯底的特性。例如，光學(xué)傳感器或電容傳感器可以在化學(xué)機械拋光過程中用于襯底的原位監(jiān)視。可替代地(或者在此之外)，可以用渦流傳感系統(tǒng)在襯底上的導(dǎo)電區(qū)域中感應(yīng)出渦流以確定參數(shù)，例如導(dǎo)電區(qū)域的局部厚度。

發(fā)明內(nèi)容
本公開提供了用于獲得高空間分辨率渦流測量以及用于獲得高信噪比渦流測量的系統(tǒng)和技術(shù)。大體上，在一個方面，渦流傳感系統(tǒng)包括細(xì)長形鐵心。細(xì)長形鐵心具有大于寬度的長度。圍繞細(xì)長形鐵心的突起纏繞的線圈產(chǎn)生時變磁場以在導(dǎo)電區(qū)域中感應(yīng)出渦流，所述導(dǎo)電區(qū)域例如晶片上導(dǎo)電層的第一區(qū)域。感應(yīng)出渦流的第一區(qū)域也是長度大于寬度的細(xì)長形狀。
細(xì)長形鐵心可以位于接近半導(dǎo)體處理裝置的晶片載具處。例如，鐵心可以至少部分位于化學(xué)機械拋光裝置的臺板中，使突起的頂表面位置接近與臺板耦合的拋光墊的頂表面。細(xì)長形鐵心可以包括鐵氧體材料，例如MnZn鐵氧體、NiZn鐵氧體或其他鐵氧體。細(xì)長形鐵心可以用例如派拉綸的材料涂覆。
大體上，在一個方面，一種方法包括用多個處理參數(shù)對晶片上的導(dǎo)電層進行處理。例如，可以用CMP裝置拋光金屬層，并且處理參數(shù)可以包括漿組分以及由拋光頭所施加的壓力分布。
可以在晶片上導(dǎo)電層的第一區(qū)域中感應(yīng)出渦流，其中第一區(qū)域具有大于寬度的長度?？梢杂糜蓢@細(xì)長形鐵心纏繞的線圈中的電流產(chǎn)生的時變磁場感應(yīng)出渦流。
可以根據(jù)第一區(qū)域中感應(yīng)出的渦流來獲取第一區(qū)域中導(dǎo)電層的厚度數(shù)據(jù)?？梢栽趯?dǎo)電層的第二區(qū)域中感應(yīng)出渦流，并獲取第二區(qū)域的測量厚度數(shù)據(jù)?？梢詫⒌谝缓偷诙^(qū)域的測量厚度數(shù)據(jù)與期望的厚度輪廓相比較以確定輪廓誤差。如果輪廓誤差超過了最小允許誤差，則可以改變一個或多個處理參數(shù)。
第一區(qū)域的寬度可以是約一毫米或更小，以使系統(tǒng)在第一區(qū)域處的空間分辨率在約一毫米量級。寬度可以在約一毫米和約三毫米之間。
大體上，在一個方面，一種化學(xué)機械拋光裝置包括直流(DC)耦合的邊際振蕩器以在線圈中產(chǎn)生時變電流，線圈產(chǎn)生時變磁場與晶片上的導(dǎo)電區(qū)域的一部分耦合。邊際振蕩器可以包括形成長尾對的第一晶體管和第二晶體管。邊際振蕩器可以包括與第一晶體管耦合的第三晶體管以通過第一晶體管的基極提供DC反饋。
邊際振蕩器可以以電路的諧振頻率產(chǎn)生時變驅(qū)動電流，所述電路包括與鐵心和電容器耦合的線圈。第三晶體管可以向第一晶體管的基極提供直流反饋而使邊際振蕩器產(chǎn)生時變驅(qū)動電流，使得跨越線圈和電容器的電勢差保持在基本恒定的幅值。
大體上，在一個方面，一種方法可以包括以電路的諧振頻率產(chǎn)生時變驅(qū)動電流，所述電路包括與鐵心和電容器耦合的線圈，時變電流是由邊際振蕩器產(chǎn)生的，邊際振蕩器具有構(gòu)成長尾對的第一晶體管和第二晶體管。此方法可以包括在晶片上導(dǎo)電層的第一區(qū)域中感應(yīng)出渦流，其中渦流是由線圈產(chǎn)生的時變磁場感應(yīng)出的。此方法可以包括確定跨越線圈和電容器的電勢差的幅值并根據(jù)來自第三晶體管的直流反饋調(diào)整時變驅(qū)動電流，所述第三晶體管耦合到第一晶體管的基極以將電勢差保持在期望的幅值。此方法可以包括根據(jù)時變驅(qū)動電流確定第一區(qū)域的一個或多個參數(shù)。
下面的附圖和說明中闡述了一個或更多實施方式的細(xì)節(jié)。根據(jù)說明書和附圖以及權(quán)利要求將使本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點更清楚。


圖1示出實現(xiàn)實時輪廓控制的方法。
圖2A和2B示出渦流監(jiān)視系統(tǒng)實施例的示意圖。
圖3A和3B示出提高線性度和信噪比的渦流監(jiān)視系統(tǒng)的實施例。
圖4示出根據(jù)實施例可以用于確定拋光終點或?qū)щ妼雍穸鹊姆椒ā?br> 圖5是包括渦流監(jiān)視系統(tǒng)的化學(xué)機械拋光裝置的實施例的俯視圖。
圖6A和6B示出渦流監(jiān)視系統(tǒng)中所用細(xì)長形鐵心實施例的側(cè)視圖和俯視圖。
圖7A到7C示出渦流監(jiān)視系統(tǒng)中所用細(xì)長形鐵心另一實施例的側(cè)視圖和俯視圖。
圖8A到8C示出可以使用的鐵心屏蔽罩的實施例。
圖9A和9B示出根據(jù)實施例使用細(xì)長形鐵心的化學(xué)機械拋光裝置的俯視圖和側(cè)視圖。
圖10A和10B示出根據(jù)實施例使用細(xì)長形鐵心的化學(xué)機械拋光裝置的俯視圖。
圖11示出根據(jù)實施例的位置接近拋光墊的鐵心的側(cè)視圖。
圖12是化學(xué)機械拋光裝置實施例的示意性分解透視圖。
圖13是圖示了根據(jù)實施例鐵心相對于臺板的位置的側(cè)視圖。
在各附圖中，相同的標(biāo)號指示相同的元件。
具體實施例方式
在某些半導(dǎo)體處理中，了解襯底上導(dǎo)電區(qū)域的厚度可能很重要。例如，為了確定金屬的化學(xué)機械拋光處理的終點，可能需要監(jiān)視金屬層的厚度?？梢愿鶕?jù)與金屬層厚度有關(guān)的測量結(jié)果來終止拋光處理。
可以在襯底(例如晶片)上的不同區(qū)域處測量導(dǎo)電材料的厚度。例如，可以監(jiān)視晶片上不同區(qū)域的金屬層厚度以確保處理是在整個晶片上均勻進行的。之后可以用晶片區(qū)域的厚度信息(其可統(tǒng)一稱為晶片的“輪廓”)來實時調(diào)整處理參數(shù)以獲得期望的整個晶片的均勻度。例如，在化學(xué)機械拋光處理中，可以監(jiān)視晶片上不同區(qū)域的金屬層厚度，檢測到的非均勻度可以使CMP系統(tǒng)實時調(diào)整拋光參數(shù)。這樣的輪廓控制可以稱為實時輪廓控制(RTPC)。
圖1示出了可用于在半導(dǎo)體處理過程中實現(xiàn)RTPC的方法100?？梢蕴幚砭系膶?dǎo)電層(110)。例如，可以用包括多區(qū)頭的CMP裝置對晶片上的銅層進行拋光。在對晶片進行拋光的過程中，可以獲取晶片上區(qū)域的輪廓數(shù)據(jù)(120)。例如，可以在拋光過程中獲取與銅層的一部分的厚度有關(guān)的渦流數(shù)據(jù)，所述部分與由渦流傳感系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場耦合。
可以對輪廓數(shù)據(jù)進行處理(130)。例如，可以用信號處理算法使渦流測量結(jié)果對晶片特定區(qū)域相等。之后可以將處理后的輪廓數(shù)據(jù)與期望的輪廓數(shù)據(jù)進行比較以確定輪廓誤差是否大于最小允許誤差(150)。如果不是，則可以不改變處理參數(shù)，并進一步獲取晶片上不同區(qū)域的輪廓數(shù)據(jù)(160)。例如，渦流傳感器可以相對于晶片平移，以便獲取離開晶片中心不同徑向距離處的區(qū)域的輪廓信息。注意，獲取和處理數(shù)據(jù)的過程在圖1中表示為對于晶片的不同區(qū)域是分別的離散步驟，但在數(shù)據(jù)獲取發(fā)生在較短的時間尺度的情況下也可以是基本連續(xù)和并行發(fā)生的，所述較短的時間尺度是與渦流傳感器相對于晶片的平移相比而言的。
如果誤差大于最小允許誤差，則可以改變一個或多個處理變量(170)。例如，CMP系統(tǒng)可以遞增式改變諸如多區(qū)頭中一個或多個區(qū)的壓力之類的變量，以提高拋光的均勻度(從而隨之減小測得的輪廓誤差)。
如上所述，輪廓信息可以用渦流傳感來獲取。采用渦流傳感，振蕩磁場在晶片上的導(dǎo)電區(qū)域中感應(yīng)出渦流。渦流是在與由渦流傳感系統(tǒng)產(chǎn)生的磁力線相耦合的區(qū)域感應(yīng)出來的。圖2A示出渦流傳感系統(tǒng)200的一部分的示意圖。系統(tǒng)200包括驅(qū)動線圈210用于產(chǎn)生振蕩磁場220，該磁場220可以與感興趣的導(dǎo)電區(qū)域230(例如半導(dǎo)體晶片上的金屬層部分)耦合。驅(qū)動線圈210圍繞鐵心205纏繞，該鐵心205可以由鐵氧體材料形成，例如MnZn或NiZn鐵氧體。鐵心205可以是大體上圓柱形對稱的鐵心，也可以是如圖6A和6B或圖7A和7B以及如下所述的細(xì)長形鐵心。
振蕩磁場220在導(dǎo)電區(qū)域230中局部產(chǎn)生渦流。渦流使導(dǎo)電區(qū)域230起到與傳感線圈240和電容器250并聯(lián)的阻抗源的作用。隨著導(dǎo)電區(qū)域230的厚度改變，阻抗也改變，導(dǎo)致系統(tǒng)的Q因子改變。通過檢測Q因子的改變，渦流傳感機構(gòu)可以感知渦流強度的改變，并從而感知導(dǎo)電區(qū)域厚度的改變。因此，渦流傳感系統(tǒng)可以用于確定導(dǎo)電區(qū)域的參數(shù)例如導(dǎo)電區(qū)域的厚度，也可以用于確定相關(guān)參數(shù)例如拋光終點。注意，盡管上面討論的是特定導(dǎo)電區(qū)域的厚度，但鐵心205與導(dǎo)電層的相對位置可以改變以獲取若干個不同導(dǎo)電區(qū)域的厚度信息。
在某些實施方式中，Q因子的改變可以通過對固定驅(qū)動頻率和幅值情況下渦流幅值作為時間的函數(shù)進行測量來確定?？梢杂谜髌?60對渦流信號進行整流，通過輸出270監(jiān)視幅值?；蛘?，Q因子的改變可以通過對渦流相位作為時間的函數(shù)進行測量來確定。圖2B示出的系統(tǒng)280用鑒相器290監(jiān)視相位作為時間的函數(shù)。
圖2A和2B的系統(tǒng)200可以用于測量襯底上導(dǎo)電層的厚度。但是，在某些實施方式中，可能期望具有更高信噪比和/或更高空間分辨率以及線性度的渦流傳感系統(tǒng)。例如，在RTPC應(yīng)用中，要在整個晶片上得到期望的均勻度可能需要改進的渦流傳感系統(tǒng)。圖3A和3B示出用于更高信噪比和線性度的渦流傳感系統(tǒng)，而圖6A、6B、7A和7B示出可用于更高空間分辨率的鐵心設(shè)計。這些技術(shù)中任一個或兩者都可用于對渦流傳感進行改進。
圖3A示出的渦流傳感系統(tǒng)300與圖2A和2B所示的系統(tǒng)相比可能更具線性、更穩(wěn)定并提供更高的信噪比。系統(tǒng)300包括與鐵心310(例如大體上圓柱形對稱的鐵心、圖6A和6B或7A和7B所示的細(xì)長形鐵心、或其他鐵心)耦合的線圈320。在操作中，電流發(fā)生器330(例如基于邊際振蕩器(marginal oscillator)電路的電流發(fā)生器)以LC儲能電路的諧振頻率驅(qū)動系統(tǒng)，其中LC儲能電路由線圈320(具有電感L)和電容器315(具有電容C)形成。幅值為V0的時變電壓用整流器335整流并提供給反饋電路337。反饋電路337確定用于電流發(fā)生器330的驅(qū)動電流以保持電壓V0的幅值恒定。對于這樣的系統(tǒng)，驅(qū)動電流的大小可表示為與導(dǎo)電膜厚度成比例。邊際振蕩器電路和反饋電路在通過引用而結(jié)合的美國專利No.4,000,458中以及通過引用而結(jié)合的“Contactless Measurement ofSemiconductor Conductivity by Radio Frequency-Free-Carrier PowerAbsorption”，G.L.Miller，D.A.H.Robinson，J.D.Wiley，Review of ScientificInstruments，vol.47，No.7，July，1976中有進一步說明。
使用例如系統(tǒng)300的系統(tǒng)可以獲得許多好處。只要工作頻率低到足以使磁場在導(dǎo)電區(qū)域中不過分衰減，驅(qū)動電流就與導(dǎo)電區(qū)域厚度成線性關(guān)系。此外，由于振蕩幅值是固定的，所以無需高度線性的RF整流器。由于系統(tǒng)是在LC儲能電路諧振曲線的峰值處工作的，所以與其他測量系統(tǒng)相比信噪比更高。
系統(tǒng)300還可以提供快速響應(yīng)(例如可以獲得約50毫秒量級的響應(yīng)時間)，并且操作和分析可以比圖2A和2B的實施方式更簡便。最后，系統(tǒng)300需要單線圈而不是獨立的驅(qū)動線圈和傳感線圈，這降低了復(fù)雜度并節(jié)省了繞組空間。
圖3B示出了系統(tǒng)300的實施方式，其中電流發(fā)生器330包括改進的直流(DC)耦合邊際振蕩器電路，該邊際振蕩器電路包括第一晶體管340、第二晶體管350和第三晶體管360。第一晶體管340和第二晶體管350形成長尾對即它們是基本相同的晶體管，并且驅(qū)動電流I經(jīng)過第一晶體管340和第二晶體管350而交替切換。第三晶體管360通過與第一晶體管340基極的耦合來為長尾對提供DC反饋。通常使用大幅值振蕩V0(例如四伏特的峰峰值)。驅(qū)動電流I通過測量晶體管340集電極電流平均值而確定。
由第一晶體管340、第二晶體管350和第三晶體管360形成的邊際振蕩器在纏繞鐵心375的線圈370中產(chǎn)生時變電流。時變電流產(chǎn)生與導(dǎo)電層一部分耦合的時變磁場以提供局部厚度信息。使用幅值穩(wěn)定回路391提供反饋，幅值穩(wěn)定回路391包括整流器392、參考電壓393和積分器394。整流器392可以是峰值展寬器(stretcher)，參考電壓393可以是+2伏特，使得跨過LC儲能電路的RF幅值峰峰值為4伏特。
如上所述，當(dāng)邊際振蕩器以LC儲能電路的諧振頻率工作時，保持恒定的V0所需的驅(qū)動電流大小與導(dǎo)電層的厚度成線性關(guān)系。在諧振時，損耗是電阻性的并可以建模為并聯(lián)損耗電阻RP390。RP包括儲能電路電阻RT(包括例如線圈導(dǎo)線的電阻)和樣品負(fù)載電阻RS。電阻之間的關(guān)系如下式(1)所示1RP=1RT+1RS]]>式(1)在儲能電路的諧振頻率處，I、V0和RP的關(guān)系可以簡單地由歐姆定律表示V0＝IRP。這樣，隨著樣品負(fù)載電阻的改變，保持V0所必需的驅(qū)動電流也改變。這樣，驅(qū)動電流I就成為負(fù)載電阻RS以及有關(guān)的導(dǎo)電層局部厚度的量度。
圖3B的邊際振蕩器提供了超越其他邊際振蕩器設(shè)計的許多優(yōu)點。首先，可以在從DC到晶體管截止頻率的范圍內(nèi)的頻率處工作。第二，其與高壓電平兼容(即其可以用于伏特而不是毫伏量級的電壓)。最后，其既簡單又穩(wěn)定。
根據(jù)例如圖4的過程400，系統(tǒng)300可以用于監(jiān)視晶片上導(dǎo)電層的厚度。過程400可以在例如帶有導(dǎo)電層的晶片正在被拋光時以及鐵心正在相對于晶片平移時進行?？梢杂眠呺H振蕩器電路產(chǎn)生振蕩磁場，其中振蕩磁場與晶片上的部分導(dǎo)電層相耦合(410)。對于位于接近拋光墊處的渦流傳感系統(tǒng)，振蕩磁場穿過拋光墊延伸進入該部分導(dǎo)電層。
對電壓V0進行監(jiān)視，其中V0是跨越渦流傳感系統(tǒng)的線圈和電容器的時變電勢差的大小。對用于邊際振蕩器的驅(qū)動電流也進行監(jiān)視(420)。調(diào)整驅(qū)動電流以保持恒定的V0(430)。由于保持恒定的幅值所必需的驅(qū)動電流與導(dǎo)電層的厚度成線性關(guān)系，則驅(qū)動電流可用于確定拋光終點和/或?qū)щ妼拥木植亢穸?440)。注意方法400中的各個動作可以連續(xù)和并行地進行，盡管此處它們是單獨列出的。
上面所述并示于圖3A和3B中的渦流傳感系統(tǒng)可以提供提高的信噪比、提高的線性度和提高的穩(wěn)定性。通過提供具有更高空間分辨率的渦流傳感系統(tǒng)還可以獲得額外的優(yōu)點。更高的空間分辨率可能特別有利于RTPC。獲得高分辨率的晶片輪廓信息可以使處理參數(shù)的調(diào)整更精確，從而可以制造帶有更小CD的器件。此處所述的系統(tǒng)和技術(shù)提供了可以用于高分辨率渦流系統(tǒng)的線圈幾何形狀。
提高空間分辨率的一種途徑是減小鐵心/線圈系統(tǒng)的尺寸以使磁場耦合到晶片的更小區(qū)域。圖5示出了當(dāng)鐵心505隨著臺板530的轉(zhuǎn)動而掃過襯底510下方時，包括鐵心505的渦流傳感系統(tǒng)500的俯視圖。計算機(未示出)可以將傳感的渦流信號(原始的或者處理過的)細(xì)分為多個采樣區(qū)596。如圖5所示，系統(tǒng)的空間分辨率由鐵心505的突出之間的距離限制(注意，其他參數(shù)也可能影響系統(tǒng)的空間分辨率，例如鐵心與導(dǎo)電區(qū)域之間的距離以及鐵心形狀)。臺板530可以包括標(biāo)志540，該標(biāo)志540由標(biāo)志傳感器550感知以確定臺板530的轉(zhuǎn)動位置。
盡管可以通過減小鐵心/線圈系統(tǒng)的尺寸來提高空間分辨率，但是可能難以減小鐵心/線圈系統(tǒng)的尺寸而不使測量質(zhì)量受到不能接收的損害。設(shè)計中的多種考慮都可能對鐵心的最小尺寸帶來限制。例如，頻率、動態(tài)阻抗和質(zhì)量因子的期望值可能對鐵心的最小尺寸帶來限制。
渦流傳感的期望頻率范圍可以根據(jù)對響應(yīng)時間的考慮(更高的頻率可以有更快的響應(yīng))和透入深度(skin depth)的考慮來進行選擇。隨著電磁輻射的頻率(即磁場的頻率)增加，透入深度(磁場穿透距離的量度)減小。為了精確地測量層厚，磁場應(yīng)當(dāng)穿透整個厚度。
對質(zhì)量因子和動態(tài)阻抗的限制使得無需在電子線圈中麻煩地對大電流進行切換。
表1示出對于可能限制鐵心最小尺寸的頻率、動態(tài)阻抗和質(zhì)量因子的一些期望值。表1中的頻率值基于厚達(dá)約1.5微米的銅膜；對于其他材料和/或厚度，不同的頻率值可能更合適。注意L表示線圈(例如圖3B中的線圈370)的電感，C表示電容器(例如圖3B的電容器380)的電容，Z表示線圈和電容器系統(tǒng)的無負(fù)載動態(tài)阻抗，RP表示并聯(lián)損耗電阻，其既包括LC電路的并聯(lián)損耗電阻，也包括導(dǎo)電層的并聯(lián)損耗電阻。
表1 對于小的鐵心，可能難以(或不可能)實現(xiàn)例如表1所列的設(shè)計準(zhǔn)則。例如，隨著鐵心的尺寸減小，通常需要更細(xì)的導(dǎo)線，而更細(xì)的導(dǎo)線具有增大的串聯(lián)損耗電阻。因此，系統(tǒng)的Q因子隨著鐵心尺寸的減小而降低。
當(dāng)前發(fā)明人認(rèn)識到可以通過使用一個方向上長而另一個方向上窄的鐵心而犧牲垂直方向上的空間分辨率。圖6A和6B示出線圈/鐵心系統(tǒng)600的側(cè)視圖和俯視圖，該系統(tǒng)600可用于提供高分辨率渦流測量而不給系統(tǒng)的Q因子帶來顯著損害。細(xì)長形的鐵心610大體上是“E”形；即其具有從后部向上延伸的三個突出。如圖6B所示，鐵心610延伸的長度L大于鐵心610的寬度W。線圈620可以圍繞中間突起纏繞。線圈620可以與電容器630耦合。在例如圖2A和2B中系統(tǒng)200的渦流傳感系統(tǒng)的實施方式中，可以使用獨立的傳感線圈和驅(qū)動線圈。
在某些實施方式中，例如線圈620的線圈可以是絞合線(由以統(tǒng)一的絞合樣式和捻距扎或編織在一起的獨立薄膜絕緣導(dǎo)線構(gòu)成的導(dǎo)線網(wǎng)(woven wire))，對于渦流傳感中常用的頻率，其損耗可以小于單股線。鐵心610可以是MnZn鐵氧體，也可以是NiZn鐵氧體。鐵心610可以有涂層。例如，鐵心610可以用如派拉綸(parylene)之類的材料涂覆以防止水進入鐵心610中的孔隙并防止線圈短路。
圖7A和7B示出不同的線圈/鐵心系統(tǒng)700的側(cè)視圖和俯視圖，其也可以用于提供高分辨率渦流測量而不給所感知的信號帶來顯著損害。細(xì)長形鐵心710可以是“U”形；即其具有從后部向上延伸的兩個突出。如圖7B所示，鐵心710延伸的長度L大于鐵心710的寬度W。線圈720可以圍繞兩個突起纏繞并可以與電容器730耦合。同樣，對于例如圖2A和2B中所示的實施方式，可以使用獨立的傳感線圈和驅(qū)動線圈。圖7C示出對于U形鐵心的可替換繞組方案的側(cè)視圖。如圖7C所示，線圈720可以纏繞在“8字”結(jié)構(gòu)的兩個突起之間。
在某些實施方式中，可以屏蔽鐵心以便更精確地將磁力線導(dǎo)向?qū)щ妼拥奶囟ú糠?，從而提高空間分辨率。注意，對鐵心的屏蔽導(dǎo)致Q因子的降低，因此所示的屏蔽結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)提供足夠的磁力線導(dǎo)向而不給Q因子帶來太大的損害。圖8A和8C示出可以使用的不同屏蔽結(jié)構(gòu)。圖8A示出接近鐵心800的屏蔽罩810的側(cè)視圖。屏蔽罩810可以具有間隙(未示出)以便不會由于渦流傳感系統(tǒng)產(chǎn)生的時變磁場而在屏蔽罩810中感應(yīng)出渦流。屏蔽罩810可以由鋁板制成。圖8B示出屏蔽罩820的俯視圖和側(cè)視圖，其也可以由鋁板制成。俯視圖示出防止在屏蔽罩820中產(chǎn)生渦流的間隙825。圖8C示出用銅帶形成的屏蔽罩830的俯視圖。銅帶的第一端836與第二端837之間的間隙835防止了在屏蔽罩830中產(chǎn)生渦流。
圖9A和9B示出襯底920關(guān)于細(xì)長形鐵心910(其可以與圖6A和6B中的鐵心610或圖7A和7B中的鐵心710相似)的相對位置的俯視圖和側(cè)視圖。對于經(jīng)過A-A’面(該面經(jīng)過半徑為R的晶片920的中心)的視圖，鐵心910定向為使其長軸垂直于晶片920的半徑。鐵心910如圖所示相對于晶片直徑而平移。注意由圍繞鐵心910纏繞的線圈產(chǎn)生的磁場在導(dǎo)電區(qū)域中感應(yīng)出渦流，該導(dǎo)電區(qū)域的形狀也是長度大于寬度的細(xì)長形。但是，長度和寬度通常與鐵心910的長度和寬度不同，并且導(dǎo)電區(qū)域的縱橫比和橫截面通常也與鐵心910的不同。
盡管圖9A和9B的結(jié)構(gòu)對于晶片920的A-A’面的大部分可以提供提高的分辨率，但在鐵心910沿著徑向的起始和末端部分930平移時，部分鐵心910與襯底不接近。因此對930部分的測量精度較低并可能給鐵心910的最大期望長度L帶來限制。此外，當(dāng)鐵心910接近晶片920的中心時，其對更大的徑向范圍進行采樣。因此，對于特定徑向距離r≈R的空間分辨率明顯優(yōu)于r≈0的空間分辨率。
如上面所解釋的，鐵心910的長度L大于其寬度W。即縱橫比L/W大于1。L、W以及L/W的不同值可以用于不同的實施方式中。例如，W的范圍可以是從幾分之一毫米到超過一厘米，而L的范圍可以是從約一毫米(對于較小的W值)到十厘米或更大。
在特定實施方式中，W在約一毫米與約十毫米之間，而L在約一厘米到約五厘米之間。更具體地說，例如圖6A和6B中線圈610的線圈可以約為五毫米寬，每個突起約為一毫米寬并且相鄰?fù)黄鹬g的每段間隔約為一毫米。長度可以是約二十毫米。高度可以是約五毫米并且如果期望可以有更多線圈匝數(shù)時高度可以增加。對于例如圖7A和7B中線圈710的線圈，長度可以是約兩厘米，寬度可以是約2.5毫米。每個突起可以約為一毫米寬，突起之間的間隔可以約為1.5毫米。高度可以約為三毫米。當(dāng)然此處給出的值是示例性的；可以使用其他許多種配置。
在某些實施方式中，細(xì)長形鐵心的長軸可以不與襯底的半徑精確地垂直。但是，細(xì)長形鐵心仍然可以提供超過可用的鐵心幾何外形的更高分辨率，特別是在晶片邊緣附近。圖10A示出的實施方式中，細(xì)長形鐵心1010位于臺板1020下方。在掃過襯底1030下方之前，鐵心1010在位置1015處。在位置1015處，鐵心1010近似垂直于襯底1030的半徑。因此，對于r≈R，導(dǎo)電層與由圍繞鐵心1010纏繞的線圈產(chǎn)生的磁場耦合的部分大體上在離開襯底中心相同徑向距離處。注意，在鐵心1010掃過襯底1030下方時，臺板1020和襯底1030都在轉(zhuǎn)動，并且晶片也可以如所示的那樣相對于臺板1020掃過。此外，可以用標(biāo)志1040和標(biāo)志傳感器1050來感知臺板1020的轉(zhuǎn)動位置。
圖10B示出在鐵心1010掃過晶片1030下方時，晶片1030的特寫。在第一位置1012處，鐵心1010測量半徑r≈R處的厚度。但是，在位置1014處，鐵心跨越了從r1到r2的半徑范圍。因此，晶片1030外邊緣處的空間分辨率比晶片1030中心附近的空間分辨率要好得多。注意這種效果隨著鐵心1010的長度L減小而降低。
如上所述，空間分辨率還取決于鐵心與導(dǎo)電層之間的距離。圖11示出系統(tǒng)1100的側(cè)視圖，該系統(tǒng)1100提供了很接近的鐵心，并防止了流體泄漏。鐵心1110與線圈1120耦合用于產(chǎn)生時變磁場以在晶片(未示出)上的導(dǎo)電區(qū)域中感應(yīng)出渦流。鐵心1110和線圈1120固定在傳感器外殼1130中。傳感器外殼1130既保護鐵心1110和線圈1120不受流體損害，又將其相對于晶片定位。外殼1130通過O形密封環(huán)1140與上臺板1150耦合以防泄漏。墊組件1155包括子墊1160、墊1170以及含變薄部分1185的墊窗口1180。變薄部分1185使鐵心1110可以與晶片非常接近。例如，鐵心1110頂部之間的距離可以是約50mil。注意也可以采用其他結(jié)構(gòu)；特別是可以采用不帶子墊和/或不帶墊窗口的墊結(jié)構(gòu)。
圖12示出化學(xué)機械拋光裝置20，其可以用于例如上面所述的渦流傳感系統(tǒng)。類似的拋光裝置20的說明可以在美國專利申請No.09/900,664中找到，其全部公開通過引用而結(jié)合于此。圖13示出鐵心42(例如圖6A和6B的鐵心610、圖7A和7B的鐵心710、或其他鐵心)相對于具有變薄段36的拋光墊30可以如何定位(并相對于裝置20的拋光站22如此定位)。
參考圖12和13，可以由CMP裝置20拋光一個或多個襯底10。拋光裝置20包括一系列拋光站22以及傳輸站23。傳輸站23將襯底在載具頭與負(fù)載裝置之間傳輸。
每個拋光站包括可轉(zhuǎn)動臺板24，臺板24上設(shè)置有拋光墊30。第一和第二個站可包括具有堅硬耐用外表面的兩層拋光墊或具有嵌入研磨顆粒的固定磨粒墊。最后一個拋光站可包括比較軟的拋光墊。每個拋光站還可以包括墊調(diào)節(jié)器裝置28來維持拋光墊的條件以便其有效地對襯底進行拋光。
可轉(zhuǎn)動的多頭傳送帶60支撐四個載具頭70。傳送帶由中心柱62通過傳送帶電機組件(未示出)的帶動圍繞傳送帶軸線62轉(zhuǎn)動，以使載具頭系統(tǒng)和安裝在其上的襯底在拋光站22與傳輸站23之間運轉(zhuǎn)。載具頭系統(tǒng)中的三個接納和夾持襯底，并通過將其壓靠在拋光墊上而對其進行拋光。同時，載具頭系統(tǒng)之一從傳輸站23接收襯底并將襯底發(fā)送到傳輸站23。
每個載具頭70由載具驅(qū)動軸74連接到載具頭轉(zhuǎn)動電機76(通過除去蓋子68的四分之一而示出)，以使每個載具頭可以圍繞其自身軸線獨立轉(zhuǎn)動。此外，每個載具頭70在傳送帶支撐板66中形成的徑向槽72中獨立地橫向振動。適當(dāng)?shù)妮d具頭70的說明可以在美國專利No.6,422,927中找到，其全部公開通過引用而結(jié)合。在操作中，臺板圍繞其中心軸線25轉(zhuǎn)動，載具頭圍繞其中心軸線71轉(zhuǎn)動并進行橫跨拋光墊表面的橫向平移。
包括活性劑(例如用于氧化物拋光的去離子水)和化學(xué)活性催化劑(例如用于氧化物拋光的氫氧化鉀)的漿38可以通過漿供應(yīng)端口或組合的漿/沖洗臂39供給拋光墊30的表面。如果拋光墊30是標(biāo)準(zhǔn)墊，則漿38還可以包括研磨顆粒(例如用于氧化物拋光的二氧化硅)。臺板24中形成有凹入26，并可在拋光墊30中形成覆蓋在凹入26上的薄段36。如果需要，將孔26和墊的薄段36定位成在部分臺板轉(zhuǎn)動過程中無論載具頭的平移位置如何都通過襯底10下方。
如圖13所示，CMP裝置20還可以包括例如光學(xué)斬波器的位置傳感器80以在鐵心42位于襯底10下方時進行傳感。例如，光學(xué)斬波器可以安裝在載具頭70對面的固定點處。標(biāo)志82可以安裝在臺板周邊。選擇標(biāo)志82的安裝點和長度，使其在鐵心42掃過襯底10下方時中斷傳感器80的光學(xué)信號?；蛘撸珻MP裝置可以包括編碼器以確定臺板的角位置。
參考圖13，渦流監(jiān)視系統(tǒng)40可以包括驅(qū)動和反饋電路50，其包括例如上面所述并示于圖3A和3B中的邊際振蕩器的振蕩器。隨著臺板的每次轉(zhuǎn)動，渦流傳感系統(tǒng)位于拋光墊32的薄段36之下的鐵心42和線圈44掃過襯底下方。注意盡管此處示出了單個線圈44，但在某些實施方式中使用獨立的驅(qū)動線圈和傳感線圈并提供獨立的傳感電路。電路50可以位于臺板24之外，并可以通過旋轉(zhuǎn)電接頭29耦合到臺板中的元件。
計算機90可以從電路50接收測量結(jié)果，并可編程以將從鐵心每次掃過襯底之下得到的測量結(jié)果分為多個采樣區(qū)域(例如圖5中的采樣區(qū)域596)，以計算每個采樣區(qū)域的徑向位置、將測量結(jié)果根據(jù)徑向范圍分類、確定每個采樣區(qū)域的最小、最大和平均測量結(jié)果以及用多個徑向范圍來確定拋光終點，如1999年12月13日提交的并于2002年6月4日授權(quán)的美國專利No.6,399,501中所討論的，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。注意，根據(jù)系統(tǒng)40的結(jié)構(gòu)，測量可以是幅值測量、相位測量和/或驅(qū)動電流測量。在拋光期間，來自計算機的輸出可以顯示在輸出設(shè)備92上，以使用戶可以直觀地監(jiān)視拋光操作的進展。
此外，在根據(jù)徑向范圍對渦流測量結(jié)果進行分類后，關(guān)于金屬膜厚度的信息可以實時反饋到閉環(huán)控制器以便周期地或連續(xù)地改變由載具頭施加的拋光壓力分布，如1999年7月7日提交的美國專利申請No.60/143,219中討論的，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。例如，計算機可以確定對于外徑向區(qū)域，終點標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到滿足，但對于內(nèi)徑向區(qū)域尚未滿足。這表明下面的層在環(huán)形的外部區(qū)域中已經(jīng)暴露，而在襯底的內(nèi)部區(qū)域尚未暴露。在此情況下，計算機可以減小施加壓力的區(qū)域的直徑以使壓力只施加到襯底的內(nèi)部區(qū)域，從而減少襯底外部區(qū)域上的凹陷和腐蝕?；蛘撸嬎銠C可以在第一次得到襯底上任意部分處下面的層已經(jīng)暴露的指示時，即在金屬層首次清潔時，停止襯底的拋光。
已經(jīng)說明了多種實施方式。但是，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行各種改變。例如，可以使用不同的線圈幾何形狀。鐵心相對于臺板和襯底的位置可以與所說明的不同。盡管示出了具有基本上矩形截面的細(xì)長形鐵心，但也可以采用其他結(jié)構(gòu)。例如可以使用橢圓形截面，則其中“長度”指長軸而“寬度”指短軸。圖1和4中所示的過程的各個動作不一定需要以所示順序進行。因此，其他實施例包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)根據(jù)2006年11月8日 申請日期2004年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月31日
發(fā)明者格布里爾·羅里米爾·米勒, 博古斯勞·A·司維德克, 曼歐徹爾·比郎 申請人:應(yīng)用材料公司