專利名稱：Cmp過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光測量領域，尤其是一種CMP過程中晶圓下液體 薄膜的中間變量(拋光液膜厚度、液膜溫度、液膜pH)的測量裝置。
背景技術：
隨著超大規模集成電路多層內聯技術的發展，需在硅片上實現多 層布線結構，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機械拋光(CMP， Chemical Mechanical Planarization)全局平面化技術，并于1991年成功應用于 64Mb的DRAM生產中。之后，CMP技術得到了快速發展。目前CMP 技術的研究開發工作已發展到全球，并呈現出激烈競爭勢頭。
盡管CMP被認為是獲得光滑無損傷表面的最有效方法，并且已經 廣泛地用于集成電路制造等領域，但在確定某個具體加工對象的CMP 加工工藝前，仍需進行大量的實驗，憑經驗不斷調整工藝參數，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 加工機理。揭示CMP加工機理的關鍵在于對其加工過程是否有深入 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、 加工區內拋光液膜和磨粒的微小尺寸、物理和化學參數的相互作用等 因素，決定了對CMP過程觀測的難度。
實際CMP過程中各輸入參數(壓力、轉速、拋光墊結構等)之間 是相互獨立的，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(直接接觸、非接觸或半接觸)不同，拋光 液的流動和混合(新加入拋光液所占百分比)情況不同，溫度分布場不同，拋光液pH值不同等等因素對化學反應有很大影響。所以中間 變量的變化會直接影響到晶圓與拋光墊之間的接觸狀態及材料去除機 理。此外，從變量的性質來看，特定工藝的輸入參數屬狀態變量(與 時間無關)，輸出參數(去除率、表面均勻性等)屬過程變量(隨時間 變化)，直接建立兩者之間的關系必將進入對大量實驗分類統計的唯相 學范疇，雖然對加工工藝有很強的指導意義，但無力揭示CMP加工 機理。而中間變量屬過程變量，如能確定中間變量與輸入參數、輸出 參數與中間變量的關系，并通過中間變量聯系輸入輸出參數，則有望剖析CMP機理。激光技術是20世紀60年代發展起來的一門新興技術，自從它問 世以來發展很快，不僅在工業生產，國防軍事，醫學衛生等方面得到 廣泛的應用，而且在林業生產中也被吸收應用。利用激光測量厚度檢 測時間短、反應靈敏，具有較高的測量速度，測量范圍較寬，對環境 無輻射危害。當熒光物質受紫外光或波長較短的可見光照射時，會發 射出各種顏色和不同強度的可見熒光，而當光源停止照射時，熒光隨 之消失。利用熒光物質的這一特性，用一定波長的激光輻照一種或幾 種熒光物質，根據其發射熒光光譜或熒光圖像分析預測參量的方法， 即為LIF技術。LIF技術在分子反應動力學中已成為十分強有力的實 驗方法，除被廣泛應用于物質的結構、狀態、價態、微區、剖層以及 無損檢測和遙感遙測等領域，還可用于溫度、應力、潤滑油膜厚度、 OH基濃度等物理量的測量。其原理是當這些參數變化時，熒光峰值 發生偏移或熒光強度發生變化，利用這種變化即可推算出這些參數的 變化。 發明內容為了克服已有技術的不能測量CMP過程中晶圓下中間變量的不足，本發明提供一種基于LIF技術、能夠對CMP過程中晶圓下中間 變量(如厚度、溫度、PH值)進行有效測量的CMP過程中晶圓下中 間變量的測量裝置。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量裝置，包括激 光器、分光鏡、濾光片、攝像頭、用于計算測量的計算機以及標有兩 種熒光材料的拋光液的拋光液供給機構，所述激光器通過光纖連接發 散透鏡，所述發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，所述分光鏡的兩個出射方向設有兩個濾光片， 所述每個濾光片與各自攝像頭相對，所述的攝像頭與所述計算機數據 連接，所述的計算機包括用以將攝像頭采集的熒光圖像進行圖像處理， 計算得到兩種熒光強度后，依照熒光強度與厚度的對應關系得到液體 薄膜的厚度；將兩種熒光強度的比值作為相對熒光強度，依照相對熒 光強度與溫度的對應曲線得到液體薄膜的溫度；依照相對熒光強度與 pH值的對應曲線得到液體薄膜的pH值的中間變量測量模塊。作為優選的一種方案所述的測量裝置還包括用以消除兩個攝像 頭的拍攝時差的同步器，所述的攝像頭連接同步器。進一步，所述的激光器為Ar離子激光器。所述的晶圓為光學玻璃。所述的攝像頭為CCD攝像頭。 本發明的技術構思為在工作狀態下拋光墊和晶圓之間的液體薄膜厚度非常小達到微米級，所以很難用接觸的方式對晶圓下液體薄膜進行測量。采用Ar離子激光器照射透明微通道中的待測拋光液液體薄膜，拋光液中含有兩種不同激發波長的熒光物質。熒光物質受到激發以后分 子發生了電子從較低的能級到較高能級的躍遷，分子由于不穩定，通 過輻射躍遷的返回基態，同時產生熒光。兩種熒光物質在受到激發以 后產生兩種波長的熒光，發出的熒光通過分光鏡分成兩束相同強度的 光線，然后分別通過各自的濾光片，得到一定波長的熒光，最后傳送到兩個CCD攝像頭進行熒光信息的采集，并通過圖像采集卡輸入到計算機得到兩張不同熒光波長的熒光圖像。利用圖像處理技術，計算 得到CMP過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，要有穩定的功率輸出，輸出功率 越穩定，監測的噪聲越小，而信噪比越高。被測量的熒光強度一般都 比較微弱，在這個檢測系統中體現了充分考慮了每個環節的信號丟失， 使得誤差最小化。根據光學成像原理，考慮了焦距、放大倍數、像差 和球面相差。使用濾光片的目的使消除待測液體薄膜中各種粒子引起 的散射光和激光光源，通過需要的熒光，但濾光片減少了進入CCD 攝像頭的熒光光強，因此選擇濾光片不僅要考慮中心波長，也要考慮 半波帶寬和波峰折射率。在測量過程中要求兩個CCD攝像頭同一時 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，需要在計算機上加一個同步器來保證兩張圖像是描述同一時刻的 液體薄膜信息。本發明的有益效果主要表現在1、在線測量CMP過程中晶圓下 液體薄膜中間變量；2、兩種熒光物質作為測量工具，分光鏡將熒光分 為兩束，兩種不同的濾光片得到規定波長的熒光，圖像處理中將相對 熒光強度作為測量溫度、pH值的參考信息，消除了環境誤差的影響；3、同步器保證兩張熒光圖像描述的是同一時刻的液體薄膜信息。
圖1是本發明的CMP過程中晶圓下中間變量的測量設備的示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。參照圖1 ， 一種CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量裝置， 包括激光器1、分光鏡8、濾光片9、攝像頭10、用于計算測量的計算 機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構，所 述激光器1通過光纖2連接發散透鏡3，所述發散透鏡3的出射光學 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的兩個出射方向設有兩個濾光片9，所述每個濾光片9與 各自攝像頭10相對，所述的攝像頭10與所述計算機11數據連接，所 述的計算機12包括用以將攝像頭采集的熒光圖像進行圖片處理，計算 得到兩種熒光強度后，依照熒光強度與厚度的對應關系得到液體薄膜 的厚度；將兩種熒光強度的比值作為相對熒光強度，依照相對熒光強 度與溫度的對應曲線得到液體薄膜的溫度；依照相對熒光強度pH值 的對應曲線得到液體薄膜的pH值的中間變量測量模塊。所述同步器11控制兩個攝像頭的拍攝時間，用于消除兩個攝像頭 的拍攝時差，保證兩個CCD攝像頭拍攝到同一時刻的晶圓下拋光液 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為光學玻璃。 所述的攝像頭10為CCD攝像頭。本實施例中，如圖1， CMP過程中液體薄膜雙重激光誘導熒光遙測方法裝置包括Ar離子激光器、光纖2、發散透鏡3、三通閥門4、含 有兩種熒光物質羅丹明B和熒光素的拋光液輸入裝置5,光學玻璃6、 分光鏡7、濾光片8、 CCD攝像頭、同步器ll、計算機12。在檢測過 程中，因為硅片的透明度不好，影響到熒光的透過，不利于檢測，所 以利用物理和化學特性都與硅片相近的透明的光學玻璃代替硅片。Ar 離子激光器照射光學玻璃下待測液體薄膜，液體中溶有兩種不同激發 波長的熒光物質。兩種熒光物質在受到激發以后產生兩種波長的熒光。 發出的熒光通過分光鏡分成兩束相同強度的光線，然后分別通過各自 的濾光片，得到一定波長的熒光，最后傳送到兩個CCD攝像頭進行 熒光信息的采集，并通過圖像采集卡輸入到計算機最終得到兩張不同 熒光波長的熒光圖像。在測量過程中要求兩個CCD攝像頭同一時刻 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， 需要在計算機上加一個同步器來保證兩張圖像是描述同一時刻的液體 薄膜信息。最后利用圖像處理技術，計算得到CMP過程中拋光液的 混合情況、厚度、溫度和pH值。本實施例利用雙重激發激光誘導熒光遙測技術測量CMP過程中 晶圓下液體薄膜如下在線信息-1)、拋光液的流動、混合特性用兩種熒光物質分別標定拋光液， 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 加入，"新"拋光液定時加入。由兩種激發熒光組成的混合光被分光鏡 等分成兩道光束，各自經相應濾光片后，得到兩種熒光物質的激發熒 光，分別由相應CCD接受，即觀察區內"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。連續拍攝圖像，即可動態 地觀察拋光液的流動、混合特性。2) 、拋光液膜厚度變化測定如果某一熒光物質溶液滿足如下條 件，溶液濃度很小，溫度不變，pH值不變，激發光頻率和強度不變， 光被吸收的百分率不太大，那么當溶液的厚度不變時，它所發生的熒 光強度和該溶液的濃度成正比。反之，當溶液濃度不變時，它所發生 的熒光強度和該溶液的厚度成正比。據報道LIF技術可分辯15pm以下的厚度，而試件與拋光墊之間拋光液膜的厚度為數十微米，所以LIF技術有足夠的分辨率測定拋光液膜的厚度。3) 、拋光液膜溫度分布測定采用的兩種熒光物質，含其中一種熒光物質的熒光強度幾乎不受溫度影響，含另一種熒光物質的溶液熒 光強度受溫度影響很大，而且成線性關系，溫度越高熒光強度越弱， 標定出溶液相對熒光強度與溶液溫度的關系曲線后，即可根據試件下 方拋光液膜的兩幅熒光圖像，推算出拋光液膜各點溫度值，進而描繪 出溫度場。4)、拋光液膜pH分布值測定某些熒光物質(如熒光黃)的溶液 在一定pH值范圍內，熒光強度隨pH值的增強而增強。利用與溫度測 定相類似的方法，即可測定拋光液膜的pH值。
權利要求
1、一種CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量裝置，其特征在于所述的測量裝置包括激光器、分光鏡、濾光片、攝像頭、用于計算測量的計算機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構，所述激光器通過光纖連接發散透鏡，所述發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，所述分光鏡的兩個出射方向設有兩個濾光片，所述每個濾光片與各自攝像頭相對，所述的攝像頭與所述計算機數據連接，所述的計算機包括用以將攝像頭采集的熒光圖像進行圖像處理，計算得到兩種熒光強度后，依照熒光強度與厚度的對應關系得到液體薄膜的厚度；將兩種熒光強度的比值作為相對熒光強度，依照相對熒光強度與溫度的對應曲線得到液體薄膜的溫度；依照相對熒光強度與PH值的對應曲線得到液體薄膜的PH值的中間變量測量模塊。
2、 如權利要求1所述的CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量 裝置，其特征在于所述的測量裝置還包括用以消除兩個攝像頭的拍 攝時差的同步器，所述的攝像頭連接同步器。
3、 如權利要求1或2所述的CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的 測量裝置，其特征在于所述的激光器為Ar離子激光器。
4、 如權利要求4所述的CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量 裝置，其特征在于所述的晶圓為光學玻璃。
5、 如權利要求4所述的CMP過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量 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過程中晶圓下液體薄膜中間變量的測量裝置，包括激光器、分光鏡、濾光片、攝像頭、用以計算測量的計算機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構，激光器通過光纖連接發散透鏡，發散透鏡的出射光學范圍覆蓋晶圓下的液體薄膜，分光鏡位于晶圓的上方，分光鏡的兩個出射方向設有兩個濾光片，每個濾光片與各自攝像頭相對，攝像頭與計算機數據連接，計算機包括用以計算得到兩種熒光強度后，將其比值作為相對熒光強度，計算得到厚度、溫度和pH值的中間變量測量模塊。本發明能夠對CMP過程中晶圓下中間變量(如厚度、溫度、pH值)進行有效測量。
文檔編號G01K11/00GK101275825SQ20081005924
公開日2008年10月1日 申請日期2008年1月11日 優先權日2008年1月11日
發明者樓飛燕, 袁巨龍, 鄭曉鋒 申請人:浙江工業大學