晶圆表面铜层厚度多点测量系统的制作方法

本发明涉及金属膜厚测量技术领域，特别涉及一种晶圆表面铜层厚度多点测量系统。

背景技术：

在集成电路制造过程中，CMP(Chemical Mechanical Planarization，化学机械平坦化)技术是当今最有效的全局平坦化方法，并已成为集成电路制造的核心技术之一。其中，对于CMP工艺，需要严格控制材料的去除量，以避免晶圆“过抛”或者“欠抛”等情况的发生。因此，如何对晶圆表面剩余铜层厚度进行准确有效的测量十分重要。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种晶圆表面铜层厚度多点测量系统，该系统可以多点测量晶圆铜层厚度。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种晶圆表面铜层厚度多点测量系统，包括：机械臂；晶圆转盘，用于吸附晶圆并带动所述晶圆旋转；电涡流传感器，电涡流传感器探头设置于所述机械臂上，以随所述机械臂直线运动；控制模块，用于根据XY模式或全局模式控制晶圆的旋转运动与所述传感器探头的直线运动相互配合，以完成晶圆表面铜层的多点测量，其中，当处于所述XY模式时，以第一采样率和探头运动速率测量晶圆表面两条垂直直径上多个测量点的厚度值，当处于所述全局模式时，以第二采样率和晶圆旋转速率测量所述晶圆表面以同心圆组均匀分布的多个测量点的厚度值。

本发明实施例的晶圆表面铜层厚度多点测量系统，可以根据XY模式或全局模式控制晶圆的旋转运动与所述传感器探头的直线运动相互配合，以完成晶圆表面铜层的多点测量，从而可以通过电涡流检测方法多点测量晶圆铜层厚度，从而对晶圆表面铜层厚度进行准确有效的测量，进而为后续的工艺参数优化提供可靠依据，提高了测量的准确度。

另外，根据本发明上述实施例的晶圆表面铜层厚度多点测量系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制模块包括：运动控制卡，用于运动控制和信号输入/输出；工控机，所述工控机通过所述运动控制卡实时监控测量系统的动作与状态。

进一步地，在本发明的一个实施例中，对于所述XY模式，将晶圆圆心作为坐标原点，控制所述传感器探头移动至所述晶圆圆心，以晶圆边缘上缺口所在半径为X轴负半轴，依次测量所述X轴负半轴、Y轴负半轴、X轴正半轴和Y轴正半轴方向上的四段半径，其中，所述传感器探头在每段测量半径上移动的距离为晶圆半径与预设留边宽度的差值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制模块具体用于：测量开始前，所述晶圆转盘吸附所述晶圆旋转，寻找晶圆边缘上缺口，所述传感器探头运动至所述晶圆圆心，在找到所述晶圆边上缺口后，所述晶圆顺时针继续旋转第一预设角度，走到测量的起始位置；输出值读取标志变量置1，且开始连续采集所述电涡流传感器的输出信号，同时所述传感器探头直线运动规定距离，运动轨迹为测量路径，运动结束后，输出值读取标志变量置0，停止数据采集；所述晶圆顺时针旋转90°，同时所述传感器探头回至所述晶圆圆心位置，输出值读取标志变量置2，所述传感器探头重复直线运动，运动结束后，输出值读取标志变量置0，停止数据记录；重复上述采样过程，直到完成4段测量路径上的全部信号采样；输出值读取标志变量置-1，结束数据采集过程；测量结束后，所述晶圆反向旋转90°，使得晶圆边缘上缺口冲外，所述晶圆转盘释放所述晶圆，晶圆支架升起，通知机械手取片。

进一步地，在本发明的一个实施例中，对于所述全局模式，所述传感器探头在测量时从所述晶圆圆心向外运动，而所述晶圆转盘则带动所述晶圆做匀速转动，所述晶圆边缘上缺口处为每圈测量起点，其中，每圈测量时，所述传感器探头在晶圆表面各测量圆的半径处保持静止，随着所述晶圆的自转，完成各特定半径圆周上的厚度测量，以及在完成本圈测量后，所述传感器探头运动至下一个半径处开始下一圈测量，直至完成全部测量。

其中，在本发明的一个实施例中，相邻两个测量圆周之间的径向间距相同，并且各测量圆周上测量的数据点数由内至外逐渐增多，各圈测量点在所在圆周上均匀分布。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制模块具体用于：测量开始前，所述晶圆转盘吸附晶圆旋转，寻找所述晶圆边缘上缺口，所述传感器探头运动至所述晶圆圆心静止，在找到所述晶圆边缘上缺口后，顺时针继续旋转第二预设角度，走到测量的起始位置；输出值读取标志变量置1，且开始连续采集所述电涡流传感器的输出信号，同时所述晶圆转盘吸附所述晶圆旋转一周360°，运动结束后，输出值读取标志变量置0，停止数据记录；所述传感器探头直线运动至下一个测量圆周上并保持静止，输出值读取标志变量置2，所述晶圆重复上述运动过程，完成本测量圆上的信号采样与保存；重复上述采样过程，直到完成所有测量圆上的信号采样与保存；结束测量，输出值读取标志变量置-1，结束数据采集过程；所述晶圆反向旋转90°，使得所述晶圆边缘上缺口冲外，所述晶圆转盘释放所述晶圆，晶圆支架升起，通知机械手取片。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制模块的软件内部建立报警模块，用于检测当前操作是否安全，并在检测到当前操作不安全时，报警提示。

进一步地，在本发明的一个实施例中，控制模块的软件内部利用QtSql模块建立标定数据库存储计算铜膜厚度时所需的标定表，其中，所述标定数据库保存在所述工控机中，当完成所述电涡流传感器输出信号的预处理后，利用选定的标定表进行厚度值的计算。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在测量时，对于同一半径或者同一圆上，采取连续采样的方式，将每个测量点所在局部测量区间内的所有采样点的平均值作为该测量点的输出值，并按照实际测量点序，将各测量点的输出值保存在一维数组中，再循环计算各点输出值所在所述标定表中的标定区间，并根据所述所在标定区间拟合计算参数，进而计算各输出值所对应的测量值。

本发明附加的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。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的晶圆表面铜层厚度多点测量系统的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的晶圆表面铜层厚度多点测量系统的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的控制模块的结构示意图；以及

图4为根据本发明一个实施例的XY模式的测量结果示意图。

具体实施方式

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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的晶圆表面铜层厚度多点测量系统。

图1是本发明一个实施例的晶圆表面铜层厚度多点测量系统的结构示意图。

如图1所示，该晶圆表面铜层厚度多点测量系统10包括：机械臂100、晶圆转盘200、电涡流传感器300和控制模块400。

其中，晶圆转盘200用于吸附晶圆并带动晶圆旋转。电涡流传感器300包括传感器探头301，其中，传感器探头301设置于机械臂100上，以随机械臂100直线运动，。控制模块400用于根据XY模式或全局模式控制晶圆的旋转运动与传感器探头301的直线运动相互配合，以完成晶圆表面铜层的多点测量，其中，当处于XY模式时，以第一采样率和探头运动速率测量晶圆表面两条垂直直径上多个测量点的厚度值，当处于全局模式时，以第二采样率和晶圆旋转速率测量晶圆表面以同心圆组均匀分布的多个测量点的厚度值。本发明实施例的测量系统10可以通过电涡流检测方法多点测量晶圆铜层厚度，从而对晶圆表面铜层厚度进行准确有效的测量，进而为后续的工艺参数优化提供可靠依据，提高了测量的准确度。

具体地，对于晶圆表面铜层，电涡流方法具有较大的测量范围和较高的测量精度，可满足快速测量晶圆表面铜层厚度的需求。因此，本发明实施例的测量系统10采用电涡流检测方法，用于测量CMP前/后晶圆表面铜层厚度。如图2所示，主要由以下部分构成：电涡流传感器300(图中未具体标识)、机械臂100、晶圆转盘200及支架。其中，晶圆转盘200用于吸附晶圆并带动晶圆旋转；传感器探头301安装在机械臂100前端，并随机械臂100直线运动；晶圆支架用于配合机械传输机构的放片与取片过程。测量时，晶圆的旋转运动与传感器探头301的直线运动相互配合，完成晶圆表面铜层的多点测量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，控制模块400包括：运动控制卡401和工控机402。其中，运动控制卡401用于运动控制和信号输入/输出，工控机402通过运动控制卡401实时监控测量系统的动作与状态。

具体地，控制模块400相当于上层控制系统采用“工控机+运动控制卡”的控制模式。其中，运动控制卡401可同时满足运动控制和信号输入/输出的需要。上层控制系统通过运动控制卡401实时监控测量系统的动作与状态。测量时，电涡流传感器300连续采样信号，电涡流传感器300输出信号通过运动控制卡401实时反馈给上层控制系统。采样结束后，上层控制系统根据全部反馈信号，进行后续的数据处理及各测量点厚度值的计算。计算完成后，上层控制系统可以根据测量点序，完成测量值与测量点坐标的一一匹配，然后将测量结果按照规定的格式保存。本发明中，测量结果的保存格式为.txt。需要说明的是，下述的控制系统相当于上层控制系统即控制模块400，而图中测量系统包括电涡流传感器300、机械臂100、晶圆转盘200及支架等。

另外，在本发明的实施例中，根据工艺需求，控制系统可以设置XY模式和全局模式两种测量模式。其中，XY模式测量晶圆表面两条垂直直径上各点的厚度值；全局模式测量晶圆表面以同心圆组均匀分布的多点厚度值。根据电涡流传感器300的采样率和探头运动速率，在XY模式下一条测量直径上的输出测量点数可以为100，而全局模式根据8系列点分布，输出测量点总数可为121点，169点和225点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，对于XY模式，将晶圆圆心作为坐标原点，控制传感器探头301移动至晶圆圆心，以晶圆边缘上缺口所在半径为X轴负半轴，依次测量X轴负半轴、Y轴负半轴、X轴正半轴和Y轴正半轴方向上的四段半径，其中，传感器探头301在每段测量半径上移动的距离为晶圆半径与预设留边宽度的差值。

可以理解的是，对于XY模式，定义晶圆圆心为坐标原点，固定传感器探头301从home位(起始位)运动至坐标原点的距离，以晶圆边缘上缺口(Notch)所在半径为X轴负半轴，依次测量X轴负半轴、Y轴负半轴、X轴正半轴和Y轴正半轴方向上的四段半径。测量过程中，探头301在每段移动上移动的距离，根据用户设定的预留边宽度(最外测量点距离晶圆边缘的径向距离)计算，即晶圆半径与预留边宽度的差值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，控制模块400具体用于：测量开始前，晶圆转盘200吸附晶圆旋转，寻找晶圆边缘上缺口，传感器探头301运动至晶圆圆心，在找到N晶圆边上缺口后，晶圆顺时针继续旋转第一预设角度，走到测量的起始位置；输出值读取标志变量置1，且开始连续采集电涡流传感器300的输出信号，同时传感器探头301直线运动规定距离，运动轨迹为测量路径，运动结束后，输出值读取标志变量置0，停止数据采集；晶圆顺时针旋转90°，同时传感器探头301回至晶圆圆心位置，输出值读取标志变量置2，传感器探头301重复直线运动，运动结束后，输出值读取标志变量置0，停止数据记录；重复上述采样过程，直到完成4段测量路径上的全部信号采样；输出值读取标志变量置-1，结束数据采集过程；测量结束后，晶圆反向旋转90°，使得晶圆边缘上缺口冲外，晶圆转盘200释放晶圆，晶圆支架升起，通知机械手取片。

举例而言，测量步骤：1)测量开始前，晶圆转盘200吸附晶圆旋转，寻找晶圆边缘的缺口(即Notch)，探头运动至晶圆圆心，待找到Notch后，晶圆顺时针继续旋转一定角度(例如，该角度为20°)，走到测量的起始位置，此时晶圆Notch所在半径与探头301直线运动的路径在同一条直线上；2)输出值读取标志变量置1(第1段)，上层控制系统开始连续采样电涡流传感器300的输出信号，同时探头301从晶圆圆心向外直线运动规定距离，运动轨迹即为测量路径，本段运动结束后，输出值读取标志变量置0，停止数据采集；3)晶圆顺时针旋转90°，同时探头回至晶圆圆心位置，输出值读取标志变量置2(第2段)，探头重复直线运动，运动结束后，输出值读取标志变量置0，停止数据记录；4)重复3过程，直到完成4段测量路径上的全部信号采样。此时，控制系统已完整保存下4段测量路径上的传感器输出值；5)输出值读取标志变量置-1，结束数据采集过程；6)测量结束后，晶圆反向旋转90°，使得晶圆Notch冲外，晶圆转盘200释放晶圆，晶圆支架升起，通知机械手取片。

进一步地，在本发明的一个实施例中，对于全局模式，传感器探头301在测量时从晶圆圆心向外运动，而晶圆转盘200则带动晶圆做匀速转动，晶圆边缘上缺口处为每圈测量起点，其中，每圈测量时，传感器探头301在晶圆表面各测量圆的半径处保持静止，随着晶圆的自转，完成各特定半径圆周上的厚度测量，以及在完成本圈测量后，传感器探头301运动至下一个半径处开始下一圈测量，直至完成全部测量。

其中，在本发明的一个实施例中，相邻两个测量圆周之间的径向间距相同，并且各测量圆周上测量的数据点数由内至外逐渐增多，各圈测量点在所在圆周上均匀分布。

可以理解的是，对于全局模式，传感器探头301在测量时从晶圆圆心向外运动，而晶圆转盘200则带动晶圆做匀速转动，晶圆边缘缺口(Notch)处为每圈测量起点。每圈测量时，传感器探头301在晶圆表面各测量圆的半径处保持静止，随着晶圆的自转，完成各特定半径圆周上的厚度测量。在完成本圈测量后，探头运动至下一个半径处开始下一圈测量，直至完成全部测量。在本发明中，相邻两个测量圆周之间的径向间距相同，由控制系统根据测量总点数和设定的预留边距宽度自行计算。根据8系列点分布，各测量圆周上测量的数据点数由内至外逐渐增多，各圈测量点在所在圆周上均匀分布。

进一步地，在本发明的一个实施例中，控制模块400具体用于：测量开始前，晶圆转盘200吸附晶圆旋转，寻找晶圆边缘上缺口，传感器探头301运动至晶圆圆心静止，在找到晶圆边缘上缺口后，顺时针继续旋转第二预设角度，走到测量的起始位置；输出值读取标志变量置1，且开始连续采集电涡流传感器300的输出信号，同时晶圆转盘200吸附晶圆旋转一周360°，运动结束后，输出值读取标志变量置0，停止数据记录；传感器探头301直线运动至下一个测量圆周上并保持静止，输出值读取标志变量置2，晶圆重复上述运动过程，完成本测量圆上的信号采样与保存；重复上述采样过程，直到完成所有测量圆上的信号采样与保存；结束测量，输出值读取标志变量置-1，结束数据采集过程；晶圆反向旋转90°，使得晶圆边缘上缺口冲外，晶圆转盘200释放晶圆，晶圆支架升起，通知机械手取片。

举例而言，测量步骤：1)测量开始前，晶圆转盘200吸附晶圆旋转，寻找晶圆边缘的缺口(即Notch)，探头运动到晶圆圆心静止。待找到Notch后，顺时针继续旋转一定角度(例如，该角度为20°)，走到测量的起始位置，此时晶圆Notch所在半径与传感器探头301直线运动的路径在同一条直线上；2)输出值读取标志变量置1(第1圈，即圆心处)，开始连续采集电涡流传感器300的输出信号，同时晶圆转盘200吸附晶圆旋转一周360°，运动结束后，输出值读取标志变量置0，停止数据记录；3)探头301直线运动至下一个测量圆周上并保持静止，输出值读取标志变量置2，晶圆重复上述运动过程，完成本测量圆上的信号采样与保存；4)重复3过程，直到完成所有测量圆上的信号采样与保存；5)结束测量，输出值读取标志变量置-1，结束数据采集过程；6)晶圆反向旋转90°，使得晶圆Notch冲外，晶圆转盘200释放晶圆，晶圆支架升起，通知机械手取片。针对上述工艺过程，上层控制系统建立独立的读取线程，负责在实时读取电涡流传感器300输出信号的同时，获取系统的各项状态信息，例如晶圆转盘200和机械臂100的运动参数(例如，位置/角度，速度和加速度)，各种开关变量的通断，以及气源压力等；建立独立的测量工艺线程，负责全自动工艺过程的运行，即根据用户选择的测量模式(XY模式或者全局模式)，为本次测量过程单独开一个线程。多线程的设计可缓解主线程压力，合理使用系统资源，保证控制系统软件界面对用户操作的实时响应。

在本发明的实施例中，控制系统在每次初始化机械臂100后，首先命令机械臂100电机寻找home位，然后定义运动零点，并进入绝对位置模式；控制系统在晶圆转盘200吸附晶圆并带动晶圆寻找晶圆Notch时，设定晶圆转盘200电机进入速度模式，测量时，则设定晶圆转盘200电机进入相对运动模式。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的所述控制模块400的软件内部建立报警模块。其中，报警模块用于检测当前操作是否安全，而在检测到当前操作不安全时，用于报警提示。

具体而言，控制系统进一步增加了安全保护措施。系统运行时，控制系统自动检测工艺人员当前操作是否安全，有效防止工艺人员的不当操作。如果工艺人员当前操作不当，控制系统会自动终止当前操作，并进行相应的警告提示。例如，在晶圆支架升起前，首先判断探头301是否已经进入安全区域。只有在操作安全的前提下，才会进行通大气、吹片和晶圆支架升起等后续整套操作。否则，软件界面将弹出报警信息，并禁止当前操作。当晶圆支架升起时，则严格禁止探头任何运动。

进一步地，在集成系统中，调度控制层需要准确控制测量系统的动作及数据的读取。因此，本发明实施例的测量系统开放远程控制权，并接受系统管理层的统一调度。

在本发明的实施例中，交互指令包括：(1)放片准备：晶圆支架升起，等待机械手放片；(2)放片完毕：机械手完成放片，晶圆支架下降，晶圆转盘200吸附晶圆；(3)测量工艺：寻找晶圆Notch，即起始位置信息，然后按照工艺人员选定的测量方式进行测量；(4)准备卸片：结束本次测量工艺，晶圆转盘200释放晶圆，晶圆支架升起，通知机械手取片；(5)等待下次测量或者结束测量。

针对以上功能，上层控制系统内部可以设置3个定时器：定时器1(在本发明的实施例中，刷新时间可以为500ms)负责刷新图形用户界面信息，并判断测量工艺开始时是否开始存储厚度采样信号，如果需要，则启动定时器2；定时器2负责在测量时将读取线程读到的连续厚度采样信号分段记录在二维数组中，测量结束时，输出值读取标志变量为-1，关闭定时器2；定时器3负责测量控制系统与调度层之间的通讯和交互。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的测量系统10的控制模块400的软件内部利用QtSql模块用于建立标定数据库存储计算铜膜厚度时所需的标定表，其中，标定数据库保存在工控机中，当完成电涡流传感器300输出信号的预处理后，利用选定的标定表进行厚度值的计算。

可以理解的是，本发明实施例利用QtSql模块建立标定数据库存储计算铜膜厚度时所需的标定表。标定数据库保存在上层控制系统的本地工控机402中。当上层控制系统完成电涡流传感器300输出信号的预处理后，利用选定的标定表即可进行厚度值的计算。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在测量时，对于同一半径或者同一圆上，采取连续采样的方式，将每个测量点所在局部测量区间内的所有采样点的平均值作为该测量点的输出值，并按照实际测量点序，将各测量点的输出值保存在一维数组中，再循环计算各点输出值所在标定表中的标定区间，并根据所在标定区间拟合计算参数，进而计算各输出值所对应的测量值。

也就是说，由于在测量时，对于同一半径(XY模式)或者同一圆上(全局模式)，测量系统采取连续采样的方式，而非定点测量。所以，将每个测量点所在局部测量区间内的所有采样点的平均值作为该测量点的输出值，然后按照实际测量点序，将各测量点的输出值保存在一维数组中，再循环计算各点输出值所在标定表中的标定区间，并根据所在标定区间拟合计算参数，进而计算各输出值所对应的测量值。基于待标定值与标定值之间较好的线性关系，各标定区间的拟合方式采用线性拟合。计算结束后，将全部计算结果顺次与各测量坐标一一匹配，并将测量结果输出到指定的文件中。图4为XY测量模式重复5次测量结果展示。

根据本发明实施例的晶圆表面铜层厚度多点测量系统，可以根据XY模式或全局模式控制晶圆的旋转运动与所述传感器探头的直线运动相互配合，以完成晶圆表面铜层厚度的多点测量，进而为后续的工艺参数优化提供可靠依据，提高了测量的准确度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。