用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝置。該測量裝置由FPGA器件控制的D/A轉換器產生正弦交變信號源，并通過射頻變壓器驅動激勵/檢測線圈產生交變測量磁場，由于交變測量磁場中的金屬膜層產生的電渦流導致的激勵/檢測線圈的阻抗值發生改變，通過測量激勵/檢測線圈的阻抗可以計算出相應的金屬薄膜層的厚度。該裝置使用電渦流法可以測量1000nm范圍內的金屬薄膜層厚度，精度和實時性高，能夠滿足CMP設備的拋光工藝要求。
【專利說明】
用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電滿流測量裝置
技術領域
[0001] 本發明屬于金屬薄膜厚度測量技術領域，具體設及一種用于晶片表面金屬薄膜拋 光過程的電滿流測量裝置。
【背景技術】
[0002] 在化學機械拋光(CMP)過程中，某些工藝要求去除晶片表面的金屬薄膜層的厚度， 要求將金屬薄膜層從lOOOnm逐漸減薄至100~200皿，并在此基礎上進一步加工去除。現有 的基于電滿流法的普通金屬薄膜厚度測量儀器無法滿足對于lOOOnm厚度W下的薄膜層的 測量要求。
[0003] 目前國外所開發的專用CMP電滿流法金屬薄膜厚度測量裝置中，如專利 US6433541B1所公布的測量裝置，雖然可W滿足對目前測量范圍的要求，但其技術復雜，所 用的移相電路和鎖定放大器均W模擬電路為基礎進行構建，電路設計和調試復雜，且精度 難W提高，同時由于驅動電橋的交流電源與檢測電橋之間未進行隔離，從電橋輸出的信號 中存在較大的交流共模成分，因此在后續電路中使用了差動運算放大器。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于解決上述的技術問題而提供一種用于晶片表面金屬薄膜拋光 過程的電滿流測量裝置，能夠滿足CMP設備對于晶片表面金屬薄膜層厚度進行高精度的在 線測量。
[0005] 本發明是運樣實現的，一種用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電滿流測量裝置， 包括：
[0006] 阻抗測量電路，包括一個兩邊測量臂能完全平衡的阻抗測量電橋W及提供一定頻 率的正弦交流信號源W驅動該阻抗測量電橋的射頻變壓器T1;
[0007] 數字式正交鎖定放大器，包括FPGA主控器件及外圍電路，用于根據設定的交變信 號的頻率ω，生成相關的正弦序列{rln}和與正弦序列{rln}正交的余弦序列{rfn}，由所述 正弦序列Irln}經轉換形成輸出序列后輸出到D/A轉換器中產生角頻率為ω的正弦信號，由 該正弦交流信號源經過濾波放大電路濾波放大后輸入至所述射頻變壓器T1W驅動阻抗測 量電橋；同時從所述阻抗測量電橋中輸出的偏差信號經信號調理電路進行放大濾波后，再 經A/D轉換器轉換后輸入到FPGA中，形成反映被測信息的檢測信號序列{χη}，該檢測信號序 列{xn}分別與存儲的正弦序列{rln}和余弦序列{τ2η}進行預先設定長度的相乘和累加運 算，得到的結果除W-個系數Κ后得到數字式正交鎖定放大器的同相輸出信號I和正交輸出 信號Q，并由同相輸出信號I和正交輸出信號的十算出反映被測物體信息的信號的幅值V和相 位白。
[000引其中，所述濾波放大電路包括：
[0009] 有源濾波器，用于將所述D/A轉換器輸出的正弦信號進行濾波后輸出；
[0010] Ξ極管功率放大電路，用于將所述有源濾波器濾波后輸出的信號進行功率放大后 輸入到所述射頻變壓器τι輸出交流信號源W驅動所述阻抗測量電橋。
[0011] 所述Ξ極管功率放大電路包括：
[0012] Ξ極管Q1，所述Ξ極管Q1基極接所述有源濾波器的信號輸出端;所述Ξ極管Q1的 發射極連接一個電極化，并通過一個電容C1接射頻變壓器T1的輸入側負極端，所述電阻化 的另一端W及射頻變壓器T1的輸入側正極端接電路電壓VCC端，所述Ξ極管Q1的集電極接 負壓電VEE端。
[0013] 所述信號調理電路包括：
[0014] 寬帶運算放大器，用于將所述阻抗測量電橋的輸出信號放大后輸出；
[0015] 抗混疊低通濾波器，用于所述寬帶運算放大器放大輸出的信號進行抗混疊濾波器 輸出到所述A\D轉換器，由所述A\D轉換器輸入到所述數字式正交鎖定放大器的FPGA主控器 件。
[0016] 所述阻抗測量電橋包括電阻器Rla、R化、32曰、1?213、1?3、1?4，調整元件￥1?1、￥1?2，參考 線圈Z1、激勵/檢測線圈Z2;所述電阻器Rla與R2a、R化與R2b、R3與R4分別串聯后，再與參考 線圈Z1、激勵/檢測線圈Z2分別在的兩個相對的測量臂連接從而形成相互并聯，所述調整元 件VR1串聯在電阻器R化與R2b之間，所述調整元件VR1的滑動桿連接在電阻器Rla與R2a之間 的連接線上后與所述射頻變壓器的輸出側正極相接，所述調整元件VR2的滑動桿接在電阻 器R3、R4之間的連接線上后與所述射頻變壓器的輸出側負極相接，所述調整元件VR2的兩端 分別與參考線圈Z1、激勵/檢測線圈Z2的一端相接，所述激勵/檢測線圈Z2的另一端接所述 阻抗測量電橋的信號輸出端，所述參考線圈Z1的另一端接所述阻抗測量電橋的信號參考 玉山 乂而。
[0017] 所述數字式正交鎖定放大器生成的所述正弦序列{rln}和余弦序列{r化}為固定 長度為N的數組，在控制信號源輸出時，依次循環輸出正弦序列{rln}的值，并通過改變頻率 控制參數，改變工作頻率，從而改變輸出的正弦交流信號源的頻率，其中N〉20。
[001引所述正弦交流信號源的頻率IMHz~lOMHz。
[0019] 本發明通過采用WFPGA器件作為控制核屯、器件的數字式鎖定放大器，其中FPGA核 屯、器件的乘法器、積分元件、移相電路W及頻率變換和調整完全由數字電路和軟件（如 Verilog語言)實現，大大提高了測量裝置的靈活性、穩定性和測量精度。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明的電路總體結構示意圖；
[0021 ]圖2為阻抗測量電橋示意圖；
[0022] 圖3為參考線圈或激勵/檢測線圈的等效電路示意圖；
[0023] 圖4為FPGA器件控制D/A轉換器生成正弦波形的示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面，結合實例對本發明的實質性特點和優勢作進一步的說明，但本發明并不局 限于所列的實施例。
[0025] 本發明WFPGA器件作為控制核屯、器件構成式正交鎖定放大器，產出一定頻率的正 弦交流信號來驅動阻抗測量電橋，同時由FPGA產生正弦信號的正弦序列{rln} W及與正弦 序列{rln}正交的余弦序列{rfn}作為參考信號，與輸入到FPGA器件中的檢測信號序列{xn} 分別完成相乘和累加運算，得到鎖定放大器的同相輸出信號I和正交輸出信號Q，并據此計 算出反映被測物體信息的信號的幅值V和相位Θ，從而實現晶片表面金屬薄膜拋光過程的表 面金屬薄膜厚度的在線測量。
[0026] 參見圖1-4所示，一種用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電滿流測量裝置，包括：
[0027] 阻抗測量電路，包括一個兩邊測量臂能完全平衡的阻抗測量電橋，W及提供一定 頻率的正弦交流信號源W驅動該阻抗測量電橋的射頻變壓器T1;
[002引數字式正交鎖定放大器，包括FPGA主控器件及外圍電路，用于根據設定的交變信 號的頻率ω，生成相關的正弦序列{rln}和與正弦序列{rln}正交的余弦序列{rfn}，由所述 正弦序列Irln}經轉換形成輸出序列{yn}后輸出到D/A轉換器中產生角頻率為ω的正弦信 號，由該正弦交流信號源經過濾波放大電路濾波放大后輸入至所述射頻變壓器T1W驅動阻 抗測量電橋；同時從所述阻抗測量電橋中輸出的偏差信號經信號調理電路進行放大濾波 后，再經A/D轉換器轉換后輸入到FPGA中，形成反映被測信息的檢測信號序列{χη}，該檢測 信號序列Ixn}分別與存儲的正弦序列{rln}和余弦序列{r化}進行預先設定長度的相乘和 累加運算，得到的結果除W-個系數K后得到數字式正交鎖定放大器的同相輸出信號I和正 交輸出信號Q，并由同相輸出信號I和正交輸出信號Q計算出反映被測物體信息的信號的幅 值V和相位9。
[0029] 進一步的，本發明中，所述濾波放大電路具體可W采用W下技術，包括：
[0030] 有源濾波器，用于將所述D/A轉換器輸出的正弦信號進行濾波后輸出；
[0031] Ξ極管功率放大電路，用于將所述有源濾波器濾波后輸出的信號進行功率放大后 輸入到所述射頻變壓器T1輸出交流信號源W驅動所述阻抗測量電橋。
[0032] 參見圖1所示，進一步的，本發明中，所述Ξ極管功率放大電路具體可W是包括Ξ 極管Q1，所述Ξ極管Q1基極接所述有源濾波器的信號輸出端;所述Ξ極管Q1的發射極連接 一個電極化，并通過一個電容C1接射頻變壓器T1的輸入側負極端，所述電阻化的另一端W 及射頻變壓器T1的輸入側正極端接電路電壓VCC端，所述Ξ極管Q1的集電極接負壓電VEE 玉山 乂而。
[0033] 進一步的，本發明中，所述信號調理電路可W是具體體包括：
[0034] 寬帶運算放大器，用于將所述阻抗測量電橋的輸出信號放大后輸出；
[0035] 抗混疊低通濾波器，用于所述寬帶運算放大器放大輸出的信號進行抗混疊濾波器 輸出到所述A\D轉換器，由所述A\D轉換器輸入到所述數字式正交鎖定放大器的FPGA主控器 件。
[0036] 需要說明的是，本發明中，所述數字式正交鎖定放大器生成的所述正弦序列{rln} 和余弦序列Ir化}為固定長度為N的數組，在控制信號源輸出時，依次循環輸出正弦序列 Irln}的值，并通過改變頻率控制參數，改變工作頻率，從而改變輸出的正弦交流信號源的 頻率，其中N〉20。
[0037] 所述正弦交流信號源的頻率IMHz~lOMHz。
[0038] 本發明中，所述阻抗測量電橋可W是現有技術中可用的阻抗測量電板，或是采用 本發明實施例提供的測量電橋如圖2所示，通過利用精密電阻器31曰、1?化、1?2曰、1?213、1?、1?4和 高穩定性的調整元件VRUVR2W及參考線圈Z1和激勵/檢測線圈Z2構建一個阻抗測量的電 橋，并在其中的A點直接連接后續放大電路的參考點GND，由一個IMHz~lOMHz的交流信號源 通過射頻變壓器η驅動該測量電橋，為電橋提供交流信號源。其中調整元件VRUVR2用于在 靜態時調整電路，測量電橋平衡，使得Α、Β兩點的電位差為零。在進行測量時，由于在參考線 圈Ζ1和激勵/檢測線圈Ζ2上的交變信號源產生交變磁場，當有金屬等導體處于激勵/檢測線 圈Ζ2產生的交變磁場中時，在其內部產生電滿流，并由于互感效應引起激勵/檢測線圈Ζ2的 等效阻抗發生變化，并使激勵/檢測線圈Ζ2線圈上面獲取的信號幅值改變，通過測量該信號 的大小可W進一步測量出激勵/檢測線圈Ζ2磁場中金屬薄膜層的厚度。
[0039] 為實現激勵/檢測線圈Ζ2變化時對于其輸出信號的測量，在無導體進入激勵/檢測 線圈Ζ2的磁場中時，應該滿足電橋的平衡調節，此時電橋的輸出信號幅值為零。根據電橋平 衡條件，應該滿足：
[0040] R1 · (jQL2+r2)=R2 · (j〇Ll+rl)
[0041] 其中，R1為阻抗測量電橋中Rla、R化和調整元件VRl在電橋中參考線圈Z1所在一側 的電阻值構成的等效電阻值，R2為阻抗測量電橋中R2a、R2b和調整元件VR1在電橋中激勵/ 檢測線圈Z2所在一側的電阻值構成的等效電阻值，jwLl和jwLl分別為參考線圈Z1和激 勵/檢測線圈Z2中的感抗部分，rl為參考線圈Z1中的電阻值rlx與電阻器R3和V調整元件R2 在參考線圈Z1-側電阻值構成的等效電阻，r2為激勵/檢測線圈Z2中的電阻值r2x與電阻器 R4和調整元件VR2在激勵/檢測線圈Z2-側電阻值構成的等效電阻，參考線圈Z1和激勵/檢 測線圈Z2的等效電路如圖3所示。由W上公式進一步可W得到：
[0042]
巧, 義*
[0043] 因此，為了使電橋平衡，上述公式的實部應為零，即.苗-=5 D由于引入了調整元 件VR1，可W調整電橋電路中R1和R2的阻值之比，使其滿足電橋平衡條件。
[0044] 對于通常的測量裝置，在一定頻率下，線圈感抗的影響較大，而其電阻值r非常小， 因此多數情況下將其忽略，只要保證電感值滿足匹配條件即可，在rl和r2存在誤差時電橋 并不完全平衡，但對于測量結果的影響較小。但是隨著測量要求的提高，測量量程的進一步 減小，對于線圈的電阻r的影響將不可忽略，本發明通過引入了第二個調整元件VR2,通過調 節調整元件VR2,改變r2和rl的阻值之比，實現電橋的完全平衡，使平衡時電橋輸出為零。
[0045] 在上述公式中，當時，可W得到：
[0046]
[0047] 即只要調整元件VR2使得Π 便可W實現電橋的平衡條件。在實際使用 9 中，R3和R4應該使用阻值很小(<10Ω)的精密電阻器，減小附加電阻對于測量電路靈敏度的 影響。
[0048] 本發明采用的阻抗測量電橋檢測裝置中采用了 VR1和VR2兩個調整元件，可實現電 橋兩邊測量臂的完全平衡，進一步提高測量精度，能進一步測量厚度更薄的金屬薄膜層。
[0049] 需要說明的是，本發明中，正弦交流信號源是通過一個射頻變壓器η驅動阻抗測 量電橋，由于射頻變壓器Τ1的隔離作用，可在阻抗測量電橋中選擇任意一點作為電路參考 點。通過將阻抗測量電橋中的A點作為參考點與后續放大電路的零點連接，并從B點獲取信 號，運樣就消除了測量電路輸入信號的共模成分，使共模信號為零。因此后續的放大電路無 需使用差動放大器，直接使用普通的寬帶運算放大器進行放大即可。
[0050] 需要說明的是，本發明中，在所述FPGA器件內，使用存儲器存儲生產的一個周期內 的正弦函數的數字化波形量值正弦序列{rln}，數據長度為N，為了保證初始信號質量和減 少諧波，通常N〉20，同時生成與數字化波形量值正弦序列{rIn}等長度的余弦序列{τ2η}。采 用一個Μ(2Μ>Ν)位的二進制計數器作為地址發生器，正弦波信號的數據存儲器的地址由地 址發生器的輸出控制，輸出頻率為f/N的正弦波，f為FPGA器件的工作頻率。由于設置的正弦 波形的數據格式可能會同所用的D/A轉換器的數據格式有差異，因此需要進行一定的轉換 W形成相應輸出序列{yn}，本發明使用加法器將正弦序列{rln}疊加一個常數C后形成輸出 序列{yn}，輸出到D/A轉換器(AD9764)，即可生成所需正弦信號波形，如圖4所示。
[0051] 由D/A轉換器輸出的正弦信號經過有源濾波器濾波后，獲得幅值為1~2V的正弦信 號，再由Ξ極管Q1功率放大后，經過射頻變壓器η驅動阻抗測量電橋。在無檢測物體時，調 節電橋中的調整元件VR1和VR2,使得測量電橋的輸出值為零，達到電橋的平衡狀態。一旦有 測量目標進入線圈的測量范圍時，即可檢測到與正弦信號同頻率的輸出信號。
[0052] 由運算放大器構成的放大電路，實現對阻抗測量電橋輸出信號的放大。由于交流 驅動電源信號的頻率較高，同時放大倍率較大，因此使用精密寬帶運算放大器(AD8045)，信 號放大后經過抗混疊低通濾波器后輸入到A/D轉換器中。
[0053] FPGA器件控制A/D轉換器獲得采樣信號序列{χη}后，完成數字式相敏檢波和解調 運算，得到信號的幅值和相移，具體操作過程為：由參考序列Irln巧日{r 2η}分別與采樣序列 {χη}通過乘法器相乘，并在邏輯控制器的控制下將乘法器得到的結果通過累加器進行累 加，用得到的結果除W-個系數Κ后，即可獲得鎖定放大器的同相輸出信號I和正交輸出信 號Q:
[0056]其中，W為設定的累加器計算長度，在完成W次累加運算后輸出計算結果，并將計算 結果清零。由得到的同相輸出信號I和正交輸出信號Q值，就可W計算出被測信號的幅值V和 姑仿目，
[0059] 通過W上被測信號的幅值V和相位Θ，就可W實現在線測量晶片表面金屬薄膜厚 度。
[0060] 本發明WFPGA作為數字化鎖定放大器控制核屯、，通過電滿流法測量晶片金屬薄膜 厚度，具有精度高、靈活性好、電路調試簡單、穩定性好等優點。
[0061] W上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝置，其特征在于:包括:阻抗測 量電路，包括一個兩邊測量臂能完全平衡的阻抗測量電橋以及提供一定頻率的正弦交流信 號源以驅動該阻抗測量電橋的射頻變壓器T1; 數字式正交鎖定放大器，包括FPGA主控器件及外圍電路，用于根據設定的交變信號的 頻率ω，生成相關的正弦序列{rln}和與正弦序列{rln}正交的余弦序列{r2n}，由所述的正 弦序列{rln}經過轉換形成輸出序列后輸出到D/A轉換器中產生角頻率為ω的正弦信號，由 該正弦交流信號源經過濾波放大電路濾波放大后輸入至所述射頻變壓器Τ1以驅動阻抗測 量電橋；同時從所述阻抗測量電橋中輸出的偏差信號經信號調理電路進行放大濾波后，再 經A/D轉換器轉換后輸入到FPGA中，形成反映被測信息的檢測信號序列{χη}，該檢測信號序 列{xn}分別與存儲的正弦序列{rln}和余弦序列{r2n}進行預先設定長度的相乘和累加運 算，得到的結果除以一個系數Κ后得到數字式正交鎖定放大器的同相輸出信號I和正交輸出 信號Q，并由同相輸出信號I和正交輸出信號Q計算出反映被測物體信息的信號的幅值V和相 位θ〇2. 根據權利要求1所述的用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝置，其特征 在于:所述濾波放大電路包括： 有源濾波器，用于將所述D/A轉換器輸出的正弦信號進行濾波后輸出； 三極管功率放大電路，用于將所述有源濾波器濾波后輸出的信號進行功率放大后輸入 到所述射頻變壓器Τ1輸出交流信號源以驅動所述阻抗測量電橋。3. 根據權利要求2所述的用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝置，其特征 在于:所述三極管功率放大電路包括： 三極管Q1，所述三極管Q1基極接所述有源濾波器的信號輸出端;所述三極管Q1的發射 極鏈接一個電極RL，并通過一個電容C1接射頻變壓器Τ1的輸入端負極端，所述電阻RL的另 一端以及射頻變壓器Τ1的輸入側正極端接電路電壓VCC端，所述三極管Q1的集電極接負壓 電VEE端。4. 根據權利要求3所述的用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝置，其特征 在于:所述信號調理電路包括： 寬帶運算放大器，用于將所述阻抗測量電橋的輸出信號放大后輸出； 抗混疊低通濾波器，用于對所述寬帶運算放大器放大輸出的信號濾波并輸出到所述Α/ D轉換器，由所述A/D轉換器輸入到所述數字式正交鎖定放大器的FPGA主控器件。5. 根據權利要求1-4任一項所述的用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝 置，其特征在于:所述阻抗測量電橋包括：電阻器則3、1?113、1?2 &、1?213、1?3、1?4，調整元件￥1?1、 VR2,參考線圈Z1、激勵檢測線圈Z2;所述電阻器Rla與R2a、Rlb與R2b、R3與R4分別串聯后，再 與參考線圈Z1、激勵/檢測線圈Z2分別在的兩個相對的測量臂連接，從而形成相互并聯，所 述調整元件VR1串聯在Rib與R2b之間，所述調整元件VR1的滑動桿連接在電阻器Rla與R2a之 間的連接線上后與所述射頻變壓器的輸出側正極相接，所述調整元件VR2的滑動桿連接在 電阻器R3與R4之間的連接線上后與所述射頻變壓器的輸出側負極相接，所述調整元件VR2 的兩端分別與參考線圈Z1、激勵/檢測線圈Z2的一端相接，所述激勵/檢測線圈Z2的另一端 接所述阻抗測量電橋的信號輸出端，所述參考線圈Z1的另一端接所述阻抗測量電橋的信號 參考端。6. 根據權利要求1所述的用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝置，其特征 在于:所述數字式正交鎖定放大器生成的所述正弦序列Irln}和余弦序列{r2n}為固定長度 為Ν的數組，在控制信號源輸出時，依次循環輸出正弦序列{rln}的值，并通過改變頻率控制 參數，改變工作頻率，從而改變輸出的正弦交流信號源的頻率，其中N> 20。7. 根據權利要求1所述的用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝置，其特征 在于:所述正弦交流信號源的頻率為l-ΙΟΜΗζ。8. 根據權利要求1所述的用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝置，其特征 在于:所述輸出序列由所述的正弦序列Irln}通過疊加一個常數c得到。
【文檔編號】G01B7/06GK105965380SQ201610290914
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】吳旭, 王東輝, 柳濱, 佀海燕
【申請人】中國電子科技集團公司第四十五研究所