[發(fā)明專利]用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610290914.5
• 申請日: 2016-05-04
• 公開（公告）號: CN105965380B
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳旭;王東輝;柳濱;佀海燕
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所
• 主分類號: B24B37/005
• 分類號: B24B37/005;B24B49/10;G01B7/06
• 代理公司: 北京中建聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11004
• 代理人: 宋元松

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬薄膜厚度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體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。

背景技術(shù)

在化學(xué)機(jī)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1000nm逐漸減薄至100～200nm，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步加工去除。現(xiàn)有的基于電渦流法的普通金屬薄膜厚度測量儀器無法滿足對于1000nm厚度以下的薄膜層的測量要求。

目前國外所開發(fā)的專用CMP電渦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，雖然可以滿足對目前測量范圍的要求，但其技術(shù)復(fù)雜，所用的移相電路和鎖定放大器均以模擬電路為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，電路設(shè)計(jì)和調(diào)試復(fù)雜，且精度難以提高，同時(shí)由于驅(qū)動電橋的交流電源與檢測電橋之間未進(jìn)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(xù)電路中使用了差動運(yùn)算放大器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決上述的技術(shù)問題而提供一種用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝置，能夠滿足CMP設(shè)備對于晶片表面金屬薄膜層厚度進(jìn)行高精度的在線測量。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種用于晶片表面金屬薄膜拋光過程的電渦流測量裝置，包括：

阻抗測量電路，包括一個(gè)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(qū)動該阻抗測量電橋的射頻變壓器T1；

數(shù)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(jù)設(shè)定的交變信號的頻率ω，生成相關(guān)的正弦序列{r1n}和與正弦序列{r1n}正交的余弦序列{r2n},由所述正弦序列{r1n}經(jīng)轉(zhuǎn)換形成輸出序列后輸出到D/A轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生角頻率為ω的正弦信號，由該正弦交流信號源經(jīng)過濾波放大電路濾波放大后輸入至所述射頻變壓器T1以驅(qū)動阻抗測量電橋；同時(shí)從所述阻抗測量電橋中輸出的偏差信號經(jīng)信號調(diào)理電路進(jìn)行放大濾波后，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸入到FPGA中，形成反映被測信息的檢測信號序列{xn},該檢測信號序列{xn}分別與存儲的正弦序列{r1n}和余弦序列{r2n}進(jìn)行預(yù)先設(shè)定長度的相乘和累加運(yùn)算，得到的結(jié)果除以一個(gè)系數(shù)K后得到數(shù)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(jì)算出反映被測物體信息的信號的幅值V和相位θ。

其中，所述濾波放大電路包括：

有源濾波器，用于將所述D/A轉(zhuǎn)換器輸出的正弦信號進(jìn)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(jìn)行功率放大后輸入到所述射頻變壓器T1輸出交流信號源以驅(qū)動所述阻抗測量電橋。

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(fā)射極連接一個(gè)電極RL,并通過一個(gè)電容C1接射頻變壓器T1的輸入側(cè)負(fù)極端,所述電阻RL的另一端以及射頻變壓器T1的輸入側(cè)正極端接電路電壓VCC端，所述三極管Q1的集電極接負(fù)壓電VEE端。

所述信號調(diào)理電路包括：

寬帶運(yùn)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，用于所述寬帶運(yùn)算放大器放大輸出的信號進(jìn)行抗混疊濾波器輸出到所述A/D轉(zhuǎn)換器，由所述A/D轉(zhuǎn)換器輸入到所述數(shù)字式正交鎖定放大器的FPGA主控器件。

所述阻抗測量電橋包括電阻器R1a、R1b、R2a、R2b、R3、R4，調(diào)整元件VR1、VR2，參考線圈Z1、激勵/檢測線圈Z2；所述電阻器R1a與R2a、R1b與R2b、R3與R4分別串聯(lián)后，再與參考線圈Z1、激勵/檢測線圈Z2分別在的兩個(gè)相對的測量臂連接從而形成相互并聯(lián)，所述調(diào)整元件VR1串聯(lián)在電阻器R1b與R2b之間，所述調(diào)整元件VR1的滑動桿連接在電阻器R1a與R2a之間的連接線上后與所述射頻變壓器的輸出側(cè)正極相接，所述調(diào)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(cè)負(fù)極相接，所述調(diào)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。

所述數(shù)字式正交鎖定放大器生成的所述正弦序列{r1n}和余弦序列{r2n}為固定長度為N的數(shù)組，在控制信號源輸出時(shí)，依次循環(huán)輸出正弦序列{r1n}的值，并通過改變頻率控制參數(shù)，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。

所述正弦交流信號源的頻率1MHz～10MHz。