CN1806158A - 测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量形成在诸如半导体晶片等的基片表面上的薄膜厚度等的测量设备。测量设备包括用于发射微波到物体的微波发射装置(40)、用于供给微波到微波发射装置(40)的微波发生器(45)、用于检测已从物体反射或穿过物体的微波的振幅或相位的检波器(47)、和用于基于所述检波器(47)已检测的微波的振幅或相位来分析物体结构的分析器(48)。

Description

测量设备

技术领域

本发明涉及一种用于测量物体厚度等的测量设备，特别是一种用于测量形成在诸如半导体晶片等的基片表面上的薄膜厚度等的测量设备。

背景技术

随着近些年半导体装置变得越来越高度集成，电路互连要求更细，且多层互连的层数增加。在这种趋势下，需要诸如半导体晶片等的基片表面平面化。具体是，随电路互连变得更细，在光刻中使用的光的波长变得更短。在使用具有短波长的光的情况下，在基片表面聚焦区域所允许的阶跃高度变得更小。因此，基片要求有非常平的表面以便聚焦区域的阶跃高度变得小些。从这一观点出发，通常采用化学机械抛光(CMP)过程去除形成在半导体晶片表面上的凸凹不平以获得平的表面。在由化学机械抛光设备执行的化学机械抛光过程中，当抛光液体被供给到抛光垫时作为将被抛光物体的半导体晶片与抛光垫滑动接触。半导体晶片因此被抛光。

在上述化学机械抛光过程中，当抛光过程执行了一段预定时间后需要在预定点停止抛光过程。例如，诸如SiO2等的绝缘层被要求保留在诸如Cu或Al等的金属互连上。这样的绝缘层被称作层间绝缘，因为在后续工序中诸如金属层等的层被形成在绝缘层上。在这种情况下，如果绝缘层被过度抛光，那么在绝缘层下面的金属互连可能被暴露出。因此，抛光过程应该在一个预定的点停止以便使得绝缘层(层间绝缘)以一定厚度保留在金属互连上。

还有另一种情况，预先被形成在半导体晶片表面上、具有预定图案的互连槽被填充有Cu(或Cu合金)且然后残留在表面上的不需要的Cu层部分通过化学机械抛光(CMP)过程被去除。当Cu层通过化学机械抛光(CMP)过程被去除时，需要选择性从半导体晶片去除Cu层以便Cu层仅仅保留在互连槽中。具体是，Cu层被要求以这样的方式从表面去除：在除了互连槽以外的部位，诸如SiO2等的绝缘层(非金属层)被暴露出。

在这种情况下，如果抛光过程过度地进行而抛光互连槽中的Cu层和绝缘层，电路电阻变大，且因此半导体装置将报废，导致大的损失。另外与此不同的是，如果抛光过程没有充分执行从而使得Cu层保留在绝缘层上，电路互连没有彼此分开，从而会引起短路。结果是，抛光过程将重新执行，且因此制造成本增加。形成此类金属层后，采用化学机械抛光过程时，这种问题不仅仅出现在抛光Cu层的情况下，也出现在抛光诸如Al层等的其他种类金属层的情况下。

所以，在此之前通常使用具有光学传感器的测量设备测量形成在表面的、将被抛光的绝缘层(绝缘薄膜)或金属层(金属薄膜)的厚度，以便检测化学机械抛光过程的终点。在这类测量设备中，当抛光过程执行时，激光束或白光被从光源发射到半导体晶片上，且来自由半导体晶片形成的绝缘薄膜或金属薄膜的反射光被测量以便检测抛光过程的终点。在另一种类型的测量设备中，当抛光过程执行时，可见光线被从光源发射到半导体晶片上，且来自由半导体晶片形成的绝缘薄膜或金属薄膜的反射光采用分光设备被分析以便检测抛光过程的终点。

然而，上述测量设备有下列问题：如果诸如抛光垫等的障碍物存在于光源和半导体晶片之间，从光源发射的激光束和可见光线不能达到半导体晶片。因此，需要在抛光垫上设置一个诸如通孔或透明窗的透射窗以便激光束和可见光线能从那通过。其结果是，抛光垫的制造工艺数增加，且因此作为易耗组件的抛光垫的制造成本增加。另外，在上述测量设备中，从半导体晶片反射的激光束和反射的可见光线是不稳定的。因此，很难精确测量薄膜厚度。

发明内容

本发明是考虑到上述缺点而提出的。因此本发明的一个目的是提供一种能精确测量物体的结构诸如厚度的测量设备，而不需要在障碍物上设置诸如通孔等的透射窗。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种测量设备，包括：用于发射微波到物体的微波发射装置；用于将微波供给到所述微波发射装置的微波发生器；用于检测已从物体反射或穿过物体的微波的振幅或相位的检波器；和用于基于检波器检测的微波的振幅或相位来分析物体结构的分析器。

在本发明的一个优选方面，分析器计算反射系数、驻波比和表面阻抗中的至少一个。

在本发明的一个优选方面，分析器计算物体的厚度、内部缺陷、介电常数、电导率和磁导率中的至少一个。

根据本发明的另一个方面，提供一种通过使物体滑动接触抛光垫来抛光物体的抛光设备，抛光设备包括：具有所述抛光垫的抛光台；用于保持基片并将基片压靠到抛光垫的顶圈；和用于测量形成在基片表面上的薄膜厚度的测量设备；其中，测量设备包括用于发射微波到薄膜的微波发射装置、用于将微波供给到所述微波发射装置的微波发生器、用于检测已从物体反射或穿过物体的微波的振幅或相位的检波器；和用于基于检波器检测的微波的振幅或相位来测量薄膜厚度的分析器。

在本发明的一个优选方面，多个微波发射装置被设置在顶圈中；多个微波发射装置中的一个被设置在对应于基片中心部位的位置上；且多个微波发射装置中其余的被沿着基片径向远离基片中心部位地设置。

在本发明的一个优选方面，测量设备还包括涡流传感器、光学传感器、用于检测抛光垫与基片之间摩擦力的摩擦力检测器、和用于检测顶圈或抛光台扭矩的扭矩传感器中的至少一个。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于在基片表面上形成薄膜的CVD设备，CVD设备包括：基片设置在其中的室、用于供给原料气体到室内的气体供给器；用于加热基片的加热器和用于测量形成在基片表面上的薄膜厚度的测量设备；其中，测量设备包括用于发射微波到薄膜的微波发射装置、用于将微波供给到所述微波发射装置的微波发生器、用于检测已从物体反射或穿过物体的微波的振幅或相位的检波器；和用于基于检波器检测的微波的振幅或相位来测量薄膜厚度的分析器。

根据本发明的另一个方面，提供的测量设备包括：用于发射线性偏振波或圆形偏振波到物体的发射装置；分别用于接收来自物体的反射波的至少两个接收装置；分别用于检测反射波的振幅和相位的至少两个检波器、和用于基于检波器检测的振幅或相位来分析反射波的偏振状态变化以测量物体厚度的分析器。

在本发明的一个优选方面，分析器还测量物体的介电常数、电导率、磁导率和折射率。

在本发明的一个优选方面，物体为多层薄膜。

根据本发明的另一个方面，提供一种通过使物体滑动接触抛光垫抛光物体的抛光设备，抛光设备包括：具有所述抛光垫的抛光台；用于保持基片并将基片压靠到抛光垫的顶圈；和用于测量形成在基片表面上的薄膜厚度的测量设备；其中，测量设备包括用于发射线性偏振波或圆形偏振波到物体的发射装置、分别用于接收来自物体的反射波的至少两个接收装置、分别用于检测反射波的振幅和相位的至少两个检波器、和用于基于检波器检测的振幅或相位来分析反射波的偏振状态变化以测量物体厚度的分析器。

在本发明的一个优选方面，发射装置被设置在抛光台中。

在本发明的一个优选方面，物体为多层薄膜。

根据本发明，即使障碍物(例如抛光垫)存在于作为被测量目标的物体与微波发射装置之间，微波穿过(穿透)障碍物到达物体(例如基片)。因此，不需要在障碍物上设置诸如通孔等的透射窗。其结果是，不需要提供这类透射窗的工序，且因此制造成本被降低。另外，根据本发明，物体的厚度等可不受抛光液或类似物的影响而被精确地测量。

附图说明

图1A是显示根据本发明的测量设备原理的示意图；

图1B是显示反射波的振幅和物体厚度之间关系的曲线；

图2是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的抛光设备的横截面示意图；

图3是显示根据本发明第一实施例的测量设备的示意图；

图4A是显示图2中所示抛光设备的示意平面图；

图4B是显示半导体晶片将被抛光表面的示意图；

图5A是显示在半导体晶片表面各个区域的薄膜厚度的测量值随时间变化的方式的曲线；

图5B是显示薄膜厚度测量值的收敛范围的示意图；

图6是显示薄膜厚度随时间变化方式的曲线；

图7A是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的抛光设备的另一个例子的横截面示意图；

图7B是显示图7A中所示顶圈放大的横截面示意图；

图8是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的电解抛光设备的横截面示意图；

图9是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的干蚀刻设备的横截面示意图；

图10是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的电镀设备的横截面示意图；

图11是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的CVD设备的横截面示意图；

图12是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的PVD设备的横截面示意图；

图13是显示椭圆光度法原理的示意图；以及

图14是显示包括根据本发明第二实施例的测量设备的抛光设备的示意图。

具体实施方式

根据本发明实施例的测量设备将在下面参考附图来描述。图1A是显示根据本发明第一实施例的测量设备原理的示意图。如图1A所示，当微波(入射波)被发射到将被测量的物体S时，微波被物体S反射。从物体S反射的微波(下文称为反射波R)具有随着物体S的诸如厚度等的结构和物理特性而变化的振幅和相位。因此，物体S的结构能通过检测反射波R的振幅和相位中的至少一个而被分析。物体的结构包括物体厚度、形成在物体中的诸如空隙等的内部缺陷、介电常数、电导率和磁导率。

例如，如果物体S的厚度通过抛光过程、电镀过程或其他过程被改变，那么来自物体S的反射波随着物体S的厚度而变化。同样地，通过检测反射波R的振幅，物体S的厚度变化能被监控。在这种情况下，如果表示物体S厚度和反射波R的振幅之间关系的数据被预先储存，物体S的绝对厚度能通过检测来自物体S的反射波R的振幅而被测量。

微波是一种电磁波。在下文的详细说明中，微波被定义为具有频率从300MHz到300GHz且波长从1m到1mm的电磁波。从反射波R能读到的信息包括其振幅和相位。另外，基于所读到的振幅和相位，可能获得几类信息，诸如反射系数(即，反射波R的振幅与入射波I的振幅的比率)、物体表面阻抗(即，取决于物体表面的阻抗)、驻波比(即，传输线上最高电压对最低电压的比率)。如果频率从入射波I的(f)变化到反射波R的(f+Δf)，这个变化Δf被认为是与诸如物体厚度等的结构成比例。因此，物体结构能通过测量频率的变化而分析。

接着，将参考图1B描述反射波的振幅和厚度之间的关系。图1B是显示测量结果的曲线。在此试验中，微波被发射到具有厚度th1、th2和th3的三类多晶硅上，且反射波的振幅被测量。在图1B中，电功率(dbm)被用于表示振幅的单位。

从图1B的试验结果可以看出，当多晶硅薄时振幅小，多晶硅厚时振幅大。试验结果表明，在微波的振幅和物体厚度之间存在恒定关系。因此，物体的厚度能通过检测微波(反射波)的振幅而测量。

发射到物体的微波不局限于具有单一频率的微波。具体是，可使用分别具有不同频率的几个微波，它们彼此被叠加。另外，通过使用频率改变装置频率可以随时间而改变。最好依照物体的类型适当地选择微波的频率，以便物体S的结构能被精确地测量。另外，因为微波穿过物体S，可以不但通过检测反射波R而且通过检测透过(即，穿过)物体S的微波(以下，这种微波被称为透射波P)来测量物体S的厚度。

下面是使用微波的测量设备的优点：

(1)空气是传输微波的合适介质。

(2)物体的结构采用非接触和非破坏方式被测量。

(3)测量距离能被设定为长的。例如，使用微波的测量设备的测量距离是35mm，而涡流传感器的测量距离最大是4mm。测量距离被定义为在天线(即，微波发射装置)和物体之间的距离。合适的测量距离考虑所要求的测量灵敏度而确定。

(4)即使在天线和物体之间存在障碍物，微波穿过障碍物并从而到达物体。因此，不需要在障碍物上设置诸如通孔等的透射窗口。

(5)通常，天线尺寸小。因此，测量设备能被很容易地包括在抛光设备中或其他设备中。

(6)由于通过使用聚焦传感器或类似物微波能被聚焦到物体上的一个小区域上，诸如物体厚度的结构能被精确地测量。

接着，包括根据本发明第一实施例的测量设备的抛光设备(化学机械抛光设备)将参考图2来描述。图2是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的抛光设备的横截面示意图。

如图2所示，抛光设备包括抛光台20，抛光垫10安装在其上表面上；和用于保持将被抛光的半导体晶片(即，基片)W的顶圈30，以便压靠半导体晶片W到抛光垫10的上表面上。抛光垫10的上表面作为抛光表面与作为将被抛光物体的半导体晶片接触。包括采用诸如树脂等粘合剂固定的细小研磨颗粒的固定研磨板的上表面可以作为抛光表面。

抛光台20被结合到设置在其下的电动机21上，且如箭头所示能沿它自身轴线旋转。抛光液供给喷嘴22被设置在抛光台20的上方以便抛光液Q从抛光液供给喷嘴22供给到抛光垫10上。

顶圈30通过顶圈轴31被结合到电动机和升/降缸(未显示)上。顶圈30因此能如箭头所示垂直移动或绕顶圈轴31旋转。由聚氨酯或类似物制成的弹性垫32被安装到顶圈的下表面上。作为将被抛光物体的半导体晶片W利用真空或类似方法被吸到弹性垫32的下表面且由弹性垫32的下表面保持。导环33被设置在顶圈30下圆周部上，从而防止半导体晶片从顶圈30脱离。

采用上面的机构，在被旋转时，顶圈30能以所需压力将保持在其下表面上的半导体晶片W压靠到抛光垫10上。在半导体晶片和抛光垫10之间有抛光液Q的情况下，半导体晶片的下表面被抛光到平面光洁度。

抛光台20具有用于发射微波到半导体晶片W将被抛光表面的天线(微波发射装置)40。天线40被镶入到抛光台20中，天线40被设置在对应于被顶圈30保持的半导体晶片中心部位的位置，且通过波导管41被连接到主单元(网络分析器)42。

图3是显示根据本发明第一实施例的测量设备的示意图。如图3所示，测量设备包括天线40和通过波导管41连接到天线40的主单元42。最好是波导管41的长度尽可能短。天线40和主单元42可以整体构造。主单元42包括用于产生微波和供给所产生微波到天线40的微波源45、用于分离微波源45所产生微波(入射波)和从半导体晶片W的表面反射的微波(反射波)的分离器46、用于接收被分离器46分离的反射波并检测反射波振幅和相位的检波器47、用于依靠被检波器47检测的反射波的振幅和相位来分析半导体晶片的结构的分析器48。定向耦合器可优选用作分离器46。

天线40通过波导管41被连接到分离器46。微波源45被连接到分离器46，且微波源45产生的微波通过分离器46和波导管41被供给到天线40。微波从天线40向半导体晶片W发射，并穿过(穿透)抛光垫10到达半导体晶片W的中心部位。来自半导体晶片W的反射波再一次穿过抛光垫10且随后被天线40接收。

反射波通过波导管41被从天线40传输到分离器46，且入射波和反射波通过分离器46相互分离。分离器46被连接到检波器47，且被分离器46分离的反射波被传输到检波器47。检波器47检测反射波的振幅和相位。具体是，反射波的振幅以电功率值(dmb或W)或电压值(V)被测量，且反射波的相位通过被组合在检波器47中的相位计(未显示)检测。不设置相位计的情况下，只有反射波的振幅可以通过检波器47被检测，或只有反射波的相位可以通过相位计被检测。

在分析器48中，形成在半导体晶片上的金属薄膜或非金属薄膜的厚度基于通过检波器47检测的反射波的振幅和相位来分析。控制单元50被连接到分析器48。控制单元50基于分析器48获得的薄膜厚度来检测抛光过程的终点。

为了减小微波焦斑的直径，用于聚焦微波的聚焦传感器可以被设置到天线40上。采用这种布置，从天线40发射的微波能被作用到半导体晶片W上的小区域上。从测量灵敏度的观点看，最好是天线40和半导体晶片W之间的距离(测量距离)尽可能短。然而，当通过增大微波源45的输出功率而保持测量灵敏度时，测量距离可以设定为较长。

被发射到半导体晶片W的微波的频率最好根据物体(金属薄膜或非金属薄膜)的种类来选择。在这种情况下，可以设置多个微波源，用于产生分别具有不同频率的多个微波，以便任何一个将被使用的微波源根据物体的种类来选择。作为另一个选择，微波源45可以具有用于改变微波频率的频率改变装置。在这种情况下，频率改变装置可以使用用于改变频率的函数发生器。

图4A是显示图2中所示抛光设备的示意平面图，图4B是显示半导体晶片将被抛光表面的示意图，图5A是显示在半导体晶片表面各个区域的薄膜厚度的测量值随时间变化的方式的曲线，图5B是显示薄膜厚度测量值的收敛范围的示意图。

在这个实施例中，如图4B所示，薄膜厚度在五个区Z1、Z2、Z3、Z4和Z5被测量，其中的一个区位于半导体晶片W的中心部位。如图4A所示，顶圈30和抛光台20彼此独立地旋转。因此，当抛光过程执行时，天线40相对于半导体晶片W的位置被改变。即使在这种状况，因为如图2所示天线40位于对应于半导体晶片W的中心部位的位置，每一次抛光台20旋转一圈，天线40扫过预定的区域，也就是位于半导体晶片W中心部位的Z3区。因此，就可能在固定区域，也就是位于半导体晶片W中心部位的Z3区监测薄膜的厚度，且因此获得精确的抛光速率。

如图5A所示，随着抛光过程进行，在各个区Z1、Z2、Z3、Z4和Z5，薄膜厚度的测量值M1、M2、M3、M4和M5逐渐收敛到一定范围内。如图5B所示，在控制单元50(见图2和图3)中，相对于Z3区薄膜厚度的测量值M3提供上限U和下限L。当在区Z1、Z2、Z3、Z4和Z5的薄膜厚度的测量值M1、M2、M3、M4和M5逐渐收敛到从上限U到下限L的范围内时，控制单元50确定将被抛光薄膜在半导体晶片W的整个表面上被均匀抛光。采用这种方式，当在各个区Z1、Z2、Z3、Z4和Z5的薄膜厚度的测量值M1、M2、M3、M4和M5收敛在预定范围内时抛光过程停止。因此，表面可被抛光成平面光洁度。当半导体晶片W上的薄膜被抛光到所需厚度时，抛光过程被控制单元50停止。

抛光过程的终点可以根据抛光过程的经过时间来检测。一个根据经过时间来检测终点的方法将在下文描述。图6是显示薄膜厚度随时间变化方式的曲线。图6也显示了抛光速率。

如图6所示，当抛光过程开始(t0)的一定时间时，薄膜厚度的变化率非常低。控制单元50(见图2和图3)检测到这一时间点(t1)且设置一个基本周期T1(t1-t0)。接着，使用基本周期T1和一个预定的系数，通过诸如加、减、乘、除等的算术运算计算出辅助周期T2(t1-t2)。然后，当经过将辅助周期T2加到基本周期T1上所获得的周期(T1+T2)时(t2)，控制单元50停止抛光过程。

根据这一方法，即使由于抛光速率变化小难于检测到抛光过程的终点，抛光过程的终点能通过计算基本周期T1和辅助周期T2来确定。上面的系数最好根据诸如金属薄膜或非金属薄膜等的薄膜种类来确定。

温度调节机构可以被设置到抛光台20上，以便调节抛光垫10的温度。例如，一个流体通道可以形成在抛光台20的上表面上，以便高温流体或低温流体供给到流体通道中。在这种情况下，最好是控制单元50依靠测量设备获得的测量值控制流体的供给。采用这种布置，在抛光液Q和由金属或非金属制成的薄膜之间的化学反应被促进或被抑制，从而能控制抛光速率。另外，控制单元50依靠测量设备获得的测量值可以控制在抛光台20和顶圈30之间的相对速度。

最好在抛光台20上设置一个应力传感器(摩擦力检测器)，用于测量在抛光垫10和半导体晶片W之间的摩擦力。作为另一个选择，最好设置用于测量顶圈30或抛光台20的扭矩的扭矩传感器。在这种情况下，扭矩传感器最好可以包括电流计，用于测量供给到旋转顶圈30或抛光台20的电动机的电流。通常，当半导体晶片被抛光成平面时，在抛光垫10和半导体晶片W之间的摩擦力变小。因此，如果在应力传感器或扭矩传感器的输出值被减少到预定值之后抛光过程被停止，那么可以确保半导体晶片W的平坦表面。除本实施例的测量设备之外，涡流传感器或光学传感器也可以被设置用于测量形成在半导体晶片上的金属薄膜。

图7A是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的抛光设备的另一个例子的横截面示意图，图7B是显示图7A中所示顶圈放大的横截面示意图。抛光设备的组件和操作下文将不描述，与图2中所示的抛光设备的一致。

在图7A所示的抛光设备中，多个天线40A、40B、40C、40D和40E被设置到顶圈30中，且微波从各个天线40A、40B、40C、40D和40E向半导体晶片W发射。天线40A、40B、40C、40D和40E被分别连接到主单元42(见图2)。

如图7B中所示，天线40C被设置在对应于半导体晶片W的中心部位的位置。天线40B和40D被分别沿径向设置在离天线40C(半导体晶片W的中心部位)距离为“d”的位置。天线40A和40E被分别沿径向设置在离天线40B和40D距离为“d”的位置。采用这种方式，天线40B和40D以及天线40A和40E被布置在沿半导体晶片W的径向不同的位置。

同样在图7A所示的抛光设备中，半导体晶片W上的薄膜的厚度通过各个天线40A、40B、40C、40D和40E在五个区Z1、Z2、Z3、Z4和Z5(见图4B)被测量。天线在顶圈30和抛光台20上都能设置。在这种情况下，微波被从设置在顶圈30或抛光台20上的天线(多个天线)向半导体晶片W发射，且穿过半导体晶片W的微波(透射波)被设置在相对侧的天线(多个天线)接收。那么，透射波的振幅和相位被检测，从而半导体晶片W上的薄膜厚度被测量。

天线的位置不局限于抛光台20和顶圈30。例如天线能被设置在导环33中。在这种情况下，测量设备能被用作用于检测半导体晶片从顶圈30脱离的传感器。天线可以沿径向被设置在抛光台20的外侧。在这种情况下，在抛光过程执行期间或之后顶圈30被移动到一个伸出位置，在该处顶圈30的一部分位于超过抛光台20的周缘的位置上，于是微波被从天线发射到半导体晶片W将被抛光的下表面。

图8是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的电解抛光设备的横截面示意图。如图8所示，电解抛光设备包括用于容纳电解液100的电解槽101，和设置在电解槽101上方用于以将被抛光表面朝下的状态可分离地保持半导体晶片W的基片保持器102。电解槽101朝上开口且具有圆柱形形状。

电解槽101被结合到通过电动机(未显示)被旋转的轴103上。阴极板(即，处理电极)104被浸入到电解液100中且被水平设置在电解槽101的底部。无纺织物类抛光工具105被安装到阴极板104的上表面。电解槽101和抛光工具105通过轴103一起旋转。

基片保持器102被结合到具有能控制旋转速度的旋转机构和能够调节抛光压力的垂直移动机构的支撑杆107的下端。基片保持器102借助真空或类似方法吸引并保持半导体晶片W到其下表面上。

基本支架102具有一个电触点(即，供给电极)108，用于给形成在半导体晶片W的表面上的金属薄膜供电，以使金属薄膜成为阳极。电触点108通过设置在支撑杆107中的滚动滑动连接器(未显示)和导线109a被连接到作为电源的整流器110的阳极端子上。阴极板104通过导线109b被连接到整流器110的阴极端子上。电解液供给器111被设置在电解槽101的上方，用于供给电解液100到电解槽101中。

根据本实施例的天线40被镶入到基片保持器102中以便微波从天线向半导体晶片W发射。微波被形成在半导体晶片W的下表面上的金属薄膜反射。反射的微波(反射波)被天线40接收且通过波导管41被传送到主单元42。那么，金属薄膜的厚度通过组合在主单元42上的分析器48(见图3)被测量。控制单元50被连接到主单元42，且抛光过程的抛光速率控制和终点检测依靠分析器48所测量的薄膜厚度值通过控制单元50执行。图8所示的测量设备(即，天线40和主单元42)的结构与图3所示的相同。

上述电解抛光设备的操作将在下面描述。电解液100被从电解液供给器111供给到电解槽101中，直到电解液100溢出电解槽101。在允许电解液100溢出电解槽101的同时，电解槽101和抛光工具105被一起旋转。基片保持器102以金属薄膜朝下的状态吸引并保持具有诸如Cu薄膜等的金属薄膜的半导体晶片W。在这种状态下，半导体晶片W通过基片保持器102在与电解槽101的旋转方向相反的方向被旋转。在旋转半导体晶片W的同时，基片保持器102被朝下移动使得半导体晶片W的下表面与抛光工具105的上表面以预定的压力接触。在同时，直流电或脉冲电流从整流器110供给到阴极板104和电触点108之间。采用这种方式，半导体晶片W上的金属薄膜被抛光到平坦。在抛光过程中，半导体晶片W的厚度通过测量设备被测量，以便当金属薄膜被抛光到所需厚度时抛光过程通过控制单元50被停止。

图8所示的电解抛光设备能被用于使用催化剂的超纯水电解抛光过程。在这种情况下，电导率为500μs/cm的超纯水被使用替代电解液100，且离子交换剂被使用替代抛光工具105。超纯水电解抛光过程的操作与上述电解抛光过程相同。

图9是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的干蚀刻设备的横截面示意图。干蚀刻设备包括真空室200、用于供给预定的气体到真空室200的气体供给单元201、真空泵202、和被连接到高频电源203的电极205。在操作中，在真空室200被作为抽空装置的真空泵202抽空的同时，预定的气体从气体供给单元201被引入到真空室200中，以便保持真空室200的内部处于预定压力。在这种条件下，高频电力被从高频电源203供给到电极205，从而在真空室200中产生等离子体，因此执行放置在电极205上的半导体晶片的蚀刻。

根据本实施例的天线40被镶入到电极205的基座206中，以便微波从天线40向半导体晶片W发射。微波被形成在半导体晶片W的上表面上的诸如金属薄膜或非金属薄膜等的薄膜反射。反射的微波(反射波)被天线40接收且通过波导管41传送到主单元42。那么，薄膜的厚度通过组合在主单元42上的分析器48(见图3)被测量。控制单元50被连接到主单元42，且蚀刻过程的抛光速率控制和终点检测依靠分析器48所测量的薄膜厚度值通过控制单元50执行。图9所示的测量设备(即，天线40和主单元42)的结构与图3所示的相同。根据本发明的测量设备不仅仅可应用到干蚀刻设备，也能应用到诸如湿腐蚀设备等的其他类型的蚀刻设备。

图10是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的电镀设备的横截面示意图。如图10所示，电镀设备包括具有圆柱形形状的向上开口的电镀槽302，用于在其中容纳电镀液301，和垂直移动的头部(基片保持器)306，它具有以将被电镀表面朝下的状态可分离地保持半导体晶片W的基片台304。密封盖308被设置以盖住电镀槽的上部开口，从而在电镀液301的上面形成一个密闭空间310。密闭空间310通过被固定到密封盖308的排出管312与作为减压机构的真空泵314相通，以便上述密闭空间310的内压力通过驱动真空泵314被减小。

板状阳极322被水平设置并浸入到容纳在电镀槽302中的电镀液301里。导电层形成在半导体晶片W将被电镀的下表面上，且导电层的周边部保持与阴极接触。在电镀过程的操作中，预定电压被施加到阳极(正极)322和半导体晶片2的导电层(负极)之间，从而在半导体晶片W的导电层的表面上形成电镀薄膜(金属薄膜)。

电镀槽302的底部的中心部位被连接到电镀液喷射管330，电镀液喷射管作为用于形成电解液301上升流的电镀液供给单元。电镀液喷射管330通过电镀液供给器管331被连接到电镀液调配箱334。电镀液供给器管331具有控制阀335，用于调节阀出口压力。在通过控制阀335以后，电镀液301以预定流速从电镀液喷射管330被喷射到电镀槽302中。电镀槽302的上部被用于接收电镀液301的电镀液接收器332包围，且电镀液接收器332通过电镀液回流管336被连接到电镀液调配箱334。阀337被设置到电镀液回流管336上。

从电镀液喷射管330被喷射出的电镀液301溢出电镀槽302。溢出电镀槽302的电镀液301被电镀液接收器332接收并通过电镀液回流管336返回到电镀液调配箱334中。在电镀液调配箱334中，电镀液301的温度被调节，且电镀液301所含成分的浓度将被测量和调整。其后，电镀液301从电镀液调配箱334通过过滤器341由泵340供给到电镀液喷射管330。

根据本实施例的天线40被镶入到头部(基片保持器)306中，以便微波从天线40向半导体晶片W发射。微波被形成在半导体晶片W的下表面上的金属薄膜反射。反射的微波(反射波)被天线40接收并通过波导管41被传送到主单元42。然后金属薄膜的厚度被组合在主单元42中的分析器48(见图3)测量。控制单元50被连接到主单元42，且电镀过程的加工速率控制和终点检测依靠分析器测量的薄膜厚度值通过控制单元50执行。图10所示测量设备(即，天线40和主单元42)的结构与图3所示的相同。

图11是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的CVD设备的横截面示意图。如图11所示，CVD设备包括室400、用于供给原料气体到室400的气体供给头401、连接到室400作为抽空装置的真空泵402和用于加热半导体晶片W的加热器403。半导体晶片W被放在加热器403的上表面上。

作为沉积物原料的原料气体从气体供给头401被供给到室400中。同时，半导体晶片W被加热器403加热。从而，激发能被施加到原料气体上，且从而产品(薄膜)被沉积在半导体晶片W的上表面上。在产品沉积过程中产生的副产品通过真空泵402从室400被抽出。

根据本实施例的天线40被镶入到加热器403中，以便微波从天线40向半导体晶片W发射。微波被形成在半导体晶片W的下表面上的金属薄膜反射。反射的微波(反射波)被天线40接收并通过波导管41被传送到主单元42。然后沉积在半导体晶片W上的薄膜的厚度被组合在主单元42中的分析器48(见图3)测量。控制单元50被连接到主单元42，且沉积过程的加工速率控制和终点检测依靠分析器测量的薄膜厚度值通过控制单元50执行。图11所示测量设备(即，天线40和主单元42)的结构与图3所示的相同。

图12是显示包括根据本发明第一实施例的测量设备的PVD设备的横截面示意图。如图12所示，PVD设备包括室500、设置在室500中的靶(阴极)501、设置成面对靶501的基片保持器(阳极)502、用于在靶501和基片保持器502之间施加电压的电源503、用于供给氩气到室500中的气体供给单元504和连接到室500作为抽空装置的真空泵502。半导体晶片W被放在基片保持器502的上表面上。

室500通过真空泵505抽空，以便在室500中产生高真空。同时，氩气从气体供给单元504被供给到室500中。当通过电源503在靶501和基片保持器502之间施加电压时，由于电场氩气被转换为等离子态。氩离子被电场加速从而撞击靶501。组成靶501的金属原子被氩离子溅射且溅射的金属原子被沉积在面朝靶501的半导体晶片W的上表面上，从而在半导体晶片W的上表面上形成薄膜。

根据本实施例的天线40被镶入到基片保持器502中，以便微波从天线40向半导体晶片W发射。微波被形成在半导体晶片W的上表面上的薄膜反射。反射的微波(反射波)被天线40接收并通过波导管41被传送到主单元42。然后，沉积在半导体晶片W上的薄膜的厚度被组合在主单元42中的分析器48(见图3)测量。控制单元50被连接到主单元42，且沉积过程的加工速率控制和终点检测依靠分析器测量的薄膜厚度值通过控制单元50执行。图12所示测量设备(即，天线40和主单元42)的结构与图3所示的相同。

接着，将描述使用椭圆光度法的测量方法和测量设备。

椭圆光度法是通过分析来自物体的反射波的偏振状态变化测量物体厚度、介电常数、磁导率、电导率、折射率等的一种方法。椭圆光度法的原理将参考图13在下面描述。如图13所示，当诸如光束等的电磁波倾斜入射到将被测量的物体S上时，电磁波被物体S反射。入射平面被定义为包含入射波I和反射波R的平面。在线性偏振波被用作入射波I的情况下，线性偏振波的电场矢量E可被分解为平行于入射平面的P分量(即，P偏振)和垂直于入射平面的S分量(即，S偏振)。线性偏振波被物体S反射，且因此振幅和相位在P偏振和S偏振之间变化。结果是，线性偏振波被转变为如图13所示的椭圆形偏振波。振幅和相位的变化方式(即，偏振状态的变化)根据物体S的特性(结构)而不同。因此，物体S的厚度、折射率等可以通过分析偏振状态的变化被测量。

下面是使用椭圆光度法的测量设备的优点：

(i)将被测量物体可以是金属或非金属材料，且因此不需要根据物体的类型而用另一个来替换测量设备。

(ii)在将上述测量设备包括在化学机械抛光设备中用于测量薄膜厚度的情况下，不需要在抛光垫上设置通孔以使光束从中通过。因此，测量设备对抛光过程没有影响。

(iii)如果线性偏振波的振幅被调制，那么测量时间能被最小化到例如1msec。

(iv)由于不用激光作为波源，测量设备的维护很容易。

接着，将详细描述本发明第二实施例的测量方法和测量设备。

在这个实施例中，微波被用作将发射到物体的电磁波。最好是，使用频率在30到300GHz范围且波长在10到1mm范围的毫米波。另外，为了提高S/N比率并执行快速测量，最好使用调制振幅的电磁波。在这个实施例中，将被发射到物体的电磁波是倾斜入射到物体的线性偏振波或圆形偏振波。在使用线性偏振波的情况下，其电场矢量的方向相对于垂直于入射平面的平面在顺时针方向或逆时针方向倾斜45°角。

通常，在椭圆光度法中，用于接收反射波的接收检波器(即，一套接收天线和检波器)绕它自身轴线从方位角0°到360°以2°增量间歇地旋转，以便反射波即椭圆形偏振波的振幅和相位在每个方位(方位角)被检测。然而，这个方法需要很多时间用于测量。因此，本实施例使用两个分别以0°和45°方位角被固定在位的接收检波器。接收检波器具有高偏振相关性。采用这种布置，椭圆形偏振波的其矢量以0°和45°角指向的线性偏振分量被两个接收检波器接收。在接收椭圆形偏振波以后，椭圆形偏振波的P偏振的反射系数与S偏振的反射系数的比率采用下面方式计算：

P偏振的反射系数R_p由公式(1)给出。

R_P＝|R_P|·exp(j·φ_P)…(1)

S偏振的反射系数R_s由公式(2)给出。

R_S＝|R_S|·exp(j·φ_S)…(2)

P偏振的反射系数R_p对S偏振的反射系数R_s的比率由公式(3)限定。

R_P/R_S＝|R_P/R_S|·exp(j·(φ_P-φ_S))…(3)

≡tanψ·exp(jΔ)

tanψ：振幅比  Δ：相位差

以这种方式，P偏振的反射系数R_p与S偏振的反射系数R_s的比率能通过ψ(psi)和Δ(delta)表示。ψ和Δ由入射角、将被测量物体厚度等确定。因此，物体的厚度、介电常数、磁导率、电导率、折射率等可以依靠逆估算的ψ值和Δ值将被测量出。

接着，将参考图14描述根据第二实施例的测量设备。图14是显示根据本发明第二实施例的测量设备的示意图。这个实施例显示了一个测量设备被组合到化学机械抛光设备上的实例。这个实施例的化学机械抛光设备的组件和操作下面将不描述，它们与图2所示的抛光设备相同。

如图14所示，测量设备包括毫米波源60、用于调制毫米波振幅的振幅调制器61、用于将毫米波转换为线性偏振波的偏振器62、用于将线性偏振波发射到半导体晶片W上的发射天线63(发射装置)、两个用于接收被半导体晶片W反射的椭圆形偏振波的接收天线64A和64B、两个分别连接到接收天线64A和64B的检波器65A和65B、用于放大从检波器65A和65B传送的信号的前置放大器66、用于从具有噪声的信号中检测预定信号的锁定放大器67、旋转接头70和用于通过分析检测到的信号来测量半导体晶片W的厚度等的分析器71。

发射天线63被设置在抛光台20中，且设置在靠近被顶圈30保持的半导体晶片W的中心部位的位置。线性偏振波(即，毫米波)以倾斜方向从发射天线63朝抛光垫10上的半导体晶片W的中心部位发射。线性偏振波倾斜入射到抛光垫10上并通过抛光垫10到达半导体晶片W的中心部位。将被测量的目标(物体)是抛光垫10和形成在半导体晶片W下表面的包括层状薄膜的多层薄膜。将被测量薄膜的例子包括SiO₂或多晶硅的绝缘薄膜，Cu或W(钨)的金属薄膜，Ti、TiN、Ta或TaN的阻挡膜。

毫米波源60可以包括耿氏振荡器、或耿氏振荡器和倍增器的组合。另一个选择是，微波振荡器和倍增器的组合可被用作毫米波源60。偏振器62可以包括具有偏振相关性的波导管。为了提高将被发射到半导体晶片W的线性偏振波的方向性，最好使用角锥形喇叭天线作为发射天线63。在使用圆形偏振波替代线性偏振波的情况下，锥形喇叭天线被用作接收天线64A和64B。检波器65A和65B可以包括肖特基势垒射束里德二极管、或混频器和肖特基势垒射束里德二极管的组合。

将被发射到半导体晶片W的毫米波是线性偏振波。如果X轴(未显示)被定义为垂直于包含入射波和反射波的入射平面的方向，线性偏振波的电场矢量相对于垂直于传播方向的平面内的X轴在顺时针方向或逆时针方向倾斜45°角。圆形偏振波可以被用作将发射到半导体晶片W的毫米波。在这种情况下，圆形偏振器被用于代替上述偏振器62。

线性偏振波从单个发射天线63被倾斜发射到半导体晶片W，然后被作为测量目标的表面和多层薄膜的每个界面反射。来自半导体晶片W的反射波被两个接收天线64A和64B接收。这两个接收天线64A和64B相对于X轴分别成0°和45°的方位角倾斜，以便椭圆形偏振波的线性偏振分量在0°和45°的方位角被两个检波器65A和65B检测。采用这种具有两个接收天线64A和64B以及两个检波器65A和65B的布置，P偏振的振幅与S偏振的振幅的比率Ψ以及P偏振与S偏振之间的相位差Δ在抛光过程中被同时检测。检测到的信号经由前置放大器66、锁定放大器67和旋转接头70被传送到分析器71。分析器71使用例如牛顿方法根据ψ值和Δ值计算半导体晶片W上的薄膜厚度。控制单元50(图2)利用与薄膜厚度相关的指数检测抛光过程的终点。

采用这种方式，抛光垫10减小和形成在半导体晶片W上的诸如氧化膜和金属薄膜等的薄膜减小能通过同时检测P偏振的振幅与S偏振的振幅的比率Ψ以及P偏振与S偏振之间的相位差Δ而测量出。另外，检测参数Ψ和Δ时的精度能通过使用固定在位的两个接收天线64A和64B而提高。四个接收天线可以这种方式使用：四个接收天线分别成90°、45°、0°和-45°的方位角倾斜。同样在这种情况下，四个检波器被分别被连接到四个接收天线。采用这种具有四个接收天线和四个检波器的布置，由于微分检波包括共模噪声的共模分量被抑制，且因此S/N比率被提高。另外，微分输出可以被和信号分割，使得电磁波强度的波动和半导体晶片W的反射率的波动被消除。

如上所述，通过分析来自将被测量物体的反射波的偏振状态的变化，由于打磨(修整)抛光垫10的厚度变化量、作为绝缘体的氧化膜的厚度变化量和金属薄膜的厚度变化量在抛光过程中可以将被测量出。在这个实施例中，抛光垫10是将被测量的物体之一。由于抛光垫10通常由聚氨酯泡沫制成，毫米波能通过抛光垫10被传输。因此，可以测量超出抛光垫10的多层薄膜的厚度。这个实施例的测量设备能测量诸如SiO₂或多晶硅的绝缘薄膜，Cu或W(钨)的金属薄膜，Ti、TiN、Ta或TaN的阻挡膜的几种类型薄膜的厚度。例如，在使用频率为100GHz的毫米波的情况下，只要Cu薄膜的厚度不大于225nm就能测量它的厚度，其厚度由下面公式给出：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ω\μ\σ}}}=\sqrt{\frac{2}{2\mathrm{\π}(100\×{10}^9)(4\mathrm{\π}\×{10}^{-7})(5\×{10}^7)}}\≅225\mathrm{nm}$

f＝100GHz，σ＝5×10⁷S/m(@Cu)

μ：磁导率  σ：电导率

只要Cu薄膜的厚度不大于30nm，传统的光学测量设备就能测量它的厚度。然而，随着半导体制造工艺进行，整个多层薄膜的厚度增加。因此，为了控制抛光过程，要求测量此类多层薄膜的厚度，即使它的厚度变大。在此方面，这个实施例的测量设备比传统的光学测量设备具有优势。

根据本发明的测量设备不仅可以应用到抛光设备，还可以应用到电镀设备、CVD设备、PVD设备和用于在半导体晶片的表面形成或沉积诸如金属薄膜或非金属薄膜的类似设备上。

根据本发明，物体的结构能通过使用一种崭新的新技术而被测量。特别是，能测量形成在半导体晶片上的诸如Cu、Al、Au和W等的金属薄膜，诸如SiO₂的下阻挡膜，诸如Ta、TaN、Ti、TiN和WN的阻挡膜，诸如SiO₂的氧化膜，多晶硅、BPSG(硼磷酸基硅酸盐玻璃)薄膜，四乙氧基硅烷薄膜等。另外，在执行抛光过程时，由于抛光过程的终点能被精确地检测到(在线)，相比于薄膜厚度是在抛光过程停止后将被测量的传统测量方法(离线)，加工步骤的总数可被减少。另外，用于抛光具有诸如浅槽绝缘(STI)、层间绝缘(ILD或IMD)、Cu或W的薄膜的基片的化学机械抛光设备的操作中，以及在用于形成这些薄膜的电镀设备和CVD设备的操作中，可以检测上述设备所执行的任何过程的终点。

如上所述，根据本发明，即使障碍物(例如抛光垫)位于作为将被测量目标的物体与发射装置之间，微波通过(穿透)障碍物到达物体(例如基片)。因此，不需要在障碍物上设置诸如通孔等的透射窗。其结果是，不需要提供这类透射窗的工序，且因此制造成本降低。另外，根据本发明，物体的厚度等能不受抛光液或类似物的影响被精确地测量。

工业应用

本发明可应用于测量诸如形成在半导体晶片表面上的薄膜的物体厚度等的测量设备。

Claims (13)

1、一种测量设备，包括：

用于发射微波到物体的微波发射装置；

用于将微波供给到所述微波发射装置的微波发生器；

用于检测已从物体反射或穿过物体的微波的振幅或相位的检波器；和

用于基于所述检波器已检测的微波的振幅或相位来分析物体结构的分析器。

2、如权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述分析器计算反射系数、驻波比和表面阻抗中的至少一个。

3、如权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述分析器计算物体的厚度、内部缺陷、介电常数、电导率和磁导率中的至少一个。

4、一种用于通过使基片与抛光垫滑动接触来抛光基片的抛光设备，所述抛光设备包括：

具有所述抛光垫的抛光台；

用于保持基片并将基片压靠到抛光垫的顶圈；和

用于测量形成在基片表面上的薄膜厚度的测量设备；

其中，所述测量设备包括用于发射微波到所述薄膜的微波发射装置、用于将微波供给到所述微波发射装置的微波发生器、用于检测已从薄膜反射或通过薄膜的微波的振幅或相位的检波器、以及用于基于所述检波器已检测的微波的振幅或相位来测量所述薄膜厚度的分析器。

5、如权利要求4所述的抛光设备，其特征在于，

多个所述微波发射装置被设置在所述顶圈中；

所述多个微波发射装置中的一个被设置在对应于基片中心部位的位置上；和

所述多个所述微波发射装置中其余的被沿着基片径向远离基片中心部位设置。

6、如权利要求4所述的抛光设备，其特征在于，还包括涡流传感器、光学传感器、用于检测所述抛光垫与所述基片之间摩擦力的摩擦力检测器以及用于检测所述顶圈或所述抛光台扭矩的扭矩传感器中的至少一个。

7、一种用于在基片表面上形成薄膜的CVD设备，所述CVD设备包括：

基片设置在其中的室；

用于供给原料气体到所述室中的气体供给器；

用于加热基片的加热器；和

用于测量形成在基片表面上的薄膜厚度的测量设备；

其中，所述测量设备包括用于发射微波到所述薄膜的微波发射装置、用于将微波供给到所述微波发射装置的微波发生器、用于检测已从薄膜反射或通过薄膜的微波的振幅或相位的检波器、以及用于基于所述检波器已检测的微波的振幅或相位来测量所述薄膜厚度的分析器。

8、一种测量设备，包括：

用于发射线性偏振波或圆形偏振波到物体的发射装置；

分别用于接收来自物体的反射波的至少两个接收装置；

分别用于检测反射波的振幅和相位的至少两个检波器；和

用于基于所述检波器已检测的微波的振幅或相位来分析反射波的偏振状态变化以测量物体厚度的分析器。

9、如权利要求8所述的测量设备，其特征在于，所述分析器还测量物体的介电常数、电导率、磁导率和折射率。

10、如权利要求8所述的测量设备，其特征在于，物体为多层薄膜。

11、一种用于通过使基片与抛光垫滑动接触来抛光基片的抛光设备，所述抛光设备包括：

具有所述抛光垫的抛光台；

用于固定基片并压靠基片到抛光垫的顶圈；和

用于测量形成在基片表面上的物体厚度的测量设备；

其中，所述测量设备包括用于发射线性偏振波或圆形偏振波到物体的发射装置、分别用于接收来自物体的反射波的至少两个接收装置、分别用于检测反射波的振幅和相位的至少两个检波器、和用于基于所述检波器已检测的微波的振幅或相位来分析反射波的偏振状态变化以测量物体厚度的分析器。

12、如权利要求11所述的抛光设备，其特征在于，所述发射装置被设置在所述抛光台中。

13、如权利要求11所述的抛光设备，其特征在于，物体为多层薄膜。

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