多點測量晶圓表面銅層厚度的在線計算方法與流程

2023-05-20 22:06:31 1

本發明涉及金屬膜厚測量技術領域，特別涉及一種多點測量晶圓表面銅層厚度的在線計算方法。

背景技術：

在集成電路製造過程中，CMP(Chemical Mechanical Planarization，化學機械平坦化)技術是當今最有效的全局平坦化方法，並已成為集成電路製造的核心技術之一。其中，對於CMP工藝，需要嚴格控制材料的去除量，以避免晶圓「過拋」或者「欠拋」等情況的發生。對銅CMP工藝，在銅CMP工藝過程後，為了全面分析本次工藝結果，迫切需要對晶圓表面剩餘銅層厚度進行準確有效的測量，進而為後續的工藝參數優化提供可靠依據。因此，如何對晶圓表面剩餘銅層厚度進行準確有效的測量十分重要。

技術實現要素：

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

為此，本發明的目的在於提出一種多點測量晶圓表面銅層厚度的在線計算方法，該方法可以多點測量晶圓銅層厚度，準確可靠。

為達到上述目的，本發明一方面實施例提出了一種多點測量晶圓表面銅層厚度的在線計算方法，包括以下步驟：根據XY模式和全局模式，分別定義兩組二維變量，其中，每組變量含二維數組A、二維數組B和二維數組C，分別保存原始連續採樣信號值、每測量段的採樣點數和厚度計算值；將每個測量點所在局部測量區間內的所有採樣點的平均值作為該測量點的輸出值，並補償每段測量半徑或者測量圓的第1測量點和最後1測量點的採樣點數；通過多點標定算法利用預設的標定表進行厚度值計算；在厚度值計算結束後，將全部計算結果順次與各測量點坐標一一匹配，並將測量結果輸出到指定文件中。

本發明實施例的多點測量晶圓表面銅層厚度的在線計算方法，可以通過變量定義，並且對輸出值進行預處理，進而通過多點標定算法進行厚度值計算，從而可以多點測量晶圓銅層厚度，實現對晶圓表面銅層厚度準確有效的計算，進而為後續的工藝參數優化提供可靠依據，提高了測量的準確度。

另外，根據本發明上述實施例的晶圓表面銅層厚度的檢測方法還可以具有以下附加的技術特徵：

進一步地，在本發明的一個實施例中，在所述保存原始連續採樣信號值、每測量段的採樣點數和厚度計算值之前，還包括：判斷當前所處測量模式，其中，所述測量模式包括所述XY模式或全局模式。

進一步地，在本發明的一個實施例中，在所述XY模式下，具體包括：將晶圓圓心作為坐標原點，控制傳感器探頭移動至所述晶圓圓心，以晶圓邊緣缺口所在半徑為X軸負半軸，依次測量X軸負半軸、Y軸負半軸、X軸正半軸和Y軸正半軸方向上的四段半徑，其中，所述傳感器探頭在每段測量半徑上移動的距離為晶圓半徑與預設留邊寬度的差值，並且在每段測量半徑上測量時，控制所述電渦流測量傳感器連續採樣，直到所述傳感器探頭運動至本段終點。

進一步地，在本發明的一個實施例中，在所述全局模式下，具體包括：將所述晶圓圓心作為原點，控制所述傳感器探頭從所述晶圓圓心向外運動，並且控制晶圓轉盤帶動晶圓做勻速轉動，所述晶圓邊緣缺口處為每圈測量起點，其中，所述傳感器探頭在晶圓表面各測量圓的半徑處保持靜止，且隨著所述晶圓的自轉，控制所述電渦流測量傳感器完成各測量圓周上的連續採樣，以及在完成本圈測量後，控制所述傳感器探頭運動至下一個半徑處開始下一圈測量，直至完成全部測量。

可選地，在本發明的一個實施例中，所述測量結果的保存格式可以為.txt。

本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為根據本發明一個實施例的多點測量晶圓表面銅層厚度的在線計算方法的流程圖；

圖2為根據本發明一個具體實施例的多點測量晶圓表面銅層厚度的在線計算方法的流程圖；

圖3為根據本發明一個實施例的標定表存儲格式的原理示意圖；

圖4為根據本發明一個實施例的上層控制系統的結構示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

對於晶圓表面銅層，本發明所屬測量系統採用電渦流檢測方法，用於CMP前/後晶圓表面銅層厚度的測量。測量系統主要由以下部分構成：電渦流測量傳感器、機械臂、晶圓轉盤及支架。其中，晶圓轉盤用於吸附晶圓並帶動晶圓旋轉；電渦流傳感器探頭安裝在機械臂前端，並隨機械臂直線運動；晶圓支架用於配合機械傳輸機構的放片與取片過程。測量時，晶圓的旋轉運動與探頭的直線運動相互配合，完成晶圓表面銅層的多點測量。本發明所屬上層控制系統採用「工控機+運動控制卡」的控制模式。其中，多軸運動控制卡可同時滿足運動控制和信號輸入/輸出的需要。上層控制系統通過多軸運動控制卡實時監控測量系統的動作與狀態。測量時，電渦流傳感器連續採樣信號，傳感器輸出信號通過運動控制卡實時反饋給上層控制系統。全部採樣結束後，上層控制利用本發明所述方法完成測量值的計算及處理。

具體地，針對上述工藝過程，上層控制系統可以建立獨立的讀取線程，負責實時讀取電渦流傳感器輸出信號，並建立獨立的測量工藝線程，負責全自動工藝過程的運行，即根據用戶選擇的測量模式(XY模式或者全局模式)，為本次測量過程單獨打開一個線程。在完成一次測量所需的全部數據採樣後，上層控制系統即採用本發明所述算法依次完成數據的在線處理和計算工作。

下面參照附圖描述根據本發明實施例提出的多點測量晶圓表面銅層厚度的在線計算方法。

圖1是本發明一個實施例的多點測量晶圓表面銅層厚度的在線計算方法的流程圖。

如圖1所示，該多點測量晶圓表面銅層厚度的在線計算方法包括以下步驟：

在步驟S101中，根據XY模式和全局模式，分別定義兩組二維變量，其中，每組變量含二維數組A、二維數組B和二維數組C，分別保存原始連續採樣信號值、每測量段的採樣點數和厚度計算值。

也就是說，如圖2所示，首先進行變量定義。針對XY和全局兩種測量模式，分別定義兩組二維變量。其中，每組變量含3個二維數組A、B和C，分別保存原始連續採樣信號值(未標定值)、每測量段的採樣點數和厚度計算值。

其中，在本發明的一個實施例中，在保存原始連續採樣信號值、每測量段的採樣點數和厚度計算值之前，還包括：判斷當前所處測量模式，其中，測量模式包括XY模式或全局模式；如果處於XY模式，則以第一採樣率和第一探頭運動速率控制電渦流傳感器測量晶圓表面兩條垂直直徑上多個測量點的厚度值；如果處於全局模式，則以第二採樣率和第二晶圓旋轉速率控制電渦流傳感器測量晶圓表面以同心圓組均勻分布的多個測量點的厚度值。

可以理解的是，在本發明的實施例中，根據工藝需求，可以設置XY模式和全局模式兩種測量模式。其中，XY模式測量晶圓表面兩條垂直直徑上各點的厚度值；全局模式測量晶圓表面以同心圓組均勻分布的多點厚度值。例如，在XY模式下一條測量直徑上的輸出測量點數可以為100，而在全局模式可以根據8系列點分布，輸出測量點總數可為121點，169點和225點

進一步地，在本發明的一個實施例中，在XY模式下，具體包括：將晶圓圓心作為坐標原點，控制傳感器探頭移動至晶圓圓心，以晶圓邊緣缺口所在半徑為X軸負半軸，依次測量X軸負半軸、Y軸負半軸、X軸正半軸和Y軸正半軸方向上的四段半徑，其中，傳感器探頭在每段測量半徑上移動的距離為晶圓半徑與預設留邊寬度的差值，並且在每段測量半徑上測量時，控制電渦流測量傳感器連續採樣，直到傳感器探頭運動至本段終點。

具體地，對於XY模式，定義晶圓圓心為坐標原點，固定探頭從home位(起始位)運動至坐標原點的距離，以晶圓邊緣上缺口(Notch)所在半徑為X軸負半軸，依次測量X軸負半軸、Y軸負半軸、X軸正半軸和Y軸正半軸方向上的四段半徑。測量過程中，探頭在每段測量半徑上移動的距離為晶圓半徑與用戶設定的預留邊寬度(最外測量點距離晶圓邊緣的徑向距離)的差值。在每段半徑上測量時，控制系統連續採樣，直到探頭運動至本段終點。

進一步地，在本發明的一個實施例中，在全局模式下，具體包括：將晶圓圓心作為原點，控制傳感器探頭從晶圓圓心向外運動，並且控制晶圓轉盤帶動晶圓做勻速轉動，晶圓邊緣缺口處為每圈測量起點，其中，傳感器探頭在晶圓表面各測量圓的半徑處保持靜止，且隨著晶圓的自轉，控制電渦流測量傳感器完成各測量圓周上的連續採樣，以及在完成本圈測量後，控制傳感器探頭運動至下一個半徑處開始下一圈測量，直至完成全部測量。

具體地，對於全局模式，電渦流傳感器探頭在測量時從晶圓圓心(原點)向外運動，而晶圓轉盤則帶動晶圓做勻速轉動，晶圓邊緣缺口(Notch)處為每圈測量起點。每圈測量時，傳感器探頭在晶圓表面各測量圓的半徑處保持靜止，隨著晶圓的自轉，完成各特定半徑圓周上的連續採樣。在完成本圈測量後，探頭運動至下一個半徑處開始下一圈測量，直至完成全部測量。在本發明中，相鄰兩個測量圓周之間的徑向間距相同，可以根據測量總點數和設定的預留邊寬度自行計算。需要說明的是，根據8系列點分布，各測量圓周上測量的數據點數由內至外逐漸增多，各圈測量點在所在圓周上均勻分布。

在步驟S102中，將每個測量點所在局部測量區間內的所有採樣點的平均值作為該測量點的輸出值，並補償每段測量半徑或者測量圓的第1測量點和最後1測量點的採樣點數。

也就是說，如圖2所示，其次進行輸出值預處理。準確獲取各測量點的輸出值是計算各測量點測量值的前提與保證。測量時，對於同一半徑(XY模式)或者同一圓上(全局模式)，測量系統採取連續採樣的方式，而非定點測量。因此，控制系統將每個測量點所在局部測量區間內的所有採樣點的平均值作為該測量點的輸出值，並補償每段(測量半徑或者測量圓)測量時的第1點和最後1點的採樣點數，可在充分利用有效測量數據的同時，降低電渦流傳感器的測量誤差。

以全局模式為例，定義二維數組B負責統計系統在各測量圓上連續採集到的輸出值個數，定義二維數組A依次存儲各測量圓上實時採集到的全過程輸出值。對於同一測量圓上的輸出值，根據各測量圓上測量點數的要求(8系列點分布)，分段均分全部輸出值，所分段數即為本測量圓上要求的測量點數，並將每段上全部採樣值的平均值作為該段所屬測量點的輸出值。然而，如果當前測量圓上的全部輸出值個數m不能按照測量點數n均分，則在保持所有輸出值採集順序不變的基礎上，將多餘的輸出值個數p(p為m除以n的餘數)均分給當前測量圓上的第1個測量點和最後1個測量點，即當前測量圓的第1個測量點取前(m/n+p/2)個輸出值的平均值，第2個測量點取後續(m/n)(取商)個輸出值的平均值，以此類推，第n個測量點取最後(m/n+p/2)個輸出值的平均值。這樣，在完成各測量點輸出值計算的同時，補償了晶圓轉臺在每圈測量時由於啟動階段的加速過程和停止階段的減速過程(分別對應第1個測量點和最後1個測量點)所造成的採樣點數差異。以上預處理工作完成後，再按照測量點序，將各測量點的輸出值保存在一維數組中，以便後續循環計算。

在步驟S103中，通過多點標定算法利用預設的標定表進行厚度值計算。

也就是說，如圖2所示，進一步進行測量值計算。對於測量系統，多點標定算法可以很好地消除測量過程中提離高度的波動，保證測量準確度，而且算法本身簡便可靠。因此，本發明在上層控制系統開發時利用QtSql模塊建立專門的標定資料庫用於存儲計算銅膜厚度所需的多點標定表，即每一個測量點擁有一條標定曲線。標定資料庫保存在上層控制系統的本地工控機中。資料庫中，標定表存儲格式原理如圖3所示。當上層控制系統完成電渦流傳感器輸出信號的預處理後，利用選定的標定表即可進行厚度值的計算。

測量前，定義二維數組X和Y，分別用於提取和存儲指定標定表中的待標定值和標定值。計算時，控制系統自動搜索當前輸出值所屬對應標定曲線的標定區間，並根據所在標定區間擬合計算參數，計算出對應的測量值。計算的循環次數受所選標定表的行數與列數限制，加強了程序運行的安全性。基於待標定值與標定值之間較好的線性關係，各標定區間擬合方式採用線性擬合，而且標定點數越多，標定曲線越準確。

具體地，測量值計算流程包括：判斷當前未標定值(預處理後的輸出值)所屬標定區間，如果輸出值小於所在測量點的最小標樣的待標定值，則計算測量值為該標定曲線最小標樣的標定值(厚度值)；如果輸出值大於所在測量點的最大標樣的待標定值，則計算測量值為該標定曲線最大標樣的標定值；如果輸出值屬於所在測量點的某段標定區間，則根據所在標定區間擬合本區間內的線性標定關係，即計算出對應斜率a與截距b；最後根據擬合得到的斜率與截距，計算出當前未標定值所對應的厚度值。

在步驟S104中，在厚度值計算結束後，將全部計算結果順次與各測量坐標一一匹配，並將測量結果輸出到指定文件中。

可選地，在本發明的一個實施例中，測量結果的保存格式可以為.txt。

也就是說，如圖2所示，最後進行坐標匹配，並且計算結束後，將全部計算結果順次與各測量坐標一一匹配，並將測量結果輸出到指定文件中。本發明中，測量結果的保存格式為.txt。

需要說明的是，在本發明的實施例中，如圖4所示，本發明還包括判斷當前所處測量模式，其中，測量模式包括XY模式或全局模式。

根據本發明實施例的多點測量晶圓表面銅層厚度的在線計算方法，可以通過變量定義，並且對輸出值進行預處理，進而通過多點標定算法進行厚度值計算，從而實現對晶圓表面銅層厚度的準確有效的計算，進而為後續的工藝參數優化提供可靠依據，提高了測量的準確度。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「外」、「順時針」、「逆時針」、「軸向」、「徑向」、「周向」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係，除非另有明確的限定。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵「上」或「下」可以是第一和第二特徵直接接觸，或第一和第二特徵通過中間媒介間接接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」可是第一特徵在第二特徵正上方或斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」可以是第一特徵在第二特徵正下方或斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。

在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。

儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。