[发明专利]用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置

说明书

技术领域

本发明属于金属薄膜厚度测量技术领域，具体涉及一种用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置。

背景技术

在化学机械抛光(CMP)过程中，某些工艺要求去除晶片表面的金属薄膜层的厚度，要求将金属薄膜层从1000nm逐渐减薄至100～200nm，并在此基础上进一步加工去除。现有的基于电涡流法的普通金属薄膜厚度测量仪器无法满足对于1000nm厚度以下的薄膜层的测量要求。

目前国外所开发的专用CMP电涡流法金属薄膜厚度测量装置中，如专利US6433541B1所公布的测量装置，虽然可以满足对目前测量范围的要求，但其技术复杂，所用的移相电路和锁定放大器均以模拟电路为基础进行构建，电路设计和调试复杂，且精度难以提高，同时由于驱动电桥的交流电源与检测电桥之间未进行隔离，从电桥输出的信号中存在较大的交流共模成分，因此在后续电路中使用了差动运算放大器。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，能够满足CMP设备对于晶片表面金属薄膜层厚度进行高精度的在线测量。

本发明是这样实现的，一种用于晶片表面金属薄膜抛光过程的电涡流测量装置，包括：

阻抗测量电路，包括一个两边测量臂能完全平衡的阻抗测量电桥以及提供一定频率的正弦交流信号源以驱动该阻抗测量电桥的射频变压器T1；

数字式正交锁定放大器，包括FPGA主控器件及外围电路，用于根据设定的交变信号的频率ω，生成相关的正弦序列{r1n}和与正弦序列{r1n}正交的余弦序列{r2n},由所述正弦序列{r1n}经转换形成输出序列后输出到D/A转换器中产生角频率为ω的正弦信号，由该正弦交流信号源经过滤波放大电路滤波放大后输入至所述射频变压器T1以驱动阻抗测量电桥；同时从所述阻抗测量电桥中输出的偏差信号经信号调理电路进行放大滤波后，再经A/D转换器转换后输入到FPGA中，形成反映被测信息的检测信号序列{xn},该检测信号序列{xn}分别与存储的正弦序列{r1n}和余弦序列{r2n}进行预先设定长度的相乘和累加运算，得到的结果除以一个系数K后得到数字式正交锁定放大器的同相输出信号I和正交输出信号Q，并由同相输出信号I和正交输出信号Q计算出反映被测物体信息的信号的幅值V和相位θ。

其中，所述滤波放大电路包括：

有源滤波器，用于将所述D/A转换器输出的正弦信号进行滤波后输出；

三极管功率放大电路，用于将所述有源滤波器滤波后输出的信号进行功率放大后输入到所述射频变压器T1输出交流信号源以驱动所述阻抗测量电桥。

所述三极管功率放大电路包括：

三极管Q1,所述三极管Q1基极接所述有源滤波器的信号输出端；所述三极管Q1的发射极连接一个电极RL,并通过一个电容C1接射频变压器T1的输入侧负极端,所述电阻RL的另一端以及射频变压器T1的输入侧正极端接电路电压VCC端，所述三极管Q1的集电极接负压电VEE端。

所述信号调理电路包括：

宽带运算放大器，用于将所述阻抗测量电桥的输出信号放大后输出；

抗混叠低通滤波器，用于所述宽带运算放大器放大输出的信号进行抗混叠滤波器输出到所述A/D转换器，由所述A/D转换器输入到所述数字式正交锁定放大器的FPGA主控器件。

所述阻抗测量电桥包括电阻器R1a、R1b、R2a、R2b、R3、R4，调整元件VR1、VR2，参考线圈Z1、激励/检测线圈Z2；所述电阻器R1a与R2a、R1b与R2b、R3与R4分别串联后，再与参考线圈Z1、激励/检测线圈Z2分别在的两个相对的测量臂连接从而形成相互并联，所述调整元件VR1串联在电阻器R1b与R2b之间，所述调整元件VR1的滑动杆连接在电阻器R1a与R2a之间的连接线上后与所述射频变压器的输出侧正极相接，所述调整元件VR2的滑动杆接在电阻器R3、R4之间的连接线上后与所述射频变压器的输出侧负极相接，所述调整元件VR2的两端分别与参考线圈Z1、激励/检测线圈Z2的一端相接，所述激励/检测线圈Z2的另一端接所述阻抗测量电桥的信号输出端，所述参考线圈Z1的另一端接所述阻抗测量电桥的信号参考端。

所述数字式正交锁定放大器生成的所述正弦序列{r1n}和余弦序列{r2n}为固定长度为N的数组，在控制信号源输出时，依次循环输出正弦序列{r1n}的值，并通过改变频率控制参数，改变工作频率，从而改变输出的正弦交流信号源的频率，其中N>20。

所述正弦交流信号源的频率1MHz～10MHz。