基于FPGA的CMP電渦流終點檢測裝置設計

吳 旭,王東輝,楊元元

(中國電子科技集團公司 第四十五研究所，北京 100176)

基于FPGA的CMP電渦流終點檢測裝置設計

吳 旭,王東輝,楊元元

(中國電子科技集團公司 第四十五研究所，北京 100176)

為實現對晶圓表面金屬層的化學機械拋光(CMP)過程中的終點檢測和對拋光速率進行監控的要求，設計了一種基于電渦流測量原理的測量裝置;該裝置以FPGA器件作為控制核心，由其控制高速D/A轉換器生成正弦交流信號，并驅動測量電橋;由于測量線圈產生的交變磁場在晶片金屬薄膜上產生電渦流，引起測量線圈的阻抗發生變化;通過測量相應的阻抗變化產生的信號，可以計算出相應的晶片表面金屬薄膜的厚度;實驗表明該裝置可以滿足對晶圓表面100～1 000 nm厚度金屬層的測量要求。

電渦流；化學機械拋光；鎖定放大器；FPGA

0 引言

化學機械拋光(CMP)設備在對晶圓表面的互聯銅薄膜層拋光時，銅薄膜層厚度由500 nm左右不斷去除到100～200 nm左右時結束拋光，再由后道工序繼續加工。同時在其拋光過程中需要在線測量晶圓的不同區域處薄膜層的去除率及均勻性，以便精確控制拋光過程中的工藝參數和拋光時間。因此，在對于互聯銅薄膜層的拋光過程中，對晶片表面的銅薄膜層厚度進行準確實時的測量，是保證晶片加工質量，滿足IC制造工藝要求的一項關鍵技術。

通常金屬薄膜層的厚度測量主要有光學干涉法、電渦流測量法、四探針法、X射線法以及臺階法等，受測量精度、測量環境以及成本等各種條件限制，電渦流測量法相對于其它各種測量方式，具有測量精度高、成本較低、非接觸測量對加工晶片不會造成損傷、響應速度高可滿足在線實時測量的要求等優勢，可以滿足項目對于CMP設備中對于晶片表面銅膜厚度的測量要求。因此，根據以上要求，本課題開展了用于CMP設備對于晶片表面金屬薄膜厚度測量的電渦流測量裝置的研發設計工作。

1 檢測裝置結構及原理

根據電磁學原理，當金屬物體處于交變磁場內時，由于交變磁場激發的感應電動勢在金屬內產生感應電流，此電流在導體內閉合，稱為電渦流，如圖1所示。而電渦流產生的磁場又會與產生原磁場的電路產生互感作用，使得原磁場產生電路的電參數發生變化。

根據電磁學理論，可以得到產生交變磁場的激勵線圈受到磁場中銅金屬內電渦流的影響時其等效阻抗[1]為：

圖1 電渦流產生原理示意圖

其中:R1和L1分別為激勵線圈的電阻和電感量，R2和L2是銅膜上感應的電渦流的等效電阻和電感，并且R2與被測金屬的種類和厚度有關，M為互感系數，與線圈形狀、尺寸及線圈與銅膜之間的距離等有關，ω為交變信號的角頻率。 對于特定的檢測目標，并且線圈和測量裝置安裝完成后，線圈阻抗Z的變化量主要由其磁場中的銅膜厚度決定。因此，測量激勵線圈的阻抗值，可以計算出相應的被測銅膜的厚度值。

2 測量裝置

相對于普通的電渦流測量薄膜厚度的儀器和裝置，由于晶片表面的銅膜厚度通常不到1 000nm，其表面電渦流的等效電阻R2非常小，因此造成的驅動線圈上的阻抗變化量非常小。為了提高靈敏度，滿足對于晶片上銅膜厚度的測量要求，本課題采用了交流電橋和基于FPGA的正交矢量型數字式鎖定放大器實現對驅動線圈阻抗微小變化量的檢測和放大[2]。

2.1 線圈驅動電路與交流測量電橋

以交流阻抗測量電橋電路對驅動線圈上的阻抗變化量進行測量，電路原理圖如圖2所示，以穩定頻率和幅值的交流電源VSIN作為信號源，并由Q1進行功率放大后驅動阻抗測量電橋。

圖2 電渦流膜厚測量電橋示意圖

阻抗測量電橋由R4～R7、微調電阻器VR1以及兩支相同的線圈L1和L2構成，其中VR1為調整元件，調整VR1使得在無電渦流效應時電橋的輸出信號幅值為最小值。電路調整完成后，左側測量臂的參數固定。而在測量過程中，由于電渦流效應的影響，引起電橋右側測量線圈上的L2和Rx2發生改變，使其對應的測量線圈的阻抗值發生改變，破壞電橋的平衡條件，輸出與交流信號源同頻率的測量信號Vx，其幅值及與信號源的相位差與阻抗的變化量相關：

其中:Ra為測量電橋左側上臂R4、R6與VR1左側部分的等效電阻值，Rb為測量電橋右側上臂R5、R7與VR1右側部分的等效電阻值，Z1為參考線圈的等效阻抗Z1=jω*L1+Rx1，Zx為無電渦流效應時測量線圈的等效阻抗Zx=jω*L2+Rx2，當有電渦流效應時，測量線圈的阻抗為Zx+ΔZx，選擇合適的電路參數值，使得R4=R5，R6=R7，參考線圈和測量線圈采用相同參數的元件，理想情況下有R=Ra=Rb，Z=Z1=Zx，L1=L2，Rx1=Rx2，在上述條件下，并且當ΔZx<

2.2 交流信號源及數字鎖定放大器

由于設備需要在對晶圓拋光過程中進行在線測量，可能會受到設備上的伺服電機、電磁閥等電氣元件的干擾，為了提高測量裝置的抗干擾能力和性噪比，使用了鎖定放大器對測量信號進行放大。同時，為了簡化電路設計、提高測量裝置的可靠性、穩定性以及測量精度和靈活性，測量裝置采用了基于CycloneIV系列EP4CE15F17I7N型FPGA器件和高速A/D、D/A器件的數字式交流信號源和鎖定放大器，整個測量裝置的工作原理如圖3所示。

圖3 數字式電渦流膜厚測量裝置控制器示意圖

數字式正交鎖定放大器，包括FPGA主控器件及外圍電路，根據設定的交變信號的頻率f，生成相關的正弦序列{r1(n)}和與之正交的余弦序列{r2(n)},由所述正弦序列{r1(n)}經轉換形成輸出序列后輸出到D/A轉換器中產生頻率為f的正弦信號，由該正弦交流信號源經過濾波和功率放大電路后輸入至圖2所示的射頻變壓器T1以驅動阻抗測量電橋，同時接收從阻抗測量電橋中輸出的檢測信號，經放大濾波后，再由A/D轉換器采集后形成檢測信號序列{x(n)},該檢測信號序列{x(n)}分別與存儲的正弦序列{r1(n)}和余弦序列{r2(n)}進行預先設定長度W的相乘和累加運算，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:

其中:K值為滿足所需數據有效位數的設定系數，r1(i)和r2(i)分別為{r1(n)}和{r2(n)}周期性擴展序列。對于鎖定放大器中的乘法器和累加器等器件，直接使用FPGA內嵌的硬件乘法器和QuartusII軟件中提供的相關IP核來實現。

上述數字式正交鎖定放大器生成的正弦序列{r1(n)}和余弦序列{r2(n)}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{r1(n)}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[3]，為了保證輸出波形的質量，減少諧波分量，應該滿足序列長度N>20。

由于測量對象為超薄厚度的金屬薄膜，為了提高信噪比，滿足測量精度的要求，交流驅動源的頻率較高，通常為f≥1MHz的正弦波信號。為了輸出較為理想的正弦波形并采集相應頻率的測量信號，所需的D/A和A/D轉換器的工作頻率fs=f*N很高，因此系統使用了14bit、125MSPS的高速D/A轉換器AD9764ARU和雙通道12bit、80MSPS的高速A/D轉換器ADC12DL080CIVS芯片，由FPGA控制A/D和D/A轉換器的I/O接口，控制其進行波形輸出和數據采集。

使用FPGA可以靈活方便的構建所需的信號發生器，由存儲器存儲生產的一個周期內數據長度為N的正弦函數的數字化波形量值正弦序列{r1(n)}，并采用一個M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fs/N的正弦波，fs為FPGA器件的工作頻率。為實現AD9764D/A轉換器所需數據類型的轉換，通過加法器將正弦序列{r1(n)}疊加一個常數c后形成輸出序列{y(n)},輸出到D/A轉換器，即可生成所需正弦波信號，如圖4所示。

圖4 正弦波信號發生器示意圖

2.3 嵌入式Nios II系統模塊

NiosII軟核CPU是Altera公司開發的基于Cyclone系列FPGA的嵌入式軟核處理器。該處理器采用哈佛結構，采用Avalon總線連接各種功能模塊，可由用戶自己根據實際需求裁剪硬件和配置參數，具有非常好的靈活性，可操作性和強大的處理能力。結合豐富的外設、專用指令和硬件加速單元創建可編程片上系統(SOPC)解決方案，可以很方便地構建各種數據采集和信號處理系統[4-6]。

通過NiosII模塊通過PIO端口與數據采集與乘法器、累加器、PLL時鐘模塊等功能單元連接，共同構建完整的測量系統。

圖5 NiosII系統及功能單元

由NiosII構建的CPU單元控制信號發生器單元以及數據采集、鎖定放大器的乘法器和累加器的工作，并將鎖定放大器輸出的同相輸出信號I和正交輸出信號Q讀取后計算出測量信號的幅值V和相位差θ:

完成上述運算，并進一步完成后續計算和數據處理后，可以根據上位機的指令或者設置的工作條件輸出相應的測量結果。

3 實驗與分析

采用上述膜厚測量裝置，我們對表面鍍有不同厚度銅薄膜層的晶片進行了測試，A/D和D/A轉換器的時鐘與數據采集/轉換頻率為75 MHz，周期內數據長度為N=32，相應的驅動電橋交流電源的頻率為2.34 MHz，被測晶圓表面銅膜厚度分別為：81.3 nm、175.8 nm、272 nm、373.5 nm、525 nm、648.8 nm、772.7 nm、895.5 nm和972.7 nm，在提離高度D分別為D=3 mm、D=4 mm、D=5 mm和D=6 mm時，進行測試得到結果如圖6所示。

圖6 測試結果圖

由圖6可知，輸出信號的幅值隨著測量探頭提離高度的增加而減小，同時，信號幅值隨著銅膜厚度的增加而增大，但是幅值-膜厚對數值之間近似滿足線性關系。信號相位差也隨著銅膜厚度的增加而增大，信號相位差-膜厚對數值之間也具有較好的線性關系，提離高度的變化對于相位差的影響相對較小。

根據上述分析，以測量信號的幅值V和相位θ作為變量，對金屬膜厚度進行回歸分析，即：

lnh=f(V,θ)

可以計算出晶圓表面的薄膜厚度h，其中，當f為關于變量V與θ的多項式時，在100～500 nm的范圍內，測量精度可以達到10 nm以內，完全滿足目前CMP設備加工晶片的要求。

4 結論

本文主要研究了晶圓加工中的幾何參數的納米精度在線測量的原理、方法和測量儀器。針對CMP中晶圓表面的金屬膜厚的高精度快速在線和離線檢測技術的要求，設計了一種基于FPGA器件的數字化的電渦流超薄金屬薄膜膜厚測量裝置，相比于國內外的同類CMP拋光電渦流終點檢測裝置[7-8]，具有數字化程度高、低功耗、電路結構簡單、精度高等優點，并通過實驗驗證了在不同提離高度對測量數據的影響，實驗表明，在正常的提離高度變化范圍內(3～5 mm)，測量數據都具有足夠的信噪比和較高的測量精度，并具有很強的靈活性和抗干擾能力，能夠滿足設備高精度在線測量的要求。

[1] 徐科軍.傳感器與檢測技術[M].2版.北京：電子工業出版社，2008.

[2] 高晉占.微弱信號檢測[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3] 周潤景，圖 雅，張麗敏.基于Quartus II的FPGA/CPLD數字系統設計實例[M].北京：電子工業出版社，2007.

[4] 王 銳，雷金奎. 基于軟核Nios II的SOPC數據采集系統的設計[J].計算機測量與控制, 2008(8):1199-1201.

[5] 楊 衛, 李 飛, 張 皎,等.基于NIOSII 的高速多路數據采集系統[J].計算機測量與控制，2011(2)：465-467.

[6] 李 萍，凌 力. 基于NiosⅡ的數據采集系統設計與實現[J].艦船電子工程,2012(1): 74-76.

[7] 趙 乾，曲子濂，余 強,等.晶圓表面金屬薄膜的納米精度在線測量方法與實現[J].中國基礎科學，2013(4)：36-42.

[8] In-situ metalization monitoring using eddy current measurements during the process for removing the film[P]. USA. US6433541B1,Aug.13,2002.

Design of the Eddy Current End Point Detection Instrument During CMP Process Based on FPGA

Wu Xu，Wang Donghui，Yang Yuanyuan

(45thResearch Institute of CETC, Beijing 100176, China)

A Eddy current measuring instrument is designed for end point detection and monitoring the removal rate of metal layer on wafer during chemical and mechanical planarization process. The sine signal generated by high speed D/A convertor the FPGA device controlled drives the circuit bridge. The impedance of the coil changes because of the effect of eddy current the alternate magnetic field of measurement coil induced. The signal produced by the impedance changing of the coil is measured and the thickness of the metal on wafer is computed. The thickness of metal film on wafer is measured with the signal of coil impedance being acquired. The experimental result indicate this instrument is able to measure the 100～1000nm metal film on wafer.

eddy current; chemical mechanical planarization; lock-in amplifier；FPGA

2016-11-03；

2016-12-02。

02重大科技專項(2015ZX02101)。

吳 旭(1975-),男，四川成都人，碩士研究生，高級工程師，主要從事精密測量及運動控制技術研究。

1671-4598(2017)04-0028-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.009

TP274

A