基于FPGA的CMP电涡流终点检测装置设计

吴 旭,王东辉,杨元元

(中国电子科技集团公司 第四十五研究所，北京 100176)

基于FPGA的CMP电涡流终点检测装置设计

吴 旭,王东辉,杨元元

(中国电子科技集团公司 第四十五研究所，北京 100176)

为实现对晶圆表面金属层的化学机械抛光(CMP)过程中的终点检测和对抛光速率进行监控的要求，设计了一种基于电涡流测量原理的测量装置;该装置以FPGA器件作为控制核心，由其控制高速D/A转换器生成正弦交流信号，并驱动测量电桥;由于测量线圈产生的交变磁场在晶片金属薄膜上产生电涡流，引起测量线圈的阻抗发生变化;通过测量相应的阻抗变化产生的信号，可以计算出相应的晶片表面金属薄膜的厚度;实验表明该装置可以满足对晶圆表面100～1 000 nm厚度金属层的测量要求。

电涡流；化学机械抛光；锁定放大器；FPGA

0 引言

化学机械抛光(CMP)设备在对晶圆表面的互联铜薄膜层抛光时，铜薄膜层厚度由500 nm左右不断去除到100～200 nm左右时结束抛光，再由后道工序继续加工。同时在其抛光过程中需要在线测量晶圆的不同区域处薄膜层的去除率及均匀性，以便精确控制抛光过程中的工艺参数和抛光时间。因此，在对于互联铜薄膜层的抛光过程中，对晶片表面的铜薄膜层厚度进行准确实时的测量，是保证晶片加工质量，满足IC制造工艺要求的一项关键技术。

通常金属薄膜层的厚度测量主要有光学干涉法、电涡流测量法、四探针法、X射线法以及台阶法等，受测量精度、测量环境以及成本等各种条件限制，电涡流测量法相对于其它各种测量方式，具有测量精度高、成本较低、非接触测量对加工晶片不会造成损伤、响应速度高可满足在线实时测量的要求等优势，可以满足项目对于CMP设备中对于晶片表面铜膜厚度的测量要求。因此，根据以上要求，本课题开展了用于CMP设备对于晶片表面金属薄膜厚度测量的电涡流测量装置的研发设计工作。

1 检测装置结构及原理

根据电磁学原理，当金属物体处于交变磁场内时，由于交变磁场激发的感应电动势在金属内产生感应电流，此电流在导体内闭合，称为电涡流，如图1所示。而电涡流产生的磁场又会与产生原磁场的电路产生互感作用，使得原磁场产生电路的电参数发生变化。

根据电磁学理论，可以得到产生交变磁场的激励线圈受到磁场中铜金属内电涡流的影响时其等效阻抗[1]为：

图1 电涡流产生原理示意图

其中:R1和L1分别为激励线圈的电阻和电感量，R2和L2是铜膜上感应的电涡流的等效电阻和电感，并且R2与被测金属的种类和厚度有关，M为互感系数，与线圈形状、尺寸及线圈与铜膜之间的距离等有关，ω为交变信号的角频率。 对于特定的检测目标，并且线圈和测量装置安装完成后，线圈阻抗Z的变化量主要由其磁场中的铜膜厚度决定。因此，测量激励线圈的阻抗值，可以计算出相应的被测铜膜的厚度值。

2 测量装置

相对于普通的电涡流测量薄膜厚度的仪器和装置，由于晶片表面的铜膜厚度通常不到1 000nm，其表面电涡流的等效电阻R2非常小，因此造成的驱动线圈上的阻抗变化量非常小。为了提高灵敏度，满足对于晶片上铜膜厚度的测量要求，本课题采用了交流电桥和基于FPGA的正交矢量型数字式锁定放大器实现对驱动线圈阻抗微小变化量的检测和放大[2]。

2.1 线圈驱动电路与交流测量电桥

以交流阻抗测量电桥电路对驱动线圈上的阻抗变化量进行测量，电路原理图如图2所示，以稳定频率和幅值的交流电源VSIN作为信号源，并由Q1进行功率放大后驱动阻抗测量电桥。

图2 电涡流膜厚测量电桥示意图

阻抗测量电桥由R4～R7、微调电阻器VR1以及两支相同的线圈L1和L2构成，其中VR1为调整元件，调整VR1使得在无电涡流效应时电桥的输出信号幅值为最小值。电路调整完成后，左侧测量臂的参数固定。而在测量过程中，由于电涡流效应的影响，引起电桥右侧测量线圈上的L2和Rx2发生改变，使其对应的测量线圈的阻抗值发生改变，破坏电桥的平衡条件，输出与交流信号源同频率的测量信号Vx，其幅值及与信号源的相位差与阻抗的变化量相关：

其中:Ra为测量电桥左侧上臂R4、R6与VR1左侧部分的等效电阻值，Rb为测量电桥右侧上臂R5、R7与VR1右侧部分的等效电阻值，Z1为参考线圈的等效阻抗Z1=jω*L1+Rx1，Zx为无电涡流效应时测量线圈的等效阻抗Zx=jω*L2+Rx2，当有电涡流效应时，测量线圈的阻抗为Zx+ΔZx，选择合适的电路参数值，使得R4=R5，R6=R7，参考线圈和测量线圈采用相同参数的元件，理想情况下有R=Ra=Rb，Z=Z1=Zx，L1=L2，Rx1=Rx2，在上述条件下，并且当ΔZx<

2.2 交流信号源及数字锁定放大器

由于设备需要在对晶圆抛光过程中进行在线测量，可能会受到设备上的伺服电机、电磁阀等电气元件的干扰，为了提高测量装置的抗干扰能力和性噪比，使用了锁定放大器对测量信号进行放大。同时，为了简化电路设计、提高测量装置的可靠性、稳定性以及测量精度和灵活性，测量装置采用了基于CycloneIV系列EP4CE15F17I7N型FPGA器件和高速A/D、D/A器件的数字式交流信号源和锁定放大器，整个测量装置的工作原理如图3所示。

图3 数字式电涡流膜厚测量装置控制器示意图

数字式正交锁定放大器，包括FPGA主控器件及外围电路，根据设定的交变信号的频率f，生成相关的正弦序列{r1(n)}和与之正交的余弦序列{r2(n)},由所述正弦序列{r1(n)}经转换形成输出序列后输出到D/A转换器中产生频率为f的正弦信号，由该正弦交流信号源经过滤波和功率放大电路后输入至图2所示的射频变压器T1以驱动阻抗测量电桥，同时接收从阻抗测量电桥中输出的检测信号，经放大滤波后，再由A/D转换器采集后形成检测信号序列{x(n)},该检测信号序列{x(n)}分别与存储的正弦序列{r1(n)}和余弦序列{r2(n)}进行预先设定长度W的相乘和累加运算，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:

其中:K值为满足所需数据有效位数的设定系数，r1(i)和r2(i)分别为{r1(n)}和{r2(n)}周期性扩展序列。对于锁定放大器中的乘法器和累加器等器件，直接使用FPGA内嵌的硬件乘法器和QuartusII软件中提供的相关IP核来实现。

上述数字式正交锁定放大器生成的正弦序列{r1(n)}和余弦序列{r2(n)}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{r1(n)}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[3]，为了保证输出波形的质量，减少谐波分量，应该满足序列长度N>20。

由于测量对象为超薄厚度的金属薄膜，为了提高信噪比，满足测量精度的要求，交流驱动源的频率较高，通常为f≥1MHz的正弦波信号。为了输出较为理想的正弦波形并采集相应频率的测量信号，所需的D/A和A/D转换器的工作频率fs=f*N很高，因此系统使用了14bit、125MSPS的高速D/A转换器AD9764ARU和双通道12bit、80MSPS的高速A/D转换器ADC12DL080CIVS芯片，由FPGA控制A/D和D/A转换器的I/O接口，控制其进行波形输出和数据采集。

使用FPGA可以灵活方便的构建所需的信号发生器，由存储器存储生产的一个周期内数据长度为N的正弦函数的数字化波形量值正弦序列{r1(n)}，并采用一个M位的二进制计数器作为地址发生器，正弦波信号的数据存储器的地址由地址发生器的输出控制，输出频率为fs/N的正弦波，fs为FPGA器件的工作频率。为实现AD9764D/A转换器所需数据类型的转换，通过加法器将正弦序列{r1(n)}叠加一个常数c后形成输出序列{y(n)},输出到D/A转换器，即可生成所需正弦波信号，如图4所示。

图4 正弦波信号发生器示意图

2.3 嵌入式Nios II系统模块

NiosII软核CPU是Altera公司开发的基于Cyclone系列FPGA的嵌入式软核处理器。该处理器采用哈佛结构，采用Avalon总线连接各种功能模块，可由用户自己根据实际需求裁剪硬件和配置参数，具有非常好的灵活性，可操作性和强大的处理能力。结合丰富的外设、专用指令和硬件加速单元创建可编程片上系统(SOPC)解决方案，可以很方便地构建各种数据采集和信号处理系统[4-6]。

通过NiosII模块通过PIO端口与数据采集与乘法器、累加器、PLL时钟模块等功能单元连接，共同构建完整的测量系统。

图5 NiosII系统及功能单元

由NiosII构建的CPU单元控制信号发生器单元以及数据采集、锁定放大器的乘法器和累加器的工作，并将锁定放大器输出的同相输出信号I和正交输出信号Q读取后计算出测量信号的幅值V和相位差θ:

完成上述运算，并进一步完成后续计算和数据处理后，可以根据上位机的指令或者设置的工作条件输出相应的测量结果。

3 实验与分析

采用上述膜厚测量装置，我们对表面镀有不同厚度铜薄膜层的晶片进行了测试，A/D和D/A转换器的时钟与数据采集/转换频率为75 MHz，周期内数据长度为N=32，相应的驱动电桥交流电源的频率为2.34 MHz，被测晶圆表面铜膜厚度分别为：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，在提离高度D分别为D=3 mm、D=4 mm、D=5 mm和D=6 mm时，进行测试得到结果如图6所示。

图6 测试结果图

由图6可知，输出信号的幅值随着测量探头提离高度的增加而减小，同时，信号幅值随着铜膜厚度的增加而增大，但是幅值-膜厚对数值之间近似满足线性关系。信号相位差也随着铜膜厚度的增加而增大，信号相位差-膜厚对数值之间也具有较好的线性关系，提离高度的变化对于相位差的影响相对较小。

根据上述分析，以测量信号的幅值V和相位θ作为变量，对金属膜厚度进行回归分析，即：

lnh=f(V,θ)

可以计算出晶圆表面的薄膜厚度h，其中，当f为关于变量V与θ的多项式时，在100～500 nm的范围内，测量精度可以达到10 nm以内，完全满足目前CMP设备加工晶片的要求。

4 结论

本文主要研究了晶圆加工中的几何参数的纳米精度在线测量的原理、方法和测量仪器。针对CMP中晶圆表面的金属膜厚的高精度快速在线和离线检测技术的要求，设计了一种基于FPGA器件的数字化的电涡流超薄金属薄膜膜厚测量装置，相比于国内外的同类CMP抛光电涡流终点检测装置[7-8]，具有数字化程度高、低功耗、电路结构简单、精度高等优点，并通过实验验证了在不同提离高度对测量数据的影响，实验表明，在正常的提离高度变化范围内(3～5 mm)，测量数据都具有足够的信噪比和较高的测量精度，并具有很强的灵活性和抗干扰能力，能够满足设备高精度在线测量的要求。

[1] 徐科军.传感器与检测技术[M].2版.北京：电子工业出版社，2008.

[2] 高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] 周润景，图 雅，张丽敏.基于Quartus II的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4] 王 锐，雷金奎. 基于软核Nios II的SOPC数据采集系统的设计[J].计算机测量与控制, 2008(8):1199-1201.

[5] 杨 卫, 李 飞, 张 皎,等.基于NIOSII 的高速多路数据采集系统[J].计算机测量与控制，2011(2)：465-467.

[6] 李 萍，凌 力. 基于NiosⅡ的数据采集系统设计与实现[J].舰船电子工程,2012(1): 74-76.

[7] 赵 乾，曲子濂，余 强,等.晶圆表面金属薄膜的纳米精度在线测量方法与实现[J].中国基础科学，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重大科技专项(2015ZX02101)。

吴 旭(1975-),男，四川成都人，硕士研究生，高级工程师，主要从事精密测量及运动控制技术研究。

1671-4598(2017)04-0028-03

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

TP274

A