专利名称：在两个涡流传感头之间测量待测物厚度的方法和装置的制作方法
相关申请本发明基于下列美国专利申请，要求它们的优先权，并在此以引用方式将它们的全部内容并入本文2003年10月14日提交的、申请号为10/685,210的美国专利申请，该申请又要求了2002年12月13日提交的、序列号为60/433,429的美国临时专利申请的优先权，它们的标题均为“METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING OBJECTTHICKNESS”。
发明
背景技术：
领域本发明一般涉及一种测量物体厚度的装置，特别是一种测量物体厚度的具有涡流传感器的装置。
背景技术：
涡流传感器是非接触式的测量装置，用于测量导电物体之厚度。简单地说，一个涡流传感器包括一个传感线圈，当传感线圈被交流电流驱动时，可以产生一个振荡磁�。谜竦创懦』嵩谝桓隽诮牡嫉缥锾宓谋砻娌辛�。该涡流的大小取决于磁场的强度以及该导电物体的阻抗，而该导电物体的阻抗与该导电物体的厚度以及该导电物体的电阻系数有关。所以该物体的厚度可以由该物体已知的电阻系数以及所测量的涡流大小或阻抗来确定。
在半导体制造中，涡流传感器一般被用来测量在晶片衬底上沉积的导电层(例如一个铜层)的厚度。涡流传感器被用来测量一个导电层在该晶片上不同取样点处的厚度。在大多数情况中，为了避免在后续处理过程(如蚀刻)中出现问题，拥有一个厚度大致均匀的导电层是很重要的。因此，正确地测量导电层的厚度也就很重要，以便在需要的时候，可对晶片进行适当的修正操作以获得所需之厚度。或者，直接废弃该晶片以避免不必要的进一步处理。
一般而言，现有的测量晶片上导电层厚度的涡流传感装置非常慢。而且，涡流传感装置对于待测物相对于涡流传感器的偶然移动非常敏感。因此，现有的涡流传感装置常拥有非常复杂且昂贵的定位控制机构，以使得涡流传感装置传感器和待测物(晶片)间保持一个固定的距离。
发明内容
本发明提供了测量待测物(例如沉积于晶片衬底上的导电层的一部分)的厚度的方法和装置。根据本发明一个或多个实施例的装置包括一个具有第一传感头和第二传感头的涡流传感器。对所述传感头进行定位以使两者之间具有一个预定缝隙，以便至少让待测物的一部分从其间穿过。当待测物从传感头间穿过时，传感头对待测物上的给定取样点进行的测量。该装置还包括一个位置传感机构，用以确定待测物上的取样点的位置。该装置还包括一个评估电路，其与涡流传感器和位置传感机构相连通，以确定待测物在各个取样点的厚度。该装置还可得包括一个在测量时将待测物移动穿过所述缝隙的机构。
根据本发明的一个或多个实施例，该装置还包括一个位移传感器，以便检测待测物在第一传感头和第二传感头间的延伸方向上的任何位移。位移传感器与该评估电路连通，而该评估电路将所测量的数据加以调整，以便补偿因待测物的任何被检测到的位移所造成的误差。
一种根据本发明的一个或多个实施例的方法包括利用位于待测物相反侧的第一传感头和第二传感头，在待测物上的取样点处进行测量。该方法还包括确定待测物上的取样点的位置，且计算待测物在多个取样点的厚度。测量时，待测物相对于第一传感头和第二传感头而移动。
根据本发明的一个或多个实施例，该方法还包括检测待测物在第一传感头和第二传感头间的延伸方向上的任何位移的步骤。而所测量的数据将被调整，以便补偿待测物的任何被检测到位移所造成的误差。
根据以下的详细描述中，之前所述的这些特征和其它特征将可被容易地理解，在详细描述中通过图解说明的方式示出和介绍了本发明的具体实施方式
。应该意识到的是，本发明可以有其它不同的实施例，且其各个方面均可被修改，但所有的修改都不会脱离本发明的范围。因此，本发明的附图和描述仅为示例性的，而非限制性的。
图1是一种代表性的涡流传感头的示意图；图2是根据本发明一个或多个实施例的一种测量物体厚度装置的方块图；图3是图2装置中某些组件的立体图；图4是现有技术的一种单涡流传感器的磁通线分布的示意图图5是图2的双涡流传感头测量装置的磁通线分布的示意图；图6说明了一种根据本发明一个或多个实施例的装置，其对于待测物与涡流传感头之间距离的变化较不敏感。
图7是根据本发明一个或多个实施例的距离补偿因子的代表性值随着待测物位移距离变化的示意图以及图8是说明根据本发明一个或多个实施例的一种测量物体厚度方法的过程的流程图。
具体实施例方式
本发明一般涉及一种动态性涡流传感装置，其可迅速且准确地确定待测物在其不同取样点处的厚度。简单来说，本装置包括一个涡流传感器，其具有两个相隔一个预定缝隙的传感头。在测量的时候，待测物的某些部分移动穿过该缝隙，且当待测物移动时，待测物在不同取样点的厚度可以被测量出来。本装置亦包括一个位置传感器，以便在测量时，确定每一个取样点相对于待测物的位置。
通过利用位于待测物相反侧的两个涡流传感头，本装置的测量精确度大幅度增加。这是因为本装置对于待测物在移动穿过该缝隙时所产生的预定取样点的不经意地的移动(趋近或远离传感头)或震动显得较不敏感。所以本装置可以进行动态的测量，允许多个取样点被迅速地测量。
本发明的一个或多个实施例期望包括一种Z位置传感器，以便测量待测物和传感头之间的距离，进而确定任何与距离有关的补偿因子。并且将补偿因子应用至所测量的原始数据中以补偿距离和震动作用从而进一步改善测量的精确度。
图1示意性地说明了一种根据本发明各种实施例的可用于一个厚度测量装置中的代表性涡流传感头10。涡流传感头10包括一个壶形芯12和一个传感线圈14。举例来说，壶形芯12可为一种劈开的铁氧体壶形芯。例如，壶形芯12的直径约为9毫米，高度约为4毫米。也可使用具有其它结构和尺寸的芯。传感线圈14则可用规格为26-32号的导线，并且匝数约为10-30圈。也可使用其它尺寸的导线和线圈结构。
传感线圈14在被交流电流驱动时，可以产生振荡磁�。竦创懦≡诹诮牡嫉缥锾宓谋砻嫔匣岵辛�。该涡流的大小取决于交流电所产生的磁场的强度以及导电物体的阻抗，而导电物体的阻抗与导电物体的厚度及其电阻系数有关。所以，导电物体的厚度可由导电物体已知的电阻系数和通过传感线圈所检测到的涡流计算出来。
也可以使用其它类型的涡流传感头，例如一个具有两个传感线圈的传感头。其中一个主线圈在被交流电流驱动并产生振荡磁�。绷硪桓鍪安ㄏ呷邮绽醋愿么馕锏南煊π藕�。
图2是一种根据本发明一个或多个实施例的测量物体厚度的装置20的代表性的方块图。图3是装置20中的某些元件的立体图。现参考图2和图3，装置20包括一个涡流传感器，其具有两个传感头24、26，两者以串联电路或并联电路的形式相连接。涡流传感头24，26被分别安装在各自的支架28上，以使它们彼此之间相隔一个预定距离，从而在其间形成一个门或缝隙。该缝隙的距离可随着被测量的待测物的尺寸大小而变化。一般而言，例如在半导体处理过程中测量沉积于晶片上的膜层的厚度时，该缝隙距离的范围约在2-6毫米之间。已发现，这样的范围在典型的半导体处理过程应用中，提供适当的斑点尺寸、信号强度和处理过程可靠度。
涡流传感头24、26可被连接至一个传感器板电路30。传感器板电路30除了产生驱动涡流传感头24，26所需的交流电，并且自传感头24、26中接收一个指示待测物厚度的拾波涡流信号。具有电压形式的拾波涡流信号被传输至控制器32，控制器32包括一个模数转换器，以将拾波信号转换成数字信号以用于下面将要描述的处理。
用来驱动线圈的交流电流是可变的。例如，驱动交流电流的频率在约300kHz至5MHz之间，但也可以使用其它的电流值。
装置20还包括一个由位置传感器34构成的阵列，当待测物22移动穿过涡流传感头24、26之间的缝隙时，位置传感器34检测待测物22的位置。位置传感器34被连接至控制器32，其中控制器32可以在进行厚度测量时确定待测物22上的取样点。可以使用于该阵列中的位置传感器的例子为光学传感器(例如，穿透式(through beam)光学传感器)。适当的位置传感器的例子包括可从日本SUNX公司购得的EX-11型传感器。
为了进一步提高测量的精确度，本发明的一个或多个实施例期望包括一个Z位置传感器36，以便测量待测物22和传感头24、26之间的距离。以便确定任何与位置相关的补偿因子，并将其应用至所测量的原始数据中，补偿距离和震动的影响。而适当的Z位置传感器的例子为激光距离传感器。这种传感器的一个例子是可从日本OMRON公司购得的XZ-30V型传感器。
控制器32基于从传感器中得到的各自的读数，计算出待测物22在不同取样点的厚度。一种代表性的控制器32可包括一个模数转换器、一个可编程逻辑控制器(PLC)以及一台个人计算机。模数转换器将来自于涡流传感器和Z位置传感器的模拟信号转换成数字形式以便处理。可编程逻辑控制器接收来自于传感器的传感信号，并执行数据记录(logging)或收集功能。个人计算机则接收来自于可编程逻辑控制器的数据，并执行测量和补偿计算。测量结果可以被输出至一个输出装置33，例如计算机显示器或打印机。
有许多已知方法可以根据涡流传感器的读数来计算待测物的厚度。例如，其中一种已知方法利用从许多已知厚度的特定待测物所获得的涡流传感器读数的经验数据，产生一条传感器读数校准曲线。在使用该装置时，涡流传感器产生的读数可以被映射到该校准曲线，从而确定所测量的待测物的厚度。
例如，现在将描述在如何使用装置20来测量一个位于晶片22上的导电层的厚度。晶片22被定位于一个与机器人臂相连的末端执行器38上。接着机器人臂被启动并移动晶片22，使其穿过由两个涡流传感头24、26所形成的缝隙。当晶片22移动穿过缝隙时，会经过由位置传感器34所构成的阵列，同时晶片22的前缘会连续地开动或启动位于不同位置的位置传感器34。当晶片22经过第一个位置传感器34时，传感流程便被启动。传感流程可包括涡流传感器周期性地读取厚度的读数(例如取样率为每秒读取1000个读数)，且当晶片22的边缘经过每一个连续排列的传感器时，位置传感器34进行检测以确定晶片22的速度。
利用这些信息，控制器32可以确定在各个取样点所测量的厚度以及各个取样点在晶片上的位置。依照此种方式，控制器32可以取得沿着一条延伸穿过晶片22的特定线上的测量数据。如果需要取得沿着另一条特定线上的数据时，可将晶片22转动至需要的位置上，并且将其移动穿过装置20，以取得测量的数据。
本装置适于动态测量，也就是在晶片移动穿过两涡流传感头间之缝隙时进行测量。本装置可以快速地进行取样，使得本装置可以迅速地测量晶片的厚度。举例来说，根据本发明的一个或多个实施例，一个直径约为300毫米的晶片可在约2秒内，以约2000个取样点的取样数目被测量，但也可以使用其它的取样速率。
通过使用分别位于待测物相反侧的两个涡流传感头，所测量的数据对于待测物在移动穿过该缝隙时所造成预定取样点的不经意的或偶然的移动(趋近或远离传感头)或震动显得较不敏感。因此，可以在各取样点进行更精确的测量。同时，可以避免使用到庞大的定位控制机构，且迅速地完成测量。在待测物移动穿过两涡流传感头之间的缝隙时，两个涡流传感头可以连续地读取读数。
通过迅速且准确地测量晶片上导电层的厚度，可以在需要时进行修正操作，以获得所需要的导电层厚度。例如，若需要一个大致均匀的厚度时，但测量数据却显示出厚度并不够均匀，则可以将晶片进行选择性的化学机械抛光或其它处理，以便获得所需要的均匀厚度。
图4是现有技术的厚度测量装置中所使用的一种单涡流传感器50所产生的代表性磁通线分布，涡流传感器并产生一种磁通线图案。待测物在与涡流传感器相隔一特定距离内跟许多磁通线相交。所以若待测物22偶然趋近或远离涡流传感器(即便是非常微小地移动)，跟待测物22相交的磁通线的数量便会显著变化。而随着跟待测物22相交的磁通线数量的改变，该涡流传感器的测量读数亦会随着改变，因此测量的精确度也会降低。
图5是根据上面所述的本发明的各种实施例的测量装置20的双涡流传感头24、26所产生的代表性磁通线分布。如图5所示，待测物22可以趋近或远离涡流传感头24、26，但与其相交之磁通线数数目的变化显著地减少。因此，装置20对于待测物和涡流传感头两者之间距离的变化较不敏感。
图6说明了两种装置的测量结果对于距离变化的敏感度的差异图，其中一种装置仅具有单涡流传感头，而另一种装置则具有双涡流传感头。图6中所显示之涡流传感器的尺寸大小仅供参考，其尺寸可以依据特定的应用而有所不同。
为更一步增进厚度测量的精确度，可以使用一个Z位置传感器36来补偿待测物于两个涡流传感头之间的延伸方向上的不经意移动所造成的误差。Z位置传感器36可检测待测物22和两个涡流传感头24，26之间的距离，以便确定一个与位置相关的补偿因子，并将其应用至测量所得的原始数据中，以补偿距离和震动的影响。图7是一个显示代表性补偿值图，其中的代表性补偿值是基于待测物相对于传感头的移动距离而选择的。该图中的数值均由实验所得，而且会因所使用的装置及待测物的不同而有所变化。
图8是说明了一种根据本发明的一个或多个实施例的测量物体厚度方法的过程的流程图。在步骤100，当移动待测物通过位于待测物相反侧的第一传感头和第二传感头之间的缝隙时，在待测物上的一个取样点处测量待测物的厚度。在步骤110，确定取样点在待测物上的位置。在步骤120，检测出待测物在第一传感头和第二传感头之间大致延伸方向上的任何位移。在步骤130，待测物在取样点处的厚度将被计算和调整，并且在需要时用以补偿待测物的任何被检测到的位移。
已经详细说明了本发明的实施例，应该意识到的是，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以对本发明的实施例进行各种修改。
权利要求
1.一种动态地测量待测物厚度的装置，其包括一个具有第一传感头和第二传感头的涡流传感器，所述第一传感头及所述第二传感头被定位，以使两者之间具有一个预定缝隙，从而让所述待测物的至少一部分从所述缝隙穿过，当所述待测物处于所述缝隙处时，所述第一传感头及所述第二传感头对所述待测物上的一个或多个取样点进行测量；一个在进行所述测量时用于将所述待测物移动穿过所述缝隙的机构；一个位置传感机构，其被用于确定所述待测物上的所述一个或多个取样点的一个或多个位置；以及一个与所述涡流传感器和所述位置传感机构相连通的评估电路，其被用来确定所述待测物在所述一个或多个取样点处的厚度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述用于将所述待测物移动穿过所述缝隙的机构包括一个机器人末端执行器。
3.根据权利要求1所述的装置，进一步包括一个位移传感器，其用于检测所述待测物在所述第一传感头和所述第二传感头之间延伸方向上的位移。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述位移传感器与所述评估电路相连通，且其中所述评估电路调整所述第一传感头和第二传感头的测量数据，以补偿所检测到的所述待测物的位移。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述位移传感器包括一个激光距离传感器。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述评估电路被实施在一个计算机控制器。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述计算机控制器包括一个模数转换器、一个可编程逻辑控制器以及一台个人计算机。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述位置传感机构包括一个由位置传感器构成的阵列，当所述待测物移动穿过所述缝隙时，所述位置传感器连续地检测所述待测物的一个边缘。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述评估电路根据所述位置传感器的输出来确定所述待测物的速度。
10.根据权利要求8所述的装置，其中每个位置传感器包括一个光学传感器。
11.一种测量待测物厚度的方法，其包括下列步骤(a)移动所述待测物穿过两个涡流传感头之间的缝隙；(b)当所述待测物移动穿过所述缝隙时，利用所述涡流传感头在所述待测物上的一个或多个取样点处进行动态地进行测量；(c)确定所述待测物上的所述一个或多个取样点的一个或多个位置；以及(d)计算所述待测物在所述一个或多个取样点处的厚度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中移动所述待测物的步骤是利用一个机器人末端执行器来进行的。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括检测所述待测物在所述第一传感头和第二传感头之间延伸方向上的位移。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括调整所述测量数据，以补偿所述待测物的所述位移。
15.根据权利要求11所述的方法，其中确定所述待测物上的所述取样点的位置的步骤包括当所述待测物移动穿过所述传感头时，连续地检测所述待测物的一个边缘。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括确定所述待测物的速度。
17.一种测量待测物厚度的方法，其包括下列步骤(a)当所述待测物相对于一个给定位置移动时，在所述待测物的相反侧上产生一个磁通量，并且在所述待测物上的多个取样点处测量所述待测物上所感应出的涡流；(b)确定所述取样点的位置；以及(c)计算所述待测物在所述取样点处的厚度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述磁通量由两个相对的涡流传感头产生，且其中所述给定位置是位于所述传感头之间的一个位置。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述磁通量由两个相对的涡流传感头产生，且所述方法进一步包括检测所述待测物在所述第一和第二传感头之间延伸方向上的位移。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括调整计算出的厚度，以补偿所述待测物的位移。
21.一种测量待测物厚度的方法，其包括下列步骤(a)利用一个机器人末端执行器将所述待测物移动通过一个涡流传感器；(b)当所述待测物移动穿过所述涡流传感器时，利用所述涡流传感器对所述待测物的一个或多个取样点动态地进行测量；(c)确定所述待测物上的所述一个或多个取样点的一个或多个位置；以及(d)计算所述待测物在所述一个或多个取样点处的厚度。
22.根据权利要求21所述的方法，其中确定所述待测物上的所述取样点的位置的步骤包括当所述待测物移动穿过所述涡流传感器时，连续地检测所述待测物的一个边缘。
全文摘要
本发明提供了一种测量待测物厚度的方法和装置。所述装置包括一个具有第一传感头和第二传感头的涡流传感器，所述传感头被定位，以使两者之间具有一个预定缝隙，从而让待测物的至少一部分从缝隙中穿过，当待测物处于所述缝隙处时，第一传感头和第二传感头对待测物上预定的一个或多个取样点进行测量。所述装置还包括一个在进行所述测量时将待测物移动穿过所述缝隙的机构；一个确定待测物上所述一个或多个取样点的一个或多个位置的位置传感机构；以及一个评估电路，其与涡流传感器和位置传感机构相连通，以便用来确定待测物在所述一个或多个取样点处的厚度。
文档编号G01B7/02GK1739002SQ200380108698
公开日2006年2月22日 申请日期2003年12月12日 优先权日2002年12月13日
发明者L·C·赖, S·吕, Y·张, C·马特内尔, Q·范, Y·P·古, J·休斯顿, P·史密斯, G·L·米勒 申请人:应用材料有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
