利用二維反射計測量多層薄膜的厚度輪廓和折射率分布的裝置及其測量方法

2023-06-15 17:06:31 2

專利名稱：利用二維反射計測量多層薄膜的厚度輪廓和折射率分布的裝置及其測量方法
技術領域：
本發明涉及利用二維反射計測量多層薄膜的厚度輪廓和折射率分布的技術。
背景技術：
測量襯底上的多層薄膜的厚度輪廓和相關折射率分布的過程作為製造半導體、諸如LCD之類的顯示器等的薄膜塗層過程的一部分，在通過提高質量和經過精確和一致的觀察在生產周期的早期階段篩選掉有缺陷的產品並且監視薄膜在襯底的形成過程中，對降低處理成本起著重要作用。
在半導體工業中廣泛使用的測量薄膜厚度和折射率的裝置是基於反射計的測量工具。廣義上講，被稱為「薄膜層測量系統」的反射計是能夠測量多層薄膜的特性，並且還能夠不需要在測量前對目標樣本進行特殊預備處理就可以直接測量的非接觸的、非破壞型的測量裝置。
圖1a和1b示出了通常使用的反射計的結構原理圖。參見圖1a和1b，從光源100產生的光由分光器102反射，然後穿過物鏡104直接到達樣本襯底108上的樣本薄膜110。樣本襯底108由襯底106和在所述襯底106上形成的樣本薄膜110構成。入射到樣本薄膜110上的光在所述樣本薄膜110的表面112，即在樣本薄膜110和空氣之間的交界處112上的點116被部分反射。其餘的入射光穿透入所述樣本薄膜110，然後在所述襯底106的表面114，即在樣本薄膜110和所述襯底106的交界處114被反射。該反射光經過所述物鏡104、所述分光器102，並且通過反射鏡118上的孔120最終到達分光鏡130。此後，檢測並分析進入的反射光以發現作為波長函數的反射光的強度。由數字轉換器132和信息處理器134處理這些結果以計算薄膜的厚度和其中對應的折射率。
在上面參考圖1a的例子中，一部分入射光在樣本薄膜110的表面112(或交界處112)的入射點116被反射，其餘部分穿過交界處112並折射或穿透進樣本薄膜110，並且該反射光的一部分又在樣本薄膜110和襯底106的交界處114反射，而其餘部分的反射光折射或穿透到襯底106。
在圖2中，考慮兩個不同的薄膜層進行說明。參見圖2，穿過圖1a中物鏡104的入射光210的一部分在第一交界處207的點217被反射，然後反射光222沿著222的方向傳播，入射光210的其餘部分折射進第一薄膜層202，如212所示。該反射光212在第二交界處208的點218又被反射，並且該反射光穿過第一層202，然後沿著224的方向進入空氣中，光214的其餘部分在第二交界處208的點218折射到第二薄膜層204中，如214所示。同樣，在點218的折射光214在第三交界處209上的點219被反射，然後經過兩層薄膜204和202，沿著226的方向傳播到空氣中。最後，反射光214的其餘部分沿著216的方向折射或穿透進襯底206。
如圖2所示，就反射光傳播的絕對點而言，來自樣本襯底230的反射光222、224和226在光程中以微小的差異在空氣中平行地播。換句話說，在從光交界處207、208和209反射後，從空氣中的參照起始線228看去，這些反射光222、224和226在空氣中是平行傳播的。因此會發生幹擾現象。在此，三個反射光222、224和226之間的這些微小的光程差作為反射光波長的函數產生。根據波長的結果，路徑差別可以引起幹擾相互加強或幹擾相互抵消。
由於上述幹擾現象，作為反射光波長函數的反射率的曲線採用圖3所示的圖形的典型形式，橫坐標是波長，縱坐標是定義為反射光強度和入射光強度之比的反射率。
參見圖1a，來自所述樣本襯底108的反射光是很多波長的疊加波，因此需要得到作為波長函數的反射率，並且在分光鏡130進行這種波長分離。物理上，稜鏡是分光鏡的最簡單的形式，但是通常利用衍射光柵產生單色波長來執行這種波長分離。因此，使用配備了轉動型衍射光柵的單色儀和固定型衍射光柵上的單光檢測器和陣列型光檢測器來檢測作為波長函數的反射光強度，此後，在經數字轉換器132將檢測到的反射強度信息變換為數字後，由信息處理器134計算每個波長的反射率。
如圖3所示的反射率圖形根據薄膜厚度和薄膜及襯底的折射率分布的特徵而具有唯一的形狀或形式。如果是單層薄膜，給定的反射率理論上是閉合形的。但是，如果是多層薄膜，可以利用由特徵矩陣的乘積表示的電場和磁場之間的關係計算每個薄膜層的反射率。因此，得到的特徵矩陣將薄膜的所有層表示為「系統」。與單層薄膜的情況不同，折射率、薄膜厚度和反射率這三個參數是相互作用和制約的，對於多層薄膜的所述得到的特徵矩陣可以重新排列為非線性函數，這種多變量的非線性函數在很多情況下可以利用按迭代試湊法找「最佳」或「最優」解的方法來實際「求解」。更具體地說，當給定一個如圖3所示的反射率圖形時，對于波長的每個點，通過選擇薄膜厚度作為變量、選擇它的初始值、用該初始值作為起點，利用所述非線性函數方程求出計算的反射率、得到計算和測量到的反射率值之間的誤差，然後利用薄膜厚度的不同值反覆重複這個過程，直到可以確定使薄膜厚度的誤差值最小的薄膜厚度的值，該值是對厚度的「最佳」估算。在此，利用已知的樣本襯底和光源來確定用來計算反射率值的入射光強度。
從反射率和上述獲得的相關信息計算折射率。這種方法被認為是一類「基於型號的測量方法」。利用反射計的原理，通過上述迭代試湊法尋找「最佳」方案來得到薄膜的厚度或折射率。
為了得到給定薄膜的一致性，用通常並廣泛使用的反射計在產品襯底被選中的「點」測量薄膜的厚度。為了進行測量，在圖1a和1b中，通過位於反射計118中心直徑為200μm的光檢測孔120，只有一小部分反射光在投影圖象122之外，即，只用通過光檢測孔120的反射光來測量薄膜厚度。
根據所用的分光鏡，使用圖4所示的直徑為200μm的玻璃纖維424收集用來測量薄膜厚度的反射光。即，為了容納直徑為200μm的玻璃纖維，在上板423上形成200μm的孔，並且如圖1b所示，在整個投影圖象122之外只使用直徑為200μm大小的圖象來進行測量。
另一方面，在US5,333,049中由A.M.Ledger揭示了在大面積下測量厚度輪廓的方法和裝置。根據Ledger的發明，已經利用白光源和幹涉測量原理實現了測量100mm大的矽片的厚度輪廓的裝置，測量方法是將整個晶片分割成400個小區。在每個小區，測量反射率並且與已經準備好的標準反射率對厚度的表進行比較，以確定所選小區的厚度值，利用校準晶片預先準備好所述標準反射率對厚度的表，並且將厚度刻度分成500份。
換句話說，在測量反射率的值後，從查閱表中讀取厚度值。該方法的優點在於加快了測量速度並且能夠觀察到整個襯底區域，它的缺點是潛在地向產品襯底傳播任何可能嵌入為校準襯底而生成的反射率對厚度的表中的誤差或錯誤，它的缺點還包括利用攝像機中通常使用的CCD傳感器不能獲得足夠的解析度來覆蓋直徑超過100μm的整個產品襯底的表面。在此，由於有必要觀察和檢查薄膜厚度和包含高電路密度的晶片表面的輪廓狀態，因此當在半導體晶片處理高電路密度期間檢查襯底上的電路指定部分時，會產生解析度的問題。另外，Ledger的發明的另一個缺點是只要晶片工藝一改變就會在原處產生新校準襯底的新反射率對薄膜厚度的表的資料庫。另外，前述Ledger的專利的另一個缺點是在測量到的產品襯底的反射率值中包含的噪音會影響薄膜厚度值的確定，於是校準襯底上錯誤的薄膜厚度值被傳播給產品襯底。為了克服這些缺陷，在另一份美國專利US5,365,340中，Ledger揭示了通過自規範產品襯底的反射率測量值，並且將這些自規範值與校準襯底的資料庫值比較來測量薄膜厚度的方法，通過最小化指標函數(merit function)的計算值執行反射率測量值的自規範。但是，前述專利US5,333,049中所伴隨的所有其它缺陷在US5,365,340中仍存在。
前述US5,333,049和US5,365,340專利中共有的共同和嚴重的缺陷在於因為薄膜厚度值是通過比較所測量的厚度值與利用校準襯底預備的資料庫確定的，所以薄膜厚度的測量結果值受校準晶片資料庫值的影響太大。換句話說，校準襯底的反射率對薄膜厚度的資料庫只是簡單代表反射率和薄膜厚度之間對應關係的表，該表是通過平均和排列整個校準襯底值而生成的，因此，當所測量的厚度和校準襯底以及產品襯底的反射率存在合理的均勻度時，可以保證它的精確度。但是，當由於襯底不平的表麵條件使得反射率和薄膜厚度之間出現不規則的關係時，就降低了薄膜厚度的精確度。
為了克服上述一些缺陷，Paul J.Clapis和Keith E.Daniell在US5,555,472中揭示了通過最小化在產品襯底表面上許多點測量到的反射率值和理論特徵之間的誤差來優化確定薄膜厚度值的方法，理論特徵來自通過利用相同特徵的理論數字表達式計算象反射率這樣的特徵值所構造的庫文件。該方法用來測量假設至少一層是適度均勻的兩層薄膜的厚度。
上述三個現有技術是關於測量整個襯底的裝置。因此，測量整個襯底區域薄膜厚度的CCD攝像機只有有限的解析度，特別是，在有限區域內對薄膜厚度輪廓的詳細測量成為難題，以及在測量裝置中引入了前述的「噪音」並且這種噪音被傳播到產品襯底。
另一方面，例如，US4,999,014、US4,999,508和US4,999,509揭示了通過測量產品襯底上薄膜的反射率的「光點」來確定薄膜厚度值的方法。這些裝置是利用現有分光鏡的典型的薄膜厚度測量裝置，它們測量在指定點上薄膜的厚度和折射率。但是，通常僅利用一點上的薄膜厚度和對應的折射率這樣的測量信息不足以評估薄膜的特徵和質量。而如果可以在擴展區域測量薄膜厚度輪廓和折射率分布，那麼這些信息在評估薄膜特徵和質量上可以比利用在一個時間測量一個點得到的信息獲得更多有意義的結果。另外，當前存在的分光鏡不適合測量相對大面積的薄膜厚度輪廓或在相同時間許多相鄰點上測量薄膜厚度分布。當然，很可能在逐步地在四個X-Y方向上移動樣本襯底的同時通過重複測量厚度來測量薄膜厚度分布，但是這種操作需要精細的微型機械手並且非常耗時。此外，為了獲得薄膜厚度分布，應該使用精確的襯底移動平臺並且能夠以好於0.1微米的同步解析度移動，因此，整個測量裝置在功能和結構上變得非常複雜並且非常昂貴。在這種情況下，可以採用更貴的超級微型機械手，但是從經濟觀點看是不實際的。

發明內容
如前所述，實際上使用常規反射計不可能執行薄膜的厚度輪廓和折射率的同時測量，並且製造用來逐步測量薄膜上給定區域的厚度輪廓的裝置的成本也非常高，並且該過程需要時間去執行測量。為了克服這些缺陷，本發明揭示了用來測量薄膜厚度輪廓和折射率的新裝置和方法。
本發明的主要目的是揭示一種裝置，它不僅能夠在樣本襯底上給定區域的許多點與薄膜折射率一起測量厚度輪廓，從而在短時間內一起測量厚度輪廓和折射率，而且由於使用了用於反射計的通用原理使得新裝置的結構簡單。因此，折射率通常從反射率計算，而在本發明中根據下面部分描述的光學原理通過局部最小化所測量的反射率和利用與薄膜厚度和折射率有關的非線性函數表達式迭代計算的反射率之間的誤差來優化地確定反射率。
具體實施例方式
圖5是根據本發明用來測量薄膜厚度輪廓和折射率的新裝置的示意圖。參見圖5，作為根據本發明的實例，用來測量薄膜厚度輪廓和折射率分布的裝置包括5個模塊，即，光學單元，襯底載體，圖片圖像採集處理器，圖像處理器548，信息處理器550，系統控制器552，和信息顯示單元。
光學單元包括光產生光源500，聚光透鏡502，虹膜(iris)504、準值透鏡506(第一準值透鏡)，分光鏡508，物鏡510(第二準值透鏡)，輔助透鏡530(第三準值透鏡)，和配備了多個窄帶通濾光器538的濾光輪534。通常使用可見光源作為用於測量薄膜厚度的光源500。從該光源產生的光穿過聚光透鏡502，用來調節投影在樣本襯底514的表面上的光區域的虹膜504，以及另一個準值透鏡506，然後到達分光器508，並且從分光器508反射，並重新定向到樣本襯底，穿過物鏡510，然後進入，例如，樣本薄膜518，在這裡，光在樣本襯底頂面的交界處I 520和底面的交界處II 522反射。來自樣本襯底的反射光穿過物鏡510，分光器508和作為聚焦反射光的準值透鏡的輔助透鏡530，使得反射光穿過窄帶通濾光器538，然後最終聚焦在光檢測器542上配備的二維矩陣型的CCD(電荷耦合器件)傳感器。穿過窄帶通濾光器538的反射光具有與給定濾光輪位置相關聯的指定波長，投影到二維矩陣CCD型的光檢測器542上。
圖片圖像採集處理器包括二維CCD數組型的光檢測器542和幀捕捉器546。從樣本襯底514的薄膜層518的交界處I 520和交界處II 522反射的光穿過由物鏡510、分光器508、輔助透鏡530和窄帶通濾光器538組成的光徑，然後被投影到二維CCD光檢測器542上，而投影到二維CCD光檢測器542上的圖片圖像由基於CCD的光檢測器感應，然後這些感應信息被轉換為像素級的光強度信息。該二維圖片幀的圖像被幀捕捉器546捕獲，然後存儲在幀存儲器中(未示出)。更具體地說，在二維光檢測器542的內部，CCD以二維矩陣的形式排列。在只有對應所使用的所述窄帶通濾光器波長的光被投影在二維矩陣型的CCD 542上後，在樣本薄膜層518的交界處I520和交界處II 522的反射光穿過窄帶通濾光器538，這裡由所述CCD光檢測器542感應和檢測到的像素信息形成二維像素組。由所述CCD檢測器542檢測到的該組像素再被幀捕捉器546捕獲，然後存儲在幀存儲器中(未示出)。
襯底載體平臺裝配單元由襯底載體平臺524，襯底載體平臺驅動器526，和襯底載體平臺控制器528組成。襯底載體平臺524主要是支持襯底514的場所並且能夠上下左右運動，這些運動由一套電機或平臺驅動器526控制，並且由系統控制器552控制的襯底載體平臺控制器528控制所述襯底載體平臺驅動器526，所述系統控制器552與輸入/輸出單元558接口。
圖像處理器548通過從由幀捕捉器546捕獲的圖像信息中提取作為波長函數的反射光強度來產生用來生成如圖7所示的反射率圖形的數據。這裡，反射率定義為反射光強度與入射光強度之比，其中入射光強度利用已知的樣本襯底測量。
信息處理器550在功能上是一類參數值的操作器-計算器，主要以如圖7所示的反射圖形開始來計算二維的薄膜的薄膜厚度、厚度輪廓和折射率值。根據人們的設計，圖像處理器548和信息處理器550可以包含在一個控制器中，於是只需要一個控制器。另外，可以將圖像處理器548、信息處理器550、系統控制器552和平臺控制器528設計在一起，使得可以由一個主控制器或一臺計算機控制。
根據由幀捕捉器546獲得的像素信息，圖像識別器554和監視器556顯示由圖像處理器548和信息處理器550處理和提取的信息，於是所述裝置的用戶可以很容易和方便地操作測量裝置。特別地，所述監視器556顯示包括薄膜厚度輪廓和折射率等必要的參數，這些參數是由圖像處理器548和信息處理器550提取或獲取的。
根據本發明，系統控制器552控制和管理包括監視器556在內的整個測量裝置。
下面，參考圖5詳細描述根據本發明的用來測量薄膜厚度和折射率分布的所述裝置的操作原理。
從光源500入射的光穿過由聚光透鏡502，虹膜504，準值透鏡506，分光鏡508，和物鏡510按所提到的順序組成的光徑，然後投影到樣本襯底514。這裡，參考圖2和5作為例子，襯底516上要測量的薄膜被假設為所述襯底516上放置的兩層薄膜202、204來製造所述襯底514。參見圖2，產品襯底230的結構是在產品襯底206上帶有兩層薄膜202、204，形成第一薄層204和第二薄層202。在這種情況下，每層薄膜的諸如折射率之類的光特徵彼此不同，並且還出現三個交界處；交界處I 207定義為第二薄膜層202和空氣200之間的界面，交界處II 208定義為第二薄膜層202和第一薄膜層204之間的界面，交界處III 209定義為第一薄膜層204和襯底206之間的界面。薄膜層之間的光交界處具有不同的光特徵，會發生反射、折射和透射現象。如圖2所示，從整個樣本襯底230反射的反射光是具有210→222、210→212→224、210→212→214→226的光徑差的反射光的反射光222、224、226的疊加光。通常，要測量的薄膜樣本的厚度變化從十幾埃()到幾微米。因此，前述從薄膜反射的反射光有光徑異，這些光徑差比光的相干長度短，於是反射光的疊加光產生光學中廣泛熟知的幹擾現象。另外，即使兩條光徑相同，當波長彼此不同時，它們的光徑差也不同，結果會產生不同的幹擾。因此，在某個波長會發生破壞性的幹擾，而在不同波長發生構造性的幹擾，其中，不同波長的反射光強度具有不同值。另外，根據給定窄帶通區域內的波長，入射光和反射光的強度不同。前述隨介質層光特徵和由於樣本薄膜厚度變化引起的光徑差而變化的折射率的不同會產生幹擾現象。由於反射率的定義為反射光強度和入射光強度之比，因此，當利用標準的校準襯底測量入射光強度時，可以獲得如圖3所示的反射率圖形作為反射光波長的函數。
根據本發明，可以獲得有關薄膜厚度，表示薄膜特徵的反射率和和折射率之間的非線性函數關係，並且由本發明揭示的所述方法測量所述反射率，然後按迭代試湊法，利用查找最佳解的方法計算薄膜厚度和折射率。
根據本發明，為了描述尋找給定薄膜的厚度和折射率最佳值的算法，將主要參考2002年第四版的Eugene Hecht的「光學」作為理論背景材料。另外，下面描述的是通過最小化計算和測量的反射率值之間誤差來得到給定薄膜厚度輪廓和折射率的方法，其中該方法採用迭代試湊法來最小化反射率誤差。
如果給定薄膜是單層的情況，當薄膜厚度或折射率已知時，那麼給定用來得到反射率的理論表達式為相對簡單的「閉合形」。
但是，在多層薄膜的情況下，用來得到多層薄膜的厚度和折射率的算法的推導從代表可利用由特徵矩陣的乘積給定的函數表達式導出的可數字計算的理論傳送率的圖形開始，每個給定的薄膜層一個，特徵矩陣從薄膜層的電磁場的邊界條件獲得。
根據本發明，從光源發出的光通過光學單元投影到與入射光線幾乎垂直的樣本襯底(入射光面)的表面上，首先考慮入射光的介質是空氣-薄膜-襯底時樣本襯底上單層薄膜的情況。在這種情況下，參見圖5，作為複數的反射係數r1由下面表達式[1]按閉合形式給定，另外具有能量含義的絕對反射率R給定為複數數量r的平方值，如下面表達式[2]所示；r=r01+r1se-j21+r01r1se-j2-----[1]]]>R＝r·r*[2]其中r01和r1s分別是在空氣和薄膜頂面之間交界處I 520和薄膜和襯底頂面之間交界處II 522的Fresnel反射係數，β是由代表在通過薄膜的入射光通路轉換期間發生相移的=2d]]>給定的相移。這裡，η是折射率，d是給定薄膜的厚度，λ是波長，而*代表復共軛。
這裡應該注意的是，可以在二者都作為波長λ的函數的相移β和折射率η分別被給定時計算薄膜的厚度。專利US5,042,949就是利用這種關係得到薄膜厚度的一個實例。
在多層薄膜的情況下，不象用於單層薄膜的表達式[1]和表達式[2]那樣，在第i層薄膜頂部和底部邊界的光的電場和磁場具有下面表達式[3]給定的函數關係；EiHi=mi,11mi12mi,21mi,22Ei+1Hi+1=MiEi+1Hi+1-----[3]]]>其中i＝1，2，3，…，p，並且矩陣Mi=mi,11mi,12mi,21mi,22]]>是與第i層薄膜頂部和底部邊界的電場和磁場有關的第i層薄膜的特徵矩陣，對於第i層及對應波長，每個元素mi，11、mi，12mi，21和mi，22是複合折射率和厚度的函數。從表達式[3]中，薄膜的所有p級層的頂部和底部邊界的電磁場都與通過下面的表達式[4]所示的函數關係有關，其中頂面交界處是空氣和薄膜第p層頂面之間交界處，而底面交界處是薄膜第1層和襯底之間的交界處；ElHl=M1M2MpEp+1Hp+1=MEp+1Hp+1]]>=m11m12m21m22Ep+1Hp+1----[4]]]>其中特徵矩陣M=m11m12m21m22]]>是使矢量 與矢量 相結合的函數關係。第i級薄膜最上面的交界處和最下面的交界處的電磁場的邊界條件產生下面的矩陣方程式；EiI+ErI(EiI-ErI)o=MEiIIEiIIs]]>並且通過一個元素一個元素地平衡上面的矩陣表達式，重新排列各項，得到下面的函數關係；1+r＝m11t+m12γst
(1-r)γo＝m21t+m22γst [5]其中r=ErlEil,t=EtIIEiI,o=oonocosiI,s=oonscosiII]]>r＝反射振幅係數，t＝透射振幅係數。解出上述表達式[5]的反射振幅係數r，得出下面的結果；r=om11+osm12-m21-sm22om11+osm12+m21-sm22-----[6]]]>其中γo和γs分別是空氣和樣本襯底的複合折射率，m11、m12m21和m22是特徵矩陣M的元素。可以通過表達式[4]所示的M1M2…Mp相乘得到m11、m12m21和m22，並且這些元素是厚度d、反射光角度、和絕對摺射率η的函數。另外，可以利用表達式[2]或R＝r·r*得到絕對反射率R，其中*代表復共軛。
根據本發明，可以如上所述從表達式[6]中獲得給定反射率的理論表達式，因此，在通過測量獲得反射率對波長的圖形後，可以通過最小化利用表達式[6]所示的理論表達式計算的反射率和從前述反射率對波長圖形測量到的反射率之間的誤差來確定厚度和反射率。更具體地說，在上述表達式[6]中，由於反射率r是薄膜厚度的非線性函數，因此通過給厚度d指定一個值作為初始起點，並且利用理論表達式[6]得到反射率r的對應值，可以通過給定r得到薄膜厚度d的測量值，然後通過利用新的厚度值d反覆重複這一過程，可以最小化測量到的反射率值和理論計算值之間的誤差。理論上，如果測量到的反射率值完全匹配，那麼誤差變成零。而實際上，即使上面得到的薄膜厚度的「最佳」值是真值，通常在測量到的反射率值和計算值之間也存在誤差。在這種情況下，通過利用作為「獨立」變量的厚度值，並且通過將厚度的初始值設置為起點，可以利用表達式[6]計算反射率。然後，反射率結果值與測量值比較，計算誤差，之後厚度值增量變化獲得新的誤差。用這種方式，通過正向或反向反覆增量改變厚度值直到得到最小誤差值可以使誤差最小化。通過利用迭代試湊法這種最小化誤差的過程，可以確定厚度的「最佳」值。根據本發明，由於反射率隨波長變化，因此前述的最小化誤差的過程並不簡單，並且在這種情況下，應該通過最小化所有波長的誤差和來執行最小化。對於這種情況，可以使用非線性最小化方法，使得誤差之和最小。作為例子，可以使用最小化誤差平方和的Lavenberg-Marquradt方法。
如前面所述，當相應的反射率已知時很容易獲得折射率，反之亦然。但是，根據本發明，在薄膜折射率未知的情況下，可以利用象Cauchy模型或Lorentz振蕩器模型的特定數學模型來得到作為波長函數的薄膜的折射率分布。假設，在用數學模型表示薄膜的折射率時的情況下，根據選擇的所述模型的理論反射率值和計算出的反射率值之間的誤差被表示為所選模型的模型係數的函數。因此，為了找到最合適的模型係數值，利用前述迭代試湊法同樣計算出折射率值和測量到的折射率值之間的最小誤差。作為使用迭代試湊法的結果確定的模型係數值是所使用的模型的最佳值。換句話說，確定最佳的折射率，以使折射率誤差最小。因此，與測量薄膜厚度的情況類似，可以在選擇了所選折射率模型的係數作為獨立變量後，通過對反射率誤差採用前述「優化」方法獲得作為波長函數的折射率的期望值。應該再次注意的是，可以很容易地從給定的反射率導出折射率，反之亦然。非線性誤差最小化方法可以等同地用作上述的優化方法。
如上所述，根據本發明，為了「測量」二維矩陣型光檢測器上每個像素區域的薄膜厚度和相應的折射率，對於每個所測量到的薄膜厚度和折射率的值，確定在襯底上對應所測量的厚度和折射率值的物理位置，從而獲得襯底上給定像素區域的厚度輪廓和折射率分布。因此，將有關厚度輪廓和折射率值的信息與襯底上所述像素區域的對應物理位置一起以二維或模擬三維顯示。特別地，在用模擬三維表示的情況下，可以很容易和高效地查看和理解襯底厚度輪廓的測量結果，另外，類似地，還可以很容易和高效地查看和理解襯底折射率的分布信息。
如上所述，根據本發明，當使用由二維排列矩陣型CCD傳感器構造的光檢測器時，只要襯底上要測量的目標區域位於光檢測器的視線內，可測量襯底上光檢測器的視線範圍內任何位置的薄膜厚度。因此，與現有技術不同，它足夠移動襯底載體一次，使得目標測量區域位於光檢測器的視線範圍內。就是說，只要目標測量區域在視線範圍內，通過襯底載體驅動的設計就可以確定視線範圍內目標測量區域的確切位置。因此，要作的一步就是在那個位置測量。因此，不象上述現有技術那樣需要微機械手。
為了有效地執行測量，有時需要在襯底上的指定區域或沿給定圖形測量薄膜的厚度和折射率。根據本發明，在這種情況下，通過改變軟體可以很容易地執行必要的測量。換句話說，通過映射從二維矩陣型光檢測器獲得的薄膜的厚度和折射率，可以很容易地獲得對應於襯底上的目標測量區域的厚度和折射率的期望值。另外，可以利用軟體程序執行前述過程。
在本發明中揭示了利用二維反射計的原理和使用圖5中用來區分反射光波長的濾光輪534的測量方法測量薄膜的厚度輪廓和折射率的裝置。根據本發明，可以使用圖8中所示的線性可變濾光器或可以使用如圖9中所示構造的局部圓形可變濾光器替代濾光輪，其中線性可變濾光器或局部圓形可變濾光器可以構造成與前述濾光輪類似的連續可變波長型或離散可變波長型。局部圓形可變濾光器可以構造成整圓型的可變濾光器或半圓型達到濾光器。另外這些濾光器特徵可以是連續可變波長型的可變濾光器或離散同步可變型的濾光器組。根據本發明，在圖5中，濾光輪534相對於轉動軸536旋轉，並且由象系統控制單元552或信息處理單元550這樣的控制功能中的功能模塊(未示出)控制這個旋轉運動。
另外，根據本發明，參見圖5，可以使用象液晶可調濾光器或聲光可調濾光器這樣的可調濾光器(虛線表示的模塊)來代替光濾光輪538。例如，Chrien.T和Chovit.C揭示了液晶可調濾光器的原理和它的典型結構(由Jet Propulsion實驗室的Tom Chrien和Chris Chovit以及劍橋研究與儀器公司的Peter Miller於1993年4月編寫的「利用液晶可調濾光器的圖像光譜測定法」)。美國Brimrose公司提出了聲光可調諧濾光器的原理和它的功能結構[由美國Brimrose公司出版的「聲光介紹」以及AOTF(聲光可調濾光器)光譜學出版]。
參見圖5，穿過代替濾光輪的可調濾光器539的入射光由作為窄帶通過濾組的可調濾光器539「過濾」，其中在由信息處理單元550或系統控制單元552控制的所述可調濾光器內區分穿過可調濾光器539的光，並且在過濾過程中，與濾光輪類似，只選擇或過濾一組指定波長。在功能上，可調濾光器的工作方式與濾光輪相同。但是，如果是可調濾光器，濾光器以電動方式工作來代替濾光輪的機械工作，因此濾光工作以毫秒(ms)級實時完成。這樣，在生產線檢查期間可以極大降低測量所需時間。
參見圖5，測量裝置具有從要測量的樣本襯底上光交界處520反射的反射光穿過窄帶通濾光輪534、可變濾光器或可調濾光器539，然後投影到二維矩陣型CCD光檢測器542的功能結構。根據本發明，由於可調濾光器539是電子濾光器，因此可以不需要二維光檢測器542，另外，過濾功能和信號檢測功能可以集成，於是功能結構可以設計和構造的更加高效。
如前所述，因為折射率被表示為薄膜厚度的非線性函數，因此薄膜的折射率和厚度具有非線性函數關係，實際的測量方法是利用迭代試湊法得到最佳厚度值。但是，例如，由於實際上可能存在一個以上的最小值，使得在要測量的薄膜厚度範圍內為折射率誤差尋找局部最小值存在困難。在這種情況下，所述裝置的用戶可以根據個人經驗選擇對應最佳合理最小值的厚度值。在這種情況下，根據本發明，可以使用紫外光源和紅外光源。例如，如果要測量的薄膜厚度變薄，那麼圖3中的反射率圖形趨向變「平」並且反射率值有變低的趨勢。更具體地說，當使用可見光時，要測量的薄膜厚度的最小值限制在100～200範圍內。另一方面，在紫外光的範圍內，反射率圖形向原點移動。因此當使用紫外光源時，測量到的薄膜厚度可以低到幾十埃。與此相比，當只使用普通光源時，在薄膜的厚度很薄的情況下，圖3中的反射率圖形具有向原點方向移動的趨勢，即在圖3中出現很多波峰和波谷，於是可能出現許多反射率誤差的局部最小值。因此，當使用象非線性函數的誤差最小化方法這樣的優化過程時，其結果可能具有收斂到全局最小化的不太好的趨勢。但是，當使用具有幾微米範圍波長的紅外光源時，圖3中反射率圖形具有進一步擴展的趨勢，於是很容易找到局部最小值並且誤差易於收斂，這樣，可以很容易地測量到幾十微米的薄膜厚度。
本發明前面所述的結構和它的工作只是解釋了本發明的原理和實質，而不限於該原理和基本思想。本領域技術人員可以很容易理解本發明前面詳細描述的內容並且很容易得出它們的變化。另外，與本領域有關的技術人員應該能夠理解該原理和潛在的基本思想，並且通過上面呈現的本發明的詳細描述經過廣開思路後獲得它們的擴展。


圖1A是解釋現有反射計原理的現有技術的原理圖。
圖1B是位於圖1A中的反射計使用的視屏中心上的小視孔的詳細示意圖。
圖2是解釋由於光入射到兩層薄膜頂面而導致襯底上的多層薄膜交界處的各種光徑的示意圖。
圖3是典型的反射圖。
圖4是使用用來收集和透射反射光的玻璃濾光管的現有技術的反射計的示意圖。
圖5是根據本發明用來測量厚度輪廓和折射率分布的裝置的示意圖。
圖6是配備了多個濾光器的濾光輪的示例。
圖7是表示利用濾光輪測量到的作為波長函數的反射率值的典型反射圖。
圖8是線性可變濾光器的原理圖。
圖9是局部圓形可變濾光器的原理圖。
圖10是利用濾光輪測量薄膜厚度和折射率的步驟的流程圖。
具體實施方式
下面參考圖5描述本發明的示例實施例。根據本發明用來測量厚度輪廓和折射率分布的裝置具有圖5所示的原理結構，並且主要包括光學單元，襯底載體平臺524、526、528，圖像採集和處理單元542、546，圖像處理單元548，圖像顯示單元554、556，信息處理單元550，和系統控制單元552。
光學單元具有光源500，聚光透鏡502，虹膜504，準值透鏡506(第一準值透鏡)，分光鏡508，物鏡510(第二準值透鏡)，輔助透鏡530(第三準值透鏡)和配備了多個窄帶通濾光器538的濾光輪534。襯底載體平臺524、526、528由三部分組成襯底載體524，襯底載體驅動526，和襯底載體控制器528。圖像採集和處理單元542、546具有二維矩陣型光檢測器542和幀捕捉器546。圖像顯示單元554、556具有圖像識別單元554和監視器556。該裝置還具有圖像處理單元548和信息處理單元550。最後，該裝置具有控制整個「系統」的系統控制器552和處理象印表機、記錄裝置、和信息發送和接收功能這樣的輸入和輸出裝置的輸入和輸出接口單元558。
如發明內容部分詳細描述的，這裡呈現的裝置是在襯底上以面代「點」的範圍內能夠測量薄膜厚度輪廓和折射率的通用目標測量設備。可以使用可見光、紫外光或紅外光作為光源。在這裡描述的最佳模式中使用的是可見光源。
這裡揭示的利用可見光源的裝置的最廣泛的應用是測量象用於製造半導體元件的光阻材料(PR)的薄膜的厚度。光阻材料膜的厚度通常在0.3微米到3.0微米。使用塗有光阻材料膜的矽襯底作為樣本襯底，並且使用具有已知反射率的光阻材料膜的標準襯底作為校準襯底。
光學單元與典型的顯微鏡具有非常相似的結構。作為光源，例如，可以使用廣泛使用的鎢滷素燈。反射光強度投影到光檢測器542內安裝的二維矩陣型CCD傳感器，該反射光是從放置在襯底載體524上的具有已知反射率的標準襯底上的薄膜反射的，並且穿過窄帶通濾光器538，然後投影到光檢測器542。
接下來，樣本矽襯底放置在襯底載體524上，與上述標準襯底載體的情況相似，並且利用具有光檢測器542內安裝的二維矩陣型CCD傳感器的光檢測器542測量反射光的強度。在這個過程中，入射到CCD光檢測器542上的反射光穿過安裝在窄帶通濾光輪534上的窄帶通濾光器538，於是反射光被過濾。因此，由實際使用的濾光器538確定用於測量的樣本襯底所選區域的反射光強度，並且作為波長的函數給出。圖6示出了該實施例使用的窄帶通濾光輪534的原理圖。參見圖6，該最佳模式中使用的窄帶通濾光輪634包括28個濾光器638，並且濾光器638的帶通波長範圍覆蓋從400毫微米到最大800毫微米。在該濾光輪的中心放置了中心轉動軸636。在圖5中，該中心轉動軸的編號為536。濾光輪634或534相對於該軸636轉動，並且由系統控制單元552控制旋轉運動。但是，可以由圖像處理單元548或信息處理單元550執行控制功能。通常由軟體執行窄帶通濾光輪634的這種旋轉運動，並且繼續同步這種旋轉運動直到完成了所有波長在樣本薄膜520所選區域的反射率強度的測量。反射率是給定樣本襯底的反射光強度和利用標準校準襯底測量到的入射光強度之比，即，反射率＝反射光強度/入射光強度，並且反射率是波長的函數。圖7示出了從測量到的反射光強度獲得的反射率波形。
根據本發明，可以用圖8中所示的線性可變濾光器800或圖9所示的局部圓形可變濾光器900代替窄帶通濾光輪534。當然，分別需要使這些濾光器運動的適當的驅動機制。即，如果是線性可變濾光器800，那麼線性過濾器按線性運動，並且測量作為波長函數的投影到二維矩陣型光檢測器542的反射光。如果是局部圓形可變濾光器900，以與濾光輪534或634相似方式轉動局部圓形過濾器900。
另外，根據本發明，可以使用所圖5中虛線塊所示的液晶可調濾光器539或聲光可調濾光器539。與濾光器不同，其中光直接穿過濾光器，可調濾光器539是間接電子濾光器並且可以用來代替圖5所示的濾光輪534。可調濾光器的原理如下。入射到可調濾光器539的入射光被電子化地「過濾」，只有符合信息處理單元550或系統控制器單元552預置需求的入射光的指定波長成分才能被電子化地選定或區分，而在功能方式上，可調濾光器除了電子操作外與濾光器的工作方式相同。如果是可調濾光器，由於濾光功能是沒有任何機械運動的電動工作，所以濾光過程只需幾毫秒就可以完成。因此，與濾光器相比極大地降低了測量時間，因為濾光器為了覆蓋波長的整個範圍要花費很長時間來操作濾光輪。另外，根據本發明，帶CCD傳感器554的光檢測器的功能可以很容易地與可調濾光器539集成。
對於濾光器或可調濾光器的物理位置，為了提高過濾器效率，過濾器可以放置在光源500和聚焦入射光的光檢測器542之間光徑上的任何位置。例如，光源500的前面，虹膜504的前面或虹膜504的後面，襯底上的焦點512之上，以及圖5中放置過濾輪的過濾器的當前位置。在上述可能的位置中，最期望的位置是直接放在光源500的前面，因為這裡的光噪音最小，因此過濾器產生「乾淨」信號，從而使過濾器高效率工作。另一方面，前述放置過濾器的可能位置在理論上可以是光源500和光檢測器542之間光徑上的任何位置。但是，從實際觀點看，光源500和聚光的光檢測器542之間的光徑上的任何位置根據它的大小、結構和功能都是放置濾光器組的有效位置。
對於上述所有情況，穿過每個窄帶通濾光器的反射光波長不是單波長，而是覆蓋穿過它的光的窄帶通範圍的相當多的波長。因此，在光檢測器542檢測到的信號是使用的指定過濾器的窄帶通範圍內具有很多波長的反射光的平均強度。另外，由用於濾光器組的自動驅動單元自動控制線性可變濾光器或局部圓形可變濾光器的前述運動，於是可以測量反射光的強度。一旦測量到作為波長函數的從標準校準襯底和樣本襯底反射的反射光的強度，通過用來自標準校準襯底的反射光強度去除來自樣本襯底的反射光強度可以獲得相對反射率。即，反射率＝來自樣本襯底的反射光強度/來自標準校準襯底的反射光強度。結果，獲得了如圖7所示的反射率對波長的圖形。
根據本發明，本實施例中使用的所述裝置的光學單元與典型的光顯微鏡的結構類似，並且根據需要和使用可以選擇使用可見光、紫外光和紅外光作為光源。對於這個最佳模式，使用可見光源測量厚度和折射率。物鏡510具有用來選擇倍數的可調整設置，並且對於這種最佳模式使用50X的設置。從樣本襯底捕獲的圖像具有覆蓋大約60μm×80μm樣本襯底區域的測量目標區域512。從該測量目標區域512返回的反射光穿過物鏡510、分光器508、輔助物鏡530和窄帶通濾光器538，然後投影到感應和測量反射光強度的光檢測器542內部安裝的二維矩陣型CCD傳感器上。如前所示，CCD矩陣傳感器的面積等於樣本襯底上大約60μm×80μm的面積，並且在該區域內感應到反射光640×480像素的解析度。在CCD傳感器542產生的電信號由幀捕捉器546捕獲，並且存儲在幀存儲器(未示出)中。圖像處理單元548分析幀存儲器(未示出)中存儲的圖像，並且提取反射光的強度。
更具體地說，基本像素組單元定義為(3×3)個像素，稱為基本圖像處理單元，然後圖像元素也定義為(32×32)個像素大小，因此每個圖像元素包括大約121(11×11＝121)個基本像素組單元。利用該(32×32)個像素大小的圖像元素對整個CCD傳感器區域分區，此後，為每個圖像區域計算在(32×32)個像素的圖像區域上的反射光的平均強度，然後是CCD傳感器區域的整個範圍。對濾光輪534上的每個窄帶通濾光器538重複反射光強度的感應、捕獲和計算過程來獲得CCD傳感器區域整個範圍內的作為波長函數的反射光強度值。為了歸一化樣本襯底的反射光強度，對每個波長以及在CCD傳感器區域的整個範圍利用標準校準襯底預先測量到的標準反射光強度分割這些反射光強度，於是獲得圖7所示的反射率波形。在執行這裡顯示的本發明的最佳模式中，為了計算總共640×480個像素的CCD傳感器的整個範圍和所用的過濾輪534中所有28個窄帶通過濾器538的反射光強度，用(35×35)個像素大小的基本像素組單元對整個(640×480)的CCD傳感器分區，所以執行的計算總數為[(640×480)/(35×35)]×28，總數為7022次計算。因此，對於每個圖片幀，對每個波長執行(640×480)/(35×35)次的反射光強度的計算，大約為每幀251次計算。在圖像處理單元548中執行這些計算步驟。
如本發明詳細描述部分所描述的，利用誤差最小化方法測量襯底上光阻材料膜的厚度，並且由信息處理單元550執行必要的計算。根據本發明，作為替換，也可以用圖像處理單元548來執行這些計算。並且如前所述，繪製來自樣本襯底上光阻材料膜的反射光強度與作為波長函數的來自標準校準襯底上的光阻材料膜的反射光強度的比例從而獲得如圖7所示的反射率波形。反射率的值臨時存儲在存儲器(未示出)用於後面計算所述光阻材料膜的厚度。根據本發明，也可以不用臨時存儲的反射率數據執行厚度的計算。對於這種最佳模式，臨時存儲測量到的反射率數據然後在圖像處理單元548中執行厚度計算。
根據本發明，在本發明詳細描述部分中，表達式[2]表示為單層薄膜情況下的反射率的平方。即，反射率是|r|=R=rr*,]]>其中r是表達式[1]中複數的複數反射率，並且該複數反射率r是薄膜厚度d的函數，另外R是絕對反射率。在薄膜厚度的實際計算中，測量到的反射率和計算出的反射率分別被稱為rm和rc=R,]]>由re=|rc-rm|=|R-rm|]]>得出反射率誤差，其中R、rm、rc和re都是實數。結果是，在為d1選擇一個值以初始化該迭代計算過程，並且利用表達式[2]計算第一個計算的反射率rc1後，從re1＝|rc1-rm1|的關係獲得第一誤差re1。接下來，厚度被遞增地改變，即，d2＝d1+Δd，其中Δd是增量值，以及計算出第二個計算的反射率rc1後，接著計算第二反射誤差re2。這裡，如果反射率誤差re2小於re1，那麼厚度值d會進一步增加，繼續該過程，直到反射率誤差最小。另一方面，在所述迭代計算過程中，如果反射率的誤差增加，那麼厚度值減小，繼續迭代計算過程，其中選擇較小的Δd。同時，對於為d1所選的初始值，如果第二反射率誤差re2大於第一反射率誤差re1，那麼厚度值遞減並且繼續該迭代誤差計算過程。在這個迭代誤差計算過程中，如果反射率誤差增加，那麼與上述計算相似，厚度值遞增。重複該迭代計算過程直到得到反射率誤差的最小值，於是就能確定光阻材料膜的厚度。在執行這種迭代試湊法中，通過利用前述(3×3)大小的基本像素組單元作為例子，計算對應該基本像素組單元的所述光阻材料膜的厚度，並且通過進一步對所有28個濾光器在整個CCD傳感器區域內所有基本像素組單元執行所有計算，獲得光檢測器542整個範圍內樣本襯底上光阻材料膜的厚度輪廓測量所需的值作為波長的函數。結果作為二維圖像顯示在監視器556上，也可以是模擬的三維圖像。
如圖7所示，反射率是反射光的波長的函數，並且迭代薄膜厚度「測量」過程重複次數等於所用濾光器的個數。例如，在本發明的最佳模式中使用了28個濾光器。因此，要執行28次計算，並且最終將28個結果相加來確定襯底上光阻材料膜的最終厚度值。
如前所述，利用範圍在100到200的可見光源可以測量薄膜的最小厚度。因此，如果要測量的薄膜厚度小於100，那麼最好用紫外光源測量厚度。即，薄膜厚度越薄，要使用的光源的波長越短。較薄薄膜的結果以「密集」波形出現在靠近圖7中的原點。當使用紫外光源時，窄帶通濾光器的波長必須變短。例如，在本發明的最佳模式中，濾光輪534上安裝的28個濾光器538的波長的「帶」必須變為短波長，即必須用另一組波長較短的濾光器代替濾光器組538。另一方面，如果要測量的薄膜厚度變厚，即，例如，如果它的範圍從5μm到10μm，那麼如果用紅外光源代替可見光，則厚度測量變得容易，並且在這種情況下，圖7中的反射率波形從原點展開。在這種情況下，必須用具有較長波長的一組新的窄帶通濾光器代替濾光輪534上安裝的濾光器組538。其餘的圖像處理部分無論是使用紫外光源或是紅外光源都與使用可見光源的情況相同。
由圖像處理單元548通過幀捕捉器546接收到的襯底的圖像信息是由光檢測器542上安裝的二維矩陣型CCD傳感器感應到的光強度，其中基本像素組單元的大小是(3×3)個像素並且該(3×3)個像素大小的基本像素組單元的實際位置被定義為該像素組的位置。由濾光輪534上的窄帶通濾光器538的物理位置確定對應前述基本像素組單元的有關波長的信息，並且該有關波長的信息被直接從濾光輪534經圖像處理單元548和系統控制單元552之間的鏈路發送到圖像處理單元548和系統控制單元552。在執行這裡呈現的本發明的最佳模式中，由於系統控制單元552控制濾光輪534，所以由系統控制單元552確定波長信息。在上述幀捕捉器546中的圖像捕獲過程期間，(3×3)個像素的基本像素組單元的光強度信息和對應的波長信息彼此同步。
在利用具有光強度測量值的表達式[2]迭代計算反射率rc=R]]>時，還需要每個(3×3)個像素大小的基本像素組單元的相應物理位置和波長以及為光阻材料膜的厚度選定的初始值。特別地，表達式[2]包含大量常數和係數以及正弦和餘弦函數。另外，迭代計算rc的值直到反射率誤差re＝|rc-rm|最小，因此需要重複計算表達式[2]很多次。根據本發明，為了減少計算次數，計算表達式[2]在整個重複和迭代計算過程中不變的部分，結果值事先存儲在存儲器中，然後以「查表」的形式使用，這樣可以加快重複和迭代計算的過程。這裡，表達式[2]為了這個目的的分區方式取決於這裡呈現的所述裝置的功能設計者的技術和經驗，但是對裝置的這種分區可以設計為用戶可選和菜單驅動的特徵。
前述被稱作平均反射率誤差「最小化的計算過程」相當複雜，因為這個過程包括計算整個波長範圍內作為波長函數的反射率誤差的步驟和最小化所計算反射率誤差平均值的步驟，其中為每個(3×3)個像素大小的基本像素組單元計算反射率誤差需要3×3＝9次的像素操作並且在(640×480)個像素大小的整個CCD傳感器區域上，該過程重複28次來覆蓋濾光輪534上的整組濾光器538。另外，在給定基本像素組單元的位置，對應的反射率誤差re是未測量的反射光厚度和波長的非線性函數，因此需要迭代和重複採用被稱作非線性誤差最小化的過程。根據本發明，作為例子，可以使用Levenberg-Marquardt的平方非線性誤差最小化的方法作為非線性誤差最小化過程的方法。即，迭代最小化re2＝|rc-rm|2的值。然而，也可以使用類似的誤差最小化方法代替。
在這裡呈現的最佳模式中，因為已知光阻材料膜給定層的反射率已經被測量，所以給定樣本襯底上的薄膜的折射率是已知的。但是，有時給定薄膜的折射率是未知的。在這種情況下，揭示了利用Cauchy模型或Lorentz震蕩器模型來取得折射率的方法。(H.G.Tompkins和W.A.McGahan，John Wiley於1999年發表的「分光鏡的橢圓偏光法和反射計」)。當利用上述指定模型模仿給定薄膜的折射率時，理論反射率(或折射率)和所測量的反射率之間的誤差表示為所選模型的模型係數的函數，並且當具有給定模型係數的所選模型的值最接近實際折射率值時，反射率誤差最小。在這種情況下，通過在將模型係數設置為獨立變量後對反射率誤差應用最小化方法來獲得作為波長函數的折射率。對於優化方法，與前述方法類似，可以使用非線性的誤差最小化方法。
上述相當複雜的計算過程是由圖像處理單元548以及信息處理單元550執行的，其中功能包括提取計算反射率誤差所需的測量到的反射率值，計算反射率誤差，優化反射率、誤差以及當折射率未知時計算折射率。但是，圖像處理單元548和信息處理單元550之間的功能劃分通常根據系統設計者設計的軟體程序來實現，另外圖像處理單元548和信息處理單元550可以根據所述裝置的設計需求和需要通過設計合併成一個處理單元。對於這裡呈現的最佳模式，圖像處理單元548和信息處理單元550表示為圖5中所示的兩個獨立功能模塊。為了更有效地利用所述查閱表，通常希望計算系統有這種方式的結構，即，圖像處理單元548和信息處理單元550緊密合作來執行各自功能。
在本發明的另一個方面中，如前所述由幀捕捉器546提取對應給定基本像素組單元的信號，然後發送到圖像識別單元554，處理襯底表面上所選區域的圖像，即，穿過圖5中窄帶通濾光器538的襯底表面的圖像信號，然後由圖像重組器554重新構造原始圖像，並且通過監視器556的屏幕顯示。裝置使用者在監視器屏幕上指定希望測量的區域和為指定測量所需的計算。在這個階段，為了縮短測量時間，用戶可以指定樣本襯底上薄膜表面有限的區域來測量，並且可以只顯示穿過窄帶通濾光器538的由光投影到整個測量區域的圖像。監視器屏幕556顯示的圖像信息包括襯底的表面圖像條件，薄膜的厚度輪廓，折射率分布，反射率分布，樣本襯底表面上有興趣測量的點的X-Y坐標，有關窄帶通過濾輪534的信息，和其中所選測量區域的圖像的乘法因數。
為了在襯底上的多個測量範圍內測量薄膜的厚度輪廓和折射率分布，根據本發明，對光單元中的物鏡510採用自動對焦的特徵，圖5中物鏡510和襯底514之間的相對位置在X-Y-Z軸的三個方向上移動，並且由通過襯底載體平臺控制器528控制的襯底載體驅動單元526驅動在其上面裝載襯底的襯底載體524。
根據本發明，由系統控制器552執行測量薄膜厚度輪廓和折射率分布的前述裝置的總控制，系統控制器552基本上包括微處理器(未示出)或微電腦(未示出)或微控制器(未示出)和一組支撐特徵和功能以及各種存儲器(未示出)和I/O單元(輸入和輸出)。系統控制器552被主要劃分為一組硬體和一組軟體。硬體通常包括微處理器、主存儲器集、硬碟、I/O接口單元、象印表機、顯示器的I/O設備和通信設備。軟體主要包括，例如，初始化程序和主控制程序。系統控制器單元552通常控制和管理計算薄膜厚度和折射率分布的多個不同部分和函數。如圖5所示，作為典型的例子，本發明的裝置包括光學單元，襯底載體平臺控制器528，窄帶通濾光輪534，光檢測器542上安裝的二維矩陣型CCD傳感器，幀捕捉器546，信息處理單元550，圖像處理單元548，圖像識別單元554，顯示監視器556，並且所述測量裝置還控制和管理所有機械運動、複雜的計算以及信息處理功能。
上述執行本發明的最佳模式只是說明這裡揭示的本發明基本原理和工作的例子，並不限制本發明基本原理和構思的範圍。本領域技術人員可以通過這裡呈現的執行本發明的最佳模式開闊思路，很容易理解和擴展本發明的根本原理和基本想法。
工業實用性根據這裡呈現的本發明測量薄膜厚度輪廓和折射率分布的裝置和方法測量所選區域範圍的所述厚度輪廓和折射率，用戶可以從更開闊的視野看到薄膜的狀態和特徵，來代替在選定的「點」測量厚度和折射率，即點測量。因此，由於本發明的裝置測量襯底上大範圍測量區域的厚度輪廓和折射率，所以根據本發明在這裡呈現的裝置和方法與點測量裝置相比提供了更可靠的數據，並且與點測量相比提供了更準確和有用的信息。另外，本發明的顯示監視器顯示用二維或三維顯示所選測量區域的圖像。根據本發明，作為可見光源以外的光源，可以很容易地使用具有合適窄帶通可變過濾器組的紫外光源和紅外光源來測量薄膜的薄厚來代替利用可見光源測量薄膜的厚度。另外，因為根據本發明一個方面的窄帶通濾光輪與利用單獨的濾光器相比工作更快，所以與常規裝置相比，測量厚度和折射率的測量速度更快。另外，根據本發明，測量的解析度更高，因此對每個像素組在整個測量範圍內通過在原處執行厚度輪廓和折射率分布的計算，可以測量和檢查到薄膜表面狀態的局部變化。根據本發明的另一個方面，因為厚度和折射率的測量結果用二維或三維圖像顯示在監視器上，所以可以檢查和評估表麵條件、厚度輪廓和折射率變化，於是用戶可以對要測量的薄膜狀態和特徵做可靠和堅實的判斷。因此，根據本發明，利用二維矩陣型CCD傳感器對厚度輪廓和反射率分布的二維測量和表示與常規點測量裝置相比更可靠而且包含更多的信息。
權利要求
1.一種用來測量單層或多層薄膜的厚度和折射率的裝置，所述裝置包括支撐襯底的襯底載體；提供用於所述測量的光源和來自所述襯底的反射光的光學單元；濾光器組，用於按不同波長對所述反射光濾光；二維矩陣型電荷耦合器件(CCD)傳感器；圖像捕捉器，用於捕獲由所述CCD傳感器產生的圖像；數據處理單元，利用由所述圖像捕捉器捕獲的所述圖像數據，通過重複和迭代使用非線性誤差最小化方法，按至少(3×3)個像素的像素組計算和產生薄膜的厚度，厚度輪廓或折射率的一個或多個測量數據；計算反射率或折射率的理論值的裝置；通過迭代和重複使用非線性誤差最小化方法得到計算的和測量的反射率或折射率值之間的最小誤差的裝置；系統控制器單元，包括用來處理所述圖像數據的圖像處理，信息處理和系統控制功能。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中還包括圖像識別功能和有選擇地顯示有關所述厚度，厚度輪廓，折射率，或折射率分布的所述信息的顯示監視器。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中還包括能夠在襯底上選定的多達200μm×200μm的大測量範圍內測量薄膜的厚度輪廓和折射率分布的功能。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中還包括用來逐步或連續移動所述襯底載體，以便可以在襯底上更大的區域內執行所述測量的驅動單元。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述光學單元包括可見光源。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中所述光學單元包括紫外光源。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中所述光學單元包括紅外光源。
8.根據權利要求1所述的裝置，其中所述濾光器組構造為窄帶通濾光輪。
9.根據權利要求1所述的裝置，其中所述濾光器組由線性可變濾光器組構成。
10.根據權利要求1所述的裝置，其中所述濾光器組由局部圓形可變濾光器組構成。
11.根據權利要求1所述的裝置，其中所述濾光器組由線性窄帶通濾光器構成。
12.根據權利要求1所述的裝置，其中所述濾光器組由局部圓形窄帶通濾光器組構成。
13.根據權利要求1所述的裝置，其中所述濾光器組由可調濾光器組構成。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中所述可調濾光器組由液晶可調濾光器組構成。
15.根據權利要求13所述的裝置，其中所述可調濾光器組由聲光可調濾光器組構成。
16.根據權利要求1所述的裝置，其中所述數據處理單元包括至少一個用來處理迭代和重複使用的變量，係數，數學表達式或分區表達式模塊的查詢表，以通過避免不必要的重複計算來加速所述計算。
17.根據權利要求2所述的裝置，其中所述顯示監視器用二維圖像顯示有關至少一層薄膜的表面輪廓的信息。
18.根據權利要求2所述的裝置，其中所述顯示監視器用三維圖像顯示有關至少一層薄膜的表面輪廓的信息。
19.根據權利要求2所述的裝置，其中所述顯示監視器用二維或三維人造彩色圖像有選擇地顯示單層或多層薄膜的所述厚度，或厚度輪廓，或折射率分布，或表面輪廓，或這些信息的任何組合，以便增強視覺效果，從而更好和更容易地檢查和評估薄膜的狀態和特徵。
20.一種測量單層或多層薄膜的厚度和折射率的方法，所述方法包括下列過程利用二維矩陣的電荷耦合器件(CCD)傳感器捕獲二維圖像；利用窄帶通濾光器組區分入射到所述CCD傳感器的所述光；通過按組劃分所述CCD傳感器以外的像素，在二維中測量所述厚度，以便維護測量值的穩定性；通過按至少(3×3)個像素的組劃分所述像素，在二維中測量作為襯底表面上的所述像素的位置的函數的所述折射率分布，以便維護測量值的穩定性；利用有關通過所述二維矩陣型CCD傳感器捕獲的所述反射光的所述數據，通過迭代和反覆使用非線性誤差最小化方法得到厚度輪廓或折射率分布或兩者的測量值；通過處理投影到所述CCD傳感器上的所述光的強度作為波長函數，在所述顯示器上顯示測量單層或多層薄膜的厚度，或厚度輪廓，或折射率分布，或這些信息的任何組合的結果，還可以任選有選擇地以二維或三維表示來顯示表面輪廓。
全文摘要
本發明涉及利用反射計的原理測量單層或多層薄膜的厚度輪廓和折射率分布的非接觸的、非破壞型的測量裝置。根據本發明，通過採用多於一個的窄帶通濾光器和一個二維矩陣的CCD傳感器，並且通過利用迭代數字計算方法得到所述單層或多層薄膜的厚度和對應的折射率之間非線性函數關係的最佳解，所述裝置可以同時測量襯底上所述單層或多層薄膜其中的局部區域的厚度輪廓和折射率分布。
文檔編號G01B11/02GK1556914SQ02818408
公開日2004年12月22日 申請日期2002年9月23日 優先權日2001年9月21日
發明者金榮烈, 樸智徖, 金鎮庸, 李仲煥 申請人:Kmac株式會社