動態光柵條紋的形成方法
2023-08-08 08:56:16
專利名稱：動態光柵條紋的形成方法
技術領域：
本發明是有關於一種動態光柵條紋(laser induced grating pattern)的形成方法，且特別是有關於一種通過脈衝雷射(pulse laser)入射至光學幹涉式應變規(Interference Strain/Displacement Gage，ISDG)以產生動態光柵條紋的方法。
背景技術：
隨著半導體業持續的進步，集成電路不斷的朝著小型化與高操作效能的方向邁進，為了同時因應小型化與高操作效能的需求，集成電路必須在集成度上的增進變得更為關鍵。由於集成電路的功能日趨多元化，故在設計上也傾向積層(multi-layer)的設計。而集成電路在製作過程中，常會運用到沉積、微影、蝕刻以及化學機械研磨(ChemicalMechanical Polishing，CMP)等工藝，基於信賴性(reliability)的考量，我們通常會監控並量測沉積後、化學機械研磨後所形成的薄膜厚度。然而，薄膜在厚度的量測上通常傾向採用非破壞性(non-destructive)的量測方式，以確保薄膜在量測後的完整性。公知常見非破壞性的薄膜厚度量測方式是以兩道雷射同時照射於薄膜上，以進行薄膜厚度的量測。
薄膜厚度量測方法中的關鍵技術在於動態光柵條紋的產生，動態光柵條紋的輪廓，亮、暗紋之間的解析程度以及二者在亮度上的對比(差異)等因素，都會直接影響厚度上的量測。因此，各種動態光柵條紋的產生技術相繼被提出。其中，又以兩道雷射入射的方式最為常見。
圖1為公知以兩道雷射入射產生動態光柵圖案，並進行薄膜厚度量測的示意圖。請參照圖1，公知薄膜厚度量測的方式通常為使用兩道具有相同頻率(波長)的脈衝雷射(pulsed laser beam)100a、100b以相同的入射角θ照射於待測薄膜102表面上。其中，兩道以相同入射角θ照射於待測薄膜102表面上的脈衝雷射100a、100b會通過幹涉現象(interference)而在待測薄膜102的表面上形成光柵條紋104(即動態光柵條紋)。光柵條紋104會在待測薄膜102表面上產生頻率為數百萬赫(MHz)至數百億赫(GHz)等級的表面超聲波(Surface AcousticWave，SAW)106。其中，表面超聲波106為一平行於待測薄膜102表面傳遞的駐波(standing wave)。
由於脈衝雷射100a、100b的入射角θ決定了光柵條紋104中亮、暗紋的間距(spacing)以及待測薄膜102表面上的表面超聲波(SAW)106的波長。因此，公知可以通過改變脈衝雷射100a、100b的入射角θ以控制光柵條紋104中亮、暗紋的間距以及表面超聲波106的波長，以利待測薄膜102厚度的量測。
在待測薄膜102表面上產生的表面超聲波106可以通過一偵測雷射(probe laser beam)108a照射於待測薄膜102上，偵測雷射108a經過繞射(diffraction)後產生雷射108b，通過雷射108b可以推算出表面超聲波106的頻率及傳遞速率。由於表面超聲波106在待測薄膜102中的頻率及傳遞速度會受到待測薄膜102厚度影響，故通過所偵測到的表面超聲波106即可推算出待測薄膜102的厚度。
公知以兩道脈衝雷射照射待測薄膜表面所形成的光柵條紋會有下列缺點(1)光柵條紋整體而言會呈現一橢圓形輪廓，且亮、暗紋之間的解析程度與亮度上的對比(差異)並不十分的理想。因此，公知技術並無法提供更窄頻的表面超聲波信號，且信/噪比(S/N)較低，進而導致待測薄膜厚度量測的解析度不佳。
(2)以兩道脈衝雷射在入射角一致的調整上極為不易，故公知常會因入射角不一致而衍伸出無法準確決定光柵條紋中亮、暗紋間距或表面超聲波波長，甚至無法產生光柵條紋等問題，進而導致待測薄膜厚度無法準確量測。
(3)公知兩道脈衝雷射的作法系應用金屬薄膜的厚度量測，但通常限定於厚度大於數千埃(angstrom，)的薄膜，故厚度較薄的薄膜無法量出。
(4)在一般線上的生產機臺中，若要進行線上量測時，公知採用兩道脈衝雷射的方式並不實用，原因在於兩道脈衝雷射必須同時配置於生產機臺中，有其實施上的困難。
發明內容
因此，本發明的第一目的是提出一種動態光柵條紋的形成方法，可以提高光柵條紋中亮、暗紋的對比，並使光柵條紋整體上呈現一矩形的輪廓，且亮、暗紋的分布較為平均。
本發明的第二目的是提出一種動態光柵條紋的形成方法，其光柵條紋中亮、暗紋間距的調變機制簡易，可行性很高。
本發明的第三目的是提出一種薄膜厚度量測方法可以迅速且精確的改變所形成表面超聲波的波長，同時可以提高光柵條紋中亮、暗紋的對比。
本發明的第四目的是提出一種薄膜厚度量測方法能夠提供更窄頻的表面超聲波信號，提高信/噪比(S/N)，以期能夠在薄膜厚度的量測上能有更佳的解析度。
為達本發明的上述目的，提出一種動態光柵條紋的形成方法，首先是提供一基材，基材具有一拋光表面，且拋光表面上具有多個反射區域。接著提供一雷射，使雷射照射於基材上的反射區域後幹涉而形成光柵條紋。此光柵條紋系通過一柱狀透鏡來調整其照射於薄膜表面上的亮、暗紋間距。其中，柱狀透鏡配置於基材與待測薄膜之間，並通過調整柱狀透鏡的位置快速且精確的調整光柵條紋的亮、暗紋間距。
為達本發明的上述目的，提出一種薄膜厚度量測方法，首先提供一基材，基材具有一拋光表面，且拋光表面上具有多個反射區域。接著提供一雷射，使雷射照射於基材上的反射區域後幹涉而形成光柵條紋。此光柵條紋通過一柱狀透鏡來調整其照射於薄膜表面上的亮、暗紋間距。其中，柱狀透鏡配置於基材與待測薄膜之間，並通過調整柱狀透鏡的位置快速且精確的調整光柵條紋的亮、暗紋間距。之後，再通過光柵條紋於待測薄膜表面產生的表面超聲波來量測此待測薄膜的厚度。
本發明中基材上的多個反射區域需具有至少一對反射面，且這些反射面之間彼此平行。反射區域例如為一多面錐狀的凹入結構，諸如四面體或是八面體的凹入結構，反射區域的形成方式例如是由維氏硬度計(Vicker’s Microhardness Tester)壓著於基材上所形成，或是通過通過半導體工藝製作於基材上。而基材表面上與各反射區域上例如配置有一保護層(強化處理)，此保護層例如為一介電材質(dielectric)。
本發明所使用的柱狀透鏡具有一光入射面與一光出射面。其中，光入射面為一矩形平面，而光出射面為一凸曲面。光柵條紋由光入射面進入柱狀透鏡，再由光出射面離開柱狀透鏡。光柵條紋可輕易且精確地通過柱狀透鏡在位置上的改變而調整所形成光柵條紋中亮、暗紋的間距。此外，經過柱狀透鏡之後的光柵條紋就整體上而言為一矩形輪廓，具有較佳的亮、暗紋對比及解析度。
本發明所使用的雷射例如為一道脈衝雷射。
圖1為公知以兩道雷射入射產生動態光柵圖案，並進行薄膜厚度量測的示意圖；圖2為通過連續波長的雷射入射至光學幹涉式應變規上，以產生光柵條紋的示意圖；圖3為依照本發明一較佳實施例薄膜厚度量測方法的示意圖；圖4為依照本發明一較佳實施例中基材上反射區域的俯視圖；圖5為依照本發明一較佳實施例中柱狀透鏡的立體圖；以及圖6為依照本發明一較佳實施例中照射於待測薄膜表面上的光柵條紋。
100a、100b脈衝雷射102、302待測薄膜104、304光柵條紋(動態光柵)106、306表面超聲波108a、308a偵測雷射108b、308b雷射300脈衝雷射309柱狀透鏡310光入射面312光出射面314基材316拋光表面318反射區域320保護層322透鏡移動方向b反射區域尺寸
d反射區域間距θ入射角具體實施方式
本實施例將以一薄膜厚度量測為例進行說明，但並非限定本發明動態光柵條紋的形成方法僅適用於薄膜厚度的量測。簡而言之，本實施例中所揭露的動態光柵條紋形成方法，可應用於一瞬時表面波組件(transient SAW device)，瞬時表面波組件為傳感器的一種，其不但可應用於材料特性(material characterization)上的量測，亦可應用於生化(Bio-chemical)領域。其中，材料特性的量測例如包括薄膜的材料特性或是流體的材料特性，而生化方面的應用諸如質量負荷(Massloading)、機械特性(Mechanical properties)、流變特性(Rheologicalproperties)、電氣特性(Electrical properties)、熱效應(Thermal effect)等。
薄膜厚度量測方法中的關鍵技術在於動態光柵條紋的產生，公知以兩道雷射入射的方式產生動態光柵條紋，並通過控制雷射入射的角度來調整動態光柵條紋中亮、暗紋的間距，此方式仍存在有相當多的問題，實用性不高。因此，本發明提出一種通過脈衝雷射入射至光學幹涉式應變規上，以產生動態光柵條紋的方法，其有別於公知兩道雷射入射的方式。
圖2為通過連續波長之雷射入射至光學幹涉式應變規上，以產生光柵條紋的示意圖。請參照圖2，傳統的光學幹涉式應變規200通常應用於樣品的動態量測、疲勞量測、高溫量測上。首先，於樣品202上以維氏硬度計形成二反射區域204，而在反射區域204形成之後，接著以一連續波長的雷射206照射，連續波長的雷射206會通過二反射區域204的幹涉現象而在特定角度產生一光柵條紋208。
上述反射區域204的尺寸b例如為10至25微米，而兩反射區域204之間的距離d例如為數十至一百微米，較佳為50微米。
光學幹涉式應變規200在公知範疇中，主要是應用於樣品的動態量測、疲勞量測、高溫量測上，本實施例改善其光柵條紋的產生方式以產生動態光柵條紋，並將所產生的動態光柵條紋應用在薄膜厚度量測或其它領域上。本實施例中即針對薄膜厚度量測上的應用做進一步的說明如後。
圖3為依照本發明一較佳實施例薄膜厚度量測方法的示意圖。請參照圖3，首先提供一基材314，基材314具有一拋光表面316，拋光表面316具有避免入射脈衝雷射300散射的功效。而拋光表面316上具有多個產生該光柵條紋304的反射區域318。基材314上的反射區域318例如為四面體的凹入結構，而基材314表面上與反射區域318上例如配置有一保護層320，以防止基材304被脈衝雷射300破壞。其中，上述反射區域318的尺寸b例如為10至25微米，而兩反射區域318之間的距離d例如為數十至一百微米，較佳為50微米。
接著提供一脈衝雷射300照射於基材314上，照射於反射區域318上的脈衝雷射300會因幹涉現象而形成光柵條紋304。所產生的光柵條紋304是經由一柱狀透鏡309而照射於待測薄膜302表面，而柱狀透鏡309可以通過位置上的調整來控制照射於待測薄膜302表面上的亮、暗紋間距。
本實施例中所使用的柱狀透鏡309具有一光入射面310與一光出射面312。其中，光入射面310例如為一矩形平面，而光出射面312為一凸曲面。光柵條紋304由光入射面310進入柱狀透鏡309後，再由光出射面312離開柱狀透鏡309。經過柱狀透鏡309之後的光柵條紋304，其在亮、暗紋的間距上會有所改變。
柱狀透鏡309系配置於基材314與待測薄膜302之間，將柱狀透鏡309沿著透鏡移動方向322上調整至適當位置以快速且精確的調整光柵條紋304的亮、暗紋間距。其中，透鏡移動方向322例如垂直於待測薄膜302的表面。當柱狀透鏡309調整至適當位置之後，本實施例同樣系通過光柵條紋304於待測薄膜302表面所產生的表面超聲波306來量測此待測薄膜302的厚度。
熟悉該項技術者應知，在待測薄膜302表面上產生的表面超聲波306可以通過一偵測雷射308a照射於待測薄膜202上，偵測雷射308a經過繞射後產生雷射308b，通過雷射308b可以推算出表面超聲波306的頻率及傳遞速率。由於表面超聲波306在待測薄膜302中的頻率及傳遞速度會受到待測薄膜302厚度影響，故通過所偵測到的表面超聲波306即可推算出待測薄膜302的厚度。
上述在基材314上通過彼此間具有適當間距的反射區域318形成光柵條紋的方式，雖與公知光學幹涉式應變規(InterferenceStrain/Displacement Gage，ISDG)的量測技術相近，但本實施例將幹涉式應變規所產生的光柵條紋304與柱狀透鏡309結合，發展出產生動態光柵(即光柵條紋304)的新技術。通過改變柱狀透鏡309的配置位置，即可對動態光柵(即光柵條紋304)的間距做精確調整。
圖4為依照本發明一較佳實施例中基材上反射區域的俯視圖。請參照圖4，由圖4可清楚得知，在基材314上反射區域318的尺寸b例如為10至25微米，而兩反射區域318之間的距離d例如為數十至一百微米，較佳為50微米。而基材314表面上與反射區域318上例如配置有一保護層320，此保護層220例如為一介電材質。通過基材314的表面處理所形成的保護層320可以保護基材314免於受到脈衝雷射(未繪示)的破壞。
此外，基材314上的多個反射區域318需具有至少一對反射面，且這些反射面之間彼此平行。其中，反射區域318例如為一多面錐狀的凹入結構，諸如四面體或是八面體的凹入結構，而反射區域318的形成方式例如是由維氏硬度計(Vicker’s Microhardness Tester)壓著於基材314上所形成，或是通過通過半導體工藝製作於基材314上。
圖5為依照本發明一較佳實施例中柱狀透鏡的立體圖。請參照圖5，本實施例中所使用的柱狀透鏡309具有一光入射面310與一光出射面312。其中，光入射面310為一矩形平面，而光出射面312為一凸曲面。光柵條紋304由光入射面310進入柱狀透鏡309後，再由光出射面312離開柱狀透鏡309。光柵條紋304可輕易且精確地通過柱狀透鏡309在位置上的改變而調整所形成光柵條紋304中亮、暗紋的間距。
圖6為依照本發明一較佳實施例中照射於待測薄膜表面上的光柵條紋。請參照圖6，由圖6可以清楚得知，經過柱狀透鏡之後的光柵條紋就整體上而言為一矩形輪廓，具有較佳的亮、暗紋分布，較佳的亮、暗紋對比及較佳的解析度。因此，能夠提供更窄頻的表面超聲波信號，且信/噪比(S/N)較高，進而增進待測薄膜厚度量測的解析度。
綜上所述，本發明的薄膜厚度量測方法至少具有下列優點1.本發明的薄膜厚度量測方法中，光柵條紋的產生方式較容易控制，且光柵條紋中亮、暗紋的對比很高，進一步使得薄膜厚度的量測上能有更佳的解析度。
2.本發明的薄膜厚度量測方法可以通過柱狀透鏡迅速且精確的改變光柵條紋中亮、暗紋的間距，使得光柵條紋中亮、暗紋間距的調變機制不複雜，可行性很高。
3.本發明的薄膜厚度量測方法可以通過柱狀透鏡使照射在待測薄膜上的光柵條紋整體上呈現一矩形的輪廓，且其中亮、暗紋的分布較為平均。
4.本發明的薄膜厚度量測方法能夠提供更窄頻的表面超聲波信號，提高信/噪比。
權利要求
1.一種動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，該方法包括提供一基材，該基材具有一拋光表面，且該拋光表面上具有複數個反射區域；提供一脈衝雷射，該脈衝雷射照射於該些反射區域後幹涉而形成一光柵條紋以及提供一柱狀透鏡，通過調整該柱狀透鏡來調整該光柵條紋。
2.如權利要求1所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，該些反射區域通過維氏硬度計壓著於該基材上。
3.如權利要求1所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，該些反射區域通過半導體工藝形成於該基材上。
4.如權利要求1所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，每一該些反射區域具有至少一反射面，且該些反射面之間彼此平行。
5.如權利要求1所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，每一該些反射區域為一多面錐狀的凹入。
6.如權利要求1所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，更包括形成一保護層於該基材上的該拋光表面與該些反射區域上。
7.如權利要求6所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，該保護層為一介電材質。
8.如權利要求1所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，該柱狀透鏡具有一光入射面以及一光出射面，該光入射面為一平面，而該光出射面為一凸曲面，且該光柵條紋是由該光入射面進入該柱狀透鏡，並由該光出射面離開該柱狀透鏡。
9.如權利要求8所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，該光入射面為一矩形平面。
10.如權利要求1所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，該超聲波平行於該薄膜表面傳遞。
11.如權利要求1所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，照射於該薄膜上的該光柵條紋整體為一矩形輪廓。
12.一種薄膜厚度量測方法，適於量測一待測薄膜的厚度，其特徵是，該薄膜厚度量測方法至少包括下列步驟提供一基材，該基材具有一拋光表面，且該拋光表面上具有複數個反射區域；提供一脈衝雷射，該脈衝雷射照射於該些反射區域後幹涉而形成一光柵條紋；提供一柱狀透鏡，該柱狀透鏡配置於該基材與該待測薄膜之間，並通過調整該柱狀透鏡的位置來調整照射於該待測薄膜表面的該光柵條紋；以及通過該雷射幹涉後所形成的該光柵條紋於該待測薄膜表面產生的一超聲波，並通過該超聲波量測該待測薄膜的厚度。
13.如權利要求12項所述的薄膜厚度量測方法，其特徵是，該些反射區域是通過維氏硬度計壓著於該基材上。
14.如權利要求12所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，該些反射區域是通過半導體工藝形成於該基材上。
15.如權利要求12所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，每一該些反射區域具有至少一反射面，且該些反射面之間彼此平行。
16.如權利要求12所述的動態光柵條紋的形成方法，其特徵是，每一該些反射區域為一多面錐狀之凹入。
17.如權利要求12項所述的薄膜厚度量測方法，其特徵是，更包括形成一保護層於該基材上的該拋光表面與該些反射區域上。
18.如權利要求17項所述的薄膜厚度量測方法，其特徵是，該保護層為一介電材質。
19.如權利要求12項所述的薄膜厚度量測方法，其特徵是，該柱狀透鏡具有一光入射面以及一光出射面，該光入射面為一平面，而該光出射面為一凸曲面，且該光柵條紋是由該光入射面進入該柱狀透鏡，並由該光出射面離開該柱狀透鏡。
20.如權利要求19項所述的薄膜厚度量測方法，其特徵是，該光入射面為一矩形平面。
21.如權利要求12項所述的薄膜厚度量測方法，其特徵是，該超聲波平行於該薄膜表面傳遞。
22.如權利要求12項所述的薄膜厚度量測方法，其特徵是，照射於該薄膜上的該光柵條紋整體為一矩形輪廓。
全文摘要
一種動態光柵條紋的形成方法，該方法是提供一基材，基材具有一拋光表面，且拋光表面上具有多個反射區域。接著提供一雷射，使雷射照射於基材上的反射區域後幹涉而形成一光柵條紋。
文檔編號G01B9/02GK1566901SQ0313735
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月19日 優先權日2003年6月19日
發明者廖建碩 申請人:錸寶科技股份有限公司