CN102027315B - 厚度测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厚度测定方法，本发明所涉及的厚度测定方法利用干涉计测定层叠在基底层上的对象层的厚度，上述厚度测定方法包括：通过由与上述对象层实质上相同的材质构成并具有相互不同厚度的诸多样品层，获得对于上述样品层厚度的相位差的关系式的步骤；在空气层和基底层的分界面上，求出对于入射到上述基底层的光轴方向的第一干涉信号的步骤；在上述对象层和上述基底层的分界面上，求出对于上述光轴方向的第二干涉信号的步骤；对于上述光轴方向，在实质上相同的高度上，求出上述第一干涉信号的相位和上述第二干涉信号的相位之间的相位差的步骤；以及将上述相位差代入上述关系式来确定上述对象层厚度。

Description

厚度测定方法

技术领域

本发明涉及一种厚度测定方法，更详细地涉及一种测定对于透明薄膜层与基底层的分界面的干涉光的相位变化，可准确测定具有微米以下单位的厚度的透明薄膜层厚度的厚度测定方法。

背景技术

半导体工序及FPD工序中确定产品质量的诸多因素中，薄膜层厚度控制所占的比重较大，因此，可以说在工序中必须对它进行直接监控。“薄膜层”是指在基底层，即在基板表面形成的具有极小厚度的层，一般指厚度为几十

～几μm的范围。若想将这些薄膜层应用于特定用途，有必要了解薄膜层的厚度、组成、照度及其它物理光学特性。特别是，为了提高半导体元件的集成度，在基板上形成多层超薄膜层成为最近的一般趋势。为了开发这样的高集成半导体元件，要准确控制对特性给予很大影响的因素即包括薄膜层厚度的膜的物性。

半导体工序及其它应用工序等中使用的测定薄膜层厚度的方式有几种，但最为普遍的是利用探针(stylus)的机械方法、光学方法等。光学方法中，可利用白色光干涉计(white light interferometer)确定薄膜的厚度。

图1是表示习知厚度测定方法一实施例的示意图。

如图1所示，在基底层10上层叠有厚度测定的对象层20即透明薄膜层，在对象层20的上侧存在空气层30。第一面21包括空气层30和对象层20的分界面，第二面11包括对象层20和基底层10的分界面。对象层20具有线性厚度，并倾斜。

若利用一般的白色光干涉计，若朝向对象层20的厚度相对厚的第一面21的一位置22照射干涉光，则可得到从第一面的位置22产生的干涉信号41及从第二面的位置12产生的干涉信号42。第一面的干涉信号41和第二面的干涉信号42在空间上充分相隔，可进行分离，因此，利用两个干涉信号41、42的最高值的差异，可以求出对象层20在该位置22上的厚度。

但是，对象层20的厚度相对薄的位置23无法通过如上所述的方法求出对象层20的厚度。即，如果朝向对象层20的厚度相对薄的第一面的其它位置23照射干涉光，从第一面的位置23产生的干涉信号和从第二面的位置13产生的干涉信号相重叠的同时，形成一个干涉信号43。如此，在厚度薄的位置上可能产生的重叠的干涉信号43中，无法提取能够得知对象层20的厚度的两个最高值，因此存在对于具有薄的厚度的透明对象层20无法利用干涉信号的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，本发明的目的在于，提供一种厚度测定方法，上述方法利用预先准备好的样品，针对透明薄膜层的厚度，在透明薄膜层与基底层的分界面求出相位差的关系式，并利用该关系式，可以准确测定具有微米以下单位的厚度的透明薄膜层的厚度。

为了达到上述目的，本发明的厚度测定方法，利用干涉计测定层叠在基底层上的对象层厚度，其特征在于，上述方法包括：通过由与上述对象层实质上相同的材质构成并具有相互不同的厚度的诸多样品层，获得对于上述诸多样品层厚度的相位差的关系式的步骤；在空气层和上述基底层的分界面上，求出对于入射到上述基底层的光轴方向的第一干涉信号的步骤；在上述对象层和上述基底层的分界面上，求出对于上述光轴方向的第二干涉信号的步骤；对于上述光轴方向，在实质上相同的高度，求出上述第一干涉信号的相位和上述第二干涉信号的相位之间的相位差的步骤；以及将上述相位差代入上述关系式来确定上述对象层厚度的步骤。

在本发明所涉及的厚度测定方法中，优选求出上述第一干涉信号的相位和上述第二干涉信号的相位之间相位差的步骤包括：在上述第一干涉信号中设定成为基准的第一信号值；将对于上述光轴方向得到上述第一信号值的高度设定为第一高度，并将上述第一信号值的相位设定为第一相位的步骤；将在与上述第一高度实质上相同的高度得到的第二干涉信号的信号值设定为第二信号值，并将上述第二信号值的相位设定为第二相位的步骤；求出上述第一相位和上述第二相位之间的相位差的步骤。

在本发明所涉及的厚度测定方法中，优选上述第一干涉信号及上述第二干涉信号是光强度，上述第一信号值是上述第一干涉信号的最高值为佳。

在本发明所涉及的厚度测定方法中，优选获得上述关系式的步骤包括：准备具有一厚度的样品层的步骤；在上述空气层和上述基底层的分界面上，求出对于上述光轴方向的第三干涉信号的步骤；在上述样品层和上述基底层的分界面上，求出对于上述光轴方向的第四干涉信号的步骤；在对于上述光轴方向实质上相同的高度，求出上述第三干涉信号的相位和上述第四干涉信号的相位之间的相位差的步骤；准备具有不同厚度的样品层，反复进行对该样品层求出第三干涉信号的步骤、求出上述第四干涉信号的步骤以及求出上述相位差的步骤的步骤；以及利用多个厚度信息和多个相位差信息进行曲线拟合(fitting)，并确定上述诸多样品层厚度与相位差的关系式。

本发明所涉及的厚度测定方法，优选上述求出相位差的步骤包括：在上述第三干涉信号中设定成为基准的第三信号值，并将对于上述光轴方向得到上述第三信号值的高度设定为第三高度，将上述第三信号值的相位设定为第三相位的步骤；将在与上述第三高度实质上相同的高度得到的第四干涉信号的信号值设定为第四信号值，并将上述第四信号值的相位设定为第四相位的步骤；求出上述第三相位和上述第四相位之间的相位差的步骤。

本发明所涉及的厚度测定方法，优选上述第三干涉信号及上述第四干涉信号是光强度，上述第三信号值是上述第三干涉信号的最高值。

本发明所涉及的厚度测定方法，优选上述关系式包括线性部分或者非线性部分。

本发明所涉及的厚度测定方法，优选进一步包括：沿着上述对象层的厚度连续变化的方向，在上述空气层和上述基底层的分界面及上述对象层和上述基底层的分界面的多个位置，反复进行求出上述第一干涉信号的步骤、求出上述第二干涉信号的步骤以及求出上述相位差的步骤的步骤；对上述多个位置，计算上述相位差的图表的步骤；以及对上述图表的非连续点的相位差加减2π的倍数以进行相位复原(phase unwrapping)，并求出相位复原后的相位差的步骤；在确定上述对象层厚度的步骤中，将上述相位复原后的相位差代入上述关系式，来确定对象层厚度。

本发明所涉及的厚度测定方法，优选在求出上述相位复原后的相位差的步骤中，以上述空气层和基底层的分界面上的相位差作为基准。

本发明提供一种厚度测定方法，该方法利用空气层和基底层的分界面上的干涉信号的相位和透明薄膜层和基底层的分界面上的干涉信号的相位之间的相位差，测定薄膜层的厚度，可以准确测定具有微米以下单位厚度的透明薄膜层的厚度。

并且，本发明还提供一种厚度测定方法，若利用与所要测定的透明薄膜层相同的材质构成并具有相互不同厚度的诸多样品求出厚度和相位差之间的关系式，则仅通过求出所要测定的透明薄膜层和基底层的分界面上的相位与空气层和基底层界面上的相位之间的相位差，就能够测定薄膜层厚度，因此，可节减测定厚度所需的步骤及时间。

附图说明

图1是表示习知厚度测定方法的一实施例的示意图。

图2是用于实现本发明的厚度测定方法的干涉计的一实施例的示意图。

图3是本发明的一实施例的厚度测定方法的顺序图。

图4及图5是表示向由与对象层实质上相同的材质构成，并具有相互不同厚度的诸多样品层及基底层照射干涉光而获得的干涉信号的示意图。

图6是以图表表示对于诸多样品层厚度的相位差的关系式的示意图。

图7是概略表示应用如图3所示的厚度测定方法的透明薄膜层的示意图。

图8是用于说明图3所示的厚度测定方法的求出第一干涉信号的步骤及求出第二干涉信号的步骤的示意图。

图9是沿着对象层的厚度连续变化的方向，在对象层和基底层的分界面上，以图表形式表示对于多个位置的相位差的示意图。

图10是相位复原图9所示的图表的非连续点的相位差，以图表表示相位复原后的相位差的示意图。

10：基底层

20：对象层

30：空气层

100：干涉计

150：关系式

161：第一干涉信号

163：第一信号值

171：第二干涉信号

173：第二信号值

S110：获得对诸多样品厚度的相位差的关系式的步骤

S120：求出对于光轴方向的第一干涉信号的步骤

S130：求出对于光轴方向的第二干涉信号的步骤

S140：求出第一干涉信号的相位与第二干涉信号的相位之间的相位差的步骤

S160：确定对象层厚度的步骤

具体实施方式

下面，参照附图详细说明基于本发明的厚度测定方法的实施例。

图2是用于实现本发明的厚度测定方法的干涉计的一实施例的示意图。

如图2所示，上述干涉计100采用一般用于测定薄膜层厚度的反射镜干涉计的结构。上述干涉计100具备白色光源101，上述白色光源101可使用包括卤素灯等的多种光源的灯。为了不改变从白色光源101入射的光的光谱特性而只减少亮度，准备灰色滤光器(ND filter，Neutral Densityfilter)102。上述干涉计100具备用于会聚透过灰色滤光器102的光的聚光透镜103。透过聚光透镜103的光，透过使上述光形成平行光的平行光管(collimator)104。

通过平行光管104的光被分光器111反射而形成反射光53，上述反射光53入射到接物镜131。

在此，所使用的分光器111的反射率与透射率的比例为50∶50。从接物镜131入射的光再次被分光器132分割成反射光57和透射光55。上述透射光55作为测定光照射到透明薄膜层即对象层20及基底层10侧，上述反射光57作为基准光照射到基准反射镜133。上述分光器132用于会聚从基准反射镜133反射的基准光57和由对象层20和基底层10的分界面反射的测定光55以形成干涉光。而且，上述基准反射镜133用于反射从分光器132入射的基准光57而再次入射到分光器132。

上述干涉计100具备用于将从分光器111入射的干涉光59进行成像的成像透镜59、和用于从干涉光59检测出干涉信号的检测器122。通常，作为检测器122使用具有适合于所要测定的领域的像素数的CCD(chargecoupled device)摄像机。

并且，上述干涉计100包括驱动部140，上述驱动部140用于一边向与基底层10交叉的方向即光轴方向以微小间距移动测定点一边获得干涉信号。收容接物镜131的镜筒130安装在驱动部140，通过驱动部140的动作，可进行接物镜131向光轴方向的移动。在此，将入射到基底层10的垂直的光轴方向A定义为图2的z轴。这样，一边沿着z轴方向向测定点上下以数十mm间距移动接物镜131，一边寻找通过检测器122检测出强烈干涉信号的位置。

下面，参照图3至图10详细说明利用如上所述地构成的干涉计100的本发明的厚度测定方法的实施例。

图3是基于本发明之厚度测定方法一实施例的顺序图。图4及图5是表示向由与对象层实质上相同的材质构成并具有相互不同厚度的诸多样品层及基底层照射干涉光而获得的干涉信号的示意图。图6是以图表表示诸多样品层的厚度与相位差的关系式的示意图。图7是概略表示应用图3的厚度测定方法的透明薄膜层的示意图。图8是用于说明图3的厚度测定方法的求出第一干涉信号的步骤及求出第二干涉信号的步骤的示意图。图9是沿着对象层的厚度连续变化的方向，在对象层和基底层的分界面上，以图表表示对于多个位置的相位差的示意图。图10是相位复原图9的图表中非连续点的相位差，并以图表表示相位复原后的相位差的示意图。

为了利用上述干涉计100测定层叠在基底层10上的对象层20的厚度，首先，从具有相互不同的厚度d1、d2的多个样品层20a、20b，获得样品层20a、20b厚度与相位差的关系式(S110)。在此，样品层20a、20b由与之后要测定的透明薄膜层即对象层20相同的材质构成。

为了获得上述关系式150，首先，准备具有一厚度d1的样品层20a(S111)。上述样品层20a的厚度信息是已公知的信息，不必再利用厚度测定器进行测定，但是也可用被验证的其它厚度测定器进行测定来得到厚度信息。

之后，如图4所示，在空气层30和基底层10相接的分界面13的一位置，对于入射到基底层10的垂直的光轴方向A即z轴方向，求出第三干涉信号51(S112)。在本实施例中，第三干涉信号51是朝向空气层30和基底层10相接的分界面13照射的干涉光的光强度的变化信号。并且，在样品层20a和基底层10相接的分界面11的一位置，对于z轴方向求出第四干涉信号61(S113)。与第三干涉信号51同样，在本实施例中，第四干涉信号61是朝向样品层20a和基底层10相接的分界面11照射的干涉光的光强度的变化信号。

之后，沿着z轴方向在实质上相同的高度求出第三干涉信号51的相位和第四干涉信号61的相位之间的相位差(S114)。求出第三干涉信号51之后，在第三干涉信号51中设定成为基准的光强度即第三信号值53。此时优选将第三干涉信号51即光强度的最高值设定为第三信号值53。然后，将对于z轴方向得到第三信号值53的高度设定为第三高度，将第三信号值53的相位设定为第三相位(S117)。并且，求出第四干涉信号61之后，对于z轴方向将与第三高度实质上相同的高度对应的第四干涉信号61的值设定为第四信号值63。并且，将得到第四信号值63的相位设定为第四相位(S118)。将如此设定的第三相位和第四相位之间的差异设定为第三干涉信号51的相位和第四干涉信号61的相位之间的相位差(S119)。

之后，如图5所示，准备具有不同厚度d2的样品层20b，反复进行对于上述样品层20b求出第三干涉信号51的步骤(S112)、求出第四干涉信号71的步骤(S113)以及求出第三干涉信号51的相位和第四干涉信号71的相位之间的相位差的步骤(S114)(S115)。若对于具有相互不同的厚度d1、d2的多个样品层20a、20b反复进行，可获得多个厚度信息和多个相位差信息。为了更加准确确定后述的关系式，样品层的数量越多越好。

利用如此获得的多个厚度信息和多个相位差信息进行曲线拟合(fitting)，如图6所示，确定诸多样品层厚度与相位差的关系式150(S116)。关系式150包括线性部分或者非线性部分，其关系式可表示如下。

[数学式1]

y＝(a×x+b)+g(x)

在此，x为第三干涉信号51的相位和第四干涉信号61、71的相位之间的相位差，y为样品层20a、20b的厚度。作为确定线性部分和非线性部分的常数值的最优化运算法，可利用非线性最小二乘法(nonlinear leastsquare method)，也可利用Levenberg-Marquardt的非线性最小二乘法。

获得上述关系式150之后，如图7及图8所示，对于包含实际要测定厚度的对象层20的被测物执行测定厚度的过程。被测物包括：对象层20层叠在基底层10上并在对象层20上具有空气层30的部位；没有对象层20而空气层30和基底层10直接相接的部位；在两个部位之间对象层20的厚度从零连续变化至一定厚度d11的倾斜部25。在此，对象层20的厚度为具有空气层30-对象层20的分界面上的干涉信号最高值和对象层20-基底层10的分界面上的干涉信号最高值可以重叠的程度，实质上是1μm以下的透明薄膜层。

为了测定对象层20的厚度d11，首先在空气层30和基底层10的分界面13的一位置，对于垂直于基底层10的光轴方向A，即对于z轴方向求出第一干涉信号161(S120)。在本实施例中，第一干涉信号161是朝向空气层30和基底层10相接的分界面13照射的干涉光的光强度变化信号。而且，在对象层20和基底层10相接的分界面11的一位置，对于z轴方向求出第二干涉信号171(S130)。与第一干涉信号161同样，在本实施例中，第二干涉信号171是朝向对象层20和基底层10相接的分界面11照射的干涉光的光强度变化信号。

之后，沿着z轴方向在实质上相同的高度求出第一干涉信号161的相位和第二干涉信号171的相位之间的相位差(S140)。求出第一干涉信号161之后，设定在第一干涉信号161中成为基准的光强度即第一信号值163。优选将第一干涉信号161即光强度的最高值设定成第一信号值163。然后，将对于z轴方向得到第一信号值163的高度设定为第一高度，将第一信号值163的相位设定为第一相位(S141)。而且，求出第二干涉信号171之后，将对于z轴方向对应于与第一高度实质上相同的高度的第二干涉信号171的值设定为第二信号值173。并且，将得到第二信号值173的相位设定为第二相位(S142)。将如此设定的第一相位和第二相位之间的差异设定为第一干涉信号161的相位和第二干涉信号171的相位之间的相位差(S143)。

将第一干涉信号161的相位和第二干涉信号171的相位之间的相位差代入关系式150之前，优选对上述相位差进行相位复原(phase unwrapping)之后，将相位复原后的相位差代入关系式150。若沿着对象层20的厚度连续变化的方向，即，沿着如图7所示的“B”方向，在空气层30和基底层10的分界面13以及对象层20和基底层10的分界面11的多个位置，反复进行求出第一干涉信号161的步骤(S120)、求出第二干涉信号171的步骤(S130)以及求出第一干涉信号161的相位和第二干涉为信号171的相位之间的相位差的步骤(S140)S151，则可求出多个相位差信息。

若利用上述多个相位差信息，计算对于“B”方向的相位差的图表，可得到如图9所示的图表181(S152)。在此，将空气层30和基底层10的分界面13的相位设为基准值，将其值设定为零。如图9所示，第一信号值163的相位和第二信号值173的相位之间的相位差的值在-π～+π范围内被确定，因此，在-π相位差的附近或者在+π相位差的附近具有非连续点。这些非连续点上的相位差不是反映实际的相位差，由于在-π～+π范围内确定相位差的原因而产生非连续点。若沿着对象层20的厚度连续变化的方向“(B”方向)求出相位差的变化，虽然在图表181上的下位非连续点182和上位非连续点183不一致，但是根据对象层20的倾斜部25的形状，可以推断下位非连续点181和上位非连续点183是相一致的点。

因此，执行在图表181的下位非连续点182的相位差加上2π而使之与上位非连续点183相一致的相位复原(phase unwrapping)，如图10所示，求出相位复原后的相位差(S153)。在此，以相位复原时的空气层30和基底层10的分界面13上的相位差为基准。即，在不改变包含空气层30和基底层10的分界面13上的相位差的图表部位，在包含对象层20和基底层10的分界面11上的相位差的图表部位的各个相位差加上2π并进行相位复原。通过这样的相位复原所测定的所有位置，可求出反映实际相位差的图表185。根据图示的形状，也可在非连续点加上4π或者6π等2π的倍数值，执行相位复原过程。

之后，将相位差代入关系式150，确定对象层20的厚度d11(S160)。优选将相位复原后的相位差代入关系式150(S161)。

如上所述构成的本实施例所涉及的厚度测定方法，不是在干涉信号中提取相互不同的最大值来测定薄膜层的厚度。而是，利用空气层和基底层的分界面上的干涉信号的相位和透明薄膜层和基底层的分界面上的干涉信号的相位之间的相位差，测定薄膜层的厚度，由此可以得到准确测定具有微米以下单位厚度的薄膜层厚度的效果。

而且，若利用预先准备的多个样品求出透明薄膜层的厚度和透明薄膜层-基底层的分界面上相位差之间的关系式，仅通过求出由与样品相同的材质构成的薄膜层的相位差，也能够测定薄膜层的厚度。因此，能够得到可节减测定厚度所需的步骤及时间的效果。

本发明的权利范围不仅限于上述实施例及变形例，在所附的权利要求书的范围内可实现为多种形态的实施例。该发明所属技术领域的普通技术人员不脱离权利要求书提出的本发明要旨均可变形的多种范围，也视为属于本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种厚度测定方法，利用干涉计测定层叠在基底层上的对象层厚度，其特征在于，上述厚度测定方法包括：

通过由与上述对象层实质上相同的材质构成并具有相互不同的厚度的诸多样品层，获得对于上述诸多样品层厚度的相位差的关系式的步骤；

在空气层和上述基底层的分界面上，求出对于入射到上述基底层的光轴方向的第一干涉信号的步骤；

在上述对象层和上述基底层的分界面上，求出对于上述光轴方向的第二干涉信号的步骤；

在对于上述光轴方向实质上相同的高度，求出上述第一干涉信号的相位和上述第二干涉信号的相位之间的相位差的步骤；以及

将上述相位差代入上述关系式来确定上述对象层厚度的步骤。

2.如权利要求1记载的厚度测定方法，其特征在于，

上述第一干涉信号及上述第二干涉信号为光强度，

求出上述第一干涉信号的相位和上述第二干涉信号的相位之间的相位差的步骤包括：

将上述第一干涉信号的最高值设定为成为基准的第一信号值，将对于上述光轴方向得到上述第一信号值的高度设定为第一高度，将上述第一信号值的相位设定为第一相位的步骤；

将在与上述第一高度实质上相同的高度得到的第二干涉信号的信号值设定为第二信号值，将上述第二信号值的相位设定为第二相位的步骤；

求出上述第一相位和上述第二相位之间的相位差的步骤。

3.如权利要求2记载的厚度测定方法，其特征在于，

上述第一干涉信号及上述第二干涉信号为光强度，

上述第一信号值为上述第一干涉信号的最高值。

4.如权利要求1记载的厚度测定方法，其特征在于，

获得上述关系式的步骤包括：

准备具有一厚度的样品层的步骤；

在上述空气层和上述基底层的分界面上，求出对于上述光轴方向的第 三干涉信号的步骤；

在上述样品层和上述基底层的分界面上，求出对于上述光轴方向的第四干涉信号的步骤；

在对于上述光轴方向实质上相同的高度，求出上述第三干涉信号的相位和上述第四干涉信号的相位之间的相位差的步骤；

准备具有不同厚度的样品层，反复进行对该样品层求出第三干涉信号的步骤、求出上述第四干涉信号的步骤及求出上述相位差的步骤；以及

利用多个厚度信息和多个相位差信息进行曲线拟合，确定对上述多个样品层厚度的相位差的关系式的步骤。

5.如权利要求4记载的厚度测定方法，其特征在于，

上述第三干涉信号及上述第四干涉信号为光强度，

求出上述相位差的步骤包括：

将上述第三干涉信号的最高值设定为成为基准的第三信号值，将对于上述光轴方向得到上述第三信号值的高度设定为第三高度，并将上述第三信号值的相位设定为第三相位的步骤；

将在与上述第三高度实质上相同的高度得到的第四干涉信号的信号值设定为第四信号值，将上述第四信号值的相位设定为第四相位的步骤；

求出上述第三相位和上述第四相位之间的相位差的步骤。

6.如权利要求5记载的厚度测定方法，其特征在于，

上述第三干涉信号及上述第四干涉信号为光强度，

上述第三信号值为上述第三干涉信号的最高值。

7.如权利要求4记载的厚度测定方法，其特征在于，

上述关系式包括线性部分或者非线性部分。

8.如权利要求1记载的厚度测定方法，其特征在于，进一步包括：

沿着上述对象层厚度连续变化的方向，在上述空气层和上述基底层的分界面及上述对象层和上述基底层的分界面的多个位置上，反复进行求出上述第一干涉信号的步骤、求出上述第二干涉信号的步骤以及求出上述相位差的步骤的步骤；

对于上述多个位置，计算上述相位差的图表；及 

在上述图表的非连续点的相位差上加减2π的倍数以进行相位复原，求出相位复原后的相位差的步骤；

在确定上述对象层厚度的步骤中，将上述相位复原后的相位差代入上述关系式，以确定上述对象层厚度。

9.如权利要求8记载的厚度测定方法，其特征在于，

在求出上述相位复原后的相位差的步骤中，将上述空气层和上述基底层的分界面上的相位差作为基准。 

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