CN102109328A - 实时监测膜厚变化的镀膜设备及其方法 - Google Patents

Abstract

一种膜厚变化的实时监测方法，包括：提供镀膜模块及膜厚监测模块，其中，镀膜模块具有腔室，膜厚监测模块包括表面等离子体共振光纤感测组件、光源组件、光接收检测组件及光纤，光纤连接光源组件、表面等离子体共振光纤感测组件以及光接收检测组件，表面等离子体共振光纤感测组件具有感测区且设置于镀膜模块的腔室内，且光源组件提供光线给表面等离子体共振光纤感测组件；将基材置入腔室；成膜于基材，亦于表面等离子体共振光纤感测组件的感测区形成膜层；利用光接收检测组件，接收表面等离子体共振光纤感测组件感测区的讯号，而输出光强度变化讯号。

Description

实时监测膜厚变化的镀膜设备及其方法

技术领域

本发明是关于一种实时监测膜厚变化的镀膜设备及其方法，尤其指一种适用于实时监测有机薄膜膜厚变化的镀膜设备。

背景技术

随着半导体技术与液晶显示器产业日益兴盛，镀膜工艺亦在国内外业者中广为使用。目前国内外对于工艺膜厚检测技术，皆采用后检测方式，换言之，须待镀膜工艺结束取出样品后，才能够进行膜厚检测，待膜厚检测后才能得知镀膜结果，而无法于镀膜工艺期间实时得知成膜效果，因此对于镀膜工艺的生产良率并无帮助。

先前曾有人提出利用接触式的检测方式，但是此种方式除了易使薄膜受损外，同样也属于后检测方式；另外，曾有业者提出使用光学系统量测方式进行膜厚检测，不过此方法不仅受限于待镀基板材料，也无法进行实时检测；亦有研究者提出光学式监控系统，但是此系统受限于光学组件安装位置的精准度及系统的体积大小，也难以方便使用；进一步曾有学者提出使用石英晶体微量天平(quartz crystal microbalance，QCM)压电式检测技术，此技术虽能达到实时监控的功能，但由于检测系统与组件无法于真空腔室内使用，因此无法在目前的量产工艺中达到实时监控的目的。

上述技术大多数是应用于无机薄膜的膜厚检测，但另一方面对于有机薄膜的膜厚检测，目前市面上却苦无可用的技术，况且在纳米层级的膜厚检测，至今仍需要高价格的检测系统。

鉴于上述，倘若可以开发出在镀膜工艺中进行在线实时监控、减少工艺失败的损失、监控有机薄膜的沉积情况、操作简易且耗费成本低的纳米膜厚检测技术，将更有利于半导体相关技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膜厚变化的实时监测方法，利用具有体积小、不受电磁波影响、可置放于真空腔室内的光纤感测组件，俾能达到工艺期间的实时监控、减少工艺失败的损失、监控有机薄膜的沉积情况。

本发明的另一目的在于提供一种实时监测膜厚变化的镀膜设备，结合一般镀膜装置及光纤感测组件，搭配表面等离子体共振技术，而达到高灵敏度的检测、减少工艺不良的损失，且能适用于纳米薄膜、有机薄膜与无机薄膜的膜厚检测。

为实现上述目的，在本发明一态样中，提供一种镀膜设备中膜厚变化的实时监测方法，包括：提供一镀膜模块及一膜厚监测模块，其中，该镀膜模块具有一腔室，该膜厚监测模块包括一表面等离子体共振光纤感测组件、一光源组件、一光接收检测组件及复数条光纤，其中，该些光纤连接该表面等离子体共振光纤感测组件与该光源组件以及该表面等离子体共振光纤感测组件与该光接收检测组件，该表面等离子体共振光纤感测组件具有一感测区且设置于该镀膜模块的该腔室内，且该光源组件提供光线予该表面等离子体共振光纤感测组件的该感测区；于该镀膜模块的该腔室中置入一基材；成膜于该基材，并形成一膜层于该表面等离子体共振光纤感测组件的该感测区；利用该光接收检测组件，接收该表面等离子体共振光纤感测组件感测区的讯号，而输出光强度变化讯号。

本发明上述膜厚变化的实时监测方法，还包括提供一微处理单元，其中，该微处理单元具有一厚度对照数据库且接收该光接收检测组件的光强度变化讯号，并依照该厚度对照数据库，将该光强度变化讯号换算并输出该膜层厚度。

在本发明另一态样中，提供一种实时监测膜厚变化的镀膜设备，包括：一镀膜模块，其具有一腔室；以及一膜厚监测模块，包括一表面等离子体共振光纤感测组件、一光源组件、一光接收检测组件及复数条光纤，其中，该些光纤系连接该表面等离子体共振光纤感测组件与该光源组件，以及连接该表面等离子体共振光纤感测组件与该光接收检测组件；该表面等离子体共振光纤感测组件具有一感测区，且设置于该镀膜模块的该腔室内；该光源组件系提供光线予该表面等离子体共振光纤感测组件的该感测区；且该光接收检测组件接收该表面等离子体共振光纤感测组件感测区的讯号，而输出光强度变化讯号。

在本发明实时监测膜厚变化的镀膜设备中，该膜厚监测模块还包括一微处理单元，该微处理单元具有一厚度对照数据库且接收该光接收检测组件的光强度变化讯号，并依照该厚度对照数据库，将该光强度变化讯号换算并输出该膜层厚度。

较佳而言，当该镀膜模块成膜于一基材时，亦形成一膜层于该表面等离子体共振光纤感测组件的该感测区。

本发明上述实时监测膜厚变化的镀膜设备及其方法中本发明可使用任何种类的光源组件，举例可为卤素光源(halogens light source)、激光二极管(laser diode)或发光二极管(LED)。由此可知，该光源组件可输出单波长的光线，或者输出多波长的光线。若该光源组件提供单一固定波长的光线，则可以使用光功率计作为光接收检测组件，针对光强度进行侦测，因此在工艺期间，可由光功率计输出及显示的光功率变化判定膜厚变化。亦或，当该光源组件提供多波长的光线，则可以使用光谱仪作为光接收检测组件，针对不同波长的光强度进行侦测，因此在工艺期间，可由光谱仪输出及显示的光谱图变化(即倾向位移)判定膜厚变化。

本发明上述实时监测膜厚变化的镀膜设备及其方法中，所使用的表面等离子体共振光纤感测组件，可包括一核心层、一包覆该核心层的披覆层、一暴露该核心层的凹槽及一位于该凹槽核心层上的预镀膜层。此结构中的凹槽，则作为膜厚的感测区，其可利用任何工艺方法制作，其较佳是利用侧边研磨(side polish)工艺或蚀刻工艺而成。对于该表面等离子体共振光纤感测组件与该基材两者于该镀膜模块的该腔室中的相对位置没有特别限制，可视情况而定，举例而言，该表面等离子体共振光纤感测组件可设置于该基材外、该基材的侧边、该基材中央、该基材表面的空白功能区(例如切割区)等。

此外，本发明所使用的光纤，举例可为单模光纤或多模光纤。若需要光纤连接器连接光纤与表面等离子体共振光纤感测组件、光源组件及光接收检测组件等组件时，本发明的实时监测膜厚变化的镀膜设备及其方法亦可包含光纤连接器。可用于本发明的光纤连接器，举例如FC型光纤连接器、ST型光纤连接器或LC型光纤连接器。

由上述可知，本发明利用光纤体积小且不受电磁波影响的特性，将表面等离子体共振光纤感测组件放置于镀膜模块的真空腔室内，并外接检测系统，当有机材料或无机材料薄膜堆栈至感测组件上时，将会改变表面等离子体共振的反应讯号，并由外接感测组件监测此反应讯号的变化，便可实时显示分析镀膜的厚度。因此，不像公知技术(例如石英晶体微量天平压电式检测技术)无法测量有机薄膜或纳米薄膜，也不需等制作一批产品后才抽样进行后检测，本发明可应用于无机薄膜及有机薄膜的膜厚检测，达到在线实时监控，因此可减少失败工艺的损失，增加产率。

附图说明

图1A是本发明实施例中，实时监测膜厚变化的镀膜设备的部份剖面示意图。

图1B是本发明实施例中，表面等离子体共振光纤感测组件其中的一态样的放大示意图。

图1C是本发明实施例中，表面等离子体共振光纤感测组件另一态样的放大示意图。

图2A是本发明测试例一中，未经过及经过有机薄膜沉积工艺的比较光谱图。

图2B是本发明测试例一中，不同沉积时间对应的表面等离子体共振波长位移量、及α-step实际量测有机薄膜厚度的关系图。

图3A是本发明测试例二中，未经过及经过20nm厚度的二氧化钛无机薄膜沉积工艺的比较光谱图。

图3B是本发明测试例二中，未经过及经过30nm厚度的二氧化钛无机薄膜沉积工艺的比较光谱图。

图4是本发明测试例三中，实时监测二氧化钛无机薄膜工艺的光功率百分比变化。

附图中主要组件符号说明

10镀膜模块；SA感测区；11腔室；221披覆层；12射频等离子体产生器；222核心层；13真空泵；223凹槽；14膜材供应器；224金层；20膜厚监测模块；225预镀膜层；21光源组件；30基材；22表面等离子体共振光纤感测组件；X抽取真空；23光接收检测组件；Y沉积二氧化钛；24微处理单元；Z停止溅镀；25光纤。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可由其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

本发明的实施例中该附图均为简化的示意图。惟该些图标仅显示与本发明有关的组件，其所显示的组件非为实际实施时的态样，其实际实施时的组件数目、形状等比例为一选择性的设计，且其组件布局型态可能更复杂。

实施例一

图1A是实时监测膜厚变化的镀膜设备的部份剖面示意图。如图1A所示，本发明的实时监测膜厚变化的镀膜设备，包括：一镀膜模块10及一膜厚监测模块20。

其中，镀膜模块10包含：一腔室11、一射频等离子体产生器12、一真空泵13及一膜材供应器14，其中，该射频等离子体产生器12、该真空泵13及该膜材供应器14连接该腔室11，该真空泵13将该腔室11内的空气抽除，该膜材供应器14则提供成膜材料，举例如异丙醇，在该射频等离子体产生器12作用下，于一基材30表面进行镀膜工艺。

另一方面，膜厚监测模块20包括：一光源组件21、一表面等离子体共振光纤感测组件22、一光接收检测组件23、一微处理单元24及复数条光纤25，其中，该些光纤25连接该光源组件21与该表面等离子体共振光纤感测组件22，并连接该表面等离子体共振光纤感测组件22与该光接收检测组件23，该表面等离子体共振光纤感测组件22具有一感测区SA且设置于该镀膜模块10的该腔室11内，该光源组件21是提供光线予该表面等离子体共振光纤感测组件22的该感测区SA，且该光接收检测组件23接收该表面等离子体共振光纤感测组件22感测区SA的讯号，而输出光强度变化讯号。在本实施例中，该表面等离子体共振光纤感测组件22设置于该基材30的旁边，但不限于此。

该微处理单元24电性连接该光接收检测组件23，因此可以接收该光接收检测组件的光强度变化讯号，此外，此微处理单元24内具有一厚度对照数据库，故可依照该厚度对照数据库，将该光强度变化讯号换算并输出成膜于该表面等离子体共振光纤感测组件22感测区SA的膜层厚度。

图1B是表面等离子体共振光纤感测组件22其一态样的放大示意图，如图1B所示，表面等离子体共振光纤感测组件22包括一核心层222、一包覆该核心层222的披覆层221、一暴露该核心层222的凹槽223及一位于该凹槽223中核心层222表面的金层224，其中该凹槽223可利用侧边研磨(sidepolish)工艺或蚀刻工艺而形成，该金层224可利用直流溅镀(DCsputtering)、射频溅镀(RF sputtering)或其它的方法于该凹槽223的表面沈积而得。此金层224的厚度不限，大致可为30nm至50nm，此金层224属于选择性设置的膜层，即表面等离子体共振光纤感测组件22亦可选择不设置，不过沉积此金层224可以提高表面等离子体共振效应(SPR effect)的强度。在上述表面等离子体共振光纤感测组件22的结构中，该凹槽223及该金层224则作为膜厚的感测区SA。

图1C是表面等离子体共振光纤感测组件22另一态样的放大示意图，如图1C所示，表面等离子体共振光纤感测组件22包括一核心层222、一包覆该核心层222的披覆层221、一暴露该核心层222的凹槽223、一位于该凹槽223中核心层222表面的金层224及一位于该金层224表面的预镀膜层225，其中，该凹槽223及该金层244可如上述，该预镀膜层225是利用成膜材料先行形成一定厚度薄膜，如此将有利于表面等离子体共振光纤感测组件22对于后续薄膜厚度的测定。

测试例一

本发明对于有机薄膜厚度变化的实时监测程序，如下所述。

首先，提供一镀膜设备，此镀膜设备需包含一镀膜模块10及一膜厚监测模块20，其中，该镀膜模块10具有一腔室11，该膜厚监测模块20包括一表面等离子体共振光纤感测组件22、一光源组件21、一光接收检测组件23及复数条光纤25。将该表面等离子体共振光纤感测组件22设置于该镀膜模块10的该腔室11内，并使用该些光纤25连接该表面等离子体共振光纤感测组件22与该光源组件21、以及该表面等离子体共振光纤感测组件22与该光接收检测组件23。利用该光源组件21，经由光纤25，提供光线给该表面等离子体共振光纤感测组件22。此镀膜设备其余结构，可参考实施例一。

接着，于该镀膜模块10的该腔室11中置入一基材30后，使此镀膜设备开始运作，运作步骤包括开启射频等离子体产生器12、真空泵13、膜材供应器14、光源组件21、光接收检测组件23、微处理单元24等相关公知镀膜工艺的程序。在本测试例中，膜材供应器14所含的膜材为异丙醇。

而后，于该基材30表面进行等离子体沉积工艺，以形成一有机薄膜(COOH-)，此时在该表面等离子体共振光纤感测组件的该感测区表面同样也会形成一有机膜层。过程中，该光接收检测组件23会实时接收该表面等离子体共振光纤感测组件22感测区SA的讯号，因此输出光强度变化讯号。在本测试例中，光源组件21为多波长的卤素光源，光接收检测组件23为光谱仪，因此上述过程会输出光谱图。另外，为了解表面等离子体共振光纤感测组件的测试结果与实际薄膜沉积厚度的关系，使用α-step测量仪，实际测量有机薄膜的厚度。

图2A中对照组为尚未经过有机薄膜沉积工艺所得到的光谱图，测试组则为以异丙醇等离子体沉积有机薄膜五分钟后所得到的光谱图。此结果显示，所沉积的有机薄膜，的确会让表面等离子体共振光纤感测组件22感测区SA的表面等离子体共振波长造成位移。

图2B为本发明不同沉积时间对应的表面等离子体共振波长位移量、及α-step实际量测有机薄膜厚度的关系图。结果显示，有机薄膜为纳米等级厚度，表面等离子体共振波长有相对应的波长位移量，因此即使有机薄膜厚度在纳米等级下，光谱图仍然可以呈现相对应的表面等离子体共振波长位移，故表面等离子体共振光纤感测组件对于薄膜厚度的检测能力，确实可到达纳米等级。

测试例二

本测试例是对于无机薄膜厚度变化的实时监测程序，其程序类似测试例一所述，不同点在于本测试例于基材30表面沉积无机薄膜，因此需使用无机膜材，例如二氧化钛，且需根据公知技术调整工艺条件，且于惰气(如氩气)环境下进行镀膜工艺。另外，本测试例所使用的表面等离子体共振光纤感测组件22，其感测区SA表面有沉积金层244。

图3A及3B为沉积二氧化钛无机薄膜的光谱图，其中对照组为尚未经过有机薄膜沉积工艺所得到的光谱图，图3A的测试组则为沉积20nm厚度的二氧化钛无机薄膜后所得到的光谱图，图3B的测试组则为沉积30nm厚度的二氧化钛无机薄膜后所得到的光谱图。此结果显示，所沉积的二氧化钛无机薄膜，的确会让表面等离子体共振光纤感测组件22感测区SA的表面等离子体共振波长造成位移，且随着二氧化钛无机薄膜厚度的增加，表面等离子体共振反应的倾向位移量也随的增加。

测试例三

本测试例是对于无机薄膜厚度变化的实时监测程序，其程序类似测试例二所述，不同点在于本测试例使用激光光源作为光源组件21，使用光功率计作为光接收检测组件23，进行实时监测，其结果如图4所示，其中纵轴代表光功率强度，横轴代表工艺时间，X、Y及Z分别代表抽取真空、沉积二氧化钛及停止溅镀的时间点。结果显示，抽真空时(X)讯号有些许扰动，不过此是因为接头部分衔接不良所造成，但当二氧化钛开始沉积时(Y)，光功率即随时间逐渐下降，直到镀膜结束停止，此证实本发明可以达到镀膜工艺过程中在线实时监测的目标。

由上述可知，无论是沉积有机薄膜，抑或是沉积无机薄膜，本发明方法皆侦测出明显的光学变化，并可达到实时监测的目标。

上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请的权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (19)

1.一种膜厚变化的实时监测方法，包括：

提供一镀膜模块及一膜厚监测模块，其中，该镀膜模块具有一腔室，该膜厚监测模块包括一表面等离子体共振光纤感测组件、一光源组件、一光接收检测组件及复数条光纤，其中，该些光纤连接该表面等离子体共振光纤感测组件与该光源组件以及该表面等离子体共振光纤感测组件与该光接收检测组件，该表面等离子体共振光纤感测组件具有一感测区且设置于该镀膜模块的该腔室内，且该光源组件提供光线予该表面等离子体共振光纤感测组件的该感测区；

于该镀膜模块的该腔室中置入一基材；

成膜于该基材，亦形成一膜层于该表面等离子体共振光纤感测组件的该感测区；

利用该光接收检测组件，接收该表面等离子体共振光纤感测组件感测区的讯号，而输出光强度变化讯号。

2.如权利要求1所述的实时监测方法，其中，包括提供一微处理单元，该微处理单元具有一厚度对照数据库且接收该光接收检测组件的光强度变化讯号，并依照该厚度对照数据库，将该光强度变化讯号换算并输出该膜层厚度。

3.如权利要求1所述的实时监测方法，其中，该光源组件输出单波长的光线。

4.如权利要求3所述的实时监测方法，其中，该光接收检测组件所输出的光强度变化讯号是光功率变化。

5.如权利要求4所述的实时监测方法，其中，该光接收检测组件是一光功率计。

6.如权利要求1所述的实时监测方法，其中，该光源组件是输出多波长的光线。

7.如权利要求6所述的实时监测方法，其中，该光接收检测组件所输出的光强度变化讯号是光谱图。

8.如权利要求7所述的实时监测方法，其中，该光接收检测组件是一光谱仪。

9.如权利要求1所述的实时监测方法，其中，该表面等离子体共振光纤感测组件包括一核心层、一包覆该核心层的披覆层、一暴露该核心层的凹槽及一位于该凹槽核心层上的预镀膜层，且该凹槽是该感测区。

10.一种实时监测膜厚变化的镀膜设备，包括：

一镀膜模块，其具有一腔室；以及

一膜厚监测模块，包括一表面等离子体共振光纤感测组件、一光源组件、一光接收检测组件及复数条光纤；

其中，该些光纤连接该表面等离子体共振光纤感测组件与该光源组件，以及连接该表面等离子体共振光纤感测组件与该光接收检测组件；该表面等离子体共振光纤感测组件具有一感测区，且设置于该镀膜模块的该腔室内；该光源组件提供光线予该表面等离子体共振光纤感测组件的该感测区；且该光接收检测组件接收该表面等离子体共振光纤感测组件感测区的讯号，而输出光强度变化讯号。

11.如权利要求10所述的镀膜设备，其中，当该镀膜模块成膜于一基材时，亦形成一膜层于该表面等离子体共振光纤感测组件的该感测区。

12.如权利要求10所述的镀膜设备，其中，该膜厚监测模块包括一微处理单元，该微处理单元具有一厚度对照数据库且接收该光接收检测组件的光强度变化讯号，并依照该厚度对照数据库，将该光强度变化讯号换算并输出该膜层厚度。

13.如权利要求10所述的镀膜设备，其中，该光源组件是输出单波长的光线。

14.如权利要求13所述的镀膜设备，其中，该光接收检测组件所输出的光强度变化讯号是光功率变化。

15.如权利要求14所述的镀膜设备，其中，该光接收检测组件是一光功率计。

16.如权利要求10所述的镀膜设备，其中，该光源组件是输出多波长的光线。

17.如权利要求16所述的镀膜设备，其中，该光接收检测组件所输出的光强度变化讯号是光谱图。

18.如权利要求17所述的镀膜设备，其中，该光接收检测组件是一光谱仪。

19.如权利要求10所述的镀膜设备，其中，该表面等离子体共振光纤感测组件包括一核心层、一包覆该核心层的披覆层、一暴露该核心层的凹槽及一位于该凹槽核心层上的预镀膜层，且该凹槽是该感测区。

Images