CN103003661A - 用于测量膜厚度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于测量薄膜厚度的方法和设备，包括：使用激光投射系统和检测器阵列得到薄膜的高速厚度测量，使用单点测量设备在一个或多个位置得到薄膜的厚度测量，并将它们与通过单点测量设备测得的该膜的一个或多个绝对厚度值进行比较，确定高速测量值的准确性。

Description

用于测量膜厚度的方法和设备

要求享有美国在先申请的优先权

本申请要求2010年2月25日提交的美国专利申请系列第12/712,854号的优先权。此文件的内容以及本文提到的出版物、专利和专利文件的所有内容都通过参考结合入本文中。

技术领域

本文中的实施方式涉及玻璃或者其他基材上的薄膜的膜厚度的测量。本文所述方法和设备设计成能够高速测绘膜厚度，例如用于大量生产SiOG（玻璃上硅）的准确在线测量系统所需的对膜厚度进行高速测绘。

背景

现有数种用于测量薄膜厚度的方法，包括：光谱椭圆测量法、光谱反射法、白光法、或者低相干干涉法以及热波测量法。每一种所述方法都存在限制。

例如，所述光谱椭圆测量计是一种广泛使用并高度准确的用于膜厚度的测量方法；然而，其是一种单点测量方法且每个数据点通常需要数秒的测量时间，使得其对于在线系统中所需的高速绘制来说过于缓慢。

光谱反射计也是一种用于薄膜厚度的广泛使用且准确的测量方法。类似于光谱椭圆测量计，其是一种单点测量，每个数据点的典型采集时间至少为1秒。该方法对于高速绘制也不够快。使用所述光谱反射计的商业系统包括购自海洋光学公司（OceanOptics）、膜测量公司（Filmetrics）以及N&K公司等的商业系统。美国专利第7,304,744号揭示了一种使用光谱反射法的方法。

所述白光法或者低相干干涉法技术利用了与光谱反射计相同的物理现象，但是通过白光干涉计而不是光谱仪的装置间接测量反射系数。该技术可以允许多点同时测量的图像模式，但是这是一种技术上困难并且昂贵的方法。美国专利第7,468,799号和第7,483,147号涉及使用白光法或者低相干干涉计技术测量薄膜的方法。

所述热波技术也可用于测量样品的热特性并对例如膜厚度的特征厚度做出结论。然而，该技术也是一种单点测量并且需要使用两个激光器，一个激光器产生热波，另一个探测热波，因此它是缓慢且昂贵的技术，并且可能需要复杂的热透镜效应补偿。

前述测量方法都不足以在大量SiOG生产中进行准确的在线厚度测量。因此，本领域需要用于膜厚度高速绘制的新方法和设备，例如用于大量生产SiOG（玻璃上硅）的准确在线测量所需的方法和设备。

发明概述

本文所述的方法运用了i)薄膜的第一测量，其基本上是一种高速全宽或者高速部分宽度扫描测量，所述测量是依赖于厚度的但是并不直接产生一个厚度的具体值，以及ii)第二测量，其基本上是单点测量，所述测量通常比第一测量更准确并可用于校准第一高速测量。所述第一测量可以使用投射到样品上的单一光线例如激光器光线和光线检测器来测量光线的反射强度。在样品或者产品具有目标膜厚度的实施方式中，可以选择光波长和入射角度以优化在目标膜厚度附近窄范围内的膜厚度相关性。所述第一测量可以包括单一波长的反射系数测量。

第二测量用于检验随时间变化的数个点的绝对膜厚度。所述第二测量可以应用已知测量技术，例如光谱反射法或者光谱椭圆测量法。使用所述第二测量，可以检验使用第一测量取得的所有数据点都落在给定的厚度范围内，例如在产品规格的范围内。

使用了本发明方法的本文所述系统包括用于薄膜的第一厚度测量的设备以及用于膜的第二测量的设备。用于第一厚度测量的设备可以包含用于照明的光源，例如激光器和投射光学件，例如一个或多个透镜，以及用于检测的集光光学件和检测器阵列，例如线扫描相机。用于第二测量的设备可以是任意合适的单点测量系统，例如光谱反射计、或者光谱椭圆测量计等。计算机系统可以处理来自测量设备的数据。

本发明方法实现的优点包括：简单、低成本以及较高测速。在一些实施方式中，使用本发明方法的系统可以是仅由用于照明的激光器和透镜、用于检测的检测器阵列例如线扫描相机（用于进行高速精确测绘的第一厚度测量）以及简单商用光谱反射计（用于校准和准确度的第二单点测量（低速））组成的基本系统。这些组件较低廉，并且易于得到和使用。在本发明的方法中实现了高速，因为激光器和检测器阵列可以在许多点同时测量反射率，且在每秒内多次取得数据。使用典型的商用线扫描相机，可以实现MHz范围内的数据获得率。这表示，例如，可以测量典型SiOG部件的膜厚度，并在厚度图中在小于1秒内以亚毫米的横向分辨率绘制所述典型SiOG部件的膜厚度。测量时间可能仅受到样品通过测量系统的线速度的限制。相反地，常规单点法，例如光谱反射法，需要数分钟或者甚至数小时来实现相同水平的测量。

反射系数测量的准确性仅为2.5%，使用本发明所述的系统和方法测量的膜厚度的准确性可以为约1nm，这很好地符合这类系统的通常的要求。本发明所述方法特别适合用于较薄的膜，因为对于较厚的膜，反射系数的厚度依赖性下降。

本领域技术人员在结合附图阅读本文所述之后，将清楚地了解本发明的其他方面、特征、优点等。

附图简要说明

为说明本文所述的各种特征的目的，在附图中示出优选形式，但是，应理解，本发明不限于所示的精确配置和手段。

图1所示是根据本文所揭示的一个或多个实施方式，对于s偏振550nm激光在45度入射角（包含75和85nm之间的容差范围（TR））的示例性反射系数计算（Eagle^TM

基材上的结晶Si）。

图2所示是根据本文所揭示的一个或多个实施方式，对于45度入射并使用s偏振的不同激光波长的示例性反射系数计算（Eagle基材上的结晶Si）。

图3所示是根据本文所揭示的一个或多个实施方式的系统的流程图；以及

图4所示是根据本文所揭示的一个或多个实施方式的系统的流程图。

发明详述

一般而言，提供了一种测量薄膜厚度的方法，该方法应用了两种测量：薄膜的第一高速扫描测量以及膜的第二单点校准测量。

所述第一测量可以使用投射到样品上的单一光线（例如激光器光线）和光线检测器来测量光线的反射强度。测得的样品的反射光强度是膜与基材材料的组分和厚度以及照明强度的函数。膜和基材的折射率与吸收系数的数据可以从文献中的表中得到，这对于本领域技术人员是熟知的。类似地，选定光波长对于膜和基材材料的折射率和吸收性可以从文献中查找得到。因此，至少在样品或者产品具有目标膜厚度的实施方式中，可以选择光波长、入射角度以及偏振态以优化在目标膜厚度附近窄范围内的膜厚度相关性。第一测量可以包括单一波长的反射系数测量。

例如，参考图1，在s偏振550nm激光和45度入射下，使用TFCalc软件以及文献数据中的膜和基材的折射率和吸收系数，对Eagle^TM

基材上的结晶Si样品的第一测量进行反射系数计算。对应56、79、125、148、193以及217nm的圆圈，表示单独、同时非常快速的、约为数毫秒的反射系数测量，在所述数个不同的膜厚度是模糊的，会导致相同的反射系数。如所述，对于50%的反射系数，厚度可以是~56、79、125、148、193、217…nm。因为测得的样品的反射光强度不仅是膜和基材材料的组成以及厚度的函数，还是照明强度的函数，因此第一测量需要校准。

因此，如本文所述，通过得到第二单点厚度测量对第一测量进行校准，例如通过在选定激光波长、偏振以及入射角具有已知反射率的反射计。实质上，第二测量需要用白光对膜进行选定单点的照明，对反射光进行全谱分析，并使用各种拟合参数，例如折射率、吸收性以及膜和基材的厚度对测得的全谱反射系数数据拟合理论模型。校准测量或者参比测量还用于补偿光强度随时间和沿光线的改变，例如光强度沿着由光投射系统的透镜或者旋转扫描仪等产生的光线的不同位置的改变。这通过使用第二测量确定在某一位置的厚度，然后使用第一测量的设备计算预期反射率，并将其与第一测量实际测得的反射光强度进行比较来实现。第二测量的实际读取较快，例如，数毫秒。然而，由于进行全谱计算以及使用理论模型拟合结果的处理时间，第二测量的完成需要稍长时间，约1或2秒。因此，进行了一秒或更久的单点校准测量以提供一个或多个参比测量，以提供准确的厚度测量。第一高速厚度测量以及第二单点校准测量不需要在同一时间点进行，这对于本领域技术人员是显而易见的。

如果通过单点第二测量得到的膜厚度的测量值在具体的厚度范围内，且通过第一高速厚度测量得到的所有值都在预期的百分比范围内，则通过高速测量计算的膜厚度是明确的。仅在数个位置使用单点测量足以得到绝对厚度值，因此测量速度不受到其采集速率的限制。膜的连续性保证了如果图中的所有点都在预期的反射系数范围内，且厚度在通过单点测量测得的至少一个点的正确范围内，那么图中所有的点必定在预期的厚度范围内。如果一些点在预期的厚度范围外，则一些点必定在可接受的反射系数百分比范围外，除非厚度有大的突然的阶跃变化。

例如，在图1所示的例子中，如果需要对膜进行测量并确定整个膜在75nm和85nm厚度之间的容差范围TR内（即，~30-65%反射系数），且进行了单点测量表明厚度在75至85nm的范围内，所有要做的就是确定在该膜中测得的所有反射系数值都在30和65%之间。如果膜的任意区域落在可接受的75-85nm范围外，且膜厚度没有大的阶跃变化，则通过高速测量得到的一些测得的反射系数将不得不小于30%或者大于65%。

本发明所揭示的方法不能达到其他一些测量技术的准确性，因为反射系数不仅是膜和基材材料以及厚度的函数，还是基材定位（垂直于样品表面）、膜和表面散射以及其他因素的函数，这对于本领域技术人员是显而易见的。然而，本发明所揭示的方法对于所述系统的通常要求是足够有余的。参见图2，显示了使用s偏振的不同激光波长在45度入射的情况下，对于玻璃基材（购自的Eagle^TM基材）上的结晶Si膜的反射系数计算的一个例子。使用TFCalc软件以及文献数据中的膜和基材的折射率和吸收系数进行计算。在这个例子中，对于该具体情况，可以发现靠近常规632.8nm HeNe激光波长处的波长不是非常适用，因为反射系数与膜厚度之间的关系不是单调的（见630nm曲线）；然而，HeNe波长在不同入射角θi或者对于不同的厚度范围是可适用的。对于每一种情况，需要根据膜和基材材料以及膜厚度范围确定波长、入射角、偏振态以及激光器的可用性的最优组合。

进一步参见附图，附图中相同的数字标记表示相同的部分，图3所示是用于测量例如设置在给定样品150中的基材152上的膜154厚度的测量设备100的实施方式。膜154可以是硅或者其他半导体材料。基材152可以是玻璃或者玻璃陶瓷材料，或者任意其他合适的基材材料。

设备100包含至少一个光源102、投射光学件104、集光光学件106、检测器阵列108、单点测量设备120以及电脑系统130。定位所述光源102和投射光学件104以照明膜154的表面，运行集光光学件106和检测器阵列108以响应在靠近膜154表面产生的照明强度进行厚度测量。定位单点测量设备120以在一个或多个点得到膜154厚度的准确测量。运行电脑系统130以分析通过检测器阵列108得到的测量，将所述测量与从单点测量设备120得到的测量进行比较，并校准膜154的厚度测量。

在讨论设备100的进一步细节之前，首先提供了对于存在样品150以及对其进行某些加工的示例性内容的讨论。出于讨论的目的，本文所述的方法和设备可能是在SOI结构的开发和/或制造的情况中。所述SOI结构具有与制造以下器件相关的适当用途：薄膜晶体管(TFT)，如用于显示应用，包括有机发光二极管(OLED)显示器和液晶显示器(LCD)，集成电路，光电装置等。迄今为止，最广泛用于SOI结构的半导体材料是硅。文献中将这种结构称作绝缘体上硅结构，并将缩写“SOI”用于这种结构。SOI技术对高性能薄膜晶体管、太阳能电池和诸如有源矩阵显示器之类的显示器越来越重要。SOI结构可包含绝缘材料上的基本上是单晶硅的薄层。

本文中对SOI结构的参考是为了便于解释本文所述的实施方式，而不是为了、也不应解释为以任何方式限制权利要求的范围。本文使用的SOI缩写总体上表示绝缘体上半导体结构，包括但不限于玻璃上半导体（SOG）结构、绝缘体上硅（SOI）结构和玻璃上硅（SiOG）结构，也包括玻璃陶瓷上硅结构。此外，本发明所揭示的方法并不限于半导体或者SOI结构，还可用于对用于测量的光波长是透明的任意材料，这对本领域的技术人员是显而易见的。

参见图3，半导体材料的薄膜154可用于SOI装置的生产或者开发。在本文所述的实施方式中，半导体材料的薄膜154和基材152（例如，玻璃或者玻璃陶瓷材料）可以是要进行测量的样品150结构。然而，同样地，半导体的膜154以及玻璃或者玻璃陶瓷的基材152仅是示例性的，本文所述的设备100和/或其他方法与设备可以在半导体上半导体SOI以及其他非半导体材料上运行。

可以通过例如抛光、清洁等制备半导体膜154，以产生较平整和均匀的表面。出于讨论的目的，半导体膜154可以是基本上单晶的Si膜，但是还可以使用任意其他合适的半导体传导材料，例如III-V、II-IV、II-IV-V等类别的半导体。这些材料的例子包括：硅(Si)、掺锗硅(SiGe)、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、磷化镓（GaP)和磷化铟(InP)。可以通过任意已知的方法例如剥离法或者沉积法将半导体膜154设置在基材152上。

参考图3，光源102可以是基于窄谱和高强度选择的激光器，但是也可以使用其他光源（例如LED），如果它们具有窄发射光谱以及足够强度的话，这对于本领域技术人员是显而易见的。

投射光学件104可以包含圆柱透镜、旋转扫描仪、旋转镜、以及反射计等，进一步详细描述参见下图4。所述投射光学件104的作用是以所需的强度和偏振态将光线投射到样品150的膜154的表面上。可以排列所述投射光学件104以使得样品150上的入射光I准直，从而样品150的垂直位移（z方向）不会改变光在y方向照射到样品的位置（尽管其仍会影响x位置）。还可以通过散光灯或者聚光灯来实现所述投射光学件104。对光波长、偏振态以及入射角θi进行选择，以对给定的膜厚度范围提供最佳灵敏度。例如，如果期望膜厚度在70和90nm的范围内，则可以使用在550nm波长工作的s偏振45度入射θi的激光器，以对70nm膜厚度得到<20%范围的反射系数R和对90nm膜厚度得到>70%范围的反射系数R。

为了在X方向实现所需的横向分辨率，可以投射足够窄的光线以符合要求（线宽度<=所需X分辨率）或者可以排列集光光学件106使得仅来自窄宽度的光（X方向）在检测器阵列108上成像。

集光光学件106可以包含圆柱透镜、旋转扫描仪、旋转镜、以及反射器等。所述集光光学件106的目的是接收反射光R以及按需将光在检测器阵列108上成像。

所述检测器阵列108是任意合适的检测器的阵列，例如线扫描相机。所述检测器阵列108测量反射光R的强度，因此它必须在选定的激光波长是灵敏的。可以根据光波长、所需的分辨率以及加工速度对检测器阵列进行选择。合适的检测器阵列的例子是购自Basler公司或者Dalsa公司的线扫描相机。

还可以将光投射在样品150上的宽得多的区域上（X方向），使用2维（面）检测器阵列，这会导致对于样品的移动较不敏感（Z方向）。相信样品上的较宽光线（X方向）以及线型检测器阵列108降低了对样品垂直移动（Z方向）的灵敏度。

参见图4，所述为另一个实施方式中的系统100，其中投射光学件104可以包含偏振器104A、分光器104B和圆柱透镜104C。当光源102不是激光光源时，可能需要所述偏振器104A。可以包含功率计105用于光强度校正和控制。在另一个实施方式中，在分光器之后，可以使用旋转镜代替第一圆柱透镜104C以在样品150（飞点）上产生光线。该排列的优势是样品150上的光强度较高，并降低了对于光源102的功率要求。所述排列可能导致一些测量速度的损失，因为一次只能对一个点进行测量。透镜104C中的任意透镜都可以被弯曲反射器代替，这对于本领域技术人员是显而易见的。

通过以下方式进行绘制：样品150沿着X方向移动而光学系统（投射光学件104、集光光学件106和检测器阵列108）保持固定，或者整个光学系统相对于固定样品150在X方向移动，或者两者的组合。在光学系统固定而样品150在传送机或者移动系统上移动的实施方式中，以已知的速度经过测量系统100，可以使用该速度以建立用于测得的数据点的坐标。

为了保证得到正确的厚度测量，通过第一测量得到的反射系数值必须确定是准确的。这要求用于第一测量的光源102的强度是受控制的或者受监控的。可以以多种方式实现所述控制。在一个实施方式中，可以通过将一小部分的光分裂到独立的检测器（未示出）并包含反馈回路以保持强度随时间恒定来实现该控制。该技术常规地用于许多光源中。在另一个实施方式中，可以分裂部分入射光，使用功率计105测得，并与使用光学分光器104B测得的反射光作比较，如果所述分光器的反射系数是已知的，则可以得到反射系数的准确测量。在另一个实施方式中，在膜中特定点测得的反射系数可以与膜中同一点通过第二单点厚度测量计算得到的理论反射系数作比较，基于该比较对测得的反射系数应用校正因子。

使用第二单点厚度测量设备120来提供准确的厚度测量，以校准第一高速测量，并保证膜154在正确的厚度范围内。所述单点厚度测量设备120可以是光谱反射计、光谱椭圆测量计、低相干干涉计或者本领域技术人员已知的其他合适的厚度测量工具。膜154上进行单点厚度测量的位置还通过第一测量设备进行了测量，但是各自的测量不需要在同一时间点进行。因此，对于移动中的样品150，所述单点厚度测量设备120可以与光源102、投射光学件104和集光光学件106存在偏移。

计算机系统130处理来自检测器阵列108的数据D，并使用从单点测量设备120得到的校准数据D将来自检测器阵列108的数据D转化为厚度值。包含能够运行计算机可执行代码的处理器的计算机系统130读取了反射系数数据D并基于例如图2所示的曲线结合先前校准以及单点测量设备120的同步绝对厚度测量来计算厚度。基于该信息，所述计算机系统可以产生高分辨率的厚度图并识别在具体厚度范围外的任意区域。如果需要，可以存储数据用于进一步处理，或者用于其他加工设备。计算的结果可以通过计算机系统130中的显示装置，例如计算机屏幕、打印机等提供给设备100的使用者。可以利用任意已知的技术（例如标准数字电路）、任意已知的可以操作执行软件和/或固件程序的处理器、一种或多种可编程数字装置或系统（例如可编程只读存储器（PROM）、可编程矩阵逻辑装置（PAL）等）来实现所述计算机系统130的硬件。

虽然已经参考具体的特征描述了本文的实施方式，但应当理解，这些实施方式仅仅是对所述原理和应用的说明。因此，应当理解，在不背离所附权利要求书的范围的前提下，可以对列举的实施方式进行各种修改，并且可以设计其他实现形式。

Claims (22)

1.一种用于测量薄膜厚度的设备，该设备包含：

第一测量设备，运行该设备得到第一厚度测量值，所述第一厚度测量值基于扫描穿过薄膜表面的光线的照明强度；

第二测量设备，该设备包含单点测量装置，运行该装置以得到该薄膜的一个或多个进一步的厚度测量值；以及

计算机系统，运行该计算机系统使用所述该薄膜的一个或多个进一步的厚度测量值来校准所述第一厚度测量值。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一测量设备包含光源和投射光学件、集光光学件以及检测器阵列，运行所述光源和投射光学件以在薄膜表面上产生光线，运行所述集光光学件以接收从薄膜表面反射的光，运行所述检测器阵列以测量薄膜反射光的强度。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述光源还包含激光器。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述投射光学件包含圆柱透镜、旋转扫描仪、偏振器、分光器和/或反射器中的一个或多个。

5.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述检测器阵列包含线扫描相机。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二测量设备选自：光谱反射计、光谱椭圆测量计以及低相干干涉仪。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二测量设备是光谱反射计。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，运行所述计算机系统以处理来自检测器阵列的数据，并使用从单点测量设备得到的校准数据将所述来自检测器阵列的数据转化为厚度值。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，使用来自先前校准的数据和/或来自单点测量设备的同步绝对厚度测量运行所述计算机系统来计算薄膜的厚度。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，运行所述计算机系统以产生薄膜的一个或多个厚度图，并可任选地识别在特定厚度范围外的薄膜的任意区域。

11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，运行所述设备以测量设置在基材上的薄膜的厚度。

12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，运行所述设备以测量设置在玻璃或陶瓷基材上的半导体薄膜的厚度。

13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述薄膜是样品的一部分，所述样品包含选自下组的绝缘体上半导体结构：玻璃上半导体结构（SOG）、绝缘体上硅结构（SOI）以及玻璃上硅结构（SiOG）。

14.一种测量薄膜厚度的方法，该方法包括：

基于投射到薄膜表面上的光线的照明强度，得到第一厚度测量；

使用单点测量法得到一个或多个进一步的厚度测量；以及

使用所述使用单点测量法得到的一个或多个进一步的厚度测量来校准所述第一厚度测量。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述单点测量法选自光谱反射法、光谱椭圆测量法和低相干干涉法。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单点测量法是光谱反射法。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该方法包括在不同的时间点在薄膜的相同区域中得到所述第一厚度测量以及所述一个或多个进一步的厚度测量。

18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该方法包括：

处理从检测器阵列接收到的照明数据；以及

使用从单点测量法得到的数据将所述照明数据转化为厚度值。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述处理步骤包括使用来自先前校准的数据和/或一个或多个来自单点测量法的同步绝对厚度测量对薄膜厚度进行计算。

20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该方法包括：

得到目标膜厚度；以及

选择光的波长和入射角以优化在目标膜厚度附近范围内的膜厚度相关性。

21.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述基于光线的照明强度得到第一厚度测量的步骤包括在单一波长的反射系数测量。

22.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述得到一个或多个进一步的厚度测量的步骤包括用白光照明薄膜的至少一个点，并使用一个或多个选自折射率、吸收性、膜厚度以及基材厚度的合适参数对反射光进行光谱分析。

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