CN1281920C - 动态光栅条纹的形成方法 - Google Patents

Abstract

一种动态光栅条纹的形成方法，该方法是提供一基材，基材具有一抛光表面，且抛光表面上具有多个反射区域。接着提供一激光，使激光照射于基材上的反射区域后干涉而形成一光栅条纹。

Description

动态光栅条纹的形成方法

技术领域

本发明是有关于一种动态光栅条纹(laser induced grating pattern)的形成方法，且特别是有关于一种通过脉冲激光(pulse laser)入射至光学干涉式应变规(Interference Strain/Displacement Gage，ISDG)以产生动态光栅条纹的方法。

背景技术

随着半导体业持续的进步，集成电路不断的朝着小型化与高操作效能的方向迈进，为了同时因应小型化与高操作效能的需求，集成电路必须在集成度上的增进变得更为关键。由于集成电路的功能日趋多元化，故在设计上也倾向积层(multi-layer)的设计。而集成电路在制作过程中，常会运用到沉积、微影、蚀刻以及化学机械研磨(ChemicalMechanical Polishing，CMP)等工艺，基于信赖性(reliability)的考量，我们通常会监控并量测沉积后、化学机械研磨后所形成的薄膜厚度。然而，薄膜在厚度的量测上通常倾向采用非破坏性(non-destructive)的量测方式，以确保薄膜在量测后的完整性。公知常见非破坏性的薄膜厚度量测方式是以两道激光同时照射于薄膜上，以进行薄膜厚度的量测。

薄膜厚度量测方法中的关键技术在于动态光栅条纹的产生，动态光栅条纹的轮廓，亮、暗纹之间的解析程度以及二者在亮度上的对比(差异)等因素，都会直接影响厚度上的量测。因此，各种动态光栅条纹的产生技术相继被提出。其中，又以两道激光入射的方式最为常见。

图1为公知以两道激光入射产生动态光栅图案，并进行薄膜厚度量测的示意图。请参照图1，公知薄膜厚度量测的方式通常为使用两道具有相同频率(波长)的脉冲激光(pulsed laser beam)100a、100b以相同的入射角θ照射于待测薄膜102表面上。其中，两道以相同入射角θ照射于待测薄膜102表面上的脉冲激光100a、100b会通过干涉现象(interference)而在待测薄膜102的表面上形成光栅条纹104(即动态光栅条纹)。光栅条纹104会在待测薄膜102表面上产生频率为数百万赫(MHz)至数百亿赫(GHz)等级的表面超声波(Surface AcousticWave，SAW)106。其中，表面超声波106为一平行于待测薄膜102表面传递的驻波(standing wave)。

由于脉冲激光100a、100b的入射角θ决定了光栅条纹104中亮、暗纹的间距(spacing)以及待测薄膜102表面上的表面超声波(SAW)106的波长。因此，公知可以通过改变脉冲激光100a、100b的入射角θ以控制光栅条纹104中亮、暗纹的间距以及表面超声波106的波长，以利待测薄膜102厚度的量测。

在待测薄膜102表面上产生的表面超声波106可以通过一侦测激光(probe laser beam)108a照射于待测薄膜102上，侦测激光108a经过绕射(diffraction)后产生激光108b，通过激光108b可以推算出表面超声波106的频率及传递速率。由于表面超声波106在待测薄膜102中的频率及传递速度会受到待测薄膜102厚度影响，故通过所侦测到的表面超声波106即可推算出待测薄膜102的厚度。

公知以两道脉冲激光照射待测薄膜表面所形成的光栅条纹会有下列缺点：

(1)光栅条纹整体而言会呈现一椭圆形轮廓，且亮、暗纹之间的解析程度与亮度上的对比(差异)并不十分的理想。因此，公知技术并无法提供更窄频的表面超声波信号，且信/噪比(S/N)较低，进而导致待测薄膜厚度量测的分辨率不佳。

(2)以两道脉冲激光在入射角一致的调整上极为不易，故公知常会因入射角不一致而衍伸出无法准确决定光栅条纹中亮、暗纹间距或表面超声波波长，甚至无法产生光栅条纹等问题，进而导致待测薄膜厚度无法准确量测。

(3)公知两道脉冲激光的作法系应用金属薄膜的厚度量测，但通常限定于厚度大于数千埃(angstrom，)的薄膜，故厚度较薄的薄膜无法量出。

(4)在一般线上的生产机台中，若要进行线上量测时，公知采用两道脉冲激光的方式并不实用，原因在于两道脉冲激光必须同时配置于生产机台中，有其实施上的困难。

发明内容

因此，本发明的第一目的是提出一种动态光栅条纹的形成方法，可以提高光栅条纹中亮、暗纹的对比，并使光栅条纹整体上呈现一矩形的轮廓，且亮、暗纹的分布较为平均。

本发明的第二目的是提出一种动态光栅条纹的形成方法，其光栅条纹中亮、暗纹间距的调变机制简易，可行性很高。

本发明的第三目的是提出一种薄膜厚度量测方法可以迅速且精确的改变所形成表面超声波的波长，同时可以提高光栅条纹中亮、暗纹的对比。

本发明的第四目的是提出一种薄膜厚度量测方法能够提供更窄频的表面超声波信号，提高信/噪比(S/N)，以期能够在薄膜厚度的量测上能有更佳的分辨率。

为达本发明的上述目的，提出一种动态光栅条纹的形成方法，首先是提供一基材，基材具有一抛光表面，且抛光表面上具有多个反射区域。接着提供一激光，使激光照射于基材上的反射区域后干涉而形成光栅条纹。此光栅条纹系通过一柱状透镜来调整其照射于薄膜表面上的亮、暗纹间距。其中，柱状透镜配置于基材与待测薄膜之间，并通过调整柱状透镜的位置快速且精确的调整光栅条纹的亮、暗纹间距。

为达本发明的上述目的，提出一种薄膜厚度量测方法，首先提供一基材，基材具有一抛光表面，且抛光表面上具有多个反射区域。接着提供一激光，使激光照射于基材上的反射区域后干涉而形成光栅条纹。此光栅条纹通过一柱状透镜来调整其照射于薄膜表面上的亮、暗纹间距。其中，柱状透镜配置于基材与待测薄膜之间，并通过调整柱状透镜的位置快速且精确的调整光栅条纹的亮、暗纹间距。之后，再通过光栅条纹于待测薄膜表面产生的表面超声波来量测此待测薄膜的厚度。

本发明中基材上的多个反射区域需具有至少一对反射面，且这些反射面之间彼此平行。反射区域例如为一多面锥状的凹入结构，诸如四面体或是八面体的凹入结构，反射区域的形成方式例如是由维氏硬度计(Vicker’s Microhardness Tester)压着于基材上所形成，或是通过通过半导体工艺制作于基材上。而基材表面上与各反射区域上例如配置有一保护层(强化处理)，此保护层例如为一介电材质(dielectric)。

本发明所使用的柱状透镜具有一光入射面与一光出射面。其中，光入射面为一矩形平面，而光出射面为一凸曲面。光栅条纹由光入射面进入柱状透镜，再由光出射面离开柱状透镜。光栅条纹可轻易且精确地通过柱状透镜在位置上的改变而调整所形成光栅条纹中亮、暗纹的间距。此外，经过柱状透镜之后的光栅条纹就整体上而言为一矩形轮廓，具有较佳的亮、暗纹对比及分辨率。

本发明所使用的激光例如为一道脉冲激光。

附图说明

图1为公知以两道激光入射产生动态光栅图案，并进行薄膜厚度量测的示意图；

图2为通过连续波长的激光入射至光学干涉式应变规上，以产生光栅条纹的示意图；

图3为依照本发明一较佳实施例薄膜厚度量测方法的示意图；

图4为依照本发明一较佳实施例中基材上反射区域的俯视图；

图5为依照本发明一较佳实施例中柱状透镜的立体图；以及

图6为依照本发明一较佳实施例中照射于待测薄膜表面上的光栅条纹。

100a、100b：脉冲激光

102、302：待测薄膜

104、304：光栅条纹(动态光栅)

106、306：表面超声波

108a、308a：侦测激光

108b、308b：激光

300：脉冲激光

309：柱状透镜

310：光入射面

312：光出射面

314：基材

316：抛光表面

318：反射区域

320：保护层

322：透镜移动方向

b：反射区域尺寸

d：反射区域间距

θ：入射角

具体实施方式

本实施例将以一薄膜厚度量测为例进行说明，但并非限定本发明动态光栅条纹的形成方法仅适用于薄膜厚度的量测。简而言之，本实施例中所揭露的动态光栅条纹形成方法，可应用于一瞬时表面波组件(transient SAW device)，瞬时表面波组件为传感器的一种，其不但可应用于材料特性(material characterization)上的量测，亦可应用于生化(Bio-chemical)领域。其中，材料特性的量测例如包括薄膜的材料特性或是流体的材料特性，而生化方面的应用诸如质量负荷(Massloading)、机械特性(Mechanical properties)、流变特性(Rheologicalproperties)、电气特性(Electrical properties)、热效应(Thermal effect)等。

薄膜厚度量测方法中的关键技术在于动态光栅条纹的产生，公知以两道激光入射的方式产生动态光栅条纹，并通过控制激光入射的角度来调整动态光栅条纹中亮、暗纹的间距，此方式仍存在有相当多的问题，实用性不高。因此，本发明提出一种通过脉冲激光入射至光学干涉式应变规上，以产生动态光栅条纹的方法，其有别于公知两道激光入射的方式。

图2为通过连续波长之激光入射至光学干涉式应变规上，以产生光栅条纹的示意图。请参照图2，传统的光学干涉式应变规200通常应用于样品的动态量测、疲劳量测、高温量测上。首先，于样品202上以维氏硬度计形成二反射区域204，而在反射区域204形成之后，接着以一连续波长的激光206照射，连续波长的激光206会通过二反射区域204的干涉现象而在特定角度产生一光栅条纹208。

上述反射区域204的尺寸b例如为10至25微米，而两反射区域204之间的距离d例如为数十至一百微米，较佳为50微米。

光学干涉式应变规200在公知范畴中，主要是应用于样品的动态量测、疲劳量测、高温量测上，本实施例改善其光栅条纹的产生方式以产生动态光栅条纹，并将所产生的动态光栅条纹应用在薄膜厚度量测或其它领域上。本实施例中即针对薄膜厚度量测上的应用做进一步的说明如后。

图3为依照本发明一较佳实施例薄膜厚度量测方法的示意图。请参照图3，首先提供一基材314，基材314具有一抛光表面316，抛光表面316具有避免入射脉冲激光300散射的功效。而抛光表面316上具有多个产生该光栅条纹304的反射区域318。基材314上的反射区域318例如为四面体的凹入结构，而基材314表面上与反射区域318上例如配置有一保护层320，以防止基材304被脉冲激光300破坏。其中，上述反射区域318的尺寸b例如为10至25微米，而两反射区域318之间的距离d例如为数十至一百微米，较佳为50微米。

接着提供一脉冲激光300照射于基材314上，照射于反射区域318上的脉冲激光300会因干涉现象而形成光栅条纹304。所产生的光栅条纹304是经由一柱状透镜309而照射于待测薄膜302表面，而柱状透镜309可以通过位置上的调整来控制照射于待测薄膜302表面上的亮、暗纹间距。

本实施例中所使用的柱状透镜309具有一光入射面310与一光出射面312。其中，光入射面310例如为一矩形平面，而光出射面312为一凸曲面。光栅条纹304由光入射面310进入柱状透镜309后，再由光出射面312离开柱状透镜309。经过柱状透镜309之后的光栅条纹304，其在亮、暗纹的间距上会有所改变。

柱状透镜309系配置于基材314与待测薄膜302之间，将柱状透镜309沿着透镜移动方向322上调整至适当位置以快速且精确的调整光栅条纹304的亮、暗纹间距。其中，透镜移动方向322例如垂直于待测薄膜302的表面。当柱状透镜309调整至适当位置之后，本实施例同样系通过光栅条纹304于待测薄膜302表面所产生的表面超声波306来量测此待测薄膜302的厚度。

熟悉该项技术者应知，在待测薄膜302表面上产生的表面超声波306可以通过一侦测激光308a照射于待测薄膜202上，侦测激光308a经过绕射后产生激光308b，通过激光308b可以推算出表面超声波306的频率及传递速率。由于表面超声波306在待测薄膜302中的频率及传递速度会受到待测薄膜302厚度影响，故通过所侦测到的表面超声波306即可推算出待测薄膜302的厚度。

上述在基材314上通过彼此间具有适当间距的反射区域318形成光栅条纹的方式，虽与公知光学干涉式应变规(InterferenceStrain/Displacement Gage，ISDG)的量测技术相近，但本实施例将干涉式应变规所产生的光栅条纹304与柱状透镜309结合，发展出产生动态光栅(即光栅条纹304)的新技术。通过改变柱状透镜309的配置位置，即可对动态光栅(即光栅条纹304)的间距做精确调整。

图4为依照本发明一较佳实施例中基材上反射区域的俯视图。请参照图4，由图4可清楚得知，在基材314上反射区域318的尺寸b例如为10至25微米，而两反射区域318之间的距离d例如为数十至一百微米，较佳为50微米。而基材314表面上与反射区域318上例如配置有一保护层320，此保护层220例如为一介电材质。通过基材314的表面处理所形成的保护层320可以保护基材314免于受到脉冲激光(未绘示)的破坏。

此外，基材314上的多个反射区域318需具有至少一对彼此平行的反射面318a。其中，反射区域318例如为一多面锥状的凹入结构，诸如四面体或是八面体的凹入结构，而反射区域318的形成方式例如是由维氏硬度计(Vicker’s Microhardness Tester)压着于基材314上所形成，或是通过通过半导体工艺制作于基材314上。

图5为依照本发明一较佳实施例中柱状透镜的立体图。请参照图5，本实施例中所使用的柱状透镜309具有一光入射面310与一光出射面312。其中，光入射面310为一矩形平面，而光出射面312为一凸曲面。光栅条纹304由光入射面310进入柱状透镜309后，再由光出射面312离开柱状透镜309。光栅条纹304可轻易且精确地通过柱状透镜309在位置上的改变而调整所形成光栅条纹304中亮、暗纹的间距。

图6为依照本发明一较佳实施例中照射于待测薄膜表面上的光栅条纹。请参照图6，由图6可以清楚得知，经过柱状透镜之后的光栅条纹就整体上而言为一矩形轮廓，具有较佳的亮、暗纹分布，较佳的亮、暗纹对比及较佳的分辨率。因此，能够提供更窄频的表面超声波信号，且信/噪比(S/N)较高，进而增进待测薄膜厚度量测的分辨率。

综上所述，本发明的薄膜厚度量测方法至少具有下列优点：

1.本发明的薄膜厚度量测方法中，光栅条纹的产生方式较容易控制，且光栅条纹中亮、暗纹的对比很高，进一步使得薄膜厚度的量测上能有更佳的分辨率。

2.本发明的薄膜厚度量测方法可以通过柱状透镜迅速且精确的改变光栅条纹中亮、暗纹的间距，使得光栅条纹中亮、暗纹间距的调变机制不复杂，可行性很高。

3.本发明的薄膜厚度量测方法可以通过柱状透镜使照射在待测薄膜上的光栅条纹整体上呈现一矩形的轮廓，且其中亮、暗纹的分布较为平均。

4.本发明的薄膜厚度量测方法能够提供更窄频的表面超声波信号，提高信/噪比。

Claims (20)

1.一种动态光栅条纹的形成方法，其特征是，该方法包括：

提供一基材，该基材具有一抛光表面，且该抛光表面上具有多个反射区域；

提供一脉冲激光，该脉冲激光照射于该多个反射区域后干涉而形成一光栅条纹：以及

提供一柱状透镜，通过调整该柱状透镜的位置来调整该光栅条纹。

2.如权利要求1所述的动态光栅条纹的形成方法，其特征是，该多个反射区域通过维氏硬度计压着于该基材上。

3.如权利要求1所述的动态光栅条纹的形成方法，其特征是，该多个反射区域通过半导体工艺形成于该基材上。

4.如权利要求1所述的动态光栅条纹的形成方法，其特征是，该多个反射区域具有至少一对彼此平行的反射面。

5.如权利要求1所述的动态光栅条纹的形成方法，其特征是，每一该多个反射区域为一多面锥状的凹入。

6.如权利要求1所述的动态光栅条纹的形成方法，其特征是，更包括形成一保护层于该基材上的该抛光表面与该多个反射区域上。

7.如权利要求6所述的动态光栅条纹的形成方法，其特征是，该保护层为一介电材质。

8.如权利要求1所述的动态光栅条纹的形成方法，其特征是，该柱状透镜具有一光入射面以及一光出射面，该光入射面为一平面，而该光出射面为一凸曲面，且该光栅条纹是由该光入射面进入该柱状透镜，并由该光出射面离开该柱状透镜。

9.如权利要求8所述的动态光栅条纹的形成方法，其特征是，该光入射面为一矩形平面。

10.一种薄膜厚度量测方法，适于量测一待测薄膜的厚度，其特征是，该薄膜厚度量测方法至少包括下列步骤：

提供一基材，该基材具有一抛光表面，且该抛光表面上具有多个反射区域；

提供一脉冲激光，该脉冲激光照射于该多个反射区域后干涉而形成一光栅条纹；

提供一柱状透镜，该柱状透镜配置于该基材与该待测薄膜之间，并通过调整该柱状透镜的位置来调整照射于该待测薄膜表面的该光栅条纹；以及

通过该激光干涉后所形成的该光栅条纹于该待测薄膜表面产生的一超声波，并通过该超声波量测该待测薄膜的厚度。

11.如权利要求10项所述的薄膜厚度量测方法，其特征是，该多个反射区域是通过维氏硬度计压着于该基材上。

12.如权利要求10所述的薄膜厚度量测方法，其特征是，该多个反射区域是通过半导体工艺形成于该基材上。

13.如权利要求10所述的薄膜厚度量测方法，其特征是，该多个反射区域具有至少一对彼此平行的反射面。

14.如权利要求10所述的薄膜厚度量测方法，其特征是，每一该多个反射区域为一多面锥状之凹入。

15.如权利要求10项所述的薄膜厚度量测方法，其特征是，更包括形成一保护层于该基材上的该抛光表面与该多个反射区域上。

16.如权利要求15项所述的薄膜厚度量测方法，其特征是，该保护层为一介电材质。

17.如权利要求10项所述的薄膜厚度量测方法，其特征是，该柱状透镜具有一光入射面以及一光出射面，该光入射面为一平面，而该光出射面为一凸曲面，且该光栅条纹是由该光入射面进入该柱状透镜，并由该光出射面离开该柱状透镜。

18.如权利要求17项所述的薄膜厚度量测方法，其特征是，该光入射面为一矩形平面。

19.如权利要求10项所述的薄膜厚度量测方法，其特征是，该超声波平行于该薄膜表面传递。

20.如权利要求10项所述的薄膜厚度量测方法，其特征是，照射于该薄膜上的该光栅条纹整体为一矩形轮廓。

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