CN1808056B - 利用二维检测器测量薄膜特性的装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用反射计的原理测量单层或多层薄膜的厚度轮廓和折射率分布的非接触的，非破坏型的测量装置。根据本发明，通过采用多于一个的窄带通滤光器和一个二维矩阵的CCD传感器，并且通过利用迭代数字计算方法得到所述单层或多层薄膜的厚度和对应的折射率之间非线性函数关系的最佳解，所述装置可以同时测量衬底上所述单层或多层薄膜其中的局部区域的厚度轮廓和折射率分布。

Description

利用二维检测器测量薄膜特性的装置及测量方法

 

分案说明 

本发明是2002年9月23日提交的中国专利申请02818408.4分案申请。 

技术领域

本发明涉及利用二维反射计测量多层薄膜的厚度轮廓和折射率分布的技术。

背景技术

测量衬底上的多层薄膜的厚度轮廓和相关折射率分布的过程作为制造半导体、诸如LCD之类的显示器等的薄膜涂层过程的一部分，在通过提高质量和经过精确和一致的观察在生产周期的早期阶段筛选掉有缺陷的产品并且监视薄膜在衬底的形成过程中，对降低处理成本起着重要作用。

在半导体工业中广泛使用的测量薄膜厚度和折射率的装置是基于反射计的测量工具。广义上讲，被称为“薄膜层测量系统”的反射计是能够测量多层薄膜的特性，并且还能够不需要在测量前对目标样本进行特殊预备处理就可以直接测量的非接触的、非破坏型的测量装置。

图1a和1b示出了通常使用的反射计的结构原理图。参见图1a和1b，从光源100产生的光由分光器102反射，然后穿过物镜104直接到达样本衬底108上的样本薄膜110。样本衬底108由衬底106和在所述衬底106上形成的样本薄膜110构成。入射到样本薄膜110上的光在所述样本薄膜110的表面112，即在样本薄膜110和空气之间的交界处112上的点116被部分反射。其余的入射光穿透入所述样本薄膜110，然后在所述衬底106的表面114，即在样本薄膜110和所述衬底106的交界处114被反射。该反射光经过所述物镜104、所述分光器102，并且通过反射镜118上的孔120最终到达分光镜130。此后，检测并分析进入的反射光以发现作为波长函数的反射光的强度。由数字转换器132和信息处理器134处理这些结果以计算薄膜的厚度和其中对应的折射率。

在上面参考图1a的例子中，一部分入射光在样本薄膜110的表面112 (或交界处112)的入射点116被反射，其余部分穿过交界处112并折射或穿透进样本薄膜110，并且该反射光的一部分又在样本薄膜110和衬底106的交界处114反射，而其余部分的反射光折射或穿透到衬底106。

在图2中，考虑两个不同的薄膜层进行说明。参见图2，穿过图1a中物镜104的入射光210的一部分在第一交界处207的点217被反射，然后反射光222沿着222的方向传播，入射光210的其余部分折射进第一薄膜层202，如212所示。该反射光212在第二交界处208的点218又被反射，并且该反射光穿过第一层202，然后沿着224的方向进入空气中，光214的其余部分在第二交界处208的点218折射到第二薄膜层204中，如214所示。同样，在点218的折射光214在第三交界处209上的点219被反射，然后经过两层薄膜204和202，沿着226的方向传播到空气中。最后，反射光214的其余部分沿着216的方向折射或穿透进衬底206。

如图2所示，就反射光传播的绝对点而言，来自样本衬底230的反射光222、224和226在光程中以微小的差异在空气中平行地播。换句话说，在从光交界处207、208和209反射后，从空气中的参照起始线228看去，这些反射光222、224和226在空气中是平行传播的。因此会发生干扰现象。在此，三个反射光222、224和226之间的这些微小的光程差作为反射光波长的函数产生。根据波长的结果，路径差别可以引起干扰相互加强或干扰相互抵消。

由于上述干扰现象，作为反射光波长函数的反射率的曲线采用图3所示的图形的典型形式，横坐标是波长，纵坐标是定义为反射光强度和入射光强度之比的反射率。

参见图1a，来自所述样本衬底108的反射光是很多波长的叠加波，因此需要得到作为波长函数的反射率，并且在分光镜130进行这种波长分离。物理上，棱镜是分光镜的最简单的形式，但是通常利用衍射光栅产生单色波长来执行这种波长分离。因此，使用配备了转动型衍射光栅的单色仪和固定型衍射光栅上的单光检测器和阵列型光检测器来检测作为波长函数的反射光强度，此后，在经数字转换器132将检测到的反射强度信息变换为数字后，由信息处理器134计算每个波长的反射率。

如图3所示的反射率图形根据薄膜厚度和薄膜及衬底的折射率分布的特征而具有唯一的形状或形式。如果是单层薄膜，给定的反射率理论上是闭合形的。但是，如果是多层薄膜，可以利用由特征矩阵的乘积表示的电场和磁场之间的关系计算每个薄膜层的反射率。因此，得到的特征矩阵将 薄膜的所有层表示为“系统”。与单层薄膜的情况不同，折射率、薄膜厚度和反射率这三个参数是相互作用和制约的，对于多层薄膜的所述得到的特征矩阵可以重新排列为非线性函数，这种多变量的非线性函数在很多情况下可以利用按迭代试凑法找“最佳”或“最优”解的方法来实际“求解”。更具体地说，当给定一个如图3所示的反射率图形时，对于波长的每个点，通过选择薄膜厚度作为变量、选择它的初始值、用该初始值作为起点，利用所述非线性函数方程求出计算的反射率、得到计算和测量到的反射率值之间的误差，然后利用薄膜厚度的不同值反复重复这个过程，直到可以确定使薄膜厚度的误差值最小的薄膜厚度的值，该值是对厚度的“最佳”估算。在此，利用已知的样本衬底和光源来确定用来计算反射率值的入射光强度。

从反射率和上述获得的相关信息计算折射率。这种方法被认为是一类“基于型号的测量方法”。利用反射计的原理，通过上述迭代试凑法寻找“最佳”方案来得到薄膜的厚度或折射率。

为了得到给定薄膜的一致性，用通常并广泛使用的反射计在产品衬底被选中的“点”测量薄膜的厚度。为了进行测量，在图1a和1b中，通过位于反射计118中心直径为200μm的光检测孔120，只有一小部分反射光在投影图象122之外，即，只用通过光检测孔120的反射光来测量薄膜厚度。

根据所用的分光镜，使用图4所示的直径为200μm的玻璃纤维424收集用来测量薄膜厚度的反射光。即，为了容纳直径为200μm的玻璃纤维，在上板423上形成200μm的孔，并且如图1b所示，在整个投影图象122之外只使用直径为200μm大小的图象来进行测量。

另一方面，在US5,333,049中由A.M.Ledger揭示了在大面积下测量厚度轮廓的方法和装置。根据Ledger的发明，已经利用白光源和干涉测量原理实现了测量100mm大的硅片的厚度轮廓的装置，测量方法是将整个晶片分割成400个小区。在每个小区，测量反射率并且与已经准备好的标准反射率对厚度的表进行比较，以确定所选小区的厚度值，利用校准晶片预先准备好所述标准反射率对厚度的表，并且将厚度刻度分成500份。

换句话说，在测量反射率的值后，从查阅表中读取厚度值。该方法的优点在于加快了测量速度并且能够观察到整个衬底区域，它的缺点是潜在地向产品衬底传播任何可能嵌入为校准衬底而生成的反射率对厚度的表中的误差或错误，它的缺点还包括利用摄像机中通常使用的CCD传感器不能获得足够的分辨率来覆盖直径超过100μm的整个产品衬底的表面。在此， 由于有必要观察和检查薄膜厚度和包含高电路密度的晶片表面的轮廓状态，因此当在半导体晶片处理高电路密度期间检查衬底上的电路指定部分时，会产生分辨率的问题。另外，Ledger的发明的另一个缺点是只要晶片工艺一改变就会在原处产生新校准衬底的新反射率对薄膜厚度的表的数据库。另外，前述Ledger的专利的另一个缺点是在测量到的产品衬底的反射率值中包含的噪音会影响薄膜厚度值的确定，于是校准衬底上错误的薄膜厚度值被传播给产品衬底。为了克服这些缺陷，在另一份美国专利US5,365,340中，Ledger揭示了通过自规范产品衬底的反射率测量值，并且将这些自规范值与校准衬底的数据库值比较来测量薄膜厚度的方法，通过最小化指标函数(merit function)的计算值执行反射率测量值的自规范。但是，前述专利US5,333,049中所伴随的所有其它缺陷在US5,365,340中仍存在。

前述US5,333,049和US5,365,340专利中共有的共同和严重的缺陷在于因为薄膜厚度值是通过比较所测量的厚度值与利用校准衬底预备的数据库确定的，所以薄膜厚度的测量结果值受校准晶片数据库值的影响太大。换句话说，校准衬底的反射率对薄膜厚度的数据库只是简单代表反射率和薄膜厚度之间对应关系的表，该表是通过平均和排列整个校准衬底值而生成的，因此，当所测量的厚度和校准衬底以及产品衬底的反射率存在合理的均匀度时，可以保证它的精确度。但是，当由于衬底不平的表面条件使得反射率和薄膜厚度之间出现不规则的关系时，就降低了薄膜厚度的精确度。

为了克服上述一些缺陷，Paul J.Clapis和Keith E.Daniell在US5,555,472中揭示了通过最小化在产品衬底表面上许多点测量到的反射率值和理论特征之间的误差来优化确定薄膜厚度值的方法，理论特征来自通过利用相同特征的理论数字表达式计算象反射率这样的特征值所构造的库文件。该方法用来测量假设至少一层是适度均匀的两层薄膜的厚度。

上述三个现有技术是关于测量整个衬底的装置。因此，测量整个衬底区域薄膜厚度的CCD摄像机只有有限的分辨率，特别是，在有限区域内对薄膜厚度轮廓的详细测量成为难题，以及在测量装置中引入了前述的“噪音”并且这种噪音被传播到产品衬底。

另一方面，例如，US4,999,014、US4,999,508和US4,999,509揭示了通过测量产品衬底上薄膜的反射率的“光点”来确定薄膜厚度值的方法。这些装置是利用现有分光镜的典型的薄膜厚度测量装置，它们测量在指定点 上薄膜的厚度和折射率。但是，通常仅利用一点上的薄膜厚度和对应的折射率这样的测量信息不足以评估薄膜的特征和质量。而如果可以在扩展区域测量薄膜厚度轮廓和折射率分布，那么这些信息在评估薄膜特征和质量上可以比利用在一个时间测量一个点得到的信息获得更多有意义的结果。另外，当前存在的分光镜不适合测量相对大面积的薄膜厚度轮廓或在相同时间许多相邻点上测量薄膜厚度分布。当然，很可能在逐步地在四个X-Y方向上移动样本衬底的同时通过重复测量厚度来测量薄膜厚度分布，但是这种操作需要精细的微型机械手并且非常耗时。此外，为了获得薄膜厚度分布，应该使用精确的衬底移动平台并且能够以好于0.1微米的同步分辨率移动，因此，整个测量装置在功能和结构上变得非常复杂并且非常昂贵。在这种情况下，可以采用更贵的超级微型机械手，但是从经济观点看是不实际的。

发明内容

如前所述，实际上使用常规反射计不可能执行薄膜的厚度轮廓和折射率的同时测量，并且制造用来逐步测量薄膜上给定区域的厚度轮廓的装置的成本也非常高，并且该过程需要时间去执行测量。为了克服这些缺陷，本发明揭示了用来测量薄膜厚度轮廓和折射率的新装置和方法。

本发明的主要目的是揭示一种装置，它不仅能够在样本衬底上给定区域的许多点与薄膜折射率一起测量厚度轮廓，从而在短时间内一起测量厚度轮廓和折射率，而且由于使用了用于反射计的通用原理使得新装置的结构简单。因此，折射率通常从反射率计算，而在本发明中根据下面部分描述的光学原理通过局部最小化所测量的反射率和利用与薄膜厚度和折射率有关的非线性函数表达式迭代计算的反射率之间的误差来优化地确定反射率。

根据本发明的一个方面，提供一种用于测量薄膜的薄膜厚度和折射率值的装置，所述装置包括：衬底载体单元，包括：样本载体，用于支撑并移动上面具有薄膜的衬底，驱动部分，用于驱动所述样本载体，和控制部分，用于控制所述驱动部分；包括光源的光学单元，向由衬底载体支撑的衬底上辐射所发射的入射光；滤光器单元，对特定波长范围的、辐射到衬底上的入射光或从衬底反射的光有选择地进行滤光；二维光检测器，用于以二维来检测从衬底反射的光，所述光具有由滤光器单元选择的特定波长范围；图像捕捉单元，用于获得由二维光检测器检测的反射光中包括的图 像信息；图像处理单元，用于利用由所述图像捕捉单元获得的反射光中包括的图像信息，计算薄膜针对特定波长范围的光的反射率；和信息处理单元，用于利用非线性误差最小化方法，根据由所述图像处理单元获得的反射率和理论上获得的反射率来计算薄膜的薄膜厚度和折射率值。

根据本发明的另一个方面，提供一种测量薄膜的薄膜厚度和折射率值的方法，该方法包括：在衬底上设置薄膜，以便使用衬底载体对待测量的薄膜的特定区域正确地定位；向衬底辐射光；对特定波长范围的光有选择地进行滤光；二维检测已经被滤光并从衬底反射的光；获得检测到的反射光中包括的图像信息；从图像信息提取反射光的强度，并针对特定波长范围的光，使用图像处理单元计算薄膜的反射率；使用非线性误差最小化方法，根据由图像处理单元获得的薄膜的反射率和由信息处理单元理论上获得的反射率来计算薄膜的薄膜厚度和折射率值；和在监视器上显示薄膜的薄膜厚度和折射率值。

具体实施方式

图5是根据本发明用来测量薄膜厚度轮廓和折射率的新装置的示意图。参见图5，作为根据本发明的实例，用来测量薄膜厚度轮廓和折射率分布的装置包括5个模块，即，光学单元，衬底载体，图片图像采集处理器，图像处理器548，信息处理器550，系统控制器552，和信息显示单元。

光学单元包括光产生光源500，聚光透镜502，虹膜(iris)504、准值透镜506(第一准值透镜)，分光镜508，物镜510(第二准值透镜)，辅助透镜530(第三准值透镜)，和配备了多个窄带通滤光器538的滤光轮534。通常使用可见光源作为用于测量薄膜厚度的光源500。从该光源产生的光穿过聚光透镜502，用来调节投影在样本衬底514的表面上的光区域的虹膜504，以及另一个准值透镜506，然后到达分光器508，并且从分光器508反射，并重新定向到样本衬底，穿过物镜510，然后进入，例如，样本薄膜518，在这里，光在样本衬底顶面的交界处I 520和底面的交界处II 522反射。来自样本衬底的反射光穿过物镜510，分光器508和作为聚焦反射光的准值透镜的辅助透镜530，使得反射光穿过窄带通滤光器538，然后最终聚焦在光检测器542上配备的二维矩阵型的CCD(电荷耦合器件)传感器。穿过窄带通滤光器538的反射光具有与给定滤光轮位置相关联的指定波长，投影到二维矩阵CCD型的光检测器542上。

图片图像采集处理器包括二维CCD数组型的光检测器542和帧捕捉器546。从样本衬底514的薄膜层518的交界处I 520和交界处II 522反射的光穿过由物镜510、分光器508、辅助透镜530和窄带通滤光器538组成的光径，然后被投影到二维CCD光检测器542上，而投影到二维CCD光检测器542上的图片图像由基于CCD的光检测器感应，然后这些感应信息被转换为像素级的光强度信息。该二维图片帧的图像被帧捕捉器546捕获，然后存储在帧存储器中(未示出)。更具体地说，在二维光检测器542的内部，CCD以二维矩阵的形式排列。在只有对应所使用的所述窄带通滤光器波长的光被投影在二维矩阵型的CCD 542上后，在样本薄膜层518的交界处I 520和交界处II 522的反射光穿过窄带通滤光器538，这里由所述CCD光检测器542感应和检测到的像素信息形成二维像素组。由所述CCD检测器542检测到的该组像素再被帧捕捉器546捕获，然后存储在帧存储器中(未示出)。

衬底载体平台装配单元由衬底载体平台524，衬底载体平台驱动器526，和衬底载体平台控制器528组成。衬底载体平台524主要是支持衬底514的场所并且能够上下左右运动，这些运动由一套电机或平台驱动器526控制，并且由系统控制器552控制的衬底载体平台控制器528控制所述衬底载体平台驱动器526，所述系统控制器552与输入/输出单元558接口。

图像处理器548通过从由帧捕捉器546捕获的图像信息中提取作为波长函数的反射光强度来产生用来生成如图7所示的反射率图形的数据。这里，反射率定义为反射光强度与入射光强度之比，其中入射光强度利用已知的样本衬底测量。

信息处理器550在功能上是一类参数值的操作器-计算器，主要以如图7所示的反射图形开始来计算二维的薄膜的薄膜厚度、厚度轮廓和折射率值。根据人们的设计，图像处理器548和信息处理器550可以包含在一个控制器中，于是只需要一个控制器。另外，可以将图像处理器548、信息处理器550、系统控制器552和平台控制器528设计在一起，使得可以由一个主控制器或一台计算机控制。

根据由帧捕捉器546获得的像素信息，图像识别器554和监视器556显示由图像处理器548和信息处理器550处理和提取的信息，于是所述装置的用户可以很容易和方便地操作测量装置。特别地，所述监视器556显示包 括薄膜厚度轮廓和折射率等必要的参数，这些参数是由图像处理器548和信息处理器550提取或获取的。

根据本发明，系统控制器552控制和管理包括监视器556在内的整个测量装置。

下面，参考图5详细描述根据本发明的用来测量薄膜厚度和折射率分布的所述装置的操作原理。

从光源500入射的光穿过由聚光透镜502，虹膜504，准值透镜506，分光镜508，和物镜510按所提到的顺序组成的光径，然后投影到样本衬底514。这里，参考图2和5作为例子，衬底516上要测量的薄膜被假设为所述衬底516上放置的两层薄膜202、204来制造所述衬底514。参见图2，产品衬底230的结构是在产品衬底206上带有两层薄膜202、204，形成第一薄层204和第二薄层202。在这种情况下，每层薄膜的诸如折射率之类的光特征彼此不同，并且还出现三个交界处；交界处I 207定义为第二薄膜层202和空气200之间的界面，交界处II 208定义为第二薄膜层202和第一薄膜层204之间的界面，交界处III 209定义为第一薄膜层204和衬底206之间的界面。薄膜层之间的光交界处具有不同的光特征，会发生反射、折射和透射现象。如图2所示，从整个样本衬底230反射的反射光是具有210→222、210→212→224、210→212→214→226的光径差的反射光的反射光222、224、226的叠加光。通常，要测量的薄膜样本的厚度变化从十几埃()到几微米。因此，前述从薄膜反射的反射光有光径异，这些光径差比光的相干长度短，于是反射光的叠加光产生光学中广泛熟知的干扰现象。另外，即使两条光径相同，当波长彼此不同时，它们的光径差也不同，结果会产生不同的干扰。因此，在某个波长会发生破坏性的干扰，而在不同波长发生构造性的干扰，其中，不同波长的反射光强度具有不同值。另外，根据给定窄带通区域内的波长，入射光和反射光的强度不同。前述随介质层光特征和由于样本薄膜厚度变化引起的光径差而变化的折射率的不同会产生干扰现象。由于反射率的定义为反射光强度和入射光强度之比，因此，当利用标准的校准衬底测量入射光强度时，可以获得如图3所示的反射率图形作为反射光波长的函数。

根据本发明，可以获得有关薄膜厚度，表示薄膜特征的反射率和和折射率之间的非线性函数关系，并且由本发明揭示的所述方法测量所述反射率，然后按迭代试凑法，利用查找最佳解的方法计算薄膜厚度和折射率。

根据本发明，为了描述寻找给定薄膜的厚度和折射率最佳值的算法，将主要参考2002年第四版的Eugene Hecht的“光学”作为理论背景材料。另外，下面描述的是通过最小化计算和测量的反射率值之间误差来得到给定薄膜厚度轮廓和折射率的方法，其中该方法采用迭代试凑法来最小化反射率误差。

如果给定薄膜是单层的情况，当薄膜厚度或折射率已知时，那么给定用来得到反射率的理论表达式为相对简单的“闭合形”。

但是，在多层薄膜的情况下，用来得到多层薄膜的厚度和折射率的算法的推导从代表可利用由特征矩阵的乘积给定的函数表达式导出的可数字计算的理论传送率的图形开始，每个给定的薄膜层一个，特征矩阵从薄膜层的电磁场的边界条件获得。

根据本发明，从光源发出的光通过光学单元投影到与入射光线几乎垂直的样本衬底(入射光面)的表面上，首先考虑入射光的介质是空气-薄膜-衬底时样本衬底上单层薄膜的情况。在这种情况下，参见图5，作为复数的反射系数r₁由下面表达式[1]按闭合形式给定，另外具有能量含义的绝对反射率R给定为复数数量r的平方值，如下面表达式[2]所示；

$r=\frac{r_{01}+r_{1s}{e}^{-j2\mathrm{\β}}}{1+r_{01}{r}_{1s}{e}^{-j2\mathrm{\β}}}---\[1\]$

R＝r·r^*                                       [2]

其中r₀₁和r_1s分别是在空气和薄膜顶面之间交界处I 520和薄膜和衬底顶面之间交界处II 522的Fresnel反射系数，β是由代表在通过薄膜的入射光通路转换期间发生相移的  $\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\π\ηd}}{\mathrm{\λ}}$ 给定的相移。这里，η是折射率，d是给定薄膜的厚度，λ是波长，而^*代表复共轭。

这里应该注意的是，可以在二者都作为波长λ的函数的相移β和折射率η分别被给定时计算薄膜的厚度。专利US5,042,949就是利用这种关系得到 薄膜厚度的一个实例。

在多层薄膜的情况下，不象用于单层薄膜的表达式[1]和表达式[2]那样，在第i层薄膜顶部和底部边界的光的电场和磁场具有下面表达式[3]给定的函数关系；

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Ei}\\ \mathrm{Hi}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{m}_{i,11}& m_{i,12}\\ m_{i,21}& m_{i,22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_{i+1}\\ H_{i+1}\end{array}\right]=M_i\left[\begin{array}{c}{E}_{i+1}\\ H_{i+1}\end{array}\right]---\[3\]$

其中i＝1，2，3，…，p，并且矩阵  $M_i=\left[\begin{array}{cc}{m}_{i,11}& m_{i,12}\\ m_{i,21}& m_{i,22}\end{array}\right]$ 是与第i层薄膜顶部和底部边界的电场和磁场有关的第i层薄膜的特征矩阵，对于第i层及对应波长，每个元素m_i，11、m_i，12m_i，21和m_i，22是复合折射率和厚度的函数。从表达式[3]中，薄膜的所有p级层的顶部和底部边界的电磁场都与通过下面的表达式[4]所示的函数关系有关，其中顶面交界处是空气和薄膜第p层顶面之间交界处，而底面交界处是薄膜第1层和衬底之间的交界处；

$\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ H_1\end{array}\right]=M_1{M}_2\·\·\·M_p\left[\begin{array}{c}{E}_{p+1}\\ H_{p+1}\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{E}_{p+1}\\ H_{p+1}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{21}& m_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_{p+1}\\ H_{p+1}\end{array}\right]---\[4\]$

其中特征矩阵  $M=\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{21}& m_{22}\end{array}\right]$ 是使矢量  $\left[\begin{array}{c}{E}_{p+1}\\ H_{p+1}\end{array}\right]$ 与矢量  $\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ H_1\end{array}\right]$ 相结合的函数关系。

第i级薄膜最上面的交界处和最下面的交界处的电磁场的边界条件产生下面的矩阵方程式；

$\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{iI}}+E_{\mathrm{rI}}\\ (E_{\mathrm{iI}}-E_{\mathrm{rI}}){\mathrm{\γ}}_o\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{iII}}\\ E_{\mathrm{iII}}{\mathrm{\γ}}_s\end{array}\right]$

并且通过一个元素一个元素地平衡上面的矩阵表达式，重新排列各项，得到下面的函数关系；

1+r＝m₁₁t+m₁₂γ_st

(1-r)γ_s＝m₂₁t+m₂₂γ_st                         [5]

其中  $r=\frac{E_{\mathrm{rl}}}{E_{\mathrm{il}}},$ $t=\frac{E_{\mathrm{tll}}}{E_{\mathrm{il}}},$ ${\mathrm{\γ}}_o=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_o}{{\mathrm{\μ}}_o}}{n}_o\cos {\mathrm{\θ}}_{iI},$ ${\mathrm{\γ}}_s=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_o}{{\mathrm{\μ}}_o}}{n}_s\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{iII}},$ r＝反射振幅系数， t＝透射振幅系数。解出上述表达式[5]的反射振幅系数r，得出下面的结果；

$r=\frac{{\mathrm{\γ}}_o{m}_{11}+{\mathrm{\γ}}_o{\mathrm{\γ}}_s{m}_{12}-m_{21}-{\mathrm{\γ}}_s{m}_{22}}{{\mathrm{\γ}}_o{m}_{11}+{\mathrm{\γ}}_o{\mathrm{\γ}}_s{m}_{12}+m_{21}-{\mathrm{\γ}}_s{m}_{22}}---\[6\]$

其中γ_o和γ_s分别是空气和样本衬底的复合折射率，m₁₁、m₁₂m₂₁和m₂₂是特征矩阵M的元素。可以通过表达式[4]所示的M₁M₂…M_p相乘得到m₁₁、m₁₂ m₂₁和m₂₂，并且这些元素是厚度d、反射光角度、和绝对折射率η的函数。另外，可以利用表达式[2]或R＝r·r^*得到绝对反射率R，其中^*代表复共轭。

根据本发明，可以如上所述从表达式[6]中获得给定反射率的理论表达式，因此，在通过测量获得反射率对波长的图形后，可以通过最小化利用表达式[6]所示的理论表达式计算的反射率和从前述反射率对波长图形测量到的反射率之间的误差来确定厚度和反射率。更具体地说，在上述表达式[6]中，由于反射率r是薄膜厚度的非线性函数，因此通过给厚度d指定一个值作为初始起点，并且利用理论表达式[6]得到反射率r的对应值，可以通过给定r得到薄膜厚度d的测量值，然后通过利用新的厚度值d反复重复这一过程，可以最小化测量到的反射率值和理论计算值之间的误差。理论上，如果测量到的反射率值完全匹配，那么误差变成零。而实际上，即使上面得到的薄膜厚度的“最佳”值是真值，通常在测量到的反射率值和计算值之间也存在误差。在这种情况下，通过利用作为“独立”变量的厚度值，并且通过将厚度的初始值设置为起点，可以利用表达式[6]计算反射率。然后，反射率结果值与测量值比较，计算误差，之后厚度值增量变化获得新的误差。用这种方式，通过正向或反向反复增量改变厚度值直到得到最小误差值可以使误差最小化。通过利用迭代试凑法这种最小化误差的过程，可以确定厚度的“最佳”值。根据本发明，由于反射率随波长变化，因此前述的最小化误差的过程并不简单，并且在这种情况下，应该通过最小化所有波长的误差和来执行最小化。对于这种情况，可以使用非线性最小化方法，使得误差之和最小。作为例子，可以使用最小化误差平方和的Lavenberg-Marquradt方法。

如前面所述，当相应的反射率已知时很容易获得折射率，反之亦然。但是，根据本发明，在薄膜折射率未知的情况下，可以利用象Cauchy模型 或Lorentz振荡器模型的特定数学模型来得到作为波长函数的薄膜的折射率分布。假设，在用数学模型表示薄膜的折射率时的情况下，根据选择的所述模型的理论反射率值和计算出的反射率值之间的误差被表示为所选模型的模型系数的函数。因此，为了找到最合适的模型系数值，利用前述迭代试凑法同样计算出折射率值和测量到的折射率值之间的最小误差。作为使用迭代试凑法的结果确定的模型系数值是所使用的模型的最佳值。换句话说，确定最佳的折射率，以使折射率误差最小。因此，与测量薄膜厚度的情况类似，可以在选择了所选折射率模型的系数作为独立变量后，通过对反射率误差采用前述“优化”方法获得作为波长函数的折射率的期望值。应该再次注意的是，可以很容易地从给定的反射率导出折射率，反之亦然。非线性误差最小化方法可以等同地用作上述的优化方法。

如上所述，根据本发明，为了“测量”二维矩阵型光检测器上每个像素区域的薄膜厚度和相应的折射率，对于每个所测量到的薄膜厚度和折射率的值，确定在衬底上对应所测量的厚度和折射率值的物理位置，从而获得衬底上给定像素区域的厚度轮廓和折射率分布。因此，将有关厚度轮廓和折射率值的信息与衬底上所述像素区域的对应物理位置一起以二维或模拟三维显示。特别地，在用模拟三维表示的情况下，可以很容易和高效地查看和理解衬底厚度轮廓的测量结果，另外，类似地，还可以很容易和高效地查看和理解衬底折射率的分布信息。

如上所述，根据本发明，当使用由二维排列矩阵型CCD传感器构造的光检测器时，只要衬底上要测量的目标区域位于光检测器的视线内，可测量衬底上光检测器的视线范围内任何位置的薄膜厚度。因此，与现有技术不同，它足够移动衬底载体一次，使得目标测量区域位于光检测器的视线范围内。就是说，只要目标测量区域在视线范围内，通过衬底载体驱动的设计就可以确定视线范围内目标测量区域的确切位置。因此，要作的一步就是在那个位置测量。因此，不象上述现有技术那样需要微机械手。

为了有效地执行测量，有时需要在衬底上的指定区域或沿给定图形测量薄膜的厚度和折射率。根据本发明，在这种情况下，通过改变软件可以很容易地执行必要的测量。换句话说，通过映射从二维矩阵型光检测器获 得的薄膜的厚度和折射率，可以很容易地获得对应于衬底上的目标测量区域的厚度和折射率的期望值。另外，可以利用软件程序执行前述过程。

在本发明中揭示了利用二维反射计的原理和使用图5中用来区分反射光波长的滤光轮534的测量方法测量薄膜的厚度轮廓和折射率的装置。根据本发明，可以使用图8中所示的线性可变滤光器或可以使用如图9中所示构造的局部圆形可变滤光器替代滤光轮，其中线性可变滤光器或局部圆形可变滤光器可以构造成与前述滤光轮类似的连续可变波长型或离散可变波长型。局部圆形可变滤光器可以构造成整圆型的可变滤光器或半圆型达到滤光器。另外这些滤光器特征可以是连续可变波长型的可变滤光器或离散同步可变型的滤光器组。根据本发明，在图5中，滤光轮534相对于转动轴536旋转，并且由象系统控制单元552或信息处理单元550这样的控制功能中的功能模块(未示出)控制这个旋转运动。

另外，根据本发明，参见图5，可以使用象液晶可调滤光器或声光可调滤光器这样的可调滤光器(虚线表示的模块)来代替光滤光轮538。例如，Chrien.T和Chovit.C揭示了液晶可调滤光器的原理和它的典型结构(由Jet Propulsion实验室的Tom Chrien和Chris Chovit以及剑桥研究与仪器公司的Peter Miller于1993年4月编写的“利用液晶可调滤光器的图像光谱测定法”)。美国Brimrose公司提出了声光可调谐滤光器的原理和它的功能结构[由美国Brimrose公司出版的“声光介绍”以及AOTF(声光可调滤光器)光谱学出版]。

参见图5，穿过代替滤光轮的可调滤光器539的入射光由作为窄带通过滤组的可调滤光器539“过滤”，其中在由信息处理单元550或系统控制单元552控制的所述可调滤光器内区分穿过可调滤光器539的光，并且在过滤过程中，与滤光轮类似，只选择或过滤一组指定波长。在功能上，可调滤光器的工作方式与滤光轮相同。但是，如果是可调滤光器，滤光器以电动方式工作来代替滤光轮的机械工作，因此滤光工作以毫秒(ms)级实时完成。这样，在生产线检查期间可以极大降低测量所需时间。

参见图5，测量装置具有从要测量的样本衬底上光交界处520反射的反射光穿过窄带通滤光轮534、可变滤光器或可调滤光器539，然后投影到二 维矩阵型CCD光检测器542的功能结构。根据本发明，由于可调滤光器539是电子滤光器，因此可以不需要二维光检测器542，另外，过滤功能和信号检测功能可以集成，于是功能结构可以设计和构造的更加高效。

如前所述，因为折射率被表示为薄膜厚度的非线性函数，因此薄膜的折射率和厚度具有非线性函数关系，实际的测量方法是利用迭代试凑法得到最佳厚度值。但是，例如，由于实际上可能存在一个以上的最小值，使得在要测量的薄膜厚度范围内为折射率误差寻找局部最小值存在困难。在这种情况下，所述装置的用户可以根据个人经验选择对应最佳合理最小值的厚度值。在这种情况下，根据本发明，可以使用紫外光源和红外光源。例如，如果要测量的薄膜厚度变薄，那么图3中的反射率图形趋向变“平”并且反射率值有变低的趋势。更具体地说，当使用可见光时，要测量的薄膜厚度的最小值限制在

范围内。另一方面，在紫外光的范围内，反射率图形向原点移动。因此当使用紫外光源时，测量到的薄膜厚度可以低到几十埃。与此相比，当只使用普通光源时，在薄膜的厚度很薄的情况下，图3中的反射率图形具有向原点方向移动的趋势，即在图3中出现很多波峰和波谷，于是可能出现许多反射率误差的局部最小值。因此，当使用象非线性函数的误差最小化方法这样的优化过程时，其结果可能具有收敛到全局最小化的不太好的趋势。但是，当使用具有几微米范围波长的红外光源时，图3中反射率图形具有进一步扩展的趋势，于是很容易找到局部最小值并且误差易于收敛，这样，可以很容易地测量到几十微米的薄膜厚度。

本发明前面所述的结构和它的工作只是解释了本发明的原理和实质，而不限于该原理和基本思想。本领域技术人员可以很容易理解本发明前面详细描述的内容并且很容易得出它们的变化。另外，与本领域有关的技术人员应该能够理解该原理和潜在的基本思想，并且通过上面呈现的本发明的详细描述经过广开思路后获得它们的扩展。

附图说明

图1A是解释现有反射计原理的现有技术的原理图。

图1B是位于图1A中的反射计使用的视屏中心上的小视孔的详细示意图。

图2是解释由于光入射到两层薄膜顶面而导致衬底上的多层薄膜交界处的各种光径的示意图。

图3是典型的反射图。

图4是使用用来收集和透射反射光的玻璃滤光管的现有技术的反射计的示意图。

图5是根据本发明用来测量厚度轮廓和折射率分布的装置的示意图。

图6是配备了多个滤光器的滤光轮的示例。

图7是表示利用滤光轮测量到的作为波长函数的反射率值的典型反射图。

图8是线性可变滤光器的原理图。

图9是局部圆形可变滤光器的原理图。

图10是利用滤光轮测量薄膜厚度和折射率的步骤的流程图。

具体实施方式

下面参考图5描述本发明的示例实施例。根据本发明用来测量厚度轮廓和折射率分布的装置具有图5所示的原理结构，并且主要包括光学单元，衬底载体平台524、526、528，图像采集和处理单元542、546，图像处理单元548，图像显示单元554、556，信息处理单元550，和系统控制单元552。

光学单元具有光源500，聚光透镜502，虹膜504，准值透镜506(第一准值透镜)，分光镜508，物镜510(第二准值透镜)，辅助透镜530(第三准值透镜)和配备了多个窄带通滤光器538的滤光轮534。衬底载体平台524、526、528由三部分组成：衬底载体524，衬底载体驱动526，和衬底载体控制器528。图像采集和处理单元542、546具有二维矩阵型光检测器542和帧捕捉器546。图像显示单元554、556具有图像识别单元554和监视器556。该装置还具有图像处理单元548和信息处理单元550。最后，该装置具有控制整个“系统”的系统控制器552和处理象打印机、记录装置、和信息发送和接收功能这样的输入和输出装置的输入和输出接口单元 558。

如发明内容部分详细描述的，这里呈现的装置是在衬底上以面代“点”的范围内能够测量薄膜厚度轮廓和折射率的通用目标测量设备。可以使用可见光、紫外光或红外光作为光源。在这里描述的最佳模式中使用的是可见光源。

这里揭示的利用可见光源的装置的最广泛的应用是测量象用于制造半导体元件的光阻材料(PR)的薄膜的厚度。光阻材料膜的厚度通常在0.3微米到3.0微米。使用涂有光阻材料膜的硅衬底作为样本衬底，并且使用具有已知反射率的光阻材料膜的标准衬底作为校准衬底。

光学单元与典型的显微镜具有非常相似的结构。作为光源，例如，可以使用广泛使用的钨卤素灯。反射光强度投影到光检测器542内安装的二维矩阵型CCD传感器，该反射光是从放置在衬底载体524上的具有已知反射率的标准衬底上的薄膜反射的，并且穿过窄带通滤光器538，然后投影到光检测器542。

接下来，样本硅衬底放置在衬底载体524上，与上述标准衬底载体的情况相似，并且利用具有光检测器542内安装的二维矩阵型CCD传感器的光检测器542测量反射光的强度。在这个过程中，入射到CCD光检测器542上的反射光穿过安装在窄带通滤光轮534上的窄带通滤光器538，于是反射光被过滤。因此，由实际使用的滤光器538确定用于测量的样本衬底所选区域的反射光强度，并且作为波长的函数给出。图6示出了该实施例使用的窄带通滤光轮534的原理图。参见图6，该最佳模式中使用的窄带通滤光轮634包括28个滤光器638，并且滤光器638的带通波长范围覆盖从400毫微米到最大800毫微米。在该滤光轮的中心放置了中心转动轴636。在图5中，该中心转动轴的编号为536。滤光轮634或534相对于该轴636转动，并且由系统控制单元552控制旋转运动。但是，可以由图像处理单元548或信息处理单元550执行控制功能。通常由软件执行窄带通滤光轮634的这种旋转运动，并且继续同步这种旋转运动直到完成了所有波长在样本薄膜520所选区域的反射率强度的测量。反射率是给定样本衬底的反射光强度和利用标准校准衬底测量到的入射光强度之比，即，反射率＝反射光强度/入射光强 度，并且反射率是波长的函数。图7示出了从测量到的反射光强度获得的反射率波形。

根据本发明，可以用图8中所示的线性可变滤光器800或图9所示的局部圆形可变滤光器900代替窄带通滤光轮534。当然，分别需要使这些滤光器运动的适当的驱动机制。即，如果是线性可变滤光器800，那么线性过滤器按线性运动，并且测量作为波长函数的投影到二维矩阵型光检测器542的反射光。如果是局部圆形可变滤光器900，以与滤光轮534或634相似方式转动局部圆形过滤器900。

另外，根据本发明，可以使用所图5中虚线块所示的液晶可调滤光器539或声光可调滤光器539。与滤光器不同，其中光直接穿过滤光器，可调滤光器539是间接电子滤光器并且可以用来代替图5所示的滤光轮534。可调滤光器的原理如下。入射到可调滤光器539的入射光被电子化地“过滤”，只有符合信息处理单元550或系统控制器单元552预置需求的入射光的指定波长成分才能被电子化地选定或区分，而在功能方式上，可调滤光器除了电子操作外与滤光器的工作方式相同。如果是可调滤光器，由于滤光功能是没有任何机械运动的电动工作，所以滤光过程只需几毫秒就可以完成。因此，与滤光器相比极大地降低了测量时间，因为滤光器为了覆盖波长的整个范围要花费很长时间来操作滤光轮。另外，根据本发明，带CCD传感器554的光检测器的功能可以很容易地与可调滤光器539集成。

对于滤光器或可调滤光器的物理位置，为了提高过滤器效率，过滤器可以放置在光源500和聚焦入射光的光检测器542之间光径上的任何位置。例如，光源500的前面，虹膜504的前面或虹膜504的后面，衬底上的焦点512之上，以及图5中放置过滤轮的过滤器的当前位置。在上述可能的位置中，最期望的位置是直接放在光源500的前面，因为这里的光噪音最小，因此过滤器产生“干净”信号，从而使过滤器高效率工作。另一方面，前述放置过滤器的可能位置在理论上可以是光源500和光检测器542之间光径上的任何位置。但是，从实际观点看，光源500和聚光的光检测器542之间的光径上的任何位置根据它的大小、结构和功能都是放置滤光器组的有效位置。

对于上述所有情况，穿过每个窄带通滤光器的反射光波长不是单波长，而是覆盖穿过它的光的窄带通范围的相当多的波长。因此，在光检测器542检测到的信号是使用的指定过滤器的窄带通范围内具有很多波长的反射光的平均强度。另外，由用于滤光器组的自动驱动单元自动控制线性可变滤光器或局部圆形可变滤光器的前述运动，于是可以测量反射光的强度。一旦测量到作为波长函数的从标准校准衬底和样本衬底反射的反射光的强度，通过用来自标准校准衬底的反射光强度去除来自样本衬底的反射光强度可以获得相对反射率。即，反射率＝来自样本衬底的反射光强度/来自标准校准衬底的反射光强度。结果，获得了如图7所示的反射率对波长的图形。

根据本发明，本实施例中使用的所述装置的光学单元与典型的光显微镜的结构类似，并且根据需要和使用可以选择使用可见光、紫外光和红外光作为光源。对于这个最佳模式，使用可见光源测量厚度和折射率。物镜510具有用来选择倍数的可调整设置，并且对于这种最佳模式使用50X的设置。从样本衬底捕获的图像具有覆盖大约60μm×80μm样本衬底区域的测量目标区域512。从该测量目标区域512返回的反射光穿过物镜510、分光器508、辅助物镜530和窄带通滤光器538，然后投影到感应和测量反射光强度的光检测器542内部安装的二维矩阵型CCD传感器上。如前所示，CCD矩阵传感器的面积等于样本衬底上大约60μm×80μm的面积，并且在该区域内感应到反射光640×480像素的分辨率。在CCD传感器542产生的电信号由帧捕捉器546捕获，并且存储在帧存储器(未示出)中。图像处理单元548分析帧存储器(未示出)中存储的图像，并且提取反射光的强度。

更具体地说，基本像素组单元定义为(3×3)个像素，称为基本图像处理单元，然后图像元素也定义为(32×32)个像素大小，因此每个图像元素包括大约121(11×11＝121)个基本像素组单元。利用该(32×32)个像素大小的图像元素对整个CCD传感器区域分区，此后，为每个图像区域计算在(32×32)个像素的图像区域上的反射光的平均强度，然后是CCD传感器区域的整个范围。对滤光轮534上的每个窄带通滤光器538重复反射光强度的感应、捕获和计算过程来获得CCD传感器区域整个范围内的作为 波长函数的反射光强度值。为了归一化样本衬底的反射光强度，对每个波长以及在CCD传感器区域的整个范围利用标准校准衬底预先测量到的标准反射光强度分割这些反射光强度，于是获得图7所示的反射率波形。在执行这里显示的本发明的最佳模式中，为了计算总共640×480个像素的CCD传感器的整个范围和所用的过滤轮534中所有28个窄带通过滤器538的反射光强度，用(35×35)个像素大小的基本像素组单元对整个(640×480)的CCD传感器分区，所以执行的计算总数为[(640×480)/(35×35)]×28，总数为7022次计算。因此，对于每个图片帧，对每个波长执行(640×480)/(35×35)次的反射光强度的计算，大约为每帧251次计算。在图像处理单元548中执行这些计算步骤。

如本发明详细描述部分所描述的，利用误差最小化方法测量衬底上光阻材料膜的厚度，并且由信息处理单元550执行必要的计算。根据本发明，作为替换，也可以用图像处理单元548来执行这些计算。并且如前所述，绘制来自样本衬底上光阻材料膜的反射光强度与作为波长函数的来自标准校准衬底上的光阻材料膜的反射光强度的比例从而获得如图7所示的反射率波形。反射率的值临时存储在存储器(未示出)用于后面计算所述光阻材料膜的厚度。根据本发明，也可以不用临时存储的反射率数据执行厚度的计算。对于这种最佳模式，临时存储测量到的反射率数据然后在图像处理单元548中执行厚度计算。

根据本发明，在本发明详细描述部分中，表达式[2]表示为单层薄膜情况下的反射率的平方。即，反射率是  $\left|r\right|=\sqrt{R}=\sqrt{r\·r^{*}},$ 其中r是表达式[1]中复数的复数反射率，并且该复数反射率r是薄膜厚度d的函数，另外R是绝对反射率。在薄膜厚度的实际计算中，测量到的反射率和计算出的反射率分别被称为r_m和  $r_c=\sqrt{R},$ 由  $r_e=|r_c-r_m|=|\sqrt{R}-r_m|$ 得出反射率误差，其中R、r_m、r_c和r_e都是实数。结果是，在为d₁选择一个值以初始化该迭代计算过程，并且利用表达式[2]计算第一个计算的反射率r_c1后，从r_e1＝|r_c1-r_m1|的关系获 得第一误差r_e1。接下来，厚度被递增地改变，即，d₂＝d₁+Δd，其中Δd是增量值，以及计算出第二个计算的反射率r_c1后，接着计算第二反射误差r_e2。这里，如果反射率误差r_e2小于r_e1，那么厚度值d会进一步增加，继续该过程，直到反射率误差最小。另一方面，在所述迭代计算过程中，如果反射率的误差增加，那么厚度值减小，继续迭代计算过程，其中选择较小的Δd。同时，对于为d₁所选的初始值，如果第二反射率误差r_e2大于第一反射率误差r_e1，那么厚度值递减并且继续该迭代误差计算过程。在这个迭代误差计算过程中，如果反射率误差增加，那么与上述计算相似，厚度值递增。重复该迭代计算过程直到得到反射率误差的最小值，于是就能确定光阻材料膜的厚度。在执行这种迭代试凑法中，通过利用前述(3×3)大小的基本像素组单元作为例子，计算对应该基本像素组单元的所述光阻材料膜的厚度，并且通过进一步对所有28个滤光器在整个CCD传感器区域内所有基本像素组单元执行所有计算，获得光检测器542整个范围内样本衬底上光阻材料膜的厚度轮廓测量所需的值作为波长的函数。结果作为二维图像显示在监视器556上，也可以是模拟的三维图像。

如图7所示，反射率是反射光的波长的函数，并且迭代薄膜厚度“测量”过程重复次数等于所用滤光器的个数。例如，在本发明的最佳模式中使用了28个滤光器。因此，要执行28次计算，并且最终将28个结果相加来确定衬底上光阻材料膜的最终厚度值。

如前所述，利用范围在到

的可见光源可以测量薄膜的最小厚度。因此，如果要测量的薄膜厚度小于

那么最好用紫外光源测量厚度。即，薄膜厚度越薄，要使用的光源的波长越短。较薄薄膜的结果以“密集”波形出现在靠近图7中的原点。当使用紫外光源时，窄带通滤光器的波长必须变短。例如，在本发明的最佳模式中，滤光轮534上安装的28个滤光器538的波长的“带”必须变为短波长，即必须用另一组波长较短的滤光器代替滤光器组538。另一方面，如果要测量的薄膜厚度变厚，即，例如，如果它的范围从5μm到10μm，那么如果用红外光源代替可见光，则厚度测量变得容易，并且在这种情况下，图7中的反射率波形从原点展开。在这种情况下，必须用具有较长波长的一组新的窄带通滤光器代替滤 光轮534上安装的滤光器组538。其余的图像处理部分无论是使用紫外光源或是红外光源都与使用可见光源的情况相同。

由图像处理单元548通过帧捕捉器546接收到的衬底的图像信息是由光检测器542上安装的二维矩阵型CCD传感器感应到的光强度，其中基本像素组单元的大小是(3×3)个像素并且该(3×3)个像素大小的基本像素组单元的实际位置被定义为该像素组的位置。由滤光轮534上的窄带通滤光器538的物理位置确定对应前述基本像素组单元的有关波长的信息，并且该有关波长的信息被直接从滤光轮534经图像处理单元548和系统控制单元552之间的链路发送到图像处理单元548和系统控制单元552。在执行这里呈现的本发明的最佳模式中，由于系统控制单元552控制滤光轮534，所以由系统控制单元552确定波长信息。在上述帧捕捉器546中的图像捕获过程期间，(3×3)个像素的基本像素组单元的光强度信息和对应的波长信息彼此同步。

在利用具有光强度测量值的表达式[2]迭代计算反射率  $r_c=\sqrt{R}$ 时，还需要每个(3×3)个像素大小的基本像素组单元的相应物理位置和波长以及为光阻材料膜的厚度选定的初始值。特别地，表达式[2]包含大量常数和系数以及正弦和余弦函数。另外，迭代计算r_c的值直到反射率误差r_e＝|r_c-r_m|最小，因此需要重复计算表达式[2]很多次。根据本发明，为了减少计算次数，计算表达式[2]在整个重复和迭代计算过程中不变的部分，结果值事先存储在存储器中，然后以“查表”的形式使用，这样可以加快重复和迭代计算的过程。这里，表达式[2]为了这个目的的分区方式取决于这里呈现的所述装置的功能设计者的技术和经验，但是对装置的这种分区可以设计为用户可选和菜单驱动的特征。

前述被称作平均反射率误差“最小化的计算过程”相当复杂，因为这个过程包括计算整个波长范围内作为波长函数的反射率误差的步骤和最小化所计算反射率误差平均值的步骤，其中为每个(3×3)个像素大小的基本像素组单元计算反射率误差需要3×3＝9次的像素操作并且在(640× 480)个像素大小的整个CCD传感器区域上，该过程重复28次来覆盖滤光轮534上的整组滤光器538。另外，在给定基本像素组单元的位置，对应的反射率误差r_e是未测量的反射光厚度和波长的非线性函数，因此需要迭代和重复采用被称作非线性误差最小化的过程。根据本发明，作为例子，可以使用Levenberg-Marquardt的平方非线性误差最小化的方法作为非线性误差最小化过程的方法。即，迭代最小化r_e ²＝|r_c-r_m|²的值。然而，也可以使用类似的误差最小化方法代替。

在这里呈现的最佳模式中，因为已知光阻材料膜给定层的反射率已经被测量，所以给定样本衬底上的薄膜的折射率是已知的。但是，有时给定薄膜的折射率是未知的。在这种情况下，揭示了利用Cauchy模型或Lorentz震荡器模型来取得折射率的方法。(H.G.Tompkins和W.A.McGahan，JohnWiley于1999年发表的“分光镜的椭圆偏光法和反射计”)。当利用上述指定模型模仿给定薄膜的折射率时，理论反射率(或折射率)和所测量的反射率之间的误差表示为所选模型的模型系数的函数，并且当具有给定模型系数的所选模型的值最接近实际折射率值时，反射率误差最小。在这种情况下，通过在将模型系数设置为独立变量后对反射率误差应用最小化方法来获得作为波长函数的折射率。对于优化方法，与前述方法类似，可以使用非线性的误差最小化方法。

上述相当复杂的计算过程是由图像处理单元548以及信息处理单元550执行的，其中功能包括提取计算反射率误差所需的测量到的反射率值，计算反射率误差，优化反射率、误差以及当折射率未知时计算折射率。但是，图像处理单元548和信息处理单元550之间的功能划分通常根据系统设计者设计的软件程序来实现，另外图像处理单元548和信息处理单元550可以根据所述装置的设计需求和需要通过设计合并成一个处理单元。对于这里呈现的最佳模式，图像处理单元548和信息处理单元550表示为图5中所示的两个独立功能模块。为了更有效地利用所述查阅表，通常希望计算系统有这种方式的结构，即，图像处理单元548和信息处理单元550紧密合作来执行各自功能。

在本发明的另一个方面中，如前所述由帧捕捉器546提取对应给定基本像素组单元的信号，然后发送到图像识别单元554，处理衬底表面上所选区域的图像，即，穿过图5中窄带通滤光器538的衬底表面的图像信号，然后由图像重组器554重新构造原始图像，并且通过监视器556的屏幕显示。装置使用者在监视器屏幕上指定希望测量的区域和为指定测量所需的计算。在这个阶段，为了缩短测量时间，用户可以指定样本衬底上薄膜表面有限的区域来测量，并且可以只显示穿过窄带通滤光器538的由光投影到整个测量区域的图像。监视器屏幕556显示的图像信息包括衬底的表面图像条件，薄膜的厚度轮廓，折射率分布，反射率分布，样本衬底表面上有兴趣测量的点的X-Y坐标，有关窄带通过滤轮534的信息，和其中所选测量区域的图像的乘法因数。

为了在衬底上的多个测量范围内测量薄膜的厚度轮廓和折射率分布，根据本发明，对光单元中的物镜510采用自动对焦的特征，图5中物镜510和衬底514之间的相对位置在X-Y-Z轴的三个方向上移动，并且由通过衬底载体平台控制器528控制的衬底载体驱动单元526驱动在其上面装载衬底的衬底载体524。

根据本发明，由系统控制器552执行测量薄膜厚度轮廓和折射率分布的前述装置的总控制，系统控制器552基本上包括微处理器(未示出)或微电脑(未示出)或微控制器(未示出)和一组支撑特征和功能以及各种存储器(未示出)和I/O单元(输入和输出)。系统控制器552被主要划分为一组硬件和一组软件。硬件通常包括微处理器、主存储器集、硬盘、I/O接口单元、象打印机、显示器的I/O设备和通信设备。软件主要包括，例如，初始化程序和主控制程序。系统控制器单元552通常控制和管理计算薄膜厚度和折射率分布的多个不同部分和函数。如图5所示，作为典型的例子，本发明的装置包括光学单元，衬底载体平台控制器528，窄带通滤光轮534，光检测器542上安装的二维矩阵型CCD传感器，帧捕捉器546，信息处理单元550，图像处理单元548，图像识别单元554，显示监视器556，并且所述测量装置还控制和管理所有机械运动、复杂的计算以及信息处理功能。

上述执行本发明的最佳模式只是说明这里揭示的本发明基本原理和 工作的例子，并不限制本发明基本原理和构思的范围。本领域技术人员可以通过这里呈现的执行本发明的最佳模式开阔思路，很容易理解和扩展本发明的根本原理和基本想法。

工业实用性

根据这里呈现的本发明测量薄膜厚度轮廓和折射率分布的装置和方法测量所选区域范围的所述厚度轮廓和折射率，用户可以从更开阔的视野看到薄膜的状态和特征，来代替在选定的“点”测量厚度和折射率，即点测量。因此，由于本发明的装置测量衬底上大范围测量区域的厚度轮廓和折射率，所以根据本发明在这里呈现的装置和方法与点测量装置相比提供了更可靠的数据，并且与点测量相比提供了更准确和有用的信息。另外，本发明的显示监视器显示用二维或三维显示所选测量区域的图像。根据本发明，作为可见光源以外的光源，可以很容易地使用具有合适窄带通可变过滤器组的紫外光源和红外光源来测量薄膜的薄厚来代替利用可见光源测量薄膜的厚度。另外，因为根据本发明一个方面的窄带通滤光轮与利用单独的滤光器相比工作更快，所以与常规装置相比，测量厚度和折射率的测量速度更快。另外，根据本发明，测量的分辨率更高，因此对每个像素组在整个测量范围内通过在原处执行厚度轮廓和折射率分布的计算，可以测量和检查到薄膜表面状态的局部变化。根据本发明的另一个方面，因为厚度和折射率的测量结果用二维或三维图像显示在监视器上，所以可以检查和评估表面条件、厚度轮廓和折射率变化，于是用户可以对要测量的薄膜状态和特征做可靠和坚实的判断。因此，根据本发明，利用二维矩阵型CCD传感器对厚度轮廓和反射率分布的二维测量和表示与常规点测量装置相比更可靠而且包含更多的信息。

Claims (35)

1.一种用于测量薄膜的薄膜厚度和折射率值的装置，所述装置包括：

衬底载体单元，包括：

样本载体，用于支撑并移动上面具有薄膜的衬底，

驱动部分，用于驱动所述样本载体，和

控制部分，用于控制所述驱动部分；

包括光源的光学单元，向由衬底载体支撑的衬底上辐射所发射的入射光；

滤光器单元，对特定波长范围的、辐射到衬底上的入射光或从衬底反射的光有选择地进行滤光；

二维光检测器，用于以二维来检测从衬底反射的光，所述光具有由滤光器单元选择的特定波长范围；

图像捕捉单元，用于获得由二维光检测器检测的反射光中包括的图像信息；

图像处理单元，用于利用由所述图像捕捉单元获得的反射光中包括的图像信息，提取反射光的强度，并在像素等级获得作为波长函数的反射率曲线；和

信息处理单元，用于利用非线性误差最小化方法，根据由所述图像处理单元获得的反射率和理论上获得的反射率来计算薄膜的薄膜厚度和折射率值。

2.根据权利要求1所述的装置，其中形成在衬底上的薄膜是单层或多层的。

3.根据权利要求2所述的装置，其中形成在衬底上的薄膜包括光阻层。

4.根据权利要求1所述的装置，测量衬底上形成的薄膜的特定区域的特性。

5.根据权利要求1所述的装置，其中通过移动所述衬底载体来测量薄膜中的多个区域的特性。

6.根据权利要求1所述的装置，其中光学单元包括从由可见光源，紫外光源，和红外光源组成的组中选择的光源。

7.根据权利要求1所述的装置，其中光学单元包括对从光源辐射的光聚光的聚光透镜和控制入射到衬底上的光的尺寸的光阑。

8.根据权利要求1所述的装置，其中滤光器单元对特定波长范围的光就波长而言间断地进行滤光。

9.根据权利要求8所述的装置，其中滤光器单元由包括多个滤光器的滤光轮构成，每个滤光器对具有特定波长范围的、处于转动轴周围的光有选择地进行滤光。

10.根据权利要求8所述的装置，其中滤光器单元由可调滤光器构成，所述可调滤光器只选择或过滤一组指定波长的光。

11.根据权利要求10所述的装置，其中可调滤光器是液晶可调滤光器或声光可调滤光器。

12.根据权利要求1所述的装置，其中滤光器单元对特定波长范围的光就波长而言连续地进行滤光。

13.根据权利要求12所述的装置，其中滤光器单元由包括多个滤光器的滤光器轮构成，每个滤光器对具有特定波长范围的、处于转动轴周围的光有选择地进行滤光。

14.根据权利要求12所述的装置，其中滤光器单元由线性可变滤光器构成。

15.根据权利要求12所述的装置，其中滤光器单元由圆形可变滤光器或局部圆形可变滤光器实现。

16.根据权利要求1所述的装置，其中滤光器单元布置在光源和二维光检测器之间的光径上。

17.根据权利要求16所述的装置，其中滤光器单元布置在刚好在二维光检测器之前的光径上。

18.根据权利要求1所述的装置，其中二维光检测器是由电荷耦合器件实现的。

19.根据权利要求1所述的装置，其中图像处理单元根据从由图像捕捉单元捕捉的图像信息中提取的反射光的强度来产生用于绘制反射率对波长的曲线的数据。

20.根据权利要求1所述的装置，其中从由厚度，厚度轮廓，和折射率分布组成的组中选择由信息处理单元计算的薄膜的特性。

21.根据权利要求1所述的装置，其中信息处理单元利用非线性误差最小化方法计算薄膜的薄膜厚度和折射率值。

22.根据权利要求1所述的装置，还包括电荷耦合器件和显示由图像处理单元计算的反射率和信息处理单元计算的薄膜的薄膜厚度和折射率值的监视器。

23.根据权利要求1所述的装置，还包括系统控制单元，所述系统控制单元用于控制图像处理单元，信息处理单元，和控制部分。

24.根据权利要求22所述的装置，其中监视器以二维或三维显示薄膜的特性。

25.一种测量薄膜的薄膜厚度和折射率值的方法，该方法包括：

在衬底上设置薄膜，以便使用衬底载体对待测量的薄膜的特定区域正确地定位；

向衬底辐射光；

对特定波长范围的光有选择地进行滤光；

二维检测已经被滤光并从衬底反射的光；

获得检测到的反射光中包括的图像信息；

从所述图像信息提取反射光的强度，并在像素等级获得作为波长函数的反射率曲线；

使用非线性误差最小化方法，根据由图像处理单元获得的薄膜的反射率和由信息处理单元理论上获得的反射率来计算薄膜的薄膜厚度和折射率值；和

在监视器上显示薄膜的薄膜厚度和折射率值。

26.根据权利要求25所述的方法，其中计算薄膜的反射率包括比较从衬底上的薄膜反射的光的强度和入射到参考衬底上的光的强度。

27.根据权利要求25所述的方法，还包括在计算了薄膜的特定区域的反射率之后，移动衬底并计算薄膜的另一个区域的反射率。

28.根据权利要求25所述的方法，其中利用薄膜的反射率计算薄膜的特性包括利用使测量的反射率和理论反射率之间的误差最小的非线性误差最小化方法计算薄膜的厚度。

29.根据权利要求28所述的方法，其中根据薄膜的厚度和反射率计算薄膜的厚度轮廓和折射率分布。

30.根据权利要求25所述的方法，其中在光辐射到衬底上的过程中，用更短波长的光测量更薄的薄膜。

31.根据权利要求30所述的方法，其中能够使用可见光测量的薄膜的最小厚度的范围是从至

32.根据权利要求25所述的方法，其中利用辐射到特定区域中的一组像素上的光的强度，通过像素显示的图像的位置，辐射到像素上的光的波长，和任意定义的薄膜的初始厚度值反复地计算薄膜反射率的计算，以使反射率测量中的误差最小。

33.根据权利要求32所述的方法，其中使用查阅表来节省计算时间。

34.根据权利要求25所述的方法，其中在对特定波长范围的光有选择地进行滤光的过程中，就波长而言间断地对该特定波长范围的光进行滤光。

35.根据权利要求25所述的方法，其中在对特定波长范围的光有选择地进行滤光的过程中，就波长而言连续地对该特定波长范围的光进行滤光。

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