TW201638552A - 測量薄膜厚度的方法 - Google Patents

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Abstract

本案揭示一種測量薄膜厚度之方法，該方法包括以下操作：獲得反射率，假定折射度，執行轉換，決定誤差，擷取相位，復原相位及計算厚度。在獲得反射率之操作中，獲得薄膜之光强度信號並基於光强度信號獲得薄膜之反射率。在假定折射度之操作中，假定空氣之折射度及薄膜之折射度為實數，且假定利用該薄膜形成之基板的折射度為複數。在執行轉換之操作中，將反射率轉換為正規反射率。在決定誤差之步驟中，決定第一差值或第二參考值是否在預設誤差範圍內，該第一差值指示轉換正規反射率之最大值與第一參考值之間的差異，該第二參考值指示轉換正規反射率之最小值與第二參考值之間的差異。在擷取相位之操作中，如若第一差值或第二差值在誤差範圍內，則擷取相位。在復原相位之操作中，復原擷取相位。在計算厚度之操作中，基於復原之相位而計算出薄膜厚度。

Description

測量薄膜厚度的方法
本發明係關於測量薄膜厚度之方法，及更特定係關於測量薄膜厚度之方法，該方法可便利及快速地測量薄膜厚度。
隨著所有最近的工業領域中技術的快速發展，已需要微型製造用於半導體、微機電系統(microelectromechanical system；MEMS)、平板顯示器、光學組件等等，且目前需要奈米規模之超精度製造。此外，所需製造圖案已變得複雜，及因此，測量精細薄膜厚度越來越重要。
已經廣泛用於測量薄膜厚度及反射率的設備基於反射測量術。在廣義上被稱作薄膜層測量系統之反射儀是非接觸及非破壞式測量設備，該設備可測量多層薄膜特性，並無需特定準備或製程即可直接測量目標物件。
習用反射儀利用來自白光源之光以預定間隔執行盡量多波長之掃描，並經由黑白攝影機獲得各別波長下之光强度信號。然後，在各別波長下所獲得的複數個光强度信號經合成以繪製反射率與整體光譜對比之圖，且由此能够基於反射率圖表而測量薄膜厚度。
在測量厚度之習用方法中，測量待測薄膜之反射率，然後從一表中讀取厚度，在該表中已先行列入對應於使用標準樣本測得之反射率的厚度。換言之，測量待測薄膜之反射率，然後從基於標準樣本之查找表中讀取該厚度。
然而，測量厚度之習用方法存在問題，亦即在收集標準樣本資料時產生之誤差應用於將實際生產的全部基板，且每當製程變更，便必須立即建立關於厚度與新標準樣本之反射率的資料庫。
因此，本發明係構想來解決前述問題，且本發明之一態樣將提供測量薄膜厚度之方法，在該方法中決定薄膜之消光係數，並由反射率直接計算相位，無需構建關於標準樣本之厚度與反射率關係的資料庫，由此便利及快速地測量薄膜厚度。
依據本發明之一實施例，提供一種測量薄膜厚度之方法，該方法包括：獲得薄膜之光强度信號及基於該光强度信號而獲得薄膜之反射率；假定空氣之折射度及薄膜之折射度為實數，且假定利用該薄膜形成之基板的折射度為複數；將反射率轉換為正規反射率；決定誤差是否在預設誤差範圍內，無論指示轉換正規反射率之最大值與第一參考值之間差異的第一差值還是指示轉換正規反射率之最小值與第二參考值之間差異的第二參 考值；如若第一差值或第二差值在誤差範圍內，則擷取相位；復原擷取相位；及基於復原相位而計算薄膜厚度。
在決定誤差之後，如若決定第一差值或第二差值超出誤差範圍，則該方法可進一步包括：補償正規反射率，以使得第一差值或第二差值可處於誤差範圍內。
第一參考值可為1，而第二參考值可為-1。
1‧‧‧空氣
2‧‧‧薄膜
3‧‧‧基板
4‧‧‧物件
100‧‧‧反射儀
110‧‧‧白光源
120‧‧‧分束器
130‧‧‧攝影機
140‧‧‧影像處理器
本發明之上述及/或其他態樣將根據以下結合附圖對示例性實施例之描述而顯而易見並更易於瞭解，在該等附圖中：第1圖是一視圖，該圖圖示用於實現根據本發明的測量薄膜厚度之方法之反射儀；第2圖是一流程圖，該圖順序圖示根據本發明之實施例的用於測量薄膜厚度之方法；第3圖是一視圖，該圖圖示藉由第2圖之方法測量之薄膜；第4圖是一視圖，該圖圖示在第2圖之方法中獲得並轉換反射率之操作；第5圖是一視圖，該圖闡明在第2圖之方法中補償正規反射率之操作；及第6圖是一視圖，該圖闡明第2圖中擷取相位之操作。
在下文中，將藉由參考附圖而詳細描述根據本發明的測量薄膜厚度之方法的實施例。
第1圖是一視圖，該圖圖示用於實現根據本發明的測量薄膜厚度之方法之反射儀；第2圖是一流程圖，該圖順序圖示根據本發明之實施例的用於測量薄膜厚度之方法；第3圖是一視圖，該圖圖示藉由第2圖之方法測量之薄膜；第4圖是一視圖，該圖圖示在第2圖之方法中獲得並轉換反射率之操作；第5圖是一視圖，該圖闡明在第2圖之方法中補償正規反射率之操作；及第6圖是一視圖，該圖闡明第2圖中擷取相位之操作。
請參看第1圖，用於實現測量薄膜厚度之方法的一般反射儀包括白光源110、分束器120、攝影機130，及影像處理器140。在此示例性實施例中，將藉由實例方式描述：將在此示例性實施例中由反射儀100測量之物件4包括基板3及塗覆至基板3上之薄膜2。此外，薄膜2之頂部曝露於空氣1。
白光源110是用於發射白光之光源，且可包括鹵素燈、發光二極體(light emitting diode；LED)等等。在白光源110背側，可配置用於準直自白光源110發出的白光之準直透鏡或類似物。
分束器120將來自白光源110之光發射至物件。此外，自物件4反射之光經由分束器120進入攝影機130，且此舉將在下文中描述。
攝影機130排列在物件4上方且獲得自物件4反射之光的光强度信號。
一般而言，攝影機130包括電荷耦合裝置(charge coupled device；CCD)攝影機，該攝影機具有對待測區域而言適合數目之像素。在攝影機130前方，聚光透鏡可經排列以匯聚來自分束器120之入射光。
影像處理器140相對於整體光譜而計算反射率圖表。
然後，如若將與自物件4反射光之的整體光譜相對比之光强度信號除以與入射至物件4之光的整體光譜相對比之光强度信號，則可繪製與整體光譜相對比之反射率圖表。
在薄膜2上各別位置處生成前述反射率圖表之後，可基於反射率圖表而在對應之位置處測量薄膜2之厚度。因為基於反射率圖表測量薄膜2厚度之方法係為該項技術之一般技術者所熟知，因此將省略其詳細描述。
下文中，將根據本發明之實施例而描述經由反射儀100測量薄膜厚度之方法。
請參看第2圖至第5圖，根據本發明之實施例，測量薄膜厚度之方法包括以下操作：獲得反射率、假定折射度、執行轉換、決定誤差、補償正規反射率、擷取相位、復原相位，及計算厚度。
在獲得反射率之操作步驟中，獲得薄膜2之光强度信號，然後基於光强度信號決定薄膜2之反射率R。
在此處，藉由將與自物件4反射之光的整體光譜相對比之光强度信號，除以與入射至物件4之光的整體光譜相對比之光强度信號，可決定相對於整體光譜之反射率R。
所獲得之反射率R由以下方程式[1]表示。
其中，R是反射率，r12是空氣1與薄膜2之間界面的菲涅耳(Fresnel)反射係數，r23是薄膜2與基板3之間界面的菲涅耳反射係數，而β是光通過薄膜2時之相位變異。
β由以下方程式[2]表示。
其中，d是薄膜2之厚度，λ是光的波長，N2是薄膜2之折射度，而θ2是空氣1與薄膜2之間界面的折射角。
在假定折射度之操作中，假定空氣1之折射度N1及薄膜2之折射度N2為實數，且假定利用薄膜2形成的基板3之折射度N3為複數。
每一折射度可由N=n-ik(其中，n是折射係數，且k是消光係數)表示。假定空氣1之折射度及薄膜2之折射度為實數，此意謂著空氣1之折射度N1中與薄膜2之折射度N2中之消光係數(k)是0，且基板3之折射度N3中之消光係數(k)不是0。
在執行轉換之操作中，將反射率R轉換為正規反射率R’。
在方程式[1]中，空氣1與薄膜2之間界面的菲涅耳反射係數r12及薄膜2與基板3之間界面的菲涅耳反射係數r23分別由以下方程式[3]及[4]表示。
其中，N1是空氣之折射度，N2是薄膜之折射度，N3是基板之折射度，θ1是空氣1與薄膜2之間界面的入射角，θ2是空氣1與薄膜2之間界面的折射角，且θ3是薄膜2與基板3之間界面的折射角。
因為假定空氣之折射度N1及薄膜之折射度N2為實數，因此r12是實數。同樣，由於假定基板之折射度N3為複數，因此r23是複數。因此，r23由以下方程式[5]表示。
r 23=A+iB...[5]
如若方程式[5]及下文方程式[6]應用於方程式[1]，則反射率R由以下方程式[7]表示：exp(-i2β)=cos(2β)-i˙sin(2β)...[6]
如若將『Acos(2β)+Bsin(2β)=X』代入方程式[7]，則X由以下方程式[8]表示：
然後，由以下表達式[9]獲得正規反射率R’，表達式[9]將A及B用於方程式[5]中並將X用於方程式[8]中。
在決定誤差之操作中，決定第一差值是否在預設誤差範圍內，該第一差值指示在轉換操作步驟中轉換之正規反射率R’的最大值11與第一參考值之間的差異。
請參看第4圖，由方程式[8]獲得的正規反射率R’以圖表形式表示。在假定折射度之前述操作中，如若假定薄膜之折射度N2為實數之舉是正確的，則正規反射率R’之最大值11近似於第一參考值，例如近似於1。
如若指示正規反射率之最大值11與第一參考值之間差異的第一差值在預設誤差範圍內，則假定薄膜之折射度N2為實數之舉是正確的。
同時，不決定指示正規反射率之最大值11與第一參考值之間差異的第一差值，而是可決定指示在轉換操作步驟中轉換的正規反射率R’之最小值12與第二參考值之間差異的第二參考值是否在預設誤差範圍內。如若第二差值在預設誤差範圍內，則假定薄膜之折射度N2為實數之舉是正確的。在此情况下，第二參考值是-1。
在補償正規反射率之操作中，如若決定第一差值或第二差值超出誤差範圍，則補償正規反射率以便使得第一差值或第二差值在誤差範圍內。
第5圖圖示當第一差值或第二差值超出誤差範圍時之正規反射率21，及當補償第一差值或第二差值以處於誤差範圍內時之正規反射率R’。
如若第一差值或第二差值超出誤差範圍，則正規反射率R’由傅立葉轉換、小波變換或類似方法補償，以使得第一差值或第二差值可在誤差範圍內。換言之，當第一差值或第二差值超出誤差範圍時之正規反射率21經校正為當第一差值或第二差值處於誤差範圍內時之正規反射率R’，以使得正規反射率之最大值11可近似於第一參考值，或正規反射率之最小值12可近似於第二參考值。
在擷取相位之操作步驟中，如若無需補償正規反射率或在補償正規反射率之後，第一差值或第二差值處於誤差範圍內，則擷取相位β。
自使用三角函數的方程式[8]中擷取之相位β由以下方程式[9]表示。
在復原相位之操作中，復原在相位擷取操作中擷取之相位。
由於相位模糊，在相位擷取操作中擷取之相位31與實際相位32相差達π之整數倍。將此相位模糊計入，擷取相位31復原至實際相位32。
在厚度計算之操作中，基於在相位復原操作中復原之相位32而計算得出薄膜2之厚度d。在此，如若考慮相位模糊之實際相位32與理論相位被代入方程式，然後由線性方程式解出，則可能計算薄膜厚度d。
由於復原相位及計算厚度之操作通常由使用反射儀以用於測量薄膜厚度的該項技術之一般技術者使用，因此將省略該等操作之詳細描述。
如上所述，根據本發明之實施例，測量薄膜厚度之方法無需構建關於標準樣本之厚度與反射率關係的資料庫即可決定薄膜消光係數，且基於反射率而直接計算相位，由此便利及快速地測量薄膜厚度。
根據本發明之實施例，測量薄膜厚度之方法可便利及快速地測量薄膜厚度。
儘管已經展示及描述本發明之少數示例性實施例，但彼等熟習該項技術者將理解，可在不脫離本發 明原理及精神的前提下對該等實施例進行變更，本發明之範疇在所附申請專利範圍及其等效內容中界定。

Claims (3)

  1. 一種用於測量一薄膜之厚度之方法，該方法包括以下步驟：獲得一薄膜之一光强度信號，並基於該光强度信號獲得該薄膜之反射率；假定空氣之折射度及該薄膜之折射度為一實數，且利用該薄膜形成之一基板之折射度為一複數；將該反射率轉換為正規反射率；決定一誤差是否在一預設誤差範圍內，該誤差是一第一差值或一第二參考值，該第一差值指示該轉換該正規反射率之一最大值與一第一參考值之間的差異，該第二參考值指示該轉換正規反射率之一最小值與一第二參考值之間的差異；如若該第一差值或該第二差值在該誤差範圍內，則擷取一相位；復原該擷取相位；及基於該復原相位計算該薄膜之該厚度。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：在決定該誤差之後，如若決定該第一差值或該第二差值超出該誤差範圍，則補償該正規反射率，以使得該第一差值或該第 二差值可處於該誤差範圍內。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該第一參考值是1，而該第二參考值是-1。
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