TW201704719A - 從一樣本堆疊中判斷層的厚度的方法與組件 - Google Patents

從一樣本堆疊中判斷層的厚度的方法與組件 Download PDF

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Abstract

一種用於在至少兩層樣本堆疊中判斷層的厚度的方法，該方法是以一組件進行判斷。該組件包括一光源與一偵測器。該光源適於照射層的堆疊；該偵測器適於在一已定義的波長範圍中偵測被堆該疊層反射的光。該方法包括一第一步驟：從校準步驟中取得一校準曲線，提供兩個或更多具參考堆疊的層，每一個參考堆疊的層具有已知的厚度、與樣本堆疊相同的材料、以及層的生成是與樣本堆疊之順序相同；以從光源發出的光線照射該參考堆疊；以及，在第一波長範圍中，以偵測器偵測被該參考推疊反射的光線強度。進一步的步驟還包括：以從該光源發出的光線照射該樣本堆疊；以及，在第一波長範圍中，以偵測器偵測被該樣本推疊的層所反射的光線強度；以及，經由來自該校準曲線之手段的偵測器所偵測的光線強度，判斷該樣本堆疊中層的厚度。其中，該校準曲線是從該參考堆疊中取得，另一個不同層的厚度，不同的層也是已知，因此在第一波長範圍中提供校準曲線的一第一系列；為了一個進一步的波長範圍，一第二多個校準曲線是經由與該第一系列相同的手段取得；以及，樣本堆疊中之層的厚度是由該光線強度所判斷，該光線強度是由偵測器經由校準曲線的第一系列與第二系列得出。

Description

從一樣本堆疊中判斷層的厚度的方法與組件
本發明是關於一種以一組件判斷在至少兩層樣本堆疊中層的厚度的方法，該組件中包括一光源與一偵測器，該光源適於照射這些層的堆疊，該偵測器適於在一已定義的波長範圍中偵測被這些層的堆疊反射的光，該方法包括： (a)從校準步驟中取得一校準曲線，該校準步驟包括： (A) 提供兩個或更多層的參考堆疊，其中，每一個參考堆疊的層具有已知的厚度、與樣本堆疊相同的材料、且這些層的生成是與樣本堆疊之順序相同； (B) 以從該光源發出的光線照射該參考堆疊；及 (C) 在第一波長範圍中，以偵測器偵測被該參考推疊反射的光線強度； (b) 以從該光源發出的光線照射該樣本堆疊； (c) 在第一波長範圍中，以偵測器偵測被該樣本推疊的層所反射的光線強度； (d) 經由偵測器以校準曲線之方法所偵測的光線強度，判斷該樣本堆疊中層的厚度； 本發明還關於一種組件，該組件用於在至少具有兩層的樣本堆疊中判斷層的厚度，該組件包括： (a) 一光源，適於照射一堆疊； (b) 一偵測器，適於在一已定義的波長範圍內偵測該堆疊所反射的光線；及 (c)  兩個或更多層的參考堆疊，其中每一個參考堆疊的層具有已知的厚度、與樣本堆疊相同的材料、且這些層的生成是與樣本堆疊之順序相同。 在不同的產業中，扁平產品的性質是以光學方法進行檢查，而在半導體或太陽能電池產業中，這類扁平產品都應位在其他的晶圓之中。晶圓可為半導體、玻璃、薄片或陶瓷材料的圓盤狀物。這些所檢查的性質可為一物體表面上的單一或雙層堆疊的層厚度。例如，不同材料的層被使用在電子半導體裝置（如晶片）的製造中。 在一種具有價值的特定領域為特殊晶圓的製造，在現在半導體裝置中被稱為SOI晶圓。這些晶圓在頂部表面具有雙層結構，這個堆疊層可為一種由矽氧化層與矽層在其頂部組成。在一種關於具有低功耗或高效能的新裝置的現代手段中，其兩層的厚度是在數奈米的範圍內。在晶圓中，非常小的層厚度便能強烈的影響晶片的製造效能。因此，對於晶片的製作過程與成品的性能，晶圓的準確性與橫向同質(lateral homogeneity)性是相當重要的。於是，在製作過程中以高橫向分辨率、高精度並在短時間內測量每一個晶圓的厚度與同質性，是相當具有價值的。 類似的需求必須在不同的領域中實施。對於最終產品的參數而言，雙層堆疊的厚度與橫向同質性可說是至關重要。
用於非破壞性層分析的橢圓偏振測量為本領域的習知技術。一個樣本被偏振光所照射，而光線會在層之間的界面反射或穿透、且最終被偵測到。經由被偵測到的光的偏振狀態變化便可判斷層的屬性。其測量值與焦點位置及樣本表面的斜度有相當的大關聯。另外，如果使用適當的層模型(layer model)，該方法將具有高度精確性。然而，此方法相當耗費時間，且空間解析度被限制在數十微米中。 專利公開號WO2014072109, EP2426717, US2014293295與US2013063733揭露了一種判斷雙層堆疊中其中一層（片）厚度的方法，該方法僅使用反射光強度的測量。對於雙層額定厚度均已知，且僅有該額定厚度的微小偏差需判定的狀況下，前述專利所揭露的測量方法是相當有效。前述三個專利公開號的關鍵理念在於將測量限制在一個小波長範圍內，小波長範圍是在對第二層影響最小的方法下選出。在所選小波長範圍內，被反射光線的強度偏差相對於厚度變化是趨近於零的。此理念所根據的事實如下，基板上方的兩層堆疊所反射的光線強度會隨著波長範圍有強烈的變化，這是由於光學波的干涉與層的厚度有著相當的關聯性。前述的方法的特色在於，如何取得一個用於校準方法的優良參考以及哪一種方法是最能夠避免第二層受到影響。這方法無論在頂部層或底部層均可使用，只要被檢查的雙層堆疊選擇了不同且適當的小波長範圍。然而，事實上前述的方法都是假設在選定的波長範圍內，來自第二層厚度變化的影響是可被忽略的。實際上，它不該被忽略，在高解析度的方法中，第二層的影響程度可達數個百分比，這將會使測量結果無法使用。 菲涅爾公式描述了一種在兩種材料間介面之波反射的物理現象。根據司乃耳公式(Snellius formula)，電磁波在材料內的移動速度是與材料參數相關聯，這是本領域的通常知識。舉例來說，材料參數為折射率。波的線性干涉效果與利用菲涅耳公式、司乃耳公式、與材料參數這三個公式與參數，這能夠確認單一與堆疊的層厚度。該折射率可為一描述了折射與吸收的複數。在另一例中，該方法是在專利WO2014072109中進行總結，這是習知檢查方法中的基礎觀念，一種使用樣本堆疊在小波長範圍中所反射的光線進行測量的方法，其中第二層的影響為最小。 在小厚度範圍中，雙層的影響可由近似關係式說明。一個簡單範例是以雙層的堆疊層命名，例如A與B。雙層堆疊中的每一層都具有一額定厚度。在A層與B層中，額定層厚度點上的泰勒級數可用來計算反射的光線強度R：其中 tA : A層的厚度。 tB :B層的厚度。 tA0 :A層的額定厚度。 tB0 : B層的額定厚度。 R：在A層與B層所擁有的厚度數值tA與tB的點上所測量出的實際反射的光線強度。 R0：每一層具有額定厚度之層上的反射光強度，例如tA = tA0 與 tB = tB0與表示第一或第二級的偏導數，第一或第二級的偏導數分別取得自A層與B層具有各自額定厚度數值的點上。表示不同的;. 由於光學波的干涉與雙層的厚度有關，反射的光線強度R會在波長上變化。波長範圍的選擇(其中一層的影響，例如B層是可被忽略的，因為在習知測量中這是必須的)也就是說：在趨近於零且不為零時，波長範圍才能被算出。更仔細的說明，必須比小上許多。若因為在泰勒級數中的影響經常比較小而忽略更高級的導數，則方程式(1)可這樣解讀：因此，在假設tB 擁有自己的額定數值tB = tB0與對R的影響可忽略的情況下，這樣的關係式可簡單的用來判斷層厚度tA。對於R與tA之間的關係，可使用一種校正方法來判斷A層的厚度。對於校正層堆疊被製造成在tB = tB0 與 tA 在 tA0 附近具有多個厚度數值時，便可以一參考方法測量該堆疊樣本，例如使用具有高準確性的橢偏儀。一個校正曲線(如同圖5中所示)可經由在測量點上測量之反射的光線強度值而畫出。此方法是揭露於上述之專利WO2014072109。此方法有個缺點：B層的額定值tB = tB0在所有點中假定為準確的，故B層厚度的影響是能夠完全忽略。然而，這個忽略卻導致了一個所判斷的A層厚度 tA的系統性錯誤無法在已知的方法中解析。 對於在假設tA具有額定數值tA = tA0的狀況下判斷層的厚度tB，也會導致類似的問題。
本發明之目的在於提供一種上述類式的組件與方法，可在單微米與次微米的橫向解析範圍中，能夠以高精確度、高速同時測量單層或多層的厚度。 根據本發明之目的，本發明所欲達到的方法具有以下特色： (e) 在參考堆疊中能夠取得校準曲線，其中另一個不同層的厚度也是已知的。因此在第一波長範圍中提供該校準曲線的一第一系列。 (f) 為了一進一步的波長範圍，第二多個校準曲線是經由與該校準曲線的該第一系列相同的手段取得。 (g) 該樣本堆疊中之層的厚度是由該光線強度所判斷，該光線強度是由該偵測器經由該校準曲線的該第一系列與該第二系列之手段而得出。 有了這樣的方法，不僅能夠從雙層堆疊中更準確的判斷其中一層的厚度，還能夠判斷雙層或更多層的厚度。在兩種不同波長範圍中的測量需要使用兩個系列的校準曲線。一種系列的校準曲線對應到每一種波長範圍。在已知厚度的條件下，每一個系列提供有關於被反射的光線強度的資訊。若要判斷兩個或更多的厚度，一種屬於特定反射率的堆疊中不同層的厚度組合是不明確的。這是本發明一個重要的特徵，這個組合是可透過使用不同的波長範圍取得。『波長範圍』這個術語是指能夠以單一訊號波長數值表示的範圍，例如被干擾濾波器或類似元件所傳送的範圍，且該範圍不需要到遠超過數十奈米。 較佳的，堆疊層所反射的光線強度是針對兩種波長範圍同時偵測。因此，測量能夠更快速的執行且設定的變化也不會受到任何干擾。此外，藉由減去暗值與經由一參考數值將測量之光線強度標準化來使用標準化數值是相當有效的，且將參考數值例如在堆疊層中不再需要被反射。 在本發明較佳實施例中，波長範圍的選擇滿足下述條件：在每一波長範圍，在堆疊層所反射的光線強度上，其中一層厚度變化所產生的影響是明顯大於其他層厚度變化所產生的影響。儘管這並非本發明的必要條件，但因為在泰勒級數中各項會遞減得更快，故此方式還是其優點。 另外，選擇波長範圍可優化反射光的整體光線強度，這會產生良好的訊號-噪音比並提供良好的精確度。 透過在三個或更多的波長範圍中校準與偵測反射光的光線強度，便可判斷堆疊中三層或更多層的厚度。 較佳實施例中，為了進行校準，參考堆疊中層的厚度可經由橢偏儀來判斷。儘管橢偏儀非常精確並提供良好的參考數值，但這會導致太慢以至於無法用於常規的測量。然而，使用橢偏儀測量參考堆疊厚度仍是一種取得極佳校準曲線的好方法。 本發明能夠以一組件的形式實踐，該組件用於在至少具有兩層的樣本堆疊中判斷層的厚度。根據本發明而提出的組件，其特徵如下： (e)  提供進一步的參考堆疊，其中另一個不同層的厚度是已知的，用於在該第一波長範圍中提供該校準曲線的一第一系列； (f) 在一定義的第二波長範圍中偵測堆疊層所反射的光的方法，用於在進一步的波長範圍中提供校準曲線的一第二系列。 若使用一個寬帶光源與一個不具任何波長選擇手段的偵測器，且使用或多或少的單色光源，在已定義的第二波長範圍中偵測光線的手段可為一帶有波長選擇手段的偵測器，此波長選擇手段例如為濾波器、單光儀或類似的元件。在此，該光源必須為可對波長進行調整，或使用不同波長的至少兩個光源。 在本發明之實施例中，該光源可為具有連續光譜的光源、一個以上的濾波器，且提供可調整的單色儀或另一個波長選擇手段以用來定義測量的波長範圍。 另外，提供一個或多個在已定義的波長範圍中發射光線的光源。 在實際執行中發現，可經由兩個干涉濾波器或在兩個濾色輪中安排一對干涉濾波器組會定義出不同的波長範圍。也可以使用單個或組合的聲-光濾波器來定義該不同的波長範圍。 較佳的，該偵測器是一種線性相機或區域相機，這能夠在複數點上測量反射光的光線強度，並且在數個點上測量厚度。 這是本發明中的一個條件，即是由中央波長與代表兩個不同的波長範圍，該波長是經由以下條件選擇：≠。 在兩個波長與至少其中之一中，兩個層厚度and都會影響反射光的光線強度。 兩個波長與中的反射光之光線強度都會被兩個層厚度and的至少其中一所影響。 其中，藉由在兩個所選擇的波長範圍與中所測量的兩個反射光之光線強度，可決定堆疊的兩個層A與B的厚度數值and可。 根據本發明，兩層中的厚度均會納入考慮。因此，可將習知技術中在測量時忽視兩層的影響所產生的錯誤降至最低。根據本發明，兩個波長範圍中的反射光之光線強度均被測量，並將兩個測量結果加以結合。在此兩個波長範圍他們的中心波長and來進行表示，這兩個波長範圍滿足以下條件：在中B層的影響可最小化，亦即：；以及在中A層的影響最小化，亦即：。 校準程序與一種在習知技術中所敘述的方式相似。然而，根據本發明，兩層的厚度都會在他們的額定數值附近變化。如同一個已知的方法，兩層的堆疊可經由一個參考方法測量，如：橢偏儀。反射光的光線強度可在中心波長與附近的兩個波長範圍中被測量，這些波長範圍可能較小。因此，為了測量每個點所擁有的厚度數值組[tA, tB]，經由在與反個別的反射測量可取得的兩個反射光強度數值RA與RB， 排序所有數值，校準方程式的兩個區域RA與RB可被建立，並具有一座標，對於每個反射光之光線強度可表示如下： 在中測量出其中(3)其中(4) 其中f與g表示在厚度數值與R的函數關係。 在一個未知樣本的X點上，層的厚度可經由在X點上測量兩個光強度數值RAX 與 RBX 來檢查。針對所測量的數值 RAX 與 RBX ，從函數(3)與(4) 所敘述的校準曲線系列，可推導出在tA 與 tB 之間的特殊關係式。所測量的數值RAX 與 RBX 將作為固定的輸入參數。假設tA與tB 之間的簡單線性關係是圍繞著額定點[tA0, tB0]，便可取得下列方程式： 在中測量出(5)(6) 這裡兩個方程式能夠用一個簡單的方式進行組合，以取代；以取代，並且以方程式(6)解(5)得出(7) 因此，在不會有忽略反射時雙層的組合影響而產生的系統誤差下，可使用方程式(7)與(6)進一步判斷兩個厚度數值tA與tB。 很明顯地，在此使用線性方法只是以一個簡單的方式說明該方法。在較複雜的方式下，一種比線性方法更好的近式法可用來取代(5)與(6)關係。舉例來說，那些更複雜的方法包括以二次、三次或更高次的多項式逼近。例如：使用至少二次元的方法。藉此，可判斷出tA與tB最適合的數值。 對於以(3)與(4)作為條件的測量，本發明所提出的方法並不會受到波長範圍選擇的限制。此方法不一定要求在中B層的影響要小，亦即：；且在中A層的影響要小，亦即：。在波長與中，對於兩個波長範圍唯一的條件便是上述所提到的。 所以，這是可經由其他標準來選擇波長與，例如足夠完整的反射光的光線強度或在不同材料及/或厚度組合上可用性。這在與的選擇上有著更好的自由度，並且能夠改善該方法的穩定性。這例如可藉由使用具有完整反射的波長範圍來增強所偵測的訊號來達成的。此外，在擁有相同組件、相同濾波器或其他波長選擇手段，測量不同的材料及/或厚度組合是可能的。 根據本發明，一組件也包括計算手段來處理測量反射光之光線強度，以及從兩個數值中計算堆疊中雙層的兩個厚度數值。同時測量或處理該數值是可行的，且很明顯也能夠依序進行。 本發明的進一步實施例為附屬項的主題。以下將搭配圖示更加詳細的說明一實施例。
圖9所示為一種組件701，組件701用於測量一種在不同波長範圍中一樣本的反射，該特定樣本的元件符號為700。樣本700具有一被檢查的堆疊層702，該堆疊層702在圖1中會有更詳細的說明。一光源710射出寬帶光703，該光源710例如為LED、鎢燈、弧光放電燈，該寬帶光703由光學裝置720均質化，光學裝置720會將光橫向分配均質化。舉例來說，均質化可經由一個具有六角截面的玻璃棒或一擴散器來實現。然後，均質化的光線被半反射鏡730彎折後穿過物件740照射到樣本700，在圖中此光線標以元件符號704。 該光線是在樣本700的表面705上部分反射。反射光706的光線強度被調變，該調變是起因於光在下述各種材料介面的部分反射而產生的干涉效應。反射並穿過半反射鏡730的光線會被分光器750分裂成兩個光束707與708。在本實施例中是使用50/50分光器，然而這並不是此方法的必要條件。在某些應用中，可以使用其他的分光比例，例如：在所使用的波長間隔內，反射光具有非常不同的強度數值的案例中，將訊號位準均衡化。在光線路徑707與708中具有濾波器760與770，濾波器760與770定義了測量中所使用之光的波長間隔。很明顯地，替代的波長選擇手段（例如光柵、稜鏡或類似的元件）也是可使用的。濾波器760與770讓所期望的小波長範圍能穿過並屏蔽其他具有不同波長的光線。光學管(Tube optics)780與790是分別設置於濾波器之後且感測單元800與810之前。在兩個測量光束707與708分別穿過各自對應的光學管780與790後，反射光的光線強度可經由感知器組件800與810所形成的偵測器進行判斷，其中感知器組件800與810還具有偵測器組陣列與訊號處理裝置（未繪示）。 由於組件701的使用與下述之方法僅需要對光線強度的數值進行測量，感知器組件800與810可為一單一元件感知器，例如光電倍增管(photomultiplier)、光二極體或複元件感知器(multi-element sensor)（如線性攝影機(line camera)、區域攝影機系統(area camera system)，例如：CCD或CMOS偵測器）。使用複元件感知器組件可快速地測量雙層厚度中的空間分布與均勻性。下述詳細說明的計算能夠針對感知器組件中每一個感測單元分開執行。因此，一種測量步驟提供了樣本中一線性或一區域的厚度數值中一個大的數字。透過增加一可動工作站到組件701中，組件701能夠在每一個感知器組件與樣本700之間提供一個相對的橫向移動。這樣一來，便能掃描整個樣本表面705，並在整個表面705的厚度數值上創造一個完整的圖像。 經由使用具有不同放大率的不同物鏡740，像是顯微鏡中常用的作法，感知器組件的橫向分辨率便可滿足測量任務的需求。因此，這能夠精確地測量雙層的厚度，並能夠以數百奈米低的橫向分辨率進行高速測量。 在限制的波長範圍中測量反射的光線強度，可經由多種手段達成。濾波器760與770可用固定波長的干涉濾波器來實施，波在所選的波長間隔中提供最好的穩定性。在本實施例中，這些濾波器760與770是設置於一濾色輪(filter wheel)中。在開始測量之前，可動態的選擇適合的濾波器。在另一實施例中，可由分色鏡組合取代濾波器來定義波長範圍。在又一實施例中，可以使用動態調整濾波器，例如聲-光濾波器。聲-光濾波器由於是市場上可取得的，故能使設定更加靈活，同時更容易滿足不同測量任務所使用的波長範圍。在此並未說明更複雜的實施例，在具有極小波長間隔的波長選擇中，使用單光儀來達成更高精準度的測量。不同的實施例使用具有限制波長範圍的光源，例如雷射光，這樣就不再需要濾波器。 從圖9中可以明顯看出圖9僅為釋例，且可進行調整，以改善測量過程的穩定性與再現性(reproducibility)，或降低成本。例如，在圖10中的實施例並非使用兩個光學管770與780，而僅用一個一般的光學管820是用來針對反射光束。這能降低成本，並使測量不受光學管的影響。然而，由於必須將不平行光束納入考慮，濾波器760與770的濾波特性改變會是一個缺陷。此外，為了使用這些資訊來改善再現性，可透過增加另一個感測器組件830來監測光801照射的線強度。 圖9與圖10中所繪示的組件701能夠使樣本的反射測量在具有不同中心波長的兩個不同波長範圍中成立。 圖1所繪示為在樣本700上反射的物理效應。樣本700又可稱為雙層堆疊702，雙層堆疊702包括一頂層20與隱藏的底層30。其中頂層20具有一折射率n1 ，隱藏的底層30具有一折射率n2 。頂層20與底層30是堆疊在一基板材料40上，該基板材料40具有一折射率n3 。而基板為堆疊的一部分時，他的厚度在本發明中不會是個議題。因此，這意味者該基板不會構成一個「層」。堆疊702是設置於一個環境材料(ambient material)10的環境中，該環境材料10在本實施例中為空氣。然而，該環境材料10也可為真空、油或水。環境材料10具有一折射率n0 。如上所述，光50是入射到樣本表面705上，光50會穿過環境材料10。光有一部分會在位於環境材料10與頂層20之間的介面90反射。因此，光50在同一時間會分裂成最初的反射光60與光70，且光70會穿過由表面705所形成的介面90。 在位於材料20與30、30與40之間的介面100、110上，光也會部分的反射、分裂成反射光與穿射光。 由於材料10、20、30或40之間的介面90、100或100具有不同的折射率，因此多次後所有的入射光最終都會被反射到環境空間10中，在此用光束80來進行表示。由於在介面上的反覆反射與傳輸，因此由感測器元件800與810從光束80上測量的光線強度會小於入射光50的光線強度。光80是由穿過層材料20、30的光線所組成，因此組成光80的波由於不同的時間差，相較於最初的反射光60在時間上會有所延遲，這會導致一種干涉。因此，所測量的光線強度包括了所有反射光60與80，測量的光線強度將由光波60與80的破壞性與建設性干涉根據其時間延遲進行調變。時間延遲由層20與30的厚度分別乘以各自的折射率n1 與n2 決定，故反射光80的光線強度的調變是層20與30厚度的函數。因此，分析光線強度調變可用於判斷層20與30的厚度，判斷過程是使用材料的已知折射率。 該公式說明了這種效應，且該公式可從菲涅爾方程式中結合電磁波疊加的基本原理而得知。該函數也可經由實驗（如橢偏儀）判斷。 對於在已知環境材料10的環境中，且構成雙層堆疊的層20與30，及基板40的材料為已知的情況下，若光線強度經由入射光50的波長函數已知，便可取得反射光線強度函數。對於一種具有頂層20與隱藏層30的系統，其中頂層20為12奈米矽層，隱藏層30則為25奈米氧化矽層，而圖2繪示出針對此系統的一種典型的反射光強度函數200。在環境材料10為空氣的環境中，層20與30是堆疊在一個以矽構成的基板40上。圖2所示之效應是一種範例，並且可針對任何材料/厚度組合反覆進行。對於全部的環境/層/基板系統200，其有效的反射係數可被展現在以奈米單位波長為橫坐標的座標軸上。從此可看出，相較於例如500奈米以上範圍中的光，光在400奈米的範圍中以更強的強度被反射。 若是層20或30的厚度改變，所測得的反射光之光線強度也會改變。以數學角度觀之，可由反射率除以層厚度的偏導數來解釋這個變化。 圖3所繪示為一比例，該比例是與圖2中介於300奈米至700奈米之間的波長範圍相同。曲線300與310表現出了矽頂層20厚度變化所產生的影響。曲線310也表現出氧化層30厚度稍有不同的影響。如果曲線300代表了額定氧化厚度，曲線310則表現了針對反射率除以矽頂層20厚度的導數在氧化層厚度中的變化所產生的效應。用複數表示，如下：其中如此，該平方會提供反射率R。 相同的方法320與330表現出了隱藏氧化層30厚度變化的影響。相較於使用方法320的額定矽厚度，曲線330代表矽層20的微小厚度差異。 虛線框340表示了一種從習知技術中所得知的單一波長方法用來測量矽層20厚度的適當波長範圍。該已知方法假定反射除以氧化層厚度的導數值趨近於零，就如同320與330所示，因此相較於矽層厚度所產生的影響，氧化層30厚度產生的影響非常小而可被忽略不計。然而，在波長範圍340中曲線300與310明顯並不相同，故上述的忽略不計會產生一個系統上的錯誤。 因此，本實施例在第二測量中使用一第二小波長間隔350，其中第二測量大致上是從波長範圍340（如圖4所示）中的第一測量中獨立。故兩個層厚度數值可經由所使用的數據取得，該數據是從兩種不同波長間隔340與350中的兩個獨立的反射的測量中得出。 為了從反射測量中取得厚度數值，將會執行一種校準。習知技術的方法是將所測量的灰值與「真正的」層厚度數值相關聯。在此，「真正的」數值例如是從橢偏儀取得。此外，也能夠從已知材料參數中直接計算反射光來推得數種厚度。然而，在實際的實施例中，橢偏儀會提供良好的參考方法。 圖5所示為一種根據習知技術中具有25奈米厚的隱藏且位於底部的氧化層與含有不同矽層厚度的變化樣本的雙層系統而推導出的校準曲線360。反射測量是在準單色光條件下完成，該條件是在波長範圍340中使用單一小波長間隔，如同圖3與圖4所示。為了達到目的，反射光的光線強度是將所測量的強度除以某些反射標準以達到標準化(normalized)，以排除設備的影響。使用測量數值、將他們與一參考方法的結果比較，以避免來自其他效應的誤解，這些其他效應例如實施例中的光學效應。從參考方法測量出厚度數值與已知的材料參數，並找出一個所測量的灰值中最適合的校準(fit)，來直接計算出反射的光線強度，透過從理論來推導出曲線的形式，所得出的校準曲線的精確度能夠進一步的增強。 本發明之實施例是經由重複相同程序進行校準，該程序是對於一系列具有不同的氧化層30厚度的樣本使用圖5中的校準曲線360。依此，一系列的校準曲線400、410、420、430、440與450可被取得，並表示於圖6中。例如，校準曲線400代表矽層30不同厚度與測量的光線強度間的關係，前述測量光線強度是針對一個具有23奈米厚度氧化層30的樣本。校準曲線410表示了同樣具有24奈米厚度數值的氧化層30，具有不同厚度氧化層30的樣本與具有不同厚度矽層的樣本進行測量。再一次的，所有的反射率測量是從波長範圍340的一小波長間隔內的光來進行。 若橢偏儀在參考方法中是用來判斷矽的厚度，便可在相同時間與數據值對相應的排序中確認氧化層厚度。 有了這樣的校準曲線(如圖6所示)，藉由測量特定的反射率值，相同材料系統但層厚度不明的未知樣本可經由特殊的反射率數值檢查。例如，若標準化的反射率灰值是0.3（如圖6中所示之直線460），在校準曲線400、410、420、430、440與450中所測得反射率的交叉點提供了矽層20的可能厚度數值與氧化層30之間的關係。例如，點470代表23奈米氧化層30厚度與13.6奈米矽層20的厚度 (在縱軸上的數值) 的第一個可能的組合，這是在線460上實行測量反射率水平。這個關係可針對每一個校準曲線而建立。 換句話說，在單一波長中未知樣本的反射光之光線強度測量提供了多種可能的厚度組合，這些組合可用一函數代表，而這函數在圖7中是以曲線500的形式表示。為了選擇正確的數值，在第二波長間隔中測量會反覆的進行。在本實施例中，是使用波長範圍350中的間隔（請參閱圖4），其所呈現結果如圖7中的曲線510。 兩個曲線500與510的存在是為了使用了不同的小波長間隔的入射光的這兩種測量。任何這樣的曲線僅具有一個交叉點520，其中有兩個測量反射水平是在相同時間從相同的兩個層厚度數值取得。在圖7的例子中，其結果為一厚度為13.14奈米的矽層與厚度為24.2奈米的氧化層。 很明顯的，在此所提出的實施例僅是用以說明本發明所提出的方法。同樣的，該方法可用於基板上雙層堆疊中的任何其他的材料及/或厚度組合。其實例還包括如其他應變矽(strained silicon)、矽-鍺、鍺-砷化鎵、砷化銦、姻砷化鎵、汞-碲化物、III-V與II-VI族三元或四元半導體合金、其他氧化物或氮化物、光阻、薄金屬層、玻璃、石英與塑膠材料。 從上述討論中可以明顯看出，所使用的波長間隔必須不被選擇，這樣從其中一層厚度數值得出的反射依賴性才能降到最低。他們可更自由地被選擇，例如提供一個高且類似的訊號到反射測量中，藉此改善測量的穩定性。這繪示於圖8之中，波長間隔550與560用來使測量的解析度最大化。 當然，當具有濾波器或光源的改變選擇了兩個連續測量之間的波長間隔，便可依序執行兩個所需的測量。雖然這樣設定無法達到最大可能的完整測量速度，但成本較低。在這樣的聲光濾波器能夠用於快速的切換動態或波長間隔。 本發明說明如上，然其並非用以限定本創作所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡本領域具有通常知識者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本創作所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。
10‧‧‧環境材料
100‧‧‧介面
110‧‧‧介面
20‧‧‧材料
200‧‧‧反射光強度函數
30‧‧‧材料
300‧‧‧曲線
310‧‧‧曲線
320‧‧‧方法
330‧‧‧方法
340‧‧‧波長範圍
350‧‧‧第二小波長間隔
360‧‧‧校準曲線
40‧‧‧材料
400‧‧‧校準曲線
410‧‧‧校準曲線
420‧‧‧校準曲線
430‧‧‧校準曲線
440‧‧‧校準曲線
450‧‧‧校準曲線
460‧‧‧直線
470‧‧‧點
50‧‧‧光
500‧‧‧曲線
510‧‧‧曲線
520‧‧‧交叉點
550‧‧‧波長間隔
560‧‧‧波長間隔
60‧‧‧反射光
70‧‧‧光
700‧‧‧特定樣本
701‧‧‧組件
702‧‧‧堆疊層
703‧‧‧寬帶光
704‧‧‧光線
705‧‧‧表面
706‧‧‧反射光
707‧‧‧光線路徑
708‧‧‧光線路徑
710‧‧‧樣本
720‧‧‧光學裝置
730‧‧‧反射鏡
740‧‧‧物件
750‧‧‧分光器
760‧‧‧濾波器
770‧‧‧濾波器
780‧‧‧光學管
790‧‧‧光學管
80‧‧‧光束
800‧‧‧感測器元件
801‧‧‧光
810‧‧‧感測器元件
820‧‧‧光學管
830‧‧‧感測器組件
圖1所繪示為在雙層堆疊中的反射狀況。 圖2所繪示為一種在複數層堆中反射率與典型波長之關聯，該堆疊是由12奈米矽層、25奈米矽氧化層與矽基板所組成。 圖3(習知技術)所繪示為一種在複數層堆疊中反射變化與波之長關聯，其關聯是起因於矽或/及矽氧化層的厚度根據訊號波長方法之變化。其中該堆疊是由一12奈米矽層、一25奈米矽氧化層與一矽基板所組成。 圖四所繪示為一種在複數層堆疊中反射變化與波長之關聯，其關聯是起因於具有兩種波長間隔之矽或/及矽氧化層的厚度變化。其中該堆疊是由12奈米矽層、25奈米矽氧化層與矽基板所組成。 圖5(習知技術)所繪示為一種經由橢偏儀取得的校準曲線。 圖6所繪示為一系列具有不同氧化層厚度之樣本的校準曲線。 圖7所繪示為在兩種不同波長下，矽層頂部可能的厚度值與矽氧化底層厚度之間的關係。 圖8所繪示為一種與圖4相似的替代曲線，其中波長間隔的選擇可使測量的分辨率。 圖9所繪示為一種用於在不同波長中同時測量反射的裝置，該裝置具有兩個偵測器，且每個偵測器擁有各自的光學元件。 圖10所繪示為一種用於在不同波長中測量反射的裝置，該裝置具有兩個使用一般光學元件的偵測器。
300‧‧‧曲線
310‧‧‧曲線
320‧‧‧方法
330‧‧‧方法
550‧‧‧波長間隔
560‧‧‧波長間隔

Claims (13)

  1. 一種以一組件判斷在至少兩層的樣本堆疊中層的厚度的方法，該組件還包括一光源與一偵測器，該光源適於照射多層所構成的一堆疊，該偵測器適於在一已定義的第一波長範圍中偵測被該堆疊反射的光，該方法包括： (a) 從校準步驟中取得一校準曲線，該校準步驟包括： (A) 提供兩個或更多層的參考堆疊，每一個參考堆疊的層具有已知的厚度、與樣本堆疊相同的材料、且這些層的生成是與樣本堆疊之順序相同； (B) 以從該光源發出的光線照射該參考堆疊；及 (C) 在第一波長範圍中，以該偵測器偵測被該參考推疊反射的一光線強度； (b) 以從該光源發出的光線照射該樣本堆疊； (c) 在該第一波長範圍中，以偵測器偵測被該樣本推疊所反射的該光線強度； (d) 經由來自該校準曲線之手段的該偵測器所偵測的光線強度，來判斷該樣本堆疊中層的厚度； 其特徵在於， (e)  該校準曲線是從該參考堆疊中取得，另一個不同層的厚度也是已知，因此在該第一波長範圍中提供該校準曲線的一第一系列； (f) 針對一進一步的波長範圍，一第二多個校準曲線是經由與該校準曲線的該第一系列相同的手段取得；及 (g)  該樣本堆疊中之層的厚度是由該光線強度進行判斷，該光線強度是由該偵測器經由該校準曲線的該第一系列與該第二系列之手段得出。
  2. 如專利申請範圍第1項所述的方法，其中，被堆疊層所反射的該光線強度是在兩種波長範圍中同時進行偵測。
  3. 如專利申請範圍第1項或第2項專利申請範圍所述之方法，其中，波長範圍的選擇是滿足下述的條件：在每個波長範圍中選擇該波長範圍，在該層堆疊所反射的該光線強度上之其中一層之厚度改變的影響是大於其他層厚度變化的影響。
  4. 如專利申請範圍第1項或第2項專利申請範圍所述之方法，其中，該波長範圍的選擇是滿足下述的條件：優化反射之該光線的整體強度。
  5. 如專利申請範圍第1項或第2項專利申請範圍所述之方法，其中，反射的該光線強度是在兩個以上的波長範圍進行測量。
  6. 如專利申請範圍第1項或第2項專利申請範圍所述之方法，其中，經由在三個或更多的波長範圍中校準與偵測反射的該光線強度，藉此判斷該堆疊中三層或更多層的厚度。
  7. 如專利申請範圍第1項或第2項專利申請範圍所述之方法，其中，該參考堆疊中層厚度是經由一橢偏儀判斷，並且用於校準。
  8. 一種用於判斷至少雙層的樣本堆疊中層厚度的組件，該組件包括： (a) 一光源，用於照明一堆疊層； (b) 一偵測器，用於在定義的一波長範圍中偵測該堆疊層所反射的光線； (c) 兩個或更多個參考堆疊層，其中每一個該參考堆疊層具有已知的厚度、與樣本堆疊相同的材料、且這些及層的生成是與樣本堆疊之順序相同； 其中， (e) 提供進一步的參考堆疊，另一個不同層的厚度是已知的，用於在該第一波長範圍中提供該校準曲線的一第一系列；及 (f)在一定義的第二波長範圍中偵測堆疊層所反射的光的手段，用於針對進一步的波長範圍中提供校準曲線的一第二系列。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之組件，其中，該光源包括一連續譜、一個或更多濾波器，且提供一微調單光儀或另一種波長選擇手段以用於定義該測量的波長範圍。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之組件，其中，在定義的該波長範圍中提供一個或多個發射光線的光源。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之組件，其中，不同的該波長範圍是經由兩個干涉濾波器或一組安排在兩個濾色輪上的多個干涉濾波器組所定義。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之組件，其中，不同的該波長範圍是由單一或多個組合的聲光濾波器所定義。
  13. 如申請專利範圍第8項至第12項所述之組件，其中，該偵測器為一線性攝影機或一區域攝影機。
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