TWI426258B - Real - time Monitoring of Film Growth by Dynamic Interferometer - Google Patents

Description

以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法

    本發明係有關於一種光學監測架構和方法，特別是有關於一種以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其利用動態干涉術進行監測薄膜之變化。

    光學監測因同時包含了薄膜厚度和折射率的資訊，被視為製鍍光學薄膜中較佳的監測方式。而在一個成長的薄膜堆中，材料的折射率時常會改變，以致於每層薄膜的厚度往往需要修正，適當的停鍍點也因此往往需要重新評估計算。然而傳統的監測方式，始終沒有辦法精確地解決這樣的問題。
    以往的傳統的監測方式，僅僅量測反射率或穿透率的變化。正向入射下的反射率或穿透率在薄膜的光學厚度達到監測波長的四分之一時，其值會到達一個極值點。許多以往的監測法利用這些穿透率或反射率之監測軌跡在轉折點的值去計算應該停止鍍膜的時刻點，其中有的監控靈敏度不佳，或是錯誤補償效益差。而其他的監測法，如廣波域的光譜監測和橢偏儀利用數值擬合的方式去做計算。由於這些監測法其對應相關數學式參數太多，故難以以解析、解求出各物理量的變化，且沒有明確的停鍍法則。
    因此本發明提供一個新穎的監測裝置及其方法，其可即時計算出沉積中的薄膜在每一刻的量測結果，而不需以數值擬合方式猜解，目前尚無其他技術可做到此點。它可降低監測誤差的風險，同時也改善了各舊有監測方式的缺點，幫助鍍膜工作者更清楚地掌控鍍膜情況，並降低誤判止鍍點的機率，以提升製程良率。

    本發明之主要目的，在於提供一種以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其利用動態干涉儀瞬時擷取光在入射成長中的薄膜下的物理量變化，進而以解求得各時刻薄膜的各個物理量變化。
    本發明之次要目的，在於提供一種以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其利用低同調光入射基板上的薄膜，供動態干涉儀僅獲得基板與薄膜的干涉結果，以屏除其他介面之干涉結果。
    本發明為一種以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其以動態干涉術監測薄膜成長，其中該監測裝置包含一光源、一動態干涉儀、一光感測器、一相位遮罩像素影像感測單元與一運算單元。

　 茲為使　貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
　 請參閱第一圖，其為本發明之一較佳實施利之方塊圖。如圖所示，本發明之即時薄膜成長監測裝置1係架於一鍍膜機12外並連接一鍍膜腔室100，該監測裝置1係包含一光源103、一動態干涉儀10、一光感測器120與一運算單元122，其中光感測器120設置於鍍膜腔室100中，一基板14與一薄膜（圖未示）位於鍍膜腔室100中。本實施例之動態干涉儀10為以一Fizeau型態的偏振干涉儀101搭配一杜曼-格林干涉儀（Twyman-Green interferometer）102作為舉例說明，但本發明不限於此。偏振干涉儀101設有一分光鏡113、四分之一波片114、一成像鏡片115與一偏振影像感測單元116，其中偏振影像感測單元116為一相位遮罩像素影像感測單元，其為一偏振片矩陣對準像素矩陣並搭配一四分之一波片之光強感測單元，或為一雙折射晶體矩陣對準像素矩陣並搭配一偏振片之光強感測單元，用以擷取相位。杜曼-格林干涉儀（Twyman-Green interferometer）102設有一光準直器104、一偏振片105、一偏振分光鏡106、二四分之一波片107、108與二反射鏡109、110。
　 一低同調光自光源103射出，經過光準直器104後成為平行光，入射至一偏振片105此偏振片105可調配兩垂直偏振態的光強比。經過偏振分光鏡106的光分為兩偏振方向互相垂直的線性偏振光入射至二四分之一波片107、108分別至於二反射鏡109、110前，其線性偏振入射光方向呈45度角，當光來回兩次經過四分之一波片107、108後，會使原線偏振光的偏振方向旋轉90度，因此偏振態互相垂直的光再經過偏振分光鏡後又可重合在一起，以進入Fizeau共振腔(其即為基板14之內部)。基板14之第一面142即為一鍍膜面，其亦為一待測面，另一第二面144即為一參考面。第一反射光從基板14射出後被分光鏡113引導至四分之一波片114。
　 共路徑的兩線性偏振光經過成像鏡片115前的四分之一波片114，將各自成為左旋偏振光跟右旋偏振光，最後在感測器上具四個偏振方向的偏振片陣列中形成干涉。此四分之一波片114會使薄膜的反射相位從反正切（arctangent）形式導出，而不是由反餘弦（arccosine）形式。如此會提升求解的靈敏度。
　 光行經成像鏡片115，進入一偏振影像感測單元116。偏振影像感測單元116在每一個像素的感測器(未圖示)前皆遮罩了一個偏振片(未圖示)。若左旋和右旋偏振光分別為參考光和待測光，此二光入射到α方向的遮罩(含偏振片)，其如第二圖所示。將待測光之偏振相位設為 L，以及將參考光之偏振相位設為 R，同時將光在X軸上入射的偏振角度設為α，因此光每通過偏振片一次時，即為偏移一α度角，若藉此將待測光偏移＋α度角，而參考光偏移－α度角，則量測到的光強會如(1)式。
　　　　 (1)

其中 Ф(x, y) = L – R, IL與IR為左旋與右旋偏振光之強度。
　 遮罩的偏振片在此如同一相位偏移產生器，會產生兩倍於偏振角度的相位移，其即為2α。
　 復參閱第二圖，本偏振影像感測單元116上其偏振方向和鄰近的像素上的偏振方向皆不同，其中每四個像素201、202、203、204為一組，其分別遮罩了45˚, -45˚, 0˚, 90˚四種偏振片。因此在四種偏振方向上，各可產生90˚, -90˚, 0, 180˚的相位移，供四步相位移法計算相位之用。因此相位可瞬時被解出。其中，偏振影像感測單元116之感測結果應先解纏繞、移除傾斜因子，並平均數次資料以去除空氣擾動對相位的影響，藉此消除偏振影像感測單元116的誤差
　 如第三圖所示，由動態干涉儀10入射至基板14的光束在圖三中實為共線正向入射，本實施例係以第一光束S0、第二光束P1、第三光束S1、第四光束P2區分，其中光束之下標數字代表該光線離開共振腔體(即基板14)前反射至薄膜16的次數，基板內有無窮多次反射。
　 只有所經光程相近的一對光束對才會產生干涉現象，也就是相干光束對，並於圖中標示成相似形態，如此即可藉由相干光束對求得干涉參數。若以移動平台（圖未示）小心移動干涉儀102的反射鏡109或反射鏡110，使兩反射鏡109、110到分光鏡106的相對距離差，恰約為基板14的光學厚度。如此一來，各個S光線只會和多一次反射自待測面的P光線所行經的光程會差不多而產生干涉，其餘的光線因為低同調故彼此不會發生干涉現象。為明顯區分不同相干光束對，分別以連續線與虛線表示，其中第一光束S0與第二光束P1為連續線，第三光束S1與第四光束P2為虛線，該些對束之光強度可測得並表示如下(2)式:



　　　 (2)
　 其中R_r 和 R_t 分別為來自於反射參考面和待測面的反射率，φ是相干光束對之間的相位差。
　 相位可由一次擷取的強度中以四步相位移法瞬間求出，免除了振動的干擾，如式(3)。
　　　 (3)
　 其中Ф 即為所求得之相位。且所得到的相位必須加以平均數次，以去除空氣擾動到干涉量測的影響。
　 雖然第二面144(參考面)與第一面142(待測面)間的距離即為基板厚度，在鍍膜中不會隨時間改變，但是干涉儀102的兩臂會因震動而造成位移和傾斜導致參考光和待測光之間的光程差改變而影響相位計算結果。因此第一面142(待測面)的一區域必須擋住不被鍍膜，以當成參考區域。鍍膜中，因來自未鍍膜區域和鍍膜區域反射光為共路徑，故上述因震動而造成的干擾可經由比較兩者在鍍膜後和鍍膜前的相位差變化，而得知單純來自薄膜的反射相位變化。
　 一光感測器120可置於鍍膜機12下方量測來自上方的穿透光強，並藉由比較鍍膜前和鍍膜後的強度算得因薄膜產生的穿透率。而反射率可由偏振影像感測單元116量測的強度依(2)式求得。
　 經得知反射相位和強度後，正向入射下的反射係數就可知道，其對應的光學導納可依(3)(4)式求出。
　　　 (4)
　 其中ϒ和θ分別是反射係數的大小和相位，α 和β分別是光學導納的實部與虛部。n0是入射介質的折射率，在此即為基板折射率nS。
　 在本實施例中，由於n0即為基板折射率nS，因此α 和β更可表示如下(5)式。
　　　 (5)
　 對一個非吸收的薄膜而言，折射率和厚度可依(6)式求出。光學導納可以(6)式表示。
　　　 (6)
　 其中αE 和 βE分別是前層膜堆等效光學導納的實部與虛部。δ是新沉積薄膜的光學相厚度，n為薄膜之折射率。藉由(6)式可求得δ與n的解，其分別如下(7)、(8)式
　　　 (7)
　　　　　　　 (8)

　 經由此監測方法，我們可求即時得到每個時刻的成長中膜堆的反射係數、光學導納、折射率和厚度。因此在本發明中，我們用動態干涉術量測在正向入射光下，監測成長中薄膜的即時相位。反射率也同時被量測，故反射係數也可即時算出。
　 反射係數或光學導納的軌跡可用以取代穿透率或反射率的軌跡圖成為新的監測圖形，並提供錯誤補償。當軌跡到達實數軸或是與下一層預期軌跡的交點時，即為具錯誤補償效益的停鍍點。
　 關於其監測靈敏度，即為每單位相厚度軌跡圖形的變化量，須分兩個維度討論。因為軌跡隨厚度變化的移動為兩個互相垂直的方向，分別平行於實數軸和虛數軸。下面的式子分別為其實數上Sensitivity X和虛數上Sensitivity Y的靈敏度。
Sensitivity X (SX)= 　　　 (10)
Sensitivity Y (SY)=

　　　 (11)
　 其中α與 β為先前模堆之光學導納的實部與虛部 ，δ是新沉積薄膜的光學相厚度，n為薄膜之折射率。
　 等效導納軌跡監測在軌跡圓形左邊的停鍍點靈敏度較低。但是此情況可以在反射相位上加上一pi的相位移可改善，如附件一所示，其中光學導納軌跡作為薄膜的增長和相應的位點後，增加了相移圓周率的反射相位（每個點之間的間隔，為光學厚度1nm的差異。）
　 如下表一所示，其為本發明之監測結果與橢偏儀之量測結果得比較表。由表一可知本發明之監測結果與橢偏儀之量測結果非常接近。


　　　　　　表一
　 請參閱第四圖，其為本發明之一實施例之監測方法應用於監控鍍膜的流程圖。如圖所示，本發明之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法係用以即時監測成長中的薄膜的物理量，藉由即時的監測以判斷薄膜是否停鍍。首先按步驟S100所示，利用一動態干涉儀10經低同調光照射基板14，而依據未鍍薄膜之基板14的厚度而微調杜曼-格林干涉儀102之反射鏡109或反射鏡110使兩臂距離差約為基板光學厚度，以讓低同調光可產生干涉光並使干涉條紋最清晰，由於藉由調整干射儀之兩臂距離而調整干涉條紋之清晰度為現今一般操作干涉儀之技術，因此在此不再贅述；如步驟S102所示，依據影像單元所量測之強度計算相位，解相位纏繞、去除傾斜因子、並平均十五筆以上資料，因而取得對應像素之相位並移除相位之誤差，以及平均每一組像素之相位，也就是先解干涉光之纏繞、移除傾斜因子，並平均數次資料以去除空氣擾動對相位的影響；如步驟S104所示，紀錄基板上沒遮住區域與有遮住區域的相位差當做初始相位差，並記錄初始光強度；按步驟S106所示，開始基板14上沉積薄膜16，接續執行步驟S108，依據影像單元所量測之強度計算相位解相位纏繞、去除傾斜因子、並平均十五筆以上資料。

　 接續，按步驟S110所示，基板上沒遮住(有鍍膜) 區域與有遮住區域(沒鍍膜)的相位差減去初始相位得到薄膜反射相位；如步驟S112所示，比較量測光強度與初始光強度計算出穿透率與反射率，接續執行步驟S114，算出薄膜反射係數或等效導納值並記錄隨薄膜成長而變化的軌跡圖形。接續依據步驟S114之結果判斷軌跡圖形是否達到修正後具錯誤補償的停鍍點，當判斷為是時，接續執行步驟S118，當判斷為否時，回到步驟S108，而持續監測薄膜之成長。最後按步驟S118所示，停止鍍膜製程。
　 由上述可知，本發明係以動態干涉術監測薄膜成長，其可直接以反射係數軌跡或等效導納軌跡的圖形做具錯誤補償效益的即時監測，並可獲得折射率和厚度隨時間的變化。對於停鍍點在導納軌跡與實數軸左端的交點附近的膜層，可在反射係數之相位加上一π相位移，再計算對應之導納軌跡，以增加監測之靈敏度，如此用於鍍膜製程之監控。
　 綜上所述，本發明為一以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其係用動態干涉術擷取成長中薄膜在正向入射的監測光下所量測到的相位變化，並搭配所量到的光強變化，進而算得薄膜各個物理量隨時間的變化，而進行更精準的監測。
　 故本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈　鈞局早日賜准專利，至感為禱。
　 惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1‧‧‧即時薄膜監測裝置

10‧‧‧動態干涉儀

12‧‧‧鍍膜機

14‧‧‧基板

142‧‧‧第一面

144‧‧‧第二面

16‧‧‧薄膜

100‧‧‧鍍膜腔室

101‧‧‧偏振干涉儀

102‧‧‧杜曼-格林干涉儀

103‧‧‧光源

104‧‧‧光準直器

105‧‧‧偏振片

106‧‧‧偏振分光鏡

107‧‧‧四分之一波片

108‧‧‧四分之一波片

109‧‧‧反射鏡

110‧‧‧反射鏡

113‧‧‧分光鏡

114‧‧‧四分之一波片

115‧‧‧成像鏡片

116‧‧‧偏振影像感測單元

120‧‧‧光感測器

122‧‧‧運算單元

201‧‧‧第一像素

202‧‧‧第二像素

203‧‧‧第三像素

204‧‧‧第四像素

附件一：本發明之光學導納軌跡參考示意圖

第一圖為本發明之一實施例的方塊圖；
第二圖為本發明之一實施例的偏振影像感測單元中各像素偏振片分佈的示意圖；
第三圖為光正向入射基板內部所產生的多重反射情形的示意圖；以及
第四圖為本發明之一實施例的流程圖。

1‧‧‧即時薄膜監測裝置

10‧‧‧動態干涉儀

12‧‧‧鍍膜機

14‧‧‧基板

142‧‧‧第一面

144‧‧‧第二面

100‧‧‧鍍膜腔室

101‧‧‧偏振干涉儀

102‧‧‧杜曼-格林干涉儀

103‧‧‧光源

104‧‧‧光準直器

105‧‧‧偏振片

106‧‧‧偏振分光鏡

107‧‧‧四分之一波片

108‧‧‧四分之一波片

109‧‧‧反射鏡

110‧‧‧反射鏡

113‧‧‧分光鏡

114‧‧‧四分之一波片

115‧‧‧成像鏡片

116‧‧‧偏振影像感測單元

120‧‧‧光感測器

122‧‧‧運算單元

Claims (17)

1. 一種以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其包含:
   提供一基板；
   使用一低同調光為光源之動態干涉儀依據相位遮罩影像感測單元量測一薄膜的反射相位；
   使用該動態干涉儀將該低同調光分成第一線性偏振光與第二線性偏振光，此兩線性偏振光的偏振態相互垂直;該二線性偏振光正向入射基板與薄膜，並在基板兩側之介面產生反射;
   該相位遮罩影像感測單元接收所有反射光，所有行經光程差小於同調長度(coherence length)的反射光在經過該相位遮罩影像感測單元上的偏振片後，彼此產生干涉現象；
   該動態干涉儀產生該干涉光並依據該干涉光產生一反射相位；
   依據一光感測器量測一薄膜光穿透率並計算非吸收薄膜反射率，或依據該相位遮罩影像感測單元直接量測薄膜反射率；依據該反射相位與該光反射率產生對應於該薄膜之不同時刻的反射係數；
   依據該反射係數算出等效導納值；以及
   以等效導納值計算該薄膜之一膜厚與一折射率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中該相位遮罩影像感測單元為一雙折射晶體矩陣對準像素矩陣並搭配一偏振片之光強感測單元。
3. 如申請專利範圍第1項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中該相位遮罩影像感測單元為一偏振片矩陣對準像素矩陣並搭配一四分之一波片之光強感測單元。
4. 如申請專利範圍第1項所述之以動態干涉儀即時薄膜成長監測方法，其中該相位遮罩影像感測單元接收該干涉光並依據該干涉光產生一反射相位之步驟，係依據一偏振影像感測單元感測該干涉光而產生一相位偏移參數，該動態干涉儀依據該相位偏移參數取得該反射相位。
5. 如申請專利範圍第1項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中該低同調光之同調長度須大於該薄膜總光學厚度，並小於該基板光學厚度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中該動態干涉儀接收該干涉光並依據該干涉光產生一反射相位之步驟中，係利用一相位移法並依據該干涉光之一光強度求得該反射相位。
7. 如申請專利範圍第1項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中該動態干涉儀產生該干涉光並依據該干涉光產生一反射相位之步驟中，該動態干涉儀係透過一相位遮罩影像感測單元感測該干涉光。
8. 如申請專利範圍第7項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中該相位遮罩影像感測單元之一影像感測結果係包含複數像素，該些像素分別每四個像素一單元，而分別記錄一單一相位。
9. 如申請專利範圍第1項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中該動態干測儀設有兩反射鏡與一偏振分光鏡，該兩反射鏡與該偏振分光鏡之相對距離差對應於該基板之一光學厚度。
10. 如申請專利範圍第9項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中該第一線性偏振光行經基板後的反射光與該第二線性偏振光行經基板後的反射光，在該相對距離等於該基板之該厚度時，形成所經光程差小於同調長度的多對光。
11. 如申請專利範圍第10項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中每一對所經光程差小於同調長度的光，第一線性偏振的反射光反射到薄膜的次數比第二線性偏振的反射光多一次。
12. 如申請專利範圍第10項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中每一對所經光程差小於同調長度的光在經過偏振片後產生干涉現象。
13. 如申請專利範圍第10項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中於該基板上方插入一參考反射面，使該距離差等於參考面與基板背部的距離，可依據干涉現象量到的反射相位，監測基板的表面輪廓曲線隨膜厚增長的變化。
14. 如申請專利範圍第1項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中每個時刻的反射係數被記錄下，畫出隨薄膜成長而變動的軌跡，形成薄膜反射係數的監控圖形。
15. 如申請專利範圍第1項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中每個時刻的等效光學導納被記錄下，畫出隨薄膜成長而變動的軌跡，形成薄膜光學導納的監控圖形。
16. 如申請專利範圍第15項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，更包括一增加軌跡左側停鍍點的監控靈敏度的步驟。
17. 如申請專利範圍第16項所述之以動態干涉儀即時監測薄膜成長方法，其中增加軌跡左側停鍍點的監控靈敏度的步驟，其為於薄膜反射相位增加一π的相位移，並畫出對應的等效導納值點，以增加該監控靈敏度。