TWI428557B - 反射度分布曲線的建模方法及應用該方法的厚度檢測方法以及厚度檢測反射儀 - Google Patents

Description

反射度分布曲線的建模方法及應用該方法的厚 度檢測方法以及厚度檢測反射儀

本發明涉及反射度分布曲線建模方法及應用該方法的厚度檢測方法、厚度檢測反射儀，特別涉及通過在一定波長帶中積分(integration)的方式，來改善薄膜層對經過帶通的光線的反射度分布曲線建模方法的反射度分布曲線建模方法、應用該方法的厚度檢測方法及厚度檢測反射儀。

在LCD、半導體領域中廣泛應用的透明薄膜層在其特性上其厚度分布度對後續工序產生較大的影響。因此在整個產業中需要有一種能夠監視薄膜層厚度之系統。在薄膜層厚度檢測中，被廣泛應用的裝置有非接觸式檢測裝置干擾計(Interferometer)和反射儀(Reflectometer)。

習知反射儀將白光投射到薄膜層後，用分光計分光被薄膜層反射的光線，並藉以獲得含在白色光中的各個波長光的強度(intensity)。這種強度數據將被應用到薄膜 層反射度的計算上，而最終藉此完成反射度分布曲線，用以顯示針對波長的反射度變化。

為了確定薄膜層厚度，當前被廣泛應用的是將通過如上方法檢測到的反射度分布曲線和通過數學式建模的反射度分布曲線相比較的方法。該方法首先假設有多種具有互不相同厚度之薄膜層，並針對各薄膜層，通過數學式生成反射度分布曲線。之後在多個反射度分布曲線模型中選擇一個同檢測到的反射度分布曲線最為相近的反射度分布曲線模型，並將該反射度分布曲線模型所對應的厚度作為薄膜層的厚度。

然而，當光線被帶通(bandpass)後以一定波長帶入射的情況下，實測反射度分布曲線和基於習知建模方法生成的反射度分布曲線具有相當大的誤差，因此互不一致。因此通過習知建模方法無法確定薄膜層的厚度。

為了解決上述習知技術中存在的問題，本發明提供一種反射度分布曲線建模方法、應用該方法的厚度檢測方法以及厚度檢測反射儀。當光線被帶通(bandpass)後以一定波長帶入射的情況下，透過在波長帶中積分的方法建模被薄膜層反射的光線的反射度分布曲線，從而以數學方式建模同實測反射度分布曲線實質上接近的反射度分布曲線。

為達到上述目的，本發明的反射度分布曲線建模方法針對預定厚度薄膜層建模基於光線波長變化的薄膜層的反射度分布，其中包括：反射度分布曲線製作步驟，製作用來表示基於光線波長變化的所述薄膜層反射度分布的反射度分布曲線；輸入強度設定步驟，針對特定波長帶通白色光後，在所述特定波長為中心的一定波長帶中製作用來表示光線強度分布的強度分布曲線，並在所述波長帶中積分所述強度分布曲線後將其結果設定為所述特定波長的輸入強度；輸出強度設定步驟，在所述波長帶中積分由所述反射度分布曲線和所述強度分布曲線結合而成的復合強度分布曲線，並將其結果設定為所述特定波長的輸出強度；積分反射度設定步驟，將把所述特定波長輸出強度除以所述特定波長輸入強度的商作為針對所述特定波長的所述薄膜層的積分反射度；及積分反射度分布曲線生成步驟，邊改變所述特定波長，邊重復執行所述輸入強度設定步驟、所述輸出強度設定步驟及所述積分反射度設定步驟，以生成用來顯示基於波長變化的所述積分反射度分布的積分反射度分布曲線。

而且為了達到上述目的，本發明的厚度檢測方法應用白色光反射儀檢測沈積在襯底層上的薄膜層，其中包括：建模步驟，假設有具有不同厚度之多個薄膜層樣片，並應用上述反射度分布曲線建模方法製備對應每個薄膜層 樣片的積分反射度分布曲線；獲得步驟，向所述薄膜層照射白色光，獲得基於光線波長變化的所述薄膜層的實測反射度分布曲線；比較步驟，分別比較多個積分反射度分布曲線和所述實測反射度分布曲線實質上是否一致；確定步驟，選擇與所述實測反射度分布曲線實質上一致的積分反射度分布曲線，並將與所選積分反射度分布曲線對應的厚度確定為所述薄膜層厚度。

而且為了達到上述目的，本發明的厚度檢測反射儀包括：光源，用來放出白色光；線性可變濾波器，針對特定波長帶通所入射的白色光，使得以所述特定波長為中心的一定波長帶的光線通過，在所述線性可變濾波器的長度方向上，能夠變更可通過的特定波長；濾波器移送單元，在所述線性可變濾波器的所述長度方向上往復移送所述線性可變濾波器；光學系，向薄膜層照射通過所述線性可變濾波器的光線，並接收被所述薄膜層或襯底層反射的光線，所述襯底層用來支承所述薄膜層；及攝像單元，接收被所述薄膜層或襯底層反射後射入及通過所述光學系的反射光，並將此反射光成像為圖像。

本發明的反射度分布曲線建模方法及厚度檢測方法，可通過在波長帶中積分經過帶通的光線的方式，建模被薄膜層反射的光線的反射度分布曲線，從而透過數學方式建模同實測反射度分布曲線實質上接近的反射度分 布曲線。

而且，本發明的厚度檢測反射儀可以僅讓以所要檢測的特定波長為中心的波長帶的光線通過，而不包含具有周邊波長的光線等雜訊，因此能夠更加精密地檢測薄膜層厚度。

而且，本發明的厚度檢測反射儀不僅可以測出薄膜層厚度，還可以同時求出用來顯示薄膜層相對厚度差的表面形貌，因此能夠算出及視覺化薄膜層綜合資訊。

10‧‧‧襯底層

11‧‧‧薄膜層

20‧‧‧積分反射度分布曲線

30‧‧‧強度分布曲線

40‧‧‧反射度分布曲線

50‧‧‧復合強度分布曲線

60‧‧‧實測反射度分布曲線

100‧‧‧厚度檢測反射儀

110‧‧‧光源

120‧‧‧線性可變濾波器

130‧‧‧濾波器移送單元

140‧‧‧光學系

150‧‧‧攝像單元

160‧‧‧聚光鏡

第1圖是本發明厚度檢測反射儀一實施例的示意圖。

第2圖是透過第1圖中厚度檢測反射儀的線性可變濾波器帶通的光線的強度分布曲線圖。

第3圖是本發明的厚度檢測方法一實施例的示意圖。

第4圖是射入薄膜層的光線的反射路徑示意圖。

第5圖是本發明的反射度分布曲線建模方法一實施例的示意圖。

第6圖是用來對比實測反射度分布曲線、積分反射度分布曲線及依照現有建模方法製作的反射度分布曲線的圖。

第7圖是用來說明經檢測薄膜層的表面形貌示例的圖面。

下面參照附圖，詳細說明本發明反射度分布曲線的建模方法及應用該方法的厚度檢測方法、以及厚度檢測反射儀的實施例。

第1圖是本發明厚度檢測反射儀一實施例的示意圖；第2圖是透過第1圖中厚度檢測反射儀的線性可變濾波器帶通的光線的強度分布曲線圖；第7圖是用以說明經檢測薄膜層的表面形狀示例的圖面。

請參照第1圖、第2圖及第7圖，本實施例的厚度檢測反射儀100包括光源110、線性可變濾波器120、濾波器移送單元130、聚光鏡160、光學系140及攝像單元150。

光源110用來照射白色光，在本實施例中使用鹵素燈。光源110輸出波長為380nm-800nm的可見光L。光源110除了鹵素燈外還可以使用各種不同的光源。

所述線性可變濾波器120由高通濾波器(high-pass filter)和低通濾波器(low-pass filter)組合而成。當白色光射入後只通過以特定波長31為中心的一定波長帶32的光線。如果把線性可變濾波器120在長度方向上移動，從而改變光線L在線性可變濾波器120上的照射區域，就可以同時改變可通過的特定波長31。例如如第2圖所示，當光線投射到線性可變濾波器120的最左側區域，只有以500nm的特定波長31為中心的一定波長帶32的光線才能通過線性可 變濾波器，並呈現如圖所示的強度分布曲線30。如果把光線L所照射的區域依次向右移動，就會分別把波長為550nm、600nm、650nm、700nm的特定波長31為中心的一定波長帶32的光線通過。

所述濾波器移送單元130用來把線性可變濾波器120在長度方向上往復移動，從而改變光線在線性可變濾波器120上的照射區域。濾波器移送單元130可由包括旋轉電機、滾珠螺杆、直線運動導引機構的組合件或直線電機組件等構成。其結構對本領域的技術人員來說是習知的，因此不再贅述。

所述聚光鏡160配置在光源110和線性可變濾波器120之間，用來會聚從光源110入射的光線L後向線性可變濾波器120投射。由於設置有聚光鏡160，通過線性可變濾波器120的光線直徑將會變小。

在本實施例的厚度檢測反射儀100中，通過在光源110和光學系140之間設置線性可變濾波器120來帶通光線L。如果在光學系140和攝像單元150之間設置線性可變濾波器120，並讓被薄膜層11反射的光線L帶通，由於經過線性可變濾波器120的光線L的直徑較大，所檢信號中不僅包括真正需要的以特定波長31為中心的波長帶32，還會包括周邊波長的雜訊。本發明中，由於光線L在直徑較小的階段中通過線性可變濾波器120，就可在無雜訊的情況下僅讓 以所需特定波長31為中心的波長帶32的光線通過。

所述光學系140用來把通過線性可變濾波器120的光線L照射到沈積在襯底層10上的薄膜層11處，而被薄膜層11或襯底層10反射的光線就會重新射入光學系140。光學系140可由用來反射入射光的反射鏡、用來分割入射光後以不同路徑傳送的分光鏡、向薄膜層或攝像單元方向會聚入射光的聚光鏡等各種鏡子、透鏡及光學器件等結構組裝而成，而這種各種鏡子、透鏡及光學器件的組合對於本領域技術人員來說是習知技術，因此不再贅述。被薄膜層11或襯底層10反射後射入光學系140，並經過光學系140的光線L將投射到攝像單元150中，而攝像單元150將以圖像形式成像光線強度(intensity)等資訊。本實施例的攝像單元150可使用CCD(charge coupled device)攝像機，所述CCD攝像機具有適於所檢區域的像素數。特別是，本實施例使用了可通過單個觸發信號攝影薄膜層11上一定面積的面陣攝像機。

透過使用面陣攝像機，可同時獲得一定面積上的厚度資訊，並以三維圖表形式顯示該厚度資訊，從而獲得該面積內的表面形貌資訊，如第7圖所示。透過薄膜層11厚度之間的相對差，可以視覺化方式顯示薄膜層11的表面具有多大的高度差，而在本發明中，將薄膜層11厚度之間的相對差定義為表面形貌。

下面結合第3圖到第6圖，詳細說明應用上述厚度檢測反射儀100執行本發明厚度檢測方法的實施例。

第3圖是本發明的厚度檢測方法一實施例的示意圖；第4圖是射入薄膜層的光線的反射路徑示意圖；第5圖是本發明的反射度分布曲線建模方法一實施例的示意圖；第6圖是用來對比實測反射度分布曲線、積分反射度分布曲線及依照現有建模方法製作的反射度分布曲線的圖。

請參照第3圖到第6圖，本實施例的厚度檢測方法包括建模步驟S110、獲得步驟S120、比較步驟S130及確定步驟S140。

在所述建模步驟S110中，假設有多個具有不同厚度之薄膜層樣片，並利用本發明的反射度分布曲線建模方法，製作對應每個薄膜層樣片的積分反射度分布曲線20。

在此，薄膜層樣片並不是實際存在的薄膜層，而是用來透過數學式建模的、具有不同厚度之假想的薄膜層。在針對薄膜層樣片建模積分反射度分布曲線20時，所述薄膜層樣片假設成與實際要檢測厚度的薄膜層11相同的物質，並利用需要檢測厚度的薄膜層11的物性值如反射率(reflection coefficient)、復折射率(complex refractive index)等建模。

和積分反射度分布曲線20模型對應的厚度上限及下限，則根據實際製程中所處理的薄膜層11的厚度上 限及下限資訊預先確定，並按一定間隔劃分上限與下限之間厚度後，針對每一厚度建模積分反射度分布曲線20。

為了製作對應每個薄膜層樣片的積分反射度分布曲線20，本發明的反射度分布曲線建模方法一實施例包括：反射度分布曲線製作步驟S111、輸入強度設定步驟S112、輸出強度設定步驟S113、積分反射度設定步驟S114及積分反射度分布曲線生成步驟S115。

在所述反射度分布曲線製作步驟S111中製作用來顯示薄膜層11的反射度(reflectance)隨光線波長的變化而變化的反射度分布曲線40。反射度分布曲線40透過以下數學式並藉由數學建模方法製作。

其中，R ^p (d,λ)是與入射面平行的P波的總反射率，是P波在空氣層12與薄膜層11界面上的菲涅耳(Fresnel)反射率，是P波在薄膜層11與襯底層10界面上的菲涅耳反射率，β是光線L在通過薄膜層11時產生的相位變化量。

其中，R ^s (d,λ)是與入射面垂直的S波的總反射 率，是S波在空氣層12與薄膜層11界面上的菲涅耳反射率，是S波在薄膜層11與襯底層10界面上的菲涅耳反射率。

其中，d是薄膜層11的厚度，是薄膜層11的復折射率，φ ₂是薄膜層11中的折射角。

其中，R1是依照數學建模方法形成的反射度，I _i 是入射光L的強度(intensity)，I _r 是反射光L的強度。

如果把數學式1到數學式3代入數學式4中，就可以針對一定厚度的薄膜層11算出反射度，如果改變波長並用圖表形式顯示反射度分布，就可以生成如第5圖所示的反射度分布曲線40。

在所述輸入強度設定步驟S112中，在一定波長帶32內積分強度分布曲線30，並將積分值設定為輸入強度I _i 。

如果針對特定波長31帶通(bandpass)白色光，就會如第5圖所示，以特定波長為中心的一定波長帶中形成顯 示光線強度(intensity)分布的強度分布曲線30。本實施例中，透過線性可變濾波器120帶通白色光來形成帶通光的強度分布曲線30。第5圖例示出一個以600nm為中心的帶通光的強度分布曲線30。

針對特定波長31製作強度分布曲線30後，在波長帶32中積分所述強度分布曲線30後設定為特定波長31的輸入強度I _i 。

在所述輸出強度設定步驟S113中，首先把反射度分布曲線40和針對特定波長的強度分布曲線30結合形成復合強度分布曲線50。復合強度分布曲線50是針對特定波長的，第5圖例示出針對600nm的復合強度分布曲線50。製作針對特定波長31的復合強度分布曲線50後，在波長帶32中積分所述復合強度分布曲線50並將其結果設定為特定波長輸出強度I _r 。

在所述積分反射度設定步驟S114中，將把特定波長輸出強度I _r 除以特定波長輸入強度I _i 的商作為薄膜層針對特定波長的積分反射度R2。第5圖所示圖表中例示出針對波長600nm的薄膜層的積分反射度(R2，21)。

上述輸入強度設定步驟S112、輸出強度設定步驟S113及積分反射度設定步驟S114可透過以下數學式5求出。

【數學式5】

其中，R2是依照數學建模方法獲得的積分反射度，λ ^*是特定波長，I _i 是輸入強度，I _r 是輸出強度，I ₀是特定波長下的強度最大值，是特定波長的強度分布曲線，R1是反射度分布曲線。

在所述積分反射度分布曲線生成步驟S115中，改變特定波長31，並反復執行輸入強度設定步驟S112、輸出強度設定步驟S113及積分反射度設定步驟S114，從而生成按波長變化顯示積分反射度的積分反射度分布曲線20。針對501nm、502nm、503nm、…、600nm、…等多個特定波長求出積分反射度R2，並以圖表形式表示針對波長的積分反射度R2的變化，就可以生成如第5圖所示的積分反射度分布曲線20。

針對一個厚度的薄膜層樣片求出積分反射度分布曲線20後，邊改變厚度邊執行上述步驟分別製作針對不同厚度的積分反射度分布曲線20。如此針對不同厚度製得積分反射度分布曲線20，即完成建模步驟S110。重新針對本實施例的厚度檢測方法說明如下：在所述獲得步驟S120中，向薄膜層11照射白色光，並獲得按光線L的波長變化顯示的薄膜層11的實測反射度分布曲線60。所述獲得步驟S120包括第一強度設定步驟S121、第二強度設定步 驟S122、實測反射度設定步驟S123、實測反射度分布曲線生成步驟S124。

在所述第一強度設定步驟S121中，帶通(bandpass)白色光，使之在以特定波長31為中心的一定波長帶32中具有強度分布，之後向頂面未沈積有薄膜層的襯底層10照射經過帶通的光線L。然後，在波長帶32中積分被襯底層10反射的光線的強度分布曲線，並將其結果作為第一強度。

在所述第二強度設定步驟S122中，帶通(bandpass)白色光，使之在以特定波長31為中心的一定波長帶32中具有強度分布，之後向薄膜層11照射經過帶通的光線L。然後，在波長帶32中積分被薄膜層11及襯底層10反射的光線的強度分布曲線，並將其結果作為第二強度。

在所述實測反射度設定步驟S123中，將把第二強度除以第一強度的商作為薄膜層針對特定波長的實測反射度。即把被薄膜層11反射的光線強度與被未沈積有薄膜層的襯底層10反射的光線強度之比設定為薄膜層的實測反射度。

在所述實測反射度分布曲線生成步驟S124中，邊改變特定波長31，邊重復執行第一強度設定步驟S121、第二強度設定步驟S122及實測反射度設定步驟S123，從而生成按波長變化顯示實測反射度分布的實測反 射度分布曲線60。針對501nm、502nm、503nm、…、600nm、…等多個特定波長求出實測反射度，並用圖表形式表示針對波長的實測反射度變化，就可以生成如第3圖所示的實測反射度分布曲線60。

在所述比較步驟S130中，分別對比透過數學建模方法製作的多個積分反射度分布曲線20和實測反射度分布曲線60實質上是否一致。在確認實質上是否一致的過程中，求出基於最小二乘法的誤差函數，並當具有最小誤差時，將積分反射度分布曲線20和實測反射度分布曲線60判定為實質上一致。而這種方法對於本領域的技術人員來說是習知的，因此不再贅述。

在所述確定步驟S140中，選擇同實測反射度分布曲線60實質上一致的積分反射度分布曲線20，並將與所述積分反射度分布曲線20對應的厚度最終確定為薄膜層11的厚度。

第6圖是用來對比實測反射度分布曲線60、基於本發明建模方法的積分反射度分布曲線20及基於習知建模方法的反射度分布曲線1的圖表。如圖所示，和基於習知建模方法製作的反射度分布曲線1相比，基於本發明建模方法製作的積分反射度分布曲線20更加符合透過厚度檢測反射儀100實際測出的實測反射度分布曲線60。

本發明的反射度分布曲線建模方法和厚度檢測方法，針對 經過帶通而以一定波長帶入射的光線，透過在該波長帶中積分的方法建模薄膜層對光線的反射度分布曲線，從而用數學方式建模同實測反射度分布曲線實質上接近的反射度分布曲線。

此外，本發明的厚度檢測反射儀透過在光源和光學系之間配置線性可變濾波器來帶通光線，從而僅讓以所要檢測的特定波長為中心的波長帶的光線通過，而不包含具有周邊波長的光線等雜訊，因此可獲得更加精密檢測薄膜層厚度的效果。

而且，本發明的厚度檢測反射儀不僅可以測出薄膜層厚度，還可以同時求出用來顯示薄膜層相對厚度差的表面形貌，因此可以獲得能夠算出及視覺化薄膜層綜合資訊的效果。

本發明並不限於上述實施例，在所附的申請專利範圍內可以有各種不同的實施方式。所屬技術領域的技術人員應該可以理解，在不脫離本發明精神的範圍內所進行的各種變更及修飾均屬於本發明的保護範圍內。

10‧‧‧襯底層

11‧‧‧薄膜層

100‧‧‧厚度檢測反射儀

110‧‧‧光源

120‧‧‧線性可變濾波器

130‧‧‧濾波器移送單元

140‧‧‧光學系

150‧‧‧攝像單元

160‧‧‧聚光鏡

Claims (7)

1. 一種反射度分布曲線建模方法，針對預定厚度薄膜層建模基于光線波長變化的薄膜層的反射度分布，其中包括：反射度分布曲線製作步驟，製作按光線波長變化顯示薄膜層反射度分布的反射度分布曲線；輸入強度設定步驟，針對特定波長帶通白色光後，在所述特定波長為中心的一定波長帶中製作用來表示光線強度分布的強度分布曲線，並在所述波長帶中積分所述強度分布曲線後將其結果設定為所述特定波長的輸入強度；輸出強度設定步驟，針對任意波長帶將所述反射度分布曲線和所述強度分布曲線相乘，藉以在所述波長帶中積分由所述反射度分布曲線和所述強度分布曲線結合而成的復合強度分布曲線，並將其結果設定為所述特定波長的輸出強度；積分反射度設定步驟，將把所述特定波長輸出強度除以所述特定波長輸入強度的商作為所述薄膜層對所述特定波長的積分反射度；及積分反射度分布曲線生成步驟，邊改變所述特定波長，邊重復執行所述輸入強度設定步驟、所述輸出強度設定步驟及所述積分反射度設定步驟，以生成按波 長變化顯示所述積分反射度分布的積分反射度分布曲線。
2. 如申請專利範圍第1項所述之反射度分布曲線建模方法，其中所述強度分布曲線是透過用線性可變濾波器帶通白色光來製作的。
3. 一種厚度檢測方法，用白色光反射儀檢測沈積在襯底層上的薄膜層，其中包括：建模步驟，假設有具有不同厚度之多個薄膜層樣片，並應用申請專利範圍第1項或第2項所述之反射度分布曲線建模方法製備對應每個薄膜層樣片的積分反射度分布曲線；獲得步驟，向所述薄膜層照射白色光，獲得按光線波長變化顯示的所述薄膜層的實測反射度分布曲線；比較步驟，分別比較多個積分反射度分布曲線和所述實測反射度分布曲線實質上是否一致；及確定步驟，選擇與所述實測反射度分布曲線實質上一致的積分反射度分布曲線，並將與所選積分反射度分布曲線對應的厚度確定為所述薄膜層厚度。
4. 如申請專利範圍第3項所述之厚度檢測方法，其中所述獲得步驟包括：第一強度設定步驟，向頂面未沈積有薄膜層的襯底層照射經過帶通的光線，並在所述波長帶中積分被所述 襯底層反射的光線的強度分布曲線後，將其結果設定為第一強度；第二強度設定步驟，向所述薄膜層照射經過帶通的光線，並在所述波長帶中積分被所述薄膜層反射的光線的強度分布曲線後，將其結果設定為第二強度；實測反射度設定步驟，將所述第二強度除以所述第以強度的值設定為所述薄膜層對所述特定波長的實測反射度；及實測反射度分布曲線生成步驟，邊改變所述特定波長，邊重復執行所述第一強度設定步驟、所述第二強度設定步驟及所述實測反射度設定步驟，以生成按波長變化顯示實測反射度分布的實測反射度分布曲線。
5. 一種厚度檢測反射儀，其為在申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之方法使用的裝置，包括：光源，用來放出白色光；線性可變濾波器，針對特定波長帶通所入射的白色光，使得以所述特定波長為中心的一定波長帶的光線通過，在所述線性可變濾波器的長度方向上，得以變更可通過的特定波長；濾波器移送單元，在所述線性可變濾波器的長度方向上往復移送所述線性可變濾波器；光學系，向薄膜層照射通過所述線性可變濾波器的光 線，並接收被所述薄膜層或襯底層反射的光線，所述襯底層用來支承所述薄膜層；及攝像單元，接收被所述薄膜層或襯底層反射後射入及通過所述光學系的反射光，並將此反射光成像為圖像。
6. 如申請專利範圍第5項所述之厚度檢測反射儀，其中所述攝像單元包括面陣攝像機，所述面陣攝像機可同時攝像所述薄膜層或所述襯底層的預定面積。
7. 如申請專利範圍第5項所述之厚度檢測反射儀，其中進一步包括聚光鏡，所述聚光鏡配置在所述光源和所述線性可變濾波器之間，用來會聚從所述光源發射的光線後向所述線性可變濾波器投射。