TWI442042B - Multi - wavelength ellipsometric image contrast detection device and method thereof - Google Patents

Description

多波長橢偏影像對比檢測裝置及其方法

本發明是有關於一種多波長橢偏影像對比檢測裝置及其方法，且特別是有關於一種可精確地讓某一點變暗或變亮，凸顯影像對比的多波長橢偏影像對比檢測裝置及其方法。

薄膜自動光學檢測是薄膜製程中不可或缺的工具，隨著薄膜應用的廣泛，膜質種類及膜層數目增加，傳統薄膜影像對比檢測方法如白光(White Light)影像檢測、偏光(Polarized Light)影像檢測及橢偏(Ellipsometry)影像檢測等方法，皆無法針對多膜材質樣品提供足夠之影像對比。

已知之影像檢測方法，例如日本MICRONICS公司所有之台灣發明第I263041號專利即揭示一種白光(White Light)影像檢測方法，此方法係利用一白光光源與45度半反射鏡取得反射影像，此方法雖簡單，但面對多層薄膜或是表面相似的相異材質並無法觀察出影像之對比。

又例如，韓國LG公司所有之台灣發明第I221901號專利，其係使用旋轉濾鏡及偏光片，以獲得不同波長下的偏光反射影像。該專利前案係利用較多的檢查條件設定，影像對比較白光影像檢測方法高，但因使用之濾鏡所調變的波長並非連續，加上對多層透明薄膜或多層金屬薄膜檢測的對比仍低，因此亦無法對多層薄膜做連續多波長高影像對比之檢測。

又例如，以色列Orbotech公司所有之美國US5333052號專利，揭示一種使用影像橢偏技術執行影像對比檢測之技術，此裝置利用影像橢偏技術，且利用偏振器(Polarizer)、檢偏器(Analyzer)旋轉方位角度之調整，來達到消光(null)區域與非消光(off－null)區域的影像對比，其影像對比較上述之兩方法高。但因該專利使用多濾光片，所調變之波長個數有限，無法即時作多波長調整，且過濾後之光譜頻帶寬仍很大，造成只有波長中心點光滿足消光條件，偏離中心波長的光都會造成漏光，使得消光不完全，降低了與非消光區域的對比。

有鑑於此，本發明之目的是提供一種多波長橢偏影像對比檢測裝置及其方法，其可解決白光及偏光影像無法檢測多膜質之問題，並克服傳統影像橢偏技術影像對比太低之問題。

為達上述及其他目的，本發明提供一種多波長橢偏影像對比檢測裝置及其方法，其以閃光燈結合單頻儀的投光設計，以創造高能量窄頻寬之可調波長光，以克服傳統影像橢偏技術之問題，並以格蘭－湯普生偏振器和液晶相位可變延遲器調整多波長偏振器之方位角(azimuth angle)及相位補償器之相位角(phase angle)，以達到多波長橢偏檢測之目的。

為達上述之目的，本發明之一種多波長橢偏影像對比檢測裝置，其包括：一濾光模組，用以產生一高能量、可調波長之光；一偏振模組，耦接至該濾光模組，可接受該高能量、單波長之光，並可供調整方位角及相位角，用以於一薄膜樣品之某一區域上投射不同偏振態之光；一影像擷取模組，可接收該薄膜樣品消光區域與非消光區域之反射光；以及一電腦主機，耦接至該濾光模組、偏振模組及影像擷取模組，可執行其相關控制，以便於該影像擷取模組上選擇出特徵波長橢偏影像，在此波長下消光區域與非消光區域間有最大影像對比。

本發明另提供一種多波長橢偏影像對比檢測方法，包括下列步驟：提供一濾光模組，用以產生一高能量、可調波長之光；提供一偏振模組，可接受該高能量、單波長之光，並可供調整方位角及相位角，用以於一薄膜樣品之某一區域上投射不同偏振態之光；提供一影像擷取模組，可接收該薄膜樣品消光區域與非消光區域之反射光；以及提供一電腦主機，可控制該濾光模組之波長λ、偏振模組之方位角及相位角，以便於該影像擷取模組上選擇出特徵波長橢偏影像，在此波長下消光區域與非消光區域間有最大影像對比。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特以較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請一併參照圖1至圖3，其中圖1繪示根據本發明較佳實施例之一種多波長橢偏影像對比檢測裝置之方塊示意圖；圖2繪示根據本發明較佳實施例之多波長光調制之示意圖；圖3繪示根據本發明較佳實施例之消光區域與非消光區域之多波長橢偏反射信號之示意圖。

如圖所示，本發明之一種多波長橢偏影像對比檢測裝置，其包括：一濾光模組10；一偏振模組20；一影像擷取模組30；以及一電腦主機40所組合而成。

其中，該濾光模組10係用以產生一高能量、波長可調之光；其進一步具有：一多波長光源11，用以產生一高能量、多波長之光；以及一濾光元件12，經由一光纖13耦接至該多波長光源11，可於多波長之光中選擇一特定波長光。其中該多波長光源11例如但不限於為一閃光燈、鹵素燈或多波長雷射，而該濾光元件12則例如但不限於為單頻儀或窄頻濾光器，在本實施例中係以閃光燈及單頻儀為例加以說明，但並不以此為限。

該偏振模組20耦接至該濾光模組10，可接受該高能量、單波長之光，並可供調整方位角及相位角，用以於一薄膜樣品50之某一區域上產生消光效果；其中，該偏振模組20進一步具有：一透鏡21；一偏振器22；一旋轉馬達23；一相位可變延遲器24；以及一聚焦透鏡25。

其中，該透鏡21可經由該光纖14耦接至該濾光模組10，可接收該濾光元件12輸出之特定波長光，並將此光準直成平行光，該特定波長光係由電腦主機40控制濾光元件12來選擇出來；該偏振器22係耦接至該透鏡21，可使該特定波長光過濾出偏振方向平行偏振器22方向的光通過；該旋轉馬達23係耦接至該電腦主機40及偏振器22，可接受該電腦主機40之控制而轉動，以調整該偏振器22之方位角度θ_P ；該相位可變延遲器24係耦接至該偏振器22，可調整線偏振光束之相位角δ_c ；而該聚焦透鏡25則耦接至該相位可變延遲器24，可將經偏振模組20後之特定波長光聚焦至該薄膜樣品50之某一區域上，例如但不限於AC區域上。其中，該偏振器22例如但不限於為一格蘭－湯普生(Glan－Tomposon)偏振器或薄膜偏振器；該相位可變延遲器24例如但不限於為一電壓驅動相位之液晶相位可變延遲器(Liquid Crystal Variable Retarder,LCVR)，且其方位角度固定為θ_C 。此外，該薄膜樣品50例如但不限於為一多層膜半導體薄膜、鐵電、壓電與焦電薄膜、磁性薄膜、超導薄膜、有機與高分子薄膜、生物與生物工程薄膜、鑽石薄膜或金屬薄膜，其進一步具有一玻璃基板51，該玻璃基板51上具有一第一薄膜52及一第二薄膜53，且該玻璃基板51、第一薄膜52及第二薄膜53之材料成分不同。

該影像擷取模組30可接收該薄膜樣品50之反射光，包含消光區域(例如但不限於AC)微弱反射光，及非消光區域(例如但不限於BC區域)之強反射光。此外，該影像擷取模組30進一步具有：一物鏡31；一檢偏器32；一管鏡33；以及一影像擷取裝置34。其中，該物鏡31，可接收該薄膜樣品50所反射之特定波長光；該檢偏器32耦接至該物鏡31，用以分別出消光及非消光之影像訊號；該管鏡33耦接至該檢偏器32，藉由管鏡33及物鏡31可將橢偏影像放大；以及該影像擷取裝置34耦接至該管鏡33，用以呈現對比之影像訊號。其中，該檢偏器32之方位角度固定為θ_A ，該影像擷取裝置34例如但不限於為一電荷耦合元件(CCD)或CMOS影像感測器，且其位元分佈例如但不限於為二維或線性。

該電腦主機40耦接至該濾光模組10、偏振模組20及影像擷取模組30，可按圖2執行其相關控制，包含濾光模組光波長λ、偏振器方位角度θ_P 、相位角δ_c ，以便於該影像擷取模組30上得知該薄膜樣品50在波長範圍內消光區域AC的反射光強度最低，同時使非消光區域BC的反射光強度在特徵波長處有極大值，如圖3所示。此外，該電腦主機40進一步具有一顯示裝置41，其可耦接至該影像擷取裝置34，可供顯示該對比影像訊號。

此外，本發明之多波長橢偏影像對比檢測裝置進一步具有一線性平台60，其係耦接至該電腦主機40，可供放置該薄膜樣品50，且可經由該電腦主機40之控制對該薄膜樣品50進行線性移動，以調整其檢測位置。

請參照圖4，其繪示本發明之多波長橢偏影像對比檢測方法之流程示意圖。如圖所示，本發明之多波長橢偏影像對比檢測方法包括下列步驟：提供一濾光模組10，用以產生一高能量、波長可調之光(步驟1)；提供一偏振模組20，可接受該高能量、單波長之光，並可供調整方位角及相位角，用以於一薄膜樣品50之某一區域上產生消光效果(步驟2)；提供一影像擷取模組30，可接收該薄膜樣品50消光區域之弱反射光及非消光區域之強反射光(步驟3)；以及提供一電腦主機40，可控制該濾光模組10及偏振模組20之方位角及相位角，以便於該影像擷取模組30上選擇出特徵波長橢偏影像，在此波長下消光區域與非消光區域間有最大影像對比(步驟4)。

於步驟1中，提供一濾光模組10，用以產生一高能量、波長可調之光；其中該濾光模組10進一步具有一多波長光源11及一濾光元件12，其中該多波長光源11可為一閃光燈、鹵素燈或多波長雷射，而該濾光元件12可為一單頻儀或窄頻濾光器。

於步驟2中，提供一偏振模組20，可接受該高能量、單波長之光，並可供調整方位角及相位角，用以於一薄膜樣品50之某一區域上產生消光效果；其中，該偏振模組20進一步具有：一透鏡21；一偏振器22；一旋轉馬達23；一相位可變延遲器24；以及一聚焦透鏡25，其原理請參照上述之說明，在此不擬重複贅述。

於步驟3中，提供一影像擷取模組30，可接收該薄膜樣品50之非消光區域之反射光；其中，該影像擷取模組30進一步具有：一物鏡31；一檢偏器32；一管鏡33；以及一影像擷取裝置34，其原理請參照上述之說明，在此不擬重複贅述。

於步驟4中，提供一電腦主機40，可控制該濾光模組10之波長λ、偏振模組20之方位角度及相位角，以便於該影像擷取模組30上選擇出特徵波長橢偏影像，在此波長下消光區域與非消光區域間有最大影像對比；其中，該電腦主機40進一步具有一顯示裝置41，其可耦接至該影像擷取裝置34，可供顯示該對比影像訊號，其原理請參照上述之說明，在此不擬重複贅述。

此外，本發明之多波長橢偏影像對比檢測方法進一步具有提供一線性平台60之步驟(步驟5)，該線性平台60係耦接至該電腦主機40，可供放置該薄膜樣品50，且可經由該電腦主機40之控制對該薄膜樣品50進行線性移動。

綜上所述，藉由本發明之多波長橢偏影像對比檢測裝置及其方法，其以閃光燈結合單頻儀的投光設記，以創造高能量窄頻寬之可調波長光，以克服傳統影像橢偏技術之問題，並以格蘭－湯普生偏振器和液晶相位可變延遲器調整多波長偏振器之方位角及相位補償器之相位角，以達到多波長橢偏檢測之目的，因此，本發明之多波長橢偏影像對比檢測裝置及其方法確可改善習知橢圓偏振方法之缺點。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之各種更動與潤飾，亦屬本發明之範圍。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

濾光模組．．．10

多波長光源．．．11

濾光元件．．．12

光纖．．．13

光纖．．．14

偏振模組．．．20

透鏡．．．21

偏振器．．．22

旋轉馬達．．．23

相位可變延遲器．．．24

聚焦透鏡．．．25

影像擷取模組．．．30

物鏡．．．31

檢偏器．．．32

管鏡．．．33

影像擷取裝置．．．34

電腦主機．．．40

顯示裝置．．．41

薄膜樣品．．．50

玻璃基板．．．51

第一薄膜．．．52

第二薄膜．．．53

線性平台．．．60

圖1為一示意圖，其繪示根據本發明較佳實施例之一種多波長橢偏影像對比檢測裝置之方塊示意圖。

圖2為一示意圖，其繪示根據本發明較佳實施例之多波長光調制之示意圖。

圖3為一示意圖，其繪示根據本發明較佳實施例之消光區域與非消光區域之多波長橢偏反射信號之示意圖。

圖4為一示意圖，其繪示本發明之多波長橢偏影像對比檢測方法之流程示意圖。

濾光模組．．．10

多波長光源．．．11

濾光元件．．．12

光纖．．．13

光纖．．．14

偏振模組．．．20

透鏡．．．21

偏振器．．．22

旋轉馬達．．．23

相位可變延遲器．．．24

聚焦透鏡．．．25

影像擷取模組．．．30

物鏡．．．31

檢偏器．．．32

管鏡．．．33

影像擷取裝置．．．34

電腦主機．．．40

顯示裝置．．．41

薄膜樣品．．．50

玻璃基板．．．51

第一薄膜．．．52

第二薄膜．．．53

線性平台．．．60

Claims (24)

1. 一種多波長橢偏影像對比檢測裝置，其包括：一濾光模組，用以產生一高能量、波長可調之光，其進一步具有：一多波長光源，用以產生一高能量、多波長之光，其中該多波長光源為一閃光燈、鹵素燈或多波長雷射；以及一濾光元件，經由一光纖耦接至該多波長光源，可於多波長之光中選擇一特定波長光，其中該濾光元件為一單頻儀或窄頻濾光器；一偏振模組，耦接至該濾光模組，可接受該高能量、單波長之光，並可供調整方位角及相位角，用以於一薄膜樣品之某一區域上產生消光效果；一影像擷取模組，可接收該薄膜樣品消光區域之弱反射光及之非消光區域之強反射光；以及一電腦主機，耦接至該濾光模組、偏振模組及影像擷取模組，可執行相關控制或調整，以便於該影像擷取模組上選擇出特徵波長橢偏影像，在此波長下消光區域與非消光區域間有最大影像對比。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多波長橢偏影像對比檢測裝置，其中該偏振模組進一步具有：一透鏡，經由該光纖耦接至該單頻儀，可接收該單頻儀輸出之特定波長光；一偏振器，耦接至該透鏡，可使該特定波長光過濾出偏振方向平行偏振器方向的光通過；一旋轉馬達，耦接至該電腦主機及偏振器，可接受該電腦主機之控制而轉動，以調整該偏振器之方位角度θ_P ；一相位可變延遲器，耦接至該偏振器，可調整線偏振光束之相位角δ_c(λ) ；以及 一聚焦透鏡，耦接至該液晶相位可變延遲器，可將經偏振模組後之特定波長光聚焦至該薄膜樣品之某一區域上。
3. 如申請專利範圍第2項所述之多波長橢偏影像對比檢測裝置，其中該偏振器可為一格蘭-湯普生偏振器或薄膜偏振器。
4. 如申請專利範圍第2項所述之多波長橢偏影像對比檢測裝置，其中該相位可變延遲器可為一液晶相位可變延遲器，且其角度固定為θ_C 。
5. 如申請專利範圍第1項所述之多波長橢偏影像對比檢測裝置，其中該影像擷取模組進一步具有：一物鏡，可接收該薄膜樣品所反射之特定波長光；一檢偏器，耦接至該物鏡，用以分別出消光及非消光之影像訊號；一管鏡，耦接至該檢偏器，藉由管鏡及物鏡可將橢偏影像放大；以及一影像擷取裝置，耦接至該管鏡，用以呈現對比之影像訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之多波長橢偏影像對比檢測裝置，其中該檢偏器之方位角度固定為θ_A 。
7. 如申請專利範圍第5項所述之多波長橢偏影像對比檢測裝置，其中該影像擷取裝置可為一電荷耦合元件或CMOS影像感測器，且其位元分佈可為二維或線性。
8. 如申請專利範圍第1項所述之多波長橢偏影像對比檢測裝置，其中該薄膜樣品可為一多層膜半導體薄膜、鐵電、壓電與焦電薄膜、磁性薄膜、超導薄膜、有機與高分子薄膜、生物與生物工程薄膜、鑽石薄膜或金屬薄膜。
9. 如申請專利範圍第8項所述之多波長橢偏影像對比檢測裝置，其中該薄膜樣品進一步具有一玻璃基板，該玻璃基板上具有一第一薄膜及一第二薄膜，且該玻璃基板、第一薄膜及第二薄膜之材料成分不同。
10. 如申請專利範圍第5項所述之多波長橢偏影像對比檢測裝置，其中該電腦主機進一步具有一顯示裝置，其可耦接至該影像擷取裝置，可供顯示該對比影像訊號。
11. 如申請專利範圍第1項所述之多波長橢偏影像對比檢測裝置，其進一步具有一線性平台，其係耦接至該電腦主機，可供放置該薄膜樣品，且可經由該電腦主機之控制對該薄膜樣品進行線性移動。
12. 一種多波長橢偏影像對比檢測方法，包括下列步驟：提供一濾光模組，用以產生一高能量、波長可調之光；提供一偏振模組，可接受該高能量、單波長之光，並可供調整方位角及相位角，用以於一薄膜樣品之某一區域上產生消光效果；提供一影像擷取模組，可接收該薄膜樣品消光區域之弱反射光及非消光區域之強反射光；以及提供一電腦主機，可控制該濾光模組之波長、偏振模組之方位角度及相位角，以便於該影像擷取模組上選擇出特徵波長橢偏影像，在此波長下消光區域與非消光區域間有最大影像對比。
13. 如申請專利範圍第12項所述之多波長橢偏影像對比檢測方法，其中該濾光模組進一步具有：一多波長光源，用以產生一高能量、多波長之光，其中該多波長光源為一閃光燈、鹵素燈或多波長雷射；以及 一濾光元件，經由一光纖耦接至該多波長光源燈，可於多波長之光中選擇一特定波長光，其中該濾光元件為一單頻儀或窄頻濾光器。
14. 如申請專利範圍第13項所述之多波長橢偏影像對比檢測方法，其中該偏振模組進一步具有：一透鏡，經由該光纖耦接至該單頻儀，可接收該單頻儀輸出之特定波長光；一偏振器，耦接至該透鏡，可使該特定波長光過濾出偏振方向平行偏振器方向的光通過；一旋轉馬達，耦接至該電腦主機及偏振器，可接受該電腦主機之控制而轉動，以調整該偏振器之方位角度θ_P ；一相位可變延遲器，耦接至該偏振器，可調整線偏振光束之相位角δ_c(λ) ；以及一聚焦透鏡，耦接至該液晶相位可變延遲器，可將經偏振後之特定波長光聚焦至該薄膜樣品之某一區域上。
15. 如申請專利範圍第14項所述之多波長橢偏影像對比檢測方法，其中該偏振器可為一格蘭-湯普生偏振器或薄膜偏振器。
16. 如申請專利範圍第14項所述之多波長橢偏影像對比檢測方法，其中該相位可變延遲器可為一液晶相位可變延遲器，且其方位角度固定為θ_C 。
17. 如申請專利範圍第13項所述之多波長橢偏影像對比檢測方法，其中該影像擷取模組進一步具有：一物鏡，可接收該薄膜樣品所反射之特定波長光；一檢偏器，耦接至該物鏡，用以分別出消光及非消光之影像訊號；一管鏡，耦接至該檢偏器，藉由管鏡及物鏡可將橢偏 影像放大；以及一影像擷取裝置，耦接至該管鏡，用以呈現對比之影像訊號。
18. 如申請專利範圍第17項所述之多波長橢偏影像對比檢測方法，其中該檢偏器之方位角度固定為θ_A 。
19. 如申請專利範圍第17項所述之多波長橢偏影像對比檢測方法，其中該影像擷取裝置可為一電荷耦合元件或CMOS影像感測器，且其位元分佈可為二維或線性。
20. 如申請專利範圍第13項所述之多波長橢偏影像對比檢測方法，其中該薄膜樣品可為一多層膜之半導體薄膜、鐵電、壓電與焦電薄膜、磁性薄膜、超導薄膜、有機與高分子薄膜、生物與生物工程薄膜、鑽石薄膜或金屬薄膜。
21. 如申請專利範圍第20項所述之多波長橢偏影像對比檢測方法，其中該薄膜樣品進一步具有一玻璃基板，該玻璃基板上具有一第一薄膜及一第二薄膜。
22. 如申請專利範圍第21項所述之多波長橢偏影像對比檢測方法，其中該玻璃基板、第一薄膜及第二薄膜之材料成分不同。
23. 如申請專利範圍第20項所述之多波長橢偏影像對比檢測方法，其中該電腦主機進一步具有一顯示裝置，其可耦接至該影像擷取裝置，可供顯示該對比影像訊號。
24. 如申請專利範圍第13項所述之多波長橢偏影像對比檢測方法，其進一步具有提供一線性平台之步驟，該線性平台係耦接至該電腦主機，可供放置該薄膜樣品，且可經由該電腦主機之控制對該薄膜樣品進行線性移動。