TWI547683B - Multi - wavelength optical measurement method for thin film elements - Google Patents

Description

薄膜元件之多波長光學量測方法

本發明係有關於一種薄膜特性的量測，特別是有關於一種薄膜元件之多波長光學量測方法，其係以多波長之動態干涉術量測薄膜之光學常數及厚度。

現今薄膜的反射或穿透光強度光譜，常用於量測薄膜光學常數及厚度，但因無相位之資訊，其量測精確度較橢偏儀低。可是橢偏儀無法量測薄膜二維之折射率與厚度的均勻度，亦無法量測基板表面輪廓及薄膜應力。

最近一些研究使用在干涉儀中的反射強度光譜去計算薄膜折射率和厚度，但是它並不如光譜儀能同時利用光強度和相位的資訊去增加求解的精確度，且其不具抗震動效果。

本發明多波長光學膜厚之量測方法同時利用薄膜之反射相位及反射強度的量測資訊增加折射率和薄膜厚度計算結果之精確度，並且可量測其二維之分布。此量測架構為抗震動、非接觸式之量測架構，擁有多方位的薄膜量測功能，並可偵測基板表面輪廓。

本發明之主要目的，在於提供一種薄膜元件之多波長光學量測方法，其藉由薄膜物理特性量測技術，其以光學干涉術得到量 測資訊。

本發明為一種薄膜元件之多波長光學量測方法，其先使用一動態干涉儀依據不同波長之複數待測光與複數參考光量測該薄膜，且該待測光反射自薄膜而產生複數第一反射光，該些參考光反射自參考面產生複數第二反射光，該些第一反射光與該些第二反射光形成複數干涉光；接續由該動態干涉儀接收該干涉光並依據該些干涉光產生複數反射相位；然後依據該些反射相位與反射率取得該薄膜之反射係數。並以該反射係數計算各層厚度與各層折射率。如此本發明即可量測基板的表面輪廓，與薄膜的折射率、消光係數與厚度的分佈情形。

10‧‧‧多波長光學量測裝置

101‧‧‧光源

102‧‧‧光準直器

103‧‧‧偏振片

104‧‧‧偏振分光鏡

105‧‧‧四分之一波片

106‧‧‧四分之一波片

107‧‧‧參考面

108‧‧‧待測面

109‧‧‧四分之一波片

110‧‧‧窄帶濾光片

111‧‧‧成像透鏡

112‧‧‧光感測元件

201‧‧‧第一像素

202‧‧‧第二像素

203‧‧‧第三像素

204‧‧‧第四像素

第一圖為本發明之一實施例之方塊圖；第二圖為本發明之光感測元件中各像素偏振方向分佈的示意圖；第三圖為本發明之一實施例的流程圖；以及第四圖為量測結果的長條圖。

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例之方塊圖。如圖所示，本發明之薄膜元件之多波長光學量測裝置10係包含一光源101、一光準直器102、一偏振片103、一偏振分光鏡104、二四分之一波片105、106、一參考面107、一待測面108、一四分之一波片109、一窄帶濾光片110、一成像透鏡111與一光感測元件112， 其中待測面108為一薄膜面，光感測元件112為一相位遮罩像素偏振影像感測單元，其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，或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，用以擷取相位。

光源101設於光準直器102的一側，偏振片103設於光準直器102之另一側，偏振片103位於偏振分光鏡104之一第一側，四分之一波片105、106之一側分別面向偏振分光鏡104之一第二側與一第三側，參考面107位於四分之一波片105之另一側，待測面108位於四分之一波片106之另一側，四分之一波片109之一側面向偏振分光鏡104之一第四側，窄帶濾光片110之一側面向四分之一波片109之另一側，成像透鏡111位於窄帶濾光片110與光感測元件112之間。

由於參考光S與待測光P在空間上光程差所造成之相位差，以及參考面107與待測面108(膜面)的反射相位差，因此兩者在波長轉換時，轉換方式不同，所以需要變換多個波長，量測個別對應的相位及強度，以區分兩者。再者，本發明，薄膜的反射係數可在一以白光為光源的傳統光學干涉儀或一動態干涉儀中被量測。本實施例之多波長薄膜量測裝置10為一動態干涉儀，其藉由一光學偏振干涉儀以及一個相位遮罩像素攝影機所組成，其具抵抗震動與空氣擾動的影響能力。

復參閱第一圖，當光由一白光光源101射出，並經過一準直器102變成平行光，入射至一偏振片103。此偏振片103可調配兩垂直偏振態的光強比。經過偏振分光鏡104的光分為兩偏振方向互相垂直的線性偏振光入射至杜曼-格林干涉儀(量測裝置10)的 兩臂，然後經四分之一波片105、106分別至於兩臂的參考面107與待測面108前，其線性偏振入射光方向呈45度，當光來回兩次經過四分之一波片105、106後，會使原線性偏振光的偏振方向旋轉90度，因此從參考面107與待測面108反射的偏振態互相垂直的光再經過偏振分光鏡104後，又可重合在一起。共路徑的此二線性偏振光經過窄帶濾光片110前的四分之一波片109，將各自成為左旋圓偏振光跟右旋圓偏振光。

上述該些偏振光已在通過一線性偏振片後相互干涉，此二圓偏振光光入射到α方向的偏振片，則量測到的光強會如(1)式。

其中I_T和I_R分別為來自待測面108與參考面107的光(待測光與參考光)的光強，δ_m為待測光與參考光的相位差，光在經過成像透鏡111後會到達一光感測元件112。此光感測元件112為相位遮罩像素攝影機上其偏振方向和鄰近的像素上的偏振方向皆不同。如圖二所示，其表示光感測元件112之每四個像素201、202、203、204作為一單位像素，像素201、202、203、204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δ_m可瞬時被解出，而不需以壓電平台移動參考臂。此相機求得的二維相位應先解纏繞、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，藉此消除光感測元件112的誤差。

窄帶濾光片110可用來區分各波長的光，以供量測。另外，更 可利用其他色散元件取代窄帶濾光片110，如光柵，因而一次測得多波長之量測結果。

若將量測波長改變，則反射係數會依(2)式改變。

其中n是薄膜折射率，δ_T為薄膜光學相厚度.n_s是基板折射率。因為光為正向入射所以數學式子比橢偏儀(斜向入射)單純許多。r是反射係數大小，可經由比較參考面(已知反射率)和待測面的光強得知。

而在波長變換時，參考光與待測光所經之光程差異所造成的相位差δ只會簡單的乘上一波長因子，該波長因子為δ’=(λ/λ’)δ，其中δ和δ_r在波長變換時轉變的方式不同，故可以此將兩者區分開來。對於多層膜而言，式(2)中的n_s應為前層膜堆的等效導納。薄膜的光學常數與厚度可由式(2)求出。收集光感測元件112之感測陣列上各個單位元的資料，可得其二維分佈 資訊。δ可用來得知表面輪廓。

請參閱第三圖，其為本發明之一實施例之流程圖。如圖所示，本發明之薄膜元件之多波長光學量測方法係用於量測已完成鍍膜之薄膜之厚度與折射率。首先按步驟S100所示，使用一動態干涉儀10依據不同波長之複數待測光與複數參考光量測該薄膜，該些待測光反射自待測面108產生複數第一反射光，該參考光反射自參考面107產生複數第二反射光，該些第一反射光與該些第二反射光形成複數干涉光，該待測面108放置一薄膜，利用光感測元件112接收該干涉光並依據該些干涉光，並將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，並平均數次量測資料，以去除空氣擾動對相位的影響；如步驟S102所示，經光感測元件112接收反射自參考面的參考光和反射自待測面的待測光，並依據此光強算得待測面的反射率；如步驟S104所示，開始記錄薄膜在所有波長之量測結果，接續執行步驟S106，以量測到的參考光與待測光的相位差，加上薄膜的反射率，計算薄膜各層光學常數與厚度，以及參考光與待測光在空間上的光程差。接續，按步驟S108所示，記錄空間上各點資料，得到二維薄膜厚度與光學常數分佈圖，以及表面輪廓。

如上表一所示，其包含顯示了橢偏儀量測出一百個波長的結果和本量測方式五個波長實驗平均結果的比較，其中該五個波長分別為532奈米、580奈米、632奈米、690奈米與730奈米。

圖四顯示了若只經由五個波長的反射率量測所算出的薄膜折射率和厚度，精密度很低，但加了相位量測的數據後，折射率和厚度的量測精密度大為改善。

量測面積大小可經由在待測物前放置適當的透鏡組調整。

本發明為一振動不靈敏之簡單結構與工作原理，因此此不僅有橢偏儀之優點更可統一量測薄膜之表面輪廓，因而針對任何大型的塗薄膜之任何圖形基板生產可以提供高精度線上驗證，如液晶顯示器，半導體等。

本發明為一種薄膜元件之多波長光學量測方法，其以一多波長之干涉儀透過多個波長光源量測薄膜之光學常數及厚度。由於轉換光源波長時，驅使薄膜之待測面與參考面形成反射相位差，且在空間上待測光與參考光之光程差所造成的相位差兩者轉換方 式不同。本法藉由此特性將這兩者區分開來，進而求得薄膜之反射係數之相位；再搭配各波長所量到的平均強度後計算出反射係數。接著再利用正向入射下所求得之二維資料，計算出薄膜厚度、光學常數的分佈、以及基板的表面輪廓。將待測薄膜元件成品置於動態干涉儀量測其反射係數以避免震動因素以及空氣擾動對量測結果之影響。其中動態干涉儀為一白光偏振光學干涉儀搭配一像素相位遮罩的攝影機。

綜上所述，本發明為一種薄膜元件之多波長光學量測方法，其提供薄膜元件物理特性的全方位量測，具有傳統量測儀器的優點，並無其各別的缺點，具相位量測提升準確度且對震動干擾抵抗力強，並可做大面積二維量測，所以可供太陽能電池、半導體產業、液晶顯示器等需要薄膜的元件的產業做為線上檢測系統。

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。

Claims (14)

1. 一種薄膜元件之多波長光學量測方法，其包含：使用一動態干涉儀依據不同波長之複數待測光與複數參考光量測該薄膜，該些待測光反射自一待測面產生複數第一反射光，該參考光反射自一參考面產生複數第二反射光，該些第一反射光與該些第二反射光形成複數干涉光，該待測面放置一薄膜，其中該動態干涉儀使用一光源透過一光準直器與一偏振片，用以提供該些待測光與該些參考光；使用一感光元件接收反射自參考面的參考光和反射自待測面的待測光，並依據此光強算得待測面的反射率；該感光元件接收該干涉光並依據該些干涉光產生複數反射相位；以及依據該些反射相位和反射率取得該薄膜之各層厚度與各層光學常數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多波長光學量測方法，其中該待測面為一薄膜面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之多波長光學量測方法，其中使用一動態干涉儀依據不同波長之複數待測光與複數參考光量測該薄膜之步驟，該動態干涉儀透過一濾光元件或一色散元件產生不同波長之該些第一反射光與該些第二反射光。
4. 如申請專利範圍第1項所述之多波長光學量測方法，其中該動態干涉儀設有一光感測元件，其量測各像素量之光強度與相位。
5. 如申請專利範圍第1項所述之多波長光學膜厚之量測方法，其中該光感測元件為一像素相位遮罩攝影機(pixelated phase-mask camera)，其每一像素感光元件都可產生與其周圍像素不同的相位移。
6. 如申請專利範圍第5項所述之多波長光學膜厚之量測方法，其中該相位遮罩攝影機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。
7. 如申請專利範圍第5項所述之多波長光學量測方法，其中該相位遮罩攝影機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。
8. 如申請專利範圍第1項所述之多波長光學量測方法，其中該動態干涉儀接收該干涉光並依據該些干涉光產生複數反射相位之步驟，係利用一相移演算法(Phase-shifting algorithm)推算反射自薄膜表面以及參考面之光線之間的相位差。
9. 如申請專利範圍第5項所述之多波長光學量測方法，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。
10. 如申請專利範圍第1項所述之多波長光學量測方法，其中依據該參考面反射率，並比較反射光強度與待測光強度產生該薄膜之一反射率。
11. 如申請專利範圍第1項所述之多波長光學量測方法，其中依據不同波長之複數待測光與複數參考光量測該薄膜，係依據該薄膜在不同波長的反射率以及該參考光與待測光在不同波長的相位差資料，計算出該薄膜的一反射係數，以及該參考光與待測光在空間上的光程差。
12. 如申請專利範圍第1項所述之多波長光學量測方法，其中依據該些反射相位和反射率取得該薄膜之各層厚度與各層光學常數，係依據該薄膜之該些反射係數計算出該薄膜的一光學常數及該薄膜厚度。
13. 如申請專利範圍第12項所述之多波長光學量測方法，其中依據該薄膜之該些反射係數計算出該薄膜的各層光學常數及該薄膜厚度，更包含收集空間上各點資料，獲得該薄膜的光學常數以及該薄膜厚度二維分佈。
14. 如申請專利範圍第1項所述之多波長光學量測方法，更包含：依據各點所計算出參考光與待測光在空間上的光程差計算基板表面輪廓。