TWI641799B - 用來判斷在樣本堆疊中之層厚度的方法及組件 - Google Patents

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Abstract

一種用來判斷層之樣本堆疊的一或多層之厚度、或判斷其他影響光線之強度的性質的方法，所述光線為包含組件之樣本堆疊所反射，所述組件包含有一用來照射層之樣本堆疊的光源、及一具有檢測器的相機，該檢測器用以檢測在指定的波長範圍內，由層之樣本堆疊所反射之光線的強度，所述方法包含以下步驟，以來自光源之光照射層之樣本堆疊；在不同的波長範圍內，以檢測器來檢測反射自層之樣本堆疊的光的強度；由檢測器所檢測到的強度來判斷厚度或其他性質；其特徵在於，檢測器為一陣列檢測器，其具有數個檢測元件呈行列排列；層之樣本堆疊的影像係產生在檢測器上；檢測器包含有數個呈平行條紋的區域，所述條紋同時檢測由層之樣本堆疊所反射之光線的強度；檢測器之每一區域僅檢測一選定的波長範圍中的光線；在垂直於平行條紋的縱向的方向上，產生在檢測器或平行條紋上之層之樣本堆疊的影像之運動，使得被檢查的層之樣本堆疊的每個點在每個不同的波長範圍內，被檢測到至少一次。

Description

用來判斷在樣本堆疊中之層厚度的方法及組件
本發明係關於一種用來判斷樣本堆疊中之一或多層的厚度、或判斷其他可影響樣本堆疊所反射之反射光的強度之性質的方法，其組件包含用來照射所述層之樣本堆疊的光源，及一具有檢測器的相機，該檢測器用以檢測在預設的波長範圍之內中，層之樣本堆疊所反射之反射光的強度，該方法包含以下步驟：(a)藉由來自光源的光，照射所述層之樣本堆疊；(b)藉由檢測器來檢測在不同波長範圍中，所述層之樣本堆疊所反射之反射光的強度；以及(c)藉由檢測器所檢測到的強度來判斷厚度或其他性質。
進一步而言，本發明關於一種檢測組件，係用來判斷層之樣本堆疊的一或多層之厚度、或判斷其他影響樣本堆疊所反射之反射光的強度之性質，該檢測組件包含：(a)一光源，其用以照射層之樣本堆疊；以及(b)一具有檢測器的相機，用以檢測在不同波長範圍中，所述層之樣本堆疊所反射之反射光的強度；以及(c)一運算手段，其用以藉由檢測器所檢測到的強度來判斷厚度或其他性質。
在該產業的不同分支產業中，平面產品係以光學方法檢查其性質，在半導體和太陽能電池產業中，包括晶圓及太陽能電池，晶圓為半導體、玻璃、片材或陶瓷材料的圓盤，所述被檢查的性質可為組成特定層之材料混合物的材料成份。例如該混合物為Sil-xGex，其用來在半導體電晶體中產生應變，不同材料的層係被加以使用，例如用來製造電子半導體裝置(”晶片”)，根據所使用的具體技術，該等堆疊最多可包含至10層。
特別相關的領域為用於現今半導體裝置之特殊晶圓(所謂的SOI晶圓)的製造，現今科技之晶圓在頂面具有雙層結構，所述晶圓之頂面係由氧化矽(silicon oxide)層與矽(silicon)層所構成，在新裝置的現今方法中，尤其是具有低功率及/或高性能者，所述兩層的厚度係在數奈米(nanometer)範圍內，極小的層厚度對在晶圓上所生產之晶片的功能影響很大，因此，其準確度及橫向均質性對晶片製造過程及後續的裝置性能而言係相當重要，故對於在製造過程中，特別注重在短時間內對每個晶圓以高橫向解析度及高精度來測量其層厚度及其均質性。
類似的要求必須在其他領域加以滿足，層堆疊的厚度及橫向均質性對於最終產品參數而言可能為至關重要。
用於非破壞性層的橢圓偏振測量是本領域已知的技術，樣品係以偏振光加以照射，最終檢測到層之間界面的反射光或透射在層之間的光，層的性質則藉由所檢測到的光的偏振狀態的變化加以判斷，該等測量值絕大多數取決於樣品表面的焦點位置和傾斜度，該方法具有高度的精確性，且如果使用合適的層模型，該方法可適用於涉及多層之非常複雜的層堆疊。然而，這種方 法耗時，每點需要數秒的時間，其空間解析度被限制在幾十微米(μm)，因此，橢圓偏振測量在生產控制領域係為受限的。
類似的考量適用於光譜反射法的方法，光譜反射法可藉由使用光譜儀或所謂的高光譜成像相機來加以實施，光譜儀提供幾百到幾千波長點的光譜反射率數據，高光譜成像相機提供提供12至256波長點的反射率數據，這兩種方法都可用於相當廣範圍的厚度值，並提供準確的結果，獲得的結果在很大程度上取決於所使用的波長數據點的數量，但對於高速和高解析度率映射而言速度太慢。
第WO2014072109、EP2426717、US2014293295、及US2013063733號專利公開案揭露了用來判斷雙層堆疊之一層的厚度方法，其係僅使用反射光強度的測量，所公開的方法特定測量較為有效，所述測量係針對已知雙層各自之額定厚度值且僅須確定與該額定厚度值之微小偏差量，在所述四個專利公開案的關鍵構想在於以一原則將測量限制在一預選的小波長範圍內，此原則係為對第二層的影響為最小，在選定的小波長範圍內，反射光強度與厚度變化的偏差幾乎為零，該構想係基於一個事實，即由於光波的干涉係根據層的厚度，故由基底頂部的雙層堆疊所反射的光之強度將隨著波長範圍而強烈變化。
所述的方法將依據條件而有所不同，即如何在方法的標準化程序中取得良好的參數以及何種方法為最佳方法能避免第二層的影響，該方法可以用於檢查的雙層堆疊內的頂層或底層，並選擇不同地合適的小波長範圍。然而，所有上述的方法缺乏一事實，即其假設第二層厚度變化影響在選定的波長範圍內是可以被忽略的，但在現實中，該變化影響可能無法被忽略，且對於高解析度的方法而言，該第二層的影響可提高數個百分點而使測量結果無效。
第EP15178999號專利申請案(公開號為EP3124912A1)為本案申請人所提申，其中揭露一種在雙層系統中判斷各層厚度的方法，如SOI晶圓，其係藉由在兩個適當的波長範圍內測量層堆疊的反射率，所述在不同波長範圍內的同步測量係藉由使用分光鏡(beamsplitter)產生兩個光路徑來完成，不同的波長範圍則接著由兩個濾波器來選擇，其中亦揭露使用光柵或稜鏡來選擇適當的波長範圍，光的強度係分佈在兩個測量頻道中，其中包含信雜比(signal-to-noise)，該現有的組件需要許多光學構件。
菲涅耳公式(Fresnel formulas)描述了兩種材料界面處波反射的一般物理特性，依據該公式，材料內部和沿著其界面的電磁波的行進速度和場振幅對材料參數的相依性在本技術領域中是通常知識，對波傳播的理論描述最關鍵的問題是對材料參數的準確了解，以折射率作為此種材料參數的例子，雖然菲涅耳公式準確地描述了在光滑、理想的材料界面上的傳播，但正確地考慮表面粗糙度效應可能更為複雜，因此，在實際的解決方案中，需要校準程序來補充第一物理原理。
折射率被提供為以描述折射和吸收的複合值，舉例而言，該方法係總結於第WO2014072109號專利公開案中，現有技術檢測方法的基本構想，是在對第二層影響最小的小波長範圍內使用由樣本堆疊反射的反射光。
在較小厚度範圍內的兩層的影響可以通過近似關係來描述，舉一個現有技術的簡單例示，使用名為例如A和B的兩層之層堆疊，兩層堆疊中各層具有一額定厚度，在層A和B的額定層厚度之處的泰勒級數可以用來計算反射光的強度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：在層A和B具有之厚度值tA和tB的點處所測量到之真實反射光的強度
R0：在各層具有之額定厚度的點處所測量到之反射光的強度，即tA=tA0且tB=tB0
及：分別表示在層A和B具有其額定厚度值的點處取的一階或二階偏導數
△t A ：△t A =t A -t A0的差值表示；△t B ：△t B =t B -t B0的差值表示。
由於光波的干涉，反射光強度R在波長上的變化，係取決於兩層的厚度，在現有技術測量手段中需選擇其中一層(例如層B)的影響是可忽略的波長範圍，意味著必須找到該波長範圍，其中趨近於零而非為零，更確切的說，必須遠小於，若高階導數被由於通常在泰勒級數中的影響較小而被忽略，則方程式(1)讀為：
假設tB具有其額定值tB=tB0並且因此可忽略對R的影響，則可以容易地使用這種關係來判斷層厚度tA，A層的厚度可以通過使用校準方法來確定R和tA之間的關係，對於校準層疊層的製作，係透過tB=tB0和tA，其中幾個厚度值在tA0附近，然後通過參考方法測量層堆疊樣本來測量，例如高精度橢圓偏 光術(ellipsometry)，然後可以從測量點處的測量強度值創建校準曲線R=f(t A )，前述方法係揭露於第WO2014072109號專利公開案中，該方法的區點在於，假設層B在所有點處均正好處於其額定值tB=tB0處，層B之厚度的影響被完全忽略，這種忽略導致層A的確定厚度tA的系統性誤差，這在現有技術之方法中無法加以解決。
在假設tA具有其額定值tA=tA0的情況下，相同的考量也適用於判斷層厚度tB。
本發明的目的是提供一種上述類型的組件和方法，其允許以高精度、高速度與微米級和亞微米級橫向解析度範圍同時精確測量一個或多個層的厚度。本發明的另一目的是以時間和成本有效的方式來判斷樣本堆疊中的一個或多個層的厚度，進而避免了龐大的光譜評估方法，如通常使用的橢圓偏光術或光譜反射法。
根據本發明，該目的通過上述類型的方法來實現，其特徵在於：(a)該檢測器為一陣列式檢測器，其具有成行列排列的數個檢測單元；(b)該檢測器產生層的樣本堆疊之影像；(c)該檢測器包含有平行條紋式的數個部份，所述條紋同時檢測由所述多個層的樣本堆疊之反射光的強度；(d)檢測器的各部份僅檢測在選定的一波長範圍內之光；(e)在垂直於平行條紋的縱向的方向上產生在檢測器上或平行條紋上之層的樣本堆疊之影像的運動，使得被檢查的層之樣本堆疊的每個點在每個不同的波長範圍內，被檢測到至少一次。
該目的還透過上述類型的檢查組件來實現，其特徵在於：(a)該檢測器為一陣列式檢測器，其具有成行列排列的數個檢測單元；(b)該檢測器上具有一光學手段用以產生層的樣本堆疊之影像；(c)該檢測器包含有平行條紋式的數個部份，所述條紋同時檢測由所述多個層的樣本堆疊之反射光的強度；(d)濾波手段，其僅將一個選擇的波長範圍的光僅透射到檢測器的多個部分中之每個部分的其中之一、或者適於僅在多個部分中的每一個中測量一個選擇的波長範圍之光的檢測器元件；(e)移動手段，其用以移動影像，該影像係為在垂直於平行條紋的縱向的方向上產生在檢測器上或平行條紋上之層的樣本堆疊之影像，使得檢查的層之樣本堆疊的每個點在每個不同的波長範圍內，能被檢測到至少一次。
檢測器上的條紋可以是一系列的行或一系列的列，如此的行或列可以特別是相鄰的行或列，達到的結果並不取決於條紋在此方面的定義，條紋從檢測器的一側延伸到檢測器的相對側，其中每個影像點由4個色彩感測檢測器元件組成的檢測器，其與RGB(紅-綠-藍)-檢測器的情況一樣，均不適用於本發明。
光源較佳地具有在用於檢查所有波長範圍上延伸之連續的波長譜，發射光譜不需要具有均勻的強度分佈，但必須將光由所有考慮的波長範圍加以發射或轉換，合適的連續光源具有例如從400nm到800nm範圍內的近紫外光(UV)到可見光(VIS)的光譜，此波長範圍適合於晶片生產中一般用於層的厚度，顯然地，如果厚度變化超出了本領域目前使用的範圍，則波長範圍可能不同，然而，也可以使用一個以上的光源並組合其光線以實現充分覆蓋所考慮的波長範圍，波長範圍的寬度可由半寬度來表示，意即具有大於最大強度值之一半強度的波長範圍，選擇所述寬度使得光的強度足以提供良好的信噪比， 但仍能小到足夠提供良好的精確度，例如5至20nm的半寬度可適用於前述之波長範圍。
使用具有諸如反射鏡或透鏡的組件之成像光學裝置來生成檢測器陣列上之層的樣本堆疊之影像，光的路徑可具有中間呈現平面但非必需，影像可以藉由任何合適的成像比例來產生，以獲得良好的信噪比和足夠的高解析度與負擔得起的檢測器。
在檢測步驟之間(即在拍攝影像之間)在垂直於條紋的縱向產生影像的相對移動，相對運動可藉由許多不同的方式進行，可移動層的堆疊樣本之載板；可移動檢測器的相機；其他替代方案如僅藉由在光路中可移動的反射鏡來僅移動影像而不移動相機或層的樣本堆疊；另一替代方案為提供一如下所述之濾波器，其垂直於條紋移動。所有的替代方案亦可加以結合運用，僅有一條件是至少有一部分運動垂直於條紋的縱向，該移動使得每個檢測器元件檢測到相同影像點的不同波長範圍。
所述條紋可在一個階段覆蓋整個影像，條紋沿著物體的影像透射，反之亦然，進而在所有波長範圍內測量所有影像點，整個檢測器陣列的測量結果均被加以使用，只有當濾波器位於物體影像邊緣的範圍內，而不用完全使用檢測器陣列時，才會有n-1個測量值，其中n是所使用的波長範圍的數量。
類似於上述的雙層堆疊，在小範圍厚度變化中，對層在層堆疊中的影響可透過近似關係來加以描述，舉一個簡單的例子，使用一個n層的層堆疊，堆疊之n層中的每一層具有額定厚度ti0，其中i從1到n，可以使用所有層的額定層厚度點處的泰勒級數來計算反射光強度R：
其中：
ti,j：i層相對於j層的厚度
ti0：i層的額定厚度
R：在層由其額定厚度值ti0偏離△ti之點處所測量到的實際反射光強度
R0：在所有層具有其額定厚度值ti0之點處所測量到的反射光強度
及：分別表示在所有層B具有其額定厚度值的點處取的一階或二階偏導數
△ti：△t i =t i -t i0的差值表示
由檢測器元件檢測到的反射光強度R隨著波長變化，此變化係基於光波的干涉，其係根據堆疊中之層的厚度而產生，為了判斷n個獨立參數，如n層的厚度值，需要使用一系列的n次獨立量測，在不限制整體構想的情況下，可藉由與膜厚度類似的方式來考慮膜組成變量，例如Si1-xGex中的組成指數，唯一的區別是數學式3中的偏導數是dThickness/dComposition而不是厚度值，在此定義下，前述tij也可以是材料組成而不是厚度值。
數學式3中的所有偏導數的知識，無論是從理論計算還是從使用具有已知厚度和組成的參考樣本的校準測量，都允許基於n次獨立測量的結果精準地判斷所有n個未知參數ti，對於n次測量，數學式3表示對於n個導數△ti的n個獨立的線性方程組，其可以通過常用的線性方程組算法來求解，此算法可以是例如高斯-約當(Gauß-Jordan)方法。
對於非常有限的參數範圍，在只需要判斷一個或兩個代表厚度或材料組成之未知參數的情況，僅須根據R對未知參數的理論已知相依性，甚至可以在沒有校準的情況下透過多個波長的測量來獲得結果。
利用本發明，可以準確地判斷層堆疊中之n層的厚度，在n個不同波長範圍內的測量需要使用n個系列的校準曲線，每個波長範圍需要一個系 列，每個系列在已知的厚度和成分條件下提供關於反射光強度的訊息，如果要判斷兩個或多個厚度，則屬於一個特定反射率之堆疊的不同層之厚度組合係不明確的，本發明的重要特徵是可以透過使用不同的波長範圍來找到此種組合，術語“波長範圍”是指可由單一波長值表示的範圍，即由干涉濾波器等透射的範圍，並不意味著其範圍延伸將遠超過數十奈米(nanometer)。
在n個波長範圍內由層之堆疊所反射之反射光的強度係同時或近乎同時被檢測到，因此，可快速進行測量，且設置的變化不產生任何影響，再者，透過減去暗值並藉由參考值來標準化所測量到的強度，係為有用的作法，其中該參考值取自例如在眾所周知且穩定的參考材料目標處的反射。
在本發明的較佳實施例中，檢測器的相同部分中的檢測器元件僅感測不同波長範圍中的其中之一，亦即第一條紋感測第一波長範圍，第二條紋則感測不同的第二波長範圍等等。
在本發明的另一實施例中，光源與檢測器之間的光路中之光由條紋幾何順序的多個不同帶通濾波器(bandpass filter)進行濾波，每個帶通濾波器僅透射其中之一選定波長範圍的光並定位在物平面、檢測器平面、中間影像平面或與物體共軛的任何其它平面中。
本發明非常適合設置使用具有高動態範圍、高解析度(高像素數)、和高速度的高性能科學相機，為了達成所設置的波長範圍，檢測器可結合由n個帶通濾波器組成的濾波器，濾波器組件將檢測器區域劃分為n個不同感測值的條紋，其提供了n個帶通濾波器，以條形的形式形成n個部分，來對各個波長範圍加以感測，在檢測器的每次發光和訊號擷取之後，影像相對移動。
為某些層組合選擇特定濾波器可以提高每個波長範圍內的信號對特定層或層組合的選擇性，並提高信噪比，本發明提供了使用固定的濾波器組並將檢測器的有效感測範圍劃分為一系列的n個波長範圍，透過此設置，可 藉由足夠的精度測量各種層之堆疊，使用固定的濾波器組也降低了設置的複雜性，並增加了穩定性，此種固定設置也可以用於較少未知參數的系統，例如，只有2、3或4層之層堆疊，在此應用中，附加的測量值提供了系統在測量數量方面的超採樣，且可以方便地通過在最佳擬合方法中使用它們來提高測量的可靠性。
在本領域中熟知在光路中使用波長濾波器，然而，此種光濾波器通常只有一個波長範圍，為了避免污垢的成像以及濾波器上的刮痕，此種已知的濾波器器係設於任何影像平面的外部，與此種已知的濾波器相反，本發明通過例如多個波長濾波器來使用多個波長範圍，此種濾波器位於影像平面中，存在於所有影像中之濾波器的缺陷將透過影像處理方法加以去除。
如果濾波條紋被提供在中間影像平面中，則使用具有兩組條紋的過濾器可能較為有用，即對於每個波長使用兩個條紋，以此種方式，可輕易地測量邊緣而不必改變移動方向。
本發明的一個較佳的改進方案提供了：利用檢測器拍攝一系列影像，並且檢測器拍攝一系列影像，並且在拍攝每個影像之前，先進行樣本堆疊之在檢測器上的移動、或平行條紋的移動，移動的長度對應於檢測器上的部分的寬度，然而，也可以在運動之間採集一個以上的樣本堆疊之影像，為了盡可能快速地獲得所有信息，較佳者為始終沿相同的方向移動影像或濾波器。
根據本發明的較佳變化，不同波長範圍的數量與條紋的數量相同，進而達到條紋之間的最小轉換，條紋均都可具有相同的寬度。
根據本發明的一個替代方案，層的樣本堆疊具有比波長範圍數量更少的層數，且至少一個層的厚度及/或其他性質由兩次或更多次測量來加以判斷，使用另一個波長範圍的每個附加測量將提高準確性、或者在沒有校準測量的情況下達到更好的判斷，在此情形下，可以從多個測量結果中判斷至少一 個層的厚度及/或其他性質，而不需要測量的校準曲線，然而，也可以使用用於判斷僅一個層的厚度及/或其他特性之多個測量值，來透過配對所判斷的值以提高準確度。
本發明的變化方案可提供：使用層的材料性質的理論值來計算在沒有測量的校準曲線之情況下所判斷的厚度及/或其他性質。
本發明的另一個替代的變化方案為，對於每個檢測的層使用測量的校準曲線來判斷厚度和/或其他性質，進而可檢查多達n層的堆疊。
本發明更多的變化方案是附屬項之標的，下面參照圖式更詳細地描述一實施例。
700‧‧‧樣本
701‧‧‧組件
702‧‧‧堆疊
703‧‧‧多頻光
704‧‧‧光路
705‧‧‧表面
706‧‧‧光線
707‧‧‧可移動台
708‧‧‧中間圖像平面
710‧‧‧光源
720‧‧‧光學手段
730‧‧‧反射鏡
740‧‧‧物鏡
760‧‧‧濾波手段
761、762、763、764、765、766‧‧‧條紋
780‧‧‧光學件
800‧‧‧檢測器
10‧‧‧環境材料
20、30‧‧‧層
40‧‧‧基底
50‧‧‧光
90、100、110‧‧‧介面
60‧‧‧初始反射光
80‧‧‧光束
200‧‧‧反射強度函數
300、310、320、500‧‧‧曲線
340‧‧‧波長範圍
350、360、370、380、390‧‧‧波長間隔
361、400、410、420、430、440、450‧‧‧校準曲線
圖1a為一在不同波長下同時測量反射率之設備的示意圖，其在檢測器平台上具有濾波器組。
圖1b為一在不同波長下同時測量反射率之設備的示意圖，其在中間平台上具有移動地濾波器組。
圖2說明層之堆疊的光路徑。
圖3說明在圖1的組件中使用的6個多頻濾波器之光譜透射分佈圖的例示。
圖4a為在圖1之組件中使用的多頻濾波手段的示意圖。
圖4b為如圖4a之示意圖，其具有移動地層之堆疊。
圖5呈現在多層堆疊處之反射的典型波長相依性。
圖6呈現在多層堆疊處之反射變化的典型波長相依性。
圖7呈現用橢圓偏光術獲得之典型校準曲線。
圖8呈現數個堆疊樣本的一系列校準曲線。
圖9說明不同波長下兩個不同層之可能厚度值之間的相關性。
圖10說明對於矽上不同厚度的SiO2層以及用於測量的不同波長範圍之雙層疊層處的反射變化之典型波長相依性。
1.實施例：在6個不同的波長測量雙層堆疊
圖1a及1b揭露一組件701，其用來在不同的波長範圍量測樣本700之反射率，樣本700包含有一待檢測的層堆疊702，圖2中更詳細的呈現出雙層情況的態樣，來自光源710(如LED、鎢絲燈、電弧放電燈)之多頻光703透過光學手段720加以均化，所述光學手段使橫向和傾斜的光分佈均勻，其可藉由如具有六邊形或矩形橫切面之玻璃棒或擴散器來達成，均勻化的光接著被50%的反射鏡730通過物鏡740偏轉到樣本700上，此藉由標號704來繪製表示光路。
光在樣本700的表面705處被部分地反射，反射光706的強度係被調變，如以下參考圖2所示，調變是由在每個材料界面處部分反射光的干涉效應所引起，反射回來的光線706通過反射鏡730，光線通過定位在相機內部之檢測器800前方的管狀光學件780，藉此在檢測器800上產生樣本700的影像，檢測器800是具有2560×2160個檢測器元件的高速陣列檢測器，檢測器元件呈行列排列。
濾波手段760或者被整併到相機的檢測器組件中、或產生一中間影像平面708且濾波手段被可移動地定位在中間影像平面708中，濾波手段760藉由僅允許某些波長範圍的光通過來達到在檢測器的感測器晶片之預定位置加以濾光，圖3中描繪了該實施例的光譜波長選擇特性。
圖4a和4b呈現了濾波手段760的前視圖，圖4b更示意性呈現了在兩個不同的測量時間1和時間2處的被檢查的晶圓，在時間1和時間2之間透過移動載台707來移動晶片，濾波手段760由光學寬頻濾波器的6個平行條紋761、762、763、764、765和766組成，波長範圍採用透射輪廓之波峰值，如圖3所示，lambda 1、lambda1 2...lambda1 6，每個條紋沿檢測器陣列的整個寬度延伸，即2560個檢測器元件，條紋761、762、763、764、765和766的寬度是檢測器陣列在相同方向上的寬度的六分之一，即360個檢測器元件，當然，6個濾波手段的數量是可變的，並且可以使用任何數量的濾波條紋。
因此，整個主動檢測器陣列被分成6個部分，以從探測器的一端延伸到另一端的平行條紋的形式，該等部分用於6個不同的波長範圍，如圖3所示，檢測器上的每個部分包括由濾波手段760選擇的6個波長範圍中的每個波長範圍所照射的360×2560個檢測器元件，因此，在這些波長區域中的每一處，特定波長區間的光強度係以感測器組件800的360×2560像素之解析度來加以判斷。
圖3揭露了所描述的實施例之波長特性，在濾波手段的6個區域中選擇六個波長範圍，該圖顯示了每個濾波手段的波長透射特性，下表(表1)顯示了過濾手段設置的關鍵參數。
FWHM為在最大值一半時的全寬，Lambda是最大強度的波長，T是強度的透射值。
使用多元件感測器組件作為檢測器允許快速地測量層的層厚度之均勻性及空間分佈，下面更詳細描述的計算可以分別針對檢測器組件的每個檢測器元件執行，藉此，一測量步驟提供了樣本中之一區域或一線上的大量厚度值，夠過將可移動台707設置在組件701上，該組件701相對橫向移動於檢測器和樣本700之間，可以掃描整個樣本表面705並且建立整個表面705之厚度值的完整影像。
通過使用具有不同放大率的不同物鏡740，就如同顯微鏡的普通做法一樣，檢測器800的橫向解析度可適用於測量任務的需求，因此，可非常精確地測量層的厚度，並且以小至幾百奈米之橫向解析度來高速測量。
圖2呈現了樣本700處之反射的物理效應，樣本700是所謂的雙層堆疊702，雙層堆疊702具有折射率為n1的頂層20和具有折射率為n2的埋底層30，頂層20和埋底層30堆疊在具有折射率n3的基底材料40上，儘管基底是堆疊的一部分，但其厚度對於本發明而言不構成問題，因此，基底並不構成此處所指的“層”。
堆疊702被放置在環境材料10的環境中，環境材料10在本實施例中為空氣，但也可能是真空、油或水，環境材料10具有折射率n0，如上所述，光50入射到樣本表面705上，光50穿過環境材料10，光在環境材料10和頂層20之間的介面90處被部分地反射，則光50被分成初始反射光60和通過由表面705形成的介面90所透射的光70，而其同時被折射。
光也被部分地反射，並分別在材料20和30以及30和40之間的各介面100和110處分裂成反射光和透射光。
在具有不同折射率的材料10、20、30或40之間的介面90、100或110中的任何一個上入射和反射多次的光，將最終反射到環境空間10中，此由光束80表示，由於在介面處的反覆反射和透射，在檢測器800處測量到的光束80之強度將比入射光50的強度小，由於光束80由以附加方式行進通過層20和30之材料的光所組成，所以構成光束80的波相對於初始反射光60而言係以不同的時間差產生時間延遲，如此則會造成干擾，因此，包括所有反射光60和80在內之所測量到的強度，均根據其時間延遲並由光波60和80的破壞性和相長干涉來加以調變，由於光80的時間延遲分別由層20和30的厚度乘以其的折射率n1和n2來加以判斷，所以反射光80之強度的調變是層20和層30之層厚的函數，因此，分析強度調變可以用來判斷層20和30的層厚度，其係使用眾所周知之材料的折射率。
描述這種效應的公式與電磁波疊加的基本原理共同被稱為菲涅耳方程(Fresnel equations)，此等功能也可以通過實驗確定，如橢圓偏光術(ellipsometry)。
如果強度係由入射光50的波長之函數來加以判斷，例如在已知環境材料10之環境內的已知材料的基底40上，具有已知材料的層20和30之雙層堆疊，將得出反射強度函數，對於具有12nm矽層形式的頂層20和25nm氧化矽層形式的埋底層30的系統，在圖5中呈現了典型的反射強度函數200，層20和層30堆疊在作為環境材料10的空氣中之矽基底40的頂部上，圖5表現了該實施例的效果，並且可以針對任何材料/厚度組合重複該效果，整個環境/層/基底系統200的有效反射係數在絕對值上顯示，相對於以nm為單位的波長顯示，可以看出，相較於例如在500nm以上的範圍內的光而言，在400nm範圍內的光以更高的強度被反射。
如果層20或30的層厚度改變，則所測得之反射光的強度改變，該變化可以數學方式表示為反射的偏導數除以層厚度的形式。
圖6表示了與圖2同樣位在300nm和700nm之間的波長範圍的比率，曲線300和310表示矽頂層20的厚度變化之影響，曲線310表示氧化物層30的厚度細微不同的影響，以相同的方式，曲線320和330表示埋氧化物層30的厚度變化之影響，與曲線320係用來表示額定矽厚度相比，曲線330表示矽層20的厚度細微不同下的情形。
虛線框340示意性地表示測量矽層20的厚度之第一波長範圍，已知的方法中係假設，由於如320和330所示的反射對氧化物厚度之導數值幾乎為零，氧化物層30之厚度的影響遠小於矽層之厚度的影響，且可能因此而被忽略，然而，由於明顯的曲線300和310在波長範圍340中是不相同的，所以忽略會產生系統誤差。
因此，本實施例使用另外的波長間隔350、360、370、380、390用於進一步測量，其為近乎相互獨立的，波長範圍由圖4所示的濾波器所界定，其透射分佈如圖3所示，將通過使用在不同波長間隔340、350、360、370、380和390處的反射之獨立測量出的數據來獲得厚度層值，由於在本實施例中只對兩層進行6個波長的檢測，因此存在一定的超採樣量，此超採樣係用來提高結果的準確性，如果使用校準曲線，可以不同的波長來最多檢測6層，顯然如果選擇合適的波長範圍，也可以檢查任何其它數量的層。
可以理解的是，這樣的計算可以針對堆疊中的任何數量的層來執行，用於基於菲涅耳方程計算層與層效應的矩陣形式在本技術領域係為通常知識。
為了從反射率測量獲得厚度值，需要先進行校準，現有技術方法將測量的灰度值與層的“實際”厚度值相關聯，例如，通過橢圓光度法獲得 之“實際”值，也可以使用來自對應數種厚度之已知材料參數的反射光來直接計算，然而，在一實際的實施例中，橢圓偏光術將提供一個很好的參考方法。
圖7表示根據現有技術的具有25nm厚埋底部氧化物層和具有不同矽層厚度的各種樣本之雙層系統的校準曲線361，如圖6所示，在波長範圍340中僅使用一個小波長間隔的准單色光條件下進行反射率測量，為了排除儀器的影響，有目的的獲取反射強度，此目的係將測量的強度相對於某個反射標準進行標準化，使用測量值並將其與參考方法結果進行比較之優點是為了避免引起其他效應(例如本實施例的光學效應)，透過從已知的材料參數和由參考方法測量的厚度值直接計算反射強度並尋找與測量的灰色的最佳配對，通過從理論導出曲線的形式，可進一步增強所得校準曲線的準確度值。
本發明的實施例通過對具有不同厚度的氧化物層30的一系列樣本，重複與圖7中的校準曲線360所使用的相同的程序來校準，進而獲得如圖8所示的一系列校準曲線400、410、420、430、440和450。校準曲線400表示如矽層30的不同厚度與具有23nm的氧化物層30的厚度之樣本的測量強度之間的關係，校準曲線410表示同樣與厚度值為24nm的氧化物層30之間的關係，測量具有不同厚度的氧化物層30和不同厚度的矽層20的樣本，其次，所有的反射率測量係先用來自範圍340內的一個小波長間隔的光加以進行。
如果使用橢圓偏光術作為確定矽厚度的參考方法，則同時檢查氧化物層厚度，並且相應地對數據值對進行分類。
利用如圖8所示的校準曲線，可以通過測量特定的反射率值來檢查相同材料系統但未知層厚度的未知樣本，例如，如果標準化的反射率灰度值是0.3，如圖8中的直線460所示，則校準曲線400、410、420、430、440和450中所測量之反射率的交叉點提供矽層20和氧化物層30之可能的厚度值之間的關係，例如，點470表示氧化物層30的厚度為23nm以及矽層20的厚度為13.6nm (縱坐標軸上的值)滿足在線460處測量的反射率標準的第一可能組合，此種關係可為每個校準曲線建立。
換句話說，在一波長的未知樣本之反射強度的測量將提供可一函數表示之多個可能的厚度組合，此函數在圖9中以曲線500的形式表示，為了選擇正確的值，在第二波長間隔中重複測量，在本實施例中，使用波長範圍350(見圖4)中的間隔，結果由圖9中的曲線510表示。
對於使用入射光的不同小波長間隔的多個測量中的任何一個係存在多條曲線(如曲線500和510)，任何此成對的曲線對都具有僅一個交叉點520，其中從相同的兩個層厚度值同時獲得測量的反射標準，在圖9的例子中，此結果為矽層厚度為13.14nm和氧化物層厚度為24.2nm。
將這種方法推廣到建立m個測量值和n個未知參數的m個波長範圍，其中參數可為層厚度或材料組成中，將基於以下考慮，對於m個不同的波長範圍，即準獨立測量，m個波長範圍中的m個反射強度的相關性可以由n+1維空間中的m個表面表示，n維是n個參數，即層厚度或材料組成，第n+1維是所考慮的波長範圍內的強度，m個波長範圍中的各波長範圍均建立這樣的n+1維空間，其中表面描述來自n個參數的反射強度的函數依賴性， m個波長範圍中之m個測量強度中的各測量強度現於相應表面上定義n維曲線，其描述針對測量的該特定強度值的可能解向量，這些具有n維的m條曲線具有至少一個共同的交點，這個交叉點是最終的解向量，其特徵在於具有相同的n個參數並且是所有m個面的點，在數學上，這個最終解向量是透過求解具有n個向量元素的m個向量之m個方程式的方程組來找到的，當然，m(即準獨立測量的數量)必須高於或等於n，像層厚度或材料成分的未知參數的數量。
2.實施例：在矽上測量一二氧化矽(SiO2)層
圖10揭露了不同的實施例，其中使用與上述第一實施例相同的測量裝置，然而，本實施例僅測量一層厚度值，即矽上的SiO2層的厚度，可模擬反射函數，並且該模擬可透過與例如萊文貝格-馬夸特演算法(Levenberg-Marquardt-algorithm)進行配對來適用於這些值，層的厚度範圍從20nm到200nm，使用6個波長範圍進行測量，其被指定為元件符號810、820、830、840、850和860，由於僅針對一個未知厚度值測量了6個值，所以統計誤差將增加，且測量範圍增加：波長範圍820約為500nm，將無法分辨厚度值20nm、150nm和200nm，單憑這樣的測量，其結果將是不明確的，在幾個不同波長範圍的測量將允許區分這種情況。
理論上對於可測量的參數有一些限制，此處所述參數可以是任何影響層堆疊被視為整體之光學性質的層特性(更準確的說係影響折射率及/或消光係數)，這些參數的最顯著的例子是單獨的層厚度和材料組成，方程組可為明確可解的、或只有一組參數，或者，如果至少兩個參數對所有n個波長範圍內的反射具有完全相同的效果或者效果相互補償，則可以存在多種解決方案，且由於其周期性，該方法被限制在菲涅耳方程不能提供另一個解的範圍內，菲涅耳方程的周期性將限制該方法特別是厚層。
清楚的是，給定的實施例僅僅是舉例說明根據本發明的方法，類似地的情形下，該方法可以用於基底上的兩層堆疊的任何其它材料和/或厚度組合，舉例而言，應變矽(strained silicon)、矽-鍺(silicon-germanium)、鍺(germanium)、砷化鎵(gallium-arsenide)、磷化銦(indium-phosphide)、砷化銦(indium-arsenide)、銦-砷化鎵(indium-gallium-arsenide)、碲化汞(mercury-telluride)、III-V和II-VI三元和四元半導體合金(III-V and II-VI ternary and quaternary semiconductor alloys)、其他氧化物和氮化物、光致抗蝕劑、薄金屬層、玻璃、石英和塑料材料。
從上面的說明中可以明顯看出，如波長間隔使得來自一個層厚度值的反射的依賴性被最小化，則不能選擇該波長間隔，可以更自由地選擇它們例如為反射測量提供高且近似相似的信號標準以提高測量穩定性，波長間隔用於最大化測量的解析度。
本發明不僅能夠確定層的厚度，而且能夠確定材料組成。

Claims (15)

  1. 一種用來判斷層之樣本堆疊的一或多層之厚度、或判斷其他影響光線之強度的性質的方法，所述光線為包含組件之樣本堆疊所反射，所述組件包含有一用來照射層之樣本堆疊的光源、及一具有檢測器的相機，該檢測器用以檢測在指定的波長範圍內，由層之樣本堆疊所反射之光線的強度，所述方法包含以下步驟：(a)以來自光源之光照射層之樣本堆疊；(b)在不同的波長範圍內，以檢測器來檢測反射自層之樣本堆疊的光的強度；(c)由檢測器所檢測到的強度來判斷厚度或其他性質；其特徵在於：(d)檢測器為一陣列檢測器，其具有數個檢測元件呈行列排列；(e)層之樣本堆疊的影像係產生在檢測器上；(f)檢測器包含有數個呈平行條紋的區域，所述條紋同時檢測由層之樣本堆疊所反射之光線的強度；(g)檢測器之每一區域僅檢測一選定的波長範圍中的光線；(h)在垂直於平行條紋的縱向的方向上，產生在檢測器或平行條紋上之層之樣本堆疊的影像之運動，使得被檢查的層之樣本堆疊的每個點在每個不同的波長範圍內，被檢測到至少一次。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該檢測器之相同區域的檢測元件係僅感測其中一所述波長範圍。
  3. 如請求項1所述之方法，其中數個不同的多頻濾波器係以一條紋幾何順序來過濾光線在光源與檢測器之間的光路徑，各多頻過濾器僅透射其中一選定的波長範圍之光，並定位在物平面、檢測器平面、中間影像平面或與物體共軛的任何其它平面中。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中檢測器拍攝一系列影像，並且在拍攝每個影像之前，先進行樣本堆疊之在檢測器上的移動、或平行條紋的移動，移動的長度對應於檢測器上的部分的寬度。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中所述不同波長範圍的數量與所述條紋的數量相同。
  6. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中層之樣本堆疊包含有少於所述波長範圍之層，且至少一層的厚度及/或其他性質係由兩個或多個測量來加以判斷。
  7. 如請求項6所述之方法，其中該至少一層之厚度及/或其他性質係在無測量校準曲線之前提下，由多次測量加以判斷。
  8. 如請求項7所述之方法，其中在無測量校準曲線下所判斷之厚度及/或其他性質，係利用層之材料性質的理論值加以計算得出。
  9. 如請求項1至3所述之方法，其中一測量校準曲線係用在各被檢測層，以判斷厚度及/或其他性質。
  10. 一種用來判斷層之樣本堆疊的一或多層之厚度、或判斷其他影響光線之強度的性質的檢測組件，所述光線為包含層之樣本堆疊所反射，其中包括：(a)一用來照射層之樣本堆疊的光源；及(b)一具有檢測器的相機，該檢測器用以檢測在指定的波長範圍內，由層之樣本堆疊所反射之光線的強度；及(c)一計算手段，其藉由檢測器所檢測到之強度來判斷厚度或其他性質；其特徵在於：(d)檢測器為一陣列檢測器，其具有數個檢測元件呈行列排列；(e)提供光學手段，其用以在檢測器上產生層之樣本堆疊的影像；(f)檢測器包含有數個呈平行條紋的區域，所述條紋同時檢測由層之樣本堆疊所反射之光線的強度；(g)提供濾波手段，其用來透射僅一選定的波長範圍中的光線至檢測器或檢測器元件之每一區域，藉此來測量每一區域在僅一選定的波長範圍中的光線；(h)提供移動手段，其在垂直於平行條紋的縱向之方向上，移動在檢測器或平行條紋上的層之樣本堆疊的影像，使得被檢查的層之樣本堆疊的每個點在每個不同的波長範圍內，被檢測到至少一次。
  11. 如請求項10所述之檢測組件，其中該檢測器之相同區域的檢測元件係僅感測其中一所述波長範圍。
  12. 如請求項10所述之檢測組件，其中數個不同的多頻濾波器係以一條紋幾何順序設於物平面、檢測器平面、中間影像平面、或與在光源與檢測器之間的物體共軛的任何其它平面，各多頻過濾器僅透射其中一選定的波長範圍之光。
  13. 如請求項10至12中任一項所述之檢測組件，其中所述不同波長範圍的數量與所述條紋的數量相同。
  14. 如請求項10至12中任一項所述之檢測組件，其中所述檢測器由具有多個波長範圍之多色線相機(multi-color line camera)所形成。
  15. 如請求項14所述之檢測組件，其中所述多色線相機之檢測器的線係由時間延遲積分(TDI,time delayed integration)感測器區塊所形成。
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