本发明专利技术涉及利用反射计的原理测量单层或多层薄膜的厚度轮廓和折射率分布的非接触的，非破坏型的测量装置。根据本发明专利技术，通过采用多于一个的窄带通滤光器和一个二维矩阵的ＣＣＤ传感器，并且通过利用迭代数字计算方法得到所述单层或多层薄膜的厚度和对应的折射率之间非线性函数关系的最佳解，所述装置可以同时测量衬底上所述单层或多层薄膜其中的局部区域的厚度轮廓和折射率分布。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及利用二维反射计测量多层薄膜的厚度轮廓和折射率分布的技术。
技术介绍
测量衬底上的多层薄膜的厚度轮廓和相关折射率分布的过程作为制造半导体、诸如LCD之类的显示器等的薄膜涂层过程的一部分，在通过提高质量和经过精确和一致的观察在生产周期的早期阶段筛选掉有缺陷的产品并且监视薄膜在衬底的形成过程中，对降低处理成本起着重要作用。在半导体工业中广泛使用的测量薄膜厚度和折射率的装置是基于反射计的测量工具。广义上讲，被称为“薄膜层测量系统”的反射计是能够测量多层薄膜的特性，并且还能够不需要在测量前对目标样本进行特殊预备处理就可以直接测量的非接触的、非破坏型的测量装置。图1a和1b示出了通常使用的反射计的结构原理图。参见图1a和1b，从光源100产生的光由分光器102反射，然后穿过物镜104直接到达样本衬底108上的样本薄膜110。样本衬底108由衬底106和在所述衬底106上形成的样本薄膜110构成。入射到样本薄膜110上的光在所述样本薄膜110的表面112，即在样本薄膜110和空气之间的交界处112上的点116被部分反射。其余的入射光穿透入所述样本薄膜110，然后在所述衬底106的表面114，即在样本薄膜110和所述衬底106的交界处114被反射。该反射光经过所述物镜104、所述分光器102，并且通过反射镜118上的孔120最终到达分光镜130。此后，检测并分析进入的反射光以发现作为波长函数的反射光的强度。由数字转换器132和信息处理器134处理这些结果以计算薄膜的厚度和其中对应的折射率。在上面参考图1a的例子中，一部分入射光在样本薄膜110的表面112(或交界处112)的入射点116被反射，其余部分穿过交界处112并折射或穿透进样本薄膜110，并且该反射光的一部分又在样本薄膜110和衬底106的交界处114反射，而其余部分的反射光折射或穿透到衬底106。在图2中，考虑两个不同的薄膜层进行说明。参见图2，穿过图1a中物镜104的入射光210的一部分在第一交界处207的点217被反射，然后反射光222沿着222的方向传播，入射光210的其余部分折射进第一薄膜层202，如212所示。该反射光212在第二交界处208的点218又被反射，并且该反射光穿过第一层202，然后沿着224的方向进入空气中，光214的其余部分在第二交界处208的点218折射到第二薄膜层204中，如214所示。同样，在点218的折射光214在第三交界处209上的点219被反射，然后经过两层薄膜204和202，沿着226的方向传播到空气中。最后，反射光214的其余部分沿着216的方向折射或穿透进衬底206。如图2所示，就反射光传播的绝对点而言，来自样本衬底230的反射光222、224和226在光程中以微小的差异在空气中平行地播。换句话说，在从光交界处207、208和209反射后，从空气中的参照起始线228看去，这些反射光222、224和226在空气中是平行传播的。因此会发生干扰现象。在此，三个反射光222、224和226之间的这些微小的光程差作为反射光波长的函数产生。根据波长的结果，路径差别可以引起干扰相互加强或干扰相互抵消。由于上述干扰现象，作为反射光波长函数的反射率的曲线采用图3所示的图形的典型形式，横坐标是波长，纵坐标是定义为反射光强度和入射光强度之比的反射率。参见图1a，来自所述样本衬底108的反射光是很多波长的叠加波，因此需要得到作为波长函数的反射率，并且在分光镜130进行这种波长分离。物理上，棱镜是分光镜的最简单的形式，但是通常利用衍射光栅产生单色波长来执行这种波长分离。因此，使用配备了转动型衍射光栅的单色仪和固定型衍射光栅上的单光检测器和阵列型光检测器来检测作为波长函数的反射光强度，此后，在经数字转换器132将检测到的反射强度信息变换为数字后，由信息处理器134计算每个波长的反射率。如图3所示的反射率图形根据薄膜厚度和薄膜及衬底的折射率分布的特征而具有唯一的形状或形式。如果是单层薄膜，给定的反射率理论上是闭合形的。但是，如果是多层薄膜，可以利用由特征矩阵的乘积表示的电场和磁场之间的关系计算每个薄膜层的反射率。因此，得到的特征矩阵将薄膜的所有层表示为“系统”。与单层薄膜的情况不同，折射率、薄膜厚度和反射率这三个参数是相互作用和制约的，对于多层薄膜的所述得到的特征矩阵可以重新排列为非线性函数，这种多变量的非线性函数在很多情况下可以利用按迭代试凑法找“最佳”或“最优”解的方法来实际“求解”。更具体地说，当给定一个如图3所示的反射率图形时，对于波长的每个点，通过选择薄膜厚度作为变量、选择它的初始值、用该初始值作为起点，利用所述非线性函数方程求出计算的反射率、得到计算和测量到的反射率值之间的误差，然后利用薄膜厚度的不同值反复重复这个过程，直到可以确定使薄膜厚度的误差值最小的薄膜厚度的值，该值是对厚度的“最佳”估算。在此，利用已知的样本衬底和光源来确定用来计算反射率值的入射光强度。从反射率和上述获得的相关信息计算折射率。这种方法被认为是一类“基于型号的测量方法”。利用反射计的原理，通过上述迭代试凑法寻找“最佳”方案来得到薄膜的厚度或折射率。为了得到给定薄膜的一致性，用通常并广泛使用的反射计在产品衬底被选中的“点”测量薄膜的厚度。为了进行测量，在图1a和1b中，通过位于反射计118中心直径为200μm的光检测孔120，只有一小部分反射光在投影图象122之外，即，只用通过光检测孔120的反射光来测量薄膜厚度。根据所用的分光镜，使用图4所示的直径为200μm的玻璃纤维424收集用来测量薄膜厚度的反射光。即，为了容纳直径为200μm的玻璃纤维，在上板423上形成200μm的孔，并且如图1b所示，在整个投影图象122之外只使用直径为200μm大小的图象来进行测量。另一方面，在US5,333,049中由A.M.Ledger揭示了在大面积下测量厚度轮廓的方法和装置。根据Ledger的专利技术，已经利用白光源和干涉测量原理实现了测量100mm大的硅片的厚度轮廓的装置，测量方法是将整个晶片分割成400个小区。在每个小区，测量反射率并且与已经准备好的标准反射率对厚度的表进行比较，以确定所选小区的厚度值，利用校准晶片预先准备好所述标准反射率对厚度的表，并且将厚度刻度分成500份。换句话说，在测量反射率的值后，从查阅表中读取厚度值。该方法的优点在于加快了测量速度并且能够观察到整个衬底区域，它的缺点是潜在地向产品衬底传播任何可能嵌入为校准衬底而生成的反射率对厚度的表中的误差或错误，它的缺点还包括利用摄像机中通常使用的CCD传感器不能获得足够的分辨率来覆盖直径超过100μm的整个产品衬底的表面。在此，由于有必要观察和检查薄膜厚度和包含高电路密度的晶片表面的轮廓状态，因此当在半导体晶片处理高电路密度期间检查衬底上的电路指定部分时，会产生分辨率的问题。另外，Ledger的专利技术的另一个缺点是只要晶片工艺—改变就会在原处产生新校准衬底的新反射率对薄膜厚度的表的数据库。另外，前述Ledger的专利的另一个缺点是在测量到的产品衬底的反射率值中包含的噪音会影响薄膜厚度值的确定，于是校准衬底上错误的薄膜厚度值被传播给产品衬底。为了克服这些缺陷，在另一份美国专利US5,本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于测量薄膜的特性的装置，所述装置包括： 包括样本载体的衬底载体单元，用于支撑并移动上面具有薄膜的衬底； 包括光源的光学单元，向由衬底载体支撑的衬底上辐射所发射的入射光； 滤光器单元，对特定波长范围的，辐射到衬底上的入射光或从衬底反射的光有选择地进行滤光； 二维光检测器，用于以二维来检测从衬底反射的光，所述光具有由滤光器单元选择的特定波长范围； 图像捕捉单元，用于获得由二维光检测器检测的反射光中包括的图像信息； 图像处理单元，用于利用由所述图像捕捉单元获得的反射光中包括的图像信息计算薄膜针对特定波长范围的光的反射率；和 信息处理单元，用于根据反射率计算薄膜的特性。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：金荣烈，朴智徖，金镇庸，李仲焕，
申请(专利权)人：KMAC株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]
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