專利名稱：利用二維反射計(jì)測量多層薄膜的厚度輪廓和折射率分布的裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用二維反射計(jì)測量多層薄膜的厚度輪廓和折射率分布的技術(shù)。
背景技術(shù)：
測量襯底上的多層薄膜的厚度輪廓和相關(guān)折射率分布的過程作為制造半導(dǎo)體、諸如LCD之類的顯示器等的薄膜涂層過程的一部分，在通過提高質(zhì)量和經(jīng)過精確和一致的觀察在生產(chǎn)周期的早期階段篩選掉有缺陷的產(chǎn)品并且監(jiān)視薄膜在襯底的形成過程中，對(duì)降低處理成本起著重要作用。
在半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛使用的測量薄膜厚度和折射率的裝置是基于反射計(jì)的測量工具。廣義上講，被稱為“薄膜層測量系統(tǒng)”的反射計(jì)是能夠測量多層薄膜的特性，并且還能夠不需要在測量前對(duì)目標(biāo)樣本進(jìn)行特殊預(yù)備處理就可以直接測量的非接觸的、非破壞型的測量裝置。
圖1a和1b示出了通常使用的反射計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖。參見圖1a和1b，從光源100產(chǎn)生的光由分光器102反射，然后穿過物鏡104直接到達(dá)樣本襯底108上的樣本薄膜110。樣本襯底108由襯底106和在所述襯底106上形成的樣本薄膜110構(gòu)成。入射到樣本薄膜110上的光在所述樣本薄膜110的表面112，即在樣本薄膜110和空氣之間的交界處112上的點(diǎn)116被部分反射。其余的入射光穿透入所述樣本薄膜110，然后在所述襯底106的表面114，即在樣本薄膜110和所述襯底106的交界處114被反射。該反射光經(jīng)過所述物鏡104、所述分光器102，并且通過反射鏡118上的孔120最終到達(dá)分光鏡130。此后，檢測并分析進(jìn)入的反射光以發(fā)現(xiàn)作為波長函數(shù)的反射光的強(qiáng)度。由數(shù)字轉(zhuǎn)換器132和信息處理器134處理這些結(jié)果以計(jì)算薄膜的厚度和其中對(duì)應(yīng)的折射率。
在上面參考圖1a的例子中，一部分入射光在樣本薄膜110的表面112(或交界處112)的入射點(diǎn)116被反射，其余部分穿過交界處112并折射或穿透進(jìn)樣本薄膜110，并且該反射光的一部分又在樣本薄膜110和襯底106的交界處114反射，而其余部分的反射光折射或穿透到襯底106。
在圖2中，考慮兩個(gè)不同的薄膜層進(jìn)行說明。參見圖2，穿過圖1a中物鏡104的入射光210的一部分在第一交界處207的點(diǎn)217被反射，然后反射光222沿著222的方向傳播，入射光210的其余部分折射進(jìn)第一薄膜層202，如212所示。該反射光212在第二交界處208的點(diǎn)218又被反射，并且該反射光穿過第一層202，然后沿著224的方向進(jìn)入空氣中，光214的其余部分在第二交界處208的點(diǎn)218折射到第二薄膜層204中，如214所示。同樣，在點(diǎn)218的折射光214在第三交界處209上的點(diǎn)219被反射，然后經(jīng)過兩層薄膜204和202，沿著226的方向傳播到空氣中。最后，反射光214的其余部分沿著216的方向折射或穿透進(jìn)襯底206。
如圖2所示，就反射光傳播的絕對(duì)點(diǎn)而言，來自樣本襯底230的反射光222、224和226在光程中以微小的差異在空氣中平行地播。換句話說，在從光交界處207、208和209反射后，從空氣中的參照起始線228看去，這些反射光222、224和226在空氣中是平行傳播的。因此會(huì)發(fā)生干擾現(xiàn)象。在此，三個(gè)反射光222、224和226之間的這些微小的光程差作為反射光波長的函數(shù)產(chǎn)生。根據(jù)波長的結(jié)果，路徑差別可以引起干擾相互加強(qiáng)或干擾相互抵消。
由于上述干擾現(xiàn)象，作為反射光波長函數(shù)的反射率的曲線采用圖3所示的圖形的典型形式，橫坐標(biāo)是波長，縱坐標(biāo)是定義為反射光強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度之比的反射率。
參見圖1a，來自所述樣本襯底108的反射光是很多波長的疊加波，因此需要得到作為波長函數(shù)的反射率，并且在分光鏡130進(jìn)行這種波長分離。物理上，棱鏡是分光鏡的最簡單的形式，但是通常利用衍射光柵產(chǎn)生單色波長來執(zhí)行這種波長分離。因此，使用配備了轉(zhuǎn)動(dòng)型衍射光柵的單色儀和固定型衍射光柵上的單光檢測器和陣列型光檢測器來檢測作為波長函數(shù)的反射光強(qiáng)度，此后，在經(jīng)數(shù)字轉(zhuǎn)換器132將檢測到的反射強(qiáng)度信息變換為數(shù)字后，由信息處理器134計(jì)算每個(gè)波長的反射率。
如圖3所示的反射率圖形根據(jù)薄膜厚度和薄膜及襯底的折射率分布的特征而具有唯一的形狀或形式。如果是單層薄膜，給定的反射率理論上是閉合形的。但是，如果是多層薄膜，可以利用由特征矩陣的乘積表示的電場和磁場之間的關(guān)系計(jì)算每個(gè)薄膜層的反射率。因此，得到的特征矩陣將薄膜的所有層表示為“系統(tǒng)”。與單層薄膜的情況不同，折射率、薄膜厚度和反射率這三個(gè)參數(shù)是相互作用和制約的，對(duì)于多層薄膜的所述得到的特征矩陣可以重新排列為非線性函數(shù)，這種多變量的非線性函數(shù)在很多情況下可以利用按迭代試湊法找“最佳”或“最優(yōu)”解的方法來實(shí)際“求解”。更具體地說，當(dāng)給定一個(gè)如圖3所示的反射率圖形時(shí)，對(duì)于波長的每個(gè)點(diǎn)，通過選擇薄膜厚度作為變量、選擇它的初始值、用該初始值作為起點(diǎn)，利用所述非線性函數(shù)方程求出計(jì)算的反射率、得到計(jì)算和測量到的反射率值之間的誤差，然后利用薄膜厚度的不同值反復(fù)重復(fù)這個(gè)過程，直到可以確定使薄膜厚度的誤差值最小的薄膜厚度的值，該值是對(duì)厚度的“最佳”估算。在此，利用已知的樣本襯底和光源來確定用來計(jì)算反射率值的入射光強(qiáng)度。
從反射率和上述獲得的相關(guān)信息計(jì)算折射率。這種方法被認(rèn)為是一類“基于型號(hào)的測量方法”。利用反射計(jì)的原理，通過上述迭代試湊法尋找“最佳”方案來得到薄膜的厚度或折射率。
為了得到給定薄膜的一致性，用通常并廣泛使用的反射計(jì)在產(chǎn)品襯底被選中的“點(diǎn)”測量薄膜的厚度。為了進(jìn)行測量，在圖1a和1b中，通過位于反射計(jì)118中心直徑為200μm的光檢測孔120，只有一小部分反射光在投影圖象122之外，即，只用通過光檢測孔120的反射光來測量薄膜厚度。
根據(jù)所用的分光鏡，使用圖4所示的直徑為200μm的玻璃纖維424收集用來測量薄膜厚度的反射光。即，為了容納直徑為200μm的玻璃纖維，在上板423上形成200μm的孔，并且如圖1b所示，在整個(gè)投影圖象122之外只使用直徑為200μm大小的圖象來進(jìn)行測量。
另一方面，在US5,333,049中由A.M.Ledger揭示了在大面積下測量厚度輪廓的方法和裝置。根據(jù)Ledger的發(fā)明，已經(jīng)利用白光源和干涉測量原理實(shí)現(xiàn)了測量100mm大的硅片的厚度輪廓的裝置，測量方法是將整個(gè)晶片分割成400個(gè)小區(qū)。在每個(gè)小區(qū)，測量反射率并且與已經(jīng)準(zhǔn)備好的標(biāo)準(zhǔn)反射率對(duì)厚度的表進(jìn)行比較，以確定所選小區(qū)的厚度值，利用校準(zhǔn)晶片預(yù)先準(zhǔn)備好所述標(biāo)準(zhǔn)反射率對(duì)厚度的表，并且將厚度刻度分成500份。
換句話說，在測量反射率的值后，從查閱表中讀取厚度值。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于加快了測量速度并且能夠觀察到整個(gè)襯底區(qū)域，它的缺點(diǎn)是潛在地向產(chǎn)品襯底傳播任何可能嵌入為校準(zhǔn)襯底而生成的反射率對(duì)厚度的表中的誤差或錯(cuò)誤，它的缺點(diǎn)還包括利用攝像機(jī)中通常使用的CCD傳感器不能獲得足夠的分辨率來覆蓋直徑超過100μm的整個(gè)產(chǎn)品襯底的表面。在此，由于有必要觀察和檢查薄膜厚度和包含高電路密度的晶片表面的輪廓狀態(tài)，因此當(dāng)在半導(dǎo)體晶片處理高電路密度期間檢查襯底上的電路指定部分時(shí)，會(huì)產(chǎn)生分辨率的問題。另外，Ledger的發(fā)明的另一個(gè)缺點(diǎn)是只要晶片工藝一改變就會(huì)在原處產(chǎn)生新校準(zhǔn)襯底的新反射率對(duì)薄膜厚度的表的數(shù)據(jù)庫。另外，前述Ledger的專利的另一個(gè)缺點(diǎn)是在測量到的產(chǎn)品襯底的反射率值中包含的噪音會(huì)影響薄膜厚度值的確定，于是校準(zhǔn)襯底上錯(cuò)誤的薄膜厚度值被傳播給產(chǎn)品襯底。為了克服這些缺陷，在另一份美國專利US5,365,340中，Ledger揭示了通過自規(guī)范產(chǎn)品襯底的反射率測量值，并且將這些自規(guī)范值與校準(zhǔn)襯底的數(shù)據(jù)庫值比較來測量薄膜厚度的方法，通過最小化指標(biāo)函數(shù)(merit function)的計(jì)算值執(zhí)行反射率測量值的自規(guī)范。但是，前述專利US5,333,049中所伴隨的所有其它缺陷在US5,365,340中仍存在。
前述US5,333,049和US5,365,340專利中共有的共同和嚴(yán)重的缺陷在于因?yàn)楸∧ず穸戎凳峭ㄟ^比較所測量的厚度值與利用校準(zhǔn)襯底預(yù)備的數(shù)據(jù)庫確定的，所以薄膜厚度的測量結(jié)果值受校準(zhǔn)晶片數(shù)據(jù)庫值的影響太大。換句話說，校準(zhǔn)襯底的反射率對(duì)薄膜厚度的數(shù)據(jù)庫只是簡單代表反射率和薄膜厚度之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的表，該表是通過平均和排列整個(gè)校準(zhǔn)襯底值而生成的，因此，當(dāng)所測量的厚度和校準(zhǔn)襯底以及產(chǎn)品襯底的反射率存在合理的均勻度時(shí)，可以保證它的精確度。但是，當(dāng)由于襯底不平的表面條件使得反射率和薄膜厚度之間出現(xiàn)不規(guī)則的關(guān)系時(shí)，就降低了薄膜厚度的精確度。
為了克服上述一些缺陷，Paul J.Clapis和Keith E.Daniell在US5,555,472中揭示了通過最小化在產(chǎn)品襯底表面上許多點(diǎn)測量到的反射率值和理論特征之間的誤差來優(yōu)化確定薄膜厚度值的方法，理論特征來自通過利用相同特征的理論數(shù)字表達(dá)式計(jì)算象反射率這樣的特征值所構(gòu)造的庫文件。該方法用來測量假設(shè)至少一層是適度均勻的兩層薄膜的厚度。
上述三個(gè)現(xiàn)有技術(shù)是關(guān)于測量整個(gè)襯底的裝置。因此，測量整個(gè)襯底區(qū)域薄膜厚度的CCD攝像機(jī)只有有限的分辨率，特別是，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)薄膜厚度輪廓的詳細(xì)測量成為難題，以及在測量裝置中引入了前述的“噪音”并且這種噪音被傳播到產(chǎn)品襯底。
另一方面，例如，US4,999,014、US4,999,508和US4,999,509揭示了通過測量產(chǎn)品襯底上薄膜的反射率的“光點(diǎn)”來確定薄膜厚度值的方法。這些裝置是利用現(xiàn)有分光鏡的典型的薄膜厚度測量裝置，它們測量在指定點(diǎn)上薄膜的厚度和折射率。但是，通常僅利用一點(diǎn)上的薄膜厚度和對(duì)應(yīng)的折射率這樣的測量信息不足以評(píng)估薄膜的特征和質(zhì)量。而如果可以在擴(kuò)展區(qū)域測量薄膜厚度輪廓和折射率分布，那么這些信息在評(píng)估薄膜特征和質(zhì)量上可以比利用在一個(gè)時(shí)間測量一個(gè)點(diǎn)得到的信息獲得更多有意義的結(jié)果。另外，當(dāng)前存在的分光鏡不適合測量相對(duì)大面積的薄膜厚度輪廓或在相同時(shí)間許多相鄰點(diǎn)上測量薄膜厚度分布。當(dāng)然，很可能在逐步地在四個(gè)X-Y方向上移動(dòng)樣本襯底的同時(shí)通過重復(fù)測量厚度來測量薄膜厚度分布，但是這種操作需要精細(xì)的微型機(jī)械手并且非常耗時(shí)。此外，為了獲得薄膜厚度分布，應(yīng)該使用精確的襯底移動(dòng)平臺(tái)并且能夠以好于0.1微米的同步分辨率移動(dòng)，因此，整個(gè)測量裝置在功能和結(jié)構(gòu)上變得非常復(fù)雜并且非常昂貴。在這種情況下，可以采用更貴的超級(jí)微型機(jī)械手，但是從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看是不實(shí)際的。

發(fā)明內(nèi)容
如前所述，實(shí)際上使用常規(guī)反射計(jì)不可能執(zhí)行薄膜的厚度輪廓和折射率的同時(shí)測量，并且制造用來逐步測量薄膜上給定區(qū)域的厚度輪廓的裝置的成本也非常高，并且該過程需要時(shí)間去執(zhí)行測量。為了克服這些缺陷，本發(fā)明揭示了用來測量薄膜厚度輪廓和折射率的新裝置和方法。
本發(fā)明的主要目的是揭示一種裝置，它不僅能夠在樣本襯底上給定區(qū)域的許多點(diǎn)與薄膜折射率一起測量厚度輪廓，從而在短時(shí)間內(nèi)一起測量厚度輪廓和折射率，而且由于使用了用于反射計(jì)的通用原理使得新裝置的結(jié)構(gòu)簡單。因此，折射率通常從反射率計(jì)算，而在本發(fā)明中根據(jù)下面部分描述的光學(xué)原理通過局部最小化所測量的反射率和利用與薄膜厚度和折射率有關(guān)的非線性函數(shù)表達(dá)式迭代計(jì)算的反射率之間的誤差來優(yōu)化地確定反射率。
具體實(shí)施例方式
圖5是根據(jù)本發(fā)明用來測量薄膜厚度輪廓和折射率的新裝置的示意圖。參見圖5，作為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例，用來測量薄膜厚度輪廓和折射率分布的裝置包括5個(gè)模塊，即，光學(xué)單元，襯底載體，圖片圖像采集處理器，圖像處理器548，信息處理器550，系統(tǒng)控制器552，和信息顯示單元。
光學(xué)單元包括光產(chǎn)生光源500，聚光透鏡502，虹膜(iris)504、準(zhǔn)值透鏡506(第一準(zhǔn)值透鏡)，分光鏡508，物鏡510(第二準(zhǔn)值透鏡)，輔助透鏡530(第三準(zhǔn)值透鏡)，和配備了多個(gè)窄帶通濾光器538的濾光輪534。通常使用可見光源作為用于測量薄膜厚度的光源500。從該光源產(chǎn)生的光穿過聚光透鏡502，用來調(diào)節(jié)投影在樣本襯底514的表面上的光區(qū)域的虹膜504，以及另一個(gè)準(zhǔn)值透鏡506，然后到達(dá)分光器508，并且從分光器508反射，并重新定向到樣本襯底，穿過物鏡510，然后進(jìn)入，例如，樣本薄膜518，在這里，光在樣本襯底頂面的交界處I 520和底面的交界處II 522反射。來自樣本襯底的反射光穿過物鏡510，分光器508和作為聚焦反射光的準(zhǔn)值透鏡的輔助透鏡530，使得反射光穿過窄帶通濾光器538，然后最終聚焦在光檢測器542上配備的二維矩陣型的CCD(電荷耦合器件)傳感器。穿過窄帶通濾光器538的反射光具有與給定濾光輪位置相關(guān)聯(lián)的指定波長，投影到二維矩陣CCD型的光檢測器542上。
圖片圖像采集處理器包括二維CCD數(shù)組型的光檢測器542和幀捕捉器546。從樣本襯底514的薄膜層518的交界處I 520和交界處II 522反射的光穿過由物鏡510、分光器508、輔助透鏡530和窄帶通濾光器538組成的光徑，然后被投影到二維CCD光檢測器542上，而投影到二維CCD光檢測器542上的圖片圖像由基于CCD的光檢測器感應(yīng)，然后這些感應(yīng)信息被轉(zhuǎn)換為像素級(jí)的光強(qiáng)度信息。該二維圖片幀的圖像被幀捕捉器546捕獲，然后存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器中(未示出)。更具體地說，在二維光檢測器542的內(nèi)部，CCD以二維矩陣的形式排列。在只有對(duì)應(yīng)所使用的所述窄帶通濾光器波長的光被投影在二維矩陣型的CCD 542上后，在樣本薄膜層518的交界處I520和交界處II 522的反射光穿過窄帶通濾光器538，這里由所述CCD光檢測器542感應(yīng)和檢測到的像素信息形成二維像素組。由所述CCD檢測器542檢測到的該組像素再被幀捕捉器546捕獲，然后存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器中(未示出)。
襯底載體平臺(tái)裝配單元由襯底載體平臺(tái)524，襯底載體平臺(tái)驅(qū)動(dòng)器526，和襯底載體平臺(tái)控制器528組成。襯底載體平臺(tái)524主要是支持襯底514的場所并且能夠上下左右運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)由一套電機(jī)或平臺(tái)驅(qū)動(dòng)器526控制，并且由系統(tǒng)控制器552控制的襯底載體平臺(tái)控制器528控制所述襯底載體平臺(tái)驅(qū)動(dòng)器526，所述系統(tǒng)控制器552與輸入/輸出單元558接口。
圖像處理器548通過從由幀捕捉器546捕獲的圖像信息中提取作為波長函數(shù)的反射光強(qiáng)度來產(chǎn)生用來生成如圖7所示的反射率圖形的數(shù)據(jù)。這里，反射率定義為反射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比，其中入射光強(qiáng)度利用已知的樣本襯底測量。
信息處理器550在功能上是一類參數(shù)值的操作器-計(jì)算器，主要以如圖7所示的反射圖形開始來計(jì)算二維的薄膜的薄膜厚度、厚度輪廓和折射率值。根據(jù)人們的設(shè)計(jì)，圖像處理器548和信息處理器550可以包含在一個(gè)控制器中，于是只需要一個(gè)控制器。另外，可以將圖像處理器548、信息處理器550、系統(tǒng)控制器552和平臺(tái)控制器528設(shè)計(jì)在一起，使得可以由一個(gè)主控制器或一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制。
根據(jù)由幀捕捉器546獲得的像素信息，圖像識(shí)別器554和監(jiān)視器556顯示由圖像處理器548和信息處理器550處理和提取的信息，于是所述裝置的用戶可以很容易和方便地操作測量裝置。特別地，所述監(jiān)視器556顯示包括薄膜厚度輪廓和折射率等必要的參數(shù)，這些參數(shù)是由圖像處理器548和信息處理器550提取或獲取的。
根據(jù)本發(fā)明，系統(tǒng)控制器552控制和管理包括監(jiān)視器556在內(nèi)的整個(gè)測量裝置。
下面，參考圖5詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的用來測量薄膜厚度和折射率分布的所述裝置的操作原理。
從光源500入射的光穿過由聚光透鏡502，虹膜504，準(zhǔn)值透鏡506，分光鏡508，和物鏡510按所提到的順序組成的光徑，然后投影到樣本襯底514。這里，參考圖2和5作為例子，襯底516上要測量的薄膜被假設(shè)為所述襯底516上放置的兩層薄膜202、204來制造所述襯底514。參見圖2，產(chǎn)品襯底230的結(jié)構(gòu)是在產(chǎn)品襯底206上帶有兩層薄膜202、204，形成第一薄層204和第二薄層202。在這種情況下，每層薄膜的諸如折射率之類的光特征彼此不同，并且還出現(xiàn)三個(gè)交界處；交界處I 207定義為第二薄膜層202和空氣200之間的界面，交界處II 208定義為第二薄膜層202和第一薄膜層204之間的界面，交界處III 209定義為第一薄膜層204和襯底206之間的界面。薄膜層之間的光交界處具有不同的光特征，會(huì)發(fā)生反射、折射和透射現(xiàn)象。如圖2所示，從整個(gè)樣本襯底230反射的反射光是具有210→222、210→212→224、210→212→214→226的光徑差的反射光的反射光222、224、226的疊加光。通常，要測量的薄膜樣本的厚度變化從十幾埃()到幾微米。因此，前述從薄膜反射的反射光有光徑異，這些光徑差比光的相干長度短，于是反射光的疊加光產(chǎn)生光學(xué)中廣泛熟知的干擾現(xiàn)象。另外，即使兩條光徑相同，當(dāng)波長彼此不同時(shí)，它們的光徑差也不同，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生不同的干擾。因此，在某個(gè)波長會(huì)發(fā)生破壞性的干擾，而在不同波長發(fā)生構(gòu)造性的干擾，其中，不同波長的反射光強(qiáng)度具有不同值。另外，根據(jù)給定窄帶通區(qū)域內(nèi)的波長，入射光和反射光的強(qiáng)度不同。前述隨介質(zhì)層光特征和由于樣本薄膜厚度變化引起的光徑差而變化的折射率的不同會(huì)產(chǎn)生干擾現(xiàn)象。由于反射率的定義為反射光強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度之比，因此，當(dāng)利用標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)襯底測量入射光強(qiáng)度時(shí)，可以獲得如圖3所示的反射率圖形作為反射光波長的函數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，可以獲得有關(guān)薄膜厚度，表示薄膜特征的反射率和和折射率之間的非線性函數(shù)關(guān)系，并且由本發(fā)明揭示的所述方法測量所述反射率，然后按迭代試湊法，利用查找最佳解的方法計(jì)算薄膜厚度和折射率。
根據(jù)本發(fā)明，為了描述尋找給定薄膜的厚度和折射率最佳值的算法，將主要參考2002年第四版的Eugene Hecht的“光學(xué)”作為理論背景材料。另外，下面描述的是通過最小化計(jì)算和測量的反射率值之間誤差來得到給定薄膜厚度輪廓和折射率的方法，其中該方法采用迭代試湊法來最小化反射率誤差。
如果給定薄膜是單層的情況，當(dāng)薄膜厚度或折射率已知時(shí)，那么給定用來得到反射率的理論表達(dá)式為相對(duì)簡單的“閉合形”。
但是，在多層薄膜的情況下，用來得到多層薄膜的厚度和折射率的算法的推導(dǎo)從代表可利用由特征矩陣的乘積給定的函數(shù)表達(dá)式導(dǎo)出的可數(shù)字計(jì)算的理論傳送率的圖形開始，每個(gè)給定的薄膜層一個(gè)，特征矩陣從薄膜層的電磁場的邊界條件獲得。
根據(jù)本發(fā)明，從光源發(fā)出的光通過光學(xué)單元投影到與入射光線幾乎垂直的樣本襯底(入射光面)的表面上，首先考慮入射光的介質(zhì)是空氣-薄膜-襯底時(shí)樣本襯底上單層薄膜的情況。在這種情況下，參見圖5，作為復(fù)數(shù)的反射系數(shù)r1由下面表達(dá)式[1]按閉合形式給定，另外具有能量含義的絕對(duì)反射率R給定為復(fù)數(shù)數(shù)量r的平方值，如下面表達(dá)式[2]所示；r=r01+r1se-j2β1+r01r1se-j2β-----[1]]]>R＝r·r*[2]其中r01和r1s分別是在空氣和薄膜頂面之間交界處I 520和薄膜和襯底頂面之間交界處II 522的Fresnel反射系數(shù)，β是由代表在通過薄膜的入射光通路轉(zhuǎn)換期間發(fā)生相移的β=2πηdλ]]>給定的相移。這里，η是折射率，d是給定薄膜的厚度，λ是波長，而*代表復(fù)共軛。
這里應(yīng)該注意的是，可以在二者都作為波長λ的函數(shù)的相移β和折射率η分別被給定時(shí)計(jì)算薄膜的厚度。專利US5,042,949就是利用這種關(guān)系得到薄膜厚度的一個(gè)實(shí)例。
在多層薄膜的情況下，不象用于單層薄膜的表達(dá)式[1]和表達(dá)式[2]那樣，在第i層薄膜頂部和底部邊界的光的電場和磁場具有下面表達(dá)式[3]給定的函數(shù)關(guān)系；EiHi=mi,11mi12mi,21mi,22Ei+1Hi+1=MiEi+1Hi+1-----[3]]]>其中i＝1，2，3，…，p，并且矩陣Mi=mi,11mi,12mi,21mi,22]]>是與第i層薄膜頂部和底部邊界的電場和磁場有關(guān)的第i層薄膜的特征矩陣，對(duì)于第i層及對(duì)應(yīng)波長，每個(gè)元素mi，11、mi，12mi，21和mi，22是復(fù)合折射率和厚度的函數(shù)。從表達(dá)式[3]中，薄膜的所有p級(jí)層的頂部和底部邊界的電磁場都與通過下面的表達(dá)式[4]所示的函數(shù)關(guān)系有關(guān)，其中頂面交界處是空氣和薄膜第p層頂面之間交界處，而底面交界處是薄膜第1層和襯底之間的交界處；ElHl=M1M2···MpEp+1Hp+1=MEp+1Hp+1]]>=m11m12m21m22Ep+1Hp+1----[4]]]>其中特征矩陣M=m11m12m21m22]]>是使矢量 與矢量 相結(jié)合的函數(shù)關(guān)系。第i級(jí)薄膜最上面的交界處和最下面的交界處的電磁場的邊界條件產(chǎn)生下面的矩陣方程式；EiI+ErI(EiI-ErI)γo=MEiIIEiIIγs]]>并且通過一個(gè)元素一個(gè)元素地平衡上面的矩陣表達(dá)式，重新排列各項(xiàng)，得到下面的函數(shù)關(guān)系；1+r＝m11t+m12γst
(1-r)γo＝m21t+m22γst [5]其中r=ErlEil,t=EtIIEiI,γo=ϵoμonocosθiI,γs=ϵoμonscosθiII]]>r＝反射振幅系數(shù)，t＝透射振幅系數(shù)。解出上述表達(dá)式[5]的反射振幅系數(shù)r，得出下面的結(jié)果；r=γom11+γoγsm12-m21-γsm22γom11+γoγsm12+m21-γsm22-----[6]]]>其中γo和γs分別是空氣和樣本襯底的復(fù)合折射率，m11、m12m21和m22是特征矩陣M的元素?？梢酝ㄟ^表達(dá)式[4]所示的M1M2…Mp相乘得到m11、m12m21和m22，并且這些元素是厚度d、反射光角度、和絕對(duì)折射率η的函數(shù)。另外，可以利用表達(dá)式[2]或R＝r·r*得到絕對(duì)反射率R，其中*代表復(fù)共軛。
根據(jù)本發(fā)明，可以如上所述從表達(dá)式[6]中獲得給定反射率的理論表達(dá)式，因此，在通過測量獲得反射率對(duì)波長的圖形后，可以通過最小化利用表達(dá)式[6]所示的理論表達(dá)式計(jì)算的反射率和從前述反射率對(duì)波長圖形測量到的反射率之間的誤差來確定厚度和反射率。更具體地說，在上述表達(dá)式[6]中，由于反射率r是薄膜厚度的非線性函數(shù)，因此通過給厚度d指定一個(gè)值作為初始起點(diǎn)，并且利用理論表達(dá)式[6]得到反射率r的對(duì)應(yīng)值，可以通過給定r得到薄膜厚度d的測量值，然后通過利用新的厚度值d反復(fù)重復(fù)這一過程，可以最小化測量到的反射率值和理論計(jì)算值之間的誤差。理論上，如果測量到的反射率值完全匹配，那么誤差變成零。而實(shí)際上，即使上面得到的薄膜厚度的“最佳”值是真值，通常在測量到的反射率值和計(jì)算值之間也存在誤差。在這種情況下，通過利用作為“獨(dú)立”變量的厚度值，并且通過將厚度的初始值設(shè)置為起點(diǎn)，可以利用表達(dá)式[6]計(jì)算反射率。然后，反射率結(jié)果值與測量值比較，計(jì)算誤差，之后厚度值增量變化獲得新的誤差。用這種方式，通過正向或反向反復(fù)增量改變厚度值直到得到最小誤差值可以使誤差最小化。通過利用迭代試湊法這種最小化誤差的過程，可以確定厚度的“最佳”值。根據(jù)本發(fā)明，由于反射率隨波長變化，因此前述的最小化誤差的過程并不簡單，并且在這種情況下，應(yīng)該通過最小化所有波長的誤差和來執(zhí)行最小化。對(duì)于這種情況，可以使用非線性最小化方法，使得誤差之和最小。作為例子，可以使用最小化誤差平方和的Lavenberg-Marquradt方法。
如前面所述，當(dāng)相應(yīng)的反射率已知時(shí)很容易獲得折射率，反之亦然。但是，根據(jù)本發(fā)明，在薄膜折射率未知的情況下，可以利用象Cauchy模型或Lorentz振蕩器模型的特定數(shù)學(xué)模型來得到作為波長函數(shù)的薄膜的折射率分布。假設(shè)，在用數(shù)學(xué)模型表示薄膜的折射率時(shí)的情況下，根據(jù)選擇的所述模型的理論反射率值和計(jì)算出的反射率值之間的誤差被表示為所選模型的模型系數(shù)的函數(shù)。因此，為了找到最合適的模型系數(shù)值，利用前述迭代試湊法同樣計(jì)算出折射率值和測量到的折射率值之間的最小誤差。作為使用迭代試湊法的結(jié)果確定的模型系數(shù)值是所使用的模型的最佳值。換句話說，確定最佳的折射率，以使折射率誤差最小。因此，與測量薄膜厚度的情況類似，可以在選擇了所選折射率模型的系數(shù)作為獨(dú)立變量后，通過對(duì)反射率誤差采用前述“優(yōu)化”方法獲得作為波長函數(shù)的折射率的期望值。應(yīng)該再次注意的是，可以很容易地從給定的反射率導(dǎo)出折射率，反之亦然。非線性誤差最小化方法可以等同地用作上述的優(yōu)化方法。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，為了“測量”二維矩陣型光檢測器上每個(gè)像素區(qū)域的薄膜厚度和相應(yīng)的折射率，對(duì)于每個(gè)所測量到的薄膜厚度和折射率的值，確定在襯底上對(duì)應(yīng)所測量的厚度和折射率值的物理位置，從而獲得襯底上給定像素區(qū)域的厚度輪廓和折射率分布。因此，將有關(guān)厚度輪廓和折射率值的信息與襯底上所述像素區(qū)域的對(duì)應(yīng)物理位置一起以二維或模擬三維顯示。特別地，在用模擬三維表示的情況下，可以很容易和高效地查看和理解襯底厚度輪廓的測量結(jié)果，另外，類似地，還可以很容易和高效地查看和理解襯底折射率的分布信息。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)使用由二維排列矩陣型CCD傳感器構(gòu)造的光檢測器時(shí)，只要襯底上要測量的目標(biāo)區(qū)域位于光檢測器的視線內(nèi)，可測量襯底上光檢測器的視線范圍內(nèi)任何位置的薄膜厚度。因此，與現(xiàn)有技術(shù)不同，它足夠移動(dòng)襯底載體一次，使得目標(biāo)測量區(qū)域位于光檢測器的視線范圍內(nèi)。就是說，只要目標(biāo)測量區(qū)域在視線范圍內(nèi)，通過襯底載體驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)就可以確定視線范圍內(nèi)目標(biāo)測量區(qū)域的確切位置。因此，要作的一步就是在那個(gè)位置測量。因此，不象上述現(xiàn)有技術(shù)那樣需要微機(jī)械手。
為了有效地執(zhí)行測量，有時(shí)需要在襯底上的指定區(qū)域或沿給定圖形測量薄膜的厚度和折射率。根據(jù)本發(fā)明，在這種情況下，通過改變軟件可以很容易地執(zhí)行必要的測量。換句話說，通過映射從二維矩陣型光檢測器獲得的薄膜的厚度和折射率，可以很容易地獲得對(duì)應(yīng)于襯底上的目標(biāo)測量區(qū)域的厚度和折射率的期望值。另外，可以利用軟件程序執(zhí)行前述過程。
在本發(fā)明中揭示了利用二維反射計(jì)的原理和使用圖5中用來區(qū)分反射光波長的濾光輪534的測量方法測量薄膜的厚度輪廓和折射率的裝置。根據(jù)本發(fā)明，可以使用圖8中所示的線性可變?yōu)V光器或可以使用如圖9中所示構(gòu)造的局部圓形可變?yōu)V光器替代濾光輪，其中線性可變?yōu)V光器或局部圓形可變?yōu)V光器可以構(gòu)造成與前述濾光輪類似的連續(xù)可變波長型或離散可變波長型。局部圓形可變?yōu)V光器可以構(gòu)造成整圓型的可變?yōu)V光器或半圓型達(dá)到濾光器。另外這些濾光器特征可以是連續(xù)可變波長型的可變?yōu)V光器或離散同步可變型的濾光器組。根據(jù)本發(fā)明，在圖5中，濾光輪534相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸536旋轉(zhuǎn)，并且由象系統(tǒng)控制單元552或信息處理單元550這樣的控制功能中的功能模塊(未示出)控制這個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
另外，根據(jù)本發(fā)明，參見圖5，可以使用象液晶可調(diào)濾光器或聲光可調(diào)濾光器這樣的可調(diào)濾光器(虛線表示的模塊)來代替光濾光輪538。例如，Chrien.T和Chovit.C揭示了液晶可調(diào)濾光器的原理和它的典型結(jié)構(gòu)(由Jet Propulsion實(shí)驗(yàn)室的Tom Chrien和Chris Chovit以及劍橋研究與儀器公司的Peter Miller于1993年4月編寫的“利用液晶可調(diào)濾光器的圖像光譜測定法”)。美國Brimrose公司提出了聲光可調(diào)諧濾光器的原理和它的功能結(jié)構(gòu)[由美國Brimrose公司出版的“聲光介紹”以及AOTF(聲光可調(diào)濾光器)光譜學(xué)出版]。
參見圖5，穿過代替濾光輪的可調(diào)濾光器539的入射光由作為窄帶通過濾組的可調(diào)濾光器539“過濾”，其中在由信息處理單元550或系統(tǒng)控制單元552控制的所述可調(diào)濾光器內(nèi)區(qū)分穿過可調(diào)濾光器539的光，并且在過濾過程中，與濾光輪類似，只選擇或過濾一組指定波長。在功能上，可調(diào)濾光器的工作方式與濾光輪相同。但是，如果是可調(diào)濾光器，濾光器以電動(dòng)方式工作來代替濾光輪的機(jī)械工作，因此濾光工作以毫秒(ms)級(jí)實(shí)時(shí)完成。這樣，在生產(chǎn)線檢查期間可以極大降低測量所需時(shí)間。
參見圖5，測量裝置具有從要測量的樣本襯底上光交界處520反射的反射光穿過窄帶通濾光輪534、可變?yōu)V光器或可調(diào)濾光器539，然后投影到二維矩陣型CCD光檢測器542的功能結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，由于可調(diào)濾光器539是電子濾光器，因此可以不需要二維光檢測器542，另外，過濾功能和信號(hào)檢測功能可以集成，于是功能結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)和構(gòu)造的更加高效。
如前所述，因?yàn)檎凵渎时槐硎緸楸∧ず穸鹊姆蔷€性函數(shù)，因此薄膜的折射率和厚度具有非線性函數(shù)關(guān)系，實(shí)際的測量方法是利用迭代試湊法得到最佳厚度值。但是，例如，由于實(shí)際上可能存在一個(gè)以上的最小值，使得在要測量的薄膜厚度范圍內(nèi)為折射率誤差尋找局部最小值存在困難。在這種情況下，所述裝置的用戶可以根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)選擇對(duì)應(yīng)最佳合理最小值的厚度值。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明，可以使用紫外光源和紅外光源。例如，如果要測量的薄膜厚度變薄，那么圖3中的反射率圖形趨向變“平”并且反射率值有變低的趨勢。更具體地說，當(dāng)使用可見光時(shí)，要測量的薄膜厚度的最小值限制在100?！?00范圍內(nèi)。另一方面，在紫外光的范圍內(nèi)，反射率圖形向原點(diǎn)移動(dòng)。因此當(dāng)使用紫外光源時(shí)，測量到的薄膜厚度可以低到幾十埃。與此相比，當(dāng)只使用普通光源時(shí)，在薄膜的厚度很薄的情況下，圖3中的反射率圖形具有向原點(diǎn)方向移動(dòng)的趨勢，即在圖3中出現(xiàn)很多波峰和波谷，于是可能出現(xiàn)許多反射率誤差的局部最小值。因此，當(dāng)使用象非線性函數(shù)的誤差最小化方法這樣的優(yōu)化過程時(shí)，其結(jié)果可能具有收斂到全局最小化的不太好的趨勢。但是，當(dāng)使用具有幾微米范圍波長的紅外光源時(shí)，圖3中反射率圖形具有進(jìn)一步擴(kuò)展的趨勢，于是很容易找到局部最小值并且誤差易于收斂，這樣，可以很容易地測量到幾十微米的薄膜厚度。
本發(fā)明前面所述的結(jié)構(gòu)和它的工作只是解釋了本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)，而不限于該原理和基本思想。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易理解本發(fā)明前面詳細(xì)描述的內(nèi)容并且很容易得出它們的變化。另外，與本領(lǐng)域有關(guān)的技術(shù)人員應(yīng)該能夠理解該原理和潛在的基本思想，并且通過上面呈現(xiàn)的本發(fā)明的詳細(xì)描述經(jīng)過廣開思路后獲得它們的擴(kuò)展。


圖1A是解釋現(xiàn)有反射計(jì)原理的現(xiàn)有技術(shù)的原理圖。
圖1B是位于圖1A中的反射計(jì)使用的視屏中心上的小視孔的詳細(xì)示意圖。
圖2是解釋由于光入射到兩層薄膜頂面而導(dǎo)致襯底上的多層薄膜交界處的各種光徑的示意圖。
圖3是典型的反射圖。
圖4是使用用來收集和透射反射光的玻璃濾光管的現(xiàn)有技術(shù)的反射計(jì)的示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明用來測量厚度輪廓和折射率分布的裝置的示意圖。
圖6是配備了多個(gè)濾光器的濾光輪的示例。
圖7是表示利用濾光輪測量到的作為波長函數(shù)的反射率值的典型反射圖。
圖8是線性可變?yōu)V光器的原理圖。
圖9是局部圓形可變?yōu)V光器的原理圖。
圖10是利用濾光輪測量薄膜厚度和折射率的步驟的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面參考圖5描述本發(fā)明的示例實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明用來測量厚度輪廓和折射率分布的裝置具有圖5所示的原理結(jié)構(gòu)，并且主要包括光學(xué)單元，襯底載體平臺(tái)524、526、528，圖像采集和處理單元542、546，圖像處理單元548，圖像顯示單元554、556，信息處理單元550，和系統(tǒng)控制單元552。
光學(xué)單元具有光源500，聚光透鏡502，虹膜504，準(zhǔn)值透鏡506(第一準(zhǔn)值透鏡)，分光鏡508，物鏡510(第二準(zhǔn)值透鏡)，輔助透鏡530(第三準(zhǔn)值透鏡)和配備了多個(gè)窄帶通濾光器538的濾光輪534。襯底載體平臺(tái)524、526、528由三部分組成襯底載體524，襯底載體驅(qū)動(dòng)526，和襯底載體控制器528。圖像采集和處理單元542、546具有二維矩陣型光檢測器542和幀捕捉器546。圖像顯示單元554、556具有圖像識(shí)別單元554和監(jiān)視器556。該裝置還具有圖像處理單元548和信息處理單元550。最后，該裝置具有控制整個(gè)“系統(tǒng)”的系統(tǒng)控制器552和處理象打印機(jī)、記錄裝置、和信息發(fā)送和接收功能這樣的輸入和輸出裝置的輸入和輸出接口單元558。
如發(fā)明內(nèi)容部分詳細(xì)描述的，這里呈現(xiàn)的裝置是在襯底上以面代“點(diǎn)”的范圍內(nèi)能夠測量薄膜厚度輪廓和折射率的通用目標(biāo)測量設(shè)備?？梢允褂每梢姽?、紫外光或紅外光作為光源。在這里描述的最佳模式中使用的是可見光源。
這里揭示的利用可見光源的裝置的最廣泛的應(yīng)用是測量象用于制造半導(dǎo)體元件的光阻材料(PR)的薄膜的厚度。光阻材料膜的厚度通常在0.3微米到3.0微米。使用涂有光阻材料膜的硅襯底作為樣本襯底，并且使用具有已知反射率的光阻材料膜的標(biāo)準(zhǔn)襯底作為校準(zhǔn)襯底。
光學(xué)單元與典型的顯微鏡具有非常相似的結(jié)構(gòu)。作為光源，例如，可以使用廣泛使用的鎢鹵素?zé)?。反射光?qiáng)度投影到光檢測器542內(nèi)安裝的二維矩陣型CCD傳感器，該反射光是從放置在襯底載體524上的具有已知反射率的標(biāo)準(zhǔn)襯底上的薄膜反射的，并且穿過窄帶通濾光器538，然后投影到光檢測器542。
接下來，樣本硅襯底放置在襯底載體524上，與上述標(biāo)準(zhǔn)襯底載體的情況相似，并且利用具有光檢測器542內(nèi)安裝的二維矩陣型CCD傳感器的光檢測器542測量反射光的強(qiáng)度。在這個(gè)過程中，入射到CCD光檢測器542上的反射光穿過安裝在窄帶通濾光輪534上的窄帶通濾光器538，于是反射光被過濾。因此，由實(shí)際使用的濾光器538確定用于測量的樣本襯底所選區(qū)域的反射光強(qiáng)度，并且作為波長的函數(shù)給出。圖6示出了該實(shí)施例使用的窄帶通濾光輪534的原理圖。參見圖6，該最佳模式中使用的窄帶通濾光輪634包括28個(gè)濾光器638，并且濾光器638的帶通波長范圍覆蓋從400毫微米到最大800毫微米。在該濾光輪的中心放置了中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸636。在圖5中，該中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸的編號(hào)為536。濾光輪634或534相對(duì)于該軸636轉(zhuǎn)動(dòng)，并且由系統(tǒng)控制單元552控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但是，可以由圖像處理單元548或信息處理單元550執(zhí)行控制功能。通常由軟件執(zhí)行窄帶通濾光輪634的這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且繼續(xù)同步這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直到完成了所有波長在樣本薄膜520所選區(qū)域的反射率強(qiáng)度的測量。反射率是給定樣本襯底的反射光強(qiáng)度和利用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)襯底測量到的入射光強(qiáng)度之比，即，反射率＝反射光強(qiáng)度/入射光強(qiáng)度，并且反射率是波長的函數(shù)。圖7示出了從測量到的反射光強(qiáng)度獲得的反射率波形。
根據(jù)本發(fā)明，可以用圖8中所示的線性可變?yōu)V光器800或圖9所示的局部圓形可變?yōu)V光器900代替窄帶通濾光輪534。當(dāng)然，分別需要使這些濾光器運(yùn)動(dòng)的適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)機(jī)制。即，如果是線性可變?yōu)V光器800，那么線性過濾器按線性運(yùn)動(dòng)，并且測量作為波長函數(shù)的投影到二維矩陣型光檢測器542的反射光。如果是局部圓形可變?yōu)V光器900，以與濾光輪534或634相似方式轉(zhuǎn)動(dòng)局部圓形過濾器900。
另外，根據(jù)本發(fā)明，可以使用所圖5中虛線塊所示的液晶可調(diào)濾光器539或聲光可調(diào)濾光器539。與濾光器不同，其中光直接穿過濾光器，可調(diào)濾光器539是間接電子濾光器并且可以用來代替圖5所示的濾光輪534?？烧{(diào)濾光器的原理如下。入射到可調(diào)濾光器539的入射光被電子化地“過濾”，只有符合信息處理單元550或系統(tǒng)控制器單元552預(yù)置需求的入射光的指定波長成分才能被電子化地選定或區(qū)分，而在功能方式上，可調(diào)濾光器除了電子操作外與濾光器的工作方式相同。如果是可調(diào)濾光器，由于濾光功能是沒有任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)工作，所以濾光過程只需幾毫秒就可以完成。因此，與濾光器相比極大地降低了測量時(shí)間，因?yàn)闉V光器為了覆蓋波長的整個(gè)范圍要花費(fèi)很長時(shí)間來操作濾光輪。另外，根據(jù)本發(fā)明，帶CCD傳感器554的光檢測器的功能可以很容易地與可調(diào)濾光器539集成。
對(duì)于濾光器或可調(diào)濾光器的物理位置，為了提高過濾器效率，過濾器可以放置在光源500和聚焦入射光的光檢測器542之間光徑上的任何位置。例如，光源500的前面，虹膜504的前面或虹膜504的后面，襯底上的焦點(diǎn)512之上，以及圖5中放置過濾輪的過濾器的當(dāng)前位置。在上述可能的位置中，最期望的位置是直接放在光源500的前面，因?yàn)檫@里的光噪音最小，因此過濾器產(chǎn)生“干凈”信號(hào)，從而使過濾器高效率工作。另一方面，前述放置過濾器的可能位置在理論上可以是光源500和光檢測器542之間光徑上的任何位置。但是，從實(shí)際觀點(diǎn)看，光源500和聚光的光檢測器542之間的光徑上的任何位置根據(jù)它的大小、結(jié)構(gòu)和功能都是放置濾光器組的有效位置。
對(duì)于上述所有情況，穿過每個(gè)窄帶通濾光器的反射光波長不是單波長，而是覆蓋穿過它的光的窄帶通范圍的相當(dāng)多的波長。因此，在光檢測器542檢測到的信號(hào)是使用的指定過濾器的窄帶通范圍內(nèi)具有很多波長的反射光的平均強(qiáng)度。另外，由用于濾光器組的自動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元自動(dòng)控制線性可變?yōu)V光器或局部圓形可變?yōu)V光器的前述運(yùn)動(dòng)，于是可以測量反射光的強(qiáng)度。一旦測量到作為波長函數(shù)的從標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)襯底和樣本襯底反射的反射光的強(qiáng)度，通過用來自標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)襯底的反射光強(qiáng)度去除來自樣本襯底的反射光強(qiáng)度可以獲得相對(duì)反射率。即，反射率＝來自樣本襯底的反射光強(qiáng)度/來自標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)襯底的反射光強(qiáng)度。結(jié)果，獲得了如圖7所示的反射率對(duì)波長的圖形。
根據(jù)本發(fā)明，本實(shí)施例中使用的所述裝置的光學(xué)單元與典型的光顯微鏡的結(jié)構(gòu)類似，并且根據(jù)需要和使用可以選擇使用可見光、紫外光和紅外光作為光源。對(duì)于這個(gè)最佳模式，使用可見光源測量厚度和折射率。物鏡510具有用來選擇倍數(shù)的可調(diào)整設(shè)置，并且對(duì)于這種最佳模式使用50X的設(shè)置。從樣本襯底捕獲的圖像具有覆蓋大約60μm×80μm樣本襯底區(qū)域的測量目標(biāo)區(qū)域512。從該測量目標(biāo)區(qū)域512返回的反射光穿過物鏡510、分光器508、輔助物鏡530和窄帶通濾光器538，然后投影到感應(yīng)和測量反射光強(qiáng)度的光檢測器542內(nèi)部安裝的二維矩陣型CCD傳感器上。如前所示，CCD矩陣傳感器的面積等于樣本襯底上大約60μm×80μm的面積，并且在該區(qū)域內(nèi)感應(yīng)到反射光640×480像素的分辨率。在CCD傳感器542產(chǎn)生的電信號(hào)由幀捕捉器546捕獲，并且存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器(未示出)中。圖像處理單元548分析幀存儲(chǔ)器(未示出)中存儲(chǔ)的圖像，并且提取反射光的強(qiáng)度。
更具體地說，基本像素組單元定義為(3×3)個(gè)像素，稱為基本圖像處理單元，然后圖像元素也定義為(32×32)個(gè)像素大小，因此每個(gè)圖像元素包括大約121(11×11＝121)個(gè)基本像素組單元。利用該(32×32)個(gè)像素大小的圖像元素對(duì)整個(gè)CCD傳感器區(qū)域分區(qū)，此后，為每個(gè)圖像區(qū)域計(jì)算在(32×32)個(gè)像素的圖像區(qū)域上的反射光的平均強(qiáng)度，然后是CCD傳感器區(qū)域的整個(gè)范圍。對(duì)濾光輪534上的每個(gè)窄帶通濾光器538重復(fù)反射光強(qiáng)度的感應(yīng)、捕獲和計(jì)算過程來獲得CCD傳感器區(qū)域整個(gè)范圍內(nèi)的作為波長函數(shù)的反射光強(qiáng)度值。為了歸一化樣本襯底的反射光強(qiáng)度，對(duì)每個(gè)波長以及在CCD傳感器區(qū)域的整個(gè)范圍利用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)襯底預(yù)先測量到的標(biāo)準(zhǔn)反射光強(qiáng)度分割這些反射光強(qiáng)度，于是獲得圖7所示的反射率波形。在執(zhí)行這里顯示的本發(fā)明的最佳模式中，為了計(jì)算總共640×480個(gè)像素的CCD傳感器的整個(gè)范圍和所用的過濾輪534中所有28個(gè)窄帶通過濾器538的反射光強(qiáng)度，用(35×35)個(gè)像素大小的基本像素組單元對(duì)整個(gè)(640×480)的CCD傳感器分區(qū)，所以執(zhí)行的計(jì)算總數(shù)為[(640×480)/(35×35)]×28，總數(shù)為7022次計(jì)算。因此，對(duì)于每個(gè)圖片幀，對(duì)每個(gè)波長執(zhí)行(640×480)/(35×35)次的反射光強(qiáng)度的計(jì)算，大約為每幀251次計(jì)算。在圖像處理單元548中執(zhí)行這些計(jì)算步驟。
如本發(fā)明詳細(xì)描述部分所描述的，利用誤差最小化方法測量襯底上光阻材料膜的厚度，并且由信息處理單元550執(zhí)行必要的計(jì)算。根據(jù)本發(fā)明，作為替換，也可以用圖像處理單元548來執(zhí)行這些計(jì)算。并且如前所述，繪制來自樣本襯底上光阻材料膜的反射光強(qiáng)度與作為波長函數(shù)的來自標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)襯底上的光阻材料膜的反射光強(qiáng)度的比例從而獲得如圖7所示的反射率波形。反射率的值臨時(shí)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器(未示出)用于后面計(jì)算所述光阻材料膜的厚度。根據(jù)本發(fā)明，也可以不用臨時(shí)存儲(chǔ)的反射率數(shù)據(jù)執(zhí)行厚度的計(jì)算。對(duì)于這種最佳模式，臨時(shí)存儲(chǔ)測量到的反射率數(shù)據(jù)然后在圖像處理單元548中執(zhí)行厚度計(jì)算。
根據(jù)本發(fā)明，在本發(fā)明詳細(xì)描述部分中，表達(dá)式[2]表示為單層薄膜情況下的反射率的平方。即，反射率是|r|=R=r·r*,]]>其中r是表達(dá)式[1]中復(fù)數(shù)的復(fù)數(shù)反射率，并且該復(fù)數(shù)反射率r是薄膜厚度d的函數(shù)，另外R是絕對(duì)反射率。在薄膜厚度的實(shí)際計(jì)算中，測量到的反射率和計(jì)算出的反射率分別被稱為rm和rc=R,]]>由re=|rc-rm|=|R-rm|]]>得出反射率誤差，其中R、rm、rc和re都是實(shí)數(shù)。結(jié)果是，在為d1選擇一個(gè)值以初始化該迭代計(jì)算過程，并且利用表達(dá)式[2]計(jì)算第一個(gè)計(jì)算的反射率rc1后，從re1＝|rc1-rm1|的關(guān)系獲得第一誤差re1。接下來，厚度被遞增地改變，即，d2＝d1+Δd，其中Δd是增量值，以及計(jì)算出第二個(gè)計(jì)算的反射率rc1后，接著計(jì)算第二反射誤差re2。這里，如果反射率誤差re2小于re1，那么厚度值d會(huì)進(jìn)一步增加，繼續(xù)該過程，直到反射率誤差最小。另一方面，在所述迭代計(jì)算過程中，如果反射率的誤差增加，那么厚度值減小，繼續(xù)迭代計(jì)算過程，其中選擇較小的Δd。同時(shí)，對(duì)于為d1所選的初始值，如果第二反射率誤差re2大于第一反射率誤差re1，那么厚度值遞減并且繼續(xù)該迭代誤差計(jì)算過程。在這個(gè)迭代誤差計(jì)算過程中，如果反射率誤差增加，那么與上述計(jì)算相似，厚度值遞增。重復(fù)該迭代計(jì)算過程直到得到反射率誤差的最小值，于是就能確定光阻材料膜的厚度。在執(zhí)行這種迭代試湊法中，通過利用前述(3×3)大小的基本像素組單元作為例子，計(jì)算對(duì)應(yīng)該基本像素組單元的所述光阻材料膜的厚度，并且通過進(jìn)一步對(duì)所有28個(gè)濾光器在整個(gè)CCD傳感器區(qū)域內(nèi)所有基本像素組單元執(zhí)行所有計(jì)算，獲得光檢測器542整個(gè)范圍內(nèi)樣本襯底上光阻材料膜的厚度輪廓測量所需的值作為波長的函數(shù)。結(jié)果作為二維圖像顯示在監(jiān)視器556上，也可以是模擬的三維圖像。
如圖7所示，反射率是反射光的波長的函數(shù)，并且迭代薄膜厚度“測量”過程重復(fù)次數(shù)等于所用濾光器的個(gè)數(shù)。例如，在本發(fā)明的最佳模式中使用了28個(gè)濾光器。因此，要執(zhí)行28次計(jì)算，并且最終將28個(gè)結(jié)果相加來確定襯底上光阻材料膜的最終厚度值。
如前所述，利用范圍在100到200的可見光源可以測量薄膜的最小厚度。因此，如果要測量的薄膜厚度小于100，那么最好用紫外光源測量厚度。即，薄膜厚度越薄，要使用的光源的波長越短。較薄薄膜的結(jié)果以“密集”波形出現(xiàn)在靠近圖7中的原點(diǎn)。當(dāng)使用紫外光源時(shí)，窄帶通濾光器的波長必須變短。例如，在本發(fā)明的最佳模式中，濾光輪534上安裝的28個(gè)濾光器538的波長的“帶”必須變?yōu)槎滩ㄩL，即必須用另一組波長較短的濾光器代替濾光器組538。另一方面，如果要測量的薄膜厚度變厚，即，例如，如果它的范圍從5μm到10μm，那么如果用紅外光源代替可見光，則厚度測量變得容易，并且在這種情況下，圖7中的反射率波形從原點(diǎn)展開。在這種情況下，必須用具有較長波長的一組新的窄帶通濾光器代替濾光輪534上安裝的濾光器組538。其余的圖像處理部分無論是使用紫外光源或是紅外光源都與使用可見光源的情況相同。
由圖像處理單元548通過幀捕捉器546接收到的襯底的圖像信息是由光檢測器542上安裝的二維矩陣型CCD傳感器感應(yīng)到的光強(qiáng)度，其中基本像素組單元的大小是(3×3)個(gè)像素并且該(3×3)個(gè)像素大小的基本像素組單元的實(shí)際位置被定義為該像素組的位置。由濾光輪534上的窄帶通濾光器538的物理位置確定對(duì)應(yīng)前述基本像素組單元的有關(guān)波長的信息，并且該有關(guān)波長的信息被直接從濾光輪534經(jīng)圖像處理單元548和系統(tǒng)控制單元552之間的鏈路發(fā)送到圖像處理單元548和系統(tǒng)控制單元552。在執(zhí)行這里呈現(xiàn)的本發(fā)明的最佳模式中，由于系統(tǒng)控制單元552控制濾光輪534，所以由系統(tǒng)控制單元552確定波長信息。在上述幀捕捉器546中的圖像捕獲過程期間，(3×3)個(gè)像素的基本像素組單元的光強(qiáng)度信息和對(duì)應(yīng)的波長信息彼此同步。
在利用具有光強(qiáng)度測量值的表達(dá)式[2]迭代計(jì)算反射率rc=R]]>時(shí)，還需要每個(gè)(3×3)個(gè)像素大小的基本像素組單元的相應(yīng)物理位置和波長以及為光阻材料膜的厚度選定的初始值。特別地，表達(dá)式[2]包含大量常數(shù)和系數(shù)以及正弦和余弦函數(shù)。另外，迭代計(jì)算rc的值直到反射率誤差re＝|rc-rm|最小，因此需要重復(fù)計(jì)算表達(dá)式[2]很多次。根據(jù)本發(fā)明，為了減少計(jì)算次數(shù)，計(jì)算表達(dá)式[2]在整個(gè)重復(fù)和迭代計(jì)算過程中不變的部分，結(jié)果值事先存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，然后以“查表”的形式使用，這樣可以加快重復(fù)和迭代計(jì)算的過程。這里，表達(dá)式[2]為了這個(gè)目的的分區(qū)方式取決于這里呈現(xiàn)的所述裝置的功能設(shè)計(jì)者的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)裝置的這種分區(qū)可以設(shè)計(jì)為用戶可選和菜單驅(qū)動(dòng)的特征。
前述被稱作平均反射率誤差“最小化的計(jì)算過程”相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)檫@個(gè)過程包括計(jì)算整個(gè)波長范圍內(nèi)作為波長函數(shù)的反射率誤差的步驟和最小化所計(jì)算反射率誤差平均值的步驟，其中為每個(gè)(3×3)個(gè)像素大小的基本像素組單元計(jì)算反射率誤差需要3×3＝9次的像素操作并且在(640×480)個(gè)像素大小的整個(gè)CCD傳感器區(qū)域上，該過程重復(fù)28次來覆蓋濾光輪534上的整組濾光器538。另外，在給定基本像素組單元的位置，對(duì)應(yīng)的反射率誤差re是未測量的反射光厚度和波長的非線性函數(shù)，因此需要迭代和重復(fù)采用被稱作非線性誤差最小化的過程。根據(jù)本發(fā)明，作為例子，可以使用Levenberg-Marquardt的平方非線性誤差最小化的方法作為非線性誤差最小化過程的方法。即，迭代最小化re2＝|rc-rm|2的值。然而，也可以使用類似的誤差最小化方法代替。
在這里呈現(xiàn)的最佳模式中，因?yàn)橐阎庾璨牧夏そo定層的反射率已經(jīng)被測量，所以給定樣本襯底上的薄膜的折射率是已知的。但是，有時(shí)給定薄膜的折射率是未知的。在這種情況下，揭示了利用Cauchy模型或Lorentz震蕩器模型來取得折射率的方法。(H.G.Tompkins和W.A.McGahan，John Wiley于1999年發(fā)表的“分光鏡的橢圓偏光法和反射計(jì)”)。當(dāng)利用上述指定模型模仿給定薄膜的折射率時(shí)，理論反射率(或折射率)和所測量的反射率之間的誤差表示為所選模型的模型系數(shù)的函數(shù)，并且當(dāng)具有給定模型系數(shù)的所選模型的值最接近實(shí)際折射率值時(shí)，反射率誤差最小。在這種情況下，通過在將模型系數(shù)設(shè)置為獨(dú)立變量后對(duì)反射率誤差應(yīng)用最小化方法來獲得作為波長函數(shù)的折射率。對(duì)于優(yōu)化方法，與前述方法類似，可以使用非線性的誤差最小化方法。
上述相當(dāng)復(fù)雜的計(jì)算過程是由圖像處理單元548以及信息處理單元550執(zhí)行的，其中功能包括提取計(jì)算反射率誤差所需的測量到的反射率值，計(jì)算反射率誤差，優(yōu)化反射率、誤差以及當(dāng)折射率未知時(shí)計(jì)算折射率。但是，圖像處理單元548和信息處理單元550之間的功能劃分通常根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的軟件程序來實(shí)現(xiàn)，另外圖像處理單元548和信息處理單元550可以根據(jù)所述裝置的設(shè)計(jì)需求和需要通過設(shè)計(jì)合并成一個(gè)處理單元。對(duì)于這里呈現(xiàn)的最佳模式，圖像處理單元548和信息處理單元550表示為圖5中所示的兩個(gè)獨(dú)立功能模塊。為了更有效地利用所述查閱表，通常希望計(jì)算系統(tǒng)有這種方式的結(jié)構(gòu)，即，圖像處理單元548和信息處理單元550緊密合作來執(zhí)行各自功能。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，如前所述由幀捕捉器546提取對(duì)應(yīng)給定基本像素組單元的信號(hào)，然后發(fā)送到圖像識(shí)別單元554，處理襯底表面上所選區(qū)域的圖像，即，穿過圖5中窄帶通濾光器538的襯底表面的圖像信號(hào)，然后由圖像重組器554重新構(gòu)造原始圖像，并且通過監(jiān)視器556的屏幕顯示。裝置使用者在監(jiān)視器屏幕上指定希望測量的區(qū)域和為指定測量所需的計(jì)算。在這個(gè)階段，為了縮短測量時(shí)間，用戶可以指定樣本襯底上薄膜表面有限的區(qū)域來測量，并且可以只顯示穿過窄帶通濾光器538的由光投影到整個(gè)測量區(qū)域的圖像。監(jiān)視器屏幕556顯示的圖像信息包括襯底的表面圖像條件，薄膜的厚度輪廓，折射率分布，反射率分布，樣本襯底表面上有興趣測量的點(diǎn)的X-Y坐標(biāo)，有關(guān)窄帶通過濾輪534的信息，和其中所選測量區(qū)域的圖像的乘法因數(shù)。
為了在襯底上的多個(gè)測量范圍內(nèi)測量薄膜的厚度輪廓和折射率分布，根據(jù)本發(fā)明，對(duì)光單元中的物鏡510采用自動(dòng)對(duì)焦的特征，圖5中物鏡510和襯底514之間的相對(duì)位置在X-Y-Z軸的三個(gè)方向上移動(dòng)，并且由通過襯底載體平臺(tái)控制器528控制的襯底載體驅(qū)動(dòng)單元526驅(qū)動(dòng)在其上面裝載襯底的襯底載體524。
根據(jù)本發(fā)明，由系統(tǒng)控制器552執(zhí)行測量薄膜厚度輪廓和折射率分布的前述裝置的總控制，系統(tǒng)控制器552基本上包括微處理器(未示出)或微電腦(未示出)或微控制器(未示出)和一組支撐特征和功能以及各種存儲(chǔ)器(未示出)和I/O單元(輸入和輸出)。系統(tǒng)控制器552被主要?jiǎng)澐譃橐唤M硬件和一組軟件。硬件通常包括微處理器、主存儲(chǔ)器集、硬盤、I/O接口單元、象打印機(jī)、顯示器的I/O設(shè)備和通信設(shè)備。軟件主要包括，例如，初始化程序和主控制程序。系統(tǒng)控制器單元552通常控制和管理計(jì)算薄膜厚度和折射率分布的多個(gè)不同部分和函數(shù)。如圖5所示，作為典型的例子，本發(fā)明的裝置包括光學(xué)單元，襯底載體平臺(tái)控制器528，窄帶通濾光輪534，光檢測器542上安裝的二維矩陣型CCD傳感器，幀捕捉器546，信息處理單元550，圖像處理單元548，圖像識(shí)別單元554，顯示監(jiān)視器556，并且所述測量裝置還控制和管理所有機(jī)械運(yùn)動(dòng)、復(fù)雜的計(jì)算以及信息處理功能。
上述執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式只是說明這里揭示的本發(fā)明基本原理和工作的例子，并不限制本發(fā)明基本原理和構(gòu)思的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過這里呈現(xiàn)的執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式開闊思路，很容易理解和擴(kuò)展本發(fā)明的根本原理和基本想法。
工業(yè)實(shí)用性根據(jù)這里呈現(xiàn)的本發(fā)明測量薄膜厚度輪廓和折射率分布的裝置和方法測量所選區(qū)域范圍的所述厚度輪廓和折射率，用戶可以從更開闊的視野看到薄膜的狀態(tài)和特征，來代替在選定的“點(diǎn)”測量厚度和折射率，即點(diǎn)測量。因此，由于本發(fā)明的裝置測量襯底上大范圍測量區(qū)域的厚度輪廓和折射率，所以根據(jù)本發(fā)明在這里呈現(xiàn)的裝置和方法與點(diǎn)測量裝置相比提供了更可靠的數(shù)據(jù)，并且與點(diǎn)測量相比提供了更準(zhǔn)確和有用的信息。另外，本發(fā)明的顯示監(jiān)視器顯示用二維或三維顯示所選測量區(qū)域的圖像。根據(jù)本發(fā)明，作為可見光源以外的光源，可以很容易地使用具有合適窄帶通可變過濾器組的紫外光源和紅外光源來測量薄膜的薄厚來代替利用可見光源測量薄膜的厚度。另外，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明一個(gè)方面的窄帶通濾光輪與利用單獨(dú)的濾光器相比工作更快，所以與常規(guī)裝置相比，測量厚度和折射率的測量速度更快。另外，根據(jù)本發(fā)明，測量的分辨率更高，因此對(duì)每個(gè)像素組在整個(gè)測量范圍內(nèi)通過在原處執(zhí)行厚度輪廓和折射率分布的計(jì)算，可以測量和檢查到薄膜表面狀態(tài)的局部變化。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，因?yàn)楹穸群驼凵渎实臏y量結(jié)果用二維或三維圖像顯示在監(jiān)視器上，所以可以檢查和評(píng)估表面條件、厚度輪廓和折射率變化，于是用戶可以對(duì)要測量的薄膜狀態(tài)和特征做可靠和堅(jiān)實(shí)的判斷。因此，根據(jù)本發(fā)明，利用二維矩陣型CCD傳感器對(duì)厚度輪廓和反射率分布的二維測量和表示與常規(guī)點(diǎn)測量裝置相比更可靠而且包含更多的信息。
權(quán)利要求
1.一種用來測量單層或多層薄膜的厚度和折射率的裝置，所述裝置包括支撐襯底的襯底載體；提供用于所述測量的光源和來自所述襯底的反射光的光學(xué)單元；濾光器組，用于按不同波長對(duì)所述反射光濾光；二維矩陣型電荷耦合器件(CCD)傳感器；圖像捕捉器，用于捕獲由所述CCD傳感器產(chǎn)生的圖像；數(shù)據(jù)處理單元，利用由所述圖像捕捉器捕獲的所述圖像數(shù)據(jù)，通過重復(fù)和迭代使用非線性誤差最小化方法，按至少(3×3)個(gè)像素的像素組計(jì)算和產(chǎn)生薄膜的厚度，厚度輪廓或折射率的一個(gè)或多個(gè)測量數(shù)據(jù)；計(jì)算反射率或折射率的理論值的裝置；通過迭代和重復(fù)使用非線性誤差最小化方法得到計(jì)算的和測量的反射率或折射率值之間的最小誤差的裝置；系統(tǒng)控制器單元，包括用來處理所述圖像數(shù)據(jù)的圖像處理，信息處理和系統(tǒng)控制功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中還包括圖像識(shí)別功能和有選擇地顯示有關(guān)所述厚度，厚度輪廓，折射率，或折射率分布的所述信息的顯示監(jiān)視器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中還包括能夠在襯底上選定的多達(dá)200μm×200μm的大測量范圍內(nèi)測量薄膜的厚度輪廓和折射率分布的功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中還包括用來逐步或連續(xù)移動(dòng)所述襯底載體，以便可以在襯底上更大的區(qū)域內(nèi)執(zhí)行所述測量的驅(qū)動(dòng)單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)單元包括可見光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)單元包括紫外光源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)單元包括紅外光源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述濾光器組構(gòu)造為窄帶通濾光輪。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述濾光器組由線性可變?yōu)V光器組構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述濾光器組由局部圓形可變?yōu)V光器組構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述濾光器組由線性窄帶通濾光器構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述濾光器組由局部圓形窄帶通濾光器組構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述濾光器組由可調(diào)濾光器組構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述可調(diào)濾光器組由液晶可調(diào)濾光器組構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述可調(diào)濾光器組由聲光可調(diào)濾光器組構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述數(shù)據(jù)處理單元包括至少一個(gè)用來處理迭代和重復(fù)使用的變量，系數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式或分區(qū)表達(dá)式模塊的查詢表，以通過避免不必要的重復(fù)計(jì)算來加速所述計(jì)算。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述顯示監(jiān)視器用二維圖像顯示有關(guān)至少一層薄膜的表面輪廓的信息。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述顯示監(jiān)視器用三維圖像顯示有關(guān)至少一層薄膜的表面輪廓的信息。
19.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述顯示監(jiān)視器用二維或三維人造彩色圖像有選擇地顯示單層或多層薄膜的所述厚度，或厚度輪廓，或折射率分布，或表面輪廓，或這些信息的任何組合，以便增強(qiáng)視覺效果，從而更好和更容易地檢查和評(píng)估薄膜的狀態(tài)和特征。
20.一種測量單層或多層薄膜的厚度和折射率的方法，所述方法包括下列過程利用二維矩陣的電荷耦合器件(CCD)傳感器捕獲二維圖像；利用窄帶通濾光器組區(qū)分入射到所述CCD傳感器的所述光；通過按組劃分所述CCD傳感器以外的像素，在二維中測量所述厚度，以便維護(hù)測量值的穩(wěn)定性；通過按至少(3×3)個(gè)像素的組劃分所述像素，在二維中測量作為襯底表面上的所述像素的位置的函數(shù)的所述折射率分布，以便維護(hù)測量值的穩(wěn)定性；利用有關(guān)通過所述二維矩陣型CCD傳感器捕獲的所述反射光的所述數(shù)據(jù)，通過迭代和反復(fù)使用非線性誤差最小化方法得到厚度輪廓或折射率分布或兩者的測量值；通過處理投影到所述CCD傳感器上的所述光的強(qiáng)度作為波長函數(shù)，在所述顯示器上顯示測量單層或多層薄膜的厚度，或厚度輪廓，或折射率分布，或這些信息的任何組合的結(jié)果，還可以任選有選擇地以二維或三維表示來顯示表面輪廓。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用反射計(jì)的原理測量單層或多層薄膜的厚度輪廓和折射率分布的非接觸的、非破壞型的測量裝置。根據(jù)本發(fā)明，通過采用多于一個(gè)的窄帶通濾光器和一個(gè)二維矩陣的CCD傳感器，并且通過利用迭代數(shù)字計(jì)算方法得到所述單層或多層薄膜的厚度和對(duì)應(yīng)的折射率之間非線性函數(shù)關(guān)系的最佳解，所述裝置可以同時(shí)測量襯底上所述單層或多層薄膜其中的局部區(qū)域的厚度輪廓和折射率分布。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1556914SQ02818408
公開日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2002年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月21日
發(fā)明者金榮烈, 樸智徖, 金鎮(zhèn)庸, 李仲煥 申請(qǐng)人:Kmac株式會(huì)社