CN107561007B - 一种薄膜测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜测量装置和方法，所述装置包括照明单元，用于提供照明光束；第一成像镜组，包括物镜，用于将照明光束通过物镜照射到位于一透明基底上的薄膜上，并收集薄膜和透明基底的反射光束；视场光阑，与薄膜关于物镜共轭，用于限制透明基底下表面反射光对测量信号的串扰，获得更多的有效信号；面阵探测器，探测经所述视场光阑后的光束分布；以及处理器，采集入射角大于一临界入射角的照明光束的成像的角谱信息，并根据角谱信息计算薄膜的参数。本发明利用透明基底的低反射率，采用在角谱成像光路加入视场光阑的方式，将透明基底下表面反射光去除，以提高上层反射信号的信噪比。

Description

一种薄膜测量装置和方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种薄膜测量装置和方法。

背景技术

特征参数检测被广泛应用在工业领域，制造工艺要求对特征参数质量进行监控，以保证产品质量，提高良率。特征参数的测量分为两大类：无损测量和有损测量。由于有损测量会对特征参数表面产生破坏效果，所以利用光学方法的无损测量是特征参数检测中最常采用的方法。

现有设备对不透明基底特征参数检测的技术非常成熟，常用的检测手段有反射仪测量和椭偏仪测量。但是，对透明基底特征参数检测还存在困难，因为透明基底的反射光会串扰测量信号，典型的透明基底特征参数是TFT特征参数，常见的膜层包括SiO₂，SiNx，a-Si等，另外还有关键尺寸CD。如图1所示，入射光80入射后，由于透明基底82反射的光81与透明TFT薄膜83反射的光84一起反射至物镜85，被物镜85折射至物镜后焦面86，若是不将这部分透明基底82反射的光81去除，会导致透明基底82底部与空气的界面反射的光81透过透明基底82和特征参数进入测量光路，叠加在信号光上形成背景光，对采用测量反射率来计算特征参数的测量方法造成很大影响，则会保留至后续图像与数据的传输，导致对于透明TFT薄膜83的测量不准确。因此，这种装置不能进行具有透明基底的薄膜的膜厚测量。采用倾斜入射的椭偏仪接收到的信号理论上可以避免透明基底背景光的干扰，但是必须严格控制入射角度范围，并且采集到的反射信号也相对较少。

现有技术中还揭示了一种照明光采用小角度入射的形式，减少由于透明基底产生的干扰反射光，此外还有一种测量角铺面的形式，光源提供的照明光入射面变化范围为360°，光学元件中采用二维面阵CCD进行反射光强的探测，将探测结果输送至处理器中，从而处理器中计算出待测物体的检测结果。但是在待测物体的基底是透明的情况下，由于无法去除透明基底反射光的影响，会对测量造成干扰。因此，以上几种方法均无法彻底根除由于透明基底反射的光对测量造成的干扰，导致测量结果不准确。

发明内容

本发明提供一种薄膜测量装置和方法，能够排除由于透明基底反射的干扰光，以实现对具有透明基底的薄膜的准确测量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种一种薄膜测量装置，包括：

照明单元，用于提供照明光束；

第一成像镜组，包括物镜，用于将照明光束通过所述物镜照射到位于一透明基底上的薄膜上，并收集所述薄膜和透明基底的反射光束；

视场光阑，与所述薄膜关于所述物镜共轭，用于遮挡经所述透明基底下表面反射后的反射光；

面阵探测器，探测经所述视场光阑后的光束分布；

以及处理器，采集入射角大于一临界入射角的照明光束的成像的角谱信息，并根据所述角谱信息计算所述薄膜的参数。

作为优选，所述视场光阑的直径尺寸为β*L，其中β为所述第一成像镜组的放大倍率，L为所述照明光束在所述薄膜上形成的照明视场的大小。

作为优选，所述临界入射角θ为arcsin{n*sin[arctan(L/2h)]}，其中，h为所述透明基底的厚度，n为所述透明基底的折射率，L为所述照明视场的大小。

作为优选，所述照明单元包括光源和光学元件单元，通过所述光学元件单元控制入射至所述薄膜表面的照明视场的大小。

作为优选，所述光源采用卤素灯或氙灯。

作为优选，所述光源提供包含不同波段的照明光束。

作为优选，所述光学元件单元包括滤波器，所述滤波器采用窄带滤光片，用于选择某一波段的照明光束。

作为优选，所述光学元件单元包括依次设置的准直镜头、起偏器及入射光阑。

作为优选，所述起偏器采用偏振片或偏振棱镜。

作为优选，所述第一成像镜组包括一分光元件，将所述照明单元出射的照明光束反射至所述物镜，将经所述物镜出射反射光束透射，所述分光元件采用直角分光棱镜或半透半反镜。

作为优选，所述面阵探测器位于所述物镜后焦面的共轭位置处。

作为优选，所述视场光阑与所述面阵探测器之间还设有第二成像镜组。

本发明还提供一种薄膜测量方法，根据入射至所述薄膜表面的照明视场的大小和成像光路的放大倍率，在成像光路后配置一视场光阑，用来遮挡入射至所述薄膜表面的入射角大于一临界入射角的照明光束经承载所述薄膜的一透明基底反射后的反射光，之后再探测面上采集入射角大于所述临界入射角的照明光束的成像的角谱信息，并根据所述角谱信息计算所述薄膜的参数。

作为优选，所述视场光阑的直径L1＝β*L，β为所述成像光路的放大倍率，L为所述照明视场的大小。

作为优选，所述临界入射角θ＝arcsin{n*sin[arctan(L/2h)]}，其中，h为所述透明基底的厚度，n为所述透明基底的折射率，L为所述照明视场的大小。

作为优选，根据所述角谱信息计算所述薄膜的反射率，将测得的反射率与通过菲尼尔公式或者RCWA算法建模仿真得到的反射率进行比较，得到满足条件所述建模仿真中的建模参数即为所述薄膜的参数。

与现有技术相比，本发明利用透明基底的低反射率，采用在角谱成像光路加入视场光阑的方式，将透明基底下表面反射光去除，以提高上层薄膜反射信号的信噪比。且无需在透明基底背面涂覆消光物质来消除透明基底的背向反射光，无需破坏特征参数，该方法简单灵活，能够自动适应各种不同材料不同厚度的透明基底，因此整个***具备结构简单、成本较低、小型化和能够进行无损检测等优点。

附图说明

图1为现有技术中具有透明基底的薄膜的各层反射光示意图；

图2为本发明一具体实施方式中具有透明基底的薄膜的测量装置的结构示意；

图3本发明一具体实施方式中具有透明基底的薄膜的测量原理图。

图1中所示：80-入射光、81-基底反射光、82-透明基底、83-透明TFT薄膜、84-透明薄膜反射光、85-物镜、86-物镜后焦面、

图2-3中所示：1-光源、2-准直镜头、3-滤波器、4-起偏器、5-分光元件、8-待测物体、9-承载台、11-照明单元、13-处理器；

91-透明基底、92-薄膜、93-物镜、94-物镜后焦面、951-第一角谱成像镜头、952-第二角谱成像镜头、96-面阵探测器、97-基底反射光、98-照明视场、99-视场光阑、100-成像前组。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图2和图3所示，本发明公开一种具有透明基底91的薄膜92的测量装置，用于对具有透明基底91的薄膜92的特征参数进行测量，其主要包括：形成光路连接的照明单元11、分光元件5、物镜93和用于承载待测物体8也即是具有透明基底91的薄膜92的承载台9，测量装置还包括第一角谱成像镜头951、第二角谱成像镜头952、面阵探测器96与处理器13。进一步的，本发明还包括视场光阑99，所述视场光阑99位于所述薄膜92表面的共轭位置处，直径尺寸为β*L，用来滤除透明基底91的反射光，其中，β为成像前组100的放大倍率，L为照明视场98的大小，所述成像前组100为包括物镜93和第一角谱成像镜头951。

重点参照图2，照明单元11用于提供照明光束，包括沿光传播方向依次设置的光源1、准直镜头2、滤波器3、起偏器4和入射光阑(图中未示出)。其中，所述光源1采用卤素灯或氙灯，可选的，所述光源1提供包含不同波段的照明光束。所述滤波器3采用窄带滤光片，用于选择某一波段的照明光束，可选为采用波长为780nm、633nm、550nm、441nm或360nm的窄带滤光片。起偏器4采用偏振片或偏振棱镜，用于透过特定偏振方向的偏振光，所述入射光阑用于调节照明视场98。

所述分光元件5采用直角分光棱镜或半透半反射镜，用于将照明单元11中的光束投射到物镜93。

所述物镜93用于将光束以一定夹角汇聚到带有透明基底91的薄膜92上，并收集透明基底91和薄膜92的反射光到物镜后焦面94位置处。所述第一角谱成像镜头951和第二角谱成像镜头952用于把物镜后焦面94成像到所述面阵探测器96上，当然，所述面阵探测器96位于物镜后焦面94的共轭面，采用CCD或CMOS，对于滤波器3的透过波长具有良好的响应，所述处理器13用于对面阵探测器96采集的图像进行处理，采集在薄膜92表面的入射角大于一临界入射角的照明光的成像的角谱信号，根据角谱信息分析计算薄膜参数，例如薄膜厚度。

所述带有透明基底91的薄膜92设置在承载台9上，所述承载台9可以带动薄膜92运动至测量位置。

继续参照图2至图3，本发明还提供一种具有透明基底91的薄膜92的测量方法，具体包括：

步骤1：在具有透明基底91的薄膜92的测量装置的照明单元11中设置入射光阑，控制照明视场98大小；

步骤2：在待测的薄膜92的共轭位置处设置视场光阑99，视场光阑99的直径L1满足L1＝β*L，β为成像前组100的放大倍率，L为照明视场98大小；

步骤3：在探测面的成像中采集在薄膜92表面的入射角大于临界入射角θ的照明光的成像的角谱信号，根据角谱信息分析计算薄膜参数，例如求解薄膜厚度，其中临界入射角θ＝arcsin{n*sin[arctan(L/2h)]}，h为透明基底91的厚度，n为透明基底91的折射率。

由图3可知，本发明通过添加视场光阑99，使得照明视场98内大于临界入射角θ的照明光经过下层透明基底91反射以后，基底反射光97都被视场光阑99遮挡，从而去除干扰信号。

其中，临界入射角θ的确定原理为：

其中n是透明基底91的折射率，h是透明基底91的厚度，L为照明视场98的大小，NA为视场光阑99无法遮挡的区域内受到透明基底91反射光干扰的信号，θ₁为入射到透明基底91中的折射角。则，临界入射角θ＝arcsin{n*sin[arctan(L/2h)]}。

将采集到的有效区域内的角谱信号也即是在薄膜92表面的入射角大于临界入射角的照明光的角谱信号与仿真数据进行对比，逆向求解获得特征参数信息。具体为根据采集到的角谱信息计算所述薄膜92的反射率，将测得的反射率与通过菲尼尔公式或者RCWA算法建模仿真得到的反射率进行比较，得到满足条件所述建模仿真中的建模参数即为所述薄膜的特征参数。或在预先计算得到的数据库中找到最接近所述测得的反射率的样本所对应的参数即为所述薄膜的特征参数。

综上，本发明利用透明基底91的低反射率，采用在角谱成像光路加入视场光阑99的方式，将透明基底91下表面反射光去除，以提高上层反射信号的信噪比。以照明视场98直径为50um，透明基底91厚度为700um，放大倍率为1为例，当孔径光阑99可严格滤除测量光斑外的反射光时，可测角度根据公式(1)和(2)计算为3°，即物镜后焦面94上3度以外的角谱信息均可用。本发明不局限于照明光学单元与探测光学单元独立(斜入射)的形式，照明与探测可共用光学单元，使得入射角度范围更大，测量光路中探测面可以收集更多反射光信号，可以提高测量精度。本发明无需在透明基底91背面涂覆消光物质来消除透明基底91的背向反射光，无需破坏特征参数，该方法步骤简单灵活，且能够自动适应各种不同材料不同厚度的透明基底，因此整个***具备结构简单、成本较低、小型化和能够进行无损检测等优点。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (17)

1.一种薄膜测量装置，其特征在于，包括：

照明单元，用于提供照明光束；

第一成像镜组，包括物镜，用于将照明光束通过所述物镜照射到位于一透明基底上的薄膜上，并收集所述薄膜和透明基底的反射光束；

视场光阑，与所述薄膜关于所述物镜共轭，用于遮挡经所述透明基底下表面反射后的反射光；

面阵探测器，探测经所述视场光阑后的光束分布；

以及处理器，采集入射角大于一临界入射角的照明光束的成像的角谱信息，并根据所述角谱信息计算所述薄膜的参数，所述入射角为临界入射角时，所述视场光阑刚好遮挡经所述透明基底下表面反射后的反射光。

2.如权利要求1所述的薄膜测量装置，其特征在于，所述视场光阑的直径尺寸为β*L，其中β为所述第一成像镜组的放大倍率，L为所述照明光束在所述薄膜上形成的照明视场的大小。

3.如权利要求2所述的薄膜测量装置，其特征在于，所述临界入射角θ为arcsin{n*sin[arctan(L/2h)]}，其中，h为所述透明基底的厚度，n为所述透明基底的折射率，L为所述照明视场的大小。

4.如权利要求1所述的薄膜测量装置，其特征在于，所述照明单元包括光源和光学元件单元，通过所述光学元件单元控制入射至所述薄膜表面的照明视场的大小。

5.如权利要求4所述的薄膜测量装置，其特征在于，所述光源采用卤素灯或氙灯。

6.如权利要求4所述的薄膜测量装置，其特征在于，所述光源提供包含不同波段的照明光束。

7.如权利要求6所述的薄膜测量装置，其特征在于，所述光学元件单元包括滤波器，所述滤波器采用窄带滤光片，用于选择某一波段的照明光束。

8.如权利要求4或7所述的薄膜测量装置，其特征在于，所述光学元件单元包括依次设置的准直镜头、起偏器及入射光阑。

9.如权利要求8所述的薄膜测量装置，其特征在于，所述起偏器采用偏振片或偏振棱镜。

10.如权利要求1所述的薄膜测量装置，其特征在于，所述第一成像镜组包括一分光元件，将所述照明单元出射的照明光束反射至所述物镜，将经所述物镜出射反射光束透射，所述分光元件采用直角分光棱镜或半透半反镜。

11.如权利要求1所述的薄膜测量装置，其特征在于，所述面阵探测器位于所述物镜后焦面的共轭位置处。

12.如权利要求1所述的薄膜测量装置，其特征在于，所述视场光阑与所述面阵探测器之间还设有第二成像镜组。

13.一种薄膜测量方法，其特征在于，根据入射至所述薄膜表面的照明视场的大小和成像光路的放大倍率，在成像光路后配置一视场光阑，用来遮挡入射至所述薄膜表面的入射角大于一临界入射角的照明光束经承载所述薄膜的一透明基底反射后的反射光，之后在探测面上采集入射角大于所述临界入射角的照明光束的成像的角谱信息，并根据所述角谱信息计算所述薄膜的参数，所述入射角为临界入射角时，所述视场光阑刚好遮挡经所述透明基底下表面反射后的反射光。

14.如权利要求13所述的薄膜测量方法，其特征在于，所述视场光阑的直径L1＝β*L，β为所述成像光路的放大倍率，L为所述照明视场的大小。

15.如权利要求13或14所述的薄膜测量方法，其特征在于，所述临界入射角θ＝arcsin{n*sin[arctan(L/2h)]}，其中，h为所述透明基底的厚度，n为所述透明基底的折射率，L为所述照明视场的大小。

16.如权利要求13所述的薄膜测量方法，其特征在于，根据所述角谱信息计算所述薄膜的反射率，将测得的反射率与通过菲尼尔公式或者RCWA算法建模仿真得到的反射率进行比较，得到满足条件所述建模仿真中的建模参数即为所述薄膜的参数。

17.如权利要求13所述的薄膜测量方法，其特征在于，根据所述角谱信息计算所述薄膜的反射率，在预先计算得到的数据库中找到最接近所述测得的反射率的样本所对应的参数即为所述薄膜的参数。

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