反射度分布曲线的建模方法及应用该方法的厚度检测方法以及厚度检测反射仪

摘要

本发明涉及反射度分布曲线建模方法及应用该方法的厚度检测方法、厚度检测反射仪。所述建模方法针对规定厚度的薄膜层建模基于光线波长变化的薄膜层的反射度分布，包括：反射度分布曲线制作步骤，制作用于表示基于光线波长而变化的薄膜层反射度分布的反射度分布曲线；输入强度设定步骤，针对特定波长带通白色光后，在以所述特定波长为中心的规定波长带中制作用于表示光线强度分布的强度分布曲线，并在所述波长带中积分强度分布曲线后将其结果设定为特定波长的输入强度；输出强度设定步骤，在所述波长带中积分由反射度分布曲线和强度分布曲线结合而成的复合强度分布曲线，并将其结果设定为特定波长的输出强度；积分反射度设定步骤，将把特定波长输出强度除以特定波长输入强度的商作为针对特定波长的薄膜层的积分反射度；及积分反射度分布曲线生成步骤，边改变特定波长，边重复执行输入强度设定步骤、输出强度设定步骤及积分反射度设定步骤，以生成用于表示基于波长变化的积分反射度分布的积分反射度分布曲线。

说明书

技术领域

本发明涉及反射度分布曲线建模方法及应用该方法的厚度检测方法、厚度检 测反射仪，特别涉及通过在规定波长带中积分(integration)的方式，改善薄膜 层对经过带通的光线的反射度分布曲线建模方法的反射度分布曲线建模方法、 应用该方法的厚度检测方法及厚度检测反射仪。

背景技术

在LCD、半导体领域中广泛应用的透明薄膜层在其特性上其厚度分布度对 后续工序产生较大的影响。因此在整个产业中需要有一种能够监视薄膜层厚度 之系统。在薄膜层厚度检测中，被广泛应用的装置有非接触式检测装置干扰计 (Interferometer)和反射仪(Reflectometer)。

现有的反射仪将白光投射到薄膜层后，用分光计分光被薄膜层反射的光线， 以获得包含在白色光中的针对各个波长的光线的强度(intensity)。这种强度数据 将被应用到薄膜层反射度的计算上，并最终完成用于表示针对波长的反射度变 化的反射度分布曲线。

为了确定薄膜层的厚度，当前被广泛应用的是将通过如上方法检测到的反射 度分布曲线和通过数学式建模的反射度分布曲线相比较的方法。该方法首先假 设有具有不同厚度的多个薄膜层，并针对各薄膜层，利用数学式生成反射度分 布曲线。之后在多个反射度分布曲线模型中选择一个同检测到的反射度分布曲 线最为相近的反射度分布曲线模型，并将该反射度分布曲线模型所对应的厚度 作为薄膜层的厚度。

然而，在光线为经过带通(band pass)后以规定的波长带射入的情况下，实测 反射度分布曲线和基于现有的建模方法生成的反射度分布曲线具有相当大的误 差，因此互不一致。因此无法通过现有的建模方法确定薄膜层的厚度。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种反射度分布曲线建模 方法、应用该方法的厚度检测方法以及厚度检测反射仪。在光线为经过带通 (band pass)后以规定的波长带射入的情况下，通过在波长带中积分的方式建模被 薄膜层反射的光线的反射度分布曲线，从而以数学方式建模同实测反射度分布 曲线基本上接近的反射度分布曲线。

为达到上述目的，本发明的反射度分布曲线建模方法针对规定厚度的薄膜层 建模基于光线波长变化的薄膜层的反射度分布，包括：反射度分布曲线制作步 骤，制作用于表示基于光线波长变化的所述薄膜层反射度分布的反射度分布曲 线；输入强度设定步骤，针对特定波长带通白色光后，在以所述特定波长为中 心的规定波长带中制作用于表示光线强度分布的强度分布曲线，并在所述波长 带中积分所述强度分布曲线后将其结果设定为所述特定波长的输入强度；输出 强度设定步骤，在所述波长带中积分由所述反射度分布曲线和所述强度分布曲 线结合而成的复合强度分布曲线，并将其结果设定为所述特定波长的输出强度； 积分反射度设定步骤，将把所述特定波长输出强度除以所述特定波长输入强度 的商作为针对所述特定波长的所述薄膜层的积分反射度；及积分反射度分布曲 线生成步骤，边改变所述特定波长，边重复执行所述输入强度设定步骤、所述 输出强度设定步骤及所述积分反射度设定步骤，以生成用于表示基于波长变化 的所述积分反射度分布的积分反射度分布曲线。

而且为了达到上述目的，本发明的厚度检测方法应用白色光反射仪检测沉积 在衬底层上的薄膜层，包括：建模步骤，假设有具有不同厚度的多个薄膜层试 样，并应用上述反射度分布曲线建模方法制备对应每个薄膜层试样的积分反射 度分布曲线；获得步骤，向所述薄膜层照射白色光，获得基于光线波长变化的 所述薄膜层的实测反射度分布曲线；比较步骤，分别比较多个积分反射度分布 曲线和所述实测反射度分布曲线是否基本一致；确定步骤，选择与所述实测反 射度分布曲线基本一致的积分反射度分布曲线，并将与所选积分反射度分布曲 线对应的厚度确定为所述薄膜层厚度。

而且为了达到上述目的，本发明的厚度检测反射仪包括：光源，用于射出白 色光；线性可变滤波器，针对特定波长带通所射入的白色光，使得以所述特定 波长为中心的规定波长带的光线通过，所述线性可变滤波器在其长度方向上变 更可通过的特定波长；滤波器移送单元，在所述线性可变滤波器的所述长度方 向上往复移送所述线性可变滤波器；光学系，向薄膜层照射通过所述线性可变 滤波器的光线，并接收被所述薄膜层或衬底层反射的光线，所述衬底层用于支 承所述薄膜层；及摄像单元，接收被所述薄膜层或衬底层反射后射入及通过所 述光学系的反射光，并将此反射光成像为图像。

本发明的反射度分布曲线建模方法及厚度检测方法，可通过在波长带中积分 经过带通的光线的方式，建模被薄膜层反射的光线的反射度分布曲线，从而通 过数学方式建模同实测反射度分布曲线基本上接近的反射度分布曲线。

而且，本发明的厚度检测反射仪能够仅让以所要检测的特定波长为中心的 波长带的光线通过，而不包含具有周边波长的光线等杂讯，因此能够更加精密 地检测薄膜层厚度。

而且，本发明的厚度检测反射仪不仅能够检测薄膜层厚度，还能够同时求出 用于表示薄膜层相对厚度差的表面形貌，因此能够算出及视觉化薄膜层综合信 息。

附图说明

图1是本发明的厚度检测反射仪一实施例的示意图。

图2是通过图1中的厚度检测反射仪的线性可变滤波器带通的光线的强度分 布曲线图。

图3是本发明的厚度检测方法一实施例的示意图。

图4是射入薄膜层的光线的反射路径示意图。

图5是本发明的反射度分布曲线建模方法一实施例的示意图。

图6是用于对比实测反射度分布曲线、积分反射度分布曲线及依照现有建模 方法制作的反射度分布曲线的图。

图7是用于说明经检测薄膜层的表面形貌示例的图。

符号说明

具体实施方式

下面参照附图，详细说明本发明反射度分布曲线的建模方法及应用该方法的 厚度检测方法以及厚度检测反射仪的实施例。

图1是本发明的厚度检测反射仪一实施例的示意图；图2是通过图1中的厚 度检测反射仪的线性可变滤波器带通的光线的强度分布曲线图；图7是用于说 明经检测薄膜层的表面形状示例的图面。

请参照图1、图2及图7，本实施例的厚度检测反射仪100包括光源110、 线性可变滤波器120、滤波器移送单元130、聚光镜160、光学系140及摄像单 元150。

光源110用于照射白色光，在本实施例中使用卤素灯。光源110输出波长为 380nm～800nm的可见光L。光源110除了卤素灯外还可以使用各种不同的光源。

所述线性可变滤波器120由高通滤波器(high-pass filter)和低通滤波器 (low-pass filter)组合而成。当白色光射入后只通过以特定波长31为中心的规定波 长带32的光线。如果把线性可变滤波器120在长度方向上移动，从而改变光线 L在线性可变滤波器120上的照射区域，则亦能够改变可通过的特定波长31。 例如如图2所示，当光线照射到线性可变滤波器120的最左侧区域，只有以500nm 的特定波长31为中心的规定波长带32的光线才能通过线性可变滤波器，并呈 现如图所示的强度分布曲线30。如果将光线L所照射的区域依次向右移动，就 会使以波长分别为550nm、600nm、650nm、700nm的特定波长31为中心的规 定波长带32的光线通过。

所述滤波器移送单元130用于使线性可变滤波器120在长度方向上往复移 动，从而改变光线在线性可变滤波器120的照射区域。滤波器移送单元130可 由包括旋转电机、滚珠螺杆、直线运动导引机构的组合件或直线电机组件等构 成。其结构对本领域的技术人员来说是公知的，因此不再赘述。

所述聚光镜160配置在光源110和线性可变滤波器120之间，用于汇聚从光 源110射入的光线L后向线性可变滤波器120射出。由于设置有聚光镜160，通 过线性可变滤波器120的光线直径将会变小。

在本实施例的厚度检测反射仪100中，通过在光源110和光学系140之间设 置线性可变滤波器120来带通光线L。如果在光学系140和摄像单元150之间设 置线性可变滤波器120，并使被薄膜层11反射的光线L带通，由于经过线性可 变滤波器120的光线L的直径较大，所检信号中不仅包括真正需要的以特定波 长31为中心的波长带32，还会包括周边波长的杂讯。本发明中，由于光线L 在直径较小的阶段中通过线性可变滤波器120，就可在无杂讯的情况下仅让以所 需特定波长31为中心的波长带32的光线通过。

所述光学系140用于把通过线性可变滤波器120的光线L照射到沉积在衬 底层10上的薄膜层11处，而被薄膜层11或衬底层10反射的光线就会重新射 入光学系140。光学系140可由用于反射入射光的反射镜、用于分割入射光后以 不同路径传送的分光镜、向薄膜层或摄像单元方向汇聚入射光的聚光镜等各种 反射镜、透镜和光学器件等结构组装而成，而这种各种反射镜、透镜和光学器 件的组合对于本领域技术人员来说是公知技术，因此不再赘述。

被薄膜层11或衬底层10反射后射入光学系140，并经过光学系140的光线 L将投射到摄像单元150中，而摄像单元150将以图像形式成像光线强度 (intensity)等信息。本实施例的摄像单元150可使用CCD(charge coupled device) 摄像机，所述CCD摄像机具有适于所检区域的像素数。特别是，本实施例使用 能够通过单个触发信号摄影薄膜层11上规定面积的面阵摄像机。

通过使用面阵摄像机，能够同时获得规定面积上的厚度信息，并以三维图表 形式显示该厚度信息，从而获得该面积内的表面形貌信息，如图7所示。通过 薄膜层11厚度之间的相对差，能够以视觉化方式表示薄膜层11的表面具有多 大的高度差，而在本发明中，将薄膜层11厚度之间的相对差定义为表面形貌。

下面结合图3到图6，详细说明应用上述厚度检测反射仪100执行本发明厚 度检测方法的实施例。

图3是本发明的厚度检测方法的一实施例的示意图；图4是射入薄膜层的光 线的反射路径示意图；图5是本发明的反射度分布曲线建模方法的一实施例的 示意图；图6是用于比较实测反射度分布曲线、积分反射度分布曲线及依照现 有建模方法而制作的反射度分布曲线的图。

参照图3到图6，本实施例的厚度检测方法包括建模步骤S110、获得步骤 S120、比较步骤S130及确定步骤S140。

在所述建模步骤S110中，假设有具有不同厚度的多个薄膜层试样，并利用 本发明的反射度分布曲线建模方法，制作对应每个薄膜层试样的积分反射度分 布曲线20。

在此，薄膜层试样并不是实际存在的薄膜层，而是用于通过数学式建模的具 有不同厚度的假想的薄膜层。在针对薄膜层试样建模积分反射度分布曲线20时， 所述薄膜层试样假设成与实际要检测厚度的薄膜层11相同的物质，并利用需要 检测厚度的薄膜层11的物性值如反射率(reflection coefficient)、复折射率 (complex refractive index)等建模。

关于和积分反射度分布曲线20模型对应的厚度上限及下限，则根据实际工 艺中所处理的薄膜层11的厚度上限及下限信息而预先确定，并按规定间隔划分 上限与下限之间厚度后，针对每一厚度建模积分反射度分布曲线20。

为了制作对应每个薄膜层试样的积分反射度分布曲线20，本发明的反射度 分布曲线建模方法的一实施例包括：反射度分布曲线制作步骤S111、输入强度 设定步骤S112、输出强度设定步骤S113、积分反射度设定步骤S114及积分反 射度分布曲线生成步骤S115。

在所述反射度分布曲线制作步骤S111中制作用于表示薄膜层11的反射度 (reflectance)随光线波长的变化而变化的反射度分布曲线40。反射度分布曲线 40通过以下数学式并藉由数学建模方法制作。

【数学式1】

$R^p(d,\lambda )=\frac{r_{12}^p\left(\lambda \right)+r_{23}^p\left(\lambda \right)\exp (-j2\beta (d,\lambda ))}{1+r_{12}^p\left(\lambda \right)+r_{23}^p\left(\lambda \right)\exp (-j2\beta (d,\lambda ))}$

其中，R^p(d，λ)是与射入面平行的P波的总反射率，r^p₁₂是P波在空气层12 与薄膜层11介面上的菲涅耳(Fresnel)反射率，r^p₂₃是P波在薄膜层11与衬底层 10介面上的菲涅耳反射率，β是光线L在通过薄膜层11时产生的相位变化量。

【数学式2】

$R^s(d,\lambda )=\frac{r_{12}^s\left(\lambda \right)+r_{23}^s\left(\lambda \right)\exp (-j2\beta (d,\lambda ))}{1+r_{12}^s\left(\lambda \right)+r_{23}^s\left(\lambda \right)\exp (-j2\beta (d,\lambda ))}$

其中，R^s(d，λ)是与射入面垂直的S波的总反射率，r^s₁₂是S波在空气层12 与薄膜层11介面上的菲涅耳反射率，r^s₂₃是S波在薄膜层11与衬底层10介面上 的菲涅耳反射率。

【数学式3】

$\beta (d,\lambda )=2\pi \left(\frac{d}{\lambda }\right){\tilde{N}}_2\left(\lambda \right)\cos \left({\phi }_2\right)$

其中，d是薄膜层11的厚度，是薄膜层11的复折射率，φ₂是薄膜层11 中的折射角。

【数学式4】

$R1=(d,\lambda )=\frac{I_r\left(\lambda \right)}{I_i\left(\lambda \right)}={\left|R(d,\lambda )\right|}^2$

其中，R1是依照数学建模方法形成的反射度，I_i是入射光L的强度(intensity)， I_r是反射光L的强度。

如果把数学式1到数学式3代入数学式4中，就可以针对一定厚度的薄膜层 11算出反射度，如果改变波长并用图表形式表示反射度分布，就能够生成如图 5所示的反射度分布曲线40。

在所述输入强度设定步骤S112中，在规定的波长带32内积分强度分布曲 线30，并将积分值设定为输入强度I_i。

如果针对特定波长31带通(band pass)白色光，就会如图5所示，以特定波 长为中心的规定波长带中形成表示光线强度(intensity)分布的强度分布曲线30。 本实施例中，通过线性可变滤波器120带通白色光而形成带通光的强度分布曲 线30。图5例示出一个以600nm为中心的带通光的强度分布曲线30。

针对特定波长31制作强度分布曲线30后，在波长带32中积分所述强度分 布曲线30后设定为特定波长31的输入强度I_i。

在所述输出强度设定步骤S113中，首先把反射度分布曲线40和针对特定 波长的强度分布曲线30结合而形成复合强度分布曲线50。复合强度分布曲线 50是针对特定波长的，图5例示出针对600nm的复合强度分布曲线50。制作针 对特定波长31的复合强度分布曲线50后，在波长带32中积分所述复合强度分 布曲线50并将其结果设定为特定波长输出强度I_r。

在所述积分反射度设定步骤S114中，将把特定波长输出强度I_r除以特定波 长输入强度I_i的商作为薄膜层针对特定波长的积分反射度R2。图5所示图表中 例示出针对波长600nm的薄膜层的积分反射度(R2，21)。

上述输入强度设定步骤S112、输出强度设定步骤S113及积分反射度设定步 骤S114可通过以下数学式5求出。

【数学式5】

$R2(d,{\lambda }^{*})=\frac{I_r\left({\lambda }^{*}\right)}{I_i\left({\lambda }^{*}\right)}=\frac{\int (I_0\times F_{{\lambda }^{*}}\left(\lambda \right)\times R1(d,\lambda ))\mathrm{d\lambda }}{\int (I_0\times F_{{\lambda }^{*}}\left(\lambda \right))\mathrm{d\lambda }}$

其中，R2是依照数学建模方法获得的积分反射度，λ^*是特定波长，I_i是输 入强度，I_r是输出强度，I₀是特定波长下的强度最大值，I₀×F_λ^*是特定波长的强 度分布曲线，R1是反射度分布曲线。

在所述积分反射度分布曲线生成步骤S115中，改变特定波长31，并反复执 行输入强度设定步骤S112、输出强度设定步骤S113及积分反射度设定步骤 S114，从而生成用于表示基于波长变化的积分反射度分布的积分反射度分布曲 线20。针对501nm、502nm、503nm、…、600nm、…等多个特定波长求出 积分反射度R2，并以图表形式表示针对波长的积分反射度R2的变化，就可以 生成如图5所示的积分反射度分布曲线20。

针对一个厚度的薄膜层试样求出积分反射度分布曲线20后，边改变厚度边 执行上述步骤分别制作针对不同厚度的积分反射度分布曲线20。如此针对不同 厚度制得积分反射度分布曲线20，即完成建模步骤S110。

重新针对本实施例的厚度检测方法说明如下：在所述获得步骤S120中，向 薄膜层11照射白色光，并获得基于光线L的波长变化的薄膜层11的实测反射 度分布曲线60。所述获得步骤S120包括第一强度设定步骤S121、第二强度设 定步骤S122、实测反射度设定步骤S123及实测反射度分布曲线生成步骤S124。

在所述第一强度设定步骤S121中，带通(band pass)白色光，使之在以特定 波长31为中心的规定波长带32中具有强度分布，之后向顶面未沉积有薄膜层 的衬底层10照射经过带通的光线L。然后，在波长带32中积分被衬底层10反 射的光线的强度分布曲线，并将其结果作为第一强度。

在所述第二强度设定步骤S122中，带通(band pass)白色光，使之在以特定 波长31为中心的规定波长带32中具有强度分布，之后向薄膜层11照射经过带 通的光线L。然后，在波长带32中积分被薄膜层11及衬底层10反射的光线的 强度分布曲线，并将其结果作为第二强度。

在所述实测反射度设定步骤S123中，将把第二强度除以第一强度的商作为 薄膜层针对特定波长的实测反射度。即把被薄膜层11反射的光线强度与被未沉 积有薄膜层的衬底层10反射的光线强度之比设定为薄膜层的实测反射度。

在所述实测反射度分布曲线生成步骤S124中，边改变特定波长31，边重复 执行第一强度设定步骤S121、第二强度设定步骤S122及实测反射度设定步骤 S123，从而生成用于表示基于波长变化的实测反射度分布的实测反射度分布曲 线60。针对501nm、502nm、503nm、…、600nm、…等多个特定波长求出实 测反射度，并用图表形式表示针对波长的实测反射度变化，就能够生成如图3 所示的实测反射度分布曲线60。

在所述比较步骤S130中，分别对比通过数学建模方法制作的多个积分反射 度分布曲线20和实测反射度分布曲线60是否基本一致。在确认是否基本一致 的过程中，求出基于最小二乘法的误差函数，并当具有最小误差时，将积分反 射度分布曲线20和实测反射度分布曲线60判定为基本一致。而这种方法对于 本领域的技术人员来说是公知的，因此不再赘述。

在所述确定步骤S140中，选择同实测反射度分布曲线60基本一致的积分 反射度分布曲线20，并将与所述积分反射度分布曲线20对应的厚度最终确定为 薄膜层11的厚度。

图6是用于比较实测反射度分布曲线60、基于本发明建模方法的积分反射 度分布曲线20及基于现有建模方法的反射度分布曲线1的图表。如图所示，和 基于现有建模方法制作的反射度分布曲线1相比，基于本发明建模方法制作的 积分反射度分布曲线20更加符合通过厚度检测反射仪100实际测出的实测反射 度分布曲线60。

本发明的反射度分布曲线建模方法和厚度检测方法，针对经过带通而以规定 波长带射入的光线，通过在该波长带中积分的方法建模薄膜层对光线的反射度 分布曲线，从而用数学方式建模同实测反射度分布曲线实质上接近的反射度分 布曲线。

此外，本发明的厚度检测反射仪通过在光源和光学系之间配置线性可变滤波 器来带通光线，从而仅让以所要检测的特定波长为中心的波长带的光线通过， 而不包含具有周边波长的光线等杂讯，因此能够获得更加精密地检测薄膜层厚 度的效果。

而且，本发明的厚度检测反射仪不仅能够测出薄膜层厚度，同时还能够求出 用于表示薄膜层相对厚度差的表面形貌，因此能偶获得可算出及视觉化薄膜层 综合信息的效果。

本发明并不限于上述实施例，在所附的申请专利范围内可以有各种不同的实 施方式。所属技术领域的技术人员应该可以理解，在不脱离本发明精神的范围 内所进行的各种变更及修饰均属于本发明的保护范围内。

产业上的可应用性

一种反射度分布曲线的建模方法、应用该方法的厚度检测方法以及厚度检测 反射仪，在光线为经过带通(band pass)后以规定的波长带射入的情况下，通过 在波长带中积分的方式建模被薄膜层反射的光线的反射度分布曲线，从而以数 学方式建模同实测反射度分布曲线基本上接近的反射度分布曲线。