用于测量膜厚度的方法和设备技术

用于测量薄膜厚度的方法和设备，包括：使用激光投射系统和检测器阵列得到薄膜的高速厚度测量，使用单点测量设备在一个或多个位置得到薄膜的厚度测量，并将它们与通过单点测量设备测得的该膜的一个或多个绝对厚度值进行比较，确定高速测量值的准确性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本文中的实施方式涉及玻璃或者其他基材上的薄膜的膜厚度的测量。本文所述方法和设备设计成能够高速测绘膜厚度，例如用于大量生产SiOG (玻璃上硅)的准确在线测量系统所需的对膜厚度进行高速测绘。背景现有数种用于测量薄膜厚度的方法，包括光谱椭圆测量法、光谱反射法、白光法、或者低相干干涉法以及热波测量法。每一种所述方法都存在限制。例如，所述光谱椭圆测量计是一种广泛使用并高度准确的用于膜厚度的测量方法；然而，其是一种单点测量方法且每个数据点通常需要数秒的测量时间，使得其对于在线系统中所需的高速绘制来说过于缓慢。光谱反射计也是一种用于薄膜厚度的广泛使用且准确的测量方法。类似于光谱椭圆测量计，其是一种单点测量，每个数据点的典型采集时间至少为I秒。该方法对于高速绘制也不够快。使用所述光谱反射计的商业系统包括购自海洋光学公司(OceanOptics)、膜测量公司(Filmetrics)以及N&K公司等的商业系统。美国专利第7，304, 744号揭示了一种使用光谱反射法的方法。所述白光法或者低相干干涉法技术利用了与光谱反射计相同的物理现象，但是通过白光干涉计而不是光谱仪的装置间接测量反射系数。该技术可以允许多点同时测量的图像模式，但是这是一种技术上困难并且昂贵的方法。美国专利第7，468，799号和第7，483，147号涉及使用白光法或者低相干干涉计技术测量薄膜的方法。所述热波技术也可用于测量样品的热特性并对例如膜厚度的特征厚度做出结论。然而，该技术也是一种单点测量并且需要使用两个激光器，一个激光器产生热波，另一个探测热波，因此它是缓慢且昂贵的技术，并且可能需要复杂的热透镜效应补偿。前述测量方法都不足以在大量SiOG生产中进行准确的在线厚度测量。因此，本领域需要用于膜厚度高速绘制的新方法和设备，例如用于大量生产SiOG (玻璃上硅)的准确在线测量所需的方法和设备。专利技术概述本文所述的方法运用了 i)薄膜的第一测量，其基本上是一种高速全宽或者高速部分宽度扫描测量，所述测量是依赖于厚度的但是并不直接产生一个厚度的具体值，以及ii)第二测量，其基本上是单点测量，所述测量通常比第一测量更准确并可用于校准第一高速测量。所述第一测量可以使用投射到样品上的单一光线例如激光器光线和光线检测器来测量光线的反射强度。在样品或者产品具有目标膜厚度的实施方式中，可以选择光波长和入射角度以优化在目标膜厚度附近窄范围内的膜厚度相关性。所述第一测量可以包括单一波长的反射系数测量。第二测量用于检验随时间变化的数个点的绝对膜厚度。所述第二测量可以应用已知测量技术，例如光谱反射法或者光谱椭圆测量法。使用所述第二测量，可以检验使用第一测量取得的所有数据点都落在给定的厚度范围内，例如在产品规格的范围内。使用了本专利技术方法的本文所述系统包括用于薄膜的第一厚度测量的设备以及用于膜的第二测量的设备。用于第一厚度测量的设备可以包含用于照明的光源，例如激光器和投射光学件，例如一个或多个透镜，以及用于检测的集光光学件和检测器阵列，例如线扫描相机。用于第二测量的设备可以是任意合适的单点测量系统，例如光谱反射计、或者光谱椭圆测量计等。计算机系统可以处理来自测量设备的数据。本专利技术方法实现的优点包括简单、低成本以及较高测速。在一些实施方式中，使用本专利技术方法的系统可以是仅由用于照明的激光器和透镜、用于检测的检测器阵列例如线扫描相机(用于进行高速精确测绘的第一厚度测量)以及简单商用光谱反射计(用于校准和准确度的第二单点测量(低速))组成的基本系统。这些组件较低廉，并且易于得到和使用。在本专利技术的方法中实现了高速，因为激光器和检测器阵列可以在许多点同时测量反射率，且在每秒内多次取得数据。使用典型的商用线扫描相机，可以实现MHz范围内的数据获得率。这表示，例如，可以测量典型SiOG部件的膜厚度，并在厚度图中在小于I秒内以亚毫米的横向分辨率绘制所述典型SiOG部件的膜厚度。测量时间可能仅受到样品通过测量系统的线速度的限制。相反地，常规单点法，例如光谱反射法，需要数分钟或者甚至数小时来实现相同水平的测量。反射系数测量的准确性仅为2. 5%，使用本专利技术所述的系统和方法测量的膜厚度的准确性可以为约lnm，这很好地符合这类系统的通常的要求。本专利技术所述方法特别适合用于较薄的膜，因为对于较厚的膜，反射系数的厚度依赖性下降。本领域技术人员在结合附图阅读本文所述之后，将清楚地了解本专利技术的其他方面、特征、优点等。附图简要说明为说明本文所述的各种特征的目的，在附图中示出优选形式，但是，应理解，本专利技术不限于所示的精确配置和手段。附图说明图1所不是根据本文所揭不的一个或多个实施方式，对于s偏振550nm激光在45度入射角(包含75和85nm之间的容差范围(TR))的示例性反射系数计算(Eagle (Corning )基材上的结晶 Si)。图2所示是根据本文所揭示的一个或多个实施方式，对于45度入射并使用s偏振的不同激光波长的示例性反射系数计算(Eagle基材上的结晶Si)。图3所示是根据本文所揭示的一个或多个实施方式的系统的流程图；以及图4所示是根据本文所揭示的一个或多个实施方式的系统的流程图。专利技术详述一般而言，提供了一种测量薄膜厚度的方法，该方法应用了两种测量薄膜的第一高速扫描测量以及膜的第二单点校准测量。所述第一测量可以使用投射到样品上的单一光线(例如激光器光线)和光线检测器来测量光线的反射强度。测得的样品的反射光强度是膜与基材材料的组分和厚度以及照明强度的函数。膜和基材的折射率与吸收系数的数据可以从文献中的表中得到，这对于本领域技术人员是熟知的。类似地，选定光波长对于膜和基材材料的折射率和吸收性可以从文献中查找得到。因此，至少在样品或者产品具有目标膜厚度的实施方式中，可以选择光波长、入射角度以及偏振态以优化在目标膜厚度附近窄范围内的膜厚度相关性。第一测量可以包括单一波长的反射系数测量。例如，参考图1，在s偏振550nm激光和45度入射下，使用TFCalc软件以及文献数据中的膜和基材的折射率和吸收系数，对Eagle (Corning )坫材上的结晶Si样品的第一测量进行反射系数计算。对应56、79、125、148、193以及217nm的圆圈，表示单独、同时非常快速的、约为数毫秒的反射系数测量，在所述数个不同的膜厚度是模糊的，会导致相同的反射系数。如所述，对于50%的反射系数，厚度可以是 56、79、125、148、193、217…nm。因为测得的样品的反射光强度不仅是膜和基材材料的组成以及厚度的函数，还是照明强度的函数，因此第一测量需要校准。·因此，如本文所述，通过得到第二单点厚度测量对第一测量进行校准，例如通过在选定激光波长、偏振以及入射角具有已知反射率的反射计。实质上，第二测量需要用白光对膜进行选定单点的照明，对反射光进行全谱分析，并使用各种拟合参数，例如折射率、吸收性以及膜和基材的厚度对测得的全谱反射系数数据拟合理论模型。校准测量或者参比测量还用于补偿光强度随时间和沿光线的改变，例如光强度沿着由光投射系统的透镜或者旋转扫描仪等产生的光线的不同位置的改变。这通过使用第二测量确定在某一位置的厚度，然后使用第一测量的设备计算预期反射率，并将其与第一测量实际测得的反射光强度进行比较来实现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于测量薄膜厚度的设备，该设备包含第一测量设备，运行该设备得到第一厚度测量值，所述第一厚度测量值基于扫描穿过薄膜表面的光线的照明强度；第二测量设备，该设备包含单点测量装置，运行该装置以得到该薄膜的一个或多个进一步的厚度测量值；以及计算机系统，运行该计算机系统使用所述该薄膜的一个或多个进一步的厚度测量值来校准所述第一厚度测量值。2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一测量设备包含光源和投射光学件、集光光学件以及检测器阵列，运行所述光源和投射光学件以在薄膜表面上产生光线，运行所述集光光学件以接收从薄膜表面反射的光，运行所述检测器阵列以测量薄膜反射光的强度。3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述光源还包含激光器。4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述投射光学件包含圆柱透镜、旋转扫描仪、偏振器、分光器和/或反射器中的一个或多个。5.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述检测器阵列包含线扫描相机。6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二测量设备选自光谱反射计、光谱椭圆测量计以及低相干干涉仪。7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二测量设备是光谱反射计。8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，运行所述计算机系统以处理来自检测器阵列的数据，并使用从单点测量设备得到的校准数据将所述来自检测器阵列的数据转化为厚度值。9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，使用来自先前校准的数据和/或来自单点测量设备的同步绝对厚度测量运行所述计算机系统来计算薄膜的厚度。10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，运行所述计算机系统以产生薄膜的一个或多个厚度图，并可任选地识别在特定厚度范围外的薄膜的任意区域。11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，运行所述设备以测量设置在基材上的薄膜的厚度。12.如权利要求1所述的设备，...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·莫尔，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：
国别省市：