[发明专利]用于测量膜厚度的方法和设备

说明书

要求享有美国在先申请的优先权

本申请要求2010年2月25日提交的美国专利申请系列第12/712,854号的优先权。此文件的内容以及本文提到的出版物、专利和专利文件的所有内容都通过参考结合入本文中。

技术领域

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1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。

发明概述

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。

使用了本发明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。

本发明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，使用本发明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。在本发明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1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。