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 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】
其中， Rp(d， λ) 是与射入面平行的 P 波的总反射率， rp12 是 P 波在空气层 12 与薄 膜层 11 介面上的菲涅耳 (Fresnel) 反射率， rp23 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】
其中， Rs(d， λ) 是与射入面垂直的 S 波的总反射率， rs12 是 S 波在空气层 12 与薄 膜层 11 介面上的菲涅耳反射率， rs23 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】
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 【数学式 4】角。
其中， R1 是依照数学建模方法形成的反射度， Ii 是入射光 L 的强度 (intensity)， Ir 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 Ii。
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 Ii。
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 Ir。
在所述积分反射度设定步骤 S114 中， 将把特定波长输出强度 Ir 除以特定波长输 入强度 Ii 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】
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， Ii 是输入强度， * Ir 是输出强度， I0 是特定波长下的强度最大值， I0×Fλ 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。