专利名称：厚度测定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种厚度测定装置。更详细地，本发明涉及一种具备干涉光检测器、分 光检测器及有选择地向干涉光检测器和分光检测器中的任一侧传送光的光路径变换部，据 此可准确测定用不同材料制作或者具有不同厚度之薄膜厚度的厚度测定装置。
背景技术：
半导体制程及FPD制程中决定产品质量的诸多因素中，对薄膜层厚度的控制所占 比重较大，因此，可以说在制程中必须对其进行直接监控。所述“薄膜层”是指在基底层，即 在基板表面上形成的极小厚度的层，一般指厚度在几十A 几ym的层。要把这些薄膜层 用在特定场合上，有必要了解薄膜层的厚度、组成、粗糙度及其它物理光学特性。特别在最 近，为了提高半导体元件的集成度，在基板上形成多层超薄膜层已成为趋势。为了开发这样 的高集成度半导体元件，需要准确地控制对特性的影响较大的、包括薄膜层厚度在内的薄 膜物性。半导体制程及其它应用制程中所使用的薄膜层厚度的测定方法有几种，但最为普 遍的是利用干涉计的方法和利用分光光度计的方法。但就利用干涉计的方法而言，如果被测对象是不透明材质，大部分可进行测定，但 如果被测对象是透明材质，可进行测定的情况会受到限制。即，沉积在基底层上的透明薄 膜层具有足够的厚度时，能够区分通过被空气层-薄膜层的界面反射的光生成的干涉信号 和，通过被薄膜层-基底层的界面反射的光生成的干涉信号，因此可进行测定。但是，沉积 在基底层上的透明薄膜层没有足够的厚度时，例如具有1微米以下厚度时，两个干涉信号 相重迭，不能测定薄膜层的厚度。而且，利用分光光度计的方法，存在着只能测定被测对象中特定点上的厚度，而无 法获得被测对象表面全域的二维或者三维形貌的问题。
发明内容
本发明是为了解决如上问题而提出的，本发明的目的在于提供一种厚度测定装 置，该装置具备干涉光检测器、分光检测器、有选择地向干涉光检测器和分光检测器中的任 一侧传送光的光路径变换部，据此能够准确测定具有微米以下单位厚度的薄膜层的厚度， 也能够测定所要测定的薄膜层部位的厚度形象(thickness profile)。为达到所述目的，本发明的厚度测定装置包括第一分光器，其用于反射或透射从 光源照射的光或者被测对象反射的光；第一透镜部，其用于向所述被测对象会聚光，并生成 与由所述被测对象反射的光存在光路径差的基准光；第二透镜部，其用于向所述被测对象 会聚光；干涉光检测器，其与所述第一透镜部相对应形成光路径，并检测出在所述被测对象 反射的光和所述基准光之间产生的干涉信号；分光检测器，其与所述第二透镜部相对应形 成与通过所述干涉光检测器形成的光路径不同的光路径，而且分割由所述被测对象反射的 光，并检测出被分割的光的强度和波长；及光路径变换部，其用于有选择地向所述干涉光检测器和所述分光检测器中的其中一个传送光。并且所述第一透镜部和所述第二透镜部在光路径上交换位置。本发明的厚度测定装置，其中所述光路径变换部最好包括用于向所述干涉光检 测器及所述分光检测器中的其中一个反射光的反射镜；及用于移动所述反射镜，使所述反 射镜位于光路径或者使之脱离光路径的反射镜驱动部。本发明的厚度测定装置，最好进一步包括用于有选择地将所述第一透镜部或所 述第二透镜部位于光路径的透镜驱动部；及用于连动并控制所述反射镜驱动部和所述透镜 驱动部的控制部。而且，为了达到所述目的，本发明的厚度测定装置包括第一分光器，其用于反射 或透射从光源照射的光或者由被测对象反射的光；第一透镜部，其用于向所述被测对象会 聚光，并生成基准光，所述基准光与被所述被测对象反射的光之间存在光路径差；第二透镜 部，其用于向所述被测对象会聚光；干涉光检测器，其与所述第一透镜部相对应形成光路 径，并检测被所述被测对象反射的光和所述基准光之间产生的干涉信号；分光检测器，其与 所述第二透镜部相对应形成与所述干涉光检测器所形成的光路径不同的光路径，并分割被 所述被测对象反射的光，以检测被分割的光的强度和波长；及第三分光器，其用于向所述干 涉光检测器和所述分光检测器分配并传送光。并且所述第一透镜部和所述第二透镜部可在 光路径上交换位置。本发明的厚度测定装置可进一步包括有选择地将所述第一透镜部和所述第二透 镜部中的其中一个位于光路径上的透镜驱动部。本发明的厚度测定装置可进一步包括配置在所述光路径变换部和所述分光检测 器之间的光路径上的针孔(pinhole)及聚光镜中的至少一个。本发明的厚度测定装置，其中所述第一透镜部可包括用于向所述被测对象会聚 光的第一聚光镜；用于反射或透射从所述第一聚光镜入射的光的第二分光器；用于将从所 述第二分光器入射的光重新反射到所述第二分光器的基准反射镜。本发明提供了一种厚度测定装置，当需要检测具有微米以下单位厚度的透明薄膜 层厚度时可利用分光检测器；而同时需要检测所要测定薄膜层部位的厚度形象(thickness profile)时，可利用干涉光检测器。因此，可增加单一装置的效用性，并节省附加装置购买 费。而且，本发明提供了一种厚度测定装置。该装置进一步包括有选择地将第一透镜 部或第二透镜部位于光路径上的透镜驱动部，从而使第一透镜部和第二透镜部可自动进行 位置交换。而且，本发明提供了一种厚度测定装置。该装置进一步包括用于连动并控制反射 镜驱动部和透镜驱动部的控制部。因此，即使不施加驱动透镜驱动部的其它信号，也可以通 过反射镜驱动部的驱动信号驱动透镜驱动部。
图1是表示本发明厚度测定装置的一实施例中，光线射入干涉光检测器的状态的 示意图。图2是表示图1的厚度测定装置中，光线射入分光检测器的状态的示意图。
图3是本发明的厚度测定装置另一实施例的示意图。
具体实施例方式下面，参照附图详细说明本发明厚度测定装置的较佳实施例。
图1表示本发明厚度测定装置的一实施例中，光线射入干涉光检测器的状态。图 2表示图1的厚度测定装置中，光线射入分光检测器的状态。如图1、图2所示，所述厚度测定装置100是同时具备分光检测器和干涉光检测器 的装置，其包括第一分光器110、第一透镜部120、第二透镜部130、干涉光检测器170、分光 检测器180、光路径变换部160、透镜驱动部150和控制部140。所述厚度测定装置100具备白色光源，所述白色光源101可使用卤素灯等多种 光源灯。为了不改变从白色光源101入射的光的光谱而只降低其亮度，配置灰色滤光器 102 (ND filter, Neutral Density filter)。所述厚度测定装置100具备用于会聚透射灰 色滤光器102的光的聚光镜103。透射聚光镜103的光则经过能够使所述光线变成平行光 线的平行光管104(collimator)。所述第一分光器110反射或者透射通过平行光管104的光51。被第一分光器110 反射的光53射入第一透镜部120或者第二透镜部130。本实施例中所使用的第一分光器 110的反射率和透射率之比为50 50。所述第一透镜部120用于向被测对象10会聚光，并生成与由所述被测对象10反 射的光存在光路径差的基准光。其包括第一透镜部121、第二分光器122和基准反射镜123。所述第一聚光镜121，其用于向被测对象10会聚光。从第一分光器110入射的光 通过第一聚光镜121，射向将在后面叙述的第二分光器122。所述第二分光器122用于反射或者透射通过第一聚光镜121的光。被第二分光器 122反射的光57照射到基准反射镜123。透过第二分光器122的光55会聚到被测对象10， 并再次由所述被测对象10反射。本实施例中使用的第二分光器122的反射率和透射率之 比为50 50。所述基准反射镜123用于生成与由所述被测对象10反射的光存在光路径差的基 准光，其配置在第一聚光镜121和第二分光器122之间。基准反射镜123将从第二分光器 122入射的光57重新反射到第二分光器122。所述第二透镜部130用于向所述被测对象10会聚光，包括第二聚光镜131。所述 第二聚光镜131用于向被测对象10传送从第一分光器110入射的光63。所述干涉光检测器170与所述第一透镜部120相对应形成光路径A，并检测出通过 由所述被测对象10反射的光和基准光发生的干涉信号。通过第一透镜部120的干涉光59 经过第一分光器110后射入干涉光检测器170。作为干涉光检测器170 —般使用具有适合 于所要测定领域的像素数的CCD (charge coupled device)摄像机。在干涉光检测器170 的前方配置用于会聚从第一分光器110入射的干涉光59的聚光镜171。所述分光检测器180与所述第二透镜部130相对应形成与干涉光检测器170所形 成的光路径A不同的光路径B，并分割由所述被测对象10反射的光，以检测被分割光的强度 和波长。如图2所示，通过第二透镜部130的反射光69经过第一分光器110被反射镜161 反射而改变其路径后射入分光检测器180。本实施例中，作为分光检测器180使用多色仪(Polychromator)，所述多色仪使用了光的分散装置即衍射光栅(Diffraction Grating)和 发光二极管阵列(Photo DiodeArray)。若使用这种多色仪，不仅能够迅速得到从紫外线到 可视光领域(200 1000mm)的全波长的数据，而且还能够同时测定并定量在各个波长中显 示不同状态的多种成分。为了更容易地会聚向分光检测器180引导的光，在将在后面叙述 的光路径变换部160和分光检测器180之间的光路径上配置针孔181和聚光镜182。所述光路径变换部160用于向干涉光检测器170及分光检测器180中的其中一个 有选择地传送光，其包括反射镜161和反射镜驱动部162。所述反射镜161用于将入射光的 光路径大约折90度后反射，具有99%以上的反射率。所述反射镜驱动部162用于移动反射 镜161，使反射镜161位于光路径或者使之脱离光路径，本实施例中使用的是空压气缸。所述透镜驱动部150用于将第一透镜部120和第二透镜部130在光路径上进行位置交换，其包括驱动电机151、主动齿轮152和从动齿轮153。所述主动齿轮152同轴结合 在产生旋转驱动力的驱动电机151。所述从动齿轮153结合在装有第一透镜部120和第二 透镜部130的支撑部件154，并与主动齿轮152相啮合。驱动电机151的旋转驱动力通过主 动齿轮152传递到从动齿轮153。所述控制部140用于连动并控制反射镜驱动部162和透镜驱动部150。如图1所 示，当气缸的连杆后退，使反射镜161脱离光路径时，设置在反射镜驱动部162的传感器的 信号输入控制部140，控制部140向透镜驱动部150施加信号使第一透镜部120位于光路 径。相反地，如图2所示，当气缸的连杆前进，使反射镜161位于光路径上时，设置在反射镜 驱动部162的传感器的信号输入控制部140，控制部140向透镜驱动部150施加信号使第二 透镜部130位于光路径。而且，所述厚度测定装置100包括用于将测定点在与所述被测对象10交叉的方 向即在光轴方向上移动微小间距，并获得干涉信号的驱动部190。第一透镜部120及第二透 镜部130安装在驱动部190，而通过驱动部190的操作，第一透镜部120或第二透镜部130 可在光轴方向上移动。在此，将射入被测对象10的垂直的光轴方向定义为图1中的ζ轴。 这样，沿着ζ轴方向将第一透镜部120或者第二透镜部130在测定点上下以数十nm间距移 动，并寻找通过干涉光检测器170或者分光检测器180检测出强干涉信号的位置。下面，参照附图1及附图2简略说明具有前述结构的本发明厚度测定装置100的 工作原理。首先，若利用干涉计原理测定薄膜层12的厚度，如图1所示，将气缸的连杆后退从 而使反射镜161脱离光路径，并使第一透镜部120位于光路径上。从光源101射出并通过平行光管104的光51被第一分光器110分割成反射光53 和透射光，反射光53射入第一透镜部120。反射光53通过第一聚光镜121，另外从第一聚 光镜121射入第二分光器122的光重新被第二分光器122分割成反射光57和透射光55。 透射光55作为测定光射向被测对象10，反射光57作为基准光射向基准反射镜123。由基 准反射镜123反射的基准光57再次被第二分光器122反射并射向第一分光器110。在薄膜 层12和基底层11之间的界面上反射的测定光55通过第二分光器122后射向第一分光器 110。基准光57和测定光55会聚在一起形成干涉光59，而干涉光59通过聚光镜171后射 入干涉光检测器170。另外，若利用分光光度计原理测定薄膜层12的厚度，如图2所示，将气缸的连杆前进使反射镜161位于光路径上，并使第二透镜部130位于光路径。 从光源101射出并通过平行光管104的光61被第一分光器110分割成反射光63和透射光，而且反射光63射入第二透镜部130。反射光63通过第二聚光镜131后照射被测 对象10。此时，照射被测对象10的光65分别在空气层30和薄膜层12之间的界面及薄膜 层12与基底层11之间的界面上反射并射向第一分光器110。在空气层30与薄膜层12之 间的界面上反射的光和薄膜层12与基底层11之间的界面上反射的光会聚在一起形成干涉 光69，而干涉光69被反射镜161反射后通过针孔181、聚光镜182并射入分光检测器180。
如上结构的本实施例厚度测定装置，由于在一个装置上同时具备干涉光检测器和 分光检测器，因此需要测定具有微米以下单位厚度的透明薄膜层厚度时可使用分光检测 器，需要测定所要测定薄膜层部位的厚度形象(thickness profile)时可使用干涉光检测 器，从而提高了单一装置的效率，节省了附加装置购买费。而且，本实施例的厚度测定装置进一步包括选择性地使第一透镜部和第二透镜部 中的其中一个位于光路径上的透镜驱动部，因此可自动进行第一透镜部和第二透镜部的位 置交换。而且，本实施例的厚度测定装置进一步包括用于连动并控制反射镜驱动部和透镜 驱动部的控制部。因此即使不另行施加驱动透镜驱动部的信号，而仅借助反射镜驱动部的 驱动信号也能够驱动透镜驱动部。另外，图3是表示基于本发明另一实施例的厚度测定装置的示意图。在图3中，与 图1及图2所示部件使用相同附图标记的部件具有相同的结构及功能，因此省略对图3中 每一个部件的详细说明。如图3所示，本实施例的厚度测定装置200包括第三分光器210以取代图1中的 光路径变换部160。所述第三分光器210用于将入射光分配到干涉光检测器170和分光检测器180。 在图1所示的实施例中，由被测对象10反射的光通过第一分光器110之后，根据反射镜161 的位置，或射入干涉光检测器170，或射入分光检测器180。但在本实施例中，由被测对象10 反射的光通过第一分光器110之后被第三分光器210分配，之后同时射入干涉光检测器170 及分光检测器180。在此状态下，可交换第一透镜部120及第二透镜部130的位置，并在干涉计和分光 光度计两种功能中选择所需要的功能测定薄膜层12的厚度。本实施例中的控制部140有 别于图1所示实施例中的功能，用来控制透镜驱动部150。从控制部140输出的信号输入透 镜驱动部150，以使第一透镜部120或者第二透镜部130位于光路径。如上所述，本实施例所涉及的厚度测定装置不必具有有选择地向干涉光检测器或 分光检测器传送光的光路径变换部，因此，可以简化其结构。在图1所示的实施例中，示出了用于交换第一透镜部和第二透镜部位置的透镜驱 动部，但是操作者可以不设置透镜驱动部，而是通过手动操作可以交换第一透镜部和第二 透镜部的位置。本发明并不限于上述实施例，所附的权利要求书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。
权利要求
一种厚度测定装置，其特征在于，包括第一分光器，其用于反射或透射从光源照射的光或者由被测对象反射的光；第一透镜部，其用于向所述被测对象会聚光，并生成与所述由被测对象反射的光存在光路径差的基准光；第二透镜部，其用于向所述被测对象会聚光；干涉光检测器，其与所述第一透镜部相对应形成光路径，并检测由所述被测对象反射的光和所述基准光之间产生的干涉信号；分光检测器，其与所述第二透镜部相对应形成与由所述干涉光检测器形成的光路径不同的光路径，而且分光由所述被测对象反射的光，并检测被分光的光的强度和波长；及光路径变换部，有选择地向所述干涉光检测器或者所述分光检测器传送光，所述第一透镜部和所述第二透镜部可在光路径上交换位置。
2.根据权利要求1所述的厚度测定装置，其特征在于，所述光路径变换部包括 反射镜，其用于向所述干涉光检测器或所述分光检测器反射光；反射镜驱动部，其用于移动所述反射镜，以使所述反射镜位于光路径或者使所述反射 镜脱离光路径。
3.根据权利要求2所述的厚度测定装置，其特征在于，进一步包括透镜驱动部，用于有选择地将所述第一透镜部或所述第二透镜部位于光路径上； 控制部，其用于连动并控制所述反射镜驱动部和所述透镜驱动部。
4.一种厚度测定装置，其特征在于，包括第一分光器，其用于反射或透射从光源照射的光或者由被测对象反射的光； 第一透镜部，其用于向所述被测对象会聚光，并生成与所述由被测对象反射的光具有 不同光路径的基准光；第二透镜部，其用于向所述被测对象会聚光；干涉光检测器，其与所述第一透镜部相对应形成光路径，并检测由所述被测对象反射 的光和所述基准光之间产生的干涉信号；分光检测器，其与所述第二透镜部相对应形成与所述干涉光检测器所形成的光路径不 同的光路径，并分光由所述被测对象反射的光，以检测被分光的光的强度和波长；及 第三分光器，其用于向所述干涉光检测器和所述分光检测器分配并传送光， 所述第一透镜部和所述第二透镜部可在光路径上交换位置。
5.根据权利要求1或4所述的厚度测定装置，其特征在于，进一步包括有选择地将所述 第一透镜部或所述第二透镜部位于光路径上的透镜驱动部。
6.根据权利要求1或4所述的厚度测定装置，其特征在于，进一步包括配置在所述光路 径变换部和所述分光检测器之间的光路径上的针孔及聚光镜中的至少一个。
7.根据权利要求1或4所述的厚度测定装置，其特征在于，所述第一透镜部包括 第一聚光镜，其用于向所述被测对象会聚光；第二分光器，用于反射或者透射从所述第一聚光镜入射的光； 基准反射镜，将从所述第二分光器入射的光重新反射到所述第二分光器。
全文摘要
本发明涉及一种厚度测定装置，包括第一分光器，用于反射或透射从光源照射的光或者由被测对象反射的光；第一透镜部，用于向被测对象会聚光，并生成与所述由被测对象反射到的光存在光路径差的基准光；第二透镜部，用于向被测对象会聚光；干涉光检测器，其与所述第一透镜部相对应形成光路径，并测出通过由所述被测对象反射的光和所述基准光所产生的干涉信号；分光检测器，其与所述第二透镜部相对应形成与通过所述干涉光检测器形成的光路径不同的光路径，并分光由所述被测对象反射的光，以检测出被分光的光的强度和波长；及光路径变换部，有选择地向干涉光检测器或者分光检测器中的其中一侧传送光。第一透镜部和第二透镜部可在光路径上交换位置。
文档编号G01B11/06GK101802543SQ200880106944
公开日2010年8月11日 申请日期2008年4月2日 优先权日2008年2月13日
发明者安祐正, 崔智圆, 朴喜载, 李昌烈, 黄映珉 申请人:株式会社Snu精密