[发明专利]一种薄膜检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体制造工艺技术领域，尤其涉及一种薄膜检测装置和方法。

背景技术

薄膜检测在工业领域广泛使用，如半导体制造工艺的沉积、光刻、刻蚀、CMP等诸多工艺过程中均需要使用膜厚检测以对工艺进行控制，保证产品质量，提高良率。

薄膜检测需要测量单层膜或多层膜的膜厚，有时还需要测量n、k值，常用检测手段为反射仪测量或者椭偏仪测量。为获取更多的信息以提高测量精度，可采用多波长测量、多角度测量的方法。为实现多波长和多角度测量，通常使用光谱仪对测量光束分光探测；若需要同时测量不同角度的信息，则需要改变照明光路和接收光路的角度，或者是改变光阑位置以选择不同角度的反射光进行测量，由测量结果计算膜厚和光学常数。

专利US5166752描述了一种使用一定入射角度范围的光束照明样品，并同时测量不同角度反射光偏振信息的椭偏仪，但该装置只能测量一条狭缝上的偏振信息，无法测量不同方位角的偏振信息。专利US8139232描述了一种使用会聚光束照明样品，并测量角谱信息的椭偏仪，该测量装置单次仅能使用一种波长进行测量，要实现多波长测量需要切换照明波长，无法同时进行多波长测量。

上述两种方案均无法同时进行多波长和整个角谱的偏振信息测量而获得更高精度薄膜测量结果。

专利CN200980110569描述了一种污染检测设备，使用线偏振的宽波段光照明样品，并使用光谱仪测量反射光某一特定偏振分量的光谱信息；该测量装置通过测量光谱零位改变（最小光强位置对应波长的偏移），计算得到污染物的沉积厚度。该装置采用光谱测量方式获得不同波长的反射光强信息，以计算厚度，而非采用角谱测量方式获得不同入射角和方位角的反射光强信息以计算膜厚。

发明内容

    为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种可以同时测量膜层的厚度和光学常数薄膜检测装置和方法。

为了实现上述发明目的，本发明公开公开一种薄膜检测装置，其特征在于，包括：光源，用于提供包含不同波段的照明光束；光学元件单元，包括物镜，该光学元件单元用于将照明光束通过该物镜照射到待测对象上，并收集该待测对象的反射光束； 滤波器，用于使不同波段的照明光束或反射光束在空间上进行分离；面阵探测器，位于该物镜瞳面或者物镜瞳面的共轭面以采集反射光束的角谱信息；处理器，用于对该角谱信息进行分析计算。

更进一步地，该光源为一宽波段光源或者多个单色光源，该光源包括准直镜头。

更进一步地，该光学元件单元包括起偏器。

更进一步地，该照明光束的方向与待测对象表面垂直，该光学元件单元还包括分束元件，该照明光束依次通过该起偏器、分束元件以及物镜入射到该被测对象表面，被该被测对象反射后通过该物镜、分束元件，最后由该面阵探测器接收。

更进一步地，该分束元件为直角分光棱镜或半透半反镜。

更进一步地，该物镜的数值孔径为0.9以上。

更进一步地，该照明光束的方向与待测对象表面成一夹角，该物镜包括前组透镜和后组透镜，该照明光束通过该起偏器和前组透镜倾斜入射到该被测对象表面后，被该被测对象反射到后组透镜，最后由该面阵探测器接收。

更进一步地，该物镜的数值孔径为0.2~0.3。

更进一步地，该待测对象与面阵探测器之间还包括检偏器。

更进一步地，该光学元件单元包括旋转补偿器。

更进一步地，该滤波器为窄带滤光片，该滤波器位于该光源和物镜之间。

更进一步地，该滤波器为窄带滤光片，该滤波器位于该待测对象与面阵探测器之间。

更进一步地，该光源包括不同发光波段的两个单色光源和二向色光束合束器，该两个单色光源的照明光束分别被该二向色光束合束器透射和反射。

更进一步地，该面阵探测器之前还包括分光元件，该分光元件用于将不同波段的反射光束引导至不同的面阵探测器。该分光元件为二向色分光片或者镀有二向色分光膜的直角分光棱镜。

本发明同时公开薄膜检测装置进行薄膜检测的方法，该光源发出包含不同波段的照明光束，该照明光束进入该光学元件单元，通过该物镜后照射到待测对象上，该光学元件单元收集该待测对象的反射光束，该滤波器使不同波段的照明光束或反射光束在空间上进行分离，由该面阵探测器采集反射光束的角谱信息，最终处理器对该角谱信息进行分析计算。