具網路結合功能之半導體製造集結式機台(子計畫三)：網路式量測單元之開發：橢偏儀介面及遠端使用者介面(3/3)

行政院國科會尖端科技計劃執行成果報告

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具網路結合功能之半導體製造集結式機台

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子計畫三

) 網路式量測單元之開發：

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橢偏儀介面及遠端使用者介面（

3/3）

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計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫

計畫編號：NSC 89-2218-E-002-053-

執行期間：八十九年八月一日至九十年七月三十一日

總計畫主持人： 呂秀雄教授 國立台灣大學機械工程研究所

子計劃三主持人：李世光教授 國立台灣大學應用力學研究所

處理方式： 可立即對外提供

一年後可對外提供參考

兩年後可對外提供參考

（必要時，本會得展延後發表時限）

執行單位：國立台灣大學應用力學研究所

中華民國 九十年 七月 三十一日

具網路結合功能之半導體製造集結式機台

-子計畫三

網路式量測單元之開發：橢偏儀介面及遠端使用者介面（

3/3）

Development of Network Ready Metrology Unit:

Ellipsometer Interface and Remote User Interface

計劃編號 : NSC 89-2218-E-002-053-

執行期限 : 89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

計劃主持人 : 李世光教授 國立台灣大學應用力學研究所

一、中文摘要 本子計畫於第一年已完成先期建構橢 偏儀介面及遠端使用者介面之階段目標， 並 於第二年研發試製低成本之微型橢偏儀，同 時完成可與半導體製造集結式機台整合之橢 偏儀軟硬體設計與製作，並於第三年的研究 中進一步的改進了橢偏儀的功能，順利完成 自我校正轉換函數的測量，且於系統上完成 修改光學調校機構與光學調校方法以方便進 行薄膜特性的測量，目前橢偏參數的測量結 果部分取得具體的成果。計劃成果為全球首 次解決於半導體製造集結式機台運用可變入 射角入射光進行橢偏儀檢測時所遭遇問題之 方法。 關鍵字: 半導體製造集結式機台，橢偏儀。 二、研究動機與目的 本子計畫係配合總計畫--"具網路連結 功 能 之 半 導 體 製 造 集 結 式 機 台(Network Ready Semiconductor Manufacturing Cluster Tools)"提出的主要目的在進行網路式量測單 元之開發，期望將集結式機台之其中一槽當 作橢偏儀量測槽，以利半導體製程設備之線 上檢測。在本子計劃中，將集結式機台之其 中一槽當作橢偏儀量測槽，由於目前之半導 體製造集結式機台之各槽上方有一觀測窗隔 開，致使欲實施能夠變更入射角之橢偏儀量 測變的極為困難。綜觀全球各橢偏儀製造商， 迄今尚無可透過一個觀測窗來實施變更入射 角量測之商用橢偏儀， 但本計劃歷經三年來 之努力經歷系統分析與研究，發明出一種利 用像差校正之準拋物面鏡式迷你橢偏儀，所 得成果證明可以解決上述所提欲透過觀測窗 進行入射角變更之橢偏儀量測難題，且同時 可以進行變入射角橢偏術之測量，綜而言 之，本計劃驗證出成果中所發展完成的微型 橢偏儀將可提供半導體集結式機台設備一最 佳之精密線上檢測儀器。 三、研究內容與成果 (一)橢偏術原理與系統架構 橢偏儀之目的為量測薄膜之厚度 t 及薄 膜或基材之n、k 值。基本上，其假設入射光 為單頻平面波，故其電場向量可表示如式(1)： E E= ₀ exp -_j2 Nz

π

exp _j t E_0ej t Kz

λ

ω

ω

F

HG

I

KJ

b g

=

b

−

g

(1) 其中K = 2 /π λ′= 2 N /π λ，N=n-jk 表示複折 射率(complex refractive index)，n 為折射率 (refractive index)，k 為消光係數(extinction coefficient)，λ為波長(wavelength)，ω為頻率 (frequency)。 Erp Ers Eip Eis 0 1 φ0 φ0 1 φ 圖1 入射光、反射光及折射光之關係 假設待測試件為光學等向性結構（圖1），則 ip p rp = R E E E = R E_{rs s is} 其中E_rp、E_ip為反射光之 p 光及入射光之 p 光，Ers、Eis為反射光之 s 光及入射光之 s 光，R_p、R_s代表p 光及 s 光之複反射係數。 定義橢圓函數(ellipsometric function)

ρ

及橢 圓角ψ 、∆為：

ρ= R ψ R = tan exp p s j∆

b g

，       ° ∆ ≤ ° ° ≤ ≤ ° 360 < 0 90 0

ψ

(2) 其中tan = R / R

ψ

_{p s} 為相對振幅衰減(relative amplitude attenuation)，∆= arg R

d i

_p −arg R

b g

_s

乃是相對相角偏移(differential phase shift)，而

ψ 、∆為橢圓角(ellipsometric angles)[1]。 橢偏儀之一般架構如圖 2 所示為 PMSA 組態；其中P 代表偏極板(polarizer)，M 代表 相 位 延 遲 板(phase retarder) ， S 代 表 試 件 (sample)，A 代表分析板(analyzer)。 圖2 橢偏儀之一般架構：PMSA 組態 PMSA 各元件對電場之影響可以用式(3)~ (6) 之Jones 矩陣表示:

P = cos P sinP cosP

sinP cosP sin P

2

2

L

NMM

O

QPP

(3)

M =

e cos M + e sin M 2 sinM cosMsin 2 2 sinM cosMsin 2 e cos M + e sin M 2 2 2 2 2 2 2 2 j j j j j j δ δ δ δ δ δ − −

F

HG

I

KJ

F

HG

I

KJ

L

N

MM

MM

O

Q

PP

PP

(4) S = tan e 0 0 1 ψ j∆

L

NM

O

QP

(5)

A = cos A sinA cosA

sinA cosA sin A

2 2

L

NMM

O

QPP

₍₆₎ 其中，P 為偏極板之穿透軸角座標，M 是相 位延遲板之快軸角座標，δ為相位延遲板之相 位延遲量，ψ， ∆為試件之橢圓角，A 是分 析板之穿透軸角座標。若入射光之電場向量 為Ei，經過各元件之影響後，其電場向量Er 可以表示如式(7) E = ASMPE_{r i (7)} 故其光強I 可以表示為: ( ) ( ) ( ) + r r i i 0 s c I G G G I +I sin +I cosδ δ + = = E E = ASMPE ASMPE (8) 其中G 為一常數，且

I 1- cos2 cos2A cos2M cos2 M - P cos2A - cos2 +sin2A cos sin2 sin2M cos2 M - P

I , , P, M,A 0 0 = + = ψ ψ ψ ψ

b

g

b

g b

g

b

g

b

∆ ∆

g

₍₉₎

Is=-sin2 sin2A sin2 M - P sinψ

b

g

∆=Is

b

ψ, , P, M,A∆

g

(10)

( ) ( )

( )

c

c

sin2M cos2 -cos2A

I -sin2 M-P

+sin2 cos2M sin2A cos

I , ,P,M,A ψ ψ ψ   = ⋅  ∆   = ∆ (11) 若已知某些膜層及基材之膜厚與材料參 數，且由實驗量測求得橢圓函數ρ（或橢圓 角：ψ及∆），則未知膜層參數可以利用反算 技巧求得[2]。 (二)集結式機台與橢偏儀介面整合 半導體製程之集結式機台具有多個功能 槽，如圖 3 所示，其中一個功能槽為橢偏儀 量測槽，其量測環境為抽真空狀態，如何不 將試樣自真空環境取出(break vaccum)實為 此類測量問題之最大考驗。 (a)功能槽配置圖(b)集結式機台之橢偏儀檢測槽 圖3 半導體製程之集結式機台 橢偏儀光學檢測系統架構上依據偏極態 控制方式、其入射角、及波長控制方式，可 以有不同的實施架構: MAIE， MASW， SAMW，SE，VASE，MAMW[3].綜合前述橢 偏術原理與可能的實施架構，在橢偏儀設計 概念上必須考慮偏極態控制、入射角及波長 控制與反算薄膜參數三個方法，且如果要將 橢偏儀應用在半導體製造集結式機台，利用 光學穿透玻璃觀測窗來進行線上檢測，原則 上可選用MASW 與 SAMW 橢偏儀。通常量 測之入射光必須穿透一融熔石英(fused silica) 視窗，以探測在真空槽內之試件，故分析討 論與集結式機台配合之橢偏儀的兩種可能實 施架構(上蓋型與側蓋型等)後[3]，本計劃於 執行過程中提出一全新的橢偏儀設計。 實際上，迄今尚無任何商用橢偏儀，可 以透過一個觀測窗來實施變更入射角量測； 一般之作法為固定入射角而進行多波長量 測，並配合適當之材料模式來降低未知數個

數；然而此種作法完全依賴材料模式之正確 性，理論上不及變更入射角測量法強固；況 且研究及新製程開發中，經常會遭遇一些完 全沒有模式之材料，此時便非得依靠可變更 入射角之橢偏儀。 創新系統功能 有鑑於此，台灣大學研究團隊根據各種 橢偏儀設計可能的架構與實施步驟，提出系 統的功能需求與設計參數如下: 1. 採用相位調制(phase modulation)來控制 入射光偏極態 2. 變入射角及單波長橢偏儀(MASW) 3. 光強與偏極態穩定之光學架構 4. 半導體製造集結式機台線上檢測功能 從前述之系統分析結果並根據設計之功 能需求，可以提出多種可結合集結式機台之 橢偏儀架構，其中最具有潛力是於本計劃執 行過程中順利開發完成的一種利用像差校正 式之橢偏儀，如圖 4 所示，此一新開發完成 之系統乃是運用凹準拋物面反射鏡之方式來 聚焦至待測晶圓表面，以解決上蓋型橢偏儀 欲透過觀測窗進行變入射角檢測之難題[4]。 D L: Light source NPBS: Non-polarization beamsplitter R: Mirror P: Linear polarizer M: Retarder A: Analyzer D: Detector Polarization Control Unit W: Quasi-spherical mirror

X: Quasi-paraboloidal mirror Y: Attenuator S: Sample G: Fused silica window Q: Penta prism Polarization Analysis Unit

D A L Y P M D CCD Q X W NPBS R R 85 A 19 6 4 圖4 集結式機台線上橢偏儀系統 液晶相位延遲器 細部設計採用一液晶延遲板作為相位調 制器，以電壓回授控制器來精準之控制相位 變化如圖5所示，並設計以三光路橢偏儀架構 來即時監控相位延遲量之精準度，同時也校 正雷射光源不穩定及液晶相位延遲板之不均 勻吸收 (光路設計請參閱圖4)。 圖5 三光路設計與光偵測器即時監控相位變 變入射角反射鏡組設計 應用在半導體製造集結式機台之橢偏儀 變入射角反射鏡組之設計包含二個元件：凹 拋物面鏡與凹球面鏡。此二面鏡均是以鋁為 基材，由車床式鑽石刀加工機所製作，加工 完成後再於鏡面上蒸鍍一層金膜，以防止鋁 質鏡面之氧化。利用數值分析可研判出欲確 保被測材料之複折射率的量測精度達小數點 以下第4 位，則入射角的精度須控制在 0.001° 以上，配合上精準伺服馬達移動五角稜鏡， 可將橢偏儀之變入射角光路機構予以緻密緊 縮。由於橢偏儀中伺服馬達精確度達 0.4µm 的精度，再配合鑽石刀加工機的精密製造， 此一軸對稱拋物面鏡與凹球面鏡之設計，巧 妙地達成提高入射角精度與縮小體積的兩大 需求。 圖6 準拋物線設計 此外，圖 6 準拋物面鏡之輪廓為一非解析曲 面，其不但有近似拋物面鏡之聚焦作用，並 同時可補償觀測窗所造成之探測點偏移。本 研究係以數值方法設計準拋物面鏡之範例； 類似演算法亦可以用來設計準凹球面鏡。 以光路轉換函數計算橢偏參數 圖4 之光路 1 行經 PMXYSWSYXA 各元 件及反射面，其元件之Jones 矩陣如下: 稜形反射鏡：視為等向性之反射面，故其 Jones 矩陣與式(5)類似。 X = tan e 0 0 x x ψ j∆ 1

L

NM

O

QP

(12)

拋物面反射鏡：視為等向性之反射面，故其 Jones 矩陣也與式(7)類似。 Y = tan e 0 0 y y ψ j∆ 1

L

N

MM

O

_Q

PP

₍₁₃₎ 凹球面反射鏡：視為等向性之反射面，而且 正入射時其橢圓函數_ρ=R / R =tan exp_{p s ψ}

b g

j∆ =−1， 故其Jones 矩陣為 W = - 0 0 1 1

L

NM

O

QP

(14) 沿著橢偏儀量測光路(即光路 I1)，其偏極態之 變化可以用Jones 矩陣表示如下： E = AXYSWSYXMPEr i= AS MPE0 i (15) 其中 0 0 0 2 2 2 0 x y 0 x y tan e 0 S XYSWSYX 0 1

tan tan tan tan ,

2 2 2 j ψ ψ ψ ψ ψ π ∆   = =    = ∆ = ∆ + ∆ + ∆ + (16) 採用 P=0°、M=45°及 A=45°之特殊組態，則 光強可化簡為：

(

) (

)

(

)

+ 0 i 0 i 0 0 0 I G

G 1 sin2ψ sin sin -cos2δ ψ cosδ = = _ − ∆ _ AS MPE AS MPE (17) 式(17)只能解出ψ0 及∆0，而無法更進一步分 別求出ψx、ψy、ψ、∆x、∆y及∆，因此採用一 凸 球 面 鏡 當 測 量 試 件 來 求 出 轉 換 函 數 tan2 tan e x 2 y x y ψ ψ j(2∆ +2∆ +π) ， 此 時 光 會 行 經 PMXYZYXA 各元件及反射面，其中之 Z 代 表凸球面反射鏡，可以視為等向性之反射 面，而且正入射時其橢圓函數，故其 Jones 矩陣為 Z = - 0 0 1 1

L

NM

O

QP

(18) 沿著橢偏儀量測光路(即光路I1)，其偏極態之 變化可以用Jones 矩陣表示如下： E = AXYZYXMPE_{r i} =AS MPE1 _i (19) 其中 S = XYZYX₁ 1 =

L

NM

tan 0 e 0

O

QP

1 1 ψ j∆ (20) tan ₁ tan2 tan

x 2 y

ψ

=

ψ

ψ

， ∆1 =2∆x +2∆y +

π

採用 P=0°、M=45°及A=45°之特殊組態，則 光強可化簡為：

(

) (

)

(

)

+ 1 i 1 i 1 1 1 I G

G 1 sin2ψ sin sin -cos2δ ψ cosδ = = _ − ∆ _ AS MPE AS MPE (21) 實驗時變化三個以上之相位延遲量δ，可以量 得對應之光強，因而由式(21)可以解出 G、 ψ1 、 ∆1 ， 亦 即 可 以 求 出 轉 換 函 數 tan2 tan e x 2 y x y ψ ψ j(2∆ +2∆ +π) 。更進一步，由式 (16)、(17)、(20) 及(21)可以整理成式(22)、(23) 計算可以得到橢圓角。 ψ ψ ψ =tan tan tan -1 0 1 (22) ∆ ∆= 0−∆1 2 ₍₂₃₎ 圖7 在各種試件上橢圓參數之測量結果 此外，系統上入射角對檢測試件所產生的橢 圓參數(ψ1_，∆1) 可以用式(24),(25)計算 B A B A Bo Ao ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ 2 1 2 2 1 2 1 tan tan tan tan tan tan tan tan _{= =} (24) B A Bo Ao−∆ =∆ −∆ ∆ ₍₂₅₎ 系統測量值與理論值計算之比較結果如圖8。 圖8 測量橢圓參數與 FilmWizard 模擬比較

(三)橢偏儀機電光系統整合 經由前述的光學分析、光機設計再結合 機電光系統整合工作，可建構出一可與半導 體製造集結式機台介面整合之橢偏儀原型 機，如圖9 所示。 (a)光機整合 (b)電子電路與信號處理 圖9 橢偏儀機電光系統 電子電路架構與規畫 此系統電子電路架構如圖10 所示，主要 控制是經由三張電腦介面卡完成，主程式透 過LabVIEW 之 nuLogic 運動控制卡來操控所 有之移動平台，包含承載試件之 X、Y 軸移 動平台，以及承載五角稜鏡之 Z 軸移動平 台。程式另外透過 NI-DAQ 訊號擷取卡來讀 取三個光感測器之光強，並送出適當之電壓 方波給液晶以控制相位延遲量，以及送出 317Hz 之 TTL 調制訊號給雷射驅動器。另外 透過影像擷取卡以讀取CCD 上之影像，以實 現內建校準望遠鏡之設計理念。 Power:

AC 110V→Transformer 15V→Rectifier→Regulator (±15V, ±12V, ±9V, ±5V) Penta prism mini-stage

Limit switches

Photodetector amplifier: 3 channels Laser diode driver Nematic liquid crystal CCD

Sample XY mini-stage Limit switches

NI-DAQ card nuLogic motion control card

LabVIEW main program Close loop control

Lock-in amplifier Modulation TTL signal 圖10 橢偏儀電子電路架構圖 軟體介面與控制程式設計 本 計 劃 所 完 成 之 系 統 的 主 程 式 係 以 LabVIEW 圖形語言撰寫而成，可以進行光強 校準、橢偏儀檢測、平台控制、數值運算與 訊號圖形介面輸出。 (a)橢偏儀操作介面 (b)LabVIEW 程式設計 圖11 電腦軟體介面 四、結論 在本研究計劃之執行過程中，研究團隊 成功順利地研發一種利用反射面鏡作變入射 角控制之創新像差校正橢偏儀系統架構，除 完成規格訂定、創新發明與設計外，亦完成 系統製作並確認其可與半導體製造集結式機 台介面整合來進行變入射角橢偏術之測量， 此一成果已於八十九年三月二十九日順利取 得中華民國發明專利 “一種具大角度變換且 可精準控制光束角度之光學機構” 目前正由 國科會申請美國專利中。 由前述報告，以本計劃成果所完成之創 新變入射角光學機構設計，的確可以達到體 積小、靈敏度高之要求，同時利用伺服馬達 控制直線位移平台可輕易達到0.4µm之定位 精度的特性，再配合機械精密加工拋物面鏡 之精度，可使系統解析度提升且製作成本降 低，為全球首次解決此類問題之創新架構， 實可視為一種同時符合具「線上檢測」與「整 合式檢測」功能之新世代精密檢測儀。 四. 參考文獻

[1] Azzam, R. M. A. and N. M. Bashara, Ellipsometry and Polarized Light, Holland, New York, New York, 1988. [2] Ellipsometric Parameters ∆ and Ψ and

Derived Thickness and Refractive Index of a Silicon Dioxide Layer on Silicon, NIST Special Publication 260-109,1988. [3] 李兆祜， 李世光. “像差校正準拋物面鏡 式迷你橢偏儀，” 第十一屆自動化科技研 討會刊， 1999 [4] 李兆祜， “精準相位延遲拋物面橢偏儀，” 台灣大學博士論文， 1999.