為達到更穩定的顯示器出貨品質，彩色濾光片膜層與間格柱高度的檢測占有非常重要的地位，使用的技術涵蓋在膜層檢測的範圍中。因此本文中將介紹膜層檢測技術的基本原理，以及市面上相關的檢測儀器種類，期能提供給相關測試人員作一參考。
檢測膜層材質光學參數兩大原理
重要的膜層光學參數有折射率(n)、消光係數(k)以及厚度(d)。其中，由於材質的折射率為複數形式，方便起見將材質折射率的實數與虛數分別稱為折射率(n)與消光係數(k)。當虛數部數值(k)越大，在數學運算上光波電場衰減越多；當k=0時，則表示為不吸收材質。
以光學技術測量材料光學參數的原理有兩大類，分別是橢偏儀式(Ellipsometry)與光譜反射式(Spectral Reflectance)。橢偏儀的架構基本原理是將極化光束入射於樣品上，藉由樣本的介電性質，造成反射光束的電場大小和相位與入射光束不同(圖1)。測量反射偏極光的偏振態，並配合已知的入射光偏振態，便可由式子(1)求得可代表材料光學特性的矩陣R。接著，將所得到的樣品光學矩陣R，以橢偏參數Δ、Φ表示成式子(2)，來量化反射光極化性質的改變，然後再透過適當的理論模型計算出光學參數n、k、d值。
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| 圖1 橢偏儀架構 |
 (1)
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 (2) |
在此採用的理論模型為著名的夫瑞奈方程式(Fresnel Equation)。以圖2的單層膜為例，根據Fresnel Equation理論，式子(2)與入射角(α)、入射光波長(λ)、膜層折射率(n1)、消光係數(k1)以及厚度(d)有關，其間關係以式子(3)表示。若α、no、ko、n1、k1、n2、k2、λ為已知，並同時帶入參數Δ、Φ數值，則可依方程式解出厚度(d)值。
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| 圖2 單層膜架構 |
 (3) |
另外，當膜層的折射率、消光係數與厚度均為未知數時，橢偏儀可測量不同入射角度時的反射光偏振態，得到與角度相關的Δ、Φ值，並畫出曲線Φexp(圖3)，以同時擬合出多個未知參數值。做法為在入射光波長(λ)為已知的條件下，調整Fresnel Equation所導出的函數中之參數no、ko、n1、k1、n2、k2值，畫出曲線Φmod。當曲線Φmod與曲線Φexp間的平均均方誤差(Mean Square Error)最小時，參數值即為最佳解。
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| 圖3 角度v.s.Φ的曲線 |
另一常用的光譜反射式原理與橢偏儀式差別在於光譜反射式僅測量光源入射方向垂直於樣品時的反射光譜。圖4膜層底面的反射光折射至空氣中，與膜層表面的反射光產生干涉。當兩者為同相(In Phase)時，產生建設性干涉，反射率有極大值；但是當兩者為反相(Out of Phase)時，產生破壞性干涉，反射率有極小值。由於干涉與光程差(OPD)有關，而光程差又與膜層厚度、膜質折射率有關，且折射率為波長的函數，因此所測得的反射光譜圖以波長為座標軸表示。在相同膜質條件下，隨著膜層厚度增加，反射率曲線波峰(Peak)數目增多(圖5)，且折射率越高的模質，其反射率曲線波峰數目也越多(圖6)。
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| 圖4 光波干涉原理 |
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| 圖5 反射光譜與膜層厚度的關係 |
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| 圖6 反射光譜與膜質折射率的關係 |
測得膜層的反射光譜後，光譜反射式原理必須利用適當的模型來描述膜層的折射率(n)與消光係數(k)，常見的模型如式子(4)～(6)。藉由調整模型中的係數，將所得到的n、k值配合所估計的膜厚(d)值計算出反射光譜，並與實際測量到的光譜圖比對，如此便可求得膜層的n、k、d值。
 (4) |
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檢測儀器依收發光介面區分
實現光譜反射式原理的設備較橢偏儀式簡單，售價也相對便宜，惟缺點是無法測量結構複雜以及厚度太薄的膜層。現有的光譜反射式膜層檢測設備依照所使用的收發光介面可分成光纖束式、Y型光纖式(Y-Shape Fiber)與顯微鏡式膜層檢測設備三類。
光纖束式可測量不透明/透明基板樣品
光纖束的分支(Leg)數目可根據需求來設計，且其共同端(Common Leg)包含多條光纖。圖7為利用光纖束與光譜儀結合以測量膜層的反射式架構，可測量基板為不透明或透明材質的樣品。在光路設計上，利用光纖束的共同端將光源由光纖束入射至樣品上，並由光纖束中的其他光纖接收反射光，然後透過分支輸入到光譜儀中，測量樣品的反射光譜，進而由程式算出膜層的折射率、消光係數與厚度。此裝置亦可改變為穿透式架構(圖8)，只可測量基板為透明材質的樣品。
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| 圖7 光纖束式膜層檢測設備(反射式) |
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| 圖8 光纖束式膜層檢測設備(穿透式) |
Y型光纖式共同端僅具一條光纖
將上述的反射式裝置的光纖束換置成Y型光纖，可以達成相同的功能。Y型光纖由兩條分支光纖與一個共同端所組成，構成三個端點，均只包含一條光纖，與光纖束的共同端包含多條光纖不同。如圖9Y型光纖的兩分支分別與光源以及光譜儀連接，共同端則垂直於樣品方向擺放，因此光源可透過共同端入射至樣品，而反射光也透過共同端進入另一條分支，最後入射至光譜儀，因此能得到反射光光譜，並計算出光學參數。
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| 圖9 Y型光纖式膜層檢測設備 |
相對於使用光纖為介面來收發光束，顯微鏡式膜層檢測設備具有檢測光點小的優點，可用來檢測結構細微的模層。圖10為使用顯微鏡的膜層檢測架構，在反射式架構時，光源透過顯微物鏡入射至樣品，其反射光經過分光片(Beam Splitter)分成兩道光束，一道聚焦於光纖，然後入射至光譜儀得到反射光譜，進而計算出光學參數；另一道則由攝影機所接收，可即時觀察待測點位置。此裝置亦可切換為穿透式量測架構，與反射式架構不同處在於光源直接由樣品下方發出，通過樣品的穿透光由顯微物鏡接收，之後的光路與反射式相同，可測量透明材質基板的樣品。
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| 圖10 顯微鏡式膜層檢測設備 |
薄膜膜質檢測技術無論在半導體製程或是液晶顯示器製程中，均扮演極為重要的角色。尤其近年來在薄膜樣品面積變大、製程速度加快的趨勢下，快速且精準的檢測愈形重要。而現有的薄膜膜質檢測技術中，多使用薄膜單點量測方法，此法雖然準確，但要得到二維膜質影像，須移動探頭或待測物，若量測時間太久，則無法做線上檢測。
快速/精準檢測需求殷切
工研院量測中心以自行研發的高密度通道光譜影像裝置，結合多蕊光纖束(Multi-Track Fiber Bundle)，克服傳統方法無法同時達到多通道快速量測、膜質精準量測的問題，建立一高光譜解析、多通道同時量測的薄膜線上檢測裝置，成為國內唯一的多通道光譜檢測技術，並可根據樣品的透光程度設計成為反射式或穿透式架構(圖11、12)。
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| 圖11 反射式薄膜量測架構 |
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| 圖12 穿透式薄膜量測架構 |
此一嶄新薄膜的量測方法，希望能進一步提升國內的技術競爭力，以取代昂貴的進口儀器並協助政府大力推動設備國產化之政策。
(本文作者任職於工研院量測中心)
