Filmetrics膜厚测量仪中文介绍.pdfVIP

Filmetrics Thin Film System Filmetrics Inc.Filmetrics Inc. 创建于 1995 年的 Filmetrics, Inc. 总部位于美国加州圣地亚哥市，以使薄膜测 量变得简单而经济有效为其宗旨。 在我们进入这个市场之前，商业薄膜测 量仪器动辄就要 $50,000 美元或更多，而且需要操作人员预先接受培训。 单 次测量就要花费几分钟，甚至几小时时间。 Filmetrics 的方法就是设计经济有效并为特定目的制造的微型光谱仪系统， 而其低成本最近才由于硅探测器阵列技术的进步才得以实现。 我们把这一 方法和先进的软件相结合，我们的软件能将先进的薄膜专门技术融入简单而 直观的 Windows 界面。 其成果就是 F20，这是一种很紧凑的系统，具备令 人惊异的速度和准确性，线上的操作人员只需要几分钟培训即可使用仪器 而所有这一切只需传统仪器几分之一的成本。 我们的成就已经获得了业内新闻界的广泛 公认，包括被承认为年度“100 种最具技术 意义”的产品之一和年度“25 项最佳新产品” 之一。 我们测量什么我们测量什么 l材料材料: 全都是至少有部分透明的薄膜， 加上所有的半导体 (透明或不 透明)。 薄膜在外观上至少要有某种程度的光泽。 l厚度范围厚度范围: 我们能测量从 3nm 到 500um 的厚度。 能够测量 70nm 到 10um 厚薄膜的折射率。 l可测量的层数可测量的层数: 我们通常能够测量某个薄膜堆内的最多三层独立薄 膜。 在某些情况下，我们能够测量到几十层。 l基板材料基板材料: 如果薄膜位于粗糙基板 (其中包括大多数金属) 上的话， 一般不能测量薄膜的折射率。 此外，粗糙基板还将最低 的可测量薄膜厚度限制为大约 50nm。 l所需的信息所需的信息: 我们必须知道目前存在所有薄膜的分类、特征和标称厚 度，不管它们是否有待于测量。 F10低成本的专用仪器低成本的专用仪器F10低成本的专用仪器低成本的专用仪器 F10-AR 测量眼科镜头和其他弯曲表面的 反射率。 我们可以提供测量硬涂层厚度和 透射率的可选件。 F10-HC 测量硬涂层和防雾层厚度和折射率。 聚碳酸酯硬涂层 在汽车和其他工业内的应用是很普遍的。 F10-PA我们提供对聚对二甲苯厚度的免提测量。 F10-VC可同时测量反射率和透射率。 我们可以提供测量厚度 和折射率的可选件。 普遍应用于真空涂层领域。 F10-PV专业测试薄膜光伏产品，硅薄膜，II-VI，CIGS F20多用途通用仪器多用途通用仪器F20多用途通用仪器多用途通用仪器 多用途平台多用途平台 F20 是我们的通用台式仪器。 它们 在全世界被用于几千种用途。 厚度 和折射率在几秒钟内就能得到测量。 就像我们所有的台式仪器一样，F20 需要连接到您装有 Windows 计算机 的 USB 端口上并在数分钟内即可完 成设定。 不同的 F20 仪器主要是根据波长范围来加以区分的。 标准的 F20 是我们最为普遍的产品。 较短的波长 (例如， F20-UV) 一般用于 测量较薄的薄膜，而较长的波长则可以用来测量更厚、更不平整 以及更不透明的薄膜。 F20规格规格F20规格规格 F20-XT厚膜测试厚膜测试F20-XT厚膜测试厚膜测试 测量可达测量可达 500um 的厚膜，普遍用于硅基减薄领域的厚膜，普遍用于硅基减薄领域 Filmetrics F20-XT 是测量厚膜的最 佳选择。 测量厚于 50 微米的膜是 一项独特的挑战，因为经常会遇到 高的光学厚度 (光学厚度 = 物理厚 度 x 折射率)。 有些薄膜，例如硅 的膜，也会在厚于几微米时，在可 见光波下变得不透明。 在 F20-NIR 基础上的 F20-XT 内配置了一个 512 像素的砷化 铟镓光谱仪，克服了这些挑战。 1400-1650 nm 近红外区域内具有 0.5 nm 波长的分辨率，使 其能够比其他光学系统更有效的检测较厚的膜。 F30在线监控工具在线监控工具F30在线监控工具在线监控工具 监控薄膜沉积 最强有力的工具监控薄膜沉积 最强有力的工具 用 F30 光谱反射率系统实时测量沉积 率、沉积层厚度、光学常数 (n 和 k 值 ) 和半导体以及电介质层的均匀性。 样品层样品层 分子速外延和金属有机化学气相沉积: 可以测量平滑和半透明的，或者轻度吸收的薄膜。 这实际上包括从 氮化镓铝直至镓铟磷砷的任何半导体材料。 特殊的F37型号，可以同时监测8通道的数据。 F40显微镜制式系统显微镜制式系统F40显微镜制式系统显微镜制式系统 将您的显微镜变成薄膜测量工具将您的显微镜变成薄膜测量工具 F40 产品家族可以用于测量点尺寸小 到 2.5 微米的用途。 对大多数显微镜 而言，F40 简单地固定于 c 型安装架 转接器上，这是摄像机安装的行业标 准。 F40 完整地配备了集成彩色摄像机， 够对测量点进行准确监控。 在 1 秒钟 之内就能测定厚度和折射率。 就像我 们所有的台式仪器一样，F40 需要连 接到您装有 Windows 计算机的 USB 端口上并在数分钟内即可完成设定。 F50非图案化表面自动测绘非图案化表面自动测绘F50非图案化表面自动测绘非图案化表面自动测绘 生产环境的自动测绘生产环境的自动测绘 Filmetrics F50 家族的产品能快到以每 秒钟测绘两个点的速度测绘薄膜厚度。 电动的 R-Theta 平台可以接受标准的 和定制的夹头，以便用于直径大到 300mm 的样品。 测绘方式可以是极 性、矩形或线性的，您也可以创造自 己的方式而不受测量点数量的限制。我们提供数十种预定义的测绘 方式。F50 台式系统需要连接到您装有 Windows 计算机的 USB 端口 上并在数分钟内即可完成设定。 不同的 F50 仪器主要是根据波长范围来加以区分的。 标准的 F50是 最为普遍的产品。 F60生产环境的自动测绘生产环境的自动测绘F60生产环境的自动测绘生产环境的自动测绘 生产环境的自动测绘生产环境的自动测绘 Filmetrics F60-t 家族就像我们的F50 产品一样能测绘薄膜厚度和折射率， 但它还包括许多可用于各种生产环境 的特性。 这些特性包括自动凹槽检测 、自动板载基线确定、运动互锁的内 置测量平台、预装软件的工业计算机 以及升级到全机器人化晶圆传输的选项。 不同的 F60-t 仪器主要是根据波长范围来加以区分的。 较短 的波长 (例如， F60-t-UV) 一般用于测量较薄的薄膜，而较长 的波长则可以用来测量更厚、更不平整以及更不透明的薄膜。 F80图案化的半导体自动测绘图案化的半导体自动测绘F80图案化的半导体自动测绘图案化的半导体自动测绘 产品产品-晶圆的计量方法现在已经不太昂贵了晶圆的计量方法现在已经不太昂贵了 工艺工程师们都希望能快速测量薄膜厚度 而且避免大量麻烦。 我们创新的 Thickness ImagingTM 测量技术使 Filmetrics 能够提 供简易的配方设定、行业领先的生产能力 以及仅需竞争对手计量工具几分之一的成本。 和只能在单个点上测量厚度的普通计量工 具不同，F80 能够通过在靠近测量区的地 方收集数千个厚度读数而快速产生厚度图 像。 这一革命性创新方法的成果就是: l 超快速测量 - 快到能在 21 秒钟内测量 15 个点 出众的使用便利性 更加可靠耐用的自动化 比竞争者更低的成本 该系统有不同的配置方式，从低成本、 手动加载台式系统到 BOLTS 集成计量模块以及完全自动化的 独立输送盒至输送盒系统。 如果您正在寻找新一代厚度计量技术的话，那么，有了 Filmetrics F80 您就不必再到处寻觅了。 F80 就是化学机械研 磨、化学气相沉积、物理机械研磨和晶圆轨道工艺工程师们梦 寐以求的工具。 将产品将产品-晶圆计量和晶圆输送集于一身而不太昂贵的工具晶圆计量和晶圆输送集于一身而不太昂贵的工具 通过和 Ricmar 的合作而独家拥有的 F80-a 将完整的 F80 功能和 Ricmar 的 WTT 300 晶圆输送工具整合在一起。 其成果是在单 个不太昂贵的 EFEM 平台上就能达到具备 双重目的的功能。 在 Ricmar 的网站上能阅 读更多关于 F80-a 的信息。 Filmetrics应用领域应用领域 l生物医疗生物医疗 l显示器显示器 l硬镀层硬镀层 l金属金属 l眼科设备眼科设备 l光学光学 l聚对二甲苯聚对二甲苯 l印刷电路板印刷电路板 l多孔硅多孔硅 l半导体半导体 l太阳能光伏太阳能光伏 l光阻胶光阻胶 l真空镀层真空镀层 l卷式薄膜卷式薄膜 Filmetrics膜厚测试仪原理 = 4 n d i i cos 光路图光路图光路图光路图 Filmetrics膜厚测试仪由 主机光源发射光线，经 由Filmetrics梅花型光纤 照射到被测样品表面。 梅花型光纤由7根细光 纤组成一个梅花状（如 左图），外侧6根光纤 射出光学，中间的一根 光纤将反射回的干涉光 导回到Filmetrics内部的 高级分光计进行测量和 计算。 l产品的反射率反射率是经常需要在光刻 波长监测的。 l薄膜的厚度厚度可以直接决定产品的 性能。 l折射率折射率n和消光系数消光系数k是材料成 份与质量的表征。 为了产品生产，并保证一个很好的质 量，一些特定的参数必须被监测 t2n2, k2 反射光入射光 t1 n1, k1 ns, ks 层层 2 层层 1 基底基底 重要参数重要参数重要参数重要参数 l波长 = 光的波动性光的波动性光的波动性光的波动性 Filmetrics光源产生的是一定波长范围的光，如F20普通型产生 的是380nm1050nm波长的可见光。 建设性叠加 不同波长的光波在穿透被 测膜层时会产生不同的相 位差，由被测膜层的厚度 与nk值决定各个波长的 光所产生的相位差，相位 差为波长整数倍时，产生 建设性叠加，此时反射率 最大；相位差为半波长 时，出现破坏性叠加，反 射率最低；整数倍与半波 长之间的叠加，反射率介 于最大与最小反射之间， 这样就形成了干涉图形。 破坏性叠加 干 涉干 涉干 涉干 涉 干涉图形干涉图形干涉图形干涉图形 干涉图形的横坐 标为波长，纵坐 标为反射率。 不同厚度与不同 材料的的膜层的 反射曲线是可以 确定的。 膜层越厚，出现 的干涉曲线周期 越多，材料的n 值越大，反射的 整体强度越高。 基底上的膜层 l相位移动 i dn cos4 1 = AMBIENT SUBSTRATE FILM 1 INCIDENT LIGHT REFLECTED LIGHT n1, d1 n0 = 1 n2, k2 反射光谱 Reflectivity Wavelength 得到光学参数的一个方法就是分析样品的反射光谱与波长构成的 函数。 光谱直接提供了样品的反射率。 另外，它还包含了膜层厚度，膜层和基底的折射率与消光系数的 信息。 什么是n和k？ ln是折射率 n的值告诉我们光在材料中能传播 多快，同时它表示角度i与r的关系 lk是消光系数 k的值决定材料能吸收多少光。 n与k是随着波长的变化而变化的。这种依赖关系被称为 色散。 n, k i r 入射光反射光 折射光 界面上的反射强度 在每层界面上，入射光分解为反 射光和折射光，依照： l材料的折射率 (n0, n1) l入射角 (i) 那么反射率是怎么包含材料的n和k 的信息的呢？ 为了解释这个，我们先要从单个界 面的光反射开始考虑。 n1, k1, t1 100% 60% IncidentReflected LAYER i AIRn0, k0 40% Example: air-layer interface Refracted 两个界面反射光强 我们看到反射强度依赖于折 射率和消光系数。 12 n1, k1, t1 100%40% 60% 30% 30% IncidentReflected 0% absorbed LAYER i AIRn0, k0 0% absorbed ns, ks 30% 30% absorbed SUBSTRATE 60%30% (简单模型，忽略多重反射) 对于多于一层的界面，有许 多个反射光线射出薄膜。 射线1的强度由n0, n1决定。 射线2的强度由n0, n1, ns,k1决 定。 两个界面相位 这样，当射线2离开膜层的时候 ，它就相对与射线1有一个延时 ，这个延时依赖于t1和n1。 12 n1, k1, t1 IncidentReflected LAYER i AIRn0, k0 ns, ks SUBSTRATE 射线2在厚度为t1的膜层中传播， 速度由反射率决定n1。 射线1没有进入膜。 射线1和2的光波就有了相位 差。 12 time 相位差的影响又与光的波长有 关。 不同相位干涉 最后的光强结果是在 40% - 30% = 10% 和 40% + 30% = 70% 中的一个值。 这个值依赖于： l两个射线的强度强度 l它们的相位差相位差 l光的波长波长 12 n1, k1, t1 100%40%30% IncidentReflected LAYER i AIRn0, k0 ns, ks SUBSTRATE 因为射线1和2不同相，所以它们 之间就形成了干涉。 光谱反射计 现在我们看到测量的反射光谱反射光谱可以分解为 ： l各个界面上的反射各个界面上的反射 l反射光之间的干涉干涉 l膜层材料对光的吸收吸收 这些都依赖于膜层参数： l厚度厚度 l折射率折射率 l消光系数消光系数 对于一个双层膜: R() = F(n1, k1, t1, n2, k2, t2, ns, ks) n2, k2, t2 n1, k1, t1 ns, ks 反射系数 反射系数 反射率（单层） r nn nn ij ji ji = + i i err err R + + = 1201 1201 1 测量的与理论光谱 反射光强与波长函数 的实验光谱被测量出 来。 软件中膜层的构建， 带来理论光谱。 如果膜层的构建是正 确的，那么两条光谱 会完美的拟合。 superposed DBS spectra for 8000 oxide/silicon 计算 有一些膜层参数是未知的未知的（或者不 是精确知道的），它们必须被计算 出来。这些参数在膜层模型中被当 作变量变量。 未知的未知的参数在膜层模型中不断变化变化 ，直到理论光谱能与测量光谱拟合 。 未知未知参数的正确值应该是那些使得 两条光谱完美拟合拟合的数值。 oxide/silicon representation: 8100 actual: 8000 非晶硅 Filmetrics软件软件Filmetrics软件软件 Filmetrics软件软件Filmetrics软件软件 设置好对应的膜层 结构与被测膜层的 参考厚度后，软件 就会根据这些参数 计算拟合测试得到 的干涉曲线，计算 出正确的厚度。 Filmetrics部分国外客户部分国外客户 3M Advanced Coating Apple computer Fujifilm Hewlett Packard Honeywell IBM MIT Philips Texas Instrument GE Global Research Center Valeo Filmetrics部分国内客户部分国内客户 卡尔蔡司光学有限公司 欧瑞康（上海）有限公司 厦门三安光电股份有限公司 厦门虹泰光电有限公司 湖南普照信息材料有限公司 清溢精密光电（深圳）有限公司 上海新傲科技有限公司 上海合晶硅材料有限公司 汉高华威电子有限公司 大连路美芯片科技有限公司 厦门乾照光电股份有限公司 中科