Schichtdickenmessung

Zerstörungsfreie Bestimmung der Schichtdicke von einigen Millimetern bis zu 10 Nanometern

Schichtdicken optisch messen

Hier ist die „richtige“ Schichtdicke wichtig

Die Einsatzbereiche, in denen Schichtdicken und sehr dünne Beschichtungen über Funktion oder Effizienz entscheiden, sind zahlreich. Bei der Herstellung von Smartphones, technischen Gläsern oder Brillengläsern, modernen Bildschirmen, Autoteilen und –lacken, sowie hunderten anderen Produkten sind Schichtdicken und Dünnschichten von großer Bedeutung.

Aber auch in Industrien wie Photovoltaik (Dünnschicht), Medizintechnik, Halbleiter, OLED und Optik spielen frei tragende Schichten (z.B. Folien), Einzelschichten oder Mehrschichtsysteme eine wichtige Rolle.

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photoresist

Für jede Schicht das passende Messverfahren

Antireflexionsschichten (ARC), Photoresist, Hartstoffbeschichtungen, Transparente leitfähige Oxide (TCO), Zinndotierte Indiumoxide (ITO), Drug Eluting Films oder auch Materialien wie z.B. Silizium, die bei sichtbarem Licht nicht transparent sind, lassen sich dank der großen  Sensorauswahl mit verschiedenen Lichtquellen, Messfleckgrößen und Dickenmessbereichen zuverlässig bestimmen.

Unsere Experten setzen optische Schichtdickensensoren mit interferometrischen und reflektometrischen Verfahren ein, sodass Schichtdicken von einigen Millimetern bis zu 10 Nanometern zerstörungsfrei bestimmt werden können.

Dünnschichten

Hauchdünne transparente Schichten verhindern Kratzer und minimieren Reflexionen. Solche kratzfesten Beschichtungen kennen Sie alle, ob auf Kunststoffoberflächen oder Linsen. Neben funktionalen Beschichtungen werden auch Veredelungsschichten sowie Schutz- und Isolierschichten auf Mikroelektronik immer dünner, während die Ansprüche an die Qualität und Homogenität steigen. Für die Funktionsfähigkeit sind die Schichtdicke und Dickenvariation oft entscheidend.

Photovoltaik


thin film thickness

Anwendungsbeispiel 1: Sehr dünne Folien

Optional lässt sich für die Messung dünner Folien ab 2 µm Dicke ein Sensor einsetzen, der die Interferenz des an der Folienoberseite und Unterseite reflektierenden Lichtes auswertet. Ein modifiziertes Verfahren ermöglicht auch hier Topographiemessungen für die Charakterisierung der Folienoberflächen. Beide Sensoren können im MicroProf® kombiniert werden. Darüber hinaus wird ein Reflektometer für die Messung von Dünnschichtsystemen eingesetzt. Mit dem FTR-Sensor lassen sich Schichtdicken ab 10 nm mit einer Auflösung von 1 nm bestimmen.

lens

Anwendungsbeipspiel 2: Linsenbeschichtungen

Auch die Schichtdickenbestimmung von optischen Beschichtungen in Form von Dünnfilmen, oder auch Schichtstapeln, ist in der modernen Messtechnik besonders relevant. Schichtdicken bis zu einigen Nanometern werden bestimmt, wobei die Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich liegt. Linsenrauheiten können bis in den Sub-Nanometer-Bereich bestimmt, sowie Topographiemessungen der Probenoberfläche durchgeführt werden. Weitere Anwendungen sind Defekt Inspektion von Linsen.

Anwendungsbeipspiel 3: Bestimmung der undurchsichtigen Kupferschicht

Das vorliegende Schichtsystem befindet sich auf einem Wafer und besteht aus einem undurchsichtigen Siliziumsubstrat, einer darüber liegenden transparenten Oxidschicht und in einem begrenzten Bereich darüber liegender undurchsichtigen Kupferschicht. Um die Dicke der Kupferschicht zu bestimmen misst der Topographiesensor die Dicke der Kupferschicht inklusive der transparenten Oxidschicht. Des Weiteren misst man mit einem Schichtdickensensor separat die Dicke der transparenten Oxidschicht. Durch Subtraktion der Oxiddicke von der zuvor ermittelten Gesamtdicke erhält man die gewünschte Stufenhöhe der Kupferschicht.

Hybrid-Metrologie

Aufgrund des von uns verfolgten Multi-Sensor Konzepts bietet sich die Möglichkeit mit unterschiedlichen Sensoren eine Messaufgabe zu lösen, indem jeder Sensor eine Messung durchführt und die verschiedenen Ergebnisse kombiniert werden. Nicht direkt messbare Parameter ermitteln mit hybrider Metrologie!

FTR Sensor

Der FTR-Dünnschichtsensor, von FRT entwickelt, basiert auf der spektral aufgelösten Reflexionsmessung und einer hochentwickelten Auswertesoftware. Die Bestimmung der Dicke dünner Schichten mit dem FTR Sensor beruht auf der Überlagerung von Teilwellen, die an den Grenzflächen des dünnen Films reflektiert werden.

Die Auswertung dieses spektralen Interferenzmusters mit FRT eigener Software liefert die Informationen zur Schichtdicke mit Nanometerauflösung. Die Ergebnisse werden erfasst, ausgewertet und letztlich visualisiert. Der FTR Sensor beinhaltet auch eine umfangreiche, vom Anwender leicht zu ergänzende Datenbank mit Brechungs- und Absorptionsindex einer Vielzahl von Halbleitern, Oxiden, Gläsern, Metallen, Resists etc. Für die automatisierte Messung (Punktmessung, Linienprofil oder 3D-Mapping) können Rezepte zusammengestellt werden.

Es werden mit dem FTR-Sensor eine hohe Auflösung, Genauigkeit und Wiederholbarkeit bei der Schichtdickenbestimmung erreicht.

Nanometer sind so klein, dass es schwierig ist sich diese „Größe“ bewusst zu machen. Ein Nanometer verhält sich zu einem Meter wie der Durchmesser einer 1-Cent-Münze zu dem des Erdballs (Link: Hamburger Abendblatt).

Heutzutage sind in den meisten Fällen Schichtdicken im unteren Nanometerbereich zu messen.

Schichtdicken in 3D visualisieren

Die Geräte unserer MicroProf® Serie verfügen neben der Möglichkeit Punktmessungen und Profilmessungen vorzunehmen, auch über einen 3D-Mapping Modus, mit dem die Homogenität einer gesamten Beschichtung evaluiert werden kann. Hersteller von beschichteten Produkten wie Solarzellen, technischen Gläsern, CD's und DVD's aber auch Halbleiter und Mikrosystemtechnik, nutzen diese Form der 3D-Darstellung, um auf einen Blick sehr schnell Fehlerquellen und Optimierungspotenziale im Beschichtungsprozess zu finden.

Auf dem Bild sehen Sie die Schichtdicke eines transparenten Klebefilms.

Bis zu 100 Millionen einzelne Messpunkte!

Für die 3D-Darstellung wird die beschichtete Oberfläche zunächst mit Hilfe eines motorisierten x,y-Tisches unterhalb des Schichtdickensensors berührungslos abgerastert. Bei diesem Vorgang fallen bis zu 100 Millionen einzelne Messpunkte an, die mit leistungsstarker Hard- und Software automatisch zu einer hoch aufgelösten 3D-Darstellung der gesamten Beschichtung verrechnet werden. Daran lassen sich dann per Mausklick gezielt Informationen über die spezifische Schichtdicke an einer gegebenen Position abrufen, Profile erfassen oder die gesamte Homogenität der Beschichtung bewerten.

Auf dem Bild sehen Sie eine Siliziumoxidbeschichtung auf einem Silizium-Wafer.

Schichtdicke mit leistungsstarker Technik messen

FRT bietet für jede Schicht das passende Oberflächenmessgerät: Ob Labor, Entwicklung, Qualitätssicherung oder Produktion – mit den Multi-Sensor Messgeräten aus der MicroProf® Serie können Sie unkompliziert und berührungslos Ihre Beschichtungen messen. Die Bestimmung der Schichtdicke kann mit Topographiemessungen kombiniert und auch vollautomatisiert durchgeführt werden.

Je nach Aufgabenstellung kommen unterschiedliche Sensoren zum Einsatz: Für die Bestimmung von Schichtdicken im Sub-Mikrometer Bereich, von wenigen zehn Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern, sowie für die Analyse komplexer Mehrschichtstrukturen mit hoher Auflösung wurde der FTR Sensor bei uns im Hause entwickelt. Je nach Anforderung wird der Dünnschichtsensor in Varianten mit verschiedenen Wellenlängenbereichen eingesetzt, so dass für unterschiedliche Materialien und Schichtdicken entsprechend optimale Messbedingungen geboten werden. Für kleine Strukturen kann die laterale Auflösung auf bis zu 5 µm erhöht werden.

Die Auswertung der Reflexions­spektren des interferometrisch arbeitenden Sensors erfolgt mittels einer mit unseren Schichtdickenexperten entwickelten leistungsfähigen Software: Je nach Schichtdicke und Schichtsystem kommen hier sowohl eine Auswertung mittels FFT (Fast Fourier Transformation) als auch mittels eines modellbasierten Fits auf Basis der Materialdaten oder einer Kombination aus beiden Methoden zum Einsatz. So können sowohl sehr dünne Schichten im Nanometerbereich mit hoher Auflösung analysiert als auch schnelle Messergebnisse erzielt werden. Eine umfangreiche, vom Anwender leicht zu ergänzende Datenbank mit Brechungsindizes und Absorptionskoeffizienten einer Vielzahl von Materialien wie Gläser, Halbleiter, Oxide, Kunststoffe usw. ist im Lieferumfang enthalten. In Verbindung mit unseren Messsystemen können mit dem FTR neben Punktmessungen auch Schichtdickenprofile und -mappings mit hoher lateraler Auflösung erzeugt werden.

Darüber hinaus ist mit diesem Sensor die Analyse von Mehrschichtsystemen mit bis zu zehn Schichten möglich. Dabei können auch beidseitig beschichtete, transparente Substrate modelliert werden. Ebenso können Bauteile charakterisiert werden, bei denen sich das Schichtsystem zwischen dickeren Materialien befindet wie beispielsweise bei OLEDs, die auf der einen Seite mit Glas verkapselt sind und auf der anderen Seite eine Metallelektrode besitzen.

Wenn Sie Fragen zu einer Anwendung haben, helfen unsere Experten Ihnen gerne weiter.

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