光学表面分析仪已成为精密制造工具

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非破坏性测量技术正在走出实验室，进入工厂，对薄膜和其它复杂的镀膜进行实时评估。
在微电子、生物医学等许多产业中，了解现代材料的光学表面性质已经成为生产的关键组成部份。随着制造过程和产品复杂程度的增加，对薄膜厚度、化学成分等表面性质进行实时、在线的精确分析和控制就变得十分必要。这种趋势正在为非破坏性光学计量技术进入批量生产环境,特别是与薄膜有关的生产环境铺平了道路。
在历史上，最普通的表面分析技术是质谱技术和电子能谱技术。这些技术能测量任何固体材料外表层的化学和物理成分。使用最新的仪器,现在有可能识别表面的元素，能对这些元素进行定量的分析，精度可达十亿分之几，或者，绘制表面各类原子的分布图。
但是，这些技术在使用起来有许多限制：除了只能在实验室使用之外，这些仪器的设计都是以远离生产环境的孤立样品为分析对象的，从根本上说，它们对所测样品具有破坏作用。甚至，原子力显微术和激光诱导击穿光谱术也不适合对像半导体芯片、平板显示和数据存储头这样的薄膜产品进行在线分析。尽管，长期以来，人们总认为原子力显微镜是表面检查和分析的基本工具；认为激光诱导击穿光谱技术是正在出现的可以在工业部门使用的精密分析技术，因为，它只要求很小的样品。但是，这两种技术都有可能改变敏感样品的光学性质，所以，都不能用于在线分析。
J.A.WoollamCo.(Lincoln,NE)公司是研发和生产分光椭偏计的一家主要公司。该公司的工程师JamesHilfiker说：“半导体产业正在向越来越薄的薄膜方向推进,SIMS分析和其它溅射深度分布技术对样品的破坏极大,而在用扫描电子显微镜和透射电子显微镜时，通常必须对样品进行切割，然后从边上对样品进行扫描。在生产环境中，你能经常这样做吗？”
这些问题促使人们去发展更加精致的光学仪器，特别是发展能在生产环境中对薄膜进行实时分析的光学仪器。这些光学仪器包括散射仪、反射计、表面光度计和椭偏计。现在，它们能为微电子以外的许多行业提供实时的表面质量和薄膜厚度数据。这些行业包括药品、摄影、建筑、法院等，甚至还可以用于飞机、火车和汽车的防腐保护。
OceanOptics(Dunedin,FL)公司的销售副总LeewardBean说：“利用光纤来传输光，为薄膜测量插上了新的翅膀，它大大提高了仪器的功能和灵活性，使薄膜分析得益非浅。许多事情用老的仪器是不可能做到的”。
薄膜计量
大多数非破坏性表面分析技术是以光的反射为基础的。例如，光学表面光度仪通过光学干涉测量表面的粗糙度，为表面形貌提供非接触测量，用途很广，如厚膜测量、集成电路包装和摩擦学应用。例如，来自Solarius(Sunnyvale,加州)的LaserScan表面光度仪的测量范围达10毫米,垂直分辨率小到0.01μm（见图1）。在集成电路包装中，LaserScan可用来分析热扭曲、导线共面程度、激光打标和接触粗糙度等；在厚膜测量应用中，该系统能精确测量生产参数，如印刷电阻层、导体路径和激光修整结构等。LaserScan光学表面光度仪是一个共焦的点传感器，它使用点光源和探测器针孔来识别深度。来自点光源的激光束通过物镜聚焦在样品上，该物镜能快速上下移动。当样品位于物镜的焦平面内时，光强度最大。但是，当物镜离开样品更近或更远时，到达针孔的反射光就不再是聚焦的光，这样的是不能通过探测器针孔的。只有当最大的光通过该针孔时，才会有探测信号出现。对被照明点高度的精确测量则是通过连续沿z轴扫描来实现的。但是，现在对薄膜分析的需要日益增多，薄膜的厚度也变得越来越薄。最普通的薄膜特性测量法有二个：光谱反射系数/透射系数法和分光椭偏法。例如，来自OceanOptics的NanoCalc薄膜反射系数测量系统，就是利用反射系数来测量整个波段内的薄膜反射光量，测量时，入射光是垂直于表面入射的。NanoCalc是为测量光学层厚度而设计的，测量的厚度范围从10nm到大约250μm，将它用于现场，进行在线厚度测量和去除率测量是最理想的。它还可以用来测量氧化物、SiNx、光刻胶、半导体膜，防反射膜、防擦伤膜等薄膜的厚度，用来测量在钢、铝、黄铜、陶瓷和塑料等衬底材料上面的粗糙层厚度。
多年来，分光反射计，如NanoCalc，一直是光学半导体测量的主要设备,而椭偏计则只能在单一波长和固定入射角下运行。但是，最近,多波长分光椭偏计已经出现，可用它来精密测量镀膜的坚固性和它们的光学性质。椭偏计在100年前就发明了，但直到近10年来，由于电子学和计算机的巨大进步，它才在工业部门获得了广泛的应用。
一般说来，椭偏计是以测量来自材料表面的反射光或透过材料的透射光的偏振椭圆状态为基础的。通过研究界面引起的变化，特别是,材料和偏振光相互作用时的相位变化，人们就可以测量物理系统的基本光学性质,包括折射率、吸收系数、表面粗糙度、合金浓度和厚度等。单波长椭偏计只能测量二个参数,而分光椭偏计则能分析复杂的结构,如多层结构、界面粗糙度、不均匀薄层和各向异性层等。除了非破坏性特点之外，椭偏计的优点还有：敏感度高(由于测量的是反射光的相位)、测量范围广(从单层的一小部分到几微米)和具有实时控制复杂过程的能力。
在分光椭偏技术方面，做得最好的公司就是J.A.Woollam公司。它是由JohnWoollam于1987年创办的，JohnWoollam是Nebraska大学(Lincoln,NE)的工程教授和在该领域的学术带头人。Woollam曾在该校用椭偏测量术研究用于高频电子器件的新型半导体材料，如砷化镓和铝镓砷，但没有获得成功，因为在那时，他用椭偏计和计算机获取数据，大约需要20分钟才能获得一个波长的数据，要获得整个波段的数据需要几个小时甚至一天。因此，他决定要使整个测量过程实现自动化。
Hilfiker说：“我们看到了用椭偏测量术进行快速测量的必要性和迫切性。以前，你可能要把样品放在那儿，等上一个小时(或更长时间)才能得到结果。因此，我们在二十世纪90年代，做了许多研究工作，目的是开发适合于实时控制过程的快速分光椭偏计。许多用户希望能在生产过程中进行测量，而不想将样品从测量室中取出。用二极管列阵或CCD收集信号,我们现在可在一秒钟之内拿到数据,从而开辟了许多新的应用”。
快速分光椭偏测量术测量能绘制薄膜形貌图，从而可帮助工程师们为获取均匀镀膜，将沉积条件调到最佳状态。图中显示的是K电介薄膜的厚度(单位是埃)，在沉积过程中，故意使沉积条件变坏，以显示如图所示的莲蓬头效应(靠近莲蓬头站立时候,你会感觉到个别水流,而不是均匀的喷雾)
Hilfiker说：这些应用包括半导体制造(控制硅集成电路的薄膜性质和开发新型光刻胶)、数据存储(测量读/写头上的极薄碳膜)、平板显示、磁光材料、铁电体及其它保护膜,如剃刀刀锋上或拖拉机零件等(见图2)。
正在出现的薄膜应用包括生物材料界面的研究,如附在不同类型表面上的蛋白质膜。使用分光椭偏测量术,Woollam正在研究和刻画分子层的特征，这些分子层可以薄到几个纳米厚的单分子层。Hilfiker说：“当某些东西真正变得非常薄时，其它的分析技术就会土崩瓦解，但分光椭偏测量术则可用来测量相位信息，这种信息对小于10纳米的薄膜来说是非常重要的”。
综合光学表面分析仪
一些仪器开发商相信：提供更多表面或镀膜信息的最好办法是把几种技术综合在一起，主要理由是：不同缺陷产生的信号，容易被一种光学技术探测，但采用另一种技术时，却很难发现1。例如，表面光度仪能发现小丘，或透明晶片上的类似问题，但沾污只能用椭偏计或反射计探测。同样地，散射计不能探测的浅坑，用椭偏计却能清楚地探测出来。
这是CandelaInstruments(Fremont,CA;nowadivisionofKLA-Tencor)综合光学表面分析仪(OSA)的主要设计思想。将OSA、椭偏计、反射计、散射计和光学轮廓计组装在一个光学头内,就可以同时测量许多表面缺陷，并对它们进行分类。在这个OSA中，有一个激光器，它产生的激光束沿大入射角的方向传播,允许它与衬底表面发生相互作用，并从表面反射(或散射)出来。反射光束进入光学轮廓计、反射计和椭偏计通道。散射光束通过积分球探测。此外，OSA还用一个空间滤波器来阻止从透明晶片背面反射回来的信号,使OSA只能看到透明晶片上表面的缺陷。这一技术已经成功地用来探测和分类坑、突起、沾污、擦伤、微粒和晶体缺陷(见图3)。据Candela的技术副总裁StevenMeeks说：OSA能检查透明晶片，这种透明晶片被广泛用于高亮度LED、激光二极管和下一代集成电路,如在混合汽车、雷达系统和电源中使用的集成电路。
在蓝宝石上的GaN层中，某缺陷的镜面反射像(上图)放射状形貌图(下图)。它们表明：衬底里面的裂缝已经影响到外延生长。镜面反射信号随该层光学性质的变化而变化，从而引起干涉条纹。拓扑信号随表面高度变化而变，它表明缺陷中心有一个坑，缺陷的直径约为1.5毫米。
他说：“这是一个多功能工具,一些用户测量形貌以确定衬底的粗糙程度,而另外一些用户则对微小管道感兴趣,如表面有多少微管，以及它们如何分布等。但是，在数据存储、缺陷探测和过程控制领域，这种仪器已经变成了一种标准设备，化合物半导体工业也有同样的需要。人们可以从同样的检测技术中受益：改善工艺过程，提高产量”。