薄膜和工程表面被用于无数的应用,包括半导体电子,数据存储和精密光学。在许多情况下,这些器件组件的表面粗糙度和相关纹理直接影响其整体质量和性能。表面粗糙度和形貌的测量是必要的,无论是验证单个加工步骤还是获得最终产品的质量控制度量。

表1。表面表征工具的比较。非afm工具的规格是商用仪器的典型范围。* AFMs和扫描电子显微镜都可以提供除了形貌之外的材料特性信息。例如,AFMs可以测量许多电学特性(如电导率、介电常数)、力学特性(如弹性模量)和功能特性(如压电响应)。

最适合于表面粗糙度测量的仪器的选择很大程度上取决于被测量的特定材料以及其表面特征的预期尺寸和形状。随着器件尺寸的不断缩小,在纳米级甚至更低的尺度上表征表面粗糙度变得越来越重要。通常用于这一目的的工具包括干涉光学轮廓仪,扫描电子显微镜和原子力显微镜(AFMs)。其中,AFM是唯一一种能够提供无与伦比的三维空间分辨率和测量大多数类型材料的技术(表1)。AFM通过成像地形(高度)提供完整的三维表面量化,如图1所示。

图1所示。碳化硅晶片形貌[6H SiC(0001)]。该图显示了图像中白线之间的平均剖面图,并给出了相邻梯田之间的台阶高度为3.03±0.08 Å。

原子力显微镜

AFM形貌图像可以提供整体表面形貌信息,可以揭示缺陷,可以区分非晶态和晶态,还可以识别成核和生长模式。此外,可以对图像进行分析,以计算面表面粗糙度参数,如Sa (3D粗糙度平均值)和Sq(均方根粗糙度)或晶粒和区域大小的统计。此外,个别的线段可以用来确定台阶高度,薄膜厚度,甚至晶格间距。

虽然afm提供了许多优点,但重要的是要注意,并不是所有afm都提供相同的功能、性能和易用性。例如,一些型号提供非常高的性能,但只能容纳一个小样本(通常12厘米)一次。木星XR是一种高性能原子力显微镜,可以容纳大样本,如200毫米晶圆或几个小样本阵列。此外,商用afm仍在快速发展,所以新型号可能与那些只有几年历史的机型有很大不同。例如,一些AFMs仍然使用过时的压电管扫描技术。这种扫描仪的设计限制了较慢的图像采集时间(每个站点5-10分钟或更多),受到更多的成像伪影的影响,并且具有极其精致、容易破碎的部件,使它们的健壮性和可靠性大大降低。

牛津仪器公司最近推出了庇护研究木星XR AFM。Jupiter利用Asylum在开发高性能AFM方面的经验,提供了一个全新的AFM,具有大的可检测区域,提供高分辨率的图像,可靠的亚纳米粗糙度测量,以及高吞吐量和高测量信心。图3-6中的案例研究对这些优点进行了更详细的讨论。

图3。光面打印纸的形貌图像表明,除了Sa参数外,高度参数能更全面地描述表面。偏度(Ssk)是相对于平均值的特征分布的度量,其中Ssk > 1表示一个由峰主导的表面,而Ssk < 0表示一个有凹坑或山谷的表面。峰度(Kurtosis, Sku)对峰顶和凹坑的锐度很敏感:Sku > 3表示特别尖锐的特征,Sku = 3表示正态分布的表面,Sku < 3表示变化更趋平缓的表面。(z)在很宽的扫描尺寸(100 μm, 195 nm像素尺寸)上,涂层表现出更长的波形(Ssk=-0.49, Sku=0.58, Sa=235.8 Å)。然而,在较小的扫描尺度(5 Zμm扫描尺寸,10 nm像素尺寸)中,涂层还明显含有较细的晶粒结构,并散布有凹坑(Ssk= 1.49, Sku=3)。l5, Sa = 23 l。l A)。虽然表面粗糙度在两种长度尺度上非常相似,但偏度和峰度参数准确地描述了长尺度上的渐进式滚动波纹和小尺度上的凹坑表面。

木星XR AFM在标准配置中提供了一个8英寸、完全可寻址的可检测样品台,这意味着它可以容纳直径为210毫米、厚度为35毫米的大样品。或者,多个较小的样品(例如,那些安装在~10毫米的样品盘上)可以磁性地安装在样品台上进行连续检查。完全可寻址的机动采样台允许图像在200 × 200毫米的任何地方获得2量程不需要样品旋转。全晶圆可及性允许更快的晶圆检查,从而提高产量和生产率。

案例研究#1:光滑纸涂层工艺的表面表征

纸张涂料的配方、形态和表面粗糙度直接影响印刷质量和外观。这些特性是精心定制不同的印刷工艺,油墨和预期的最终用途。虽然大规模涂层的均匀性显然很重要,但纳米级涂层的表面粗糙度对墨水与纸张的相互作用有很大的影响。AFM是这种表征的首选工具。

图3显示了使用木星XR AFM成像的消费级喷墨相纸的例子。这些图像显示了不同长度尺度下的表面表征优势。100 μm全扫描范围的图像显示了纸张的波纹(较暗的区域较低,较亮的区域较高)和一些划痕(用箭头表示)。这些AFM数据提供了有关产品质量的信息,并可能影响处理程序,以防止刮伤和纸张弯曲。邻近的5 μm尺寸图像为本样品细晶粒结构的均匀性提供了直观的认识,可为今后的工艺优化提供参考。

Asylum已应用其先进AFM技术的核心,以确保Jupiter可以测量比其他表征技术的检测阈值低的表面粗糙度。此外,庇护研究AFMS可以测量比大多数其他AFM低2-4×的粗糙度。超低噪声底板 - 机械和电子仪器测定的最小可分辨高度为0.25Å,允许精确测量云尺度粗糙度。

图4。不均匀的晶粒尺寸经常在外延硅层中观察到,特别是在靠近晶圆边缘的地方,工艺条件可能发生更大的变化。如图所示,在150毫米(6英寸)晶圆片上的一系列位置在软件中预先定义,并用于自动例行获取地形图像。(A) Sa=0.785 Å晶圆边缘200 μm图像。(B)距边缘1.6 mm处图像,Sa=0.833 Å。(C)图像获取距离边缘62.4 mm(距离中心12.8 mm), Sa=0.902 Å。

高吞吐量和提高的生产力也是需要考虑的重要因素。木星的成像速度比大多数AFMs快5-20倍,因此单张图像通常可以在不到2分钟和不到15秒的时间内获得(取决于扫描范围和整体粗糙度)。此外,它的高速电动样品台在5秒或更少的地点之间移动,精度为千分尺。如案例研究#2所述,高速扫描和定位与自动图像采集相结合时尤其有价值(见图4)。

案例研究#2:外延硅片粗糙度的自动检测

外延层在现代半导体加工中很常见。硅外延工艺允许使用不同掺杂类型和浓度的精确层,而III-V化合物和其他材料的异质外延层可以提供更多的选择。外延层的另一个好处是,与化学机械抛光制备的基材相比,外延层的表面粗糙度极低。图4显示了外延硅层晶圆上的粗糙度测量示例。它展示了木星测量埃级粗糙度的能力,以及在晶圆不同位置进行自动化测量的能力。

图5。这些玻璃圆盘介质基板的地形图像是经过15h无人值守操作(每幅图像约54秒)获得的1000幅图像序列中的第一个和最后一个。在每张图片中,插图是左下角区域的数字放大图,以帮助显示更精细的结构。从图中可以看出,在整个时间段内,测量的粗糙度Sa保持在1%以内,这表明了blueDrive轻拍模式成像带来的显著稳定性。

独特的blueDrive™悬臂激励使高测量置信度和可靠性。表面粗糙度测量经常影响关键的业务决策,因此测量可靠和仪器可靠是至关重要的。与使用压电激励的传统AFMs相比,Asylum公司独有的blueDrive轻拍模式技术提高了成像稳定性。这延长了针尖的使用寿命,进而使粗糙度结果更加一致和可重复(参见案例研究#3,图5)。

案例研究#3:磁盘驱动器介质的质量控制

在需要大量廉价数据存储的应用程序中,磁性硬盘驱动器继续主导固态驱动器。这一优势一直保持在持续增加的数据存储密度的磁盘媒体。要达到这样的高密度,就需要相应降低介质的粗糙度。图5中的例子显示了现代润滑圆盘介质基底上的粗糙度测量。通过超过15小时无人值守的1000幅图像,它展示了极端的测量保真度和高测量吞吐量。

案例研究#4:化学强化显示玻璃的质量保证

图6。许多显示玻璃的应用要求表面粗糙度低,耐磨性高。(左)每个地点52秒内常规粗糙度测量的例子。当扫描尺寸为1 μm时,图像得到Sa=9.70 Å。(右)玻璃样品被金属镊子有意地刮伤,并完成了大面积图像(30 μm扫描尺寸)来表征刮伤的尺寸。图中白线对应的轮廓显示,损伤实际上是由一系列细小的平行划痕组成的。在实际的QA测量中,这种测试可以使用校准负载来启动划痕(例如,通过摩擦计)。

由于化学加强的展示玻璃,今天的移动设备比以往任何时候都更加有弹性,肿块和划痕更具弹性。这些特殊的玻璃制剂经历了离子交换过程,其中表面附近的钠离子被钾离子代替,产生压缩表面应力,该压缩表面应力显着强化玻璃板。图6显示了在不同长度尺度上获取的化学增强的显示玻璃的测量。图像展示了如何使用灵活的扫描范围和卓越的分辨率来监测整体粗糙度和划伤性。

本文由Ted Limpoco博士撰写,他是牛津仪器庇护研究所(Concord, MA)的应用科学家。欲了解更多信息,请联系牛津仪器公司在这里或访问在这里


Photonics&Imaging Technology杂志

本文首次发表于2020年9月号光子与成像技术杂志。

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