thick films: thickness measurement with mprobe

11
83 Pine Hill Rd. Southborough, MA 01772 Phone +1.617.388.6832 Fax. +1.508.858.5473 email: [email protected] http://www.semiconsoft.com Thin Film Measurement solution Software, sensors, custom development and integration MPROBE™ SPECTROSCOPIC REFLECTANCE SYSTEM: MEASURING THICK FILMS MPROBE™ system is used for a wide range of applications: practically any translucent film in 1nm ‐1mm range can be measured quickly and accurately. There are two basic methods of data analysis – model fitting/curve fitting and FFT decomposition of the measured spectrum. Model fitting is used for thin films: 1nm to 1 µm, FFT decomposition is used for thicker films. In the 1µm to 20 µm range, either FFT or model fitting can be used, depending on the application requirements. Fig. 1 Data analysis method depending on the thickness range. FFT decomposition is a very powerful and convenient method: it is fast, intensity drift/variations do not affect the results (low calibration requirements), it requires minimum information about measured product. FFT decomposition main drawback s a need for R.I. (refractive index) information and lower accuracy (as compared to odel fitting). i m elow are few examples that illustrate how FFT decomposition is used to determine hickness of the films. B t

Upload: semiconsoft-inc

Post on 12-Jun-2015

201 views

Category:

Technology


1 download

DESCRIPTION

MProbe VisHR is used to measure relatively thick film in 1um to 1000um range. Use of the thick film algorithm based on FFT make it very easy to do measurement inline. Polymer web is frequenlty include 3- 4 layer of different thicknesses. All of them can be measured simultaneously using MProbe system. Brochure: http://semiconsoft.com/html/download/brochure/MProbeVisVisHR_brochure2014.pdf

TRANSCRIPT

Page 1: Thick films: thickness  measurement with MProbe

83 Pine Hill Rd. Southborough, MA 01772 Phone +1.617.388.6832 Fax. +1.508.858.5473

email: [email protected] http://www.semiconsoft.com

Thin Film Measurement solution Software, sensors, custom development and integration

MPROBE™ SPECTROSCOPIC REFLECTANCE SYSTEM: MEASURING THICK FILMS 

 MPROBE™ system is used for a wide range of applications: practically any 

translucent film in 1nm ‐1mm range can be measured quickly and accurately. There are two basic methods of data analysis – model fitting/curve fitting and FFT decomposition of the measured spectrum. Model fitting is used for thin films: 1nm to 1 µm, FFT decomposition is used for thicker films. In the 1µm to 20 µm range, either FFT or model fitting can be used, depending on the application requirements. 

 

  Fig. 1 Data analysis method depending on the thickness range.  FFT decomposition is a very powerful and convenient method: it is fast, intensity drift/variations do not affect the results (low calibration requirements), it requires minimum information about measured product. FFT decomposition main drawback s a need for R.I. (refractive index) information and lower accuracy (as compared to odel fitting).  

im  elow are few examples that illustrate how FFT decomposition is used to determine hickness of the films.  Bt          

Page 2: Thick films: thickness  measurement with MProbe

1.

thborough, MA 01772 Phone +1.617.388.6832 Fax. +1.508.858.5473

email: [email protected]

MULTILAYER POLYMER WEB/FILM  

Multilayer polymer films are used for many application e.g. food packaging, stickers/labels, etc. In this example we will review a 4 layer polymer web with the following structure:  eparator/Silicon/Adhesive/PET film (substrate).  Silicon is a thin film (<1 µm) that nables “peel‐off” separator to expose adhesive of the sticker (PET film). Se 

ig. 2 Reflectance spectrum measured with MProbeVisHR (700nm ‐1000nm avelength range).  Sample 1  is a 4 layer polymer web (sticker). 

Fw 

 

83 Pine Hill Rd. Sou

 ig. 3 FFT decomposition data analysis of           indicate the thickness of the layers. 

http://www.semiconsoft.com

F  

the data (Fig. 2). Position of the peaks    

Page 3: Thick films: thickness  measurement with MProbe

FFT decomposition analysis creates a layer (peak) for every pair of 

interfaces, the position of this peak indicates the thickness of the layer and the height of the peak indicates the “quality” of the interface.  This mean that a 3 layer web should have 6 peaks (last peak being the total thickness).   These peaks are visible on Fig. 3. The Silicon layer (3*) peak is not displayed separately (the thickness is too low < 1µm), but it is displayed in a combination with Separator and Separator +Adhesive layers. The total thickness peak is also broadened because of the Silicon layer.   MProbe TFCompanion software can automatically identify the peaks and match them to the layers. It helps to know the structure of the measured product and the range of expected thicknesses. However, this information can also be glea  ned, in most cases, from the FFT decomposition itself and fed back in themodel.  Layers thickness constraints help software to identify peaks easily. 

FFT decomposition on Fig. 3 shows all the layers directly (except silicon layer).  Frequently, some of the layers are “hidden” or corresponding peak is too small to detect accurately. 

 

83 Pine Hill Rd. Southborough, MA 01772 Phone +1.617.388.6832 Fax. +1.508.858.5473

email: [email protected] http://www.semiconsoft.com

Fig. 4 Reflectance spectrum measured with MProbeVisHR (700nm ‐1000

 

nm                             wavelength range).  Sample 2  is a 4 layer polymer web (sticker).                             Sample 2 has the same structure as Sample 1 but, in this case, the                           thicknesses of  Separator and PET (Substrate) layers  are similar.    

     

    

Page 4: Thick films: thickness  measurement with MProbe

Hill Rd. Southborough, MA 01772 Phone +1.617.388.6832 Fax. +1.508.858.5473

email: [email protected]

  Fig. 5.  FFT decomposition data analysis of the data (Fig. 4).  FFT deconvolution of Sample 2 measurement (Fig 5) does not show Layer 3 directly – it manifests itself in the broadening of the L1 peak. It is possible to deconvolute L1 peak to determine L3 but a better way is to use the total thickness and L1+L2 information to determine L3. ifferential thickness option can be activated in the software to determine “missing” hickness from the total thickness (see Fig. 6) Dt 

83 Pine

  Fig. 6 Setting differential thickness option to determine thickness of the “hidden” layer/interface from the total thickness. Noise level setting helps separate Layer thickness data from the noise. 

http://www.semiconsoft.com

Page 5: Thick films: thickness  measurement with MProbe

 2

83 Pine Hill Rd. Southborough, MA 01772 Phone +1.617.388.6832 Fax. +1.508.858.5473

email: [email protected]

. ALUMINA (SAPPHIRE) LAYER MEASUREMENT.  

Alumina, parylene, yttrium oxide and many other thick layers have R.I. epending on deposition conditions. Using a library, stoichiometric  material, optical roperties with FFT decomposition can result in  inaccurate  thickness reading. dp 

Fig. 7. Reflectance of Alumina on glass measured with MProbe UVVisSR system (wavelength range: 200nm  ‐1000nm) 

 

 

 

terial      ig. 8  FFT decomposition of the data on Fig. 7. using library Alumina ma           properties.  The peak position indicates the thickness of 1164nm F

http://www.semiconsoft.com

   

Page 6: Thick films: thickness  measurement with MProbe

Direct  comparison of the model vs. measured data using   FFT  decomposition esults  shows that  refractive index (R.I.) value used in the model is not correct (Fig. ) r9 

  

esults  model  (red) and  measured data (blue)    ig. 9 Direct comparison of the FFT r           shows  that R.I. is not correct. F  

 

83 Pine Hill Rd. Southborough, MA 01772 Phone +1.617.388.6832 Fax. +1.508.858.5473

email: [email protected]

 ig. 10.  Direct fit of the model to measured                of  alumina.  Thickness 1202 nm. F  

 data to determine the thickness and R.I.  

http://www.semiconsoft.com

Page 7: Thick films: thickness  measurement with MProbe

83 Pine Hill Rd. Southborough, MA 01772 Phone +1.617.388.6832 Fax. +1.508.858.5473

email: [email protected] http://www.semiconsoft.com

   

  ig. 11.  Alumina R.I. determ                alumina  R.I. (red) F ine from the measurement (yellow)  and library      3. HARD COATINGS 

 Hard coating has many applications, in particular, it is deposited on the surface 

of polycarbon products like eyeglass lenses and headlight/taillight covers of the cars. When hardcoating is deposited it creates an Inter  Penetration Layer (IPL) in olycarbon. IPL is, typically, fairly thin (~ 1 μm). It is important for quality control o measure both the thickness of the IPL and hard coat layers.  pt 

Page 8: Thick films: thickness  measurement with MProbe

83 Pine Hill Rd. Southborough, MA 01772 Phone +1.617.388.6832 Fax. +1.508.858.5473

email: [email protected] http://www.semiconsoft.com

   ig. 12  Reflectance spectra of polycarbon with hardcoat sample  (headlight). easurement is taken with MProbe Vis system (wavelength range: 400‐1000 nm) 

FM  

 

ss   

he measurement data (Fig. 12). Differential thickneFig. 13. FFT decomposition of t               option is activated and IPL is determined from total thickness. Hard coat‐                 15.2 μm, IPL – 1.85 μm IPL layer has a R.I. in between polycarbon and hardcoat optical properties, so the optical contrast between IPL and both material is weak. As a result, direct peak from the IPL is very weak (on the noise level). Using differential IPL thickness 

rate determination from the total thickness solves the problem and gives accuresults.      In some cases, peaks are very weak or broadened/skewed so that determination of the thickness by apparent peak position maybe inaccurate.  

Page 9: Thick films: thickness  measurement with MProbe

I

mproved accuracy option use the fit to the peak’s shape and peak decomposition to determine more accurate position.  4 . POLYMER FILM ON METAL FOIL. 

Polymer films are frequently attached to metal surface.  There are cases, like attaching sensors or stress indicator, when the thickness of adhesive and polymer film need to be monitored for quality control.  

 

   

Fig. 14. Reflectance spectrum of polymer film on steel foil. Measurement is MProbe  Vis system in 700‐1000nm wavelength range.  r wavelengths light scattering reduced the usefulness of  

                taken with               (at shorte               the data)     Reflectance spectrum (Fig. 14) looks good but FFT decomposition (Fig. 15) 

shows that L1 (adhesive) peak and total thickness peak are small with the round top. L2 (polymer) peak is a bit skewed. Using Maximum precision option (Fig. 16) allows correction/improvement of the accuracy. 

83 Pine Hill Rd. Southborough, MA 01772 Phone +1.617.388.6832 Fax. +1.508.858.5473

email: [email protected] http://www.semiconsoft.com

Page 10: Thick films: thickness  measurement with MProbe

83 Pine Hill Rd. Southborough, MA 01772 Phone +1.617.388.6832 Fax. +1.508.858.5473

email: [email protected] http://www.semiconsoft.com

  Fig. 15     FFT deconvolution of the measurement (Fig. 14). ( Improved             accuracy   option is used). Adhesive 2.2 µm, polymer 9.2 µm    

                 

     Fig. 16. Setting Maximum Precision option in configuration         

Page 11: Thick films: thickness  measurement with MProbe

5

+1.617.388.6832 Fax. +1.508.858.5473 email: [email protected]

YTTRIUM OXIDE COATING  

Yttrium oxide coating is commonly deposited on critical elements of etching and plasma assisted deposition chambers due to its exceptionally low etching rate. Some of the thick Y2O3 coatings are deposited over a large area using several runs. This creates multiple sublayers in the coating. For quality control test y total thickness is, typically, required. ing, onl

 

   ig. 17. Reflectance spectrum of Y2O3 coating on ceramic. Measurement is               taken using MProbe Vis system in 700‐1000nm wavelength range. F     

 

aks   

     Fig. 18. FFT decomposition of the measurement data (Fig. 17). Multiple pe

83 PPhone

ine Hill Rd. Southborough, MA 01772

                    indicate sublayers due to separate deposition runs.  etermine total thickness (9.9 μm) in this case one    Total thickness   and Maximum accuracy options in  

http://www.semiconsoft.com

                    To accurately d                    needs to enable                    configuration.