測定の原理

膜厚測定原理と表面形状測定原理

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光学式測定とその他測定手法の比較

膜厚および表面形状測定法には、大きく分けて光学式(非接触)と接触式(破壊式)の2つに分けられます。以下に非接触光学式と接触式測定法の種類の比較を示します。

 

  方式  形 状 
粗 さ
 膜 厚   測 定 
種 類
分解能 前処理 スピード  価 格 








白色干渉式:
プロフィルム3D
段差 不要
反射分光式:
F20,F40,F50
× 不要
エリプソメーター × 不要 × ×
共焦点レーザー
顕微鏡
段差 線(面) 不要






触診式段差計
3次元形状測定器
段差 Z軸
依存
×
原子間力顕微鏡:
AFM
段差 線(面) ×
電子顕微鏡断面
観察:SEM
断面 × ×
マイクロメーター
ダイヤルゲージ等
× × × 不要 ×
電気的測定:
渦電流式
× ×
重量換算法 × ×

 

 

各測定法の特徴

非接触光学式測定手法

方式 特徴・利点・欠点
白色干渉式
(プロフィルム3D)
干渉対物レンズを使用して白色光を照射し、サンプル表面からの反射と干渉レンズ内の参照ミラーで反射した光によって干渉縞像が観察される。レンズを微小に上下させると干渉縞の現れる面が高さ方向で変化することから、干渉縞像の変動を表面形状として捉えることができる。
干渉縞像をカメラで捉えるので、一度に大きいエリアで表面形状が測定可能。測定時間が早く、精度も高い。
横分解能はカメラの分解能と対物レンズの倍率、レンズ分解能(どこまで光が絞れるか)よって決まるが、深さ方向の分解能はサブナノレベル。段差があれば膜厚測定も可能。
干渉縞が現れない程の傾斜や、非常に粗さの大きい低反射サンプルの測定は難しい。
反射分光式
(フィルメトリクス
Fシリーズ、光干渉式)
膜に白色光を照射し、膜の表面からの反射と、膜を透過して基板との界面での反射光を分光することで、膜厚や光学定数を測定する手法。非接触でベタ膜の測定が可能。
分光波長範囲と分光分解能によって、数十ナノレベルの膜厚からミリメートルの基板厚まで幅広い測定が可能であるが、基本的に光が透過する膜が対象。(目視で透過していなくてもUVか近赤外光が透過すれば測定可能)光を透過しない厚い金属膜、粗さが大きく反射光が戻ってこないサンプル、基材と膜の界面で反射が得られないサンプルは測定不可。光を捉えるスポット径で測定するためポイント測定だが、測定が高速であるため膜厚マッピングも可能。装置がシンプルで測定が簡便。比較的安価。
エリプソメータ 2種の偏光をサンプルにある角度で照射し、反射して戻って来た2つの偏光の差(位相差、反射振幅)を捉えることで、膜厚や光学定数を求めることができる。入射光に角度があるため比較的薄い膜の測定や多層膜の測定に威力を発揮するが、装置が複雑になりやすく、パラメータが多い分アルゴリズムが複雑で計算に時間がかかる。分光式は非常に高価。
共焦点式
(レーザー変位計、
レーザー顕微鏡)

共焦点の光学系を使用するとレーザー光を1点に集中することができるため、サンプルにレーザーを照射しながら光学系高さを調整すると焦点が一番合った位置で反射強度が最大となる。その高さを記録しながら反射の最大強度が得られるようスキャンすることで、2次元の表面形状が得られる。

一度にスキャンするエリアが限られるため、測定に時間がかかる。焦点の合いにくいサンプルや微妙な高さで焦点位置を捉えにくいサンプルでは高さの情報が得られにくい。顕微鏡でありながらもポイント測定となる。

 

接触式測定手法

方式 特徴・利点・欠点
触診式
(触針式段差計、
3次元測定器、
AFM、SPM等)

針(スタイラス、探針等)でサンプル表面をなぞって形状を測定する手法。

針をスキャンすることで面の形状プロファイルデータが得られる。段差や表面の形状が測定でき、光を通さない金属等の段差測定が可能。
針が小さい場合はサンプルへの負荷が小さく、微小な表面の形状を高精度で測定可能だが、広いエリアや大きい段差を測定するには不向き。

大きい形状を測定する場合は大きい針を使用するが、その場合は細かい形状や粗さ測定は難しい。柔らかい表面やウエット表面の測定は難しい。広い面データを得るには多数のスキャンが必要で時間を要する。

顕微鏡断面観察
(SEM、TEM)
サンプルを薄く切断し、切断面を観察することで微小な表面の形状や膜の層構造を捉える方法。
断面が画像で得られるため、基板から多層膜構造、膜の界面まで一度に観察できるが、きちんとした断面を得るための前処理が不可欠。
破壊検査で局所観察のため、場所による変動は取得しづらい。観察サンプルの作製に測定結果が依存するため。測定前処理が難しく時間がかかる。装置が大掛かりで高価である。
直接接触測定
(マイクロメーター、
マイクロゲージ、
重量換算法)

サンプルのトータルの厚みを測定するのに最も簡単で単純な方法。測定に用いる機器の分解能や、測定者のスキルに測定精度が依存する。
重量換算法では、膜のあるサンプルとないサンプルの重量とサンプル面積、材料の密度や体積重量から膜厚に換算するため、誤差要因が大きく局所の評価は不可能。比較したエリアの平均膜厚しか得られない。

電気的測定:
渦電流式、電磁式

膜の表面にプローブを接触させて電気を流すと、膜面と基材面の距離によって渦電流や電気的特性が変動するため、それを膜厚に換算する手法。

基材が導電性もしくは非磁性金属であることが必要だが、そうでない場合は電極を貼り付ける必要がある。

小型なタイプが多く安価ではあるが、検量線が必要であり、薄膜ほど誤差の影響が大きくなる。

 

 

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製品情報
Profilm3D 3次元表面形状測定システム
F20 膜厚測定システム
F10-RT 反射・透過・膜厚測定システム
aRTie 反射・透過・膜厚測定システム
F3-sX 基板厚測定システム
F3-CS 卓上膜厚測定システム
F40 汎用顕微鏡モデル
F40-UVX 紫外・近赤外対応顕微鏡モデル
F50 自動膜厚測定システム
F60 アライメント自動膜厚測定システム
F54 顕微式自動膜厚測定システム
お知らせ一覧
2017年12月13日~15日に東京ビッグサイトで開催される「SEMICON JAPAN」に出展します。皆様のご来場をおまちしております。
2017年10月31日~11月1日に筑波大学東京キャンパスで開催される「OPJEXPO 2017」(日本光学会附設展示会)に出展します。
2017年9月13日~15日に東京ビッグサイトで開催された「測定計測展」に出展しました。皆様のご来場に感謝します。

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