Độ chính xác đáng kinh ngạc trong việc xác định đặc điểm bề mặt với máy đo biên dạng Dektak® Stylus
Trong nhiều quy trình sản xuất chất bán dẫn, lớp phủ quang học và hệ thống vi điện tử (MEMS), cũng như nghiên cứu về thiết bị điện tử và cảm biến có tính dẻo, dựa vào các phép đo độ dày hoặc độ sâu khắc chính xác. Trong số các khả năng đo lường, máy đo biên dạng Dektak® cung cấp khả năng lặp lại dưới nanomet đặc biệt cho phép đo độ cao bậc chính xác trên phạm vi dọc từ nanomet đến milimet. Thông qua khả năng kiểm soát chính xác lực, các hệ thống này cũng có thể cung cấp phép đo chính xác và có thể lặp lại đối với vật liệu mềm, chẳng hạn như màng mỏng/lớp phủ polyme và các khối gốc Indium. Bài viết ứng dụng này thảo luận về khả năng đo lường của Dektak trên kích thước thẳng đứng (với các Step Height được chứng nhận) và cung cấp một số thông số kỹ thuật cũng như để đánh giá chuẩn hiệu suất của nó, cho thấy lý do tại sao máy đo biên dạng rất phù hợp để giúp các nhà sản xuất và kỹ sư vật liệu đáp ứng nhu cầu đo lường bề mặt của họ trong hơn nửa thế kỷ.
Định nghĩa của thuật ngữ đo lường
Khả năng đo lường xác định hiệu suất của một thiết bị đo bằng cách thống kê và định lượng các sai số để người dùng có thể đánh giá xem hệ thống có phù hợp với một tác vụ cụ thể hay không. Tất cả các sai số đều được đánh giá chuẩn so với các tiêu chuẩn được chứng nhận bởi các phòng thí nghiệm tham chiếu đo lường độc lập, chẳng hạn như NIST tại Hoa Kỳ, PTB tại Đức, UKAS/NPL tại Vương quốc Anh hoặc NMIJ tại Nhật Bản.
Hình 1. Mô tả sáu bậc trong cùng một biểu đồ, chức năng có sẵn trong phần mềm Vision64
Sai số được chia thành bốn loại:
Trong khi khả năng lặp lại vốn có với hiệu suất của hệ thống đo lường và không thể cải thiện nếu không có sự thay đổi về phần cứng, khả năng tái tạo có thể được cải thiện thông qua các quy trình phân tích và tự động hóa phù hợp để phép đo trở nên ít nhạy cảm hơn với hoặc thậm chí hoàn toàn không phụ thuộc vào người vận hành, thời gian hoặc vị trí. Tương tự như vậy, độ lệch hoặc độ chính xác có thể được cải thiện thông qua quy trình hiệu chuẩn phù hợp, trong khi cải thiện độ ổn định sẽ yêu cầu kiểm soát môi trường và/hoặc thiết kế lại hệ thống đo lường.
Hình 2. Hình minh họa về độ chính xác và khả năng lặp lại so với giá trị đặt ra.
Trích xuất bậc tự động
Để giảm thiểu ảnh hưởng của người dùng, điều quan trọng là phải tính toán độ cao bậc bằng các quy trình phân tích tự động. Các hệ thống Dektak kết hợp hai quy trình phân tích tự động tiêu chuẩn của phần mềm Vision64®. Quy trình đầu tiên dựa trên vị trí cố định của con trỏ và quy trình thứ hai dựa trên việc định vị tự động của con trỏ so với cạnh của bậc. Đối với quy trình thứ hai, khoảng chênh lệch độ cao trung bình giữa các vị trí con trỏ xác định độ dày của màng hoặc độ sâu khắc. Ngoài các phương pháp trên, người dùng có thể tự do tùy chỉnh phân tích nâng cao hơn bằng cách thiết lập xử lý trước dữ liệu thông qua biểu đồ phân tích hình cây.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác
Máy đo biên dạng Dektak được trang bị đầu cảm biến LIS-3 thế hệ mới nhất, dựa trên công nghệ cảm biến biến áp vi sai tuyến tính (LVDT).
Loại cảm biến này rất uy tín và được áp dụng rộng rãi trong toàn ngành như một cảm biến dịch chuyển tuyến tính và mạnh mẽ. Sự mạnh mẽ đến từ cấu tạo thực tế lõi nam châm được đặt cách xa các cuộn dây dò, khiến nó không nhạy cảm với độ dịch chuyển lớn hoặc các va chạm không mong muốn. Cấu tạo cảm biến cũng giải thích tại sao việc thay thế các Stylus lại nhanh chóng và không đáng lo ngại.
Ngoài ra, đầu cảm biến được thiết kế để duy trì hiệu suất đo lường nhất quán thông qua phạm vi dọc rất rộng (lên đến 1mm) và lực (từ 0,03mg đến 15mg) bằng cách sử dụng một đầu cảm biến duy nhất. Phạm vi lớn này cho phép người dùng mở rộng việc sử dụng máy đo biên dạng Dektak trong nhiều ứng dụng hơn.
Hình 3. Thiết lập phân tích nâng cao để đo chiều cao bậc tự động. Phân tích Vision64 dựa trên nhiều nhánh cho phép các phép đồng thời cài đặt các thông số để mang lại hiệu suất đo lường và tính linh hoạt tốt nhất cho nhiều ứng dụng.
Ảnh hưởng của lực và phạm vi dọc
Đối với máy đo biên dạng Stylus, lực tác dụng giữa đầu đo và bề mặt là một thiết lập đo lường quan trọng vì nó không chỉ giúp theo dõi bề mặt mà còn giúp đo độ nhạy và độ chính xác. Tương tự như vậy, phạm vi dọc thay đổi cả độ chính xác theo chiều dọc và độ nhiễu bằng cách áp dụng khuếch đại tín hiệu cao hơn hoặc thấp hơn. Điều quan trọng là xác định ảnh hưởng của cả hai thông số này so với khả năng đo chính xác chiều cao bậc.
Minh chứng về ảnh hưởng của lực và phạm vi dọc được minh họa trong Hình 4, trong đó cùng một độ cao bậc 1028nm được chứng nhận đo 10 lần tại cùng một vị trí trong khi lực và phạm vi dọc thay đổi. Tất cả các thay đổi đều được thực hiện tự động mà không cần sự trợ giúp của người vận hành thông qua các quy trình tự động hóa linh hoạt do Vision64 cung cấp. Biểu đồ biểu diễn sự phân tán thông qua một khối mô tả tứ phân vị thứ 2 và thứ 3, trong khi các thanh ở biên chỉ ra giá trị lớn nhất và nhỏ nhất. Đường chấm màu xanh xác định phạm vi không rõ ràng trong chứng nhận, nghĩa là giá trị bậc chính xác nằm trong khoảng đó.
Có thể thấy, lực được áp dụng không ảnh hưởng đến phép đo độ cao bậc và khả năng lặp lại ngắn hạn, ngay cả ở lực hiệu chuẩn thấp nhất 0,03mg, với khả năng lặp lại một sigma trong phạm vi nhỏ (0,5nm - 0,9nm). Điều này làm rõ cho sự chắc chắn của thiết kế đầu LIS-3 và khả năng điều khiển phần mềm chất lượng cao của nó. Cũng đáng chú ý là việc thay đổi lực được áp dụng từ thấp nhất đến cao nhất không ảnh hưởng đến chức năng của đầu cảm biến. Hơn nữa, dải lực rộng cho phép kết quả đo độ cao bậc ổn định, khớp với lực được áp dụng ban đầu.
Phạm vi dọc rõ ràng ảnh hưởng đến khả năng lặp lại, không tốt khi khoảng chênh lệch tăng lên. Điều này hoàn toàn được dự tính, vì tín hiệu đo trở nên yếu hơn để phù hợp với phạm vi dọc lớn hơn. Trong khi đó, độ cao bậc đo được vẫn nằm trong phạm vi được chứng nhận, cho thấy phép đo vẫn chính xác. Tóm lại, bất kể lực và phạm vi dọc nào được chọn, người dùng đều có được kết quả chính xác cho bất kỳ bậc nào.
Hình 4. Ảnh hưởng của lực và phạm vi dọc đối với phép đo bậc 1µm. Các đường đứt nét màu xanh xác định phạm vi của mẫu hiệu chuẩn.
Khả năng tái tạo
Phần trước đó đã đề cập đến khả năng lặp lại trong thời gian ngắn khi mẫu và bút stylus không thay đổi trong khi các phép đo được ghi lại liên tiếp mà không bị gián đoạn. Điều này khác biệt đáng kể so với việc sử dụng hàng ngày khi những người vận hành khác nhau ở các ca và thời gian khác nhau thực hiện các phép đo. Các hệ thống đo lường chuẩn dựa vào việc cung cấp phép đo ổn định và nhất quán theo thời gian, giữa những người dùng khác nhau và thông qua việc nạp/dỡ mẫu.
Cùng một bậc 1028nm được đo định kỳ trong hai ngày với thời gian khác nhau, các phép đo đơn lẻ khác nhau và nhiều phép đo liên tiếp. Các điểm căn chỉnh được sử dụng trong công thức tự động hóa để cung cấp vị trí bắt đầu có thể tái tạo. Hình 5 biểu thị dữ liệu về chiều cao bậc theo thứ tự thời gian với các kích thước chứng nhận, được hiển thị bằng các đường chấm màu xanh lam. Kết quả chắc chắn có thể lặp lại được. Khi xem xét phân bố chuẩn, 99% phép đo độ cao bậc nằm trong phạm vi ±2,8nm, tức là <0,03% độ cao bậc. Mặc dù con số này có vẻ thấp, nhưng nó có chút vượt quá khả năng lặp lại đã ghi nhận trước đó, điều này chứng tỏ có ảnh hưởng của yếu tố môi trường bên ngoài, rất có thể là sự thay đổi nhiệt độ.
Hình 5. Kiểm tra khả năng tái tạo cho bậc 1028nm trong khoảng thời gian 2 ngày.
Độ tuyến tính
Độ tuyến tính biểu thị khả năng đo lường của máy đo độ cao bậc để đưa ra giá trị chính xác theo một phạm vi dọc nhất định. Đây là một thông số quan trọng vì quá trình giám sát thường bao hàm một số điểm điều chỉnh với độ dày hoặc độ sâu tăng hoặc giảm, từ đó độ cao bậc được trích xuất sử dụng làm phản hồi để điều chỉnh thiết bị xử lý. Độ tuyến tính của công cụ đo lường xác định trực tiếp mức độ dung sai chặt chẽ trong sản xuất có thể được đáp ứng như thế nào, tạo ra Cp hoặc Cpk cao hơn và có thể cải thiện năng suất đáng kể ra sao.
Để đánh giá hiệu suất tuyến tính bên trong của máy đo biên dạng Dektak, sáu bậc hiệu chuẩn đã được đo trong cùng một công thức phân tích với phạm vi dọc cố định 6,5µm và lực không đổi. Các bậc bao hàm một phạm vi dọc từ nanomet (11nm) đến micromet (1,028µm), thể hiện chính xác phạm vi dọc chính cho nhiều ứng dụng. Bậc lớn nhất là 1,028µm đã được sử dụng để hiệu chuẩn khoảng chênh lệch trước khi thực hiện tất cả các phép đo. Kết quả, được hiển thị trong Hình 6, làm rõ chuyển động tuyến tính tốt hơn 0,1% trong 2 nhóm mười phạm vi dọc. Hơn nữa, độ lệch tuyệt đối so với giá trị không đáng kể không bao giờ vượt quá 2nm, điều này cung cấp khả năng kiểm tra chính xác ở cấp độ nanomet.
Cảm biến Dektak LIS-3 LVDT cung cấp phản hồi tuyến tính cao trên một phạm vi đo duy nhất. Để đo khoảng chênh lệch rộng hơn về độ dày màng hoặc độ sâu khắc, mỗi phạm vi dọc có thể được hiệu chuẩn độc lập để tối ưu hóa độ tuyến tính hơn nữa ở phạm vi quan tâm cụ thể trong khi vẫn giữ được độ chính xác.
Hình 6. Biểu đồ hiển thị độ tuyến tính của cảm biến LVDT theo chiều cao trong hai nhóm mười (bên trái) và Tab minh họa độ chính xác tới cấp độ nanomet (bên phải).
Khả năng hoạt động trên bề mặt mềm
Là một kỹ thuật đo biên dạng bằng bút stylus, hệ thống Dektak tiếp xúc vật lý với bề mặt và tạo 1 lực bên dưới bút stylus. Cần xem xét khả năng hao mòn hoặc hư hỏng bề mặt tiềm ẩn giống như một yếu tố sai lệch thông qua việc biến dạng bề mặt gốc, với nguy cơ đánh giá sai chiều cao bậc thực tế. Cảm biến LIS-3 được thiết kế riêng để cho phép đo trên các vật liệu mềm, chẳng hạn như trong thiết bị điện tử mềm, lớp phủ polyme và thiết bị vi lưu chất.
Để đánh giá khả năng này, nhiều phép đo đã được thực hiện tại cùng một vị trí trên lớp phủ mềm, dễ trầy xước chứa nhiều lớp chất hữu cơ (phân tán acrylic với các sắc tố trên giấy silicon và chất kết dính nhạy cảm với lực). Một đầu stylus 2µm, tiêu chuẩn ISO về độ nhám và lực 0,1 mg đã được lựa chọn kĩ lưỡng để tăng lực tác dụng cục bộ. Lớp phủ mềm nhiều lớp đã được lắng đọng trên một phiến kính cứng để tạo ra một đường cơ sở nhất quán trước khi qua 30 phép đo với khả năng phân tích tự động về chiều cao bậc trung bình. Như mô tả trong Hình 7, các phép đo đưa ra các chỉ số ổn định trong phạm vi ±57nm trên 15,64µm, tức là phương sai nhỏ hơn 0,4%. Điều này nhấn mạnh cách các máy đo biên dạng Dektak có thể đo các bề mặt dễ hư hỏng tốt như thế nào. Ngay cả các mẫu mềm hơn cũng có thể được đo bằng cách sử dụng bán kính bút stylus lớn hơn, lên đến 25µm và lực thấp hơn, xuống đến 0,03 mg để giảm thiểu biến dạng bề mặt.
Hình 7. Sự hình thành của độ dày được đo từ lớp hữu cơ mềm trong 30 phép đo liên tiếp.
Trong bài viết ứng dụng này, việc đánh giá mẫu thứ hai đã được thực hiện dựa trên cấu trúc PDMS được sử dụng cho các thiết bị vi lưu chất. Loại mẫu này tiếp tục thách thức các máy đo biên dạng stylus với những thay đổi độ cao lớn và đột ngột. Các cấu trúc này không chỉ kiểm tra khả năng của Dektak trong việc áp dụng lực không đổi mà còn kiểm tra khả năng đo bề mặt dính của nó. Tính chất sau này của PDMS chỉ có thể được khắc phục thông qua tốc độ quét nhanh, lên đến 1mm/giây, đòi hỏi hệ thống băng thông cơ học cao. Hình ảnh thu được (Hình 8) cung cấp bằng chứng rõ ràng về khả năng theo dõi bề mặt thích hợp được hỗ trợ bởi thiết kế quán tính thấp của đầu cảm biến Dektak. Để tạo điểm tham chiếu cho chiều cao bậc được đo, con dấu silicon chính được sử dụng để in PDMS cũng đã được tiến hành đo. Bảng trong Hình 8 cho thấy sự phù hợp tuyệt vời giữa các độ cao khác biệt từ PDSM và bề mặt con dấu với độ lệch gần 0,4µm, hoàn toàn tương thích với quy trình in con dấu.
Hai nghiên cứu điển hình này cung cấp thông tin chi tiết về cách sử dụng máy đo biên dạng Dektak để đo biên dạng trên bề mặt mềm một cách đáng tin cậy với độ chính xác và độ tin cậy cao.
Hình 8. Theo dõi cấu trúc vi lưu chất PDMS với kết quả từng bậc và so sánh với mẫu silicon.
Kết luận
Thông qua bài viết ứng dụng này, rõ ràng là máy đo biên dạng Dektak cung cấp các phép đo độ cao bậc có độ chính xác và đáng tin cậy cao tới cấp độ nanomet. Không phụ thuộc vào ứng dụng, khắc hoặc lắng đọng vật liệu, vật liệu mềm hay cứng, các hệ thống Dektak cung cấp kết quả có thể tái tạo trên toàn bộ phạm vi dọc và lực tiếp xúc được áp dụng. Thiết kế quán tính thấp vốn có của đầu cảm biến Dektak LIS-3 cung cấp khả năng thích ứng nhanh với các thay đổi hình thái bề mặt đột ngột, cung cấp độ tuyến tính cao với mỗi phạm vi dọc và mang lại độ ổn định đo lường lâu dài. Với hơn 50 năm đổi mới và sử dụng thực tế đáng tin cậy đã được chứng minh, các máy đo biên dạng Dektak là tiêu chuẩn vàng cho phép đo biên dạng stylus không hư hại, cho phép người dùng thường xuyên kiểm soát tốt hơn các quy trình sản xuất và đáp ứng các sai số chặt chẽ để tăng năng suất.
