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水滴角测量仪等离子清洗(Plasma)效果评估:评估标准以及算法

水滴角测量仪等离子清洗(Plasma)效果评估:评估标准以及算法。本文献的资料供等离子清洗评估的用户以及等离子清洗厂家参考。

水滴角测量仪是通过采用蒸馏水作为探针液体,利用水的表面张力的高敏感度,评估固体材料的表面自由能或固体材料与水的润湿角的专业分析测量仪器。目前,水滴角测量仪主要分为三大类型:

1、等离子清洗机厂家或中国国内配套“接触角测量仪”厂商的仪器。

水滴角测量仪国产

这类仪器的主要特点在于:(1)仅仅是简单的测角度的数码测角仪,利用卧式显微镜添加背景光和进液部分,软件部分仅提供简单的圆、椭圆(双椭圆)或切线法(二次多项式)等最为简单的数码量角功能。(2)软件无法提供准确的液体表面张力评估功能。通常仅采用最为简单的选点选面并查表法来实现表面张力测量。测值结果的可靠性非常差。(3)仪器价格非常便宜。最便宜可达6000元左右即可。

这类仪器仅仅是等离子清洗机厂提供的随等离子清洗机配套的仪器。能够实现最为简单的评估功能,但无法实现精确的等离子清洗效果的判断。本文的后续提供证明材料。在半导体行业、晶圆、液晶行业等要求精度非常高的应用中,通常这类低价的所谓的水滴角测量仪是无法提供满足要求的评估数据的,或者,其提供的数据无法准确用于评估等离子效果,在一定程度上,其测值结果会影响到最终的生产品质控制的精度,导致误判品质结果的严重后果。

出现如上的评价的主要依据在于:

(1)一台合格的水滴角测量仪,其首要条件为一台合格的表面张力仪,能够敏感的测试得到蒸馏水的表面张力值及其污染时的表面张力的微小变化。

理由在于:半导体、晶圆、液昌行业的控制精度要求非常高,同时,最为严格的要求是测值的重复性。而事实上,水滴角测量仪测试操作流程的第一步,也是最关键的一步是判断探针用蒸馏水(超纯水)的清洁度或纯度。

而清洁度和纯度的判断的办法就是采用表面张力测量法,测试探针液体的表面张力值是否符合文献要求。如果是采用1940-50年代的过时的查表法的表面张力测量技术,则根本无法判断出探针蒸馏水的纯度与清洁度,更谈不成敏感地判断出污染还是干净的纯水了。

目前,测试表面张力的方法在实际应用中相对多的是阿莎算法(ADSA-RealDrop或ADSA-P)。如需文献资料,请上海梭伦的应用工程师联系。

2、国外专业级的接触角测量仪作为水滴角测量仪。

水滴角测量仪进口

这类仪器的主要特点在于:提供了Young-Laplace方程拟合法作为测试算法,可自动修正重力系数影响,也可较好的测量出探针液体的表面张力值。

水滴角测量仪与接触角测量仪的主要区别事实上就在于水滴角测量仪的应用领域的重复性和高精度要求。因而,相对于接触角测量仪的定性判断(判断是亲水还是疏水材料)的精度要求不高而言,水滴角测量仪的要求更高。因而,探针液体以及测试水接触角的方法上也有特殊要求。

且在实际应用中,半导体行业的实际测试条件中,极可能在一个水滴位置出现:(1)样品材质不同,水滴滴在了树脂和金属接触的位置或同时滴在金属和树脂上了;(2)晶圆表面刻蚀结构,导致水接触角的完全不一致;(3)样品的倾斜度问题导致角度左、右偏差;等等。

等离子清洗 晶圆wafer行业应用

因而,测试时,接触角测量仪厂商通常仅仅定性的判断的设计要求是无法满足水滴角测量中的高重复度和高精度的要求的。

更为重要的是,等离子清洗效果评估时,极可能出现的超亲水材料的接触角以及微小变化的接触角的判断问题是现有商业化接触角测量仪厂商往往忽视的。超亲水接触角以及微小接触角变化对光源、镜头以及相机、样品台与镜头的各自高精度的水平度配合均有极高的要求。

水滴角测量仪 超亲水接触角测量

(1)需要微米级样品台和镜头(相机)各自独立的二维水平调整光学调整架,实现0.01mm控制精度。

(2)需要采用平行光源或遮光板、石英玻璃滤光板、紫外线过滤,彩色摄像机成像。

(3)需要自动修正重力系数对于液滴角度测量的变化。所以,各种简单的数码量角器法,如圆拟合、椭圆拟合、双圆、差分椭圆、切线法等一概无法适用。

3、专业的水滴角测量仪

水滴角测量仪 进口

专业级的水滴角测量仪具有:(1)阿莎算法(ADSA-RealDrop):自动测量左、右角度值以及偏差值,本征接触角值(IECA);(2)自动判断探针液体的表面张力值;(3)提供遮光板以及样品台、镜头(相机)各自独立的微米级控制精度的激光器行业二维水平定位平台;(4)提供高清230万左右彩色高清摄像机。

 

采用专业级的水滴角测量仪,评估等离子清洗结果的操作流程:

1、测试探针液体的表面张力值,如果表面张力值达到纯水的文献标准,如20度测值结果为72.75mN/m,则可以进行下一步操作。否则,采用超声波清洗机清洗针头以及注射器,更换探针液体,直到符合洁净度要求。

2、在测试过程中,滴出水滴控制在2-3uL左右,采用阿莎算法测量左、右角度值。如果测点的液滴左、右角度值出现左、右角度值偏差超过2度,即判断样品上水滴位置是否适合(是否滴到了不同材质上)或晶圆刻蚀点。如果不是,则确认该材料等离子清洗效果不合格。

3、重复测试3-4个点,判断清洁效果的均匀度。

4、不合格样品进行重新清洗评估。

如下为一个实际的水滴角测量仪的等离子清洁效果评估,测值结果如下表所示:

采用阿莎算法(ADSA-RealDrop)的测试结果如下所示:

样品名称 左接触角 右接触角 平均 左右偏差
37-4037-1 96.079 95.941 96.01 -0.138
  96.771 98.517 97.644 1.746
  98.713 98.532 98.6225 -0.181
    标准差 1.077681  
    平均 97.4255  

 

样品名称 左接触角 右接触角 平均 左右偏差
37-4082-1 108.734 109.216 108.975 0.482
  103.451 100.226 101.8385 -3.225
  102.34 100.865 101.6025 -1.475
    标准差 3.421161  
    平均 104.1387  

 

样品名称 左接触角 右接触角 平均 左右偏差
37-4246-1 100.342 102.557 101.4495 2.215
  104.532 103.734 104.133 -0.798
  106.136 106.275 106.2055 0.139
    标准差 1.946962  
    平均 103.9293  

 

测值结果分析:

一、仅就单样品而言,如何确认样品的清洁度。
(1)样品的左、右接触角值多点测试均小于2度;
(2)样品的测值标准差小于2度;
其中以第一条最为重要。
测试所采用的算法为阿莎算法,必须修正重力影响,自动将表面张力、接触角综合分析。
二、多个样品对比评估清洁度。
通过平均接触角值的偏差范围。满足低于或位于某个区间的接触角值是可认定为清洁的。
但是,您的样品如果通过这种方法评估清洁度,虽然接触角值有6度左右的差值。但是,这个差值不足以准确判断出样品的清洁度。通常10度以上的稳定值的偏差方可确认。

对同一样品的同一图片采用椭圆拟合分析的结果如下:

样品名称 左接触角 右接触角 平均 左右偏差
37-4037-1 97.9 98.5 98.2 0.6
  98 99 98.5 1
  97.6 97.7 97.65 0.1
    标准差 0.351979  
    平均 98.11667  

 

样品名称 左接触角 右接触角 平均 左右偏差
37-4082-1 110.2 110.5 110.35 0.3
  103.2 101.4 102.3 -1.8
  106.7 106.9 106.8 0.2
    标准差 3.294018  
    平均 106.4833  

 

样品名称 左接触角 右接触角 平均 左右偏差
37-4246-1 102 102.7 102.35 0.7
  102.4 102.6 102.5 0.2
  101.8 102.3 102.05 0.5
    标准差 0.187083  
    平均 102.3  

 

从如上数据可以明显看出,

1、椭圆拟合同样分辨出了37-4082样品的是不符合清洁度要求的。但是,其根本无法通过一个液滴来实现结果的评估,必须通过多个水滴评估标准差值来实现。

2、椭圆拟合根本无法分辨出37-4246-1样品是不符合要求的。

对同一样品,采用Young-Laplace方程拟合的测试和分析结果如下:

样品名称 左接触角 右接触角 平均 左右偏差
37-4037-1 100 100 100 0
  100.1 100.1 100.1 0
  98.8 98.8 98.8 0
    标准差 0.590668  
    平均 99.63333  

 

样品名称 左接触角 右接触角 平均 左右偏差
37-4082-1 112.7 112.7 112.7 0
  104.9 104 104.45 -0.9
  110.3 110.3 110.3 0
    标准差 3.464823  
    平均 109.15  

 

样品名称 左接触角 右接触角 平均 左右偏差
37-4246-1 104.1 104.1 104.1 0
  104 104 104 0
  102.2 102.2 102.2 0
    标准差 0.873053  
    平均 103.4333  

 

与椭圆相同,从如上数据可以明显看出,

1、通过不同测点位置的角度标准差值,Young-Laplace方程拟合同样分辨出了37-4082样品的是不符合清洁度要求的。但是,其根本无法通过一个液滴来实现结果的评估,必须通过多个水滴评估标准差值来实现。

2、Young-Laplace方程拟合法根本无法分辨出37-4246-1样品是不符合要求的。

 

综上而言,等离子清洗的评估必要坚持:

1、探针液体表面张力测量是必备流程;

2、评估标准的第一条原则为:绝对清洁度标准,即所有测点位置的左、右角度值偏差不能超过2度;

3、评估标准的第二条原则为:均匀度标准,即标准差不能超过2度。

4、评估等离子清洗的测试算法只有是阿莎算法(ADSA-RealDrop)。

5、遮光板、样品台及镜头各自独立微米级控制精度激光用光学调整台、石英玻璃滤光板、彩色摄像机是硬件配置的基础要求,也是采购水滴角测量仪的验货标准配置。

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