Nieuwe ontwikkelingen in XRF-technologie voor laagdiktemeting

Johan Nieuwlands, Helmut Fischer

Voor efficiëntere metingen werkt het bedrijf Helmut Fischer aan de ontwikkeling van innovatieve röntgenfluorescentietechnieken (XRF). Vooral voor de plating industrie is röntgenfluorescentie een onmisbare tool geworden voor controle van de gecoate producten en procesoptimalisatie. Maar ook opdamptechnieken zoals PVD en CVD hebben profijt van deze snelle en niet-destructieve meetmethode.

Sinds de jaren tachtig ontwikkelt Fischer X-ray instrumenten voor het meten van dunne metaallagen op diverse substraten. In de beginjaren lag de focus vooral op het stabieler, veiliger en robuuster maken van de kwetsbare componenten, zoals de röntgenbuis en de gasgevulde detectoren. De elektronica was nog overwegend analoog, de rekenkracht beperkt, en de meetresultaten werden gepresenteerd op een kleine monochrome beeldbuis. Met de opkomst van de pc deed ook de fundamentele parametermethode zijn intrede in de software van de FISCHERSCOPE X-ray toestellen. Ook heeft het bedrijf grote stappen gezet in de verbetering van de rekenmethode. Met steeds slimmere algoritmen nam de betrouwbaarheid van de metingen en de veelzijdigheid van de instrumenten snel toe. Met de komst van nieuwe PIN-diode detectoren kon de inzet voor materiaalanalyse en metingen van complexe lagen nog verder worden uitgebreid.

Momenteel worden de instrumenten steeds vaker uitgerust met Silicon Driftdetectoren (SDD), omdat deze naast een hoge resolutie ook veel meetsignaal kunnen verwerken en lichtere elementen kunnen detecteren, zoals aluminium, fosfor en silicium. Sinds enkele jaren ontwikkelt Helmut Fischer zelf essentiële hardwarecomponenten voor ED-XRF, zoals detectoren, röntgenoptieken en röntgenbuizen, deels voor de eigen instrumenten, maar ook steeds vaker voor toepassing in instrumenten van collega-leveranciers.

Een van de eerste X-ray's voor laagdiktemeting uit de jaren 80
Een van de eerste X-ray's voor laagdiktemeting uit de jaren 80

SDD-DETECTOREN
Specifiek voor het meten van heel dunne coatings en sporen-analyse, is het van belang om zoveel mogelijk meetsignaal te genereren. Hoe meer counts per second (cps), des te korter kunnen de meettijden zijn voor een acceptabele herhaalbaarheid van meetwaarden. Het vergroten van de meetspot – voor zover het meetobject dit toestaat – heeft ook direct gevolgen voor de stralingsveiligheid. Het vergroten van het detectoroppervlak heeft hetzelfde effect, maar maakt de detectoren ook aanzienlijk duurder. Gangbaar zijn momenteel 20mm en 50mm detectoroppervlak. Het bedrijf ontwikkelt op dit moment speciale elektronica in de detectoren om het effectieve aandeel van de oppervlakte te verruimen, waarmee nog meer signaal gegenereerd wordt met hetzelfde oppervlak. Al deze ontwikkelingen betekenen een enorme verbetering in de meetnauwkeurigheid. Waar de eerdergenoemde gasgevulde tellerbuizen en PIN-detectoren slechts vijf- tot tienduizend counts konden verwerken, loopt dit met de nieuwste SDD-modellen al in de honderdduizendtallen. De voorheen minutenlange meettijden kunnen hierdoor worden ingekort tot slechts enkele seconden.

PULSE PROCESSING
Door de hoge telsnelheden van de nieuwe detectoren, is het verwerken van al die informatie de nieuwe bottleneck geworden. Van iedere getelde count moet de energie worden bepaald om met deze informatie het spectrum te kunnen vormen. Gedurende de tijd die de pulse processing-elektronica daarvoor nodig heeft, kunnen binnenkomende counts niet worden verwerkt. Deze ‘dode’ tijd beperkt het aantal bruikbare counts tot zo’n 150 duizend. Daarom ontwikkelde Fischer de nieuwe DPP+-technologie. Door miniaturisering van de componenten kon de hele elektronica worden geïntegreerd in de detectorbehuizing, waardoor de signaalverwerking veel efficiënter is geworden. De eerste modellen van instrumenten met deze innovatieve technologie zijn inmiddels op de markt. Bij die instrumenten is, afhankelijk van de configuratie, een verdubbeling van het bruikbare signaal zichtbaar. In de praktijk betekent dit nóg kortere meettijden en lagere detectielimieten bij metingen in het nanometer-bereik en bij sporen-analyse. Dit levert vooral grote voordelen op bij dunne film coatings op wafers en lead-frames, RoHS en Reach screening, dunne film solar, edelmetaal- en vloeistofanalyse.
 

Silicon drift-detektor
Silicon drift-detektor

VACUÜM OF HELIUM
Een ander voordeel van de nieuwe SDD-detectoren is dat ze ook lichte metalen, zoals aluminium, kunnen detecteren. Maar de energieën van zulke signalen zijn zwak en verplaatsen zich moeilijk door lucht. Om de meetresultaten in dergelijke situaties te verbeteren, zou de meting het best uitgevoerd kunnen worden in een vacuüm. Maar dit is aanzienlijk complexer dan meten in normale lucht en het vereist meestal ook speciale sample-voorbereiding. Voor de meeste applicaties kan een vacuüm echter ook worden gesimuleerd door een edelgas langs de detector te laten stromen. De meeste FISCHERSCOPE modellen kunnen inmiddels optioneel worden uitgerust met een heliumspoeling, waardoor ook lichte metalen prima te meten zijn. Typische applicaties waar dit een toegevoegde waarde heeft, zijn bijvoorbeeld fosforbepaling in nikkellagen, dunne aluminiumlagen op silicium wafers, analyse van lichtmetaallegeringen of laagdiktemeting van conversielagen en Chroom 6-vrije chromaatlagen.

RÖNTGENOPTIEK
Het meten op kleine structuren, bijvoorbeeld in elektronica, vereist kleine meetspots. Het gebruik van collimatoren hierbij kent zijn beperkingen, omdat er minder meetsignaal op de sample komt naarmate de meetspot kleiner wordt gekozen. Een oplossing hiervoor is om de primaire röntgenstraal te bundelen met een röntgenoptiek. Het IFG-instituut in Berlijn, onderdeel van de FISCHER-groep, is een van de weinige bedrijven wereldwijd die speciale polycapillaire röntgenoptieken produceert, zowel voor de eigen micrometer-systemen als voor andere producenten van röntgenapparatuur. De primaire röntgenbundel wordt in zulke systemen door een bundel van microscopisch kleine glazen buisjes geleid, ieder met een specifieke kromming, waardoor de bundel wordt gericht en er een brandpunt ontstaat waar alle fotonen samenkomen. Zo ontstaat een extreem kleine meetspot met een hoge stralingsdichtheid en kunnen meetspots worden gerealiseerd tussen de 5 en 50 micrometer. Omdat lage energieën anders worden gereflecteerd dan hoge, ontstaat echter wel een soort halo-effect in de meetspot. Daarom zijn recent ook halo-vrije polycapillaire optieken ontwikkeld voor meetspots vanaf 10 micrometer, die ideaal zijn voor metingen op microscopisch kleine solder-bumps in de wafer en pcb-productie.

Wafer X-ray
Wafer X-ray

AUTOMATISERING
Door de zogeheten vierde industriële revolutie neemt de vraag naar in-line en geautomatiseerd meten snel toe. Daarom wordt bij Fischer ook gewerkt aan de ontwikkeling van in-line XRF-systemen voor coil-to-coil en reel-to-reel toepassingen in bijvoorbeeld de leadframe en connector-industrie. Ook kunnen de metingen worden uitgevoerd in of direct na sputterinstallaties, zodat directe sturing op het coatingproces kan plaatsvinden. De meetinstrumenten zijn uitgerust met moderne communicatieprotocollen, zoals Profinet en Profibus, en sluiten daarmee aan op de eisen vanuit industrie 4.0. Het automatiseringsteam van het bedrijf ontwikkelt daarnaast ook maatwerk voor speciale applicaties en meetoplossingen.

Meer informatie:
www.helmutfischer.nl

Reacties