1. Compact High-Speed Spectroscopic Ellipsometer
UNECS-2000 UNECS-3000A
Compact High-Speed Spectroscopic Ellipsometer
Components Division,
ULVAC, Inc

2. UNECS-2000 UNECS-3000A UNECS series Φ200mm motorized type
Φ300mm auto-mapping type
UNECSシリーズは、Φ200mmマニュアル電動ステージのUNECS-2000とΦ300mm自動マッピング機能が付いたUNECS-3000Aの
2タイプを用意しています。
　UNECS series is the most advanced ellipsometer which utilizes high-order retarders. It achieve high-speed measurement, downsizing of sensor head and excellent cost performance, which are difficult for other conventional models. It features a motorized stage and makes high-precision measurement with simple operation.
UNECS（小型）資料
2017/4/25

3. Application
UNECS（小型）資料
2017/4/25

4. Measurement data example (SiO2, resists)
(1) SiO2 single-layer film
(2) Resists single-layer film
Si substrate
SiO2
Si substrate
Resists
（thickness and refractive index
simultaneous measurement）
Measured
value*1)
Repeatability σ
SiO2 thickness
1.96 nm
0.03 nm
Measured
value*1)
Repeatability σ
Resists thickness
(Designed value 50nm)
50.95 nm
0.05 nm
Resists refractive
index *2)
1.576
0.02
(3) Resists/ BARC 2 layer film
Si substrate
ＢＡＲＣ
Resists
(4) Resists 3 layer film
Si substrate
ＢＡＲＣ
Resists
Top coating
（thickness and refractive index
simultaneous measurement）
Measured
value*1)
Repeatability σ
Resists thickness
(Designed value 50nm)
48.17 nm
0.72 nm
ＢＡＲＣ thickness
(Designed value 65nm)
67.16 nm
0.76 nm
（１）（２）SiO2およびレジスト単層膜の測定例です。2nm程度の薄膜でも再現性（繰り返し性）は良好です。
（３）（４）レジスト2層／3層膜の膜厚測定例です。　（４）では最上層トップコートの膜厚・屈折率を同時測定しています。
Measured
value*1)
Repeatability σ
Top coating thickness
(designed value 30nm)
28.79 nm
0.05 nm
Top coating refractive index *2)
1.342
0.001
Remarks: Repeatability is the standard deviation of 10 times consecutive measurements (1σ).
UNECS（小型）資料
2017/4/25

5. Measurement data example (OLED, PV)
OLED：　Alq3／Glass　single-layer film
Glass substrate
Alq3
Sample A B C D
Measurement object
Refractive index
Thickness N
D(nm)
UNECS
measured value
1.712
118.5
1.728
115.8
1.731
115.0
1.729
112.1
Dektak －
118.4
111.8
116.1
109.3
(2) Thin-film PV： SiO2／μc-Si／Glass 3 layer film
Glass substrate
μc-Si
SiO2
Sample A B C
Measurement object
μc-Si
SiO2
μc-Si　　　　＋SiO2
μc-Si 　　　＋SiO2
UNECS
measured value
509.9
18.2
528.1
523.2
13.8
537.0
518.8
21.7
540.4
Dektak -
525.4
541.4
546.3
（１）有機膜（Alq3)の測定例です。4サンプルで膜厚と屈折率を測定し、膜厚は触針式段差計と非常に高い相関が取れています。
（２）薄膜太陽電池のＳｉO2とμｃ－Siの2層膜測定例です。20nm程度のSiO2薄膜も問題なく測定されています。
　　　トータル膜厚（SiO2+μc-Si）では触針式段差計と非常に高い相関が得られています。
Remarks: ‘Dektak’ is ULVAC bland stylus thickness gauge.
UNECS（小型）資料
2017/4/25

6. Measurement data example (Single-layer film)
(1) SiO2 single-layer film
(2) Resists single-layer film
Si substrate
SiO2
Si substrate
Resists
（thickness and refractive index
simultaneous measurement）
Measured
value*1)
Repeatability σ
SiO2 thickness
1.96 nm
0.03 nm
Measured
value*1)
Repeatability σ
Resists thickness
(Designed value 50nm)
50.95 nm
0.05 nm
Resists refractive index *2)
1.576
0.02
Remarks: Repeatability is the standard deviation of 10 times consecutive measurements (1σ).
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2017/4/25

7. Measurement data example (Multilayer film)
(3) Resists/BARC　2 layer film
(4) Resists　3 layer film
(2 layer simultaneous measurement)
(Top coating thickness and refractive index
simultaneous measurement)
Measured
value*1)
Repeatability σ
Resists thickness
(Designed value 50nm)
48.17 nm
0.72 nm
ＢＡＲＣ thickness
(Designed value 65nm)
67.16 nm
0.76 nm
Measured
value*1)
Repeatability σ
Top coating thickness
(Designed value 30nm)
28.79 nm
0.05 nm
Top coating refractive index *2)
1.342
0.001
Si substrate
ＢＡＲＣ
Resists
Si substrate
ＢＡＲＣ
Resists
Top coating
Remarks: Repeatability is the standard deviation of 10 times consecutive measurements (1σ).
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2017/4/25

8. Auto mapping function
The film thickness distribution can be visually checked since the measurement result is displayed in 2D color map.
X-Y mode
R-θ mode
解析した膜厚・屈折率を2Dカラーマップ表示します。
測定・解析・移動を含め、1ポイントあたり1秒強で測定できます。（別途ビデオで紹介）
他社では高速モード使用しても、1ポイントあたり5-10秒以上はかかります。UNECSは分光エリプソでは最速です。
Evaluation time can be significantly reduced by high-speed measurement and auto mapping function.
R-θ mode 106 points measurement of SiO2 film on Φ300mm Si substrate
120sec (including stage travelling time)
Less than 1/5 of other conventional models!

9. Auto mapping function ② ①
UNECS-3000A has Φ300mm auto mapping function. The film thickness distribution on the substrate can be measured quickly and automatically by the combination of high-speed measurement and auto mapping function.
①Measurement position
Set the measurement coordinate.
・R-θ (Radius-angle) mode
・X-Y (Vertical-horizontal) mode ② ①
②Measurement result
Display measurement result (thickness, refractive index, etc) real time.
シンプルで使いやすいソフトウェアで誰にでも高精度な分布測定が行えます。
①　測定座標はR-Θ（半径と角度）とX,Y（前後・左右）の2通りで入力できる。（最大で200ポイント）
②　測定結果はリアルタイムに表示される。
③　測定結果（ψプサイ、Δデルタの波長範囲での分布グラフ）がリアルタイム表示される。後から再解析も可能。
UNECS（小型）資料
2017/4/25

10. Auto mapping function Load position Unload position
UNECS-3000A has Φ300mm auto R-θ stage. The positions set in the program are measured by auto mapping. The film thickness distribution on the substrate can be measured quickly and automatically by the combination of high-speed measurement and auto mapping function.
R-θ stage which has position pins and a vacuum chuck function for φ100, 125, 150, 200, 300mm wafer.
・R-Θ自動ステージはΦ300mmまで対応　Φ100、150、200,、300mmウェーハ用の位置決めピンが付属。
・ウェーハ固定用のバキュームチャック機能付き（ポンプは含まれません）
・ウェーハセット時はステージが最前部（アンロード位置）まで移動。
・高さ調整（光量調整）は自動。測定開始前に投受光部が最適な高さ（光量）の位置まで自動降下します。
Load position
Unload position
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2017/4/25

11. Measurement repeatability
Excellent measurement repeatability was achieved simultaneously with ultra high-speed measurement.
Standard sample(SiO2/Si)
Thickness : 205.7±0.7nm
Refractive index: 1.460
(wavelength: 633nm)
Si substrate
SiO2
測定が早くても、データの信頼性は低下しません。他社と同等以上の安定した再現性が得られます。
UNECS（小型）資料
2017/4/25

12. Material table file
　Material table file containing the optical constants of film or substrate is saved in advance. So users can easily edit and add material table files by themselves.
・材料ごとの光学定数（屈折率や消衰係数）を収納したマテリアルテーブルファイルをユーザが自由に編集追加することができます。
・主要な材料の文献値は、あらかじめライブラリに収納してありますが、これ以外の材料や未知の材料を評価する場合、または文献
　値ではうまく解析できない場合などは、実測したデータを元にファイルの内容を編集をしたり、新たに追加することが簡単にできます。
⇒より信頼性の高い解析ができる。
・他社ではマテリアルデータファイルが非公開（ユーザでは編集できない）のため、毎回メーカに編集・解析を依頼しなければならない。
　　　 ⇒基本的に有償が多く、時間も必要！未知の材料を扱うR＆Dでは特に不便です。
UNECS（小型）資料
2017/4/25

13. Features of UNECS series
UNECS series is the high-speed spectroscopic ellipsometer which can evaluate quickly the thickness and the distribution of optical constants of thin film with high-speed measurement utilizing snapshot method and auto mapping function (*1). High-speed and high precision evaluation of the distribution is possible with simple recipe setting.
High-speed measurement
Snapshot method measurement of spectroscopic ellipsometry using high-order retarders makes high-speed measurement which has not been possible by conventional method.
Compact design
The sizes of emitter and receiver of sensor unit are very small due to the spectroscopic ellipsometer by utilizing high-order retarders.
Excellent cost performance
Other than the main measurement unit with a Φ300mm(*1)/Φ200mm(*2) motorized stage, a laptop PC with data analysis software is configured as a standard accessory.
Customized material table
Users can easily edit and add material table files by themselves.
Auto mapping function (*1)
UNECS-3000A hasφ300mm auto mapping function.
Multilayer film measurement
It is possible to measure multilayer film thickness up to 6 layers.
*1：UNECS-3000A
*2：UNECS-2000

14. ＋ System configuration ■ Standard system configuration ■Optional
Main unit (with motorized stage, light source, spectrometer inside)
Controller (separate UNECS-3000A）
Laptop PC for control, data analysis software
■Optional
Standard sample(100nm, SiO2/Si)
Easy set-up by connecting main unit and PC by 2 of USB cables.
Data analysis software is operable off line.
UNECS-2000→ ＋
←UNECS-3000A
UNECS（小型）資料
2017/4/25

15. It is hard to miniaturize sensor and reduce measurement time!
Conventional method
Element rotation type
Polarization characteristic control by rotating optical element
Phase modulation type ～V
Polarization characteristic of optical element by electrical control
Because mechanical or electrical polarization characteristic control,
　The construction of sensor is complicated and the size is big.
　Measurement time is long.
素子回転型：Woollamや大塚電子など多くのメーカが採用。機械的に光学素子を回転させながら偏光特性を制御する。
　　　　　　　　回転機構部があるため、小型化・高速化に限界がある。また、機械的なオーバーホール・調整が必要
位相変調型：HORIBAや日本分光などが採用。　電気的に偏光特性を制御する。　HORIBAの液晶を用いた偏光制御では
　　　　　　　　　温度変化によるバラツキが大きいという問題あり。
It is hard to miniaturize sensor and reduce measurement time!
UNECS（小型）資料
2017/4/25

16. Measurement method of UNECS
UNECS adopts spectroscopic ellipsometry using high-order retarders, it makes instantaneous measurement at the snapshot since the spectrum which is obtained by polarization interference changes depending on the wavelength.
Optical fiber
Emitter
Receiver
50mm
Spectrometer
Halogen lamp
Light polarizer
Retarder 1
Retarder 2
Analyzer
Sample
Ultra high-speed measurement(Min.20ms~)
Compact design
Maintenance free
It needs no mechanical or electrical components for polarization control which other conventional models have.
UNECSでは、機械的な回転機構や電気制御部分が一切なく、偏光子、移相子、検光子などの光学素子のみでシンプルな構成
のため、一瞬で測定（ nmの波長範囲のスペクトルデータ取得）することができます。
⇒超高速測定（20ms～）
⇒コンパクト化（約50mmの投光・受光部）
⇒光ファイバ接続のみで電気配線なし
⇒投受光部はメンテナンスフリー
UNECS（小型）資料
2017/4/25

17. UNECS-2000 basic specification
※1 The semitransparent film is the upper bound in the measurement film thickness.
※2 When only the film thickness value is assumed to be a fitting parameter, and the SiO2 film (about 100nm) on the Si substrate is measured.
※3 When SiO2 single-layer film on Si wafer is measured.
※4 Standard deviation (1σ) when measuring it continuousness ten times.
※5 Material data can be added by the user.

18. UNECS-3000A basic specification
・Sampling time : 20ms ~ 　
・Analysis time : 300ms
・Sampling + Analysis: 320ms ~
※1 The semitransparent film is the upper bound in the measurement film thickness.
※2 When only the film thickness value is assumed to be a fitting parameter, and the SiO2 film (about 100nm) on the Si substrate is measured.
※3 When SiO2 single-layer film on Si wafer is measured.
※4 Standard deviation (1σ) when measuring it continuousness ten times.
※5 Material data can be added by the user.
・計測波長は530～750nmです。他社より範囲がやや狭いですが膜厚評価の場合は全く問題となりません。
　特定の波長（例えば、一部光学用途では400nm近辺）で光学定数（屈折率・消衰係数）の評価をしなければいけない場合など
　特別な用途がなければ問題とはなりません。
・ハロゲンランプは消耗品です（\8500）ユーザで交換可能。　他社は高価なハロゲンランプ等を使用し、メーカ調整が必要。
・入射角度は７０度固定です。大半のアプリケーションで問題になることはありません。
・測定解析時間は最短で20ms＋300ms＝320msです。（移動時間含まず。測定時間は膜の構成で変わる場合があります）
・移動ステージはΦ300mm全面測定に対応します。Z軸（高さ）調整は自動です。
・操作・解析用のノートＰＣが付属します。（英語or日本語を選択）
・コントローラはテーブル下などにも配置できます。