薄膜方塊電阻和厚度測量—KLA45年電阻測量技術創新的桌面型解決方案

在半導體芯片等器件工藝中，后道制程中的金屬連接是經過金屬薄膜沉積，圖形化和蝕刻工藝，最后在器件元件之間得到導電連接。

對于半導體、PCB、平板顯示器、太陽能應用和研發等不同行業，對各種金屬層（包括導電薄膜、粘附層和其他導電層）都有各種各樣的電阻和厚度的量測需求，KLA Instruments™ Filmetrics® 事業部能夠提供先進的薄膜電阻測量解決方案。

金屬薄膜的電阻測量主要包括兩種技術：四探針法和渦流法。兩種測量技術各有其優勢，適用于不同的應用場景。

我們先來了解一下這兩種技術的測量原理。

什么是四探針測量技術？ 

 四探針測量技術已經存在了 100 多年，由于其操作簡單以及固有的準確性，一直備受青睞。如下圖所示，四探針與導電表面接觸，電流在兩個引腳之間流過，同時測量另外兩個引腳之間的電壓。

標準的（左）和備用的（右）四探針測量原理圖。R50具有雙配置測量方法，通常用于薄膜邊緣出現電流集聚或引腳間距變化需要校正的情況。

引腳的排列方式通常是線性排列或方形排列，此處主要討論 R50 探針使用的線性排列。對于大多數應用而言，使用的是標準測量配置 （上圖左）。而備用測量配置（上圖右）可作為 R50 雙配置測量方法的一部分，用于薄膜邊緣電流集聚或需要校正引腳間距變化的情況。此處展示的測量結果僅使用了標準測量配置。

什么是渦流測量技術？ 

渦流 (EC) 技術是指線圈中的交變電流會在導電層中產生交變渦流。這些交變渦流反過來會產生一個磁場，從而改變驅動線圈的阻抗，這與該層的方塊電阻成正比。

渦流技術通過施加交變磁場，測量導電層中感應的渦流。線圈中的交變驅動電流會在線圈周圍產生交變初級磁場。當探測線圈接近導電表面時，導電材料中會感應出交變電流 （渦流）。這些渦流會產生自己的交變次級磁場并和線圈耦合， 從而產生與樣品的方塊電阻成正比的信號變化。導電層越導電，渦流的感應越強，驅動線圈的阻抗變化就越大。 

自1975年KLA的第一臺電阻測試儀問世以來，我們的電阻測試產品已經革命性地改變了導電薄膜電阻和厚度的測量方式。

而R50方塊電阻測試儀則是KLA超過45年電阻測量技術發展的創新之作。

R50提供了10個數量級電阻跨度范圍使用的4PP四探針測試技術，以及高分辨率和高靈敏度的EC渦流技術，續寫了KLA在產品創新能力和行業先鋒地位的歷史。

R50方塊電阻測量數據分析和可視化 

無論是四探針法還是渦流法，方塊電阻 (Rs) 測量完成后， 用戶根據自己需求，可以直接導出方塊電阻值，也可以使用 RsMapper 軟件中的轉換功能，將數據直接轉換為薄膜厚度：

Rs = ρ/t

其中 ρ 是電阻率，t 是薄膜厚度。

上圖顯示了 2μm 標準厚度鋁膜的方塊電阻分布圖和薄膜厚度分布圖。根據方塊電阻數據（左），利用標準電阻率（中），將數據轉換為薄膜厚度分布圖（右）。在某些應用中，將數據顯示為薄膜厚度分布圖可能更有助于觀測樣品的均勻性。RsMapper 軟件還提供差異分布圖，即利用兩個特定晶圓的測繪數據繪制成單張分布圖來顯示兩者之間的差異。此功能可以用來評估蝕刻或拋光工藝前后的方塊電阻變化。

如何選擇適當的測量技術？

 R50 分成2個型號：R50-4PP 是接觸式四探針測量系統 ；R50-EC是非接觸式渦流測量系統。

 R50-4PP能測量的最大方塊電阻為 200MΩ/sq.，因而非常適合比較薄的金屬薄膜。對于非常厚的金屬薄膜，電壓差值變得非常小，這會限制四探針技術的測量。它只能測量厚度小于幾個微米的金屬膜，具體還要取決于金屬的電阻率。

由于非常薄的金屬薄膜產生的渦流很小，加上R50-EC 的探頭尺寸非常小，所以使用渦流方法測量方塊電阻時，金屬厚度最薄的極限大約在 100 nm （或約10 Ω/sq.，與金屬材料性質有關）。

對于非常厚的金屬薄膜，渦流信號會增加，因此對可測量的金屬薄膜的最大厚度實際上沒有限制。

在四探針和渦流技術都可使用的情況下，一個決定因素就是避免因引腳接觸樣品而造成損傷或污染。對于這類樣品，建議使用渦流技術。對于可能會產生額外渦流信號的襯底樣品，并且在底部有絕緣層的情況下，則建議使用四探針技術。

總結

簡而言之，Filmetrics R50 系列可以測量大量金屬層。對于較薄的薄膜，它們的電阻較大而四探針的測量范圍較大，因而推薦使用 R50-4PP（四探針）。對于非常厚的薄膜，或者需要非接觸式測量的柔軟或易損傷薄膜，推薦使用 R50-EC（渦流技術）。