在半导体芯片等器件工艺中，后道制程中的金属连接是经过金属薄膜沉积，图形化和蚀刻工艺，最后在器件元件之间得到导电连接。对于半导体、PCB、平板显示器、太阳能应用和研发等不同行业，对各种金属层（包括导电薄膜、粘附层和其他导电层）都有各种各样的电阻和厚度的量测需求，KLA Instruments™ Filmetrics® 事业部能够提供先进的薄膜电阻测量解决方案。
金属薄膜的电阻测量主要包括两种技术：四探针法和涡流法。两种测量技术各有其优势，适用于不同的应用场景。我们先来了解一下这两种技术的测量原理。
什么是四探针测量技术？
四探针测量技术已经存在了 100 多年，由于其操作简单以及固有的准确性，一直备受青睐。如下图所示，四探针与导电表面接触，电流在两个引脚之间流过，同时测量另外两个引脚之间的电压。
- 标准的（左）和备用的（右）四探针测量原理图。R50具有双配置测量方法，通常用于薄膜边缘出现电流集聚或引脚间距变化需要校正的情况。
引脚的排列方式通常是线性排列或方形排列，此处主要讨论 R50 探针使用的线性排列。对于大多数应用而言，使用的是标准测量配置 （上图左）。而备用测量配置（上图右）可作为 R50 双配置测量方法的一部分，用于薄膜边缘电流集聚或需要校正引脚间距变化的情况。此处展示的测量结果仅使用了标准测量配置。
什么是涡流测量技术？
- 涡流 (EC) 技术是指线圈中的交变电流会在导电层中产生交变涡流。这些交变涡流反过来会产生一个磁场，从而改变驱动线圈的阻抗，这与该层的方块电阻成正比。
涡流技术通过施加交变磁场，测量导电层中感应的涡流。线圈中的交变驱动电流会在线圈周围产生交变初级磁场。当探测线圈接近导电表面时，导电材料中会感应出交变电流 （涡流）。这些涡流会产生自己的交变次级磁场并和线圈耦合， 从而产生与样品的方块电阻成正比的信号变化。导电层越导电，涡流的感应越强，驱动线圈的阻抗变化就越大。
自1975年KLA的第一台电阻测试仪问世以来，我们的电阻测试产品已经革命性地改变了导电薄膜电阻和厚度的测量方式。 而R50方块电阻测试仪则是KLA超过45年电阻测量技术发展的创新之作。 R50提供了10个数量级电阻跨度范围使用的4PP四探针测试技术，以及高分辨率和高灵敏度的EC涡流技术，续写了KLA在产品创新能力和行业先锋地位的历史。
R50 方块电阻测量数据分析和可视化
无论是四探针法还是涡流法，方块电阻 (Rs) 测量完成后， 用户根据自己需求，可以直接导出方块电阻值，也可以使用 RsMapper 软件中的转换功能，将数据直接转换为薄膜厚度：
Rs = ρ/t
其中 ρ 是电阻率，t 是薄膜厚度。
上图显示了 2μm 标准厚度铝膜的方块电阻分布图和薄膜厚度分布图。根据方块电阻数据（左），利用标准电阻率（中），将数据转换为薄膜厚度分布图（右）。在某些应用中，将数据显示为薄膜厚度分布图可能更有助于观测样品的均匀性。RsMapper 软件还提供差异分布图，即利用两个特定晶圆的测绘数据绘制成单张分布图来显示两者之间的差异。此功能可以用来评估蚀刻或抛光工艺前后的方块电阻变化。
如何选择适当的测量技术？
R50 分成2个型号：R50-4PP 是接触式四探针测量系统 ；R50-EC是非接触式涡流测量系统。
R50-4PP能测量的最大方块电阻为 200MΩ/sq.，因而非常适合比较薄的金属薄膜。对于非常厚的金属薄膜，电压差值变得非常小，这会限制四探针技术的测量。它只能测量厚度小于几个微米的金属膜，具体还要取决于金属的电阻率。
由于非常薄的金属薄膜产生的涡流很小，加上R50-EC 的探头尺寸非常小，所以使用涡流方法测量方块电阻时，金属厚度最薄的极限大约在 100 nm （或约10 Ω/sq.，与金属材料性质有关）。
对于非常厚的金属薄膜，涡流信号会增加，因此对可测量的金属薄膜的最大厚度实际上没有限制。
在四探针和涡流技术都可使用的情况下，一个决定因素就是避免因引脚接触样品而造成损伤或污染。对于这类样品，建议使用涡流技术。对于可能会产生额外涡流信号的衬底样品，并且在底部有绝缘层的情况下，则建议使用四探针技术。
总结：
- 简而言之，Filmetrics R50 系列可以测量大量金属层。。
- 对于较薄的薄膜，它们的电阻较大而四探针的测量范围较大，因而推荐使用 R50-4PP（四探针）。
- 对于非常厚的薄膜，或者需要非接触式测量的柔软或易损伤薄膜，推荐使用 R50-EC（涡流技术）。
关注我们