KLA Instruments 小課堂

定期分享KLA Instruments旗下產(chǎn)品的各種技術(shù)資料、應(yīng)用筆記和使用指南。

旗下產(chǎn)品包括：輪廓儀、納米壓痕儀、薄膜測厚儀、方阻測量儀以及晶圓缺陷檢測系統(tǒng)。

本期課程 ：

薄膜方塊電阻和厚度測量

—KLA45年電阻測量技術(shù)創(chuàng)新的桌面型解決方案

在半導(dǎo)體芯片等器件工藝中，后道制程中的金屬連接是經(jīng)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(dǎo)電連接。

對于半導(dǎo)體、PCB、平板顯示器、太陽能應(yīng)用和研發(fā)等不同行業(yè)，對各種金屬層（包括導(dǎo)電薄膜、粘附層和其他導(dǎo)電層）都有各種各樣的電阻和厚度的量測需求，KLA Instruments Filmetrics 事業(yè)部能夠提供先進(jìn)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(shù)：四探針法和渦流法。兩種測量技術(shù)各有其優(yōu)勢，適用于不同的應(yīng)用場景。

我們先來了解一下這兩種技術(shù)的測量原理。

問

什么是四探針測量技術(shù)？

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

標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(shù)應(yīng)用而言，使用的是標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果僅使用了標(biāo)準(zhǔn)測量配置。

問

什么是渦流測量技術(shù)？

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

渦流技術(shù)通過施加交變磁場，測量導(dǎo)電層中感應(yīng)的渦流。線圈中的交變驅(qū)動電流會在線圈周圍產(chǎn)生交變初級磁場。當(dāng)探測線圈接近導(dǎo)電表面時(shí)，導(dǎo)電材料中會感應(yīng)出交變電流 （渦流）。這些渦流會產(chǎn)生自己的交變次級磁場并和線圈耦合， 從而產(chǎn)生與樣品的方塊電阻成正比的信號變化。導(dǎo)電層越導(dǎo)電，渦流的感應(yīng)越強(qiáng)，驅(qū)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(chǎn)品已經(jīng)革命性地改變了導(dǎo)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(shù)發(fā)展的創(chuàng)新之作。

R50提供了10個(gè)數(shù)量級電阻跨度范圍使用的4PP四探針測試技術(shù)，以及高分辨率和高靈敏度的EC渦流技術(shù)，續(xù)寫了KLA在產(chǎn)品創(chuàng)新能力和行業(yè)先鋒地位的歷史。

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www.kla-instruments.cn

R50 方塊電阻測量數(shù)據(jù)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(jù)自己需求，可以直接導(dǎo)出方塊電阻值，也可以使用 RsMapper 軟件中的轉(zhuǎn)換功能，將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)厚度鋁膜的方塊電阻分布圖和薄膜厚度分布圖。根據(jù)方塊電阻數(shù)據(jù)（左），利用標(biāo)準(zhǔn)電阻率（中），將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為薄膜厚度分布圖（右）。在某些應(yīng)用中，將數(shù)據(jù)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(gè)特定晶圓的測繪數(shù)據(jù)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。

問

如何選擇適當(dāng)?shù)臏y量技術(shù)？

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

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(shù)的測量。它只能測量厚度小于幾個(gè)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(chǎn)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(shí)，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(zhì)有關(guān)）。

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(shí)際上沒有限制。

在四探針和渦流技術(shù)都可使用的情況下，一個(gè)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(shù)。對于可能會產(chǎn)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(shù)。

總結(jié)

Filmetrics R50

簡而言之，F(xiàn)ilmetrics 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(shù)）。

審核編輯：湯梓紅