金属层厚度测量

通过涡流测试测量金属层厚度

涡流测厚仪被应用于许多行业，测量从几纳米到几百微米甚至几毫米的薄膜厚度。其基本原理是依靠金属膜中所有垂直存在的导电元件的涡流感应。金属薄膜内每个垂直堆积的金属原子都有助于金属薄膜输送电流的能力。这种能力被描述为片状电阻，它与金属厚度相关。非常薄的金属膜由高频涡流（< 100 MHz）传感器分析，非常厚的材料膜由低频涡流传感器（> 10 kHz）分析。涡流测厚仪直接校准为特定金属材料的金属厚度，或使用金属厚度与板材电阻的相关性。系统交付时，通常可以随时用于各种金属厚度测量任务。特别是，厚的金属薄膜经常用涡流测试来测量，因为光学测量如椭圆仪和反射仪不能应用，因为它们依赖于某种非透明性。用户的价值尤其来自于它的坚固性和以非接触模式测量的能力。

手持设备

EddyCus® TF portable 1010是一种方便的便携式测量设备，用于在生产或现场对大型玻璃和铝箔进行快速接触测量，例如用于生产后的快速质量检查或作为进货检验。这款手持式设备甚至可以测量隐藏和封装的层。它是一个易于使用的设备，通过触摸显示屏进行控制。

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单点设备

EddyCus® TF lab 2020和4040系列可以对导电薄膜进行手动单点测量，并以非接触模式对薄金属层进行层厚测量。这种紧凑的台式设备是快速准确测量200 x 200 mm² (8 x 8英寸)至400 x 400 mm² (12 x 12英寸)样品的理想选择。除了测量薄的导电层外，还可以分析掺杂的晶片和导电聚合物。

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成像设备

EddyCus® TF map系列在非接触模式下，自动对高达500 x 500 mm²（20 x 20英寸）的样品进行特性成像。在手动定位样品后，设备自动测量并显示整个样品区域的特性分布。测量设置允许轻松和灵活地选择1分钟以下的快速测量时间或每个样品超过50,000个测量点的高空间测量分辨率。由此产生的图谱提供了对透明和非透明层或晶圆和金属片的均匀性和质量的真实见解。这个台式设备可以根据其设置，对片状电阻、金属厚度、电阻率、电导率、电各向异性和残留水分或湿涂层厚度进行精确成像。

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在线监测系统

EddyCus TF在线系列以非接触方式测量各种基质的层属性，如金属层厚度、片状电阻、发射率、残留水分或克重。相关的基底是玻璃、箔、纸、晶圆、塑料或陶瓷。监测是通过永久测量或通过触发事件来完成的，以便在快速移动的涂层过程中获得等距离的结果。监测解决方案可以在大气或真空条件下实施。使用涡流技术的过程受益于高采样率。测量结果可以通过客户的软件提供给过程控制系统。此外，SURAGUS还提供监测软件EddyCus EC Control，它可以可视化、存储和分析计量数据。

主要的好处是。

无接触
稳健性
对于在线和工具内的测量具有良好的自动化程度
超快速（20毫秒/测量）
透射模式和反射模式测量仪
高重复性和准确性
通过封装进行测量
非透明金属薄膜的测量
测量范围大，2纳米至2毫米（取决于电导率）

金属层厚度测量

金属薄膜的厚度范围从几纳米[nm]到更大的微米[µm]甚至毫米[mm]。它们的沉积通常是通过蒸发、溅射、电镀、原子层沉积（ALD）和其他沉积技术如丝网印刷或激光金属沉积（LMD）实现的。基底是薄膜、玻璃、晶圆、塑料、纺织品或复合材料/化合物。金属通常包括铜、铝、镍、铬、锌、金、银或合金。在薄膜沉积过程中的测量（”原位” 是一个拉丁词，指的是在创造层的过程中）通常是不可能的，因为厚度传感器不能安装在沉积源的方向上，因为它们会阻碍沉积材料流。间接测量可以通过厚度 “监测器” 或沉积率 “控制器” 来实现，如石英晶体厚度监测器，但由于材料和石英的沉积率不相等，它们的偏移量较大。这种间接测量有一个显著的、非恒定的偏移，可以通过 “工具系数” 来部分纠正。因此，传感器是在沉积后直接安装的，通常是 “in-vacuo”（拉丁语中的真空）或 “ex-vacuo”。厚度传感器可以在制造过程中 “在线” 安装，或作为台式或便携式测试解决方案离线安装。

金属和金属合金清单

金属可以被分为碱金属、碱土金属、基本金属和过渡金属。碱金属是高度活性的元素，因此被作为化合物应用。碱土金属的活性较低，但也作为化合物而不是以纯形式应用。基本金属，通常与 “金属” 一词相关联，可以导热和导电，有一个金属簇，并倾向于致密和延展性。过渡金属有一个不完全填充的外壳，因此形成多种氧化状态。一些过渡金属以纯净或原生形式出现，包括金、铜和银。

金属可以被归类为：

碱金属（锂、钠、钾、铷、铯、钫）
碱土金属（铍、镁、钙、锶、钡、镭）
基本金属（铝、镓、铟、锡、铊、铅、铋）
过渡金属（铜、银、金、铁、钴、镍、锌、钛、铬、钼、钒、锰、钯、镉）

合金可以被分组:

铝合金（Al-Li, Alnico, Duralumin, Magnalium, Silumin）
钴合金（美格力，司太立，塔洛尼特）
铜合金（黄铜、青铜、铜-钨（铜、钨）
镓合金（Galinstan)
金合金（Electrum、Tumbaga、玫瑰金和白金）
铁或铁合金（各种类型的钢、不锈钢和铁合金）
铅合金（抗蒙铅、钼-道岔、焊料）
镁合金（Magnox, Elektron)
镍合金（Alumel, Chromel, Hastelloy, Inconel, Nisil）
银合金（不列颠、电子、Goloid、Shibuichi）
锡合金（不列颠，锡器）
钛合金（Beta C,6al-4v)
锌合金（黄铜、扎马赫）
锆合金（zircaloy)

金属薄膜的特性

金属和合金薄膜通常由具有不同性质的材料组成。层叠性能由这些材料性能决定，最终由其厚度和密度实现:

材料和层属性
	材料属性	层属性
电动	电阻率[欧姆厘米] 移动性 [cm²⋅V^-1⋅s^-1]	片材阻力 [Ohm/sq] 载体浓度 [cm^-3 ]
介质	容许率 [F·m⁻¹]	有效的许可率
磁性	渗透性 [[H·m^-1] or [N·A^-2]]	磁屏蔽@频率

其他相关属性包括发射率和某些频率的电磁屏蔽。此外，金属厚度会影响扩散屏障（WVTR）、克重或面积重量、声学阻抗[Pa-s/m3]和吸收，对于金属薄膜来说，还有透射率[%]、反射率[%]和扩散/雾度[%]。还有更多的属性适用。这里列出的属性和它们的功能通常取决于金属厚度。

金属薄膜的沉积

根据其机械、电气或光学特性以及生产力要求，金属可以通过真空和非真空工艺进行应用。通常，高度精确的应用，如精密光学，需要非常光滑、致密和敏感的沉积工艺，如溅射。当涉及到微米级的厚层时，通常会使用蒸发法。其他真空工艺是ALD、CVD和PECVD。非真空工艺是大气等离子体、湿法或湿化学工艺。

电镀的金属沉积

电镀或无电解镀是湿式沉积工艺。电镀需要电流来将金属结合到表面。在含有金属颗粒和化学品的槽中，电流被施加到基体上，从而导致沉积过程。相比之下，无电解镀是基于一个自动催化过程，不需要任何电流。基材正在被化学品和催化溶液处理，最终导致氧化。因此，金属颗粒与基材表面结合。

材料

应用

电镀的金属沉积

蒸发是一种物理气相沉积工艺（PVD）。蒸发的基础是在真空环境中通过加热超过其熔化或升华温度使材料气化。与磁控溅射相比，蒸发原则上是一种高沉积率的工艺，除非不使用离子辅助掩膜技术或行星式，否则通常能实现较低的密度和较低的均匀性。因此，在具有高光学要求的大基底宽度的使用情况下，蒸发工艺可能会受到限制。根据熔点的不同，蒸发可以通过电阻式加热器或电子束完成。

应用

电池
燃料电池
电容器
OLED
精密的光学仪器
显示行业
薄膜太阳能
半导体

材料（以低熔点和高熔点为特征）

磁控溅射的金属沉积

磁控溅射是一种物理气相沉积工艺（PVD）。它需要在真空环境下的磁约束等离子体过程，带正电的离子与带负电的目标材料碰撞。在此过程中，目标材料喷射出原子，然后粘附在基材上，如玻璃、硅、塑料等。与蒸发过程相比，磁控溅射是一个低沉积率的过程，特别是在大的基材宽度上实现了高均匀性。溅射可以应用于券片（10毫米×10毫米）或晶圆层面，最高可达3300毫米的基片宽度。根据客户的要求（薄膜质量、机器生产率），可以采用不同的机械布局和操作模式。操作模式包括射频/高频、直流、脉冲直流、直流/直流、直流/射频。单一平面目标、共聚焦、可旋转目标、双可旋转目标和面对面目标的配置很常见。

典型的应用是

平板显示器
光盘
汽车和建筑玻璃
装饰性涂料
硬质涂层
太阳能电池
光通信
磁性数据存储设备
半导体
电子显微镜

典型的涂层是

铝Al、铝钛Al-Ti、氧化铝Al2O3
碲化镉，硒化镉CdSe，硫化镉CdS
铬，铬-钼-钼，铬-钛-钛，铬-钨-钨，铬-钒-钒，铬-钼-钽-钽
钴-铬-钽-硼，钴-铁-硼 Co-Fe-B
铜，铜合金
氧化铟锡（ITO，In2O3-SnO2)
铁，铁-钴-硼 Fe-Co-B，铁-钽-碳 Fe-Ta-C
金Au、金银Au-Ag、金钯Au-Pd、金铂Au-Pt
钼Mo，钼钨Mo-W，钼铌Mo-Nb，钼硅Mo-Si
铌 Nb
镍镍，镍铬，镍合金
铂金Pt，铂钯Pt-Pd，铂银Pl-Ag
钌钌，钌铝Ru-Al
硅Si，硅铝Si-Al，二氧化硅SiO2
白银Ag
钽Ta, 五氧化二钽Ta2O5, 钽硅TaSi
锡纸
钛Ti、氧化钛TiOx、钛铝Ti-Al、钛钨Ti-W
铽-铁-钴Tb-Fe-Co和许多其他合金。
钨W，钨硅W-Si
锌Zn，硫化锌ZnS，锌铝Zn-Al
锆Zr，硼化锆ZrB2

原子层沉积 (ALD)

ALD是一种化学气相沉积工艺（CVD）。与磁控溅射相比，ALD是一种低沉积率的工艺，通常在个位数规模的埃斯特朗厚膜被沉积。至少有两种化学蒸气或前体在基底上反应，形成薄膜。由于其低沉积率，它能产生致密和光滑的层。近年来，ALD被开发出来以适应工业规模工艺的要求，如R2R和空间ALD。

正在通过ALD应用的材料有

ALD的应用

如何选择层厚测量技术

层厚测量技术

技术的集聚

考虑到材料堆叠，如基材分离

层厚测量的挑战

金属层厚度测量的挑战涉及。

厚度测量通常可以使用不同的技术进行。通常情况下，有许多影响变量，从基材和层属性到环境和测量类型，这些都应该被密切考虑。

层厚传感器

厚度传感器使用各种技术对材料进行区分。常见的技术涉及表面轮廓仪、椭圆仪、双偏振干涉仪和扫描电子显微镜来分析样品的横截面。

厚度测量方法

以下对比表中显示的数据来自 “Nitzsche, K.: Schichtmeßtechnik. Vogel, 1997″。

涡流测厚方法

涡流测量是一种可靠的非接触测试方法。它适用于广泛的不同任务，如表面损伤的检测、振动和变形测量、材料性能的测量，如导电性和磁导率以及接近感应。接近感应和感应电导率可以非常精确地确定各种层/基体系统的厚度。

机械测厚方法

刻度盘量具和比较器量具是相对简单的工具，起着从属的作用。一个尖端利用重力或弹簧的力量扫描表面，然后将尖端在一个台阶上的跳跃转换为厚度。类似的方法是轮廓法，主要用于粗糙度调查。金刚石针尖扫描表面，并将运动转换为一个放大的电信号。这些方法的优点是，它们是直接的测量方法，具有很好的可重复性。

它们价格低廉，对层系统没有要求，而且粗糙度可以通过平均化来消除。主要的缺点是需要一个台阶和与层的接触，可能会引起弹性或塑性变形。此外，它们不适用于原地测量。

通过重量测量确定厚度

已知层面积和层材料的密度，就可以通过重量测量来确定厚度。这可以通过测量感兴趣结构的重量差或调查参考结构的重量来实现。分析和微型天平或其他特殊处置的重量测量方法非常精确，但允许非常低的负载，而且现场应用很困难。一种常见的、甚至更精确的、原地适用的方法是石英监测器法。在相同的条件下，在基体旁边的腔室中的石英被涂抹。石英会根据其重量改变其振荡特性，并对其进行监测和评估。这是一种极其精确的方法，也适用于涂层序列。另一种方法是对所消耗的材料进行重量测量。这是一个简单但不是很精确的方法。此外，还有化学定量分析法，它通过测量化学反应的持续时间来确定涂层的脱离程度。库仑法通过测量变化的电位来确定反向电解中的厚度。它非常精确，但会破坏涂层，所以它主要用于实验室应用。

辐射测厚方法

电离或放射性发射与层物质的相互作用提供了大量关于材料特性的信息。根据材料和厚度的不同，可以采用不同的发射类型。常用的有α、β、γ、X射线或电子发射。影响是透射、吸收和背散射。所有方法都使用一个源和一个接收器。常见的接收器是电离室、辐射计数器、闪烁体计数器或晶体计数器。高辐射支持高分辨率，但增加了危险的辐射。放射性透射法与光学透射法类似，分析由样品引起的削弱强度。一个基本的条件是，由于基底的吸收比例不能太高，以便仍然可以分析由于该层的变化。此外，需要一条校准曲线，而且样品的两面都要占用测量。示踪法将放射性同位素混入该层，并通过辐射强度确定厚度。在Beta-Back-Scattering方法中，样品被来自一个弱的放射性β源的倾斜准直电子束轰击。由于反射的初级辐射被障碍物阻挡，只有该层发射的辐射被接收，然后参考厚度。另一种成熟的方法是荧光法。在这里，由原子壳中的X射线、伽马射线或β射线引起的电转换会发出光，这是每个化学元素的特征。因此，除了厚度测量之外，还可以进行定性的描述。尽管所有的放射性方法都有很高的灵敏度，但用户必须考虑潜在的健康问题。

磁性测厚方法

磁强计可用于铁磁性基材上的所有非铁磁性涂层。它们通常用于快速保证钢或铁上的电镀层（如锌、铜或铝）的质量。磁强计评估由线圈引起的磁场，这些磁场受与基材的距离影响。由于这种技术需要接触测试材料的表面，所以可能会对表面产生影响。尽管这种方法很简单，但由于探针的位置会影响到测量，在接触层时有很多问题需要考虑。问题是太小的样品、非平面的表面、粗糙度和探头的不平衡。正确地进行，如果参考校准样品，该方法可以测定从几微米到几毫米的厚度。测量可以按照感应定律，用一个或多个线圈的不同安排来进行，并分析各种影响。常见的有磁通门磁强计、旋转线圈磁强计或霍尔效应磁强计。在最基本的形式中，磁通门磁强计包括两个共用同一铁芯的线圈。在磁中性背景下，输入和输出电流相匹配，但如果磁芯暴露在背景磁场中，那么信号就会由于不同的饱和度而发生变化。旋转线圈磁强计在旋转线圈中诱导出一个正弦波，并评估信号的振幅。当灰岩导体或半导体被伴随着垂直排列的磁场的电流所传导时，可以测量出霍尔电压。对所引起的霍尔电压的评估提供了对电性能、电荷载流子密度和迁移率的深入了解，因此也提供了对导电性的了解。有许多物理效应需要考虑，但特别是对于具有高霍尔系数的硅和锗层，这种方法允许可靠的测量而不需要参考。另一种方法是粘附强度测量，它分析永磁体分离过程中的强度并将其转换为厚度。

光学测厚方法

显微镜方法要求，除了少数例外，有一个边缘。因此，需要对材料进行切割，可以通过聚焦离子束或蚀刻来存档。有许多方法可以用显微镜来确定厚度，如使用聚焦深度、用万用表进行缩放、光切割方法或用SEM进行扫描。干涉法也需要一个步骤，除非该材料是透明的。干涉是指两个或多个相互关联或相干的波的相互作用。

干扰技术已经得到了充分的研究和发展。主要的方法是透射干扰、入射光干扰和法子间干扰。辐照技术评估通过样品的垂直光束的强度。这种方法分析透明和半透明层的反射率和吸收率行为。它是一种广泛适用于包装行业中的涂层箔的方法。椭圆仪分析当平行光渗透到透明或半透明层时的偏振变化。最常见的是在反射模式下的应用。现场应用的优点是，样品上方的区域没有被阻挡，因此，在涂层过程中的测量是可能的。此外，这是一个非常精确的、非常快速的、非破坏性的、无接触的、原位应用的方法，不需要参考测量。缺点是对透明层的限制，对微观结构效应、微观粗糙度和微观临界的敏感性。