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来自SURAGUS的方块电阻测量设备

工业和研发实验室根据每天的测量样品数量、测量点密度和自动化水平有不同的要求。因此,SURAGUS开发和制造了四种主要的测试类型。

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。

单点设备

EddyCus® TF lab 20204040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。

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。

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。

基于涡电流的方块电阻测量

涡流测量仪自30年以来一直被应用于方块电阻测试。它的准确性和在非接触模式下的测量能力具有特殊的使用价值。涡流电阻测试的主要优势是:

方块电阻的定义

方块电阻(Rs或R)是衡量薄层材料电阻特性的一个标准。它与材料的电阻率和薄层厚度都有关。方块电阻值(通常以Ω/sq或Ohm/sq或Ohm per square或OPS表示)为导电及半导电层的电学特性提供了一个衡量标准。它是描述电极电性能的主要物理参数。如果可以假设体积电阻率是恒定的,那么方块电阻Rs与材料厚度相关。其公式为:

ρ = RS · t            其中,ρ是电阻率;RS是方块电阻;t是材料的厚度。
方块电阻描述了正方形层传导特定电流的能力。这一特性是表面电极最重要的质量参数,并在膜层沉积过程中或在导电薄膜的质量保证中确定。

方块电阻测量单位

尽管方块电阻或方块电阻率的正确物理单位是Ohm,但最常使用的单位是Ohm/sq。

方块电阻以Ohm/sq或OPS为单位,以此区分于由欧姆表示的一般电阻。很厚的膜层和高导电层通常以mOhm/sq为单位,低导电材料通常以kOhm/sq或MOhm/sq为单位。

方块电阻测量技术

有两种不同的模式来测量方块电阻 – 非接触和接触。非接触的方块电阻测量可以通过以下技术实现。

在我们的网站上了解更多关于基于涡电流的方块电阻测量。

接触式非接触式
  • 两点式探针
  • 四点式探针
  • 霍尔效应
  • 范德堡(Van der Pauw)
  • 涡流

通过四点探针测试(2PP/4PP)进行方块电阻测量

四点探针法的工作原理是将四个等距共线排列的四根探针接触材料进行测量。这种方法被称为四点探针法。外部两个探针之间驱动直流电(DC),而内部两个探针之间测量电压。在小样品或靠近边缘的地方测量时,通常需要几何校正系数,因为电流路径受样品几何结构的影响。在样品的中心可以得到最精确的值。

通过涡电流检测法(EC)测量方块电阻

涡流方块电阻测试设备通过线圈驱动交流电(AC),产生一个(初级)电磁场,在导电材料中引起所谓的(涡流)电流。在测试对象中的感应电流与应用于感应线圈的交流频率相同,从而产生一个与初级场相反的次级场。两个场的总和或场的变化描述了方块电阻。

四点探针法与涡电流检测法测量方块电阻的比较

涡流四点式探针
模式非接触式接触式
测量范围0.1 mOhm/sq到200 kOhm/sq1 mOhm/sq到10 kOhm/sq
时间实时几秒钟(包括建立联系)
应用范围1毫米间距的成像
在线式
50次测量/秒
以给定的测量点数量进行成像
在线式
磨损成本测试探针
污染可能的污染
(半导体、OLED行业)
物理影响可能的图层损坏
测量层隐蔽层
导电多层系统
只有顶层
出处30年70年
校准按制造商或用户分类按制造商或用户分类

涡流法、4PP法、霍尔效应法和Van-der-Pauw法分别是适用于测量方块电阻的电学参数测试方法。霍尔效应和Van-der-Pauw测量法适用于研发层面,因为这两种方法通常需要样品制备。工业界通常使用接触式4PP和非接触式涡流(EC)测量,不需要样品制备。主要的区别在上图中进行了总结。

涡流测量是精确的测量,不会因为接触质量不均匀而受到影响,不会损坏任何敏感的表面,也不会因为接触而产生人为效应。此外,它还可以准确地测量无法接触到的埋藏层或封装层。采用非接触技术,不会磨损针头或针尖,避免了更换普通四点探针测绘系统的高额成本。另一个显著的优势是测量时间短。每次测量只需要几毫秒,节省了接触样品的时间。这也允许了在生产过程中进行在线测量或在测绘系统中 “即时 “测量。因而,涡流方块电阻测绘系统在几秒钟内就能测量出数千个位置。不需要在测量点之间进行插值,这在四点探针测绘系统中通常是需要的。由此,还可以识别缺陷和不均匀区域。

方块电阻的应用领域和测量范围

方块电阻是建筑玻璃、光伏、显示器、OLED、触摸屏传感器、包装、半导体等行业的一个关键质量参数。下表提供了不同应用中典型的方块电阻值的概述。
应用主板电阻范围(欧姆/平方米)
建筑玻璃(LowE)1 – 10
光伏和智能玻璃中的透明电极5 – 50
OLED中的透明电极5 – 500
非透明的金属电极0.1 – 1
显示10 – 1,000
触摸屏传感器(TPS)10 – 1,000
包装铝箔0.001 – 3,000
电容器薄膜0.01 – 100
石墨烯层30 – 3,000

方块电阻材料

在许多应用中,有各式各样的材料被用作电极。主要有两类材料:透明导电材料(TCM)和非透明金属电极。
常见的透明电极材料常见的非透明电极材料
TCO (Ito, Fto, Azo, Ato)铝合金
CNT, CNB (碳纳米管和纳米芽)
金属纳米线(Ag-NW, Cu-NW)
金属网(铜网和银网)银色
纳米范围内的金属薄片金色
石墨烯层钛合金

半导体的方块电阻

以方块电阻作表征的典型半导体工艺包括沉积工艺,如PVD、CVD、ALD和材料改性工艺,如植入和掺杂、蚀刻和抛光、退火和回火以及氧化和脱氧。

晶圆表征的重点是硅晶圆、氮化镓和碳化硅晶圆的表征。晶圆的方块电阻因半导体类型和掺杂程度、晶圆厚度、其制造工艺和晶圆在铸锭中的位置以及晶圆本身的不同而不同。

碳化硅材料具有耐高温、开关速度快、pn结击穿电压高等优点。碳化硅晶圆的方块电阻成像被用来检测和描述材料的切面和其他缺陷,如位错。碳化硅晶圆的方块电阻可以低于1 Ohm/sq,最高可达kOhm/sq,取决于掺杂程度。

氮化镓晶片的一般方块电阻在100到1000 Ohm/sq之间。也请参考我们的电阻率部分。

我们的电阻率部分介绍了铸锭和铸块的特性。

光伏晶片有单晶和多晶之分,有p型和n型掺杂。方块电阻取决于晶圆的厚度和由此定义的电阻率,取决于掺杂类型和掺杂浓度。硅片的电阻率取决于其制造工艺和掺杂物在硅块或硅锭中的分布。总的来说,在整个制造过程中,电阻率有很大的变化。在典型的光伏晶圆厚度下,晶圆电阻率和方块电阻的关联性如下所示。

金属面板的方块电阻

应用于WLP / Fan-out的钛和铜膜金属面板,根据其厚度,其方块电阻为mOhm/sq。SURAGUS提供的面板监测方案,其面板尺寸最大可达600mm x 600mm。

金属薄板的方块电阻

金属薄板包括铝、黄铜、铜、钢、锡、镍和钛。极少数装饰性板材由银或金组成。有一些催化剂板是由例如铂金组成的。最常见的材料是不锈钢,如304,和铝,如1100-H14、3003-H14、5052-H32和6061-T6。板材有各种级别和厚度,方块电阻通常在50 μOhm/sq至5 mOhm/sq的范围内,取决于材料的导电性或电阻率及其厚度。特定板材的方块电阻可以用SURAGUS方块电阻计算器来计算。

金属薄板的温度会明显影响其电阻率。因此,在线方块电阻测量被用来测量例如铝板的温度,其范围为100至500摄氏度。对于光学测温,这是具有挑战性的。板材温度和方块电阻的相关性是可靠的。

金属薄膜的方块电阻

金属薄膜的厚度从一个原子层开始到微米甚至毫米范围。方块电阻的范围通常从厚层的1 Ohm/sq到薄金属膜的100 Ohm/sq。低导电合金薄膜,如钽-硅-氮化物,其方块电阻可高达1 kOhm/sq。方块电阻可以用SURAGUS方块电阻计算器来计算。

TCO的方块电阻

TCO(透明导电氧化物)主要是指In、Sb、Zn、Cd等金属元素的氧化物和复合氧化物。TCO材料被广泛应用于太阳能电池、显示器工业、智能玻璃和光电子器件。TCO材料的方块电阻相当低,其透明度高。由于具有良好的光电性能,ITO(铟锡氧化物)、偶氮(铝氧化锌)薄膜等热门的TCO材料在各个行业得到了深入的研究和应用。

TCO的方块电阻通常从5 Ohm/sq到500 Ohm/sq不等,取决于其尺寸和用途。一般来说,掺杂的氧化物材料如ZnO、In2O3和SiO2被广泛应用,主要的是ITO、IZO、FZO等。掺杂浓度和氧化程度对TCO材料的方块电阻有很大的影响。薄膜质量由许多因素决定,如厚度、均匀性、表面形态、光学透明度和导电性。对于像TCM/TCC这样的应用,重要的是确保尽可能低的方块电阻值和尽可能高的光学透明度。在大多数情况下,方块电阻和透明度有一个比例关系。方块电阻越低,透明度就越低。

石墨烯的方块电阻

石墨烯作为电极材料是非常薄和敏感的。用4PP进行接触测试会造成印记、缺陷和污染。因此,强烈建议采用非接触式涡流测试。石墨烯可以是单层、双层或多层材料。如果涉及的层数超过10层,那么它通常被称为石墨。单晶和多晶的石墨烯可以有非常不同的机械和电学性能。石墨烯的电性能可能非常不同,通常达到30 Ohm/sq到3000 Ohm/sq,取决于薄片大小、掺杂、层数和缺陷密度(线状缺陷、褶皱、间隙)。在非导电衬底(如PET、石英晶片或玻璃)上转移的石墨烯层可以在整个样品的大测量范围内以高精度表征。

纳米线材料的方块电阻

请参考我们的电学各向异性部分。

方块电阻测量标准

一些行业对使用涡流检测设备的方块电阻测量采用了自己的测量标准。这方面的例子有: