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Schichtwiderstandsmessung
Inhaltsübersicht
Messung mittels Wirbelstromverfahren | Definition | Einheit | Techniken | Anwendungen | Materialien | Messnormen | Prüfgeräte
Schichtwiderstandsmessung mittels Wirbelstrom
Wirbelstrommessgeräte werden seit 30 Jahren zur Prüfung des Schichtwiderstandes eingesetzt. Die Genauigkeit und Möglichkeit kontaktlos zu messen, generiert einen besonderen Nutzen für Anwender. Die Hauptvorteile der Wirbelstromwiderstandsprüfung sind:
- Berührungsfrei
- Sehr schnell (nur 20 ms pro Messung)
- Hohe Wiederholgenauigkeit und Messgenauigkeit
- Großer Abstand zwischen Sensor und Probe realisierbar
- Transmissions- und Reflektionsmodus
- Messung eingeschlossener Schichten
- Kein Verschleiß
- Großer Messbereich von 0.1 mOhm/sq bis 100 kOhm/sq (9 Dekaden)
Möglichkeiten zum Messen des Schichtwiderstands
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Definition Schichtwiderstand
Der Schichtwiderstand (Rs oder R) ist ein Maß für den elektrischen Widerstand von Dünnschichten. Er ist abhängig vom spezifischen Widerstand des Materials und von der Schichtdicke. Der Schichtwiderstandswert ist ein Maß für die elektrischen Eigenschaften von leitenden und halbleitenden Schichten. Er ist der wichtigste physikalische Parameter zur Beschreibung der elektrischen Leistung von Elektroden. Der Schichtwiderstand Rs korreliert mit der Materialdicke, wenn der spezifische Widerstand als konstant angenommen werden kann. Die Formel lautet:
ρ = RS · t ρ ist der spezifische Widerstand, RS ist der Schichtwiderstand und t die Dicke des Materials
Der Schichtwiderstand beschreibt die Fähigkeit einer quadratischen Schicht, einen bestimmten Strom zu leiten. Diese Eigenschaft ist der wichtigste Qualitätsparameter für Oberflächenelektroden und wird während des Schichtabscheidungsprozesses oder zur Qualitätssicherung von leitfähigen Dünnschichten bestimmt.
Einheit des Schichtwiderstandes
Auch wenn die korrekte physikalische Einheit des Schichtwiderstandes Ohm ist, ist die am häufigsten verwendete Einheit Ohm/sq.
Der Schichtwiderstand wird in Ω/sq (auch Ohm/sq, Ohm pro Quadrat oder OPS) angegeben, um eine Differenzierung vom klassischen Widerstand, der in Ohm angegeben wird, zu erreichen. Sehr dicke sowie sehr leitfähige Schichten werden oft in mOhm/sq und schlecht leitende Materialien mit kOhm/sq oder MOhm/sq angegeben.
Techniken zum Messen des Schichtwiderstandes
Es gibt zwei verschiedene Modi zur Messung des Schichtwiderstands - berührungslos und kontaktbehaftet. Die berührungslose Schichtwiderstandsmessung ist mit den folgenden Techniken möglich:
| kontaktbehaftet | berührungslos |
|---|---|
|
|
Erfahren Sie mehr über wirbelstrombasierte Schichtwiderstandsprüfungen in unserer Wirbelstrom-Seite im Technologie-Bereich.
Messung des Schichtwiderstandes durch die Vier-Punkt-Methode (2PP/ 4PP)
Bei der Vier-Punkt-Methode werden vier kollineare Sonden, die sich jeweils im gleichen Abstand zueinander befinden, auf das Material aufgesetzt. Diese Methode ist auch als Vier-Spitzen-Messung bekannt. Zwischen den beiden äußeren Spitzen fließt ein Gleichstrom (DC), während die Spannung zwischen den beiden inneren Sonden gemessen wird. Bei Messungen an kleinen Proben oder in der Nähe von Kanten, bei denen die Strompfade durch die Probengeometrie beeinflusst werden, ist häufig ein geometrischer Korrekturfaktor erforderlich. Die genauesten Ergebnisse können daher in der Mitte einer Probe erzielt werden.
Schichtwiderstandsmessung durch Wirbelstromprüfung (EC)
Wirbelstrom-Schichtwiderstandsprüfgeräte erzeugen mittels Spulen einen Wechselstrom (AC), um ein (primäres) elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das so genannte (Wirbel-)Ströme in leitende Materialien induziert. Die induzierten Ströme im Prüfobjekt arbeiten mit der gleichen Wechselstromfrequenz, die an die Induktionsspulen angelegt wird, was zu einem Sekundärfeld führt, das dem Primärfeld entgegengesetzt ist. Die Summe beider Felder oder die Feldänderung beschreibt den Schichtwiderstand.
Vergleich von Vier-Spitzen-Methode und Wirbelstrom Schichtwiderstandsprüfung
Wirbelstrom-, 4PP-, Hall-Effekt- und Van-der-Pauw-Verfahren sind elektrische Prüfverfahren, die für die Prüfung des elektrischen Parameters Schichtwiderstand anwendbar sind. Hall-Effekt- und Van-der-Pauw-Verfahren werden im F&E-Bereich angewandt, da beide Methoden typischerweise eine Probenvorbereitung erfordern. In der Industrie werden üblicherweise die kontaktbehaftete 4PP- und die berührungsfreie Wirbelstrommessung (EC) verwendet, die keine Probenvorbereitung erfordern. Die wichtigsten Unterschiede sind in der Tabelle zusammengefasst:
| Wirbelstrom | Vier-Punkt-Methode | |
|---|---|---|
| Modus | Berührungsfrei | Kontaktbehaftet |
| Messbereich | 0.1 mOhm/sq bis 200 kOhm/s | 1 mOhm/sq to 10 kOhm/sq |
| Dauer der Messung | Echtzeit | Wenige Sekunden (inkl. Kontaktherstellung) |
| Anwendungsbreite | Bildgebend mit 1 mm Raster Inline 50 Messungen pro Sekunde |
Bildgebend mit vorgegebener Anzahl an Messpunkten Inline |
| Kosten durch Verschleiß | Keine | Messspitzen |
| Kontaminierung | Keine | Mögliche Kontaminierung (Halbleiter, OLED Industrie) |
| Physische Auswirkungen | Keine | Mögliche Schäden an der Schicht |
| Gemessene Schicht | Verdeckte Schichten Leitfähige Mehr-Schicht-Systeme |
Nur die oberste Schicht |
| Anwendungszeitraum | 30 Jahre | 70 Jahre |
| Kalibrierung | Vom Hersteller oder Nutzer | Vom Hersteller oder Nutzer |
Die Wirbelstromprüfung ermöglicht eine genaue Messung ohne negative Einflüsse aufgrund inhomogener Kontaktgüte und ohne Beschädigung empfindlicher Oberflächen oder Erzeugung von Defekten durch die Kontaktierung. Darüber hinaus ermöglicht sie die genaue Messung von unzugänglich verdeckten oder eingeschlossenen Schichten. Durch den Einsatz der berührungslosen Technologie gibt es keinen Verschleiß von Nadeln oder Spitzen, was bei herkömmlichen 4-Punkt-Mapping-Systemen in der Regel hohe Ersatzkosten verursacht. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die kurze Messdauer. Eine Messung dauert nur wenige Millisekunden pro Messung und es wird keine Zeit für die Kontaktierung der Probe benötigt. Dies ermöglicht auch die Inline-Messung während der Produktion oder "on the fly" in Mapping-Systemen. Im Ergebnis messen die bildgebenden Wirbelstrom-Schichtwiderstands-Messsysteme Tausende von Positionen in wenigen Sekunden. Eine Interpolation zwischen den Messpunkten - wie bei bildgebenden Systemen auf Basis der 4-Spitzen-Methode üblich- ist nicht erforderlich. Daher können Defekte und ungleichmäßige Bereiche identifiziert werden.
Schichtwiderstandsanwendungen und -messbereiche
Der Schichtwiderstand ist ein wichtiger Qualitätsparameter in der Architekturglas-, Photovoltaik-, Display-, OLED-, Touchpanel-Sensoren-, Verpackungs-, Halbleiter- und vielen anderen Industrien. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über typische Schichtwiderstandswerte für verschiedene Anwendungen.
| Anwendung | Hauptschichtwiderstandsbereich in Ohm/ sq |
|---|---|
| Architekturglas (LowE) | 1 - 10 |
| Transparente Elektroden in PV and Smart Glass | 5 - 50 |
| Transparente Elektroden in OLED | 5 - 500 |
| Nicht-Transparent Metallelektroden | 0.1 - 1 |
| Display | 10 - 1,000 |
| Touch Panel Sensor (TPS) | 10 - 1,000 |
| Verpackungsfolien | 0.001 - 3,000 |
| Kondensatorfolien | 0.01 - 100 |
| Graphene Layer | 30 - 3,000 |
Materialen
Eine breite Palette von Materialien wird als Elektrodenmaterial in vielen Anwendungen eingesetzt. Es gibt zwei Hauptgruppen von Materialien: transparente leitende Materialien (TCM) und nicht-transparente Metallelektroden.
| Häufige transparente Elektrodenmaterialien | Häufige intransparente Elektrodenmaterialien |
|---|---|
| TCO (ITO, FTO, AZO, ATO) | Aluminium |
| CNT, CNB (carbon-nano-röhren und nano buds) | Molybdän |
| Metal-nano-wires (Ag-NW, Cu-NW) | Kupfer |
| Metallgitter (Kupfer- und Silbergitter) | Silber |
| Dünne Metallfilme im nm-Bereich | Gold |
| Graphenschichten | Titanlegierungen |
Schichtwiderstand von Halbleitern
Zu den typischen Halbleiterprozessen, bei denen die Charakterisierung des Schichtwiderstands angewendet wird, gehören Abscheidungsprozesse wie PVD, CVD, ALD und Materialmodifikationsprozesse wie Implantation und Dotierung, Ätzen und Polieren, Glühen und Anlassen sowie Oxidation und Desoxidation.
Die Wafer-Charakterisierung konzentriert sich auf die Charakterisierung von Siliziumwafern, Galliumnitrid- und Siliziumcarbid-Wafern. Der Schichtwiderstand von Wafern variiert je nach Halbleitertyp und Dotierungsgrad, Waferdicke, Herstellungsverfahren und der Position des Wafers innerhalb des Ingots und auch mit dem Wafer selbst.
SiC als Material zeichnet sich durch seine Eigenschaften bei hohen Temperaturen, sein schnelles Schaltverhalten und seine hohe Durchschlagspannung für pn-Übergänge aus. Die Schichtwiderstandsabbildung für SiC-Wafer wird zur Erkennung und Charakterisierung von Material-Kristallflächen und anderen Defekten wie Versetzungen verwendet. Die Schichtwiderstände von SiC-Wafern können unter 1 Ohm/sq liegen und je nach Dotierungsgrad bis in den kOhm/sq-Bereich reichen.
GaN-Wafer haben einen typischen Schichtwiderstand zwischen 100 und 1.000 Ohm/sq. Bitte beachten Sie auch unseren Abschnitt über den spezifischen Widerstand.
Die Charakterisierung von Ingots und Boule-Wafern wird in unserem Abschnitt über den spezifischen Widerstand behandelt.
PV-Wafer gibt es als mono- und polykristalline Wafer mit p- und n-Typ-Dotierung. Der Schichtwiderstand hängt von der Waferdicke und dem resultierenden spezifischen Widerstand in Abhängigkeit vom Dotierungstyp und der Dotierungskonzentration ab. Der spezifische Widerstand von Wafern variiert je nach Herstellungsverfahren und der Verteilung der Dotierstoffe innerhalb eines Waferblocks oder Ingots. Insgesamt gibt es eine starke Variation der spezifischen Widerstände über das gesamte Fertigungsspektrum hinweg. Die Korrelation des spezifischen Wafer-Widerstands und des Schichtwiderstands bei typischen PV-Waferdicken ist unten dargestellt.
Schichtwiderstand von Metallplatten
Metallpaneele für WLP / Fan-out-Anwendungen mit Titan- und Kupferfolien haben je nach Dicke einen Schichtwiderstand von wenigen mOhm/sq. SURAGUS bietet Plattenüberwachungslösungen bis zu einer Plattengröße von 600 mm x 600 mm an.
Schichtwiderstand von Metallschichten
Metallschichten bestehen aus Aluminium, Messing, Kupfer, Stahl, Zinn, Nickel und Titan. Sehr wenige dekorative Schichten bestehen aus Silber oder Gold. Es gibt Katalysatorschichten, die z.B. aus Platin bestehen. Die gebräuchlichsten Materialien sind rostfreier Stahl, z.B. 304, und Aluminium, z.B. 1100-H14, 3003-H14, 5052-H32 und 6061-T6. Die Schichten sind in verschiedenen Qualitäten und Dicken erhältlich. Die Schichtwiderstände liegen typischerweise in einem Bereich von 50 µOhm/sq bis 5 mOhm/sq, abhängig von der Leitfähigkeit oder dem spezifischen Widerstand des Materials und seiner Dicke. Der Schichtwiderstand für bestimmte Schichten kann mit dem SURAGUS Schichtwiderstandsrechner berechnet werden.
Die Temperatur von Metallschichten beeinflusst den spezifischen Widerstand erheblich. Daher werden Inline-Schichtwiderstandsmessungen verwendet, um die Temperatur von z.B. Aluminiumschichten in einem Bereich von 100 bis 500 Grad Celsius zu messen, in dem optische Temperaturmessungen eine Herausforderung darstellen. Die Korrelation von Schichttemperatur und Schichtwiderstand ist zuverlässig.
Schichtwiderstand von Metallbeschichtungen
Die Metallschichtdicken beginnen bei einer Atomlage und reichen bis in den Mikrometer- und sogar Millimeterbereich. Die Schichtwiderstände reichen typischerweise von 1 mOhm/sq für dicke Schichten bis zu 100 Ohm/sq für dünne Metallfilme. Niedrig leitende Schichten von Legierungen wie Tantal-Silizium-Nitrid können einen Schichtwiderstand von bis zu 1 kOhm/sq haben. Der Schichtwiderstand kann mit dem SURAGUS Schichtwiderstandsrechner berechnet werden.
Schichtwiderstand von TCOs
TCO (Transparent Conductive Oxide) bezieht sich hauptsächlich auf Oxide und Mischoxide von Metallelementen wie In, Sb, Zn, Cd usw. TCO-Materialien werden häufig in Solarzellen, in der Display-Industrie, in Smart Glass und in photoelektronischen Geräten verwendet. Der Schichtwiderstand von TCO-Materialien ist eher gering und ihre Transparenz ist hoch. Gängige TCO-Materialien, wie ITO (Indium-Zinn-Oxid), AZO (Aluminium-Zink-Oxid) Dünnschichten, werden aufgrund ihrer günstigen optischen und elektrischen Eigenschaften eingehend untersucht und in verschiedenen Branchen eingesetzt.
Der Schichtwiderstand von TCO reicht üblicherweise von 5 Ohm/sq bis zu 500 Ohm/sq, abhängig von der Größe und der Anwendung. Im Allgemeinen werden dotierte Oxidmaterialien wie ZnO, In2O3 und SiO2 für verschiedene Anwendungen verwendet, was zu ITO, IZO, FZO und so weiter führt. Dotierungskonzentration und Oxidationsgrad haben einen großen Einfluss auf den Schichtwiderstand von TCO-Materialien. Die Dünnschichtqualität wird durch eine Reihe von Faktoren wie Dicke, Gleichmäßigkeit, Oberflächenmorphologie, optische Transparenz und elektrische Leitfähigkeit bestimmt. Für Anwendungen wie TCM/TCC ist es wichtig, einen möglichst niedrigen Schichtwiderstandswert und eine möglichst hohe optische Transparenz zu gewährleisten. In den meisten Fällen stehen Schichtwiderstand und Transparenz in einem proportionalen Verhältnis zueinander: Je geringer der Schichtwiderstand, desto geringer wäre die Transparenz.
Schichtwiderstand von Graphen
Graphen als Elektrodenmaterial ist sehr dünn und empfindlich. Kontaktbehaftete Untersuchungen mittels 4PP können Abdrücke, Defekte und Verunreinigungen verursachen. Daher wird die berührungslose Wirbelstromprüfung dringend empfohlen. Graphen kann als Monolayer-, Bilayer- oder Multilayer-Material geliefert werden. Wenn es sich um mehr als zehn Schichten handelt, wird es üblicherweise als Graphit bezeichnet. Monokristalliner und polykristalliner Graphen kann sehr unterschiedliche mechanische und elektrische Eigenschaften haben. Die elektrischen Eigenschaften von Graphen können sehr unterschiedlich sein und reichen typischerweise von 30 Ohm/sq bis 3.000 Ohm/sq, je nach Lamellengröße, Dotierung, Anzahl der Schichten und Defektdichte (Linienfehler, Falten, Lücken). Übertragene Graphenschichten auf nichtleitenden Substraten wie PET, Quarzwafern oder Glas können mit hoher Genauigkeit in einem großen Messbereich über die Proben hinweg charakterisiert werden.
Schichtwiderstand von Nanodraht-Materialien
Bitte beachten Sie unseren elektrische Anisotropie-Bereich.
Standards bei der Schichtwiderstandsmessung
Mehrere Industriezweige wenden ihre eigenen Messnormen für die Messung des Schichtwiderstands mit Wirbelstromgeräten an. Beispiele sind
- SEMI MF673 — Prüfverfahren zur Messung des spezifischen Widerstandes von Halbleiterwafern oder des Schichtwiderstandes von Halbleiterschichten mit einem berührungslosen Wirbelstrommessgerät
- SEMI PV28 — Prüfverfahren zur Messung des spezifischen Widerstandes oder des Schichtwiderstandes mit einem einseitigen berührungslosen Wirbelstrommessgerät
- ASTM F1844 - 97(2016) — Standardverfahren zur Messung des Schichtwiderstandes von Dünnfilmleitern für die Herstellung von Flachbildschirmen unter Verwendung eines berührungslosen Wirbelstrommessgeräts
Geräte zum Messen des Schichtwiderstands
Industrie und F&E-Laboratorien haben unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf die Anzahl der Messproben pro Tag, die Messpunktdichte und den Automatisierungsgrad. Daraus ergeben sich vier Hauptprüfarten, die üblicherweise angewendet werden
- Handgerät
- Labor/ Tischgeräte
- Inline / Tool integrated
