关于金属层厚度及金属层厚度测量的信息
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涡流检测法金属层厚度测量
<>涡流测厚仪广泛应用于多个行业，可测量从几纳米到数百微米甚至毫米的薄膜厚度。其基本原理依赖于在金属薄膜中所有垂直方向存在的导电元素中感应涡流。金属薄膜中每一个垂直堆叠的金属原子都对该薄膜的电流传输能力有所贡献。这种能力被描述为方块电阻，它与金属厚度相关联。极薄的金属薄膜通过高频涡流传感器（< 1 > 100 MHz）进行分析，而极厚的材料薄膜则通过低频涡流传感器（< 2 > 10 kHz）进行分析。涡流测厚仪可直接针对特定金属材料的金属厚度进行校准，或利用方块电阻与金属厚度的相关性进行测量。系统交付时通常已可直接用于各种金属厚度测量任务。特别是，较厚的金属薄膜常采用涡流检测法进行测量，因为椭偏法和反射法等光学测量方法由于依赖一定的非透明性而无法适用。涡流检测的用户价值尤其体现在其稳健性及非接触式测量能力。主要优势包括：
- 非接触式
- 稳健性
- 易于自动化，适用于在线和设备内测量
- 超快速（20毫秒/次测量）
- 透射模式和反射模式测量仪
- 高重复性和高精度
- 穿透封装测量
- 非透明金属薄膜测量
- 测量范围大，2纳米至2毫米（取决于电导率）
金属层厚度测量工具类型
便携式设备
用于单点测量
便携式涡流设备专为产品质量的快速随机抽检而设计——通常用于收货环节或在生产后检查特别大的部件。
要进行测量，请将设备放置在目标表面上。按下 “测量” 按钮，一秒钟内即可显示结果。
每次测量都在测试的特定点提供精确值——在灵活性和速度至关重要的地方提供即时、可靠的反馈。
台式工具
用于单点测量
我们的便携式系统是快速抽检测量的理想选择——无论是在收货环节、过程检验期间，还是对于固定设置不切实际的大尺寸部件。
只需将便携式单元放置在待测表面上，按下 “测量” 按钮，一秒钟内测量值就会出现在显示屏上。
每次读数都代表测量点的精确值——无论您在哪里需要，都能为您提供快速、可靠的反馈。
成像工具
用于全区域图像
我们的技术提供关于产品质量的高度详细的全表面信息——从而能够对工艺质量和稳定性得出有意义的结论。这些数据支持对制造工艺（如资源效率、吞吐速度）和产品本身（如提高均匀性、符合最低规格）进行有针对性的优化。
测量时，将样品放置在测量场的中心。预制支架（如用于晶圆的支架）可确保精确的中心定位。只需放入样品，关闭盖板，然后按下“开始测量”即可。
结果：由数千个单独测量点生成的整个层的高分辨率伪彩色图。这种可视化让您一目了然地获得可操作的见解。
在线系统
用于连续单点测量
我们的在线系统能够在生产步骤之前、期间或之后连续获取工艺质量和产品特性的数据。这种实时监控是生产自动化的基础，而生产自动化依赖于精确可靠的传感器数据。
系统无缝集成到您现有的生产线中。一旦操作员启动测量，所有数据都会自动记录并存储在中央数据库中。
根据系统配置，输出包括一个或多个线条轮廓——位于中心或跨层的关键点——实时提供对质量趋势和工艺稳定性的清晰洞察。
金属层厚度测量
金属薄膜的应用厚度范围从几纳米[nm]到较大的微米[µm]甚至毫米[mm]。其沉积通常通过蒸镀、溅射、电镀、原子层沉积（ALD）及其他沉积技术（如丝网印刷或激光金属沉积（LMD））来实现。基底包括箔材、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（”insitu”是拉丁语，意为在涂层制备过程中）通常不可行，因为厚度传感器无法安装在沉积源方向上，否则会阻挡沉积材料流。间接测量可通过厚度”监控器”或沉积速率”控制器”（如石英晶体厚度监控器）来实现，但由于材料和石英上沉积速率不一致，会产生较大偏差。这种间接测量存在显著的非恒定偏差，可通过”工装因子”进行部分校正。因此，传感器通常安装在沉积之后，往往在”真空内”（in-vacuo，拉丁语，意为在真空中）或”真空外”（ex-vacuo）。厚度传感器可”在线”安装于生产过程中，也可作为台式或便携式离线检测方案使用。
金属和金属合金列表
金属可分为碱金属、碱土金属、基本金属和过渡金属。碱金属是高活性元素，因此以化合物形式应用。碱土金属活性较低，但同样以化合物形式而非纯态应用。基本金属，通常与”金属”一词相关联，能导热导电，具有金属键合结构，往往密度高且具有延展性。过渡金属具有未完全填充的电子壳层，因此可形成多种氧化态。一些过渡金属以纯态或自然态存在，包括金、铜和银。
金属可分为：
- 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）
合金可分为：
- 铝合金（铝锂合金、铝镍钴合金、硬铝合金、镁铝合金、硅铝合金）
- 钴合金（镁钴合金、司太立合金、塔洛耐合金）
- 铜合金（黄铜、青铜、铜钨合金（铜、钨））
- 镓合金（镓铟锡合金）
- 金合金（琥珀金、通巴加合金、玫瑰金和白金）
- 铁合金（各类钢、不锈钢和铁合金）
- 铅合金（锑铅合金、铜铅合金、焊料）
- 镁合金（镁诺克斯合金、埃莱克特朗合金）
- 镍合金（铝镍合金、铬镍合金、哈氏合金、因科镍合金、镍硅合金）
- 银合金（不列颠合金、琥珀金、戈洛伊德合金、四分一合金）
- 锡合金（不列颠锡合金、白镴）
- 钛合金（Beta C、6Al-4V）
- 锌合金（黄铜、压铸锌合金）
- 锆合金（锆铝合金）
金属薄膜的特性
金属和合金薄膜通常由具有不同特性的材料组成。层叠结构的特性由这些材料特性决定，并最终通过其厚度和密度来实现：
| 接触式 非接触式 | ||
| 电学特性 | Resistivity [Ohm⋅cm] Mobility [cm2⋅V-1⋅s-1] |
Sheet resistance [Ohm/sq] Carrier concentration [cm-3] |
| 介电特性 | Permittivity [F⋅m-1] | 等效介电常数 |
| 磁学特性 | Permeability [H⋅m-1] or [N⋅A-2] | 特定频率下的磁屏蔽效果 |
其他相关特性包括发射率和特定频率下的电磁屏蔽效果。此外，金属厚度还会影响扩散阻隔性（水蒸气透过率，WVTR）、克重或面密度、声阻抗 [Pa·s/m³] 以及吸收特性；对于金属薄膜，还会影响透射率 [%]、反射率 [%] 和散射/雾度 [%]。适用的特性远不止这些。此处列出的特性及其功能通常取决于金属厚度。
金属厚度与方块电阻具有相关性
涡流技术可测量整个层叠结构，因此提供的是整个层叠结构的并联电阻。通过在每一层涂覆步骤后分别测量并应用标准公式，可以将多层导电层进行分离。只有在通过逐层测量确定了各层的单独电阻之后，才能根据方块电阻计算出厚度。
- 方块电阻 Rₛ 的定义为
其中 ρ 表示电阻率，t 表示导电（金属）层的厚度。
因此，导电层的厚度 t 为
由于电导率 σ 与电阻率 ρ 之间的关系如下
常用金属材料的电阻率值可在以下 SURAGUS 计算器网站中查找：方块电阻计算器链接
金属薄膜的沉积
根据金属薄膜所需的机械、电学或光学特性以及生产效率要求，可采用真空和非真空工艺进行沉积。通常，精密光学等高精度应用需要非常光滑、致密且精细可控的沉积工艺，例如溅射。当涉及微米级的较厚层时，通常采用蒸镀工艺。其他真空工艺包括原子层沉积（ALD）、化学气相沉积（CVD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）。非真空工艺包括大气等离子体处理、湿法或湿化学工艺。
电镀法金属沉积
电镀和化学镀均属于湿法沉积工艺。电镀需要通过电流将金属沉积到基材表面。在含有金属颗粒和化学溶液的槽液中，对基材施加电流从而引发沉积过程。相比之下，化学镀基于自催化过程，无需施加电流。基材经过化学试剂和催化溶液处理后发生氧化反应，从而使金属颗粒结合到基材表面。
材料
- 金属
- 合金
应用领域
- 防腐保护
- 扩散阻挡层
- 导电电路元件
- 半导体中的通孔
- 印刷电路板（PCB）的通孔连接
蒸镀法金属沉积
蒸镀是一种物理气相沉积（PVD）工艺。其原理是在真空环境中将材料加热至超过其熔化或升华温度，使其气化。与磁控溅射相比，蒸镀本质上是一种高沉积速率的工艺，但通常所获得的薄膜密度和均匀性较低，除非使用离子辅助掩膜技术或行星式旋转装置。因此，在大面积基材且光学要求较高的应用场景中，蒸镀工艺可能存在一定局限性。根据材料熔点的不同，蒸镀可采用电阻加热或电子束加热方式进行。
材料（按低熔点和高熔点分类）
- 金属
- 非金属
- 合金
- 介电材料
应用领域
- 电池
- 燃料电池
- 电容器
- 有机发光二极管（OLED）
- 精密光学
- 显示器行业
- 薄膜太阳能
- 半导体
磁控溅射法金属沉积
磁控溅射是一种物理气相沉积（PVD）工艺。它需要在真空环境中进行磁约束等离子体过程，其中带正电荷的离子轰击带负电荷的靶材。靶材因此溅射出原子，这些原子随后沉积在基材上，如玻璃、硅、塑料等。与蒸镀工艺相比，磁控溅射是一种低沉积速率的工艺，但能够实现高均匀性，尤其在大面积基材上表现突出。溅射工艺可应用于小片样品（10 mm × 10 mm）或晶圆级别，基材宽度最大可达 3,300 mm。根据客户需求（薄膜质量、设备产能），可采用不同的机械布局和工作模式。工作模式包括射频（RF/HF）、直流（DC）、脉冲直流、DC/DC、DC/RF 等。常见的靶材配置有单平面靶、共聚焦靶、旋转靶、双旋转靶和对向靶等。
典型应用包括
- 平板显示器
- 光盘
- 汽车与建筑玻璃
- 装饰性涂层
- 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
典型涂层包括
- 铝 Al、铝钛 Al-Ti、氧化铝 Al₂O₃
- 碲化镉 CdTe
- 硒化镉 CdSe
- 硫化镉 CdS
- 铬 Cr、铬钼 Cr-Mo、铬钛 Cr-Ti、铬钨 Cr-W、铬钒 Cr-V、铬钼钽 Cr-Mo-Ta
- 钴 Co、钴铬钽硼 Co-Cr-Ta-B、钴铁硼 Co-Fe-B
- 铜 Cu、铜合金
- 氧化铟锡（ITO，In₂O₃-SnO₂）
- 铁 Fe、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 Ni、镍铬 Ni-Cr、镍合金
- 铂 Pt、铂钯 Pt-Pd、铂银 Pt-Ag
- 钌 Ru、钌铝 Ru-Al
- 硅 Si、硅铝 Si-Al、二氧化硅 SiO₂
- 银 Ag
- 钽 Ta、五氧化二钽 Ta₂O₅、钽硅 TaSi
- 锡 Sn
- 钛 Ti、氧化钛 TiOₓ、钛铝 Ti-Al、钛钨 Ti-W
- 铽铁钴 Tb-Fe-Co 以及许多其他合金。
- 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（CVD）工艺。与磁控溅射相比，ALD是一种低沉积速率工艺，通常沉积个位数埃级厚度的薄膜。至少两种化学蒸气或前驱体在基底上反应形成薄膜。由于其低沉积速率，可生成致密且光滑的涂层。近年来，ALD已发展到满足工业规模工艺的要求，如卷对卷（R2R）和空间ALD。
通过原子层沉积（ALD）应用的材料包括：
- 金属
- 金属氧化物、氮化物、硫化物、碳化物
- 聚合物
- 其他
应用领域
- 阻挡层
- 微电子
- 半导体
介电常数（Permittivity）也被称为电容率。介电常数描述了电介质在电场中储存静电能的相对能力。材料的相对介电常数越小，绝缘性能越好。当介质被施加电场时，会产生感应电荷以削弱电场。原始施加电场（真空中）与最终电场的比值称为介电常数，它也与频率有关。
如何选择层厚度测量技术
层厚度测量技术
技术分类
- 直接与间接方法
- 破坏性与非破坏性方法
- 破坏性方法通常可进行直接测量，而大多数非破坏性（非接触式）方法使用间接关系，因此需要校准或参考参数。
考虑材料堆叠，例如基底分离
- 导电和非导电
- 透明和半透明或非透明
- 反射性和非反射性
- 铁磁性和非铁磁性
层厚度测量的挑战
金属层厚度测量的挑战包括：
- 多层厚度测量
- 超薄层厚度测量
- 边界层厚度测量
厚度测量通常可以采用不同的技术进行。一般来说，从基底和涂层特性到环境和测量类型，有许多影响因素需要仔细考虑。
层厚度传感器
厚度传感器利用多种技术来区分材料。常见技术包括表面轮廓仪、椭偏法、双偏振干涉法和扫描电子显微镜，用于分析样品的横截面。
测厚方法
以下对比表中的数据来源于”Nitzsche, K.：Schichtmeßtechnik. Vogel, 1997.”
涡流测厚方法
涡流测量是一种可靠的非接触式检测方法。它适用于多种不同的任务，如表面损伤检测、振动和变形测量、电导率和磁导率等材料特性测量以及接近传感。接近传感和电导率传感可非常精确地测定各种涂层/基底系统的厚度。
- 需要导电涂层
- 测量范围非常大
- 快速测量方法
- 成熟方法
- 中等至较高成本
机械测厚方法
千分表和比较仪是相对简单的工具，仅起辅助作用。探针利用重力或弹簧力扫描表面，然后将探针在台阶处的跳变转换为厚度。类似的方法还有轮廓法，主要用于粗糙度检测。金刚石探针扫描表面，并将运动转换为放大的电信号。这些方法的优点在于它们是具有高重复性的直接测量方法。
这些方法价格低廉，对涂层系统无特殊要求，且可通过平均化消除粗糙度的影响。主要缺点是需要台阶以及与涂层的接触可能导致弹性或塑性变形。此外，它们不适用于原位测量。
- 通常需要物理接触和物理台阶
- 成熟的技术
- 价格低廉
称重法测厚
已知涂层面积和涂层材料密度，即可通过称重法确定厚度。这可以通过测量目标结构的重量差异或检测参考结构的重量来实现。分析天平和微量天平或其他特殊配置的称重方法非常精确，但仅允许极低的负载，且原位应用较为困难。一种更为常见且精度更高、可原位应用的方法是石英晶体监控法。在腔室中基底旁放置的石英晶体在相同条件下被镀膜。石英晶体根据其重量变化改变振荡特性，该变化被监测和评估。这是一种极其精确的方法，也适用于多层镀膜序列。另一种方法是测量所消耗蒸发材料的重量，这是一种简单但精度不高的方法。此外，还有化学定量分析法，通过测量涂层脱离的化学反应持续时间来确定厚度。库仑法在反向电解过程中通过测量电位变化来确定厚度。该方法非常精确，但会破坏涂层，因此主要用于实验室应用。
- 中等成本
- 在线和原位应用
- 成熟技术
辐射测厚方法
电离或放射性发射与层状物质的相互作用可提供大量材料特性信息。根据材料和厚度的不同，采用不同的发射类型。常用的有α射线、β射线、γ射线、X射线或电子发射。其效应包括透射、吸收和背散射。所有方法都使用一个源和一个接收器。常见的接收器有电离室、辐射计数器、闪烁计数器或晶体计数器。高发射量有助于提高分辨率，但会增加有害辐射。放射性透射法与光学透射法类似，分析样品引起的强度衰减。一个基本条件是基底的吸收比例不能过高，以便仍能分析涂层引起的变化。此外，还需要校准曲线，且样品两侧均用于测量。示踪法将放射性同位素混入涂层中，通过辐射强度确定厚度。在β背散射法中，使用弱放射性β源的倾斜准直电子束轰击样品。由于反射的一次辐射被障碍物阻挡，仅接收涂层发射的辐射，然后参照厚度进行分析。另一种成熟的方法是荧光法。在该方法中，X射线、γ射线或β射线在原子壳层中引起的电子跃迁会发出光，该光对每种化学元素具有特征性。因此，除了测厚之外，还可以进行定性表征。尽管所有放射性方法都具有高灵敏度，但用户必须考虑潜在的健康问题。
- 多种检测方法和装置可供选择
- 成熟技术
- 中等至较高成本
- 需要安全措施以应对放射性工具
磁性测厚方法
磁力计可用于铁磁基底上所有非铁磁涂层的测量。它们常用于钢或铁上电镀层（如锌、铜或铝）的快速质量保证。磁力计评估由线圈感应产生的磁场，该磁场受到与基底距离的影响。由于该技术需要接触被测材料的表面，可能会对表面造成影响。尽管该方法原理简单，但在接触涂层时需要考虑许多问题，因为探头位置会影响测量结果。常见问题包括样品过小、非平面表面、粗糙度和探头不平衡。操作得当的情况下，参照校准样品，该方法可测量从几微米到几毫米的厚度。测量可通过一个或多个线圈的不同排列方式进行，遵循感应定律并分析各种效应。常见的有磁通门磁力计、旋转线圈磁力计和霍尔效应磁力计。在最基本的形式中，磁通门磁力计包含两个共享同一磁芯的线圈。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，则信号会因不同的饱和效应而发生变化。旋转线圈磁力计在旋转线圈中感应出正弦波，并评估信号的幅度。当一个长方体导体或半导体在电流通过的同时施加垂直排列的磁场时，可以测量到霍尔电压。对霍尔电压的评估可以揭示电学特性、载流子密度和迁移率，进而了解电导率。虽然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，该方法无需参考样品即可实现可靠测量。另一种方法是附着力测量，它分析永久磁铁脱离时的强度并将其转换为厚度。
- 成熟技术
- 低至中高成本
光学测厚方法
显微镜方法除少数例外情况外，都需要一个边缘。因此，需要对材料进行切割，例如通过聚焦离子束或蚀刻来实现。利用显微镜测定厚度的方法有很多，如利用焦深、万用表标尺、光切法或扫描电子显微镜扫描等。干涉法同样需要一个台阶，除非材料是透明的。干涉是指两个或多个相互关联或相干的波之间的相互作用。
干涉技术已经过深入研究和发展。主要方法包括透射干涉、入射光干涉和相位干涉。辐照技术评估垂直穿透样品的光束强度。该方法分析透明和半透明层的反射率和吸收率特性，广泛应用于包装行业的涂层薄膜。椭偏法分析平行光穿透透明或半透明层时偏振态的变化，最常见的是反射模式的应用。其在原位应用中的优势在于样品上方的空间不被遮挡，因此可以在镀膜过程中进行测量。此外，它是一种极其精确、快速、无损、非接触且可原位应用的方法，无需参考测量。其缺点是仅限于透明层，且对微观结构效应、微观粗糙度和微观临界性敏感。
- 仅限于透明层（薄金属层）
- 对微观结构效应和微观粗糙度敏感
- 适用于在线应用
- 中等至较高成本
金属层厚度测量检测设备
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，通常应用四种主要的检测类型：
- 便携式
- 实验室/台式
- 单点
- 成像
- 在线/工具集成
- 在线静态单/多传感器
- 在线横移
- 机器人/工具集成
