平板顯示（FPD）制造過程中，薄膜厚度的實時管理是確保產品質量的關鍵因素。傳統(tǒng)方法如機械觸針法、顯微法和光學法存在破壞樣品、速度慢、成本高或局限于特定材料等問題。本研究開發(fā)了一種基于四探針法的導電薄膜厚度測量儀，其原理是通過將已知的薄膜材料電阻率除以方阻來確定厚度，并使用XFilm 平板顯示在線方阻測試儀作為對薄膜在線方阻實時檢測，以提供數(shù)據支撐。旨在實現(xiàn)非破壞性、快速精準的定點測量，并顯著降低設備成本。

四探針法原理

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四探針法：(a) 單配置；(b) 雙配置

四點探針法通過測量電流與電壓計算薄膜的方阻（RS），結合材料電阻率（ρ）推導厚度（t=ρ/RS）。本儀器支持兩種配置：單配置模式：
通過外側探針施加電流（IAD），內側探針測量電壓（VBC），計算電阻 Rs= VBC/ IAD，結合修正因子 ks得方阻Rss= ks× Rs。其中 ks整合了樣品尺寸（F (d/S) ）、厚度（F(t/S)）、溫度（F(T)）及探針間距（F(S)）四類修正。雙配置模式：
采用交叉電流注入（IAC）與電壓檢測（VBD），通過比例系數(shù) kd自動消除邊緣效應，特別適用于小尺寸樣品。

薄膜厚度測量儀設計

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薄膜測厚儀系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)組成：儀器集成電源、CPU、顯示器、A/D轉換器和增益放大器，支持單/雙配置模式切換，具備自動/手動測量、校準、金屬電阻率輸入等功能。探針臺與四點探針：為最小化測量薄膜厚度時探針抖動引起的接觸電阻影響，本研究設計并制造了專用探針臺。該裝置通過上下控制旋鈕固定探針，使其垂直接觸樣品表面以測量薄膜厚度。傳統(tǒng)四探針法（FPP）因使用四探針接觸被視為破壞性方法，但通過優(yōu)化探針形狀與半徑可實現(xiàn)非破壞測量。

薄膜測厚儀的電阻與方阻特性

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本研究通過標準電阻溯源法嚴格驗證薄膜測厚儀的電學性能：電阻測量

電阻測量線性度

• 量程：1 mΩ–10 Ω
• 線性誤差＜0.1%，階躍響應誤差≤0.001 Ω
• 不確定度：0.1–0.2%（k=2），穩(wěn)定性達±1 digit（3?位顯示）

方阻測量單配置：
理論值 Rss=4.532?Ω/□（基于四修正因子），全量程擴展為4.532 mΩ/□ – 45.32 Ω/□雙配置：
理論值 RSd=2.605?Ω/□（比例常數(shù)法），全量程為2.605 mΩ/□–26.05 Ω/□實測偏差：單/雙配置均＜0.1%測厚儀的電阻與方阻測量功能在寬量程（1 mΩ–10 Ω）內均實現(xiàn)≤0.1%的高精度，且重復性、穩(wěn)定性優(yōu)異。這一性能為厚度換算公式t=ρ/RSS提供了可靠基礎，確保薄膜厚度測量的準確性。尤其通過雙配置設計有效抑制邊緣效應，解決了小尺寸樣品測量難題，凸顯其在微納薄膜表征中的實用價值。

厚度測量準確性驗證

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測量原理：存儲多種材料電阻率（如Al、Cu等），用戶選擇材料后，探針接觸樣品表面，儀器通過t=ρ/RSS計算厚度并實時顯示。

五種樣品厚度對比

實驗驗證：制備Pd、Al、Au、Nb、Cu薄膜樣品（沉積于75 mm硅片），測量中心10 mm范圍內厚度，并與SEM/TEM觀測截面厚度對比。結果顯示，測量值與顯微觀測值在14 nm–1.6 μm范圍內誤差小于0.1%，差異源于SEM/TEM的觀測誤差。本研究開發(fā)了一種用于平板顯示（如觸摸屏和觸控面板）制造過程中薄膜厚度管理的薄膜厚度測量儀。該儀器基于四探針法，通過已知薄膜材料的電阻率與測得的方阻值計算厚度，理論量程為1 nm–1 mm，使用Pd、Al、Au、Nb、Cu五種薄膜樣品（沉積于75 mm硅片）驗證性能，實現(xiàn)薄膜樣品任意位置的快速精準測量。

xfilm平板顯示在線方阻測試

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平板顯示在線方阻測試儀專為高精度智能制造設計，全面支持金屬薄膜（ITO）、硅基材料（LTPS）與氧化物半導體（IGZO）的在線檢測。

• 測試儀自檢功能
• 最小0.1mm測量分辨率
• 測試范圍：1m~10M Ω/sq
• 玻璃基板定位（搜索）功能

XFilm 平板顯示在線方阻測試儀與本研究開發(fā)的四探針薄膜測厚儀形成完整的薄膜表征解決方案：前者通過在線實時監(jiān)測方阻數(shù)據，為產線提供動態(tài)電阻分布反饋；后者則基于方阻與厚度的換算關系，實現(xiàn)薄膜厚度的精準溯源。

原文參考：《DevelopmentofaThicknessMeterforConductiveThinFilmsUsingFour?PointProbeMethod》

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