电磁耦合感测技术应用於导电膜之非接触阻抗量测

V1 L0 V = M 2
M = k L0 L2
M I1 L2 I 2
(1)
(2)
再利用克西荷夫電壓定律(KVL)得出感應線圈電流，再利用歐姆定律求出感應線圈阻抗值(Z):
Z ω 2M 2 Z = R 0 + 22 Z 2 + ω 2 L2 2
壹、
前言
Байду номын сангаас
利用 R2R 製程製作電子產品越來越蓬勃，如軟板 PCB、透明導電膜…等，導電薄膜會在基材上 快速被沉積，但阻抗的均勻性直接影響到後續電子產品的特性表現。特徵化電參數為評估導電材料特 性的主要流程之ㄧ。在產業上常觀察樣本的導電率、片電阻、電子遷移率或載子濃度做為評估樣本性 能的依據。目前檢測方法使用四點探針量測，但因為係屬接觸式方法，故必須靜止情況下量測，速度 無法提昇，且若基材屬於較軟材質，探針亦容易刺穿導電層，造成破壞，故在多採用離線抽檢的方式， 針線上的即時量測需要非接觸阻抗量測工具。再者，針對如晶圓參雜程度或金屬鍍膜 CMP 移除，以 及如材料之熱處理或鍍膜等，亦會影響其樣品阻抗特性，可透過此非接觸方法來進行檢測此來進行檢 測。而現今也有一些非接觸式的檢測方法 ( 例如:微波技術[1]與遠紅外線技術[2] ) 用來檢測半導體與 薄膜的特性，但其設備與器材相比於渦電流感測技術較為昂貴與複雜。 近十年來，電磁耦合檢測技術常運用於金屬樣本的導電率與導磁率、量測金屬塗層的厚度[3]-[9]， 且技術發展成熟與完成度高，也容易建立其數學模型來分析。文獻[3]中，利用數學模型解析解與實際 測試結果互相比對，建立一對照表來判斷金屬樣本上的鍍層導電率與厚度。文獻[5]-[7]中，作者利用 脈衝式渦電流法快速地建立出對照表，並比對出鍍層導電率與厚度，其厚度判斷誤差約 10%以及導電 率判斷誤差約 20~30%。因此，我們將利用渦電流檢測技術針對導電薄膜來研發出一套高量測線性度 及靈敏性的檢測電路。
圖 1：檢測電路開發流程圖 圖 2 為數學模型與儀器驗證之示意圖。因本論文測試樣本為單層的金屬箔膜，因此理論的數學模 型之建立以單層為目標。電磁耦合檢測技術係利用交變激勵源與待測樣品之能量耦合作為感測之手 段，為了瞭解渦電流(EC)運作的物理現象，可以用類似電源變壓器的工作原理類推，對於非磁性材料， EC 模型類似探頭為主線圈，而樣品次線圈及負載迴路，待測樣品假設為均質金屬膜，且厚度遠比激 勵頻率下標準穿透深度來的小，轉換器迴路負載一般為阻抗負載，EC 感測器輻射出平面波，可把金 屬膜模型假設為多級轉換器串連。
(a)實際
(b)變壓器等效電路 圖 2：渦電流技術等效圖
其中 L0 為探頭線圈自感、R0 為探頭線圈電阻、L2 為檢測樣本的等效耦合二次電感、Z2 為檢測樣本 的等效耦合二次阻抗、k 為耦合係數；而 L2 , Z 2 , k 是和幾何、金屬膜物理特性及探頭相對樣品位置 等之複雜函數。.電磁耦合互感的等效電路數學公式如下:
Z = β∫
∞ 0
(1 − e
2
− 2 βγ λ2 + j 2
) ⋅ e − 2αβλ ⋅ J 12 ( βλ )
2 2 − 2 βγ λ2 + j
(λ + λ + j ) − (λ − λ + j ) ⋅ e
dλ ,
(4)
rc =
r1 + r2 , 2
(5) (6)
β = rc ωσµ
電磁耦合感測技術應用於導電膜之非接觸阻抗量測 電磁耦合感測技術應用於導電膜之非接觸阻抗量測
潘彥霖 國立成功大學 電機工程學系 ncku.ylpan@ 陳建文 工業技術研究院 量測中心 chaoster@.tw 涂鐘範 工業技術研究院 量測中心 CFTu@.tw
摘要
隨著光電產品的發展，電子產品越朝向輕薄短小以及高速化，高頻寬發展，對於基板的導電特性 也越來約要求，傳統使用四點探針進行樣品的檢測方式，但因為需要接觸樣品，導致量測速度慢，且 可能損壞樣品。本論文應用電磁耦合感測技術，透過樣品靠近後的感應線圈的特性變化，將導電鍍膜 之阻抗特性，耦合到後端的分析電路，可以達到非接觸且快速的分析樣品阻抗的分佈，可應用於產業 線上即時檢測鍍膜導電品質。而本論文運用此檢測法來檢測銅箔與鋁箔等導電薄膜。如同預期，所開 發的檢測電路對於不同的片電阻值(不同的導電膜厚度)具有不錯的分辨率，其量測數值穩定可至小數 點後第三位數。所開發的檢測技術與電路將可應用於觸控面板、太陽光電、顯示器、PCB 基板、半導 體等產業，有助於產品良率的改善。 關鍵字：電磁耦合感測技術、非接觸阻抗量測、導電鍍膜檢測
貳、
研究方法
圖 1 為電磁耦合檢測電路開發流程圖，可分為檢測樣本評估、數學模型模擬、儀器驗證、設計電 路與實際樣本測試等五大部分。首先需先了解檢測樣本的導電率與導磁率等參數數值，以評估電磁耦 合檢測的可行性，這是因為電磁耦合檢測技術為渦電流檢測法，屬於樣本表層與次表層的檢測技術， 對於檢測較深層的導電材料較為困難；如樣本合適利用電磁耦合技術來檢測，我們會先利用已建立好 的數學模型，來分析導電材料的導電率、厚度或其他電參數之改變對於渦電流訊號有何影響。此分析 結果將有助於了解實際測試上可能獲得的檢測結果；之後因檢測樣本特性會耦合到檢測探頭上，並改 變探頭的電特性，我們再利用儀器來量測探頭的電參數數據以驗證數學分析結果；等所有測試結果符 合理論基礎與現象後，開始著手開發檢測電路與感應探頭，並持續使其穩定度與靈敏性達到要求之目 標，最後完成設計成果。
2 2 + jω L0 − L2 ω M Z 2 2 + ω 2 L2 2

(3)
由前面建立之模型架構，規劃如何來測得樣品耦合的分析，在渦電流電磁耦合的模型中，其原理是使 用間接量測，並非直接量測，方法是透過探頭量測系統的物理量變化來擬合變化，在此我們擬透過阻 抗特性量測法來觀察樣本的特性變化。 以上為基本的電磁耦合技術的基本數學模型，用來驗證儀器 驗證的合理性。而模擬電磁耦合數學模型公式之解析解則使用如下所示: