导电薄膜电阻测量技术的可靠性分析

1、导电薄膜电阻测量技术的可靠性分析 针对手提式薄膜方块电阻测试仪在使用中容易出现的问题，开展分析研究，提出了解决方案，并在实验中得到实现。研究的问题包括：电池供电的电压监测；探头完全与被测样品接触良好的检测；防止探针对被测样品造成电击穿；测量时自动开展量程转换等。 随着溅射技术、靶材技术的发展深入和成熟，使以氧化铟锡透明导电玻璃（ITO 玻璃）为代表的导电薄膜材料的制造和应用越来越广泛。ITO 玻璃目前是与液晶显示等平面显示技术配套的关键组件。从1987 年起至今，ITO 玻璃的制造在国内已有二十年的历史。产品已广泛用于电子手表、计算器、游戏机、移动电话、电脑显示器、平面电视等消费类产品，以及各

2、种光电仪器设备和科学实验中的透明导电电极等。现在，国内已有ITO 玻璃生产企业的单位年生产能力由60 万片提高到了2000 万片。产品也从TN 型ITO 玻璃，延伸到STN 型、触摸屏、彩色滤光片众多品种。 1、导电薄膜材料的检测参数 面对越来越大量的导电薄膜材料的生产制造，如何保证产品的质量？除了要求生产企业的生产线稳定性不断提高，检测技术在此也提供了强有力的支撑作用。 ITO 玻璃的产品质量检测包括以下几个方面：尺寸、方块电阻、蚀刻性能、ITO 膜层耐碱性、光电性能和可靠性等。除尺寸方面的检测仅与玻璃原片有关外，其余几个方面都与ITO 玻璃生产的工艺过程有关。由于国内大多数ITO 玻璃生产

3、企业自己不生产玻璃原片，所以与生产企业有关的ITO 玻璃产品质量参数就是：方块电阻、蚀刻性能、ITO 膜层耐碱性、光电性能和可靠性等。以上几个参数是由ITO 玻璃生产的工艺过程所确定，同时各个参数之间也存在必然的关联。可以说，这几个参数中的每一个，都可以是其余参数为变量的函数。事实上，在生产线的技术条件稳定，靶材选择固定的条件下，检测以上几个参数的任意一个，其结果都有代表性的意义。所以，我们选取方块电阻作为经常性检测的参数。因为对方块电阻的检测操作最简便，检测成本最低，并且瞬间就可以得到检测结果。 2、薄膜电阻的测量原理 薄膜的膜层电阻通常以方块电阻（或面电阻、薄层电阻）来表示。按照电阻定律：

4、 R = L/S （1） 式中R 代表样品电阻， 代表样品电阻率，L代表电流方向上的样品长度，S 代表样品垂直于电流方向上的截面积。可以得出膜层电阻的测量原理如下：如图1所示，G 表示玻璃原片；ITO 表示被溅射在玻璃原片上的氧化铟锡膜层；D 表示膜层的厚度；I 表示平行于玻璃原片表面而流经膜层的电流；L1 表示在电流方向上被测膜层的长度；L2 表示垂直于电流方向上被测膜层的长度。根据式（1），则膜层电阻R 为： R = L1/（L2D） （2） 式中 为膜层材料的电阻率。当（2） 式中L1= L2 时，定义这时的膜层电阻R 为膜层的方块电阻R： R = /D（单位：/） （3） 它表示膜层的

5、方块电阻值仅与膜层材料本身和膜层的厚度有关，而与膜层的表面积大小无关。这样，任意面积的膜层电阻R 的计算，由式（2）和式（3）得出： R =R（L1/L2） （单位） （4） 图1 膜层电阻图2 方块电阻的测量 目前在实际的测量中，通常测量的是膜层的方块电阻。在线检测的仪器基本上采用“直排四探针”方法对膜层的方块电阻开展测量。原理如图2 所示。图中1、2、3、4 表示四根探针；S 表示探针间距；I 表示从探针1 流入、从探针4 流出的电流（单位：mA）；V 表示探针2、3 间的电位差(单位：mV)。 此时，膜层的方块电阻R可表示为： R= 4.53V/I（单位：/） （5） 由上式可见，只要在

6、测量时给样品输入适当的电流I，并测出相应的电位差V，即可得出膜层的方块电阻值。 3、问题的提出 实际上，在ITO 玻璃的生产过程中，检测最多的参数是ITO 玻璃的方块电阻。根据在不同岗位的检测需要，生产企业分别使用手提式和台式这两种方块电阻测仪。而手提式方块电阻测试仪相对使用较多。 手提式方块电阻测试仪的特点如下： (1) 可手持仪器开展测量，操作简单、移动方便灵活。 (2) 可采用电池供电，对测量过程的干扰因素较少。 但存在的问题如下： (1) 采用电池供电时，仪器电源电压会出现从高到低变化。为保证仪器的正常工作，目前仪器上采用超前低电压报警的做法。由于“超前”较多，所以不能使电池得到充分的

7、利用。因此提高了使用成本，增加更换电池的次数又降低生产效率。还造成多余电池的浪费，不利于环保。 (2) 由于是手持仪器和探头开展操作，探头的四根探针不容易同时与被测样品接触良好，进而影响测量的可靠。目前仪器采用完全不对探针的接触状态开展检测，或仅对探头的其中部分探针开展检测的方法开展监测，漏测率至少还有50%。对检测结果确实定性仍有较大的风险。 (3) 被测样品存在着在测量时被电流击穿（烧坏）的可能性，使样品遭受损坏。目前的仪器在电流输出回路上多数采用稳流（而非恒流）的措施，即依靠反应回路或运算放大电路，当被测样品接入回路后，使回路电流稳定到预先设置的电流值。而当探头未与样品接触时，探头的1、4探针之间存在一定的电压，这个电压可能是几伏甚至几十伏。这就使当探头与样品接触（或探头离开样品）的瞬间，在接触点存在“打火”的可能，导致对膜层的损坏。 (4) 当前主要的ITO 玻璃产品的方块电阻范围是10200 /。如果生