四探針測(cè)試儀測(cè)量薄膜的電阻率

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上四探針測(cè)試儀測(cè)量薄膜的電阻率一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握四探針法測(cè)量電阻率和薄層電阻的原理及測(cè)量方法；2、了解影響電阻率測(cè)量的各種因素及改進(jìn)措施。二、實(shí)驗(yàn)儀器采用SDY-5型雙電測(cè)四探針測(cè)試儀（含：直流數(shù)字電壓表、恒流源、電源、DC-DC電源變換器）。三、實(shí)驗(yàn)原理電阻率的測(cè)量是半導(dǎo)體材料常規(guī)參數(shù)測(cè)量項(xiàng)目之一。測(cè)量電阻率的方法很多，如三探針法、電容-電壓法、擴(kuò)展電阻法等。四探針法則是一種廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)方法，在半導(dǎo)體工藝中最為常用。1、半導(dǎo)體材料體電阻率測(cè)量原理圖1 點(diǎn)電流源電場(chǎng)分布 在半無窮大樣品上的點(diǎn)電流源， 若樣品的電阻率均勻， 引入點(diǎn)電流源的探針其電流強(qiáng)度為I，則所產(chǎn)生

2、的電場(chǎng)具有球面的對(duì)稱性， 即等位面為一系列以點(diǎn)電流為中心的半球面，如圖1所示。在以為半徑的半球面上，電流密度的分布是均勻的：若E為處的電場(chǎng)強(qiáng)度， 則： 由電場(chǎng)強(qiáng)度和電位梯度以及球面對(duì)稱關(guān)系， 則：圖2 任意位置的四探針 取為無窮遠(yuǎn)處的電位為零， 則： （1）上式就是半無窮大均勻樣品上離開點(diǎn)電流源距離為的點(diǎn)的電位與探針流過的電流和樣品電阻率的關(guān)系式，它代表了一個(gè)點(diǎn)電流源對(duì)距離處的點(diǎn)的電勢(shì)的貢獻(xiàn)。 對(duì)圖2所示的情形，四根探針位于樣品中央，電流從探針1流入，從探針4流出， 則可將1和4探針認(rèn)為是點(diǎn)電流源，由1式可知，2和3探針的電位為：2、3探針的電位差為： 此可得出樣品的電阻率為： 圖3 四探針法

3、測(cè)量原理圖上式就是利用直流四探針法測(cè)量電阻率的普遍公式。 我們只需測(cè)出流過1、4 探針的電流I以及2、3 探針間的電位差V23，代入四根探針的間距， 就可以求出該樣品的電阻率。實(shí)際測(cè)量中， 最常用的是直線型四探針（如圖3所示）， 即四根探針的針尖位于同一直線上，并且間距相等， 設(shè)r12=r23=r34=S，則有：需要指出的是： 這一公式是在半無限大樣品的基礎(chǔ)上導(dǎo)出的，實(shí)用中必需滿足樣品厚度及邊緣與探針之間的最近距離大于四倍探針間距， 這樣才能使該式具有足夠的精確度。如果被測(cè)樣品不是半無窮大，而是厚度，橫向尺寸一定，進(jìn)一步的分析表明，在四探針法中只要對(duì)公式引入適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)BO即可，此時(shí)：另一種

4、情況是極薄樣品，極薄樣品是指樣品厚度d比探針間距小很多，而橫向尺寸為無窮大的樣品，這時(shí)從探針1流入和從探針4流出的電流，其等位面近似為圓柱面高為d。任一等位面的半徑設(shè)為，類似于上面對(duì)半無窮大樣品的推導(dǎo)，很容易得出當(dāng)r12=r23=r34=S時(shí)，極薄樣品的電阻率為： 上式說明，對(duì)于極薄樣品，在等間距探針情況下，探針間距和測(cè)量結(jié)果無關(guān)，電阻率和被測(cè)樣品的厚度d成正比。就本實(shí)驗(yàn)而言，當(dāng)、四根金屬探針排成一直線且以一定壓力壓在半導(dǎo)體材料上，在、兩處探針間通過電流I，則、探針間產(chǎn)生電位差V23。 材料電阻率： (2)（2）式中：S為相鄰兩探針與、與、與之間距， 就本實(shí)驗(yàn)而言，S=1mm， C»

5、6.28±0.05 (mm)。 若電流取I = C 時(shí)，則V，可由數(shù)字電壓表直接讀出。2、擴(kuò)散層薄層電阻（方塊電阻）的測(cè)量極薄樣品，等間距探針情況半導(dǎo)體工藝中普遍采用四探針法測(cè)量擴(kuò)散層的薄層電阻，由于反向PN 結(jié)的隔離作用，擴(kuò)散層下的襯底可視為絕緣層，對(duì)于擴(kuò)散層厚度(即結(jié)深Xj)遠(yuǎn)小于探針間距S，而橫向尺寸無限大的樣品，則薄層電阻率為：實(shí)際工作中，我們直接測(cè)量擴(kuò)散層的薄層電阻，又稱方塊電阻，其定義就是表面為正方形的半導(dǎo)體薄層，在電流方向所呈現(xiàn)的電阻，見下圖。所以 ：因此有: 實(shí)際的擴(kuò)散片尺寸一般不很大，并且實(shí)際的擴(kuò)散片又有單面擴(kuò)散與雙面擴(kuò)散之分， 因此，需要進(jìn)行修正，修正后的公式為：

6、四、本儀器及實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)采取四探針雙位組合測(cè)量新技術(shù)提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。該儀器采用了四探針雙位組合測(cè)量新技術(shù)，將范德堡測(cè)量方法推廣應(yīng)用到直線四探針上，利用電流探針、電壓探針的變換，進(jìn)行兩次電測(cè)量，能自動(dòng)消除樣品幾何尺寸、邊界效應(yīng)以及探針不等距和機(jī)械游移等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。因而每次測(cè)量不必知道探針間距、樣品尺寸及探針在樣品表面上的位置。由于每次測(cè)量都是對(duì)幾何因素的影響進(jìn)行動(dòng)態(tài)的自動(dòng)修正，因此顯著降低了幾何因素影響，從而提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。所有這些，用目前大量使用的常規(guī)四探針測(cè)量方法所生產(chǎn)的儀器是無法實(shí)現(xiàn)的。 各種形狀的薄膜材料及片狀材料均可用該儀器測(cè)量。使用本儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí),由于不需要

7、進(jìn)行幾何邊界條件和探針間距的修正，因而對(duì)各種形狀的薄膜材料及片狀材料有廣泛的適用性。儀器特別適用于測(cè)量片狀半導(dǎo)體材料電阻率以及硅擴(kuò)散層、離子注入層、異型外延層等半導(dǎo)體器件和液晶片導(dǎo)電膜、電熱膜等薄層(膜)的方塊電阻。 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，精確度高。儀器以大規(guī)模集成電路為核心部件，特別采用了平面輕觸式開關(guān)設(shè)計(jì)和各種工作狀態(tài)LED指示，并應(yīng)用了微計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用HQ-710F型微計(jì)算機(jī)作為專用測(cè)量控制及數(shù)據(jù)處理器,使得測(cè)量、計(jì)算、讀數(shù)更加直觀、快速，并能打印全部預(yù)置和測(cè)量數(shù)據(jù)。在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中廣泛使用。四探針法除了用來測(cè)量半導(dǎo)體材料的電阻率以外，在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中廣泛使用四探針法來測(cè)量擴(kuò)散層薄層

8、電阻，以判斷擴(kuò)散層質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求。 因此，薄層電阻是工藝中最常需要檢測(cè)的工藝參數(shù)之一?？朔藴y(cè)試時(shí)探針與樣品接觸時(shí)產(chǎn)生的接觸電勢(shì)和整流效應(yīng)的影響。本儀器設(shè)立有“粗調(diào)”、“細(xì)調(diào)”調(diào)零電路能產(chǎn)生一個(gè)恒定的電勢(shì)來補(bǔ)償附加電勢(shì)的影響。儀器自較電路中備有精度為0.02、阻值為19.96W的標(biāo)準(zhǔn)電阻,作為自校電路的基礎(chǔ)，通過自校電路可以方便地對(duì)數(shù)字電壓表精度和恒流源進(jìn)行校準(zhǔn)。五、操作步驟(見使用說明書-使用方法）1、顯示板 2、單位顯示燈 3、電流量程開關(guān) 4、工作選擇開關(guān)（短路、測(cè)量、調(diào)節(jié)、自校選擇）5、電壓量程開關(guān)6、輸入插座7、調(diào)零細(xì)調(diào)8、調(diào)零粗調(diào)9、電流調(diào)節(jié)10、電源開關(guān)11、電流選擇開關(guān)

9、12、極性開關(guān)六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容采用脫機(jī)及聯(lián)機(jī)法測(cè)量。 1、方塊電阻測(cè)量：根據(jù)（Va/Vb）值的大小，選擇幾何修正因子K的計(jì)算公式，然后用 R=K*（Va/I）計(jì)算方塊電阻R 。 2、薄片體電阻率測(cè)量：若已知樣片厚度W（W應(yīng)在0.203.9mm），按= R*W*F(W/S)/10計(jì)算體電阻率。式中：W單位為mm，S=1mm（探針平均間距），F(xiàn)（W/S）為厚度修正因子，已存在微機(jī)內(nèi)。七、注意事項(xiàng)1、Si片很脆，請(qǐng)同學(xué)們小心輕放；當(dāng)探針快與Si片接觸時(shí)，用力要很小，以免損壞探針及硅片。2、要選擇合適的電流量程開關(guān)，否則窗口無讀數(shù)。3、計(jì)算機(jī)按鍵要輕，以免損壞。4、在測(cè)量過程中，由于附近其它儀器電源的開頭

10、可能會(huì)把計(jì)算機(jī)鎖住而無法工作，此時(shí)應(yīng)重新開機(jī)，即恢復(fù)正常。5、每次測(cè)量應(yīng)等所有數(shù)值穩(wěn)定后方可按“測(cè)量”進(jìn)行下一次測(cè)量。八、思考題1、測(cè)量電阻有哪些方法？2、什么是體電阻、方塊電阻（面電阻）？3、四探針法測(cè)量材料的電阻的原理是什么？4、為什么要用四探針進(jìn)行測(cè)量，如果只用兩根探針既作電流探針又作電壓探針，是否能夠?qū)悠愤M(jìn)行較為準(zhǔn)確的測(cè)量?5、四探針法測(cè)量材料電阻的優(yōu)點(diǎn)是什么？6、本實(shí)驗(yàn)中哪些因素能夠使實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差？實(shí)驗(yàn)要求1、 針對(duì)講義（本實(shí)驗(yàn)，教材上沒有）及思考題，認(rèn)真做好預(yù)習(xí)，并完成預(yù)習(xí)報(bào)告。2、 沒有預(yù)習(xí)報(bào)告者，不能做實(shí)驗(yàn)。3、 實(shí)驗(yàn)成績(jī)更加注重平時(shí)成績(jī)（占70%左右），平時(shí)成績(jī)由三部分

11、組成：（1）預(yù)習(xí)報(bào)告及實(shí)驗(yàn)報(bào)告；（2）實(shí)驗(yàn)態(tài)度（如考勤，是否認(rèn)真等）；（3）回答問題。希望班干部將上述內(nèi)容及要求提前發(fā)給每一個(gè)學(xué)生。SDY-5型雙電測(cè)四探針測(cè)試儀技術(shù)說明書一、 概述 二、技術(shù)指標(biāo) 三、測(cè)量原理與計(jì)算方法 四、儀器結(jié)構(gòu)說明五、 使用方法 六、注意事項(xiàng) 七、打印機(jī)操作方法一、概述SDY-5型雙電測(cè)四探針測(cè)試儀采用了四探針雙位組合測(cè)量新技術(shù)，將范德堡測(cè)量方法推廣應(yīng)用到直線四探針上，利用電流探針、電壓探針的變換，進(jìn)行兩次電測(cè)量，能自動(dòng)消除樣品幾何尺寸、邊界效應(yīng)以及探針不等距和機(jī)械游移等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。因而不必知道探針間距，樣品尺寸及探針在樣品表面上的位置。由于每次測(cè)量都是對(duì)幾何

12、因素的影響進(jìn)行動(dòng)態(tài)的自動(dòng)修正，因此顯著降低了幾何因素影響，從而提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。用目前大量使用的常規(guī)四探針測(cè)量方法所生產(chǎn)的儀器是根本辦不到的。使用本儀器測(cè)量時(shí)，由于不需要進(jìn)行幾何邊界條件和探針間距的修正，因而對(duì)各種形狀的薄膜材料及片狀材料有廣泛的適用性。儀器適用于測(cè)量片狀半導(dǎo)體材料電阻率及硅擴(kuò)散層、離子注入層、異型外延層等半導(dǎo)體器件和液晶片導(dǎo)電膜、電熱膜等薄層（膜）的方塊電阻。儀器以大規(guī)模集成電路為核心部件，并應(yīng)用了微計(jì)算機(jī)技術(shù)。利用HQ-710F型微計(jì)算機(jī)作為專用測(cè)量控制及數(shù)據(jù)處理器，使得測(cè)量、計(jì)算、讀數(shù)更加直觀、快速，并能打印全部預(yù)置和測(cè)量數(shù)據(jù)。二、 技術(shù)指標(biāo)1. 測(cè)量范圍：硅片電阻率：0

13、.01200.cm (可擴(kuò)展)薄層電阻： 0.012000/口 (可擴(kuò)展)(方塊電阻)可測(cè)晶片直徑：最大直徑100 mm(配J-2型手動(dòng)測(cè)試架) 200 mm(配J-5型手動(dòng)測(cè)試架)可測(cè)晶片厚度： 3.00 mm2. 恒流電源:電流量程分為100m、1mA、10mA、100mA四檔。各檔電流連續(xù)可調(diào)。穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%3. 數(shù)字電壓表:量程：0-199.99mV； 分辨率：0.01 mV顯示：四位半紅色發(fā)光管數(shù)字顯示.極性、小數(shù)點(diǎn)、超量程自動(dòng)顯示。精度：±0.1%4. 模擬電路測(cè)試誤差:(用1、10、100、1000精密電阻) ±0.3%±1字5. 整機(jī)準(zhǔn)確度:(

14、用0.01200.cm硅標(biāo)樣片測(cè)試)<5%6. 微計(jì)算機(jī)功能: (1)鍵盤控制測(cè)量取數(shù),自動(dòng)控制電流換向和電流、電壓探針的變換，并進(jìn)行正、反向電流下的測(cè)量，顯示出平均值。(2)鍵盤控制數(shù)據(jù)處理，按內(nèi)在公式計(jì)算出薄層電阻或電阻率平均值以及百分變化。(3)鍵盤控制打印全部測(cè)量數(shù)據(jù)。包括測(cè)量條件，各次測(cè)量平均值、最大值、最小值、百分變化等數(shù)據(jù)。7、外形尺寸： 電氣主機(jī)：360mm×320mm ×100mm 微計(jì)算機(jī)：300mm×210mm ×105mm8、儀器重量：電氣主機(jī)：約4kg ；測(cè)試架（J-2型）：約7 kg ；微計(jì)算機(jī)：約2kg；9、電源：AC

15、220V±10% ，50Hz ，功率<25W;10、測(cè)試環(huán)境：溫度23±2ºC；相對(duì)濕度65%；無高頻干擾。三、 測(cè)量原理與計(jì)算方法圖1 雙電測(cè)四探針法示意圖Vb4321Va4321圖1. 雙電測(cè)四探針法示意圖將直線型探針垂直壓在被測(cè)樣品表面上，按以下程序測(cè)量：1、 電流I從14針，2、3針測(cè)得電壓Va+；電流換向，I從41針，2、3針測(cè)得電壓Va-，計(jì)算正反向測(cè)量平均值。Va=（Va+ Va-）/22、 電流I從13針，2、4針測(cè)得電壓Vb+；電流換向，I從31針，2、4針測(cè)得電壓Vb-，計(jì)算正反向測(cè)量平均值。Vb=（Vb+ Vb-）/23、計(jì)算（Va/V

16、b）值。Va、Vb均以mV為單位。4、按以下兩公式計(jì)算幾何修正因子K 若1.18<（Va/Vb）1.38時(shí) K = -14.696+25.173（Va/Vb）-7.872（Va/Vb）2 .(1)若1.10（Va/Vb）1.18時(shí) K = -15.85+26.15（Va/Vb）-7.872（Va/Vb）2 .(2)5、計(jì)算方塊電阻R ：R=K*（Va/I） / (3)I以mV為單位.6、若已知樣片厚度W（W應(yīng)在0.203.9mm）還可按下式計(jì)算體電阻率= R*W*F(W/S)/10W單位為mm，S=1mm（探針平均間距），F(xiàn)（W/S）為厚度修正因子，已存在微機(jī)內(nèi)。四、 儀器結(jié)構(gòu)（略）五、

17、 使用方法系統(tǒng)連接完畢后，按以下步驟測(cè)試：1、 接通主機(jī)電源。此時(shí)“Va”指示燈和“I”指示燈亮。2、 根據(jù)所測(cè)樣片電阻率，或方塊電阻，選擇電流量程，按下K1、K2、K3、K4相應(yīng)的鍵，對(duì)應(yīng)的量程指示燈亮。表1、方塊電阻測(cè)量時(shí)電流量程選擇表方塊電阻電流量程mA2.52.025202502001001010.1表2、電阻率測(cè)量時(shí)電流量程選擇表電阻率·cm電流量程mA0.0120.010.60.3603010001001010.13、 放置樣品，壓下探針，主機(jī)顯示屏顯示電流值，調(diào)節(jié)電位器W1、W2使顯示4532（也可顯示其他值）。以下分脫（微）機(jī)測(cè)量和聯(lián)（微）機(jī)測(cè)量?jī)煞N。4、脫（微）機(jī)測(cè)

18、量：僅適用于主機(jī)測(cè)量方塊電阻。（1）按I/V選擇鍵K6，此時(shí)“V”指示燈亮，進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。（2）在“Va（R口）”指示燈亮的情況下，測(cè)出Va+ ；按換向鍵K7，測(cè)出Va- 。計(jì)算Va 。（3）按Va /Vb選擇鍵K5，此時(shí)“Vb” 指示燈亮，測(cè)出Vb- ；按換向鍵K7，測(cè)出Vb+ 。計(jì)算Vb 。（4）計(jì)算出Va /Vb（5）按公式（1）或（2）計(jì)算K值。（6）選取電流I=K 例：若計(jì)算出K=4.517，此時(shí)應(yīng)按K6鍵，使“I”燈亮，調(diào)節(jié)電位器W1、W2，使主機(jī)顯示電子流數(shù)為4517。（7）按下K6鍵，使“V”指示燈亮；按K5鍵，使“Va（R口）”指示燈亮。此時(shí)主機(jī)顯示值為實(shí)際方塊電阻（/口）（

19、8）對(duì)于雙面擴(kuò)散硅片和無窮大的襯底為絕緣的導(dǎo)電薄膜K=4.532（9）若不做高精確測(cè)量,對(duì)于單面擴(kuò)散片和有限尺寸的導(dǎo)電薄膜,(直徑或線度至少在50mm以上),也可選取K=4.5325、聯(lián)（微）機(jī)測(cè)量 ：（1）接通微機(jī)電源，顯示H-710F-1（或H-710F-2），此時(shí)通過按K5鍵和K7鍵，應(yīng)使電流換向指示燈熄滅和“Va”指示燈點(diǎn)燃，否則不能起自動(dòng)控制作用，因而不能用微機(jī)控制和測(cè)量。（2）利用鍵盤置入“日期、溫度”（僅作記錄用）（3）置入電流“量程”和電流值。應(yīng)分別與主機(jī)所選擇和顯示的數(shù)值一致。（4）置入打印格式。根據(jù)需要選擇第一種工第二種格式，使顯示H-710F-1（或H-710F-2）。為

20、減輕打印機(jī)磨損，一般可選用第一種格式。（5）置入“厚度”，若測(cè)量R口，置入數(shù)字1；若測(cè)量，按片厚實(shí)際值置入（以mm為單位）。（6）以上條件全部置入后，按測(cè)量鍵，即可打印全部預(yù)置數(shù)據(jù)并進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。 若經(jīng)檢查數(shù)據(jù)有誤，可按回車重新預(yù)置；預(yù)置“電流”必須在預(yù)置“量程”后進(jìn)行，預(yù)置完畢后，再按測(cè)量鍵，即打印出已修改和未修改的預(yù)置數(shù)據(jù)，即可開始測(cè)量。注意：置入有數(shù)值的條件時(shí)，要先置入數(shù)據(jù)，再按所置入的項(xiàng)目鍵。以下分三種測(cè)量方式加以敘述：（7）一步測(cè)量：按主機(jī)I/V選擇鍵K6、使“V”指示燈亮，進(jìn)入 測(cè)量狀態(tài)。按微機(jī)“測(cè)量”鍵測(cè)量，利用“測(cè)量”鍵、“重測(cè)”鍵、與手動(dòng)測(cè)試架配合，可完成全部測(cè)試，最后一點(diǎn)測(cè)完，按“打印”鍵，打印各點(diǎn)R口（）值，以及并最大值、最小值、最大變化率、平均變化率和徑向不均勻度。若測(cè)量從頭開始，則按“清0”鍵，從第一點(diǎn)重測(cè)。注：測(cè)量點(diǎn)少于3點(diǎn)時(shí)，“打印”不能執(zhí)行，發(fā)出長(zhǎng)聲顯示d。（8）分步測(cè)量 按回車測(cè)量鍵，打印預(yù)置數(shù)據(jù)。 按Va鍵，測(cè)