材料电阻率的测量四探针法.docx
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材料电阻率的测量四探针法
材料电阻率的测量(四探针法)
一:
实验目的
1:
熟悉四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法。
2:
了解影响电阻率测量的各种因素及改进措施。
二:
实验仪器
1:
实验仪器:
RTS-5型双电测四探针测试仪
RTS-5型双电测四探针测试仪测量原理通过采用四探针双位组合测量技术,将范德堡测量方法推广应用到直线四探针上。
利用电流探针和电压探针的组合变换,进行两次电测量,其最后计算结果能自动
消除由样品几何尺寸、边界效应以及探针不等距和机械游移等因素所引起的,对测量结果的不利影响。
因而在测试过程中,在满足基本条件下可以不考虑探针间距、样品尺寸及探针在样品表面上的位置等因素。
这种动态地对以上不利因素的自动修正,显著降低了其对测试结果的影响,从而提高了测量结果的准确度。
其优点是目前广泛使用的常规四探针测量方法根本办不到的。
2:
技术指标
A:
测量范围
电阻率:
0.001~200Ω.cm(可扩展);方块电阻:
0.01~2000/□(可扩展);电导率:
0.005~1000s/cm;
适合样品厚度:
≤3.00mm;
可测晶片直径:
140mmX150mm(配S-2A型测试台);
200mmX200mm(配S-2B型测试台);
400mmX500mm(配S-2C型测试台);
B:
恒流源
电流量程分为0.1mA、1mA、10mA、100mA四档,各档电流连续可调;C:
数字电压表
量程及表示形式:
000.00~199.99mV;分辨力:
10μV;
输入阻抗:
>1000MΩ;精度:
±0.1%;
显示:
四位半红色发光管数字显示;极性、超量程自动显示;D:
四探针探头基本指标
间距:
1±0.01mm;
针间绝缘电阻:
≥1000MΩ;机械游移率:
≤0.3%;
探针:
碳化钨或高速钢材质,探针直径Ф0.5mm;探针压力:
5~16牛顿(总力);
E:
四探针探头应用参数
见探头附带的合格证,合格证含三参数项:
C:
探针系数;F:
探针间距修正因子;S:
探针平均间距;F:
模拟电阻测量相对误差(按JJG508--87进行)0.1Ω、1Ω、10Ω、100Ω≤0.3%±1字;
G:
整机测量最大相对误差
(用硅标样片:
0.01-180Ω.cm测试)≤±4%;H:
整机测量标准不确定度
≤4%;
I:
外型尺寸(大约)
电气主机:
370mm×320mm×100mm;
S-2A型测试台:
190mm×140mm×260mm;S-2B型测试台:
300mm×210mm×400mm;S-2C型测试台:
500mm×400mm×350mm;J:
仪器重量(大约)
电气主机:
3.5kg;
S-2A型测试台:
2kg;S-2B型测试台:
2.5kg;
S-2C型测试台:
4kg;;K:
标准使用环境
温度:
:
23±2℃;相对湿度:
≤65%;无高频干扰;
无强光直射;
三:
实验原理
1:
电阻率的测量是半导体材料常规参数测量项目之一
2:
四探针法是一种广泛采用的标准方法,在半导体工艺中最为常用,其主要优先在于设备简单,操作方便,准确度高,对样品的几何尺寸无严格要求。
双电测组合四探针法采用如下图两种组合的测量方法:
(图1)
将直线四探针垂直压在被测样品表面上分别进行I14V23和合测量,测量过程如下:
I13V24组
1.进行组合I14V23测量:
电流I从1针→4针,从2、3针测得电压V23+;
电流换向,I从4针→1针,从2、3针测得电压V23-;计算正反向测量平均值:
V23=(V23++V23-)/2;
2.进行I13V24组合测量:
电流I从1针→3针,从2、4针测得电压V24+;
电流换向,I从3针→1针,从2、4针测得电压V24-;计算正反向测量平均值:
V24=(V24++V24-)/2;
3.计算(V23/V24)值;
(以上V23、V24均以mV为单位);
4.按以下两公式计算几何修正因子K:
若1.18<(V23/V24)≤1.38时;
K=-14.696+25.173(V23/V24)-7.872(V23/V24)2;…
(1)
若1.10≤(V23/V24)≤1.18时;K=-15.85+26.15(V23/V24)-7.872(V23/V24)2;…
(2)
5.计算方块电阻R□:
R□=K·(V23/I)(单位:
Ω/□);…(3)其中:
I为测试电流,单位:
mA;
V23为从2、3针测得电压V23+和V23-的平均值,单位:
mV;
6.若已知样品厚度W,可按下式计算样品体电阻率ρ:
ρ=R□·W·F(W/S)/10(单位:
Ω.cm);…(4)其中:
R□为方块电阻值,单位:
Ω/□;
W为样片厚度,单位:
mm(W≤3mm);S为探针平均间距,单位:
mm;
F(W/S)为厚度修正系数;
7.计算百分变化率(以测试样品电阻率ρ为例):
最大百分变化(%)=ρM-ρm×100%…(5)
ρm
平均百分变化(%)=ρa-ρc×100%…(6)
ρc
径向不均匀度E(%)=2(ρM-ρm)×100%…(7)
ρM+ρm
以上式中:
ρM、ρm分别为测量的电阻率最大值与最小值,单位:
Ω.cm;
ρc为第1、2点(即圆片中心测量点)测量平均值,单位:
Ω.cm;ρa为除第1、2点外其余各点的测量平均值,单位:
Ω.cm;
(若测量样品的方块电阻值,则将(5)、(6)、(7)式中的ρM、ρm、
ρa、ρc分别改成RM、Rm、Ra、和Rc。
其公式意义与ρM、
ρm、ρa、ρc相似)。
四:
实验步骤
1、将主机、探针测试台、四探针探头、计算机连接,开启主机,启动RTS-5双电测四探针软件测试系统
2、放置样品于测试台,操作探针台压下探针,使样品接通电流
3、选择对样品要进行的测试类别,及输入相关测试基本参数
4、执行【测量】功能→按弹出提示窗口调节主机电位器使主机电流显示为此值→按【确定】按钮继续测量/执行【自动测量】功能→按
弹出提示窗口调节主机电位器使主机电流显示为45.32μA→按【确定】按钮继续测量
5、【实时采集两次组合模式下的电压值】窗口实时显示两次组合模式下电压的正反向、平均值;【统计测试数据】窗口显示样品测试点的测量数据。
如测试点的数据有异常执行【重测】功能
6、对测量数据进行打印、保存、生成EXCEL文件
五:
实验数据处理与分析
材料电阻率的测量
薄型方块电阻:
薄层方块电阻
晶片标识
量程(mA)
电流(mA)
探针平均间距(mm)
厚度(mm)
厚度修正因子
温度(℃)
湿度(%RH)
ITO
10
4.532
测试结果
点数
V23+(mV)
V23-(mV)
V24+(mV)
V24-(mV)
电阻Ω
/□
电导率(s/cm)
日期
时间
1
7
7
5.79
5.8
6.53
2015/3/23
15:
25:
53
2
6.86
6.86
5.61
5.61
6.53
2015/3/23
15:
26:
23
3
7.02
7.02
5.85
5.85
6.47
2015/3/23
15:
26:
50
4
6.96
6.96
5.76
5.76
6.49
2015/3/23
15:
27:
17
5
7.15
7.15
6
6
6.5
2015/3/23
15:
28:
40
6
7.36
7.36
6.27
6.27
6.49
2015/3/23
15:
29:
04
7
7.03
7.03
5.76
5.76
6.67
2015/3/23
15:
30:
26
8
8.59
8.83
7.75
7.43
7.29
2015/3/23
15:
31:
24
9
6.94
7.3
5.99
5.87
6.57
2015/3/23
15:
37:
07
10
6.92
6.91
5.68
5.68
6.54
2015/3/23
15:
38:
13
分析数据(方块电阻)
最大
最小
平均
最大百分变化
径向不均匀度
平均百分变化
7.29
6.47
6.607
12.67%
11.92%
1.47%
因为:
V24=(V24++V24-)÷2,V23=(V23++V23-)/2
若1.18<(V23/V24)≤1.38时;K=-14.696+25.173(V23/V24)-7.872(V23/V24)2
若1.10≤(V23/V24)≤1.18时;
K=-15.85+26.15(V23/V24)-7.872(V23/V24)2
所以:
V23=7\[(5.78+5.8)\2]=1.208
V24
K=-14.696+25.173(V23/V24)-7.872(V23/V24)2=4.226R□=K·(V23/I)=4.226*(7\4.532)=6.53Ω/□
同理可得R□2=6.53Ω/□R□3=6.47Ω/□R□4=6.49Ω/□R□5=6.5Ω/□
R□6=6.49Ω/□R□7=6.67Ω/□
R□8=7.29Ω/□R□9=6.57Ω/□R□10=6.54Ω/□
薄片电阻:
薄片电阻率
晶片标识
量程(mA)
电流(mA)
探针平均间距(mm)
厚度(mm)
厚度修正因子
温度(℃)
湿度(%RH)
ITO
100
45.32
1
0.0002
1
测试结果
点数
V23+(mV)
V23-(mV)
V24+(mV)
V24-(mV)
电阻率mΩ·cm
电导率(s/cm)
日期
时间
1
69.94
69.93
57.95
57.95
0.1
10000
2015/3/23
15:
40:
54
分析数据(电阻率)
最大
最小
平均
最大百分变化
径向不均匀度
平均百分变化
0.1
0.1
0.1
0.00%
0.00%
因为:
V24=(V24++V24-)÷2,V23=(V23++V23-)/2
若1.18<(V23/V24)≤1.38时;K=-14.696+25.173(V23/V24)-7.872(V23/V24)2
若1.10≤(V23/V24)≤1.18时;
K=-15.85+26.15(V23/V24)-7.872(V23/V24)2
ρ=R□·W·F(W/S)/10
所以:
V23=[(69.94+69.93)\2]\57.95=1.207
V24
K=-14.696+25.173(V23/V24)-7.872(V23/V24)2=4.215R□=K·(V23/I)=4.215*(69.935\45.32)=6.504Ω/□
ρ=R□·W·F(W/S)/10=6.504*0.2*1\10=0.130mΩ·cm
六:
实验结论
1:
由实验结果可知,此硅片的薄层方块电阻落在6.61Ω/□的频数最大,所以方块电阻为6.61Ω/□。
2:
由于薄片电阻率的测量中只有一组的数据,因此无法较为准确的得到电阻率数值。
七:
思考题
1:
方块电阻与薄片电阻的区别:
方块电阻是用来评价某块材料的导电能力的参数,往往用于半导体芯片制造.所谓方块,就是长和宽相等,厚度则视被测样品而异.方块电阻值乘以所测样品的厚度就得到它的电阻率,这是评价半导体材料内扩散浓度(载流子浓度)的重要参数.通常用四探针仪器测量.
薄片电阻是一个概念,具体的数值的大小用方块电阻来表示。
八:
注意事项
(1)仪器接通电源,至少预热15分钟才能进行测量.
(2)仪器如经过剧烈的环境变化或长期不使用,在首次使用时应通电预热
2-3小时,方可进行测量。
(3)在测量过程中应注意电源电压不要超过仪器的过载允许值。
(4)切记保护探针注: