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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:

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