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：
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