三探针,半导体测试,探针材料.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划三探针,半导体测试,探针材料　　实验四探针法测电阻率　　1．实验目的：　　学习用四探针法测量半导体材料的体电阻率和扩散薄层的电阻率及方块电阻　　2．实验内容　　①硅单晶片电阻率的测量：选不同电阻率及不同厚度的大单晶圆片，改变条件，对测量结果进行比较　　②薄层电阻率的测量：对不同尺寸的单面扩散片和双面扩散片的薄层电阻率进行测　　量改变条件进行测量，对结果进行比较　　3．实验原理：　　在半导体器件的研制和生产过程中常常要对半导体单晶材料的原始电阻率和经过扩散、外延等工艺处理后的薄层电阻进行测量测量电阻率的方法很多，有两探针法，四探针法，单探针扩展电阻法，范德堡法等，我们这里介绍的是四探针法因为这种方法简便可行，适于批量生产，所以目前得到了广泛应用　　所谓四探针法，就是用针间距约1毫米的四根金属探针同时压在被测样品的平整表面上如图1a所示利用恒流源给1、4两个探针通以小电流，然后在2、3两个探针上用高输入阻抗的静电计、电位差计、电子毫伏计或数字电压表测量电压，最后根据理论　　［１］　　公式计算出样品的电阻率　　??C　　V23　　I　　式中，C为四探针的修正系数，单位为厘米，C的大小取决于四探针的排列方法和针距，　　探针的位置和间距确定以后，探针系数C就是一个常数；V23为2、3两探针之间的电压，单位为伏特；I为通过样品的电流，单位为安培。

　　半导体材料的体电阻率和薄层电阻率的测量结果往往与式样的形状和尺寸密切相关，下面我们分两种情况来进行讨论　　⑴半无限大样品情形　　图1给出了四探针法测半无穷大样品电阻率的原理图，图中(a)为四探针测量电阻率的装置；(b)为半无穷大样品上探针电流的分布及等势面图形；(c)和(d)分别为正方形排列及直线排列的四探针图形因为四探针对半导体表面的接触均为点接触，所以，对图１所示的半无穷大样品，电流I是以探针尖为圆心呈径向放射状流入体内的因而电流在体内所形成的等位面为图中虚线所示的半球面于是，样品电阻率为ρ，半径为r，间距为dr的两个半球等位面间的电阻为　　dR?　　它们之间的电位差为dV?IdR?　　?　　dr，2?r2　　?I　　dr2　　2?r　　考虑样品为半无限大，在r→∞处的电位为0，所以图１中流经探针１的电流I在r点形成的电位为?Vr?1?　　?　　?　　r　　?I?I?2　　2?r2?r　　流经探针１的电流在２、３两探针间形成的电位差为?V23?1?　　?I?11?　　?；???2??r12r13??　　流经探针４的电流与流经探针１的电流方向相反，所以流经探针４的电流I在探针２、３之间引起的电位差为　　?V23?4???I??　　?11?　　??。

　　2??r42r43??　　于是流经探针１、４之间的电流在探针２、３之间形成的电位差为　　V23?　　由此可得样品的电阻率为　　?I?1111??2??r12r13r42r43?　　?1　　2?V23?1111?　　????????I?rrrr4243??1213　　?1?　　上式就是四探针法测半无限大样品电阻率的普遍公式　　在采用四探针测量电阻率时通常使用图１的正方形结构和图１的等间距直线形结构，假设方形四探针和直线四探针的探针间距均为S，则对于直线四探针有r12?r43?S,　　r13?r42?2S　　???2?S?　　V23　　I　　?2?　　对于方形四探针有r12?r43?S,r13?r42?2S　　?　　2?SV23　　???　　2?2I　　?3?　　⑵无限薄层样品情形　　当样品的横向尺寸无限大，而其厚度t又比探针间距S小得多的时候，我们称这种样品为无限薄层样品图２给出了用四探针测量无限薄层样品电阻率的示意图图中被测样品为在p型半导体衬底上扩散有n型薄层的无限大硅单晶薄片，１、２、３、４为四个探针在硅片表面的接触点，探针间距为S，n型扩散薄层的厚度为t，并且t　　直流四探针法也称为四电极法，主要用于半导体材料或超导体等的低电阻率的测量。

使用的仪器以及与样品的接线如图3-1所示由图可见，测试时四根金属探针与样品表面接触，外侧两根1、4为通电流探针，内侧两根2、3为测电压探针由电流源输入小电流使样品内部产生压降，同时用高阻抗的静电计、电子毫伏计或数字电压表测出其他二根探针的电压即V23(伏)　　(a)仪器接线(b)点电流源(c)四探针排列　　图3-1四探针法测试原理示意图　　若一块电阻率为?的均匀半导体样品，其几何尺寸相对于探针间距来说可以看作半无限大当探针引入的点电流源的电流为I，由于均匀导体内恒定电场的等位面为球面，则在半径为r处等位面的面积为2?r2，电流密度为　　j=I/2?r2(3-1)　　根据电导率与电流密度的关系可得　　E＝j　　??II??222?r?2?r(3-2)则距点电荷r处的电势为　　V?I?2?r(3-3)　　半导体内各点的电势应为四个探针在该点形成电势的矢量和通过数学推导可得四探针法测量电阻率的公式为：　　??V23V1111?2?(???)?1?C23Ir12r24r13r34I(3-4)式中，C?2?(1111???)?1为探针系数，单位为cm；r12、r24、r13、r34分别r12r24r13r34　　为相应探针间的距离，见图3-1c。

若四探针在同一平面的同一直线上，其间距分别为S1、S2、S3，且S1=S2=S3=S时，则　　??V23V1111?2?(???)?1?232?SIS1S1?S2S2?S3S3I(3-5)这就是常见的直流等间距四探针法测电阻率的公式　　为了减小测量区域，以观察电阻率的不均匀性，四根探针不—定都排成—直线，而可排成正方形或矩形，此时，只需改变计算电阻率公式中的探针系数C　　四探针法的优点是探针与半导体样品之间不要求制备合金结电极，这给测量带来了方便四探针法可以测量样品沿径向分布的断面电阻率，从而可以观察电阻率的不均匀情况由于这种方法可迅速、方便、无破坏地测量任意形状的样品且精度较高，适合于大批生产中使用但由于该方法受针距的限制，很难发现小于两点电阻的变化　　根据样品在不同电流下的电压值计算出该样品的电阻值及电阻率，例如某一种薄膜样品，在薄膜的面积为无限大或远大于四探针中相邻探针间距的时候，金属薄膜的电阻率ρ可以由以下式算出　　?F??dln2I　　恒流源?V　　电流　　四探针　　薄膜　　d　　四探针法测量金属薄膜电阻率的原理图　　三．实验装置：　　1.四探针组件、　　2.SB118精密直流电流源　　3.PZ158A直流数字电压表.　　四．实验步骤：　　1.预热：打开SB118电流源和PZ158A电压表的电源开关，使仪器预热30分钟　　2.放置被测样品：首先拧动四探针支架上的铜螺柱，松开四探针与小平台的接触，将样品放置于小平台上，然后再拧动铜螺柱，使四探针的所有针尖同样品薄膜有良好的接触即可。

　　注意事项:　　a)滑动，以免探针的针尖滑伤薄膜　　b)样品薄膜，只要四探针的所有针尖同样品薄膜有良好的接触即可　　3.联机　　将四探针的四个接线端子，分别正确地接入相应的位置，即接线板上最外面的端子，对应于四探针的最外面二根针，应接入SB118电流源的电流输出孔上，　　而接线板上内侧的二个端子，对应于四探针的内侧的二根针应接在PZ158A电压表的输入孔上如图2四探针法测量金属薄膜电阻率的原理图　　注意：在联接SB118电流源前，应先将其电流输出调节到零，PZ158A可选择在或2V量程　　4.测量　　使用SB118电流源部分，选择合适的电流输出量程，以及适当调节电流，可以在PZ158A上测量出样品在不同电流下的电压值　　a)b)过样品薄膜的电流太大，导致样品发热，从而影响测量　　c)向或反向按键来实现），再取其大小的平均值　　d)目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。