專利名稱：一種溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻及電阻率的測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻及電阻率的測(cè)試方法，主要用于測(cè)量薄膜的方塊電阻及電阻率，屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
一般的四探針測(cè)試儀是測(cè)量半導(dǎo)體材料電阻率以及方塊電阻(薄層電阻)的專用儀器，主要用于測(cè)量棒狀、塊狀半導(dǎo)體材料(包括厚片和薄片)的電阻率以及硅片上的擴(kuò)散層、離子注入層、反新外延層的方塊電阻。儀器具有測(cè)量精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好，測(cè)量范圍廣，結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，并且測(cè)量結(jié)果由數(shù)字直接顯示，使用方便。但是現(xiàn)有的四探針測(cè)試儀都只能測(cè)試常溫下以及溫度相對(duì)穩(wěn)定的方塊電阻，對(duì)于溫度連續(xù)變化或不同溫度下半導(dǎo)體材料的方塊電阻、電阻率不能測(cè)試，限制了其應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻及電阻率的測(cè)試方法，用于測(cè)量溫度連續(xù)變化或不同溫度下半導(dǎo)體材料的方塊電阻、電阻率。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻及電阻率的測(cè)試方法，所述測(cè)試方法包括以下步驟
步驟一將溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻測(cè)試系統(tǒng)的線路連接完畢，主機(jī)接上電源，開(kāi)關(guān)放至ON檔以開(kāi)啟電源，并預(yù)熱5至10分鐘；
步驟二 預(yù)估待測(cè)樣品的電阻或電阻率，根據(jù)需要在主機(jī)面板上選擇Kl至K4中合適的電流檔位，并選擇K5至“RD ”檔以測(cè)量樣品的方塊電阻或者至“P ”檔以測(cè)量樣品的電阻率；
步驟三將待測(cè)樣品放置在四探針測(cè)試平臺(tái)的基座上，將熱電偶與溫度測(cè)試儀連接好， 并使熱電偶與待測(cè)樣品表面接觸，然后壓下四探針；
步驟四啟動(dòng)電爐絲加熱裝置，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)加熱速率，使用熱電偶與溫度測(cè)試儀測(cè)量待測(cè)樣品的溫度；
步驟五查詢參數(shù)C，然后調(diào)節(jié)主機(jī)面板上的電流粗調(diào)電位器Wl及電流細(xì)調(diào)電位器W2 以輸入C的值至主機(jī)中，C的當(dāng)前值將顯示在主機(jī)面板上的顯示器中；
步驟六調(diào)節(jié)完畢后，當(dāng)溫度變化時(shí)，主機(jī)面板的顯示器中將顯示每一個(gè)溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電阻率或者方塊電阻值，繼續(xù)查看溫度測(cè)試儀，當(dāng)溫度達(dá)到要求時(shí)，記錄下顯示器中的數(shù)據(jù)，即為樣品在該溫度下的電阻率或者方塊電阻。
所述的溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻測(cè)試系統(tǒng)，包括電壓可調(diào)電源、SDY-4四探針測(cè)試主機(jī)、萬(wàn)用電表V、萬(wàn)用電表I以及四探針測(cè)試平臺(tái)，萬(wàn)用電表V的兩引腳分別與SDY-4四探針測(cè)試主機(jī)探頭的四探針2與四探針3連接，四探針1、四探針2、四探針3及四探針4均與四探針測(cè)試平臺(tái)連接，其特征在于，電壓可調(diào)電源的正極分別MC1403精密低壓基準(zhǔn)電源的引腳1與0P07雙極型運(yùn)算放大器的引腳7連接，MC1403精密低壓基準(zhǔn)電源的引腳3接地，弓丨腳2通過(guò)電阻Rl與0P07雙極型運(yùn)算放大器的引腳3連接，0P07雙極型運(yùn)算放大器的引腳 4與電壓可調(diào)電源的負(fù)極連接，引腳6通過(guò)萬(wàn)用表I與四探針4連接，引腳2與四探針1連接，同時(shí)通過(guò)電阻R2接地。
所述的四探針測(cè)試平臺(tái)包括基座及樣品，樣品設(shè)于基座上，其特征在于，基座內(nèi)的上端設(shè)有電爐絲加熱裝置，樣品與基座之間設(shè)有金屬墊片，樣品上設(shè)有SDY-4四探針測(cè)試主機(jī)探頭的四探針1、四探針2、四探針3及四探針4，樣品表面上設(shè)有熱電偶，熱電偶與溫度測(cè)量?jī)x連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，不僅能測(cè)出常溫下的方塊電阻，而且能快速準(zhǔn)確的測(cè)出室溫至 120°C之間任一溫度的方塊電阻，也能快速分析一些功能材料隨溫度變化的相變性能，并且通過(guò)數(shù)字直接顯示，兼具測(cè)量精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊和使用方便的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明涉及的一種溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻測(cè)試系統(tǒng)的電路示意圖2為本發(fā)明涉及的一種溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻測(cè)試系統(tǒng)四探針測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明涉及的SDY-4四探針測(cè)試主機(jī)的前面板平面示意圖； 圖4為本發(fā)明涉及的一種溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻測(cè)試系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為單面擴(kuò)散圓形樣品的修正因子數(shù)據(jù)列表； 圖6為單面擴(kuò)散矩形樣品的修正因子數(shù)據(jù)列表； 圖7為雙面擴(kuò)散樣品的修正因子C數(shù)據(jù)列表。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
本發(fā)明提供一種使用溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試方塊電阻及電阻率的測(cè)試方法，如圖1所示，電路主要由一個(gè)MC1403精密低壓基準(zhǔn)電源和0P07雙極型運(yùn)算放大器組成。0P07雙極型運(yùn)算放大器的低噪聲、高精度特性非常適合于放大傳感器的微弱信號(hào)。 輸出電壓可調(diào)的20V外接電源的正極分別連接MC1403精密低壓基準(zhǔn)電源的引腳1及0P07 雙極型運(yùn)算放大器的引腳7，MC1403精密低壓基準(zhǔn)電源的引腳3接地，引腳2通過(guò)250ΚΩ 的電阻Rl與R10P07雙極型運(yùn)算放大器的引腳3相互連接。0P07雙極型運(yùn)算放大器的引腳 6連接萬(wàn)用電表I (即調(diào)至電流檔)測(cè)量電路電流，再連接SDY-4四探針測(cè)試主機(jī)探頭的四探針4，經(jīng)四探針測(cè)試平臺(tái)由四探針1引出與0P07雙極型運(yùn)算放大器的引腳2連接，最后通過(guò)引腳4連接到20V外接電源負(fù)極，構(gòu)成一個(gè)回路。四探針1與0P07雙極型運(yùn)算放大器的引腳2之間并聯(lián)250ΚΩ的電阻R2接地。SDY-4四探針測(cè)試主機(jī)探頭的四探針2和四探針 3與另一萬(wàn)用電表V(即調(diào)至電壓檔)連接，從而得到樣品兩端電壓。
如圖2所示，為四探針測(cè)試平臺(tái)，在測(cè)試平臺(tái)基座中安裝有加熱裝置，可以起到改變樣品溫度的作用，樣品和基座表面用金屬墊片隔開(kāi)，防止基座表面直接接觸樣品，從而造成樣品污染。通過(guò)萬(wàn)用電表可以測(cè)量待測(cè)樣品兩端的電壓以及電流。如圖3所示，為SDY-4型四探針測(cè)試儀主機(jī)的面板，面板上分布有顯示器、按鈕及指示燈，以下為各標(biāo)號(hào)所代表的組件功能說(shuō)明 K7 電流換向按鍵
K6 測(cè)量/電流方向選擇按鍵，開(kāi)機(jī)自動(dòng)設(shè)置在“I”電流位 K5 =R □ / P測(cè)量選擇按鍵，開(kāi)機(jī)自動(dòng)設(shè)置在“R □”位置 Kl, K2，K3，K4 測(cè)量電流選擇按鍵，共四個(gè)選擇量程 Wl 電流粗調(diào)電位器；W2 電流細(xì)調(diào)電位器 L 主機(jī)數(shù)字及狀態(tài)顯示器
四探針測(cè)試方塊電阻及電阻率原理當(dāng)圖2中四根金屬探針排成一直線時(shí)，并以一定壓力壓在半導(dǎo)體材料上，在四探針1及四探針4之間通過(guò)電流I，則四探針2及四探針3之間產(chǎn)生電位差V，該電流I與電位差V分別由萬(wàn)用電表I及萬(wàn)用電表V測(cè)得。測(cè)量材料電阻率根據(jù)公式
材料電阻率P =V/1 · C 其中C為修正因子。
修正因子C與樣品的幾何尺寸及樣品屬單面擴(kuò)散還是雙面擴(kuò)散條件有關(guān)，不同條件下樣品的C值見(jiàn)以下圖5、6、7:
例如一種Vh薄膜，是熱致相變材料，其在68°C發(fā)生金屬-半導(dǎo)體相變，樣品形狀為圓形，故在圖5中查詢，其幾何形狀直徑D=15mm，相鄰兩探針間距S=Imm,圓心與四探針中心間的距離H=O. 3mm，所以D/S=15、H/D 0，對(duì)照?qǐng)D5中D/S=15、H/D 0，得到C=4. 3646 ；針對(duì)已加熱的樣品，分別記錄溫度測(cè)量?jī)x的溫度以及該溫度下兩萬(wàn)用電表的電流以及電壓， 根據(jù)上述公式即可得到不同溫度下W2薄膜的材料電阻率，而根據(jù)公式方塊電阻Rs=P /t (其中P為塊材的電阻率，t為塊材厚度)進(jìn)一步可得VO2薄膜的方塊電阻。 測(cè)試方塊電阻的具體步驟為
步驟一將溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻測(cè)試系統(tǒng)的線路連接完畢，主機(jī)接上電源，并預(yù)熱6分鐘；
步驟二 預(yù)估待測(cè)樣品的方塊電阻為40萬(wàn)Ω/sq左右，根據(jù)需要在主機(jī)面板上選擇 K4，并將K5調(diào)至“Rn”以測(cè)量樣品的方塊電阻；
步驟三將待測(cè)樣品放置在四探針測(cè)試平臺(tái)基座的金屬墊片上，將熱電偶與溫度測(cè)試儀連接好，并使熱電偶與待測(cè)樣品表面接觸，然后壓下四探針；
步驟四啟動(dòng)電爐絲加熱裝置，調(diào)節(jié)加熱速率，使用熱電偶與溫度測(cè)試儀測(cè)量待測(cè)樣品的溫度為:T1=30°C, T2=90°C ；
步驟五根據(jù)熱致相變材料的特性，其在68°C發(fā)生金屬-半導(dǎo)體相變，樣品形狀為圓形，在圖5中查詢，其幾何形狀直徑D=15mm，相鄰兩探針間距S=Imm,圓心與四探針中心間的距離 H=O. 3mm，所以 D/S=15、H/D ^ 0，對(duì)照?qǐng)D 5 中 D/S=15、H/D ^ 0，得到 C=4. 3646，然后調(diào)節(jié)主機(jī)面板上的電流粗調(diào)電位器Wl及電流細(xì)調(diào)電位器W2以輸入C=4. 3646的值至主機(jī)中，C的當(dāng)前值將顯示在主機(jī)面板上的顯示器中以方便操作者確認(rèn)；
步驟六調(diào)節(jié)完畢后，當(dāng)溫度變化時(shí)，主機(jī)面板的顯示器中將顯示每一個(gè)溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的方塊電阻值，繼續(xù)查看溫度測(cè)試儀，當(dāng)溫度達(dá)到要求時(shí)，記錄下顯示器中的數(shù)據(jù)，即為樣品在第一溫度下T1=30°C的方塊電阻Rni=45萬(wàn)Ω/sq，第二溫度下T2=90°C的方塊電阻
5RD2=358 Q/sq。 實(shí)施例二
測(cè)試電阻率的具體步驟為
步驟一將溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻測(cè)試系統(tǒng)的線路連接完畢，主機(jī)接上電源，并預(yù)熱6分鐘；
步驟二 預(yù)估待測(cè)樣品的電阻率為10萬(wàn)左右，根據(jù)需要在主機(jī)面板上選擇K4，并將K5 調(diào)至“ P，，以測(cè)量樣品的電阻率；
步驟三將待測(cè)樣品放置在四探針測(cè)試平臺(tái)基座的金屬墊片上，將熱電偶與溫度測(cè)試儀連接好，并使熱電偶與待測(cè)樣品表面接觸，然后壓下四探針；
步驟四啟動(dòng)電爐絲加熱裝置，調(diào)節(jié)加熱速率，使用熱電偶與溫度測(cè)試儀測(cè)量待測(cè)樣品的溫度為 T1=30°C，T2=90°C ；
步驟五根據(jù)Vh熱致相變材料的特性，其在68°C發(fā)生金屬-半導(dǎo)體相變，樣品形狀為圓形，在圖5中查詢，其幾何形狀直徑D=15mm，相鄰兩探針間距S=Imm,圓心與四探針中心間的距離 H=O. 3mm，所以 D/S=15、H/D ^ 0，對(duì)照?qǐng)D 5 中 D/S=15、H/D ^ 0，得到 C=4. 3646，然后調(diào)節(jié)主機(jī)面板上的電流粗調(diào)電位器Wl及電流細(xì)調(diào)電位器W2以輸入C=4. 3646的值至主機(jī)中，C的當(dāng)前值將顯示在主機(jī)面板上的顯示器中以方便操作者確認(rèn)；
步驟六調(diào)節(jié)完畢后，當(dāng)溫度變化時(shí)，主機(jī)面板的顯示器中將顯示每一個(gè)溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電阻率，繼續(xù)查看溫度測(cè)試儀，當(dāng)溫度達(dá)到要求時(shí)，記錄下顯示器中的數(shù)據(jù)，即為樣品在第一溫度下T1=30°C的電阻率P !=9. 8萬(wàn)，第二溫度下T2=90°C的電阻率P 2=6. 783。
可見(jiàn)，本發(fā)明通過(guò)對(duì)四探針?lè)綁K電阻測(cè)試系統(tǒng)的改進(jìn)，可以測(cè)量不同溫度下薄膜的方塊電阻及電阻率，增加了儀器的功能，為實(shí)驗(yàn)研究提供了方便。
權(quán)利要求
1.一種溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻及電阻率的測(cè)試方法，可用于測(cè)量薄膜的方塊電阻及電阻率，其特征在于，所述測(cè)試方法包括以下步驟步驟一將溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻測(cè)試系統(tǒng)的線路連接完畢，主機(jī)接上電源，并預(yù)熱5至10分鐘；步驟二 預(yù)估待測(cè)樣品的電阻或電阻率，根據(jù)需要在主機(jī)面板上選擇Kl至K4中合適的電流檔位，并選擇K5至“RD ”檔以測(cè)量樣品的方塊電阻或者至“P ”檔以測(cè)量樣品的電阻率；步驟三將待測(cè)樣品放置在四探針測(cè)試平臺(tái)基座的金屬墊片上，將熱電偶與溫度測(cè)試儀連接好，并使熱電偶與待測(cè)樣品表面接觸，然后壓下四探針；步驟四啟動(dòng)電爐絲加熱裝置，調(diào)節(jié)加熱速率，使用熱電偶與溫度測(cè)試儀測(cè)量待測(cè)樣品的溫度；步驟五查詢參數(shù)C，然后調(diào)節(jié)主機(jī)面板上的電流粗調(diào)電位器Wl及電流細(xì)調(diào)電位器W2 以輸入C的值至主機(jī)中，C的當(dāng)前值將顯示在主機(jī)面板上的顯示器中；步驟六調(diào)節(jié)完畢后，當(dāng)溫度變化時(shí)，主機(jī)面板的顯示器中將顯示每一個(gè)溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電阻率或者方塊電阻值，繼續(xù)查看溫度測(cè)試儀，當(dāng)溫度達(dá)到要求時(shí)，記錄下顯示器中的數(shù)據(jù)，即為樣品在該溫度下的電阻率或者方塊電阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻及電阻率的測(cè)試方法，所述的溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻測(cè)試系統(tǒng)，包括電壓可調(diào)電源、SDY-4四探針測(cè)試主機(jī)、萬(wàn)用電表V、萬(wàn)用電表I以及四探針測(cè)試平臺(tái)，萬(wàn)用電表V的兩引腳分別與SDY-4四探針測(cè)試主機(jī)探頭的四探針2與四探針3連接，四探針1、四探針2、四探針3及四探針4均與四探針測(cè)試平臺(tái)連接，其特征在于，電壓可調(diào)電源的正極分別MC1403精密低壓基準(zhǔn)電源的引腳1與 0P07雙極型運(yùn)算放大器的引腳7連接，MC1403精密低壓基準(zhǔn)電源的引腳3接地，引腳2通過(guò)電阻Ri與0p07雙極型運(yùn)算放大器的引腳3連接，0P07雙極型運(yùn)算放大器的引腳4與電壓可調(diào)電源的負(fù)極連接，引腳6通過(guò)萬(wàn)用表I與四探針4連接，引腳2與四探針1連接，同時(shí)通過(guò)電阻R2接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻及電阻率的測(cè)試方法，所述的四探針測(cè)試平臺(tái)包括基座，其特征在于，基座內(nèi)的上端設(shè)有電爐絲加熱裝置，基座表面設(shè)有金屬墊片，樣品上設(shè)有SDY-4四探針測(cè)試主機(jī)探頭的四探針1、四探針2、四探針3及四探針4，樣品表面上設(shè)有熱電偶，熱電偶與溫度測(cè)量?jī)x連接。
全文摘要
本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻及電阻率的測(cè)試方法，所述測(cè)試方法包括以下步驟將溫度可調(diào)控四探針?lè)綁K電阻測(cè)試系統(tǒng)的線路連接完畢，主機(jī)接上電源并預(yù)熱5至10分鐘；根據(jù)需要在主機(jī)面板上選擇合適的電流檔位，并選擇測(cè)量樣品的電阻率或者方塊電阻；將待測(cè)樣品放置在四探針測(cè)試平臺(tái)的基座上，將熱電偶與溫度測(cè)試儀連接好，并使熱電偶與待測(cè)樣品表面接觸，然后壓下四探針；啟動(dòng)電爐絲加熱裝置，調(diào)節(jié)加熱速率，使用熱電偶與溫度測(cè)試儀測(cè)量樣品的溫度；查詢參數(shù)C，然后輸入C的值；調(diào)節(jié)完畢后，繼續(xù)查看溫度測(cè)試儀，當(dāng)溫度達(dá)到要求時(shí)，記錄下顯示器中的數(shù)據(jù)，即為樣品在該溫度下的電阻率或者方塊電阻。
文檔編號(hào)G01N25/02GK102539927SQ20111041715
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者何興峰, 徐曉峰, 汪海旸, 黃海燕 申請(qǐng)人:東華大學(xué)