四点探针测试技术

1、王永东北大学真空与流体工程研究中心东北大学真空与流体工程研究中心导师：李建昌导师：李建昌四点探针测试技术四点探针测试技术Four Point Probe Technology 四点探针（四探针）是半导体行业，薄膜和表面科学四点探针（四探针）是半导体行业，薄膜和表面科学领域最为常用的电学表征工具。用四根探针代替两个探领域最为常用的电学表征工具。用四根探针代替两个探针对样品的电阻率或电导率进行测量，能够消除探针接针对样品的电阻率或电导率进行测量，能够消除探针接触电阻对测量结果的影响，具有很高的精度。触电阻对测量结果的影响，具有很高的精度。报告内容测试理论研究进展探针制备123四探针测试仪四探针测试

2、仪最常见四探针测试仪为最常见四探针测试仪为RTSRTS和和RDYRDY系列。系列。图图1.RTS-81.RTS-8型四探针测试仪（左）、型四探针测试仪（左）、SDY-5SDY-5型死探针测试仪（右）型死探针测试仪（右）被测样品被测样品测试探针测试探针四探针测试仪四探针测试仪图图2. RTS-82. RTS-8型四探针电气原理图型四探针电气原理图 1865年年 汤姆森汤姆森 首次提出四探针测试原理；首次提出四探针测试原理；1920年年 Schlunberger 第一次实际应用，测量地球电阻第一次实际应用，测量地球电阻 率；率；1954年年 Valdes 第一次用于半导体电阻率测试；第一次用于半导

3、体电阻率测试；1980年代年代 具有具有Mapping技术的四点探针出现技术的四点探针出现；1999年年 Pertersen 开发出首台微观四点探针开发出首台微观四点探针发展历史发展历史四探针传统应用四探针传统应用图图3.四探针技术的传统应用四探针技术的传统应用四探针测试原理四探针测试原理四根等距探针竖直的排成一排，同四根等距探针竖直的排成一排，同时施加适当的压力使其与被测样品时施加适当的压力使其与被测样品表面形成欧姆连接，用恒流源给两表面形成欧姆连接，用恒流源给两个外探针通以小电流个外探针通以小电流I，精准电压表，精准电压表测量内侧两探针间电压测量内侧两探针间电压V，根据相，根据相应理论公式

4、计算出样品的薄膜电阻应理论公式计算出样品的薄膜电阻率率1.1.工作原理简单工作原理简单 2. 2.测试精度高测试精度高 3. 3.操作方便操作方便 图图 5.四探针测试原理图四探针测试原理图四探针测试方法分类四探针测试方法分类 图图4.四探针测试方法分类四探针测试方法分类四探针测试方法四探针测试方法 最为常用的测试方法为直线（常规）四探针法和双电测最为常用的测试方法为直线（常规）四探针法和双电测四探针法。四探针法。1.双电测四探针法：双电测四探针法：图图6 双电测四探针法探针组合形式双电测四探针法探针组合形式B: Rymaszewski法法A：pertoff法法四探针测试方法四探针测试方法 2

5、.双电测四探针法特点：双电测四探针法特点：1.克服探针间距不等及针尖纵向位移带来的影响克服探针间距不等及针尖纵向位移带来的影响2.对小尺寸样品不用做几何测量和边缘修正对小尺寸样品不用做几何测量和边缘修正3.不能消除横向位移对测试结果的影响，探针间距不能消除横向位移对测试结果的影响，探针间距不能过小不能过小四探针计算模型四探针计算模型 可得到距点电流源可得到距点电流源r r处的电势为：处的电势为：EjVr及时0图图 7. 点电流源的半球形等位面点电流源的半球形等位面 四探针法计算模型四探针法计算模型电阻率公式为：电阻率公式为： 探针等距：探针等距： C为探针系数，只要针距一定，它就是常数为探针系

6、数，只要针距一定，它就是常数 四探针法计算模型四探针法计算模型2.2.薄层原理（薄层原理（2D2D模型）模型）当样本在能够忽略其本身厚度情况下，一般认为当样本厚当样本在能够忽略其本身厚度情况下，一般认为当样本厚度度W小于探针距小于探针距S时就看做薄层。当样品为薄层时，各点时就看做薄层。当样品为薄层时，各点电势为：电势为： WR公式中为薄层电阻，也成为单位方块电阻【6】RW:薄层电阻薄层电阻, W:薄层厚度薄层厚度 A:r无穷大时的电势无穷大时的电势四探针测试的修正四探针测试的修正实际测试中，要对四探针测试方法进行修正，包括厚度修实际测试中，要对四探针测试方法进行修正，包括厚度修正，边缘修正和温

7、度修正。正，边缘修正和温度修正。1.1.厚度修正厚度修正)(0f)(4f 和 f0(a)和和f4(a)分别是对应两种原理时分别是对应两种原理时的厚度修正函数，的厚度修正函数，a=w/s )(0f，图图8.修正修正f0(a)和和f4(a)曲线图曲线图四探针测试的修正四探针测试的修正 2.边缘修正边缘修正计算比较复杂，难以在实际运用，常用计算比较复杂，难以在实际运用，常用镜像源法，图形变换法镜像源法，图形变换法和和有限元法有限元法 四探针测试的修正四探针测试的修正 3.温度修正温度修正半导体材料的电阻对温度非常敏感，温度也是影响其测试精半导体材料的电阻对温度非常敏感，温度也是影响其测试精度的又一个

8、重要因素，一般情况下半导体电阻率的参考温度度的又一个重要因素，一般情况下半导体电阻率的参考温度23+0.5.微观四点探针的发展微观四点探针的发展 1.发展原因发展原因1.电子元器件的不断微型化和纳米器件的出现电子元器件的不断微型化和纳米器件的出现2.新型生物材料的出现新型生物材料的出现3.表面科学研究的不断深入表面科学研究的不断深入4.显微镜技术和显微镜技术和MENS技术的发展技术的发展2.主要研究单位主要研究单位丹麦科技大学丹麦科技大学 瑞士洛桑理工学院瑞士洛桑理工学院 日本东北大学日本东北大学 日本大阪大学日本大阪大学中国科学院物理研究所纳米物理与纳米器件研究室中国科学院物理研究所纳米物理

9、与纳米器件研究室韩国国立全南大学韩国国立全南大学 日本日本NTT公司公司 丹麦丹麦Capres A/S公司公司 zvyex公司公司微观四点探针的新型应用微观四点探针的新型应用1.表面敏感电导率以及表面电荷迁移表面敏感电导率以及表面电荷迁移2.导电聚合物薄膜电导率导电聚合物薄膜电导率3.纳米管，纳米线等纳米材料电导测量纳米管，纳米线等纳米材料电导测量4.判断新型生物材料未知物理性质判断新型生物材料未知物理性质5.霍尔效应测定以判断硅和锗的超浅结处的载流子迁移霍尔效应测定以判断硅和锗的超浅结处的载流子迁移率率 微观四点探针测试原理微观四点探针测试原理 微观四点探针技术是微观领域的四探针测试技术，原

10、理与宏微观四点探针技术是微观领域的四探针测试技术，原理与宏观四探针类似，观四探针类似，图图 10.宏观和微观四点探针在测量宏观和微观四点探针在测量电导率时，电流流经半导体样品示电导率时，电流流经半导体样品示意图意图 电流电流渠道渠道表面层表面层空间电荷层（界面层）空间电荷层（界面层）基体基体能适用于尺寸较小样品的测量能适用于尺寸较小样品的测量测试精度和分辨率增加测试精度和分辨率增加消除样品表面缺陷对测量的影响消除样品表面缺陷对测量的影响 样品表面损伤减小样品表面损伤减小微观四点探针测试系统微观四点探针测试系统1.系统的分类系统的分类 整体式微观四点探针系统整体式微观四点探针系统 ：最小探针间距

11、最小探针间距300nm 微观四点微观四点STM探针系统探针系统: 最小探针间距最小探针间距30nm2.系统的组成系统的组成 机械系统：机械系统：底座、真空室、样品台；底座、真空室、样品台； 探针系统：探针系统：探针、探针台；探针、探针台； 信号控制与传输系统：信号控制与传输系统：测试仪表、电路、测试仪表、电路、PC机；机； 成像系统：成像系统：SEM、RHEED； 辅助装置：辅助装置：真空泵、其他表面科学分析工具真空泵、其他表面科学分析工具整体式微观四点探针测试系统整体式微观四点探针测试系统 由四个测试电极或一单悬臂四点电极过定于测试系统探由四个测试电极或一单悬臂四点电极过定于测试系统探针台上

12、，四电极位置相对固定。目前比较先进的测试系统针台上，四电极位置相对固定。目前比较先进的测试系统为基于原子力显微镜（为基于原子力显微镜（AFMAFM）的微观四点探针系统。）的微观四点探针系统。商业化微观四点探针商业化微观四点探针图图11.市场化微观四点探针测试仪市场化微观四点探针测试仪图图12. 瑞士瑞士Capres A/S制造的四制造的四点探针，最小探针间距点探针，最小探针间距5微米微米整体式微观四点探针测试系统整体式微观四点探针测试系统基于基于AFMAFM的整体式微观四点探针系统的整体式微观四点探针系统 AFM AFM技术四点探针技术相结合，同时具备表面形貌表技术四点探针技术相结合，同时具备

13、表面形貌表征和表面电导率征和表面电导率MappingMapping功能。功能。20052005年日本东北大学开发年日本东北大学开发第一台第一台AFMAFM四点探针。四点探针。图图13.AFM13.AFM四点探针测试系统原理图，四点探针测试系统原理图，AFMAFM四点探针四点探针SEMSEM图。图。整体式微观四点探针测试系统特点整体式微观四点探针测试系统特点优点优点 1.结构简单；结构简单； 1.测试稳定性好；测试稳定性好； 3.单悬臂式相对于四悬臂式测试稳定性聚焦好；单悬臂式相对于四悬臂式测试稳定性聚焦好；缺点缺点 探针间距固定，灵活性较差，仅能实现直线式测量；探针间距固定，灵活性较差，仅能实

14、现直线式测量；微观十二点探针：微观十二点探针：具有探针可调功能具有探针可调功能图图14.市场化的微观十二点市场化的微观十二点探针，采用四点测试模式探针，采用四点测试模式时最小探针间距时最小探针间距1.5m ，Capres A/S制造。制造。微观四点微观四点STM探针测试系统探针测试系统 将将STM技术与四探针原理相互结合，拥有技术与四探针原理相互结合，拥有4个可独立驱动个可独立驱动探针的探针的STM用于四点探针的电学表征。每个探针实现独立用于四点探针的电学表征。每个探针实现独立操作，四点探针可以实现各种模式和不同探针间距的测量。操作，四点探针可以实现各种模式和不同探针间距的测量。四个探针通过检

15、测隧道电流进行反馈控制，使四探针同时四个探针通过检测隧道电流进行反馈控制，使四探针同时与样品表面接触。通过压电控制使其以原子级分辨率实现与样品表面接触。通过压电控制使其以原子级分辨率实现在样品表面的扫描测量。完成四点探针电学表征。在样品表面的扫描测量。完成四点探针电学表征。 能够原位、非破坏性进行四点探针测量，而且具有能够原位、非破坏性进行四点探针测量，而且具有STM的操纵功能：最小探针间距的操纵功能：最小探针间距30nm，已经市场化应用。，已经市场化应用。 图图15.市场化四点市场化四点STM探针探针左：对大规模集成电路测量左：对大规模集成电路测量右：右： 移动纳米线移动纳米线微观四点微观四

16、点STM探针测试系统探针测试系统系统原理系统原理图图16.微观四点微观四点STM探针系统原理示意图探针系统原理示意图四点四点STM探针测试系统研究进展探针测试系统研究进展 2001年日本东北大学研制出年日本东北大学研制出UHV-SEM-SERM-RHEED四点四点探针系统，借助探针系统，借助SEM的观察，通过压电陶瓷独立控制四个钨探的观察，通过压电陶瓷独立控制四个钨探针进行准确定位和扫描测量，最小探针针间距针进行准确定位和扫描测量，最小探针针间距600nm。图图917. UHV-SEM-SERM-RHEED四点探针系统结构示意图以俯视图四点探针系统结构示意图以俯视图四点四点STM探针测试系统研

17、究进展探针测试系统研究进展 20052005年美国匹兹堡大学研制出年美国匹兹堡大学研制出UHV-MBE-SEM-STMUHV-MBE-SEM-STM四点探四点探针系统针系统, ,具有多探针具有多探针STM/SEMSTM/SEM室，表面分析和准备室，分子室，表面分析和准备室，分子束外延室，传输室。配备多种标准表面科学分析工具束外延室，传输室。配备多种标准表面科学分析工具AES AES 、XPSXPS、QMSQMS、LEED LEED 等。能够实现等。能够实现薄膜沉积、掺杂或量子点薄膜沉积、掺杂或量子点 生生长，并做四点电学表征和其他表面分析。长，并做四点电学表征和其他表面分析。图图18.UHV-

18、MBE-SEM-STM四点探针系统结构四点探针系统结构示意图示意图四点四点STM探针测试系统研究进展探针测试系统研究进展 2006年中国科学院物理研究所纳米物理与器件研究室制年中国科学院物理研究所纳米物理与器件研究室制备出超高真空分子束外延（备出超高真空分子束外延（MBE）四探针四探针STM（Nanoprobe）设备，为世界上第一台可原位制备纳米体）设备，为世界上第一台可原位制备纳米体系并研究其表面结构、电子态结构与电子输运性质的综合系并研究其表面结构、电子态结构与电子输运性质的综合系统，系统， 图图19.四探针四探针SYM-MBE-LEED系统系统微观四点微观四点STM探针测试系统探针测试系

19、统优点优点 1.能获得较小探针间距；能获得较小探针间距； 1.探针间距任意可调；探针间距任意可调； 3.可以选用不同测试模式：可以选用不同测试模式： 4.集成其他实验设备，可进行薄膜器件的原位制备和表集成其他实验设备，可进行薄膜器件的原位制备和表征：征：缺点缺点 结构极为复杂，造价昂贵结构极为复杂，造价昂贵微观四点探针计算模型微观四点探针计算模型微观四点探针计算模型分为两种，与宏观四点探针类似，微观四点探针计算模型分为两种，与宏观四点探针类似，通过无限大理论的薄层原理和厚块原理推导出的二维无限通过无限大理论的薄层原理和厚块原理推导出的二维无限模型和三维半无限模型。模型和三维半无限模型。直线式等

20、距排列的四点探针电直线式等距排列的四点探针电阻薄层和厚块计算公式分别为阻薄层和厚块计算公式分别为 如果接触点半径相对于探针间距较小如果接触点半径相对于探针间距较小 ，则用下式，则用下式微观四点探针理论研究微观四点探针理论研究Petersen等人用微观四点探针对多种形状小样品电阻等人用微观四点探针对多种形状小样品电阻率进行了数学模拟，对电荷的局部输运特性进行了研率进行了数学模拟，对电荷的局部输运特性进行了研究。有了诸多发现。究。有了诸多发现。1.双电测四点测量内侧两探针灵敏度大于外侧两探针，双电测四点测量内侧两探针灵敏度大于外侧两探针，2.对称线上由于对称电流泄漏灵敏度较低对称线上由于对称电流泄

21、漏灵敏度较低图图21 圆形和方形小样品局部灵敏度圆形和方形小样品局部灵敏度微观四点探针制备技术微观四点探针制备技术 探针在微观四点探针表征系统中是核心精密部件，对探针在微观四点探针表征系统中是核心精密部件，对系统的微型化进展起着决定性作用，系统的微型化进展起着决定性作用， 1.微观四点微观四点STM探针制备探针制备 通常会采用钨丝作为测试探针，或采用金属镀层探针，通常会采用钨丝作为测试探针，或采用金属镀层探针，可以采用有金属镀层碳纳米管（可以采用有金属镀层碳纳米管（CNT）作为探针。）作为探针。 图图22. PtIr- CNT四点探针四点探针对对CoSi2纳米线电导率测纳米线电导率测量，最小探

22、针间距量，最小探针间距30nm（日本东北大学）（日本东北大学）微观四点探针制备技术微观四点探针制备技术整体式微观四点探针制备整体式微观四点探针制备 悬臂梁制备悬臂梁制备导电电极制备导电电极制备金属镀层金属镀层图图23.整体式微观四点探针的一般制备步骤整体式微观四点探针的一般制备步骤基底材料：基底材料：单晶硅、多晶硅、氮硅化合物（单晶硅、多晶硅、氮硅化合物（Si3N4） 常用工艺：常用工艺：FIB 光刻光刻 、电子束光刻、电子束光刻 、传统光刻、传统光刻 、混合匹配光刻、混合匹配光刻 等等微观四点探针制备技术微观四点探针制备技术图图24 AFM悬臂梁制备工艺悬臂梁制备工艺(a)KOH蚀刻蚀刻V型

23、槽型槽(b)氧化硅生长氧化硅生长(c) LPCVD法沉积法沉积SiN层层(d )光致抗蚀掩模光致抗蚀掩模(e)悬臂和顶端的悬臂和顶端的SiN蚀刻蚀刻 ( f ) 阴阳键合法玻璃粘结阴阳键合法玻璃粘结 (g) 去去Si(h) 镀铜镀铜微观四点探针制备技术微观四点探针制备技术图图25.最近亚指出的整体式四点探针最近亚指出的整体式四点探针微观四点探针制备技术微观四点探针制备技术图图26.最近亚指出的整体式四点探针最近亚指出的整体式四点探针微观四点探针制备技术微观四点探针制备技术探针制备方法探针制备方法FIB FIB 光刻光刻电子束光刻电子束光刻混合匹配光刻混合匹配光刻传统光刻传统光刻最小探针间距最小

24、探针间距300 nm350 nm500 nm1500 nm基底材料基底材料SiO2微悬臂梁弹性系数3 N/m柔性SiO2微悬臂梁SiO2微悬臂梁0.5 N/mSiO2 微悬臂梁金属镀层金属镀层Ti /PtTi/ AuTiWTi/ Au结构特征结构特征单悬臂梁电极宽度200nm四平行SiO2悬臂梁顶端聚焦方向生长金属镀层碳纳米管针尖 单悬臂梁12点探针四平行悬臂梁测试性能测试性能 与样品表面接触良好，探针高度相同可100 nm分辨率扫描测量表面高度不同的样品碳针尖对样品表面有自调心功能，且探针间距可调 样品损伤很小，参考文献参考文献【* *4 4】* * *2 2【* *B B】* * *1 1

25、 表表1.一些常用方法制备出的整体式四点探针最小探针间距一些常用方法制备出的整体式四点探针最小探针间距微观四点探针测试技术面临的问题微观四点探针测试技术面临的问题1.探针间距受限因素探针间距受限因素 探针间电子电迁移探针间电子电迁移 热效应热效应 探针几何参数和强度探针几何参数和强度2.对样品表面的损伤对样品表面的损伤采用柔性探针采用柔性探针 改变测试夹角改变测试夹角 采用尖锐探针采用尖锐探针3.探针寿命探针寿命 探针折断：探针折断：避免操作失误、提高探针控制精度、增强探避免操作失误、提高探针控制精度、增强探 针强度；针强度； 探针磨损：探针磨损：提高力控制精度、柔性探针、改变探针形状提高力控

26、制精度、柔性探针、改变探针形状 （three-way flexible M4PP）、基体和导电薄膜加过度粘）、基体和导电薄膜加过度粘结薄结薄 微观四点探针测试技术面临的问题微观四点探针测试技术面临的问题5.探针精确定位与力控制问题探针精确定位与力控制问题 高精度高精度SEM 控制系统改进控制系统改进 6.电子束对样品表面电学特性的影响电子束对样品表面电学特性的影响 SEM RHEED 结论与展望结论与展望 综述了四探针测试原理，应用，分类。并报告了当今世综述了四探针测试原理，应用，分类。并报告了当今世界上最为先进的微观四点探针测试系统，包括测试原理以界上最为先进的微观四点探针测试系统，包括测试原理以及最新应用，并将其划分为两大类型，详细介绍分析了每及最新应用，并将其划分为两大类型，详细介绍分析了每一类系统的器件结构、工作原理、探针制备一类系统的器件结构、工作原理、探针制备, ,而且做了一而且做了一定的对比。指出微观四点探针系统所面临的主要问题。定的对比。指出微观四点探针系统所面临的主要问题。 微观四点探针测试技术的研