四点探针测试技术学习教案

1、会计学1四点探针测试四点探针测试(csh)技术技术第一页，共43页。最常见四探针最常见四探针(tn zhn)(tn zhn)测试仪为测试仪为RTSRTS和和RDYRDY系列。系列。图图1.RTS-81.RTS-8型四探针型四探针(tn zhn)(tn zhn)测试仪（左测试仪（左）、）、SDY-5SDY-5型死探针型死探针(tn zhn)(tn zhn)测试仪（右测试仪（右）被测样品被测样品测试探针测试探针第2页/共43页第二页，共43页。图图2. RTS-82. RTS-8型四探针型四探针(tn zhn)(tn zhn)电气原理图电气原理图第3页/共43页第三页，共43页。 1865年年 汤

2、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，测量第一次实际应用，测量(cling)地球地球电阻电阻 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发展(fzhn)历史历史第4页/共43页第四页，共43页。四探针(tn zhn)传统应用图图3.四探针技术的传统四探针技术的传统(chuntng)应用应用第5页/共43页第五

3、页，共43页。四探针四探针(tn zhn)测试原理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，精准电压表测量内侧两探针间电压表测量内侧两探针间电压V，根据，根据相应相应(xingyng)理论公式计算出理论公式计算出样品的薄膜电阻率样品的薄膜电阻率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第6页/共43页第六页，

4、共43页。四探针四探针(tn zhn)测试方法分类测试方法分类 图图4.四探针四探针(tn zhn)测试方法分类测试方法分类第7页/共43页第七页，共43页。四探针四探针(tn zhn)测试方法测试方法 最为常用的测试方法为直线（常规最为常用的测试方法为直线（常规(chnggu)）四探针法和双电测）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6 双电测四探针(tn zhn)法探针(tn zhn)组合形式B: Rymaszewski法A：pertoff法第8页/共43页第八页，共43页。四探针四探针(tn zhn)测试方法测试方法 2.双电测四探针双电测四探针(tn

5、 zhn)法特点：法特点：1.克服探针间距不等及针尖纵向位移(wiy)带来的影响2.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，探针间距不能过小第9页/共43页第九页，共43页。四探针四探针(tn zhn)计算模型计算模型 可得到距点电流(dinli)源r处的电势为：EjVr及时0图 7. 点电流源的半球形等位面 第10页/共43页第十页，共43页。四探针法计算四探针法计算(j sun)模型模型电阻率公式(gngsh)为： 探针(tn zhn)等距： C为探针系数，只要针距一定，它就是常数 第11页/共43页第十一页，共43页。四探针法计算四探针法计算(j sun

6、)模型模型2.薄层原理（2D模型）当样本在能够忽略其本身厚度情况(qngkung)下，一般认为当样本厚度W小于探针距S时就看做薄层。当样品为薄层时，各点电势为： WR公式(gngsh)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第12页/共43页第十二页，共43页。四探针测试四探针测试(csh)的修正的修正实际测试中，要对四探针测试方法进行修正，包括厚度实际测试中，要对四探针测试方法进行修正，包括厚度(hud)修正，边缘修正和温度修正。修正，边缘修正和温度修正。1.厚度厚度(hud)修正修正)(0f)(4f 和 f0(

7、a)和f4(a)分别是对应两种原理时的厚度修正(xizhng)函数，a=w/s )(0f，图8.修正f0(a)和f4(a)曲线图第13页/共43页第十三页，共43页。四探针测试四探针测试(csh)的修正的修正 2.边缘边缘(binyun)修正修正计算比较复杂，难以(nny)在实际运用，常用镜像源法，图形变换法和有限元法 第14页/共43页第十四页，共43页。四探针测试四探针测试(csh)的修正的修正 3.温度温度(wnd)修正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度(jn d)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.第15页/共43页第十五页，共43页

8、。微观四点探针微观四点探针(tn zhn)的发展的发展 1.发展原因发展原因1.电子电子(dinz)元器件的不断微型化和纳米器件的出元器件的不断微型化和纳米器件的出现现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丹麦科技(kj)大学大学 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

9、司 丹麦丹麦Capres A/S公司公司 zvyex公司公司第16页/共43页第十六页，共43页。微观四点探针微观四点探针(tn zhn)的新型的新型应用应用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(wl xngzh)5.霍尔效应测定以判断硅和锗的超浅结处的载流子迁移率霍尔效应测定以判断硅和锗的超浅结处的载流子迁移率 第17页/共43页第十七页，共43页。微观四点探针微观四点探针(tn zhn)测试测

10、试原理原理 微观四点探针技术是微观领域的四探针测试微观四点探针技术是微观领域的四探针测试(csh)技术，原理技术，原理与宏观四探针类似，与宏观四探针类似，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(cling)电导率时，电流流经半导体电导率时，电流流经半导体样品示意图样品示意图 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第18页/共43页第十八页，共43页。微观微

11、观(wigun)四点探针测试系四点探针测试系统统1.系统的分类系统的分类 整体式微观整体式微观(wigun)四点探针系统四点探针系统 ：最小探针间距：最小探针间距300nm 微观微观(wigun)四点四点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：底座、真空室、样品台；机械系统：底座、真空室、样品台； 探针系统：探针、探针台；探针系统：探针、探针台； 信号控制与传输系统：测试仪表、电路、信号控制与传输系统：测试仪表、电路、PC机；机； 成像系统：成像系统：SEM、RHEED； 辅助装置：真空泵、其他表面科学分析工具辅助装置：真空泵、其他表面科学

12、分析工具第19页/共43页第十九页，共43页。整体式微观四点探针测试整体式微观四点探针测试(csh)系统系统 由四个测试电极由四个测试电极(dinj)或一单悬臂四点电极或一单悬臂四点电极(dinj)过定于测试系统探针台上，四电极过定于测试系统探针台上，四电极(dinj)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（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（AFM）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.市场化微观市场化微观(wigun)四点探针测试四点探针测试仪仪图图12. 瑞士瑞士Capres A/S制造的四点制造的四点

13、探针，最小探针间距探针，最小探针间距5微米微米第20页/共43页第二十页，共43页。整体式微观四点探针测试整体式微观四点探针测试(csh)系统系统基于基于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，同时具备表面形貌表征征(bio zhn)(bio zhn)和表面电导率和表面电导率MappingMapping功能。功能。20052005年日本年日本东北大学开发第一台东北大学开发第一台AFMAFM四点探针。四点探针。图图13.AFM13.AFM四点探针四点探针(tn zhn)(tn zhn)测试系统原

14、理图，测试系统原理图，AFMAFM四点探针四点探针(tn (tn zhn)SEMzhn)SEM图。图。第21页/共43页第二十一页，共43页。整体式微观四点探针测试整体式微观四点探针测试(csh)系系统特点统特点优点优点(yudin) 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，仅能实现直线式探针间距固定，灵活性较差，仅能实现直线式测量；测量；微观十二点探针：具有探针可调功能微观十二点探针：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探针(

15、tn zhn)，采用四点，采用四点测试模式时最小探针测试模式时最小探针(tn zhn)间距间距1.5m ，Capres A/S制造。制造。第22页/共43页第二十二页，共43页。微观四点微观四点STM探针探针(tn zhn)测测试系统试系统 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个可独立驱动探针的个可独立驱动探针的STM用于四点探针的电学表征。每个探针实现独立操作用于四点探针的电学表征。每个探针实现独立操作(cozu)，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，四点探针可以实现各种模式和不同探针间距的测量。四个探针通过检测隧道电流进行反馈控制，使

16、四探针同时与样品表面接触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在样品表面的扫描测量。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。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的操纵的操纵功能：最小探针间距功能：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(tn zhn)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第23页/共43页第二十三页，共4

17、3页。微观四点微观四点STM探针测试探针测试(csh)系系统统系统系统(xtng)原理原理图图16.微观四点微观四点STM探针探针(tn zhn)系统原理示意图系统原理示意图第24页/共43页第二十四页，共43页。四点四点STM探针探针(tn zhn)测试系统测试系统研究进展研究进展 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四点探针系统，四点探针系统，借助借助SEM的观察，通过压电陶瓷独立的观察，通过压电陶瓷独立(dl)控制四个钨探针进行准确定位控制四个钨探针进行准确定位和扫描测量，最小探针针间距和扫描测量，最小探针针间距600nm。图图917. U

18、HV-SEM-SERM-RHEED四点探针四点探针(tn zhn)系统结构示意图以系统结构示意图以俯视图俯视图第25页/共43页第二十五页，共43页。四点四点STM探针测试探针测试(csh)系统研究系统研究进展进展 2005 2005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四点探针四点探针(tn (tn zhn)zhn)系统系统, ,具有多探针具有多探针(tn zhn)STM/SEM(tn zhn)STM/SEM室，表面分析和准备室室，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，分子束外延室，传输室。配备

19、多种标准表面科学分析工具AES AES 、XPSXPS、QMSQMS、LEED LEED 等。能够实现薄膜沉积、掺杂或量子点等。能够实现薄膜沉积、掺杂或量子点 生长生长，并做四点电学表征和其他表面分析。，并做四点电学表征和其他表面分析。图图18.UHV-MBE-SEM-STM四四点探针点探针(tn zhn)系统结构示系统结构示意图意图第26页/共43页第二十六页，共43页。四点四点STM探针测试探针测试(csh)系统系统研究进展研究进展 2006年中国科学院物理研究所纳米物理与器件研究室制备出超高真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空分子束外延(wiyn)（MB

20、E）四探针四探针STM（Nanoprobe）设备）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，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统，构与电子输运性质的综合系统， 图图19.四探针四探针(tn zhn)SYM-MBE-LEED系统系统第27页/共43页第二十七页，共43页。微观微观(wigun)四点四点STM探针测探针测试系统试系统优点优点 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.可以选用不同可以选用不同(b tn)测试模式：测试模式： 4.集成其他实验设备，可进行薄膜器件的

21、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，造价昂贵第28页/共43页第二十八页，共43页。如果接触点半径相对于探针如果接触点半径相对于探针(tn zhn)间距较小间距较小 ，则用下式，则用下式第29页/共43页第二十九页，共43页。图图21 圆形和方形小样品圆形和方形小样品(yngpn)局部灵敏局部灵敏度度第30页/共43页第三十页，共43页。微观微观(wigun)四点探针制备技四点探针制备技术术 探针在微观四点探针表征系统中是核心精密部件探针在微观四点探针表征系统中是核心精密部件(bjin)(bjin)，对系统的微型化进展

22、起着决定性作用，对系统的微型化进展起着决定性作用， 1.1.微观四点微观四点STMSTM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，可以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（采用有金属镀层碳纳米管（CNTCNT）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，最小探针间距量，最小探针间距(jin j)30nm（日本东北大学（日本东北大学）第31页/共43页第三十一页，共43页。微观四点探针制备微观四点探针制备(zhbi)技术技术整体式微观(wigun)四点探针制备 悬

23、臂梁制备悬臂梁制备(zhbi)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 等等第32页/共43页第三十二页，共43页。微观微观(wigun)四点探针制备技术四点探针制备技术图图24 AFM悬臂梁制备悬臂梁制备(zhbi)工艺工艺(a) KOH蚀刻蚀刻(shk)V型槽型槽(b) (b)氧化硅生长氧化硅生长(c) (c) LP

24、CVD法沉积法沉积SiN层层(d) (d )光致抗蚀掩模光致抗蚀掩模(e) (e)悬臂和顶端的悬臂和顶端的SiN蚀刻蚀刻(shk) (f) ( f ) 阴阳键合法玻璃粘结阴阳键合法玻璃粘结 (g) (g) 去去Si(h) (h) 镀铜镀铜第33页/共43页第三十三页，共43页。微观微观(wigun)四点探针制备技四点探针制备技术术图图25.最近最近(zujn)亚指出的整体式四点探针亚指出的整体式四点探针第34页/共43页第三十四页，共43页。微观微观(wigun)四点探针制备技四点探针制备技术术图图26.最近最近(zujn)亚指出的整体式四点亚指出的整体式四点探针探针第35页/共43页第三十五

25、页，共43页。微观四点探针制备微观四点探针制备(zhbi)技术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

26、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 表表1.一些常用一些常用(chn yn)方法制备出的整体式四点探针最小探针方法制备出的整体式四点探针最小探针间距间距第36页/共43页第三十六页，共43页。微观四点探针微观四点探针(tn zhn)测试技术面临测试技术面临的问题的问题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 探针几何参数探针几何参数(cnsh)和强度和强度2.对样品表面的损伤对样品表面的损伤采用柔

27、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：避免操作失误、提高探针控制精度探针折断：避免操作失误、提高探针控制精度、增强探、增强探 针强度；针强度； 探针磨损：提高力控制精度、柔性探针、改变探针磨损：提高力控制精度、柔性探针、改变探针形状探针形状 （three-way flexible M4PP）、基体和）、基体和导电薄膜加过度粘结薄导电薄膜加过度粘结薄 第37页/共43页第三十七页，共43页。微观四点探针测试技术面临微观四点探针测试技术面临(minlng)的问题的问题5.探针探针(tn zhn)精确定位与力控制问题精确定位与力控制问题

28、 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 第38页/共43页第三十八页，共43页。结论结论(jiln)与展望与展望 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，包括测试原理以及最新应用，并将其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，详细介绍分析了每一类系统的器件结构、工作原划分为两大类型，详细介绍分析了每一类系统的器件结构、工作原理、探针制备理、探针制备, ,而且做了一定的对比。指出微观四点探针系统所面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。临的主要问题。 微观四点探针测试技术的研究涉及到半导体物理、表面科学、机械微观四点探针测试技术的研究涉及到半导体物理、表面科学、机械、仪表自动化、电化学加工等学科，切入点很多，是一项具有挑战、仪表自动化、电化学加工等学科，切入点很多，是一项具