四点探针测试技术PPT演示文稿

王永东北大学真空与流体工程研究中心导师：李建昌四点探针测试技术FourPointProbeTechnology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。四探针测试仪最常见四探针测试仪为RTS和RDY系列。图1.RTS-8型四探针测试仪（左）、SDY-5型死探针测试仪（右）被测样品测试探针四探针测试仪图2.RTS-8型四探针电气原理图1865年汤姆森首次提出四探针测试原理；1920年Schlunberger第一次实际应用，测量地球电阻率；1954年Valdes第一次用于半导体电阻率测试；1980年代具有Mapping技术的四点探针出现；1999年Pertersen开发出首台微观四点探针发展历史四探针传统应用图3.四探针技术的传统应用四探针测试原理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表面形成欧姆连接，用恒流源给两个外探针通以小电流I，精准电压表测量内侧两探针间电压V，根据相应理论公式计算出样品的薄膜电阻率1.工作原理简单2.测试精度高3.操作方便图5.四探针测试原理图四探针测试方法分类图4.四探针测试方法分类四探针测试方法最为常用的测试方法为直线（常规）四探针法和双电测四探针法。1.双电测四探针法：图6双电测四探针法探针组合形式B:Rymaszewski法A：pertoff法四探针测试方法2.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，探针间距不能过小四探针计算模型1.厚块原理（3D模型）假设被测样品为半无限大，探针与样品表面为点接触，形成以此点为球心的等位面。根据拉普拉斯方程（1）：可得到距点电流源r处的电势为：图7.点电流源的半球形等位面四探针法计算模型电阻率公式为：探针等距：C为探针系数，只要针距一定，它就是常数四探针法计算模型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：公式中为薄层电阻，也成为单位方块电阻【6】RW:薄层电阻,W:薄层厚度A:r无穷大时的电势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，包括厚度修正，边缘修正和温度修正。1.厚度修正和f0(a)和f4(a)分别是对应两种原理时的厚度修正函数，a=w/s，图8.修正f0(a)和f4(a)曲线图四探针测试的修正2.边缘修正计算比较复杂，难以在实际运用，常用镜像源法，图形变换法和有限元法四探针测试的修正3.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1.发展原因1.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3.表面科学研究的不断深入4.显微镜技术和MENS技术的发展·2.主要研究单位丹麦科技大学瑞士洛桑理工学院日本东北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韩国国立全南大学日本NTT公司丹麦CapresA/S公司zvyex公司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2.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4.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率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，原理与宏观四探针类似，图10.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意图电流渠道表面层空间电荷层（界面层）基体能适用于尺寸较小样品的测量测试精度和分辨率增加消除样品表面缺陷对测量的影响样品表面损伤减小微观四点探针测试系统1.系统的分类整体式微观四点探针系统：最小探针间距300nm微观四点STM探针系统:最小探针间距30nm2.系统的组成机械系统：底座、真空室、样品台；探针系统：探针、探针台；信号控制与传输系统：测试仪表、电路、PC机；成像系统：SEM、RHEED；辅助装置：真空泵、其他表面科学 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 工具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（AFM）的微观四点探针系统。商业化微观四点探针图11.市场化微观四点探针测试仪图12.瑞士CapresA/S制造的四点探针，最小探针间距5微米整体式微观四点探针测试系统基于AFM的整体式微观四点探针系统AFM技术四点探针技术相结合，同时具备表面形貌表征和表面电导率Mapping功能。2005年日本东北大学开发第一台AFM四点探针。图13.AFM四点探针测试系统原理图，AFM四点探针SEM图。整体式微观四点探针测试系统特点优点1.结构简单；1.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；缺点探针间距固定，灵活性较差，仅能实现直线式测量；微观十二点探针：具有探针可调功能图14.市场化的微观十二点探针，采用四点测试模式时最小探针间距1.5μm，CapresA/S制造。微观四点STM探针测试系统将STM技术与四探针原理相互结合，拥有4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，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。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STM的操纵功能：最小探针间距30nm，已经市场化应用。图15.市场化四点STM探针左：对大规模集成电路测量右：移动纳米线微观四点STM探针测试系统系统原理图16.微观四点STM探针系统原理示意图四点STM探针测试系统研究进展2001年日本东北大学研制出UHV-SEM-SERM-RHEED四点探针系统，借助SEM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600nm。图917.UHV-SEM-SERM-RHEED四点探针系统结构示意图以俯视图四点STM探针测试系统研究进展2005年美国匹兹堡大学研制出UHV-MBE-SEM-STM四点探针系统,具有多探针STM/SEM室，表面分析和准备室，分子束外延室，传输室。配备多种 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 表面科学分析工具AES、XPS、QMS、LEED等。能够实现薄膜沉积、掺杂或量子点生长，并做四点电学表征和其他表面分析。图18.UHV-MBE-SEM-STM四点探针系统结构示意图四点STM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备出超高真空分子束外延（MBE）——四探针STM（Nanoprobe）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统，图19.四探针SYM-MBE-LEED系统微观四点STM探针测试系统优点1.能获得较小探针间距；1.探针间距任意可调；3.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征：缺点结构极为复杂，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模型和三维半无限模型。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如果接触点半径相对于探针间距较小，则用下式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。1.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图21圆形和方形小样品局部灵敏度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，对系统的微型化进展起着决定性作用，1.微观四点STM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，可以采用有金属镀层碳纳米管（CNT）作为探针。图22.PtIr-CNT四点探针对CoSi2纳米线电导率测量，最小探针间距30nm（日本东北大学）微观四点探针制备技术整体式微观四点探针制备悬臂梁制备导电电极制备金属镀层图23.整体式微观四点探针的一般制备步骤基底材料：单晶硅、多晶硅、氮硅化合物（Si3N4）常用工艺：FIB光刻、电子束光刻、传统光刻、混合匹配光刻等微观四点探针制备技术图24AFM悬臂梁制备工艺KOH蚀刻V型槽(b)氧化硅生长(c)LPCVD法沉积SiN层(d)光致抗蚀掩模(e)悬臂和顶端的SiN蚀刻(f)阴阳键合法玻璃粘结(g)去Si(h)镀铜微观四点探针制备技术图25.最近亚指出的整体式四点探针微观四点探针制备技术图26.最近亚指出的整体式四点探针微观四点探针制备技术表1.一些常用方法制备出的整体式四点探针最小探针间距探针制备方法FIB光刻电子束光刻混合匹配光刻传统光刻最小探针间距300nm350nm500nm1500nm基底材料SiO2微悬臂梁弹性系数3N/m柔性SiO2微悬臂梁SiO2微悬臂梁0.5N/mSiO2微悬臂梁金属镀层Ti/PtTi/AuTiWTi/Au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与样品表面接触良好，探针高度相同可100nm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【*4】**2【*B】**1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电子电迁移热效应探针几何参数和强度2.对样品表面的损伤采用柔性探针改变测试夹角采用尖锐探针3.探针寿命探针折断：避免操作失误、提高探针控制精度、增强探针强度；探针磨损：提高力控制精度、柔性探针、改变探针形状（three-wayflexibleM4PP）、基体和导电薄膜加过度粘结薄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高精度SEM控制系统改进6.电子束对样品表面电学特性的影响SEMRHEED结论与展望综述了四探针测试原理，应用，分类。并 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 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,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。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，是一项具有挑战性的热点研究。结合我们的知识和以上综述，对未来微观四点探针测试技术给出以下建议：1.一个超高真空环境对于四点电学表征越来越重要，而且对于微观领域的测量时必不可少的。结论与展望2.整体式微观四点探针的探针间距有很大的减小空间，有望达到几十个纳米；3.整体式微观四点探针的应优先考虑FIB光刻，还可以尝试选用不同的混合工艺以获得较小探针间距，同时减小加工成本；4.选用弹性系数较大的材料作探针基体材料，能够降低样品表面损伤；5.为防止导电金属镀层脱落，增强探针抗磨损能力，金属薄膜的制备和厚度至关重要，可以采用中间粘结层的方法增强金属薄膜和基底的连接。6.由于导电薄膜容易氧化，应注意探针的氧化问题，在测试前应考虑清洗；结论与展望7.可以进行类似常规四探针的双电测四探针法、方形四探针法等不同测试方法的尝试；8.在选用配有SEM\RHEEM等电子观察设备的系统时，注意电子对样品表面电学特性的影响。Over！谢谢！