四点探针测试技术
四探针测试仪的技术参数
四探针测试仪的技术参数四探针测试仪是一种用于测量材料电阻率、电导率、薄膜厚度等物理性质的仪器。
它具有高精度、高灵敏度、重复性好等特点，被广泛应用于半导体、涂层、薄膜等领域。
本文将介绍四探针测试仪的技术参数，以便用户在选择和使用时能够更好地了解该仪器的性能和优势。
1. 电极间距四探针测试仪的电极间距是指四个探针之间的距离，也称为探针间距。
不同的电极间距适用于不同的测试范围和需求。
在薄膜测量和研究中，0.1mm到10mm 的电极间距是比较常见的，而在半导体器件测试中，电极间距通常是几十微米到几毫米。
电极间距的精度越高，测试数据的精度也会更高。
2. 测试范围四探针测试仪的测试范围是指其可测量的电阻率范围或者电导率范围。
在实际应用中，测试范围应根据被测试物质的特性和需求而定。
较低的电阻率可用于半导体器件测试，而较高的电阻率通常用于涂层、薄膜等领域。
根据测试范围的不同，四探针测试仪还可测量物质的电荷密度、载流子浓度等物理量。
3. 精度四探针测试仪的精度是指测试结果的准确程度。
确保仪器精度是选择仪器时的重要因素。
仪器的精度受到多种因素的影响，包括仪器本身技术水平、电极间距、被测样品的性质和几何形状等。
一般而言，四探针测试仪的精度可达到0.01%至1%。
4. 工作频率四探针测试仪的工作频率是指测试时所使用的交流电压的频率。
在测量材料电阻率时，高频率可以减少热效应，从而减小误差。
而在测量材料的介电常数时，低频率的交流电压更有利于获得真实的测试结果。
因此，在使用四探针测试仪时，需要根据被测试材料的特性选择合适的工作频率。
5. 数据输出方式四探针测试仪的数据输出方式分为两种：数字输出和模拟输出。
数字输出通常用于自动处理测试数据和自动控制测量等应用，而模拟输出则适用于需要手动分析和处理数据的应用。
现代四探针测试仪通常都具有数字化的数据处理功能，能够自动输出测试结果，并直接传输到计算机或其他外部设备。
6. 附加功能现代四探针测试仪通常还具有一些附加功能，以提高仪器的性能和可靠性。
四探针法原理
四探针法原理四探针法是一种常用的表面形貌测量方法，它通过探针对样品表面进行扫描，利用探针与样品表面的相互作用来获取表面形貌信息。
四探针法可以用于测量金属、半导体、陶瓷等材料的表面形貌，具有高分辨率、高灵敏度的特点，因此在材料科学研究和工程应用中得到了广泛的应用。
四探针法的原理主要基于电学测量原理。
它利用四个探针分别对样品表面进行电学测量，通过测量样品表面的电阻率、电导率等电学参数来反映样品表面的形貌特征。
四探针法中的四个探针分别为工作探针和参考探针，工作探针用于施加电压或电流，参考探针用于测量样品表面的电学参数。
通过控制工作探针和参考探针之间的距离和位置，可以实现对样品表面形貌的高精度测量。
四探针法的原理还涉及到电场分布和电流分布的理论。
当工作探针施加电压或电流时，样品表面的电场分布会发生变化，而参考探针可以测量到这种变化，从而得到样品表面的形貌信息。
同时，四探针法还可以利用电流分布来获取样品表面的形貌特征，通过测量样品表面的电流分布情况，可以得到样品表面的粗糙度、凹凸特征等信息。
除了电学测量原理外，四探针法还涉及到力学测量原理。
在四探针法中，探针与样品表面的相互作用会产生力学信号，通过测量这些力学信号可以获取样品表面的形貌信息。
这种力学测量原理可以帮助我们更全面地了解样品表面的特征，包括表面的硬度、弹性模量等力学性质。
总的来说，四探针法的原理是基于电学测量和力学测量相结合的方法，通过控制探针的位置和距离，利用电场分布、电流分布和力学信号来获取样品表面的形貌信息。
这种方法具有高分辨率、高灵敏度的特点，可以用于测量各种材料的表面形貌，对材料科学研究和工程应用具有重要意义。
四探针法的原理不仅可以帮助我们了解样品表面的形貌特征，还可以为材料加工、表面处理等工艺提供重要参考依据。
因此，四探针法在材料科学领域具有广阔的应用前景。
四点探针测试技术44页
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 ， Capres A/S制造。
1 测试理论
报告 内容
2 研究进展
3 探针制备
四探针测试仪
最常见四探针测试仪为RTS和RDY系列。
测试探针 被测样品
图1.RTS-8型四探针测试仪（左）、 SDY-5型死探针测试仪（右）
四探针测试仪
图2. RTS-8型四探针电气原理图
发展历史
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； 2019年 Pertersen 开发出首台微观四点探针
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
图 5.四探针测试原理图
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
商业化微观四点探针
图12. 瑞士Capres A/S制造的四 点探针，最小探针间距5微米 图11.市场化微观四点探针测试仪
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
四探针测试标准
四探针测试标准“四探针测试标准”是指用四根相互垂直的探针对电路板上某一点进行测试，并得出相应数据的标准方法。
这一标准是电子制造工业中必不可少的一项检测方法，其准确性和可靠性越来越受到人们的重视。
下面分步骤阐述“四探针测试标准”的具体实现方法。
第一步：探针尺寸的确认四探针测试的尺寸非常重要，不同的应用场景需要不同大小的探针。
比如，在芯片测试领域，通常使用直径小于10um的探针。
而在生产线上，则需要更大一些的探针进行检测。
除此之外，探针的材质、长度等也需考虑。
第二步：探针的制作根据不同尺寸需求，制作符合标准的探针。
通常，探针尖端是用金属制成的，以便用于导电测试。
金属杆需要精确加工，确保探针的精度符合标准要求。
之后，探针还需要进行表面处理，通常是镀金或镀银。
第三步：探针的安装要保证测试的准确性，探针必须在正确的位置安装。
通常，测试就接在芯片的表面，需要四个探针沿着水平和垂直方向对芯片进行测试。
要确保四个探针之间的距离均匀，并且安装的准确度必须达到0.1 um以下。
第四步：测试仪器的选择和设置四探针测试需要使用专业设备进行，这些设备通过测量电阻、电容、电感和其它参数来检测芯片或电路板是否工作正常。
测试仪器质量的好坏，直接关系到测试结果的准确性和可靠性。
因此，需要选择高品质的设备，并进行正确的设置。
总之，“四探针测试标准”是一项十分重要的测试方法，可以保证电路板或芯片的质量和可靠性。
选好合适的探针尺寸，制作好合适的探针，正确安装，选择好测试仪器并进行正确设置，才能更好地实现四探针测试标准。
四点共线探针测试电路在高电阻率半导体测量中的应用
SMU等实现。 3.2高电阻率半导体样品SMU测量电
路 SMU是一种精确供电设备，它不仅
可以提供测量分辨率小于lmV的电压源， 还可以提供测量分辨率低于luA的电流 源。SMU还提供了远端检测功能并拥有 集成了双极型电压和吸收功率能力的四象 限输出功能。源测量单元（SMU）可以 提高生产效率，完成更全面的特性测试， 并提高测试系统整体性能。使用SMU在 四线模式下测量高电阻如图3所示。
测试架|
键盘 显示
▼
控制 芯片 —
t一放大电路H探针至被测
电源各模块
恒流源
图2四点共线探针测试电路结构图 3四点共线探针测试电路在高电阻 率半导体测量设备中的应用 3.1高电阻率半导体样品测量原理 针对半导体器件中绝缘电阻、体电阻 率、表面电阻等高阻测量，通常需用 静电计、SMU或电压源等，以实现同时 测量非常低的电流和高阻抗电压。 静电计可以用恒压或恒流的方法测量 高电阻，恒流法使用静电计电压表和电流 源。常见的高阻测量一般借助静电计、
4200-SCS型半导体表（下转11页）
科学管理 11
相差甚远。而政府采购常用的评标办法“低价中标”，往往招 到的是价格虽低质量却差的仪器设备。
2.4采购人员业务素质不够 高校是不同于一般政府部门的机构，政府采购工作除政策 性、技术性要求外，还具有与学科建设相结合、专业性非常 强、涉及范围包括法律法规的理解度、市场经济的敏感度、所 购仪器设备的熟悉度之广等特点，对采购人员的业务水平和个 人素质要求更高葺然而，目前高校采购人员存在知识结构单 一，缺乏专业知识与业务技能，采购工作能力不够强、对本职 工作主观努力的缺乏，沟通、协调、组织能力较弱等问题，这 些都不利于政府采购的效益提高和有效运作，使得高校采购工 作效率不高。 3解决高校教学科研仪器设备的政府采购问题的对策 3.1做好预算编制工作，提高采购计划性 科学的预算保证了府采购工作的有序的开展，合理细化的 计划保证了政府采购工作的质量。对此要求申报项目者加强调 研准备工作，多方询价、实地调研、提供准确的技栓数、招 标方案等。编制项目预算时除了仪器设备本身的固定成本，还 需要加上如安装、培训、维修等售后服务的可变成本，优化 “产品胡艮务”采购评价体系。 3.2合规灵活使用采购方式 依规定，集中采购目录内未达到集中采购金额起点的，采 购人可选择"其他采购方式一直接购买”组织采购，采购人应 当做好这部分采购的内部管理。达到政府采购金额起点或限额 标准，但不足公开招标数额标准的项目，可以根据项目的性质 和特点，选择采用公开招标、邀请招标、竞争性谈判、竞争性 磋商、询价、单一来源等采购方式。政府采购项目达到公开招 标数额标准的，应当采用公开招标方式实施政府采购％在实际 操作上可把握以下基本原则：凡集中采购目录项目且在限额标 准以上的通用仪器设备，原则上都采用集中公开招标方式完 成；对于供应商较少的集中采购项目，在征得政府主管部门同 意下，采用邀请招标方式或竞争性谈判方式实施采购；对少数
四点探针测试技术
图18.UHV-MBE-SEMSTM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，
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12. 瑞士Capres A/S制造的四 点探针，最小探针间距5微米 图11.市场化微观四点探针测试仪
整体式微观四点探针测试系统
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。
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；
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，
四点探针法
四探针测试方法分类
四探针测试技术方法分为直线四探针法和方形四探 针法。方形四探针法具有测量较小微区的优点，可以测 试样品的不均匀性，微区及微样品薄层电阻的测量多采 用此方法。
四探针法按发明人又分为Perloff法、Rymaszewski法、 范德堡法、改进的范德堡法等。值得提出的是每种方法 都对被测样品的厚度和大小有一定的要求，当不满足条 件时，必须考虑边缘效应和厚度效应的修正问题。
• 四探针法除了用来测量半导体材料的电阻率以外，在半 导体器件生产中广泛使用四探针法来测量扩散层薄层电 阻，以判断扩散层质量是否符合设计要求。
• 因此，薄层电阻是工艺中最常需要检测的工艺参数之一。
四点探针测试技术
1、概述
四探针法用于测量半导体材料（厚材和薄片）电阻率以 及硅片上的扩散层、离子注入层的方块电阻，也可以测量 玻璃或其他绝缘材料上所形成的导电膜方块电阻。四探针 测试技术已经成为半导体生产工艺中应用最为广泛的工艺 监控手段之一。
14
半导体材料的电阻率： 在半无穷大样品上的点电流源，若样品的电阻率ρ均匀，引 入点电流源的探针其电流强度为I，则所产生的电力线具有球 面的对称性，即等位面为一系列以点电流为中心的半球面， 如图所示。在以r为半径的半球面上，电流密度j的分布是均 匀的。
若E 为r处的电场强度，则：
E j I 2 r2
下面重点介绍直线四探针法。
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2、直线四探针法测量原理
在直线四探针技术中，四根探针通常是等距排成一条直 线，给探针施加一定压力，使之垂直地压在一块相对于探针 间距可视为半无穷大的样品上。外侧的两个探针之间施加电 流，中间的两个探针之间放置高精度电压表，就可以测出被 测样品的电阻率。测量电路如下图所示：
扩散层的方块电阻测量
四探针法测电阻率实验原理
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（光照与否），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（与①相同），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，最后根据理论公式计算出样品的电阻率［１］IV C23=ρ 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；V 23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（b ）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 r dR 22πρ=， 它们之间的电位差为 dr r IIdR dV 22πρ==。
四探针方法测电阻率(原理公式推导)课件
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10
<三> 仪器结构特征
• 数字式四探针测试仪主体部分由高灵敏度直流 数字电压表、恒流源、电源、DC-DC电源变换 器组成。为了扩大仪器功能及方便使用，还设 立了单位、小数点自动显示电路、电流调节、 自校电路和调零电路。
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• 仪器电源经过DC-DC变换器，由恒流源电路产生一 个高稳定恒定直流电流，其量程为10μA、100μA、 1mA、10mA、100mA，数值连续可调，输送到１、 ４探针上，在样品上产生一个电位差，此直流电压 信号由２、３探针输送到电气箱内。具有高灵敏度、 高输入阻抗的直流放大器中将直流信号放大（放大 量程有0.2mV、2mV、20mV 、200mV、2V），再经 过双积分A/D变换将模拟量变换为数字量，经由计数 器、单位、小数点自动转换电路显示出测量结果。
1mA
200mΩ 2Ω 20Ω 200Ω 2kΩ
100μA
2Ω 20Ω 200Ω 2kΩ 20kΩ
10μA
20Ω 200Ω 2kΩ 20kΩ 200kΩ
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6、工作状态选择开关置于“测量”，按下电流开关输 出恒定电流，即可由数字显示板和单位显示灯直接读 出测量值。再将极性开关拨至下方（负极性），按下 电流开，读出测量值，将两次测量值取平均，即为样 品在该处的电阻率值。关如果“±”极性发出闪烁信 号，则测量数值已超过此电压量程，应将电压量程开 关拨到更高档，读数后退出电流开关，数字显示恢复 到零位。每次更换电压、电流量程均要重复35步骤。
• R=p*l/s(p—电阻率查表求；l—电阻长度；s—与 电流垂直的电阻截面面
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6
（a）块状和棒状样品体电阻率测量：
四探针测试原理
四探针测试原理四探针测试（Four-point probe），也被称为四探针电阻测量法，是一种用于测量电导率和电阻的常用方法。
通过使用四个细尖探针接触材料表面，可以准确测量材料的电学性质。
本文将介绍四探针测试的原理以及其应用领域。
一、原理四探针测试的原理基于电流和电压之间的关系。
在传统的两探针测试中，只需要两个探针接触样品表面，但这种方法不能准确测量电阻，因为接触电阻会引入误差。
四探针测试则通过使用额外的两个探针来补偿接触电阻的影响，从而提高了测量的准确性。
四个探针分布在一个平面上，形成一个矩形或正方形的排列。
两个外侧的探针被称为“当前探针”，它们提供电流，并通过被测物体的表面传输电流。
两个内侧的探针被称为“电压探针”，它们用于测量在材料上形成的电压差。
在测试过程中，电流探针提供电流，通过被测材料流动，而电压探针则用于测量电压差。
根据欧姆定律，电阻可以通过测量电流和电压之间的比值来计算。
由于电流探针之间的距离相等且小于电压探针之间的距离，四探针测试可以减小接触电阻产生的误差。
因此，四探针测试可以提供更准确的电阻测量。
二、应用领域四探针测试在许多领域中都有重要的应用，特别是在材料科学和半导体领域。
以下是几个常见的应用领域：1. 材料科学：四探针测试可以用于测量材料的电阻率和导电性。
它被广泛用于研究不同材料的电学性质，以及评估材料的品质和一致性。
2. 半导体材料：四探针测试在半导体器件分析中具有重要作用。
它可以用来测量半导体材料的片内电阻和薄膜材料的电阻。
3. 导电薄膜：四探针测试可以测量导电薄膜的电阻率和薄膜的均匀性。
这对于制备导电薄膜和薄膜材料的性能优化至关重要。
4. 纳米材料：由于纳米材料的尺寸小，传统的两探针测试失效。
四探针测试可以在纳米材料的表面进行非破坏性电阻测量。
总结：四探针测试是一种准确测量电导率和电阻的方法。
通过使用四个探针接触材料表面，可以消除接触电阻造成的误差，提高测量的准确性。
四探针技术.ppt
对上图所示的情形，四根探针位于样品中央，电流从探针1流入，从探针4
流出， 则可将1和4探针认为是点电流源，由(2-6)式可知，2和3探针的电位为：
2
I 2
(1 r12
1 r24
)
Xidian University
3
I 2
(1 r13
1 r34
)
School of Microelectronics
所以 ：
因此有:
Xidian University
School of Microelectronics
实验原理
实际的扩散片尺寸一般不很大，并且实际的扩散片又有单面扩散与双面扩散之 分， 因此，需要进行修正，修正后的公式为：
Xidian University
不很大样品修正情况
School of Microelectronics
Xidian University
School of Microelectronics
实验内容
1. 对所给的各种样品分别测量其电阻率。 2. 对同一样品，测量五个不同的点， 由此求出单晶断面电阻率不钧匀度。 3. 对单面扩散和双面扩散的样品， 分别测量其薄层电阻R。 4. 参考附录一，用阳极氧化剥层法求扩散层中的杂质浓度分布(选作)。 5. 参考附录二，用冷热探针法判断半导体材料的导电类型(选作)。
Xidian University
School of Microelectronics
实验原理
样品为片状单晶，四探针针尖所连成的直线与样品一个边界平行，距离为 L， 除样品厚度及该边界外，其余周界均为无穷远，样品周围为绝缘介质包围。
另一种情况是极薄样品，极薄样品是指样品厚度d比探针间距小很多，而横 向尺寸为无穷大的样品，这时从探针1流入和从探针4流出的电流，其等位面近似 为圆柱面高为d。
四探针方法测电阻率
<三> 仪器结构特征
• 数字式四探针测试仪主体部分由高灵敏 度直流数字电压表、恒流源、电源、DCDC电源变换器组成。为了扩大仪器功能 及方便使用，还设立了单位、小数点自 动显示电路、电流调节、自校电路和调 零电路。
• 仪器电源经过DC-DC变换器，由恒流源电路 产生一个高稳定恒定直流电流，其量程为 10μA、100μA、1mA、10mA、100mA，数值 连续可调，输送到１、４探针上，在样品上 产生一个电位差，此直流电压信号由２、３ 探针输送到电气箱内。具有高灵敏度、高输 入阻抗的直流放大器中将直流信号放大（放 大量程有0.2mV、2mV、20mV 、200mV、 2V），再经过双积分A/D变换将模拟量变换 为数字量，经由计数器、单位、小数点自动 转换电路显示出测量结果。
10μA
20Ω 200Ω 2kΩ 20kΩ 200kΩ
6、工作状态选择开关置于“测量”，按下电流 开关输出恒定电流，即可由数字显示板和单 位显示灯直接读出测量值。再将极性开关拨 至下方（负极性），按下电流开，读出测量 值，将两次测量值取平均，即为样品在该处 的电阻率值。关如果“±”极性发出闪烁信号， 则测量数值已超过此电压量程，应将电压量 程开关拨到更高档，读数后退出电流开关， 数字显示恢复到零位。每次更换电压、电流 量程均要重复35步骤。
<五> 注意事项
1、电流量程开关与电压量程开关必须放在 下表所列的任一组对应的量程
电压 量程
2V 200mV 20mV 2mV 0.2mV
电流 100mA 10mA 1mA 100μA 10μA 量程
2、 电阻（V/I）测量，用四端测量夹换下回探 针测试架，按下图接好样品，选择合适的电压 电流量程，电流值调到10.00数值，读出数值为 实际测量的电阻值。
四点探针测试技术
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-way flexible M4PP）、基体和导电薄膜加过度粘 结薄
精选课件
38
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
图8.修正f0(a)和f4(a)曲线图
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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
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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.
公式中
RW
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
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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 f4 ()
f0 ( )
f0 ( )
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
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
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四探针传统应用
图3.四探针技术的传统应用
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四探针测试原理
四探针法测量面电阻
利用直流四探针法测量半导体的电阻率一,测试原理:当四根金属探针排成一条直线,并以一定压力压在半导体材料上时,在1,4两根探针间通过电流I,则2,3探针间产生电位差V(如图所示).根据公式可计算出材料的电阻率:其中,C为四探针的探针系数(cm),它的大小取决于四根探针的排列方法和针距. 二,仪器操作:(一)测试前的准备:1,将电源插头插入仪器背面的电源插座,电源开关置于断开位置;2,工作方式开关置于"短路"位置,电流开关处于弹出位置;3,将手动测试架的屏蔽线插头与电气箱的输入插座连接好;4,对测试样品进行一定的处理(如喷沙,清洁等);5,调节室内温度及湿度使之达到测试要求.(二)测试:首先将电源开关置于开启位置,测量选择开关置于"短路",出现数字显示,通电预热半小时.1,放好样品,压下探头,将测量选择开关置于"测量"位置,极性开关置于开关上方; 2,选择适当的电压量程和电流量程,数字显示基本为"0000",若末位有数字,可旋转调零调节旋钮使之显示为"0000";3,将工作方式开关置于"I调节",按下电流开关,旋动电流调节旋钮,使数字显示为"1000",该值为各电流量程的满量程值;4,再将极性开关压下,使数显也为1000±1,退出电流开关,将工作方式开关置于1或6.28处(探头间距为1.59mm时置于1位置,间距为1mm时置于6.28位置);(调节电流后,上述步骤在以后的测量中可不必重复;只要调节好后,按下电流开关,可由数显直接读出测量值.)5,若数显熄灭,仅剩"1",表示超出该量程电压值,可将电压量程开关拨到更高档;6,读数后,将极性开关拨至另一方,可读出负极性时的测量值,将两次测量值取平均数即为样品在该处的电阻率值.三,注意事项:1,压下探头时,压力要适中,以免损坏探针;2,由于样品表面电阻可能分布不均,测量时应对一个样品多测几个点,然后取平均值; 3,样品的实际电阻率还与其厚度有关,还需查附录中的厚度修正系数,进行修正.1. 在测容性负载阻值时，绝缘输出短路电流大小与测量数据有什么关系，为什么? 绝缘输出短路电流的大小可反映出该兆欧表内部输出高压源内阻的大小。
四探针技术
Xidian University
School of Microelectronics
实验原理
样品为片状单晶，四探针针尖所连成的直线与样品一个边界平行，距离为
L， 除样品厚度及该边界外，其余周界均为无穷远，样品周围为绝缘介质包围。
另一种情况是极薄样品，极薄样品是指样品厚度d比探针间距小很多，而横 向尺寸为无穷大的样品，这时从探针1流入和从探针4流出的电流，其等位面近似 为圆柱面高为d。 任一等位面的半径设为ｒ，类似于上面对半无穷大样品的推导，很容易得
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实验原理
上式就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离为ｒ的点的电位与探针流过的电
流和样品电阻率的关系式，它代表了一个点电流源对距离ｒ处的点的电势的贡献。
任意位置的四探针 对上图所示的情形，四根探针位于样品中央，电流从探针1流入，从探针4 流出， 则可将1和4探针认为是点电流源，由(2-6)式可知，2和3探针的电位为：
衡情况下进行测量并记录测量温度。 5. 由于正向探针有少子注入及探针移动的存在，所以在测量中总是进行正反 两个电流方向的测量，然后取其平均以减小误差。
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实验思考题
1．分析电阻率误差的来源，指出和 的区别及条件各是什么? 2. 为什么要用四探针进行测量， 如果只用两根探针既作电流探针又作电压探 针， 这样是否能够对样品进行较为准确的测量? 为什么?
四探针方法测电阻率
四探针方法测电阻率四探针测量方法是一种常用于测量材料电阻率的方法。
它利用四个探针分别接触材料的边缘，通过测量电流和电压之间的关系来计算电阻率。
本文将详细介绍四探针测量方法的原理、实验步骤以及相关应用。
一、原理四探针法是通过在材料上放置四个电极将电流注入材料，通过测量电压差来计算电阻率。
四个电极的排列为两对电极，分别被称为内电极和外电极。
内电极用来注入电流，外电极用来测量电压差。
电流注入内电极，流经材料，在外电极上造成一定的电压差。
通过测量电压差和流经材料的电流，可以计算出材料的电阻率。
二、实验步骤1.准备工作：准备好所需的材料和设备，包括电极、电流源、电压表、数字多用表等。
将四个电极连接到相应的设备。
2.放置电极：将两个内电极与两个外电极分别放置在材料的两侧，确保它们之间的距离相等且较小，并确保电极与材料充分接触。
3.注入电流：将电流源与两个内电极连接，设置合适的电流大小。
4.测量电压差：将电压表连接到两个外电极，并读取电压值。
5.计算电阻率：根据所测得的电压值和注入电流值，通过特定公式计算出材料的电阻率。
三、应用四探针测量方法广泛应用于电子材料、导电涂层、半导体、薄膜和纳米材料等领域，这些领域的材料往往具有很低的电阻率。
与传统的两探针测量方法相比，四探针法在处理低电阻材料时更加可靠，因为它可以减小接触电阻的影响。
四探针测量方法的优点在于：①减小了接触电阻的影响，因为外电极的电压测量不受内电极的电流注入影响；②测量精度高，可以测量低电阻材料的电阻率，并排除掉接触电阻的误差；③适用范围广，可以用于各种材料的电阻率测量。
总结：四探针测量方法通过在材料上放置四个电极，并分别注入电流和测量电压差，计算得到电阻率。
它在测量低电阻材料时具有优势，并广泛用于电子材料、导电涂层、半导体、薄膜和纳米材料等领域。
四探针测量方法的应用可以提高测量精度，并排除掉接触电阻的误差。
四探针方法测电阻率
的测量，如电导率、迁移率等，为材料科学和电子学等领域的研究提供
更多有价值的数据。
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导线
用于连接测试设备和样品，需选用低 阻抗导线。
实验环境与条件
01
02
03
实验室环境
保持实验室温度、湿度和 清洁度等环境因素稳定， 以保证测量结果的准确性。
电源条件
确保电源电压稳定，避免 电压波动对测量结果的影 响。
安全措施
实验操作过程中需注意安 全，遵守实验室安全规定， 确保实验人员和设备的安 全。
07
结论与展望
研究结论
1 2
电阻率测量精ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ高
四探针方法通过四个探针同时接触样品，能够有 效地减小接触电阻和测量误差，从而获得更高的 电阻率测量精度。
适用范围广
四探针方法适用于各种不同类型和规格的样品， 如金属、半导体、陶瓷等，具有较广的适用范围。
3
操作简便
四探针方法不需要对样品进行特殊处理或制备， 只需将探针放置在样品上即可进行测量，操作简 便易行。
随着科技的发展，四探针方法的应用领域不断拓展，不仅局限于半导体和金属材料检测。
在新能源领域，如太阳能电池和燃料电池的生产过程中，四探针方法可用于检测材料的电阻 率，提高电池性能和稳定性。
在环境监测领域，四探针方法可应用于土壤电阻率的测量，为土壤污染治理和土地资源管理 提供依据。此外，在地质勘探、生物医学和食品检测等领域，四探针方法也展现出广阔的应 用前景。
的测量。
四探针的优点与局限性
优点
四探针法具有较高的测量精度和稳定 性，适用于各种形状和尺寸的样品， 且操作简便、快速。
局限性
四探针法需要与被测材料直接接触， 可能会对材料表面造成损伤或污染； 同时对于导电性较差或不均匀的材料 ，测量结果可能存在误差。
四探针方法测电阻率
为：
的半球等位面
由此可得出样品的电阻率为：
簿片电阻率测量 簿片样品因为其厚度与探针间距比较， 不能忽略，测量时要提供样品的厚度形 状和测量位置的修正系数。
下面考虑一般情况下的修正：
当圆形硅片的厚度满足W/S＜0.5时，电阻率为：
0
W S
1 D(d ) 2 ln 2 S
这就是我们实验时用到的公式
1.显示板 2、单位显示灯 3、电流量程开关 4、工作 选择开关（短路、测量、调节、自校选择）5、电 压量程开关6、输入插座7、调零细调8、调零粗调9、 电流调节10、电源开关11、电流选择开关 12、极性 开关
6、工作状态选择开关置于“测量”，按下电流开关 输出恒定电流，即可由数字显示板和单位显示灯 直接读出测量值。再将极性开关拨至下方（负极 性），按下电流开，读出测量值，将两次测量值 取平均，即为样品在该处的电阻率值。关如果 “±”极性发出闪烁信号，则测量数值已超过此电 压量程，应将电压量程开关拨到更高档，读数后
<六>心得体会
一、通过对四探针法的研究，我们探索到了测 电阻率时需要的修正函数（厚度修正函数以及 形状和测量位置的修正函数）。 二、体会了研究性实验的探索过程，感悟了科 学研究历程的愉悦。 三、推广了四探针法的测量范围，可以对不规 则硅晶片进行测量计算。
退出电流开关，数字显示恢复到零位.
实验数据
通过修正公式修正后，得到：
与实验预期结果相吻合，因 此该验证公式较为理想。
<五> 注意事项
1、电流量程开关与电压量程开关必须放在 下表所列的任一组对应的量程
电压 2V 200m 20mV 2mV 0.2m
量程
V
V
电流 100m 10mA 1mA 100μ 10μA
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1.厚度修正
f 0 ( ) f 0 ( )
和
f 4 ( )
，
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
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
基底材料
300 nm
SiO2微悬臂梁 弹性系数3 N/m Ti /Pt 单悬臂梁 电极宽度200nm
350 nm
柔性SiO2 微悬臂梁 Ti/ Au 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 可100 nm分辨率 扫描测量表面高 度不同的样品 **2
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 ， Capres A/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，
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；
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；
(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 图24 AFM悬臂梁制备工艺
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
瑞士洛桑理工学院 日本大阪大学
日本东北大学
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Capres A/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
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。
四点探针测试技术
Four Point Probe Technology
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（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
RW
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。
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）
500 nm
SiO2微悬臂梁 0.5 N/m TiW 单悬臂梁 12点探针
1500 nm
SiO2 微悬臂梁
金属镀层 结构特征
Ti/ Au 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
碳针尖对样品表 面有自调心功能 ，且探针间距可 调 【*B】
样品损伤很小，
参考文献
【*4】
**1
微观四点探针测试技术面临的问题
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30nm
2.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、其他表面科学分析工具
整体式微观四点探针测试系统
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）：
r 时V 0及j E
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
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
图18.UHV-MBE-SEMSTM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 5.四探针测试原理图
3.操作方便
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
A：pertoff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
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-way flexible M4PP）、基体和导电薄膜加过度粘 结薄
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
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
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