四点探针测试技术

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
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
1
测试理论
2
报告 内容
3
研究进展
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
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
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
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
SEM RHEED
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 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。
微观四点探针制备技术
整体式微观四点探针制备
金属镀层 悬臂梁制备 导电电极制备
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
(a)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
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
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， 表面层
电流 渠道
空间电荷层（界面层） 基体
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
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
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