四点探针测试技术

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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
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2.主要研究单位
· 丹麦科技大学
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。
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
B: Rymaszewski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
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
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
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
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。
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
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。
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;
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
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,
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
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
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。
(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
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,
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;
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
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
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。
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
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
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)
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.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
1.厚度修正
f 0 ( ) f 0 ( )

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
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