專利名稱：一種溫度可調控四探針方塊電阻及電阻率的測試方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度可調控四探針方塊電阻及電阻率的測試方法，主要用于測量薄膜的方塊電阻及電阻率，屬于測量技術領域。
背景技術：
一般的四探針測試儀是測量半導體材料電阻率以及方塊電阻(薄層電阻)的專用儀器，主要用于測量棒狀、塊狀半導體材料(包括厚片和薄片)的電阻率以及硅片上的擴散層、離子注入層、反新外延層的方塊電阻。儀器具有測量精度高、靈敏度高、穩定性好，測量范圍廣，結構緊湊的特點，并且測量結果由數字直接顯示，使用方便。但是現有的四探針測試儀都只能測試常溫下以及溫度相對穩定的方塊電阻，對于溫度連續變化或不同溫度下半導體材料的方塊電阻、電阻率不能測試，限制了其應用。

發明內容
本發明的目的是提供一種溫度可調控四探針方塊電阻及電阻率的測試方法，用于測量溫度連續變化或不同溫度下半導體材料的方塊電阻、電阻率。
為了達到上述目的，本發明的技術方案提供了一種溫度可調控四探針方塊電阻及電阻率的測試方法，所述測試方法包括以下步驟
步驟一將溫度可調控四探針方塊電阻測試系統的線路連接完畢，主機接上電源，開關放至ON檔以開啟電源，并預熱5至10分鐘；
步驟二 預估待測樣品的電阻或電阻率，根據需要在主機面板上選擇Kl至K4中合適的電流檔位，并選擇K5至“RD ”檔以測量樣品的方塊電阻或者至“P ”檔以測量樣品的電阻率；
步驟三將待測樣品放置在四探針測試平臺的基座上，將熱電偶與溫度測試儀連接好， 并使熱電偶與待測樣品表面接觸，然后壓下四探針；
步驟四啟動電爐絲加熱裝置，并根據需要調節加熱速率，使用熱電偶與溫度測試儀測量待測樣品的溫度；
步驟五查詢參數C，然后調節主機面板上的電流粗調電位器Wl及電流細調電位器W2 以輸入C的值至主機中，C的當前值將顯示在主機面板上的顯示器中；
步驟六調節完畢后，當溫度變化時，主機面板的顯示器中將顯示每一個溫度點所對應的電阻率或者方塊電阻值，繼續查看溫度測試儀，當溫度達到要求時，記錄下顯示器中的數據，即為樣品在該溫度下的電阻率或者方塊電阻。
所述的溫度可調控四探針方塊電阻測試系統，包括電壓可調電源、SDY-4四探針測試主機、萬用電表V、萬用電表I以及四探針測試平臺，萬用電表V的兩引腳分別與SDY-4四探針測試主機探頭的四探針2與四探針3連接，四探針1、四探針2、四探針3及四探針4均與四探針測試平臺連接，其特征在于，電壓可調電源的正極分別MC1403精密低壓基準電源的引腳1與0P07雙極型運算放大器的引腳7連接，MC1403精密低壓基準電源的引腳3接地，弓丨腳2通過電阻Rl與0P07雙極型運算放大器的引腳3連接，0P07雙極型運算放大器的引腳 4與電壓可調電源的負極連接，引腳6通過萬用表I與四探針4連接，引腳2與四探針1連接，同時通過電阻R2接地。
所述的四探針測試平臺包括基座及樣品，樣品設于基座上，其特征在于，基座內的上端設有電爐絲加熱裝置，樣品與基座之間設有金屬墊片，樣品上設有SDY-4四探針測試主機探頭的四探針1、四探針2、四探針3及四探針4，樣品表面上設有熱電偶，熱電偶與溫度測量儀連接。
本發明的優點在于，不僅能測出常溫下的方塊電阻，而且能快速準確的測出室溫至 120°C之間任一溫度的方塊電阻，也能快速分析一些功能材料隨溫度變化的相變性能，并且通過數字直接顯示，兼具測量精度高、靈敏度高、穩定性好、測量范圍廣、結構緊湊和使用方便的特點。


圖1為本發明涉及的一種溫度可調控四探針方塊電阻測試系統的電路示意圖2為本發明涉及的一種溫度可調控四探針方塊電阻測試系統四探針測試平臺的結構示意圖3為本發明涉及的SDY-4四探針測試主機的前面板平面示意圖； 圖4為本發明涉及的一種溫度可調控四探針方塊電阻測試系統的完整結構示意圖； 圖5為單面擴散圓形樣品的修正因子數據列表； 圖6為單面擴散矩形樣品的修正因子數據列表； 圖7為雙面擴散樣品的修正因子C數據列表。
具體實施例方式實施例1
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
本發明提供一種使用溫度可調控四探針方塊電阻測試系統測試方塊電阻及電阻率的測試方法，如圖1所示，電路主要由一個MC1403精密低壓基準電源和0P07雙極型運算放大器組成。0P07雙極型運算放大器的低噪聲、高精度特性非常適合于放大傳感器的微弱信號。 輸出電壓可調的20V外接電源的正極分別連接MC1403精密低壓基準電源的引腳1及0P07 雙極型運算放大器的引腳7，MC1403精密低壓基準電源的引腳3接地，引腳2通過250ΚΩ 的電阻Rl與R10P07雙極型運算放大器的引腳3相互連接。0P07雙極型運算放大器的引腳 6連接萬用電表I (即調至電流檔)測量電路電流，再連接SDY-4四探針測試主機探頭的四探針4，經四探針測試平臺由四探針1引出與0P07雙極型運算放大器的引腳2連接，最后通過引腳4連接到20V外接電源負極，構成一個回路。四探針1與0P07雙極型運算放大器的引腳2之間并聯250ΚΩ的電阻R2接地。SDY-4四探針測試主機探頭的四探針2和四探針 3與另一萬用電表V(即調至電壓檔)連接，從而得到樣品兩端電壓。
如圖2所示，為四探針測試平臺，在測試平臺基座中安裝有加熱裝置，可以起到改變樣品溫度的作用，樣品和基座表面用金屬墊片隔開，防止基座表面直接接觸樣品，從而造成樣品污染。通過萬用電表可以測量待測樣品兩端的電壓以及電流。如圖3所示，為SDY-4型四探針測試儀主機的面板，面板上分布有顯示器、按鈕及指示燈，以下為各標號所代表的組件功能說明 K7 電流換向按鍵
K6 測量/電流方向選擇按鍵，開機自動設置在“I”電流位 K5 =R □ / P測量選擇按鍵，開機自動設置在“R □”位置 Kl, K2，K3，K4 測量電流選擇按鍵，共四個選擇量程 Wl 電流粗調電位器；W2 電流細調電位器 L 主機數字及狀態顯示器
四探針測試方塊電阻及電阻率原理當圖2中四根金屬探針排成一直線時，并以一定壓力壓在半導體材料上，在四探針1及四探針4之間通過電流I，則四探針2及四探針3之間產生電位差V，該電流I與電位差V分別由萬用電表I及萬用電表V測得。測量材料電阻率根據公式
材料電阻率P =V/1 · C 其中C為修正因子。
修正因子C與樣品的幾何尺寸及樣品屬單面擴散還是雙面擴散條件有關，不同條件下樣品的C值見以下圖5、6、7:
例如一種Vh薄膜，是熱致相變材料，其在68°C發生金屬-半導體相變，樣品形狀為圓形，故在圖5中查詢，其幾何形狀直徑D=15mm，相鄰兩探針間距S=Imm,圓心與四探針中心間的距離H=O. 3mm，所以D/S=15、H/D 0，對照圖5中D/S=15、H/D 0，得到C=4. 3646 ；針對已加熱的樣品，分別記錄溫度測量儀的溫度以及該溫度下兩萬用電表的電流以及電壓， 根據上述公式即可得到不同溫度下W2薄膜的材料電阻率，而根據公式方塊電阻Rs=P /t (其中P為塊材的電阻率，t為塊材厚度)進一步可得VO2薄膜的方塊電阻。 測試方塊電阻的具體步驟為
步驟一將溫度可調控四探針方塊電阻測試系統的線路連接完畢，主機接上電源，并預熱6分鐘；
步驟二 預估待測樣品的方塊電阻為40萬Ω/sq左右，根據需要在主機面板上選擇 K4，并將K5調至“Rn”以測量樣品的方塊電阻；
步驟三將待測樣品放置在四探針測試平臺基座的金屬墊片上，將熱電偶與溫度測試儀連接好，并使熱電偶與待測樣品表面接觸，然后壓下四探針；
步驟四啟動電爐絲加熱裝置，調節加熱速率，使用熱電偶與溫度測試儀測量待測樣品的溫度為:T1=30°C, T2=90°C ；
步驟五根據熱致相變材料的特性，其在68°C發生金屬-半導體相變，樣品形狀為圓形，在圖5中查詢，其幾何形狀直徑D=15mm，相鄰兩探針間距S=Imm,圓心與四探針中心間的距離 H=O. 3mm，所以 D/S=15、H/D ^ 0，對照圖 5 中 D/S=15、H/D ^ 0，得到 C=4. 3646，然后調節主機面板上的電流粗調電位器Wl及電流細調電位器W2以輸入C=4. 3646的值至主機中，C的當前值將顯示在主機面板上的顯示器中以方便操作者確認；
步驟六調節完畢后，當溫度變化時，主機面板的顯示器中將顯示每一個溫度點所對應的方塊電阻值，繼續查看溫度測試儀，當溫度達到要求時，記錄下顯示器中的數據，即為樣品在第一溫度下T1=30°C的方塊電阻Rni=45萬Ω/sq，第二溫度下T2=90°C的方塊電阻
5RD2=358 Q/sq。 實施例二
測試電阻率的具體步驟為
步驟一將溫度可調控四探針方塊電阻測試系統的線路連接完畢，主機接上電源，并預熱6分鐘；
步驟二 預估待測樣品的電阻率為10萬左右，根據需要在主機面板上選擇K4，并將K5 調至“ P，，以測量樣品的電阻率；
步驟三將待測樣品放置在四探針測試平臺基座的金屬墊片上，將熱電偶與溫度測試儀連接好，并使熱電偶與待測樣品表面接觸，然后壓下四探針；
步驟四啟動電爐絲加熱裝置，調節加熱速率，使用熱電偶與溫度測試儀測量待測樣品的溫度為 T1=30°C，T2=90°C ；
步驟五根據Vh熱致相變材料的特性，其在68°C發生金屬-半導體相變，樣品形狀為圓形，在圖5中查詢，其幾何形狀直徑D=15mm，相鄰兩探針間距S=Imm,圓心與四探針中心間的距離 H=O. 3mm，所以 D/S=15、H/D ^ 0，對照圖 5 中 D/S=15、H/D ^ 0，得到 C=4. 3646，然后調節主機面板上的電流粗調電位器Wl及電流細調電位器W2以輸入C=4. 3646的值至主機中，C的當前值將顯示在主機面板上的顯示器中以方便操作者確認；
步驟六調節完畢后，當溫度變化時，主機面板的顯示器中將顯示每一個溫度點所對應的電阻率，繼續查看溫度測試儀，當溫度達到要求時，記錄下顯示器中的數據，即為樣品在第一溫度下T1=30°C的電阻率P !=9. 8萬，第二溫度下T2=90°C的電阻率P 2=6. 783。
可見，本發明通過對四探針方塊電阻測試系統的改進，可以測量不同溫度下薄膜的方塊電阻及電阻率，增加了儀器的功能，為實驗研究提供了方便。
權利要求
1.一種溫度可調控四探針方塊電阻及電阻率的測試方法，可用于測量薄膜的方塊電阻及電阻率，其特征在于，所述測試方法包括以下步驟步驟一將溫度可調控四探針方塊電阻測試系統的線路連接完畢，主機接上電源，并預熱5至10分鐘；步驟二 預估待測樣品的電阻或電阻率，根據需要在主機面板上選擇Kl至K4中合適的電流檔位，并選擇K5至“RD ”檔以測量樣品的方塊電阻或者至“P ”檔以測量樣品的電阻率；步驟三將待測樣品放置在四探針測試平臺基座的金屬墊片上，將熱電偶與溫度測試儀連接好，并使熱電偶與待測樣品表面接觸，然后壓下四探針；步驟四啟動電爐絲加熱裝置，調節加熱速率，使用熱電偶與溫度測試儀測量待測樣品的溫度；步驟五查詢參數C，然后調節主機面板上的電流粗調電位器Wl及電流細調電位器W2 以輸入C的值至主機中，C的當前值將顯示在主機面板上的顯示器中；步驟六調節完畢后，當溫度變化時，主機面板的顯示器中將顯示每一個溫度點所對應的電阻率或者方塊電阻值，繼續查看溫度測試儀，當溫度達到要求時，記錄下顯示器中的數據，即為樣品在該溫度下的電阻率或者方塊電阻。
2.根據權利要求1所述的一種溫度可調控四探針方塊電阻及電阻率的測試方法，所述的溫度可調控四探針方塊電阻測試系統，包括電壓可調電源、SDY-4四探針測試主機、萬用電表V、萬用電表I以及四探針測試平臺，萬用電表V的兩引腳分別與SDY-4四探針測試主機探頭的四探針2與四探針3連接，四探針1、四探針2、四探針3及四探針4均與四探針測試平臺連接，其特征在于，電壓可調電源的正極分別MC1403精密低壓基準電源的引腳1與 0P07雙極型運算放大器的引腳7連接，MC1403精密低壓基準電源的引腳3接地，引腳2通過電阻Ri與0p07雙極型運算放大器的引腳3連接，0P07雙極型運算放大器的引腳4與電壓可調電源的負極連接，引腳6通過萬用表I與四探針4連接，引腳2與四探針1連接，同時通過電阻R2接地。
3.根據權利要求2所述的一種溫度可調控四探針方塊電阻及電阻率的測試方法，所述的四探針測試平臺包括基座，其特征在于，基座內的上端設有電爐絲加熱裝置，基座表面設有金屬墊片，樣品上設有SDY-4四探針測試主機探頭的四探針1、四探針2、四探針3及四探針4，樣品表面上設有熱電偶，熱電偶與溫度測量儀連接。
全文摘要
本發明的技術方案提供了一種溫度可調控四探針方塊電阻及電阻率的測試方法，所述測試方法包括以下步驟將溫度可調控四探針方塊電阻測試系統的線路連接完畢，主機接上電源并預熱5至10分鐘；根據需要在主機面板上選擇合適的電流檔位，并選擇測量樣品的電阻率或者方塊電阻；將待測樣品放置在四探針測試平臺的基座上，將熱電偶與溫度測試儀連接好，并使熱電偶與待測樣品表面接觸，然后壓下四探針；啟動電爐絲加熱裝置，調節加熱速率，使用熱電偶與溫度測試儀測量樣品的溫度；查詢參數C，然后輸入C的值；調節完畢后，繼續查看溫度測試儀，當溫度達到要求時，記錄下顯示器中的數據，即為樣品在該溫度下的電阻率或者方塊電阻。
文檔編號G01N25/02GK102539927SQ20111041715
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者何興峰, 徐曉峰, 汪海旸, 黃海燕 申請人:東華大學