四点探针测试技术

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1、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。报告内容测试理论研究进展探针制备123四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

2、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优点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

3、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

4、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

5、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Capr

6、esA/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优点微观四点探针测试系统1.系统的分类整

7、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

8、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