四针探测和万用表探测电阻有什么不同?四针探     DATE: 2019-05-13 00:00

针检测和万用表检测电阻有什么区别?

在通常的工作中,工程师经常使用万用表测量电阻或进行电流和电压测试。同时,还有另一种使用它的方法,即四探针电阻法。那么,万用表的电阻和四探头电阻有什么区别?他们的测量原理是什么?在今天的文章中,小编将给你一个简短的总结和分析。

首先,我们来看一下四探头测量电阻的工作模式和测量原理。该电阻测量技术的实际操作如下图所示。

四针探测和万用表探测电阻有什么不同?四针探测的工作原理是什么?

四探针电阻测量操作示意图

从图1中可以看出,这种测量电阻的方法与通过万用表测量电阻的方法完全不同。当图中的1,2,3和4的四个金属探针以直线排列时,它们将以一定压力压在半导体材料上,并且电流I在探针之间以1,4传递。在两个探针之间产生电位差V.此时,被测材料的电阻率为:

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在该公式中,参数C是探针系数,其特定值由探针几何形状确定。当样品电阻率分布均匀且样品尺寸满足半无限条件时,公式将转化为:

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该公式是四探头测量电阻和万用表测量电阻之间的本质区别。从上述变形计算公式可以看出,参数S1,S2,S3分别代表探针1和2,2和3,3和4之间的间距。这里存在一个问题,我们需要注意,即探头系数由制造商确定以确定探头间距并提供给用户。每个探针都有自己的系数,参数C的值可以近似等于6。28± 0。05,以cm计算。当S1=S2=S3=1mm时,C=2π。如果电流为I=C,则可以通过数字电压表直接读取ρ=V。

在了解了四探头测量电阻的工作原理后,让我们看一下测量万用表电阻的原理。无论何种类型的数字万用表,当用于测量电阻时,它主要使用运算放大器。反转输入公式,可写为:

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可以看出,在该运算放大器反向输入操作公式中,参数Rf与Uo成比例,并且当RX被视为Rf时,输出U0与RX成比例。这就是万用表的电阻工作方式。

在了解了这两种电阻测量方法的工作原理后,我们可以清楚地看到万用表的电阻需要一定的电流来维持。在电阻较低的情况下,过低的电流强度可能根本无法承受测量的电阻,这不包括设计的最大电流和电池输出能力。因此,如果要检测的电阻值太低,则与万用表无法区分。这种情况几乎是短路的。这要求我们使用四探针电阻测试来完成电阻测试。 。

四针检测的工作原理是什么? 1简介

许多设备的重要参数与薄层电阻有关。在当今半导体技术的快速发展中,微区的薄层电阻均匀性和电特性受到广泛关注。随着集成电路研究的快速发展,新品种不断发展,对开发周期,产品性能(包括IC规模,速度,功能复杂性,引脚数等)的要求也在不断提高。因此,不仅需要完美的设计仿真工具和稳定的工艺准备能力,而且可靠的测试方法和准确,准确的器件性能判断在开发的初始阶段尤为重要。四探针方法已广泛应用于半导体测量技术。特别是近年来,随着微电子技术的加速发展,四探针测试技术已成为半导体制造工艺中应用最广泛的工艺监测方法之一。在分析四探针技术的几种典型测试原理的基础上,重点介绍了改进的Rymaszewski方法的应用,开发了一种新型的测试仪器,并对实际样品进行了测试。

2四探针测试技术概述

四探针测试技术分为线性四探针法和方形四探针法。方形四探针法进一步分为垂直四探针法和斜四探针法。方形四探针法具有测量较小微区域的优点,可以测试样品的不均匀性,并且主要使用微区域和微片薄层电阻的测量。根据发明人将四探针方法进一步分为Perloff方法,Rymaszewski方法,范德比尔特方法,改进的范德比尔特方法等。值得一提的是,每种方法对待测样品的厚度和尺寸都有一定的要求。如果不满足条件,则必须考虑边缘效应和厚度效应校正。

双电测量方法利用电流通过不同的探头对,测量另外两个针之间的电压,将它们组合,并根据相关公式得到电阻值;该方法设置在四个探针排列成直线的条件下。测量结果与探头间距无关。双电测量方法与传统线性四探针方法的主要区别在于后者是单次测量,而前者在同一待测物体上使用两次测量,每种组合模式测量电流通过探头和测量电压。探针是不同的。双电测量方法主要包括Perloff方法(图1)和Rymaszewski方法(图2)。 Rymaszewski方法适用于无限薄层样本,不受探测距离和迁移的影响。测得的薄层电阻

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广西11选5走势图 我是测试电流的地方; V1,V2是两个测量的电压值; low(f2/V1)是范told比特函数。

需要指出的是,只要样品厚度小于3 mm,无论其他几何尺寸如何,无论样品在何处测量,都使用相同的公式计算测量结果。除了厚度修正系数外,没有其他修正系数问题,并且不受探头机械性能的影响,因此测量结果的精度高于传统的测量方法,尤其是边缘位置的测量,双电测量方法。优势更加突出。然而,文献[10]使用有限元方法证明当样本或测试区域是有限大小的矩形时,只有当四个探针位于中心区域时,Rymaszewski方法需要进行边缘效应校正。样本宽度和矩形的长度可以容纳接下来的四个探针不需要边缘效应校正。

广西11选5走势图 改进的Rymaszewski线性四探针方法,方形Rymaszewski四探针方法,来自矩形四探针测量方法。这是薄层电阻测量的另一种方法,也是本文所述新型测试仪开发的重要依据。

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改进的范德比尔特方法利用四个倾斜刚性探针,其不需要等距,共线,并且仅依靠显微镜观察以确保尖端在样品的方角的边界附近的一定限度内。通过四次电压和电流旋转测量的Deborah公式可用于确定微层薄层电阻。无需测量针尖与样品之间的相对距离,无需校正边缘效应,并且无需在重复测量期间确保探针位置的一致性。探针的迁移不会影响测量结果,并且没有必要准备从微区域延伸的测试。臂和金属化电极简单,快速,可行。该方法可以确定探针放置在微区薄层电阻测试图案上的合理测试位置。有限元方法证明,探头在阴影区域的迁移不会影响测量结果。

3测试薄层电阻的原理分析

广西11选5走势图 3。1常规线性四探针法

3.1.1常规线性四探针法的基本原理

将四个探针放在扁平样品的同一条线上(相对于四个探针,其尺寸被认为是无限的)并将直流电I施加到两个外部探针上,然后在中间施加高压数字电压表用于测量两个探头上的电压V2,3,并且检测到的位置的电阻率&&&midga; cm)是:

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其中C是四个探针的探针系数(cm),其大小取决于四个探针的排列和针脚长度。

由于半导体材料的电阻率具有显着的温度系数CT,因此在测量电阻率时必须知道样品的温度。如果考虑电阻加热效应,则可以在观察到施加的电流之后判断电阻率是否随时间变化。通常,四探针电阻率测量的参考温度为23℃。 0。5°C。如果检测时的室温与参考温度不同,可以通过以下公式进行校正

ρ 23=& rho; T-CT(T-23)(4)

其中ρ T是在温度T下检测到的电阻率值。

3。1。2测量电流的选择

少数注入的影响取决于测量电流I,探针间距和少数载流子寿命。电流大,针脚长度小,寿命长,影响大。当电流通过样品时,为了避免焦耳热和少数注入的影响,应适当降低测量电流。可以通过参考[14]选择电流测量值。

3.1.3常规线性四探针法的边缘和厚度校正

通常,当膜的直径为约40S(通常为40mm,S为探针间距)时,不需要校正边缘效应的校正因子(F1=1);类似地,当样品的厚度超过探针间距的5倍时,不需要校正膜厚度的校正因子(F2=1)。

3.1.4常规线性四探针法的测量区域

四个探针可以测量大于探针间距三倍的区域的不均匀性。这是用于检测微结构域的异质性的常规线性四探针方法的大小限制。因此,待测量的微区的大小也限于毫米。大小。

3.2改进范德比尔特方法

3.2.1改进Vanderbilt方法的基本原理

改进的范德比尔特方法可成功应用于微区薄层电阻测量。这种方法的主要观点是,在显微镜的帮助下,只要将四个探针尖端放置在方形微样品表面上的内切圆的四个角区域中,就可以正确使用视觉方法(如图所示)在图3)中。测量探针的方形电阻,并且不需要确定探针的几何位置。

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对于第一次测量,A和B探头用作载流探头,电流为I,D和C探头用作电压探头,电压为V1;第二次测量用B和C探针进行。通过电流探头,电流仍为I,A,D探头作为电压探头,它们之间的电压为V2;然后C,D和D,A作为电流的探针,相应的探针B A,C和D之间的电压分别是V3和V4。从四次测量获得的样品的方块电阻是

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该方法的特点是:(1)四个探针分别从四个方向突出到样品中,探针杆足够刚性。探头间距取决于探头尖端的半径,并且不受探头杆直径的限制。 (2)测量精度与探头的偏移无关,测量重复性好。在重复测量期间无需确保探头位置的一致性。

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广西11选5走势图 3.2.2改进范德比尔特试验条件分析

对于半导体样品,少数注入和焦耳热会影响测量结果。当微区域的尺寸达到牵引半径的三倍时,可以认为少数受到电场牵引力的影响较小。当Beuhler使用微型Vanderberg电阻测量薄层电阻时,观察到焦耳热的影响,并且归因于过窄的测试臂导致过大的电流密度和加热,因为该测试方法不需要从中提取测试臂。例子。因此,焦耳加热效果不明显。

3.2.3改进Vanderbilt方法的边缘校正

广西11选5走势图 对于改进的Vanderbilt方法,用有限元方法解决边缘校正问题非常简单。在[5]中,该方法用于研究在测量十字形微区时放置探针的区域。文献[13]研究了模板和风车的微区结构。图4中的阴影区域是使用改进的范德华方法放置探针的区域。根据有限元方法,阴影区域探头的测量结果不受边缘效应的影响。

3.3斜方形Rymaszewski四探针方法

使用倾斜方形探针测量单晶截面的电阻率分布,可以将针脚长度控制在0.5mm以内,与传统的线性四探针方法相比,分辨率大大提高。得到的映射图可以更准确地指示胶片的微观。区域特征。

传统的线性四探头测量要求探头间距严格相等,并且不应有线性和横向偏移。 Rymaszewski提出的测试方法可以解决纵向偏移和探测不等距离的影响,但需要进一步讨论横向偏移对测量精度的影响。 Rymaszewski [2]提出了以下无限样本的线性四探针测量公式:

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其中V1和V2分别是两次测量中2,3和3,4探针之间的电压; f(V1/V2)是Van der Pauw函数。从定性分析来看,当探头纵向移动时,V1和V2偏离该值而没有迁移,但是Van der Pauw函数的校正使RS值保持不变。

4倾斜Rymaszewski方形四探针测试仪及其应用

使用Rymaszewski square四探针测试原理开发了用于检测硅芯片的薄层电阻的方形四探针测试仪。仪器使用斜探头通过计算机监视器通过摄像头观察探头测试位置,并用伺服电机控制样品平台和探头的运动,自动调节和测试硅片电阻率的均匀性。

新型测试仪不仅具有最小化测量系统本身测试误差的结构保证,而且可以通过图像识别和伺服电机控制每个探头的调整(在调整时,必须使用伺服电机)控制垂直运动的方法)首先,抬起探头,然后调整探头,然后通过软着陆降低探头,以确保探头测试位置的准确性。此外,通过控制垂直和水平伺服电机实现平台的垂直和水平移动,晶圆位置调整自动化,严格控制台阶距离的能力可以实现0。25&mu的最小步长; m,这使得检测大样本变得容易,达到高精度测试微区的目的,并可以大大提高测试速度。

通过应用测量仪器测量国内公司的产品,发现用普通四探针(在5点测量)测量的100mm n型(区域熔化)硅晶片非常均匀,之后实际多点(测量1049点)。图形测试,测试区域(探头间距)为300μM; m&TImes; 300亩m,测试间距1。2毫米。有许多不同的测试结果不是很均匀,如图5所示(单位:W· cm)。因此,可以通过分析测试结果改进该过程,以改善整个铸锭的质量,并最终实现提高装置性能的目标。 。

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5结论

对常规线性四探针测试技术,改进的Vanderbilt方法和斜方形Rymaszewski四探针方法的分析表明,前者不适合测量微层薄层电阻,后两种方法可以使用用于微量测量。区域表电阻测量。然而,这两种方法也不同,即改进的Vanderbilt方法需要通过放大镜观察样品的测试位置,并且需要准备测试图案;使用Rymaszewski方法的方形四探针测试仪无法准备测试图案,并且摄像机可用于将信号传输到计算机监视器进行观察,这使得测量更容易。