数字式四位探针测试仪

一、概述[1],[2]

测量电阻最简单的方法就是二点法，即用两个电极接触在试样表面上，然后测量流过两点间的电流和在两电极见产生的电压降。但是用这种方法不能把金属电极和试样间的接触电阻与试样本身的电阻区分开来，因此其测量结果不够准确。解决这一难题的可行方法就是四位探针法。

数字式四位探针测试仪是运用四探针测试原理的多用途综合测量装置。测量系统由四个对称的，等间距的电极（一般上金属钨）构成。每个电极，另一端由弹簧支撑以减少其尖端对试样表面的损伤。当由高阻抗的电流源提供的电流流经外侧两个电极时，就可以用电势差计测量内侧两电极间的电势差。电极间距（s)一般为1mm。

它可以测量片状、块状半导体材料的径向和轴向电阻率，测量扩散层的薄层电阻（亦称方块电阻）。换上特制的四探针测试夹具，还可以对金属导体的低、中值电阻进行测量。

仪器由主机、测试探头（可选配测试台）等部分组成，测试结果由数码管直接显示。主机主要由精密恒流源，高分辨率ADC、嵌入式单片机系统组成，自动转换量程。

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图1SZT-A四位探针仪示意图

仪器具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好、智能化程度高、测量简便、结构紧凑、使用方便等特点。适用于半导体材料厂、半导体器件厂、科研单位、高等院校对半导体材料的电阻性能的测试。特别适用于要求快速测量中低电阻率的场合。

仪器的工作条件为温度23°C±2°C，相对湿度60%~70%，工作室内应无强电磁场干扰，不与高频设备共用电源。

二、工作原理

（a)块状样品体电阻率测量[2]

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图2用四位探针法测量电阻

设定电极尖端尺寸为无限小，而被测试样为半无限大。对于块体试样，其厚度远大于电极距离，即d>>s，如果假设两外电极所扩展的电流场为半球形分布，则电阻的微分可以由下式给出：

dxRA

对内侧电极的电阻进行积分，可以表达为

Rx1x2dx1x21x2x22x12s2

考虑到外侧电极之间电流的重叠效应，电阻即为RV/2I。综合上式，可以求得块状试样的电阻率为

2sVI

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（b)薄片电阻率测量

对于很薄的薄膜试样，即有d<2sdxdxslnx2ln2ss2dx2xd2d2d

Rx2x1再把RV/2I代入上式，随可得到薄膜试样的电阻率为

dVln2I

由上式可以看出，此时薄膜试样的电阻率跟测量电极的间距s无关。如果薄膜试样的电性能在膜厚方向是非均匀的，则上式表示的就是平均电阻率。进一步，上式两边分别除以d,可以得出

VRsh/dln2I

这就是薄膜表面的电阻，根据所熟知的电阻表达式

lwd

R式中，l和w分别是薄膜的长度和宽度，不难发现如果w=l(即一个方形），则有

R/dRsh

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因此，表面电阻RSh可以认为是一个方形薄膜试样的电阻，又称为方块电阻。其单位是Ω。

对于薄片厚度与探针间距相近，不符合半无穷大边界条件的薄片，测量时要附加样品的厚度、形状和测量位置的修正系数。其电阻值可由下面公式得出：

CVWdWdGD0GDISSSS

式中：C0.628±0.005。单位cm 0—为块状体电阻率测量值

WG S—为样品厚度修正函数，可通过查阅相关数据得到

W：样品厚度（µm）

S：探针间距（mm）

dD Ｓ—为样品形状与测量位置的修正函数，可通过查阅相关数据得到。

W0.5当圆形硅片的厚度满足S条件时，电阻率为：

W1dDS2ln2S

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式中Ln2为2的自然对数。

当忽略探针几何修正系数时，即认为C2S时

VWddD4.53DILn2ISIS

VW(C)扩散层的方块电阻测量[3]

当半导体薄层尺寸满足于半无穷大平面条件时：

RV4.53ln2II

V从上面的推导过程中可以看出，四位探针法测量电阻的特点是，测量结果与试样及探针的几何形状有关。实际上，试样并不是像假设的那样具有无限大的尺寸，因此测量会有误差，试样的面积越大，测量的精确度就越高。一般情形下，当正方形试样的边长大于探针间距（s)100倍时，测量误差可以忽略不计；而当其是s的40倍时，误差小于1%；10倍时，则误差高于10%。一般采用四位探针实际测量中，被测试样的电阻或电阻率直接由仪器显示屏读出，方便直观。

三、电气原理[4]

数字型四位探针测试仪电气部分原理方框如图3所示

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图3电气部分

原理方框

四、结构特征与功能介绍

仪器根据测试需要，可安放在一般工作台上或者手持。探头经过精密加工，探针为耐磨材料碳化钨所制成，配用宝石导套，使测量误差大为减少，且可以提高寿命。探头内有弹簧压力装置，测试架内还有高度粗调、细调及压力自锁装置。

主机为仪器主要电气部分所在，在其面板结构如图4所示。

图4 四探针测试仪前面板

五、使用方法[5]

数字型四位探针测试仪能够测量普通电阻器的电阻（修正系数1.000）、体电阻率、薄

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片电阻率、扩散层的方块电阻，（后三项需调整不同的修正系数）。

5.1操作概述

测试准备：将电源插头插入电源插座，电源开关置于断开位置。将测试探头的插头与主机的输入插座连接起来，测试样品应进行喷砂和清洁处理，（选配测试台的将样品架上），调节室内温度使之达到要求的测试条件。将电源开关置于开启位置，数字显示亮。

测量：将探针与样品良好接触，注意压力要适中。选择显示电流，置于样品测量所适合的电流量程范围，电流调节电位器到适合的电流值。

选择显示电阻率或方块电阻，即可由数字显示窗直接读出测量值，如果显示“F”。表示超出量程范围，应降低电流量程。

按下电流极性按键，从数字显示窗和单位显示灯可以读出负极性的测量值；将两次测量获得的电阻率值取平均，即为样品在该处的电阻率或方块电阻值。

测试系统：

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图探针软件测试系统

四探针软件测试系统是一个运行在计算机上拥有友好测试界面的用户程序，通过此测试

程序辅助使用户简便地进行各项测试及获得测试数据并对测试数据进行统计分析。

测试程序控制四探针测试仪进行测量并采集测试数据，把采集到的数据在计算机中加以分析，然后把测试数据以表格，图形直观地记录、显示出来。用户可对采集到的数据在电脑中保存或者打印以备日后参考和查看，还可以把采集到的数据输出到Excel 中，让用户对数据进行各种数据分析。

参考文献

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[1] 吴德馨，钱鹤，叶甜春，等. 现代微电子技术[M].北京：化学工业出版社.2002,193-201.

[2] RYMASZEUSKI R. Empirical method of calibrating a 4-point micro-array for measuring thin-film-sheet resistance[J].Electronics Letters,1962,3(2):57-58.

[3] PERLOFF D S, et al. [J]. J Electrochem Soc,1977,124 (4):582-590.

[4] VAN DER P.A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape[R].Philips Research Reports,1958,13 (1):1-9.

[5] SUN Y C,SHI J S,MENG Q H. Measurement of sheet resistance of cross microareas using a modified Van der Pauw method[J]. Semiconductor Sci&Tech,1996,11:805-811.

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