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微观多点探针技术的研究进展 由于原理简单、精度高、操作简单，这四种检测方法是测试半材料的阻力或电导率的首选方法之一。薄膜技术和材料表面研究的深入以及纳米器件和新型生物材料的出现,对四探针测试技术提出了新的挑战。为了与这些新技术及新材料研究相适应,须将探针间距减小到微观领域以获得较高的空间分辨率和表面灵敏度。目前,借助于超高真空技术,MEMS技术和各种显微技术的发展,多种微观四探针测试系统已经被开发出[1~17],主要包括整体式微观四点探针系统和独立四点扫描隧道显微镜(STM)探针系统。前者的最小间距可以达到300 nm,后者则可以达到30 nm。两种仪器类型都实现了商业化生产,Capres A/S公司的间距为5μm四点探针和1.5μm的十二点探针是目前市场上探针间距最小的整体式微观四点探针。 微观四点探针技术是在传统四探针测试基础上发展来的。1861年汤姆森首次提出四探针测试原理,1999年Petersen等人最初开发出微观四点探针,现在微观四点探针技术已日趋成熟,因具有较高的空间分辨率和测试精度,被广泛用于半导体工业和材料科学领域。研究表明微观四点探针甚至可用于霍尔效应测量以表征硅或锗的超浅半导体结的载流子迁移率、薄膜载流子密度及薄膜电阻等,其测试结果具有较高的灵敏度。此外,新型材料如导电有机薄膜和新型生物材料在表面科学与生物领域也许具有一些独特而未知物理特性,通过研究他们的表面和界面电学特性我们也许可以预测其未来在实际产品中的应用。 近年来,研究人员对于微观四点探针测试技术进行了大量的研究,并取得了很多成果。本文主要讲述目前最为先进的微观四点探针技术,包括器件结构,测试理论、探针制备技术、以及微观四点探针技术所面临的挑战。 1 探针间距的测量 四探针技术的主要测试模式包括范德堡法、直线四探针法、双电测四探针法、方形四探针法和其它改进方法。在微观四点探针测试中,直线式四探针法最常用,而双电测法和方形法也有应用。 如图1所示,直线式四探针法将四根探针排成一行,同时以适当的压力让探针与被测样品表面形成欧姆接触,将其中两个外侧探针接恒流源,用高输入阻抗的精密电压表测量内侧两探针间压差,再根据无限薄层或厚块理论模型公式即可计算出样品的电阻率。当然,在实际测量时一般要引入样品几何修正参数和测试环境参数。相对于两点探针,四点探针测量能够消除探针与样品的接触电阻所带来的影响;而如果探针间距足够小的话,使用四探针法时则无需对样品形状和尺寸做修正。 研究发现当用四探针测量半导体薄膜或涂层样品的表面电导率时,基底对测试结果有很大的影响。如图1所示所测电流源自三个途径,即表面层、界面层(空间电荷层)和基体三部分,因此测得的电位差是上述三个通道电位差的贡献结果,无法准确判断单个通道的电位差值,以致不能精确计算出薄膜的电阻率。当探针距小于等于界面层厚度时,表面层是主要的电流通道,因此在测量表面电阻时,要将探针间距减至微观尺度。而且,研究发现减小探针间距可以有效提高表面测量的灵敏度,减小泄漏电流和表面缺陷的影响。 同宏观四探针法测试原理一样,微观四点探针电阻测量的计算公式可以通过无限薄层和厚块理论原理推出,即无限二维模型和半无限三维模型。对于均匀的样品,直线等距排列的微观四点探针的二维和三维电阻计算公式分别为(1)和(2) 式中s——探针间距 r——探针接触点半径 如果接触点半径r相对于探针间距s较小,则r可以忽略不计,则计算公式可简化为 公式(1)~(4)仅适用于等距直线式四点探针测试,而对于其它如不等距直线式和范德堡模式的四点测量模式,也具有类似的推导公式。尤其是范德堡模式,其计算公式和(3)、(4)的区别仅仅是常数的不同。 微观四点探针的测试精度明显高于宏观四点探针,因为宏观测量较大的探针间距可导致节点泄漏。Kjaer等人对微观和宏观四点探针的精度进行了对比实验研究,测试样品为一系列经快速退火处理的n型和p型200 nm厚的掺杂硅晶片。实验结果显示,宏观四点探针所测电阻比微观四点探针低6%。另一方面,由于没有硅超浅结(Ultra Shallow Junction——USJ)标准的存在,微观四点探针在测试USJ时的绝对精度则很难得到验证。采用双电测四探针法,微观四点探针可以用于对称小样品的精确电阻测量而不需引进修正系数。 由于均匀样品在实际中很难得到,Wang等人对小样品微观四点探针电阻测量和霍尔效应测量的灵敏度进行了研究。当改变样品的一个局部参数Δt(t为薄膜电阻RL、载流子迁移率μL或载流子密度NL),测量值就对应有一个变化量ΔT(T为薄膜电阻RS、载流子迁移率Μs或载流子密度NS)。由此定义灵敏度为: 式中p———探针间距 根据范德堡原理推导出探针间距相等时直线式和双电测四点测试模式的灵敏度计算公式分别为 式中ρ为探针间距,i为A、B、C,