真空變溫薄膜電阻測試儀的製作方法

2023-06-03 00:55:56 1

專利名稱：真空變溫薄膜電阻測試儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及大學物理實驗教學儀器領域，尤其涉及在粗真空中、室溫到300°C 條件下，採用四探針方法測試薄膜電阻。
背景技術：
隨著現代高新技術的發展，超大規模的集成電路(Integrated Circuit)已經達到 納米量級的尺寸，如，Intel的300mm尺寸矽晶圓廠可以做到0. 065 ym(65納米)的蝕刻尺 寸。如此小的尺寸離不開薄膜材料的製備及特性研究，薄膜的電阻是薄膜材料的一個重要 參數。薄膜電阻的阻值影響電子器件的性質，例如，在發光二極體的製造中，二極體PN結上 作為電極的金屬阻值影響發光二極體的發光效率。因此，薄膜電阻的測量在薄膜物理和半 導體工業中有重要的應用，常用的薄膜電阻測試方法是四探針法。現有的四探針薄膜測試 教學儀器只能在室溫及1個大氣壓環境下進行測試。
發明內容本實用新型的目的在於克服上述缺點，將真空系統和加熱、溫控系統與四探針薄 膜測試相結合，從而在室溫到300°C溫度範圍內測試金屬、半導體薄膜的電阻溫度特性。真空變溫薄膜電阻測試儀包括真空系統和加熱、溫控系統。所述真空系統包含底 座、玻璃罩、空氣閥、氣壓表和機械泵，所述底座邊緣突出，呈圓形，其凹陷部分的直徑比玻 璃罩的外直徑略大，設有安全閥；所述機械泵、氣壓表經由底座孔隙與玻璃罩內部環境相 通；所述加熱、溫控系統包含載物臺、熱偶、加熱棒和溫度控制儀，所述載物臺上各有 一個加熱棒放置孔和熱偶放置孔；溫度控制儀經由導線通過固定在底座上的密封插頭分別 與熱偶和加熱棒相連。在所述的四探針中，中間的兩個探針經由導線通過固定在底座上的密封插頭與電 壓表相連；另外兩個探針經由導線通過固定在底座上的密封插頭與恆流源相連。測試時，四 探針與薄膜樣品良好接觸，在最外端兩個探針上通以恆定電流的情況下，通過測試中間兩 個探針上的電壓可計算得到其電阻值。所述探針固定於探針託上。所述四探針組件分別與垂直方向微調旋鈕或水平方向微調旋鈕連接，所述組件水 平及垂直位置可調。待測樣品置於載物臺上的凹槽內，載物臺上各有一個加熱棒放置孔和熱偶放置 孔。載物臺的溫度由測試的具體要求確定，因此，進行新測試時可能需要使用備用載物臺， 即所述測試儀配備的載物臺的數量多於一個。載物臺放置於支架上，其在支架上的位置可調，支架位於底座中部。所述底座呈圓 形，邊緣突出，其凹陷部分的直徑比玻璃罩的外直徑略大，用於固定並良好接觸玻璃罩以產 生粗真空。所述底座設有安全閥。[0011]溫度控制儀經由導線通過固定在底座上的密封插頭分別與熱偶和加熱棒相連。機械泵、氣壓表經由底座孔隙與玻璃罩內部環境相通。本實用新型將四探針薄膜測試方法、加熱、溫度測控和粗真空的獲得相結合，在粗 真空的條件下，變溫測試薄膜電阻，計算電阻率和溫度特性。突出的優點是粗真空環境下， 溫度測控不受外界環境影響，升溫速度快；在一臺儀器上學生可以學習到四探針薄膜測試， 溫度測控和真空等多方面的知識。

圖1為本實用新型儀器的示意圖；圖2為探針組件的詳細示意圖；圖3a為載物臺俯視圖；圖3b為載物臺A-A，剖面圖；圖4為鋁膜電阻溫度電阻率特性；圖5為ZnO膜電阻溫度電阻率特性。附圖標記1-電壓表；2-恆流源；3-溫度控制儀；4-空氣閥；5-機械泵；6-氣壓表；7-支架；8-熱偶；9-加熱棒；10-探針；11-垂直方向微調旋鈕；12-水平方向微調旋鈕；13-待測樣品；14-載物臺；15-玻璃罩；16-彈簧；17-加熱棒放置孔；18-熱偶放置孔；19-探針託；20-底座。
具體實施方式
在測試儀器提供的粗真空條件下，改變溫度，採用四探針方法測試薄膜電阻包括 以下步驟步驟一，按圖1布置好儀器，將待測樣品13 (預先製備好的金屬或半導體薄膜)放 到載物臺14上，接通恆流源2，測得電壓，估算室溫下Iatm樣品的電阻值；為了保證探針10和待測樣品13良好接觸，可分別使用垂直方向微調旋鈕11和水 平方向微調旋鈕12調整探針的位置，探針組件結構如圖2所示，其中，探針託19採用聚四 氟乙烯材料製作，所述垂直方向微調旋鈕11和水平方向微調旋鈕12採用不鏽鋼製作，與垂 直方向微調旋鈕11相連的支撐杆中內置彈簧16。待測樣品13置於載物臺14的凹槽內，載物臺14在支架7上的位置可調，便於調 整探針10與待測樣品13的相對位置。載物臺的結構如圖3所示。將加熱棒9和熱偶8分別放置於載物臺14上的加熱 棒放置孔17和熱偶放置孔18中。步驟二，檢查空氣閥4是否關閉，套上玻璃罩15，打開機械泵5，抽真空到0. Iatm ；步驟三，打開溫度控制儀3的電源，設定溫度(30 280°C，均勻取點)，記錄電流 與電壓值。將電流換向，測量反向電壓。取正反向電壓的平均值，計算薄膜樣品的電阻值， 繪出金屬溫度_電阻特性曲線；根據給定的薄膜厚度，計算電阻率，繪出金屬溫度-電阻率 特性曲線；[0033]步驟四，關閉溫度控制儀3的開關和機械泵5，打開空氣閥4，拿掉玻璃罩15，更換 載物臺14和待測樣品13;步驟五，重複步驟三至四測試新的待測樣品13的溫度電阻(率)特性。實施例一鋁膜電阻-溫度電阻特性，測試結果如圖4所示。實施例二ZnO膜電阻-溫度電阻特性，測試結果如圖5所示。
權利要求一種真空變溫薄膜電阻測試儀，使用四探針測試金屬或半導體薄膜電阻，其特徵在於，包括真空系統和加熱、溫控系統；所述真空系統包含底座(20)、玻璃罩(15)、空氣閥(4)、氣壓表(6)和機械泵(5)，所述底座(20)邊緣突出，呈圓形，其凹陷部分的直徑比玻璃罩(15)的外直徑略大，設有安全閥；所述機械泵(5)、氣壓表(6)經由底座(20)孔隙與玻璃罩(15)內部環境相通；所述加熱、溫控系統包含載物臺(14)、熱偶(8)、加熱棒(9)和溫度控制儀(3)，所述載物臺(14)上各有一個加熱棒放置孔(17)和熱偶放置孔(18)；溫度控制儀(3)經由導線通過固定在底座上(20)的密封插頭分別與熱偶(8)和加熱棒(9)相連。
2.如權利要求1所述的測試儀，其特徵在於，所述四探針組件分別與垂直方向微調旋 鈕(11)或水平方向微調旋鈕(12)連接。
3.如權利要求1所述的測試儀，其特徵在於，所述載物臺(14)上有凹槽。
4.如權利要求1或3所述的測試儀，其特徵在於，所述載物臺(14)的數量多於一個。
5.如權利要求1所述的測試儀，其特徵在於，所述底座(20)中部安放支架(7)。
6.如權利要求1或3所述的測試儀，其特徵在於，所述載物臺(14)在支架(7)上的位 置可調。
7.如權利要求1所述的測試儀，其特徵在於，所述探針(10)固定於探針託(19)上。
8.如權利要求7所述的測試儀，其特徵在於，所述探針託(19)採用聚四氟乙烯材料製作。
專利摘要本實用新型涉及大學物理實驗教學儀器領域，特別是涉及在粗真空中，室溫到300℃條件下，採用四探針方法測試薄膜電阻的真空變溫薄膜電阻測試儀。克服了現有四探針薄膜測試教學儀器只能在室溫及1個大氣壓環境下測試的缺點，將真空系統和加熱、溫控測試裝置與四探針薄膜測試相結合，可在室溫到300℃溫度範圍內測試金屬或半導體薄膜的電阻溫度特性。突出的優點是在粗真空環境下，溫度測控不受外界環境影響，升溫速度快；在一臺儀器上學生可以學習到四探針薄膜測試、溫度測控和真空等多方面的知識。
文檔編號G01R27/08GK201716370SQ20102012737
公開日2011年1月19日 申請日期2010年3月9日 優先權日2010年3月9日
發明者劉依真, 朱亞彬, 王保軍, 陳志傑, 魏敏建 申請人:北京交通大學