薄膜電阻率自動測量儀的製作方法

2023-05-15 05:47:31

專利名稱：薄膜電阻率自動測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子材料電阻率的測量技術，特別是涉及薄膜材料電阻率 背景技術在電子材料研究中，電阻率是評估材料性能的重要參數。例如在納米 吸波材料的研究中，其材料設計的目的在於拓寬吸收頻帶，吸波性能的好 壞與材料電場能量存儲與損耗大小密切相關，而材料基本參數中的復介電 常數正是用於反映該材料電場能量存儲與損耗大小，可以看出電阻率的準 確測量是吸波材料設計中的重要步驟。對於材料電阻測量一般應用四探針法完成。該方法要求測量的樣片平 坦且近似無窮大，將直流電流通過四探針中的兩根探針通入試樣，測量另 外兩根探針間感應的電勢差，根據電流值，電勢差值以及材料的幾何參數 計算出電阻率值。 一般的四探針電阻率測試設備是為固體半導體材料測量 設計，並不完全適合薄膜材料電阻率的測量。薄膜材料相對於固體半導體 材料有其獨特性，體現在(1)薄膜一般採用濺射鍍膜等工藝製作，其自身 形狀受到限制，而四探針法要求樣片平坦且近似無窮大，因此應用傳統的 四探針測量法測量薄膜材料電阻率需要引入大量的修正，完善的修正體系十分複雜，普通的測量系統不可能完成；(2)薄膜的電阻率一般很小，需 要更高的電壓測量精度和電流控制精度；(3)薄膜的厚度很薄，在用手動 測量系統時樣品十分容易被探針尖劃傷。針對薄膜樣品的特徵，改變理論模型，在傳統四探針法的基礎上設計 了雙電測組合法。雙電測組合法根據薄膜材料的特點對四探針基本理論模 型進行修正；在該方法下需要切換電流、電壓探針，不同的電流電壓探針選擇對應三種不同的電路連接方式，三種連接方式兩兩組合構成三種組合模式；通過數學變換，在每種模式下可以根據兩種連接方式得到的測量結 果導出電阻率。理論證明這樣的電阻率值是不受尺寸效應影響的，對於理 想樣片，三種模式下的電阻率值應該一致，而實際測量中，三個測量結果 一定會有偏差，偏差主要來源於兩個方面第一，實際樣片並非絕對均勻，而各個模式所測量的區域略有差別，通過對比三個測量結果可以研究樣片均勻性；第二，測量設備本身的誤差，由於是高精度的測量過程，儀器本 身的影響會明顯的反映在測量結果中，比如某種模式下的電阻率值和其他 模式下總是存在差距， 一定是與該模式相關的探針或線路存在問題。通過 求平均值的方法可以減小這兩方面的誤差，得到更準確的測量結果。目前現有技術已出現應用雙電測組合法的薄膜電阻率測量裝置，但是 這些裝置在測量過程中需要通過手動改變電路連接方式和探針位置調節， 測量速度慢，精度低，恆流源的控制精度和電流電壓測量精度在電路結構 頻繁變化的情況下也無法保證；數據處理過程多用單片機實現，局限了雙 電測組合法涉及的擬合函數和修正函數的計算精度。發明內容本發明的目的是提供一種薄膜電阻率自動測量儀，該裝置避免了手動 方式改變電路連接和探針位置調節，提高了薄膜電阻率測量的速度和精度。本發明提供了一種薄膜電阻率自動測量儀，包括四探針6、恆流源(4) 和電壓電流測量模塊5，其特徵在於，還包括控制器1和電路切換模塊2， 控制器1、恆流源4、電路切換模塊2和電壓電流測量模塊5依次連接構成 迴路，電路切換模塊2的另外兩埠分別連接控制器1和四探針6，電路切 換模塊2根據來自控制器1的電路切換信號選擇四探針6中的兩根探針作 為電流探針，另外兩根探針作為電壓探針，恆流源4根據來自控制器1的 電流控制信號產生恆定電流，使其通過電流探針，電壓探針感應電勢差，電壓電流測量模塊5測量恆定電流和電勢差傳送給控制器1，控制器1計算 電阻率。作為本發明的進一步改進，所述控制器1與四探針6之間還接有探針 位置調節器3，用於根據控制器1的位置控制信號調整四探針與樣品的相對 位置。本發明是根據雙電測組合法設計的薄膜電阻率自動測量儀，裝置中含 有電路切換模塊，在計算機的控制下電路切換模塊中的繼電器與電流電壓 接線端子及四探針斷開或連接，從而自動切換電路連接方式，電壓電流測 量模塊測得各連接方式下的探針電流和探針電勢差，並傳給控制機算計以 計算該薄膜樣品的電阻率。整個工作過程是在計算機的控制下自動完成， 相比現有測量儀測量的速度更快和測量精度更高。


圖1為本發明結構圖；圖2為雙電測組合法中三種模式下的探針排布方式；圖3為三種電路連接方式示意圖；圖4為電路切換模塊結構圖；圖5為探針位置調節器結構圖；圖6為本發明的軟體實現流程圖；圖7為進行多次測量得到的結果示意圖；圖8為不同測試位置的選擇；圖9為不同方法在不同位置測試得到的結果比較圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例詳細說明本發明。本發明的設計基礎是雙電測組合法，雙電測組合法要求測量設備在測量過程中動態的在三種電路連接方式中進行切換，圖3給出了電路連接方 式示意圖，①、②、③和④為探針序號。圖3a所示的電路連接方式表示探針①和②為電流探針，探針③和④為 電壓探針，圖3b所示的電路連接方式表示探針①和④為電流探針，探針③和②為電壓探針，圖3c所示的電路連接方式表示探針①和③為電流探針， 探針②和④為電壓探針。三種連接方式兩兩組合構成三種模式，通過數學變換，在每種模式下 根據兩種連接方式得到的測量結果導出電阻率。圖3b和圖3c所示的電路 連接方式對應圖2a所示的模式1，圖3a和圖3b所示的電路連接方式對應 圖2b所示的模式2，圖3a和圖3c所示的電路連接方式對應圖2c所示的模 式3。 ^表示圖3b對應的電壓探針間的電勢差，^表示圖3c對應的電壓 探針間的電勢差、^表示圖3a對應的電壓探針間的電勢差。/12表示圖33 對應的電流探針通過的恆定電流，/13表示圖3c對應的電流探針通過的恆定 電流，/,4表示圖33對應的電流探針通過的恆定電流。基於雙電測組合法的測量裝置關鍵之處就在於如何控制圖3所示的三 種電路連接方式的切換。如圖1所示，本發明包括控制器l,電路切換模塊2，四探針6 ，恆流 源4，電壓電流測量模塊5。工作過程為首先控制器l向電路切換模塊2 發送電路切換信號以確定電路連接方式，接著控制器1向恆流源4發出電 流控制信號，恆流源4將指定的電流通過電路切換模塊2施加在四探針6的 電流探針上，營造測量環境，此時電壓探針會感應電勢差，電壓電流測量 模塊5測量電壓探針上的勢差和電流探針上的電流值，並將測量結果傳遞 給控制器1;控制器1記錄電壓值和電流值，向電路切換模塊2發送電路切 換信號，電壓電流測量模塊5在新的電路連接方式下再次測量，電壓電流 測量模塊5進行再次測量；直到得到全部三種連接方式下的測量結果後， 控制器1關閉恆流源4，並復位電路切換模塊2，最後根據三組測量結果計 算出電阻率的值。作為本發明的核心，電路切換模塊2包括電流電壓接線端子222和線 路切換模塊21。電流電壓接線端子222包括電流端子L和I。ut,電壓端子V+和V-;線路切換模塊21包括四個繼電器。具體連接方式參見表1和圖4， 電流端子Iin連接恆流源4和四探針3的第一探針。電流端子1。ut連接恆流源 4、繼電器I的公共端和電壓電流測量模塊5;繼電器I的公共端連接電流端子I。ut，常開觸點連接繼電器II的公共端，常閉觸點連接所述四探針6的 第二探針；繼電器II的公共端連接繼電器I的常開觸點，常閉觸點連接四探 針6的第三探針，常開觸點連接所述四探針3的第四探針；繼電器III的公 共端連接電壓端子V+，常閉觸點連接四探針3的第三探針，常開觸點連接 所述四探針6的第二探針；繼電器IV的公共端連接電壓端子V-，常閉觸點 連接第四探針，常開觸點連接所述四探針3的第三探針；電壓端子V+連接所述電壓電流測量模塊5和繼電器m的公共端；電壓端子V-連接所述電壓電流測量模塊5和繼電器IV的公共端。表1電路切換模塊的具體連接方式公共端常閉觸點常開觸點繼電器I電流端子I。ut第二探針繼電器n公共端繼電器II繼電器I常開觸點第三探針第四探針繼電器in電壓端子V+第三探針第二探針繼電器IV電壓端子V-第四探針第三探針三種電路連接方式的切換方法參考表2，通過四個繼電器的公共端與常 閉觸點，常開觸點的閉合和斷開控制三種電路連接方式的切換， 表2電路切換繼電器操作法連接方式繼電器I繼電器n 繼電器ni繼電器IV連接方式l常閉常閉 常閉常閉連接方式2常開常開 常開常開連接方式3常開常閉 常開常閉在本實施例中，電壓電流測量模塊5採用數字萬用表。為了適應數字 萬用表的測量方式，在電路切換模塊2中還增設了數字萬用表接線端子組 221和繼電器V。在數字萬用表接線端子組中，第二接線端子為公共端，分 別與第一、第三端子構成電壓測量埠和電流測量埠，第一接線端子連 接電壓端子V+，第二接線端子連接電壓端子V-和繼電器V的常開觸點，第 三接線端子連接繼電器V的常閉觸點和恆流源4。在測量過程中，需要不斷調節探針相對樣品的位置，為了避免手動操 作對樣片產生損傷，系統通過軟體方式實現。本發明增加探針位置調節器6， 用於來自控制器1的位置控制信號調整四探針與樣品的相對位置。探針位 置調節器3包括垂直控制部件、水平控制部件、旋轉控制部件和樣品託盤， 垂直控制部件用於控制四探針相對於託盤的垂直位置，水平控制部件用於 控制樣品託盤相對於四探針的水平位置，託盤中部設有用於裝載樣品的圓 盤39，旋轉控制部件控制圓盤繞其中心水平旋轉。如圖5所示，垂直控制部件包括立柱311，立柱311側壁固定有垂直 步進電機31，垂直步進電機31連接垂直螺棒33頂端，在垂直螺棒33外沿 套有垂直位移滑塊32，垂直位置控制步進電機31通過控制垂直螺棒33旋 轉使得垂直位移滑塊32沿垂直螺棒33上下移動，四探針固定於垂直位移 滑塊32底部；水平控制部件包括水平步進電機34，水平步進電機34與水平螺棒35 一端相接，水平螺棒35外沿套有水平位移滑塊36，水平步進電機34通過 控制水平螺棒35旋轉使得水平位移滑塊36沿水平螺棒35水平移動；水平 位移滑塊36側壁與所述樣品託盤37連接，隨著樣品託盤水平位置滑塊36 的水平移動，樣品託盤37也作相應水平移動；旋轉控制部件包括通過齒輪與所述圓盤39相接的旋轉步進電機38。 測量功能由運行在計算機上的軟體控制實現，軟體流程圖如圖6所示。 測量可以在手動測量和自動測量兩種模式下進行。手動模式下用戶可以自 由控制探針位置，選擇測量模式；自動模式下，計算機發出位置控制信號， 探針位置控制模塊3控制步進電機以調節探針位置。控制器1獲取三種連接模式對應的三組電壓電流後，開始計算電阻率， 具體過程為將三種連接方式下得到的電壓電流值轉換為測量值formula see original document page 11將測量值及,、i 2和^代入式(i) (3)，確定擬合函數/;、 /2、 /3。雙電測組合法不能消除樣品厚度對電阻率測量的影響。依據薄層原理按照式(4) (6)得到對電勢差^、^、^的厚度修正函數/4、/5、 /6。表達式中的n取值越大越接近理想狀況4;V"4Z"1 - ,1 ) (4)A、 兵屮 ""UJ臺如豐)2+1 V(2司2+4 、 ^/5(^) = 3W『)ln(4/3)其中4》+6土(， 1 " 1 -T=^~ (5)惑=(3/2)(班)1113其中 ;^i"j:(, 1 -(6)按照式(7) (8)計算各模式下對應的電阻率:formula see original document page 12最後將三種模式下求得的電阻率求均值，得到最終的電阻率。本發明可以直接用於薄膜樣品電阻率的測量，以磁性薄膜電阻率的測 量為例介紹其運行效果。磁性薄膜採用濺射鍍膜的方法製作，膜很薄且樣品大小有限，在應用 傳統四探針設備進行電阻率測量時非常容易將膜劃傷，使測量無法進行； 而且不能按照理想樣片進行測量，需要引入複雜的尺寸修正。採用雙電測 組合法可以提高對這種樣品的測量精度，應用本發明可以快速自動的得到 測量結果。為驗證系統測量的穩定性，對樣片進行了多次測量。圖7顯示的是系 統對一片樣片連續進行20次測量得到的結果，可以看出，各次測量得到的 結果基本保持一致，系統穩定性良好。從測量結果可以看出，雙電測組合 法中三種模式下得到的電阻率十分接近；Perloff法得到的電阻率值和雙電 測組合法也比較接近；而傳統法得到的電阻率值小於用其他方法得到的值， 且有較大差距。這些都可以從理論中得到合理解釋。為驗證測量位置對測量結果的影響，現比較在不同測量位置得到的電 阻率值。測試所用的樣片是長條形的，在中心和邊緣處取點進行試驗如圖8於短邊；在樣片上任意點取點，探針不平行任意一邊。 試驗結果如圖9所示變更測量位置對雙電測組合發影響不大；而傳統法 和Perloff法得到的電阻率值卻有很大的變化。可見雙電測組合法相比其他 測量方法對樣片尺寸有更強的適應性。
權利要求
1、一種薄膜電阻率自動測量儀，包括四探針(6)、恆流源(4)和電壓電流測量模塊(5)，其特徵在於，還包括控制器(1)和電路切換模塊(2)，控制器(1)、恆流源(4)、電路切換模塊(2)和電壓電流測量模塊(5)依次連接構成迴路，電路切換模塊(2)的另外兩埠分別連接控制器(1)和四探針(6)，電路切換模塊(2)根據來自控制器(1)的電路切換信號選擇四探針(6)中的兩根探針作為電流探針，另外兩根探針作為電壓探針，恆流源(4)根據來自控制器(1)的電流控制信號產生恆定電流，使其通過電流探針，電壓探針感應電勢差，電壓電流測量模塊(5)測量恆定電流和電勢差傳送給控制器(1)，控制器(1)計算電阻率。
2、根據權利要求1所述的薄膜電阻率自動測量儀，其特徵在於，所 述電路切換模塊(2)包括電流電壓接線端子(222)和與其相接的線路切 換模塊(21)，電流電壓接線端子(222)包括電流端子L和I。ut，電壓端 子V+和V-，線路切換模塊(21)包括第一、第二、第三、第四繼電器， 電流端子Iin連接所述恆流源(4)和所述四探針(6)的第一探針； 電流端子I。ut連接所述恆流源(4)、第一繼電器的公共端和電壓電流 測量模塊(5);第一繼電器的公共端連接電流端子I。ut，常開觸點連接第二繼電器的 公共端，常閉觸點連接所述四探針(6)的第二探針；第二繼電器的公共端連接第一繼電器的常開觸點，常閉觸點連接第三 探針，常開觸點連接所述四探針(6)的第四探針；第三繼電器的公共端連接電壓端子V+，常閉觸點連接第三探針，常 開觸點連接所述四探針(6)的第二探針；第四繼電器的公共端連接電壓端子v-，常閉觸點連接第四探針，常開觸點連接所述四探針(6)的第三探針；電壓端子V+連接所述電壓電流測量模塊(5)和第三繼電器的公共端;電壓端子V-連接所述電壓電流測量模塊(5)和第四繼電器的公共端。
3、根據權利要求2所述的薄膜電阻率自動測量儀，其特徵在於，所 述電壓電流測量模塊(5)採用數字萬用表。
4、根據權利要求3所述的薄膜電阻率自動測量儀，其特徵在於，所 述電路切換模塊(2)還包括數字萬用表接線端子組(221)和第五繼電器， 數字萬用表接線端子組(221)包括三個接線端子，第二接線端子為公共端， 其分別與第一，第三接線端子構成電壓測量埠和電流測量埠，第一接 線端子連接所述電壓端子V+,第二接線端子連接所述電壓端子V-和第五繼 電器的常開觸點，第三接線端子連接第五繼電器的常閉觸點和恆流源(4)。
5、根據權利要求l所述的薄膜電阻率自動測量儀，其特徵在於，所 述控制器(1)與四探針(6)之間還接有探針位置調節器(3)，用於根據 控制器(1)的位置控制信號調整四探針與樣品的相對位置。
6、根據權利要求5所述的薄膜電阻率自動測量儀，其特徵在於，所 述探針位置調節器(3)包括垂直控制部件、水平控制部件、旋轉控制部件、 和樣品託盤，垂直控制部件用於控制四探針相對於託盤上下移動，水平控 制部件用於控制樣品託盤相對於四探針水平移動，託盤中部設有用於裝載 樣品的圓盤(39)，旋轉控制部件用於控制圓盤繞其中心水平旋轉，所述 四探針(6)安裝於垂直控制部件底端。
7、根據權利要求6所述的薄膜電阻率自動測量儀，其特徵在於， 所述垂直控制部件包括立柱(311)，立柱(311)側壁固定有垂直步 進電機(31)，垂直步進電機(31)連接垂直螺棒(33)頂端，在垂直螺 棒(33)外沿套有垂直位移滑塊(32)，垂直位置控制步進電機(31)通過控制垂直螺棒(33)旋轉使得垂直位移滑塊(32)沿垂直螺棒(33)上 下移動，所述四探針固定於垂直位移滑塊(32)底部；所述水平控制部件包括水平步進電機(34)，水平步進電機(34)與 水平螺棒(35) —端相接，水平螺棒(35)外沿套有水平位移滑塊(36)， 水平步進電機(34)通過控制水平螺棒(35)旋轉使得水平位移滑塊(36) 沿水平螺棒(35)水平移動；水平位移滑塊(36)側壁與所述樣品託盤(37) 連接，隨著樣品託盤水平位置滑塊(36)的水平移動，樣品託盤(37)也 作相應水平移動；所述旋轉控制部件包括通過齒輪與所述圓盤(39)相接的旋轉步進電 機(38)。
全文摘要
本發明提供了一種薄膜電阻率自動測量儀，包括四探針、恆流源、電壓電流測量模塊、控制器和電路切換模塊，控制器、恆流源、電路切換模塊和電壓電流測量模塊依次連接構成迴路，電路切換模塊的另外兩埠分別連接控制器和四探針，電路切換模塊根據來自控制器的電路切換信號選擇四探針中的兩根探針作為電流探針，另外兩根探針作為電壓探針，恆流源根據來自控制器(1)的電流控制信號產生恆定電流，使其通過電流探針，電壓探針感應電勢差，電壓電流測量模塊測量恆定電流和電勢差傳送給控制器，控制器計算電阻率。本發明避免了手動方式改變電路連接和探針位置調節，提高了薄膜電阻率測量的速度和精度。
文檔編號G01R27/14GK101241153SQ20081004703
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月7日 優先權日2008年3月7日
發明者成 劉, 別少偉, 超 方, 剛 杜, 江建軍, 王一楠, 趙文峰 申請人:華中科技大學