四探针测试方法
半导体物理-四探针方法测电阻率
5、将工作选择档置于“调节”，电流调节在I ＝6.28=C，C为探针几何修正系数。
1.显示板 2、单位显示灯 3、电流量程开关 4、工作选择开关 （短路、测量、调节、自校选择）5、电压量程开关6、输入插 座7、调零细调8、调零粗调9、电流调节10、电源开关11、电 流选择开关 12、极性开关
２．四探针测试探头：探针间距：１mm；游 移率：±1.0%；探针：碳化钨 Φ0.5mm 压力：0~2kg可调。
（a）块状和棒状样品体电阻率测量： 由于块状和棒状样品外形尺寸与探针间距 比较，合乎于半无限大的边界条件，电阻 率值可以直接由（１）、（２）式求出。
（b）簿片电阻率测量 簿片样品因为其厚度与探针间距比较， 不能忽略，测量时要提供样品的厚度形 状和测量位置的修正系数。
电阻率值可由下面公式得出：
C
V I
G(W S
)D( d S
)
0G(WS
)D( d S
)
式中：ρ0 为块状体电阻率测量值；
W：为样品厚度（um）；S：探针间距（mm）；
G(W/S)为样品厚度修正函数，可由附录IA位置的修正函数，可由附
录２查得。W/S＜0.5时，实用。
当圆形硅片的厚度满足W/S＜0.5时，电阻率为：
0
W S
1 2 ln 2
D(d ) S
2、带扩散层的方块电阻测量 当半导体薄层尺寸满足于半无限大时：
R0
(V
ln 2 I
)
4.53V I
若取I ＝ 4.53 I0，I0为该电流量程满度值， 则R0值可由数字表中直接读出的数乘上10 后得到。
<三> 仪器结构特征
四探针法测电阻率
四探针法测量导体的电阻率电阻率的测量是导体材料常规参数测量项目之一。
测量电阻率的方法很多，如二探针法、三探针法、四探针法、电容---电压法、扩展电阻法等. 四探针法则是一种广泛采用的标准方法，在半导体工艺中最为常用，其主要优点在于设备简单，操作方便，精确度高，对样品的几何尺寸无严格要求.并且四探针法测量电阻率有个非常大的优点，它不需要较准；有时用其它方法测量电阻率时还用四探针法较准。
本文主要讲述四探针法测量导体材料电阻率的工作原理.直流四探针法也称为四电极法，主要用于半导体材料或超导体等的低电阻率的测量。
使用的仪器以及与样品的接线如图1(a)所示。
由图可见，测试时四根金属探针与样品表面接触，外侧两根1、4为通电流探针，内侧两根2、3为测电压探针。
由电流源输入小电流使样品内部产生压降，同时用高阻抗的静电计、电子毫伏计或数字电压表测出其他二根探针的电压即V23(伏)。
(a)仪器接线(b)点电流源(c)四探针排列图1 四探针法测试原理示意图若一块电阻率为ρ的均匀半导体样品，其几何尺寸相对于探针间距来说可以看作半无限大。
如图1(b)所示, 当探针引入的点电流源的电流为I ，由于均匀导体内恒定电场的等位面为球面，则在半径为r 处等位面的面积为2πr 2，电流密度为J=I/2πr 2根据电导率与电流密度的关系可得E ＝2222JI I r r ρσπσπ==由电场强度和电位梯度以及球面对称关系， 则d E dr ϕ=- 22I d Edr dr r ρϕπ=-=-取ｒ为无穷远处的电位为零， 则()202r r r dr d Edr r ϕρϕπ∞∞-I =-=⎰⎰⎰ 则距点电荷r 处的电势为 ()2I r r ρϕπ=上式就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离为ｒ的点的电位与探针流过的电流和样品电阻率的关系式，它代表了一个点电流源对距离ｒ处的点的电势的贡献.1. 非直线型四探针对于图1(c)的情形, 四根探针位于样品中央，电流从探针1流入 从探针4流出， 则可将1和4探针认为是点电流源，2和3探针的电位为：2122411()2I r r ρϕπ=- 3133411()2I r r ρϕπ=-2、3探针的电位差为:2323122413341111()2I V r r r r ρϕϕπ=-=--+ 所以可推导得四探针法测量电阻率的公式为：I V C r r r r I V 2313413241223)1111(2=+--∙=-πρ 式中，134132412)1111(2-+--=r r r r C π为探针系数，单位为cm ；r 12、r 24、r 13、r 34分别为相应探针间的距离。
四探针测试标准
四探针测试标准“四探针测试标准”是指用四根相互垂直的探针对电路板上某一点进行测试，并得出相应数据的标准方法。
这一标准是电子制造工业中必不可少的一项检测方法，其准确性和可靠性越来越受到人们的重视。
下面分步骤阐述“四探针测试标准”的具体实现方法。
第一步：探针尺寸的确认四探针测试的尺寸非常重要，不同的应用场景需要不同大小的探针。
比如，在芯片测试领域，通常使用直径小于10um的探针。
而在生产线上，则需要更大一些的探针进行检测。
除此之外，探针的材质、长度等也需考虑。
第二步：探针的制作根据不同尺寸需求，制作符合标准的探针。
通常，探针尖端是用金属制成的，以便用于导电测试。
金属杆需要精确加工，确保探针的精度符合标准要求。
之后，探针还需要进行表面处理，通常是镀金或镀银。
第三步：探针的安装要保证测试的准确性，探针必须在正确的位置安装。
通常，测试就接在芯片的表面，需要四个探针沿着水平和垂直方向对芯片进行测试。
要确保四个探针之间的距离均匀，并且安装的准确度必须达到0.1 um以下。
第四步：测试仪器的选择和设置四探针测试需要使用专业设备进行，这些设备通过测量电阻、电容、电感和其它参数来检测芯片或电路板是否工作正常。
测试仪器质量的好坏，直接关系到测试结果的准确性和可靠性。
因此，需要选择高品质的设备，并进行正确的设置。
总之，“四探针测试标准”是一项十分重要的测试方法，可以保证电路板或芯片的质量和可靠性。
选好合适的探针尺寸，制作好合适的探针，正确安装，选择好测试仪器并进行正确设置，才能更好地实现四探针测试标准。
四探针法测量材料的电阻率和电导率
实验七：四探针法测量材料的电阻率和电导率ID:20110010020［实验目的］:1、了解四探针电阻率测试仪的基本原理；2、了解的四探针电阻率测试仪组成、原理和使用方法；3、能对给定的物质进行实验，并对实验结果进行分析、处理［实验原理］:单晶硅体电阻率的测量测试原理：直流四探针法测试原理简介如下:当1、2、3、4根金属探针排成直线时，并以一定的压力压在半导体材料上，在1、4两处探针间通过电流I,则2、3探针间产生电位差V。
材料的电阻率尸/Ss）（1>式中C为探针系数，由探针几何位置、样品厚度和尺寸决定，通常表示为C=F（D/S）・F（W/S）,E乎，W⑵式中：F（WS）F（D/S>Fsp分别样品厚度修正因子、直径修正因子、探针间距修正系数（四探针头合格证上的F值）。
W:片厚，D:片径，S:探针间距。
［实验装置］:使用RTS-4型四探针测试仪1、电气部分：过DC-DC变换器将直流电转换成高频电流，由恒流源电路产生的高频稳定恒定直流电流其量程为0.1mA、1mA、10mA、100mA;数值连续可调，输送到1、4探针上，在样品上产生电位差，此直流电压信号由2、3探针输送到电气箱内。
再由高灵敏，高输入阻抗的直流放大器中将直流信号放大（放大量程有0.763、7.63、76.3）。
放大倍数可自动也可人工选择，放大结果通过A/D转换送入计算机显示出来。
RTS-例四探针测试仪框图如下所示。
国2四探」期试M电气刍分原理方也:2。
测试架探头及压力传动机构、样品台构成，见图3所示，探头采用精密加工，内有弹簧加力装置，测试需要对基片厚度进行测量，以便对探头升降高度进行限制。
图3测试架结构图［实验内容］:一、测试准备：将220V电源插入电源插座，开机后等十分钟在进行测量。
1 .利用标样学习测试参数确定：进入系统，打开主界面。
Q选择参数：选择测试类别（如薄圆片还是棒材电阻率等）；酬入参数：片厚（mm）；直径；选择电流量程。
半导体物理实验——四探针法测半导体材料电阻
半导体物理实验——四探针法测半导体材料电阻四探针法的原理是将四个探针分别接触到半导体材料的表面，在一个恒定的电流下测量电压的变化，从而计算出材料的电阻。
与传统的两探针法相比，四探针法排除了接触电阻对电阻测量的干扰，从而得到更为准确的结果。
在进行实验之前，需要准备好以下器材和器件：半导体样品、四探针测试仪、示波器、多用途电源等。
首先，将半导体样品放置在四探针测试台上，保证样品表面平整。
接下来，使用四个探针将样品分别接触，确保四个探针之间的距离尽量相等，并且垂直于样品表面切面。
在接触探针的过程中，需要注意避免对样品造成损伤。
接触完四个探针后，将示波器和多用途电源连接到四探针测试仪上。
示波器用于测量电压的变化，而多用途电源则提供恒定的电流。
通过调节多用途电源的参数，可以使得流过样品的电流保持恒定。
开始实验之前，需要对四探针测试仪进行校准。
校准的目的是消除探针接触电阻的影响，确保测量结果的准确性。
校准时，将四个探针分别接触到一个已知电阻的样品上，通过测量电压和电流的变化来确定校准系数。
校准完成后，开始进行实际的测量。
首先，通过调节多用途电源的参数使得电流稳定在预定的数值。
然后，使用示波器测量电压的变化，并记录下来。
在测量过程中，可以逐渐调节电流的数值，以获得多组测量数据，从而提高测量结果的可靠性。
测量完成后，可以根据测得的电流和电压数据，计算出半导体样品的电阻。
根据四探针法的原理，可以得到以下公式：电阻率ρ = (π/ln2) × (d/U) × (U/I)其中，d是四个探针之间的距离，U是电压的变化值，I是电流的恒定值。
除了电阻率，四探针法还可以用来计算半导体材料的载流子浓度。
载流子浓度是半导体材料性能的重要指标之一，在半导体器件研发和生产过程中有着广泛的应用。
通过四探针法测量半导体材料的电阻，可以得到材料的电学性质信息，为半导体器件的设计和制造提供重要的依据。
实验人员可以根据实验结果，进一步探究半导体材料的物理特性，并优化材料的制备工艺，提高器件的性能。
四点探针法
四探针测试方法分类
四探针测试技术方法分为直线四探针法和方形四探 针法。方形四探针法具有测量较小微区的优点，可以测 试样品的不均匀性，微区及微样品薄层电阻的测量多采 用此方法。
四探针法按发明人又分为Perloff法、Rymaszewski法、 范德堡法、改进的范德堡法等。值得提出的是每种方法 都对被测样品的厚度和大小有一定的要求，当不满足条 件时，必须考虑边缘效应和厚度效应的修正问题。
• 四探针法除了用来测量半导体材料的电阻率以外，在半 导体器件生产中广泛使用四探针法来测量扩散层薄层电 阻，以判断扩散层质量是否符合设计要求。
• 因此，薄层电阻是工艺中最常需要检测的工艺参数之一。
四点探针测试技术
1、概述
四探针法用于测量半导体材料（厚材和薄片）电阻率以 及硅片上的扩散层、离子注入层的方块电阻，也可以测量 玻璃或其他绝缘材料上所形成的导电膜方块电阻。四探针 测试技术已经成为半导体生产工艺中应用最为广泛的工艺 监控手段之一。
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半导体材料的电阻率： 在半无穷大样品上的点电流源，若样品的电阻率ρ均匀，引 入点电流源的探针其电流强度为I，则所产生的电力线具有球 面的对称性，即等位面为一系列以点电流为中心的半球面， 如图所示。在以r为半径的半球面上，电流密度j的分布是均 匀的。
若E 为r处的电场强度，则：
E j I 2 r2
下面重点介绍直线四探针法。
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2、直线四探针法测量原理
在直线四探针技术中，四根探针通常是等距排成一条直 线，给探针施加一定压力，使之垂直地压在一块相对于探针 间距可视为半无穷大的样品上。外侧的两个探针之间施加电 流，中间的两个探针之间放置高精度电压表，就可以测出被 测样品的电阻率。测量电路如下图所示：
扩散层的方块电阻测量
四点探针测试技术
1.厚度修正
f 0 ( ) f 0 ( )
和
f 4 ( )
，
f0(a)和f4(a)分别是对应两种原理时 的厚度修正函数，a=w/s
图8.修正f0(a)和f4(a)曲线图
四探针测试的修正
2.边缘修正
计算比较复杂，难以在实际运用，常用 镜像源法，图形变换法和有限元法
四探针测试的修正
3.温度修正
探针制备方法 FIB 光刻 电子束光刻 混合匹配光刻 传统光刻
最小探针间距
基底材料
300 nm
SiO2微悬臂梁 弹性系数3 N/m Ti /Pt 单悬臂梁 电极宽度200nm
350 nm
柔性SiO2 微悬臂梁 Ti/ Au 四平行SiO2悬臂 梁顶端聚焦方向 生长金属镀层碳 纳米管针尖 可100 nm分辨率 扫描测量表面高 度不同的样品 **2
缺点
探针间距固定，灵活性较差，仅能实现直线式测量；
微观十二点探针：具有探针可调功能
图14.市场化的微观十二点 探针，采用四点测试模式 时最小探针间距1.5μm ， Capres A/S制造。
微观四点STM探针测试系统
将STM技术与四探针原理相互结合，拥有4个可独立驱动 探针的STM用于四点探针的电学表征。每个探针实现独立 操作，四点探针可以实现各种模式和不同探针间距的测量。 四个探针通过检测隧道电流进行反馈控制，使四探针同时 与样品表面接触。通过压电控制使其以原子级分辨率实现 在样品表面的扫描测量。完成四点探针电学表征。 能够原位、非破坏性进行四点探针测量，而且具有STM 的操纵功能：最小探针间距30nm，已经市场化应用。
图19.四探针SYM-MBE-LEED系统
微观四点STM探针测试系统
优点
四探针测试电阻率实验指导
0
2 s V23 ……………………. (7) B0 I
引进修正因子 B0，已有人对一些常用的样品情况对 B0 的数值做了计算。 通常选择电流
I 2 s 103 B0
由 （7） 式可知，V23 103 即为电阻率的数值。 因此测试时应选择合适的电流， 电流太小， 检测电压有困难； 电流太大会由于非平衡载流子注入或发热引起电阻 率降低。 对于高阻半导体样品， 光电导效应和探针与半导体形成金—半肖特基接触的 光生伏特效应可能严重地影响电阻率测试结果，因此对于高阻样品，测试时应该 特别注意避免光照。 对于热电材料， 为了避免温差电动努对测量的影响，一般采用交流两探针法 测量电阻率。 在半导体器件生产中，通常用四探针法来测量扩散层的薄层电阻。在 p 型 或 n 型单晶衬底上扩散的 n 型杂质或 p 型杂质形成一 pn 结。由于反向 pn 结的隔离作用， 可将扩散层下面的衬底视作绝缘层，因而可由四探针法测出扩散 层的薄层电阻 ， 当扩散层的厚度＜0.53s，并且晶片面积相对于探针间距可视作
六、实验结果及分析处理：
1. 不同尺寸硅片的电阻率和方阻。 2．不同扩散工艺硅片的电阻率和方阻。 3.光照对半导体材料的影响。 4.对实验结果进行讨论。 七、思考题 （1）样品尺寸对硅片的方阻有无影响？为什么？ （2）方块电阻和掺杂浓度有何关系？ （3）光照如何影响材料的电阻率？为什么？ （4） 能否用四探针法测量 n/n+外延片及 p/p+外延片外延层的电阻率和方块电 阻? （5）能否用四探针法测量 n/p 外延片外延层的电阻率和方块电阻？
三、实验内容：
1．用四探针法测量不同尺寸硅片的电阻率和方块电阻； 2．用四探针法测量不同扩散工艺硅片的电阻率和方块电阻； 3. 在有光照和无光照条件下观察硅片方阻值的变化。