KDY1型四探针电阻率方阻测试仪.docx
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KDY1型四探针电阻率方阻测试仪
1、概述
KDY-1型四探针电阻率/方阻测试仪(以下简称电阻率测试仪)是用来测量半导体材料(主要是硅单晶、锗单晶、硅片)电阻率,以及扩散层、外延层、ITO导电薄膜、导电橡胶方块电阻的测量仪器。
它主要由电气测量部份(简称:
主机)、测试架及四探针头组成。
本仪器的特点是主机配置双数字表,在测量电阻率的同时,另一块数字表(以万分之几的精度)适时监测全程的电流变化,免除了测量电流/测量电阻率的转换,更及时掌控测量电流。
主机还提供精度为0.05%的恒流源,使测量电流高度稳定。
本机配有恒流源开关,在测量某些薄层材料时,可免除探针尖与被测材料之间接触火花的发生,更好地保护箔膜。
仪器配置了本公司的专利产品:
“小游移四探针头”,探针游移率在0.1~0.2%。
保证了仪器测量电阻率的重复性和准确度。
本机可加配KDY测量系统,测量硅片时可自动进行厚度、直径、探针间距的修正,并计算出硅片电阻率、径向电阻率的最大百分变化、平均百分变化、径向电阻率不均匀度,给测量带来很大方便。
2、测试仪结构及工作原理
测试仪主机由主机板、电源板、前面板、后背板、机箱组成。
电压表、电流表、电流调节电位器、恒流源开关及各种选择开关均装在前面板上(见图2)。
后背板上只装有电源插座、电源开关、四探针头连接插座、数据处理器连接插座及保险管(见图3)。
机箱底座上安装了主机板及电源板,相互间均通过接插件联接。
仪器的工作原理如图1所示:
图1.电阻率测试仪方框图
测试仪的基本原理仍然是恒流源给探针头(1、4探针)提供稳定的测量电流I(由DVM1监测),探针头(2、3)探针测取电位差V(由DVM2测量),由下式即可计算出材料的电阻率:
简单测量:
测量厚度小于4倍探针间距的样片时根据附录4中的硅片ρ直读电流选择表(硅片直径需大于等于100mm),ρ/R键要选择在ρ档,在特定的电流时通过电压表粗略的直读出样片的电阻率值。
测量厚度大于等于4倍探针间距的样品时用探针间距为0.1cm的探头,电流表调至0.6282;用探针间距0.159cm的探头,电流表调至0.9999;ρ/R键要选择在ρ档,即可从本仪器电压表上粗略的直读出电阻率。
测量方块电阻时,不管探针间距是多少的,电流表调至0.4532,ρ/R键要选择在R档即可从本仪器电压表上粗略的直读出电阻率。
备注:
在测量方块电阻时ρ/R键要选择在R档,仅在电流0.01mA档时电压表最后一位数溢出(其他档位可以正常读数),故读数时需要注意,如电流在0.01mA档时电压表读数为12345,则实际方块电阻的读数应该是123450R□。
采用粗略直读方法时,由于本机中已有小数点处理环节,因此使用时无需再考虑电流、电压的单位问题,直读即可。
公式计算:
(1)厚度小于4倍探针间距的样片均可按下式计算:
式中:
V——DVM2电压的读数,mV。
I——DVM1电流的读数,mA。
W——被测样片的厚度值以cm为单位。
S——为所使用四探针头的探针间距,以cm为单位。
D——样片直径,以cm为单位。
F(W/S)——厚度修正系数,数值可查附录2。
F(S/D)——直径修正系数,数值可查附录3。
Fsp——探针间距修正系数。
Ft——温度修正系数,数值可查附录1。
如果用户配置了KDY测量系统,只要输入W、FSP、测量电流I等相关参数,测量系统将自动计算并显示、保存测量结果。
如果没有配置KDY测量系统,用户同样可以依据上述计算公式算出准确的样片电阻率。
(2)对厚度大于等于4倍探针间距的样片或晶锭,电阻率可按下式计算:
这是大家熟悉的样品厚度和任一探针离样品边界的距离均大于4倍探针间距(近似半无穷大的边界条件),无需进行厚度、直径修正的经典公式。
如果没有配置KDY测量系统,用户可以依据上述计算公式算出准确的样品电阻率。
用探针间距为0.1cm的探头,电流表调至0.6282,用探针间距0.159cm的探头,电流表调至0.9999,即可从本仪器电压表上粗略的直读出电阻率。
(3)为了描述扩散薄层的导电性能,引入方块电阻的概念。
对于薄层材料(箔膜和涂层)厚度很小,为了便于比较它们的导电性能,提出薄层电阻(又称面电阻率)的概念,我们通过求正方形面积的电阻R□,得出
上式可以理解为单位厚度(在相同厚度条件下)薄层材料的电阻率。
R□与厚度W成反比,与电阻率成正比,因为要客观准确的评价各种薄层材料的电阻,必须规定在相同厚度下作比较。
我们如果在长为S,宽为T,厚度为W的薄层上测电阻:
若使S=T,即在薄层的一个正方形面积上测电阻:
从上式可以看出,当S=T时,R=R□,R□表示一个正方形薄层的电阻,它与正方形边长无关,这是取名方块电阻的缘由。
用KDY-1测量方块电阻时,计算公式为:
由于扩散层很薄,当厚度W趋近于0时,F(W/S)趋近1,查附录2。
由于方块电阻与正方形边长无关,当直径D趋近于无穷大时,F(S/D)趋近4.532,查附录3。
3、使用方法
(1)主机面板、背板介绍
图2.前面板图
仪器除电源开关在背板外其它控制部分均安装在面板上,面板的左边集中了所有与测量电流有关的显示和控制部份,电流表(DMV1)显示各档电流值,电流选择按钮供电流选档用,~220V电源接通后仪器自动选择在常用的1.0mA档,此时1.0上方的红色指示灯亮,随着选择开关的按动,指示灯在不同的档位亮起,直选到档位合适为止。
打开恒流源,上方指示灯亮,电流表显示电流值,调节粗调旋钮使前三位数达到目标值,再调细调旋钮使后两位数达到目标值。
这样就完成了电流调节工作,此时我们可以把注意力集中到右边,面板的右边集中了所有电压测量有关的控制部件,电压表(DMV2)显示各档(ρ/R手动/自动)的正向、反向电压测量值。
ρ/R键必须选对,否则测量值会相差10倍;同样手/自动档也必须选对,否则仪器拒绝工作。
图3.后面板图
后背板上主要安装的是电缆插座,图上标得很清楚,安装时请注意插头与插座的对位标志。
因为在背后容易漏插,松动时不易被发现,所以安装必须插全、插牢。
(2)使用仪器前将电源线、测试架联接线、主机与微控制器的连接线(如使KDY测量系统)联接好,并注意一下测试架上是否已接好探针头。
电源线插头插入~220V座插后,开启背板上的电源开关,此时前面板上的数字表、发光二极管都会亮起来。
探针头压在被测单晶上,打开恒流源开关,左边的表显示从1、4探针流入单晶的测量电流,右边的表显示电阻率(测单晶锭时)或2、3探针间的电位差。
电流大小通过旋转前面板左下方的两个电位器旋钮加以调节,其它正、反向测量、ρ/R选择、自动/手动测量都通过前面板上可自锁的按钮开关控制。
(3)仪器测量电流分五档:
0.01mA(10μA)、0.1mA(100μA)、1mA、10mA、100mA,读数方法如下:
电流表显示1.0000时为本档满档电流,
在0.01mA档显示:
1.0000表示电流为:
0.01mA×1.0000=0.01mA
在0.01mA档显示:
0.6282表示电流为:
0.01mA×0.6282=0.006282mA
(4)如果根据计算公式手动进行精确计算时,仪器电压表读数方法为:
如电压表显示01000(忽略小数点),则电压读数为10.00mV,即当选择不同档位进行测量时,不论小数点移动到哪里,读取电压值时小数点相当于固定在000.00处。
电流档的选择采用循环步进式的选择方式,在仪器面板上有一个电流选择按钮,每按一次进一档,仪器通电后自动设定在常用的1.0mA档,如果你不断地按下“电流选择”按钮,电流档位按下列顺序不断地循环。
1.0mA→10mA→100mA→0.01mA→0.1mA→1.0mA→10mA→……
可以快速找到你所需要的档位。
根据国标GB/T1552-1995,不同电阻率硅试样所需要的电流值如下表所示:
电阻率,Ω.cm
电流,mA
推荐的园片测量电流值
<0.03
≤100
100
0.03~0.30
<100
25
0.3~3
≤10
2.5
3~30
≤1
0.25
30~300
≤0.1
0.025
300~3000
≤0.01
0.0025
根据ASTMF374-84标准方法测量方块电阻所需要的电流值如下表所示:
方块电阻Ω
电流,mA
2.0~25
10
20~250
1
200~2500
0.1
2000~25000
0.01
(4)恒流源开关是在发现探针带电压触被测材料影响测量数据(或材料性能)时,再使用,即先让探针头压触在被测材料上,后开恒流源开关,避免接触瞬间打火。
为了提高工作效率,如探针带电压触单晶对材料及测量并无影响时,恒流源开关可一直处于开的状态。
(5)正、反向测量开关只有在手动状态下才能人工操作,在自动状态下连接KDY测量系统时使用,因此在手动状态下正反向开关不起作用时,先检查手动/自动开关是否处于手动状态。
相反在使用数据处理器测量材料电阻率时,仪器必须处于自动状态,否则KDY测量系统无法正常工作。
(6)在使用KDY测量系统时,必须严格按照使用说明操作,特别注意输入数据的单位。
有关测量系统的操作详见其说明书。
4、使用程序及注意事项
(1)仪器接通电源,经预热30分钟后,方可进行测量。
(2)仪器如经过剧烈的环境条件变化或长期不使用,在首次使用时应通电预热2-3小时,方可进行测量。
(3)在测量过程中应注意电源电压不要超过仪器的过载允许值。
5、日常维护及使用
(1)探针头:
因测量时探针针尖经常接触被测材料,针尖易被沾污,需定时用无水酒精棉球清洁探针针尖,保证探针针尖良好的与被测物体接触。
警告:
如需打开探针头维修,必须按照规定的步骤操作,不然极易损坏探针头。
(2)整机测量精度:
整机测量初始精度:
1-1000欧姆·厘米≤3%,在使用过程中因探针针尖不断压在被测物体上,会造成探针针尖逐渐变钝,引起探针间距修正系数在不断的变化,因此需要定期校准仪器;如整机测量校准样片时,测量值偏大于4%,那么在测量时需要把测量电流降低4%,以保证整机的测量精度。
(3)故障分析:
故障现象
排除方式
测量时无电流
1.用导线或金属镊子短路主机探针头连接线插座中的1,4针,如果短路后仪器无电流显示,说明仪器主机有故障
2.更换探针头、连接线(探针头与连接线故障率较高)
3.主机上恒流源开关未开,按下恒流源开关即可
开电源开关后无显示
检查保险丝、电源连线
测量数值不稳
1.检查四探针头探针针尖是否磨损严重,如针尖磨损严重需要及时更换探针头
2.检查被测物体表面或探针针尖是否清洁
3.检查探针压力是否偏低(探针合力:
测棒8N,测片6N,测薄膜4N)
4.更换探针头连接线
5.电源干扰(仪器不能与高频设备或大功率设备共用电源且无任何隔离屏蔽措施)
6.将仪器校准头(选购件)插在仪器后的四芯插座里,检测是仪器主机故障还是外置部分故障(探针头、连接线或测试架).
6、主机技术能数
(1)测量范围:
可测电阻率:
0.0001~19000Ω·cm
可测方块电阻:
0.001~190000Ω·□
(2)恒流源:
输出电流:
DC0.001~100mA五档连续可调
量程:
0.001~0.01mA0.01~0.10mA
0.10~1.0mA1.0~10mA10~100mA
恒流精度:
各档均低于±0.05%
(3)直流数字电压表:
测量范围:
0~199.99mV
灵敏度:
10μV
基本误差:
±(0.004%读数+0.01%满度)
输入阻抗:
≥1000MΩ
(4)测量精度:
电器精度:
1-1000欧姆≤0.3%
整机测量精度:
1-1000欧姆·厘米≤3%
(5)供电电源:
AC220V±10%50/60Hz功率:
12W
(6)使用环境:
温度:
23±2℃相对湿度:
≤65%
无较强的电场干扰,电源隔离滤波,无强光直接照射
(7)重量、体积:
主机重量:
7.5kg
体积:
365×380×160(单位:
mm长度×宽度×高度)
附录1.1
温度修正系数表
标称电阻率
Ω.cm
温度Ft
ºC
0.005
0.01
0.1
1
5
10
10
0.9768
0.9969
0.9550
0.9097
0.9010
0.9010
12
0.9803
0.9970
0.9617
0.9232
0.9157
0.9140
14
0.9838
0.9972
0.9680
0.9370
0.9302
0.9290
16
0.9873
0.9975
0.9747
0.9502
0.9450
0.9440
18
0.9908
0.9984
0.9815
0.9635
0.9600
0.9596
20
0.9943
0.9986
0.9890
0.9785
0.9760
0.9758
22
0.9982
0.9999
0.9962
0.9927
0.9920
0.9920
23
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
24
1.0016
1.0003
1.0037
1.0075
1.0080
1.0080
26
1.0045
1.0009
1.0107
1.0222
1.0240
1.0248
28
1.0086
1.0016
1.0187
1.0365
1.0400
1.0410
30
1.0121
1.0028
1.0252
1.0524
1.0570
1.0606
注:
①温度修正系数表的数据来源于中国计量科学研究院。
附录1.2
温度修正系数表(续1)
标称电阻率
Ω.cm
温度Ft
ºC
25
(17.5—49.9)
75
(50.0—127.49)
180
(127.5—214.9)
250/500/1000
(≥215)
10
0.9020
0.9012
0.9006
0.8921
12
0.9138
0.9138
0.9140
0.9087
14
0.9275
0.9275
0.9278
0.9253
16
0.9422
0.9425
0.9428
0.9419
18
0.9582
0.9580
0.9582
0.9585
20
0.9748
0.9750
0.9750
0.9751
22
0.9915
0.9920
0.9922
0.9919
23
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
24
1.0078
1.0080
1.0082
1.0083
26
1.0248
1.0251
1.0252
1.0249
28
1.0440
1.0428
1.0414
1.0415
30
1.0600
1.0610
1.0612
1.0581
注:
①温度修正系数表的数据来源于中国计量科学研究院。
附录2.
厚度修正系数F(W/S)为圆片厚度W与探针间距S之比的函数
W/SF(W/S)
W/SF(W/S)
W/SF(W/S)
W/SF(W/S)
0.400.9993
0.410.9992
0.420.9990
0.430.9989
0.440.9987
0.450.9986
0.460.9984
0.470.9981
0.480.9978
0.490.9976
0.500.9975
0.510.9971
0.520.9967
0.530.9962
0.540.9958
0.550.9953
0.560.9947
0.570.9941
0.580.9934
0.590.9927
0.600.9920
0.610.9912
0.620.9903
0.630.9894
0.640.9885
0.650.9875
0.660.9865
0.670.9853
0.680.9842
0.690.9830
0.700.9818
0.710.9804
0.720.9791
0.730.9777
0.740.9762
0.750.9747
0.760.9731
0.770.9715
0.780.9699
0.790.9681
0.800.9664
0.810.9645
0.820.9627
0.830.9608
0.840.9588
0.850.9566
0.860.9547
0.870.9526
0.880.9505
0.890.9483
0.900.9460
0.910.9438
0.920.9414
0.930.9391
0.940.9367
0.950.9343
0.960.9318
0.970.9293
0.980.9263
0.990.9242
1.00.921
1.20.864
1.40.803
1.60.742
1.80.685
2.00.634
2.20.587
2.40.546
2.60.510
2.80.477
3.00.448
3.20.422
3.40.399
3.60.378
3.80.359
4.00.342
注:
①厚度修正系数表的数据来源于国标GB/T1552-1995
《硅、锗单晶电阻率测定直排四探针法》
附录3.
直径修正系数F(S/D)为探针间距S与圆片直径D之比的函数
S/D
F2
S/D
F2
S/D
F2
0
4.5324
0.095
4.2039
0.19
3.45
0.005
4.5314
0.1
4.1712
0.195
3.4063
0.01
4.5284
0.105
4.1374
0.2
3.3625
0.015
4.5235
0.11
4.1025
0.21
3.2749
0.02
4.5167
0.115
4.0666
0.22
3.1874
0.025
4.508
0.12
4.0297
0.23
3.1005
0.03
4.4973
0.125
3.992
0.24
3.0142
0.035
4.4848
0.13
3.9535
0.25
2.9289
0.04
4.4704
0.135
3.9142
0.26
2.8445
0.045
4.4543
0.14
3.8743
0.27
2.7613
0.05
4.4364
0.145
3.8337
0.28
2.6793
0.055
4.4167
0.15
3.7926
0.29
2.5988
0.06
4.3954
0.155
3.7509
0.3
2.5196
0.065
4.3724
0.16
3.7089
0.31
2.4418
0.07
4.3479
0.165
3.6664
0.32
2.3656
0.075
4.3219
0.17
3.6236
0.33
2.2908
0.08
4.2944
0.175
3.5805
1/3
2.2662
0.085
4.2655
0.18
3.5372
0.09
4.2353
0.185
3.4937
当S/D=无穷小时,F(S/D)=3.14/ln2=4.5324,
当S/D=1/3(极端情况)时,F(S/D)=3.14/2ln2=2.2662
注:
①直径修正系数表的数据来源于国标GB/T1552-1995
《硅、锗单晶电阻率测定直排四探针法》
附录4-1
KDY-1型电阻率/方阻测试仪硅片ρ直读电流选择表(0.159cm间距四探针头用)
W
I
W
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
00453
00498
00544
00589
00634
00680
00725
00770
00815
00861
0.2
00906
00951
00997
01042
01087
01133
01178
01223
01268
01314
0.3
01359
01404
01450
01495
01540
01586
01631
01676
01721
01767
0.4
01812
01857
01903
01948
01993
02039
02084
02129
02174
02220
0.5
02265
02310
02356
02401
02446
02492
02537
02582
02627
02673
0.6
02718
02763
02809
02854
02899
02945
02990
03035
03080
03126
0.7
03167
03212
03257
03302
03346
03391
03435
03480
03525
03570
0.8
03615
03659
03702
03748
03791
03836
03879
03823
03968
04010
0.9
04053
04098
04140
04185
04227
04269
04314
04355
04396
04441
W
I
W
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.00
04486
05298
06028
06662
07203
2.00
07807
08003
08367
08622
08830
W
I
W
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
3.00
09008
09148
09266
09359
09434
4.00
09516
09573
09615
09658
09688
W:
厚度(mm);I:
电流;
ρ=V/I×W×F(W/S)×F(S/D)×FSP;选择I=W×F(W/S)×F(S/D);其中设中心点F(S/D)=4.53,FSP=1.00,S=0.159cm。
(使用条件:
硅片直径Ф≥100mm)
查表方法举例:
如果样片厚度为0.62mm,则查得的电流数为02809。
附录4-2
KDY-1型电阻率/方阻测试仪硅片ρ直读电流选择表(0.1cm间距四探针头用)
W
I
W
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
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- KDY1 探针 电阻率 测试仪