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  目   錄

   一．概述

   二．主要技術指標

   三．測量原理   

四．儀器結構及電路組成

   五．儀器操作和測量

   六．復校與維修

附表

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 一． 概述

    FZ-2010半導體四探針電阻測試儀是運用四探針測量原理的多用途測量裝置，配置專用的四探針測試架,它可以測量棒狀、塊狀半導體材料的徑向、軸向電阻率，測量片狀半導體材料的電阻率和測量散層方塊電阻。

本儀器參照有關國際標準設計，可以直接用數字顯示電阻或電阻率值，使儀器的可靠性和穩定性大大加強，更方便用戶，而且價格低廉、實惠。配置四探針測試臺（或架）、粉末測試臺，可以對片狀、塊狀半導體材料、粉末材料進行電阻、電阻率等多用途測量。

儀器主要包括電氣箱和測試架兩部分組成，電氣箱部分由高精度直流數字電壓表和直流恒定電流源組成。測試架壓力機構采用手動操作、壓力平穩。儀器有自校功能。本儀器具有測量精度高，穩定性好。重復性好，使用方便特點。

本儀器采用國際通用的電流、電壓降法，即四端子測量法，采用電流和電壓電極同時和樣品接觸，測得V/I，可以消除連接系統所帶來的誤差。克服以往二端測量電阻率儀器的弊病，可以真實、準確測量固態樣品的電阻率，測量精度高，穩定性、重復性好。使用方便。

本儀器用于半導體材料廠、半導體器件廠、電池廠、粉末冶金廠、高等院校、科研部門，是檢驗和分析固態半導體質量的重要工具。

    二．主要技術指標

1．測量范圍：電阻10^-4—10⁶Ω，分辨率1μΩ。

             電阻率10^--4—10⁶Ω·cm,分辨率1μΩ·cm。

             薄層電阻   10^-3∽10⁷Ω/□，分辨率10^-5Ω/□

             測量誤差   ±(0.3%讀數±2字)。

2．測量電壓量程：0.2mV、2mV、20mV、200mV、2V，分辨率0.1μV。

             測量誤差    ±(0.3%讀數+2字)。

3．測量電流：0--100mA連讀可調。

電流量程：1μA .10μA、100μA，1mA 、10mA、100mA。

4.固態薄膜及半導體測量:

四探針測試架:

(1)探針間距  1mm±0.03 mm

(2)探針游移率<±0.3%

(3)可測材料尺寸:直徑Φ15∽160 mm,長度<400 mm. 

5．顯示方式: 3 1/2 數字顯示電阻、電阻率、壓力、單位、小數點。自動顯示。

6． 電源：220V±10%，50--60HZ，功率消耗<150W

7．外形尺寸：電氣箱，440mm×120mm×420mm

8．固態四探針測試架。

               三．測量原理      

（一）電阻測量；根據四端子“電流---電壓降”測試方法，該儀器電氣部分主要由高精度恒流源和高靈敏數字電壓表兩大部分組成，由儀器輸出直流恒定電源，在被測件上產生微弱的電壓降。再由儀器的輸入端子將該電壓信號輸入儀器，經過內部電路放大，數字顯示測量結果。   即    R==V/I     （3-1）  

                        

                        電壓表V

 

 

                              電流表I    

 

                   

 圖3-1  V/I示意圖

   （二）四探針體電阻率測量原理

直流四探針法測試原理簡介如下：

     圖3-2為四探針接觸測量樣品表面的示意圖，在接觸面分別加電壓和電流。

                  1        2         3          4

  

                  

 

 

 

 

 

 

 

 

                       S₁        S₂           S₃

                        圖3-2   四探針測量原理示意圖

圖3-2中，當1、2、3、4根金屬探針排成一直線時，并以一定壓力在半導體材料上，在1、4兩處探針間通過電流I，則2、3探針間產生電位差V。

由于電阻   R =  V/I

所以，     材料的電阻率       V

                         ρ= ——  · C  （Ω·Сm）   （3-3）

                              I

式中，C為探針系數，由探針幾何位置及厚度修正系數決定。

當試樣電阻率分布均勻，試樣尺寸滿足半無限大條件時

                   2τ

  C =   ------------------------------------------ （Сm）(3-4)

              1        1         1            1

           ------ + ------ -  ------ -  -  -------

              S₁         S₃         S₁+S₂      S₂+S₃

式中，S₁、S_2、 S₃分別為探針1與2 ，2與3，3與4之間距。

當，S₁ = S_2-=  S₃  =  1mm   時， C =  2  π

若電流取  I =  C  時，  則ρ =  V  ,可由數字電壓表顯示讀出。

幾種電阻率的測量原理和方法。

（1）    塊狀和棒狀樣品體電阻率測量

  由于塊狀和棒狀樣品外形尺寸與探針間距行比較，合乎于半無限大的邊界條件，電阻率值可以直接由（3-3）、（3-4）式中求出。

 （2薄片樣品電阻率測量

薄片樣品因為其厚度與探針間距比較，不能忽略，測量時，要提供樣品的厚度、形狀和測量位置的修正系數。電阻率值可由下面公式得出：

       V        W       d              W       d

ρ = 2πS ---  G（----）D （--）=  ρ₀ G （--）D （---）  （3-5）

           I        S        S              S       S

式中，ρ₀為塊狀形體電阻率測量值。

     W

G（----）為樣品厚度與探什間距的修正系數，

     S

       d

 D（-------- ）為樣品形狀和測量位置的修正系數。

       S

   當園形硅片的厚度滿足W/S<0.5時,電阻率為:

           W       d         π     V · W           d

ρ =  ρ₀ G （--）D （---） = ------  ----------D  (-----)

              S       S         LN2      I           S

              V                  d

    = 4.53 -----------  W   D (------)                （3-6）

              I                   S

（3）擴散層薄層電阻(方塊電阻)測量,

當半導體薄層尺寸滿足于半無窮大平面條件時:

 

         π              V                 V

  R_□ = -----------     （----）  =  4。53  ------------        （3-7）

         LN2             I                 I

若取   I =  4. 53時 ,則R 值可由V  表中直接讀出。

薄層電阻率：ρ =  R_□·d  ，  d為薄層厚度。

綜合以上情況，儀器采用       V

                       ρ=  ----- · K  ；  K 厚度修正系數

                             I                末面附表查得

注意：以上三種測量都是在標準溫下（23⁰C）進行的，若在其它溫度下測試，要求將所測得的數值要乘以系數P_T，才可得最終測試結果。

P_T  =  1 - C_T · （ T – 23 ）  C_T 為材料溫度系數，由材料而定。T為溫度

          （ 四）．儀器結構及電路組成

    儀器為臺式結構，分為電氣箱（面板圖4-2和4-3）、測試架（圖4-1）兩部分組成,可以根據測試需要，安放在工作臺上進行調試和測量。

(一).測試架  測試架（圖4-1）由探頭、壓力機構、樣品臺組成。探頭采用精密加工，配有寶石導套，使測量誤差大大減少，且壽命長。探頭內有彈簧加力裝置，測試架備有粗調和細調裝置。在半導體材料斷面測量時，直徑范圍Φ15∽100mm，其高度為400 mm，如果要對大于400 mm長單晶的斷面測量，可以將升降架升高或者加長主柱。，測試架有專門的屏蔽導線插頭與電氣箱聯結

                 圖（4-1）測試架圖

（二）電氣箱：

1．電氣箱為儀器主要電氣部分所在。在其面板上有數字、小數點、單位顯示以及全部操作旋鈕和開關，電氣箱前面板結構見圖（4-2）所示。

（1）數字、小數點單位顯示 （2）電流量程開關（3）功能開關  （4）電壓量程開關  （5）信號輸入插座（6） 調零細調    （7）調零粗調開關   （8）電流調節

   （9）電源開關       （10）電流開關；    （11）極性開關；

2．電氣箱后面面板見圖4-3

 

 

 

 

 

圖（4-3）電氣箱后面板示意圖（1）交流220V電源插座；   （2 ）保險絲座；

       （三）電路組成

            V                

        

 

 

 

 

 

                                                                       

                                                                 

 

圖4-4  儀器原理方框圖

 

儀器的電路組成參見圖（4-4）“儀器原理方框圖”，其中恒流源由基準源、取樣電路、誤差放大及調整電路組成，具有100mA、10mA、1mA、100μA、10μA 、1μA   六個量程恒流輸出，精度為±0.1%. 溫度系數為 1×10^-4/⁰C 。電壓測量部分由高靈敏度低噪聲前置直流放大器和雙積分數字表組成。具有0.2 mV、2 mV、20 mV、200 mV、 2V  五個量程檔， 準確度優于0.1% 。此外，儀器還設置了“DC-DC 電源變換” 電路，做到了多地隔離，使整機的抗泄漏、抗干擾能力大大提高，電流輸出和電壓測量配合，自動組成電阻測試的各量程，見表（4-1）

 

表（4-1）電阻、電流、電壓量程選擇

由于該儀器主要用于低電阻方面的精密測量，因此采用了“四端子測試方式，在恒流源負載能力范圍內，在電壓表輸入阻抗足夠高的情況下，就能有效地消除引線電阻和接觸電阻在測試夾具上引起的誤差。儀器除了可以作為測量材料電阻率外，還可以直接作為數字電壓表和恒定直流輸出，達到一表多用的目的。

三，儀器操作和測量

（一）.測試準備 

  儀器放入測試溫度為23±2⁰C、濕度小于65% 環境內一小時。無強外電磁場干擾情況下。

將220V電源插入電源插座。儀器電源開關置于斷開狀態，功能開關置于 “短路 ”位置，電流開關處于彈出位置。

  將測試架的屏蔽線插頭與電氣箱的輸入插座連接起來，松開測試架立柱處的高度調節手輪，將探頭調到適當的高度，測試樣品應進行噴砂和清潔處理，放在樣品架上，使探針能與其表面良好接觸，并保持一定壓力，調節室內溫度，使之達到要求的測試條件。

（二）預熱和自校

1.將電源開關至開啟位置，數字顯示、儀器通電預熱半小時.，儀器操作校準考核時，0.2mV電壓量程應預熱一小時.

2.“自校”與“ I調節”的操作,參考表4-2設置電壓和電流量程.

（1）儀器自校：為了校驗電氣箱中數字電表和恒流源的精度。儀器內部裝有精度為0.02%的標準電阻.供校驗之用.

自校時,將功能開關置于“自校”位置, ,電流量程開關和電壓量程開關按表4-2所示進行.

調節好零位,按下電流開關,則數字板顯示出”198X”,各量程數值誤差為±6字,如果數值超差,可以調節動機內壓板上”I調節”，使數字恢復到”198X”值.

（2)測量電流值的調節:功能開關置于 “I調節”位置,電流量程開關和電壓量程開關必須放在下表所列的任一組對應的位置上.

 

表4-2  電流調節和自校時必須對應的電流電壓量程

 

（3）按入電流開關，調節電流電位器，可以使電流輸出從0 – 1000（滿度）連讀可調，直到數字顯示出測量所需要的電流值（例6.28、4.53等）為止。準確的電流值應由數字顯示讀出，只要調節好某一量程電流輸出值后，其它各量程的電流會按此數字輸出，一旦電流調節好后，不必每次測量都調節，“ I調節“除了能改變恒流源電流外，還可以用來作為相應修正系數的輸入，使測量計算簡單，成為直接讀數。

（三）測量儀器在中斷時應將功能開關置“斷路”位置，電流開關按鈕復原。

測量：將功能開關撥到“測量”位置，按表 4-3要求設好電流量程位置，按入電流按鈕，數字屏有數字顯示，再根據測量誤差要求，撥動電壓量程，就可以得到所需的測量結果，再按“極性”開關，將電流反向測量一次。將兩次測量結果取平均值，這就是樣品的測量結果。

 

表（4-3）測量電阻率及薄層電阻時所要求的電流值

當放下探針，與樣品良好接觸。這時數字顯示如不為零，可以調節粗調和細調，使之為“0000”。當按入電流開關按鈕后。儀器的恒定電流流過樣品產生的電壓降再輸入儀器，由數字顯示。在測量半導體電阻率時數字和單位直接在數字屏上讀出。在測量電阻時,應將儀器顯示的單位“mΩ·Сm”、“Ω·Сm”、

“KΩ·Сm”相應看成“mΩ”、“Ω”、 “KΩ”，在測量薄層電阻時，同樣應將儀器顯示的單位“mΩ·Сm”、 “Ω·Сm”、 “KΩ·Сm”相應看成 “mΩ/□”、 “Ω/□”、 “KΩ□”,并且數字顯示值應乘上10倍。

如果要使測量更為準確些，在一次測量之后，再按一下極性開關，它測量電流方向與上次測量反相，再測量一次，測量結果取兩次測量的平均值。測量完畢后，退出電流按鈕。

   根據國家標準,儀器性能,從保證測試精度考慮。在電阻率測試時，推薦用戶采用以下電流電壓量程較合適。見表（4-4）所示

 

          表（4-4）電阻率測量時推薦的電流電壓量程選擇

 

測量前，先測好樣品厚度，測根據說明書末的附表查照,， K(厚度修正系數)

按測量步驟進行，根據表（4-2）選擇相對應的電流和電壓量程。

儀器與探頭聯結好，壓下探頭與樣品接觸好。

選擇“I調節”按（4-2）所示對應的電流電壓量程，根據不同樣品調節好，“I調節”參煺K。

不同形狀樣品電阻和電阻率的測量

（1）塊狀樣品電阻率測量，

塊狀電阻率，樣塊厚度≥6mm，R₀為6.28，

（2）薄片電阻率測量：

查表（說明書末）得K，例如硅片厚度1.00mm,查表得出0.4176。將儀器功能開關調節到“I調節  ”，對應用1mA、20mV檔，調節“I調節”電位器，使數字顯示“4.18”（四舍五入），然后再將電流開關彈出。

測量：將功能開關撥到“測量”位置，按表 4-2要求設好電流量程位置，按入電流按鈕，數字屏有數字顯示，再根據測量誤差要求，撥動電壓量程，就可以得到所需的測量結果，再按“極性”開關，將電流反向測量一次。將兩次測量結果取平均值，這就是樣品的測量結果。

    （3）薄層電阻（ 方塊電阻）測量,

按測量步驟進行,按表（4-2）對應的 “I調節”電流電壓量程，“I調節”為4.53即可。再按同樣測薄片電阻步驟，讀出的數值乘以10倍為實際的方塊電阻值。

     （4） 電阻(V/I)I測量:

附件測試線就是四端子測試夾（兩個紅色為電流測試夾，兩個黑色為電壓測試夾），供校驗用。在測量一般電阻器時，,按圖4-5，將這四個夾子，對應夾好樣品，將功能開關置于“I調節”，調節電流調節旋鈕，使I=1000（即100mA），“工作方式”開關置于電流，選擇適當的電壓量程后。按測量步驟，讀出數量為實際測量的電阻值。

 

              黑色

 

   紅色

                   

                      

                          I

                 （圖4-5） 電阻測量

                             

    （六）復校和維修    （一）復校

                 圖（5-1）電壓量程2 mV 、20 mV、200 mV、2 V校準法

  

為了保證儀器測試精度，必須定期（通常為90天或半年）對它進行復校與維修性的調整，當儀器經過劇烈震動運輸和濕度沖擊后，或者經過維修后，也應進行復校和維護性的調整。

 電氣箱部分：復校步驟如下 

（1）儀器按操作步驟，進行通電和自校

（2）如發現自校時誤差較大，而且重合性不好（自校時不超過±6字），說明可能某一量程的電壓或電流檔產生了誤差，可按下面步驟進行復校。

（ A ）首先校驗電壓量程，常用直流標準儀器進行校驗2mV、20mV、200mV和2V電壓檔。如圖5-1所示。

圖5-1中，電位差計可采用UJ-9、 UJ-24、UJ-25型作為直流標準電壓源，由它的未知電壓端EX輸出標準電壓信號，送到FZ-2010測試儀的輸入出2、3端（電壓輸入端），按2V、200mV、20mV, 2mV,次序進行校驗.如儀器顯示值與標準值之差大于規定值,可將上外殼取下,對照電氣箱內部結構圖 (5-2)，在電路壓板上看到標有0.2mV、20mV、20mV, 200mV,2V字樣的窗孔可以相應調節該量程窗孔內的電位器,使顯示值與標準電壓值誤差小于:0.1%,這樣2mV電壓量程校驗完畢.

 

         11      12                           13

圖5-2  儀器電氣箱內部結構示意圖          

 

圖中， 1.電源板;2.恒流源電源板;3.恒流源板;4.自校值調節電位器;5.單位小數點譯碼板; 6.2   V 量程調節電位器 7.放大器板 8.200mV量程調節電位器9.20 mV量程調節電位器10.數字顯示板11.220V電源輸入插頭插座 12.保險絲 13.機殼

 

W₁—2V量程調節電位器   W₂—200mV量程調節電位器  W₃—20mV量程調節電位器                W₄—2mV量程調節電位器  W₅—0.2mV量程調節電位器  W₆—2V恒流源滿度調節電位器

 

圖中， 1.電源板;2.恒流源電源板;3.恒流源板;4.自校值調節電位器;5.單位小數點譯碼板; 6.2    V 量程調節電位器 7.放大器板 8.200mV量程調節電位器9.20 mV量程調節電位器10.數字顯示板11.220V電源輸入插頭插座 12.保險絲 13.機殼

W₁—2V量程調節電位器   W₂—200mV量程調節電位器  W₃—20mV量程調節電位器                W₄—2mV量程調節電位器  W₅—0.2mV量程調節電位器  W₆—2V恒流源滿度調節電位器

 

 

 

 

 

 

               

圖(5-3)0.2mV檔電壓校準方法 0

對于0.2mV電壓量程,由于靈敏度高較高,用戶如有低電阻差計如UJ5型,可以按上面方法進行,否則可以采用電流—電壓降法進行,如圖(5-3)

圖 (5-3) 中,恒流源精度優于0.02%,輸出100mA電流,R_N為0.01Ω,標準電阻精度為0.01%,在R_N上產生0.1mV電壓來校驗0.2mV.

( B )電壓量程校準后,可以按  “自校”操作步驟.檢查儀器各量程時恒流源的準確度,如精度和各量程電流數值重合性超過規定值時,可以調節電路壓板上標有 “調節”字校窗孔內的電位器,使之合乎規定值.如果發現在10μA量程相差時可以調節附在電流量程開關上的電位器使其達到規定值.

 ( C )測試探頭,可按照國標GB1552-79中規定的探針系數和機械游移率測量方法進行,如果超差,則需要換新的探針配件.

（二）維修

    此儀器屬于高靈敏的精密半導體測量儀器。用戶不得擅自拆修。儀器在出廠一  年內電氣部分有自然故障，由生產單位負責修理，超過一年，修理費用由用戶承擔。

儀器的維修可根據工作原理進行。故障情況和原因是多種多樣的。現只能簡述如下：

1.功能開關置于“短路”，顯示穩定，零位調節有效,則電壓部分其本正常。探頭接入，并接觸樣品，再將功能開關置于“測量”，如顯示值亂跳，不穩定，則可能是電位探頭端導線斷開或者電位探針與樣品未接觸好，應檢查探頭部分和探頭的電纜插頭、接線。

2.測量選擇性開關置于 “短路”,顯示數值亂跳,可能是 “功能開關”開路,輸入導線開路或反饋導線脫開.如不是上述故障,可進一步檢查放大器和數字表電路是否發生故障.

3. “功能開關”置于 “自校”或 “I調節”位置.按下電流開關,數字顯示亂跳,呈現過載閃爍,可能是操作者未按照所規定的電流、電壓量程操作造成。如果無數字顯示，則檢查恒流源板是否有故障。

4.若樣品與探針接觸良好，功能開關置于“測量”，數字顯示穩定，調零后，按下電流開關，數字顯示無變化，則檢查電流探針及其它導線,插頭是否斷開，并檢查恒流源電路是否有故障。

5．電源開關開啟時，數碼管不亮，檢查儀器后面板上保險絲座是否燒斷或接觸不良，DC-DC變換器是否有輕微叫聲。如無叫聲，可檢查電源板12V輸出是否正常。DC-DC電路是否正常，輸出±5V是否正常。

6．探頭輸入插座，見圖（5-4）                 接地

    

 圖（5-4）     輸入插座圖

                      電流端子                       電壓端子

 

 

 

  附件: 1. 儀器使用說明書一份              2. 儀器合格證一份

          3. 手動6英寸四探針測試架一臺      4. 測試線一付

          5. 儀器電源線一根                  6. 校驗線一根

 

附表  探針測量薄片電阻率時,厚度修正系數表

   厚度修正系K，根據厚度W（單位mm）  ρ =  2τS(V/I )* F （W/S）

根據厚度d查出厚度修正系數K，例d=1.58 mm,查表得K為  0.5356；

例d=2.54 mm,查表得K為0.5990

探針測量薄片電阻率時,厚度修正系數表(DB-86)

ρ=2πs*V/I*F（表格左邊第一列和上邊第一排配合為W薄片厚度）

 

 

 

 

 

 

             圖5-2  儀器電氣箱內部結構示意圖             13

 

圖中， 1.電源板;2.恒流源電源板;3.恒流源板;4.自校值調節電位器;5.單位小數點譯碼板; 6.2    V 量程調節電位器 7.放大器板 8.200mV量程調節電位器9.20 mV量程調節電位器10.數字顯示板11.220V電源輸入插頭插座 12.保險絲 13.機殼

W₁—2V量程調節電位器   W₂—200mV量程調節電位器  W₃—20mV量程調節電位器                W₄—2mV量程調節電位器  W₅—0.2mV量程調節電位器  W₆—2V恒流源滿度調節電位器

 

 

 

 

 

 

               

 

圖(5-3)0.2mV檔電壓校準方法 0

 

對于0.2mV電壓量程,由于靈敏度高較高,用戶如有低電阻差計如UJ5型,可以按上面方法進行,否則可以采用電流—電壓降法進行,如圖(5-3)

圖 (5-3) 中,恒流源精度優于0.02%,輸出100mA電流,R_N為0.01Ω,標準電阻精度為0.01%,在R_N上產生0.1mV電壓來校驗0.2mV.

(2)電壓量程校準后,可以按  “自校”操作步驟.檢查儀器各量程時恒流源的準確度,如精度和各量程電流數值重合性超過規定值時,可以調節電路壓板上標有 “調節”字校窗孔內的電位器,使之合乎規定值.如果發現在10μA量程相差時可以調節附在電流量程開關上的電位器使其達到規定值.

 (3)測試探頭,可按照國標GB1552-79中規定的探針系數和機械游移率測量方法進行,如果超差,則需要換新的探針配件.

（二）維修

    此儀器屬于高靈敏的精密半導體測量儀器。用戶不得擅自拆修。儀器在出廠一  年內電氣部分有自然故障，由生產單位負責修理，超過一年，修理費用由用戶承擔。

儀器的維修可根據工作原理進行。故障情況和原因是多種多樣的。現只能簡述如下：

1.功能開關置于“短路”，顯示穩定，零位調節有效,則電壓部分其本正常。探頭接入，并接觸樣品，再將功能開關置于“測量”，如顯示值亂跳，不穩定，則可能是電位探頭端導線斷開或者電位探針與樣品未接觸好，應檢查探頭部分和探頭的電纜插頭、接線。

2.測量選擇性開關置于 “短路”,顯示數值亂跳,可能是 “功能開關”開路,輸入導線開路或反饋導線脫開.如不是上述故障,可進一步檢查放大器和數字表電路是否發生故障.

3. “功能開關”置于 “自校”或 “I調節”位置.按下電流開關,數字顯示亂跳,呈現過載閃爍,可能是操作者未按照所規定的電流、電壓量程操作造成。如果無數字顯示，則檢查恒流源板是否有故障。

4.若樣品與探針接觸良好，功能開關置于“測量”，數字顯示穩定，調零后，按下電流開關，數字顯示無變化，則檢查電流探針及其它導線,插頭是否斷開，并檢查恒流源電路是否有故障。

5．電源開關開啟時，數碼管不亮，檢查儀器后面板上保險絲座是否燒斷或接觸不良，DC-DC變換器是否有輕微叫聲。如無叫聲，可檢查電源板12V輸出是否正常。DC-DC電路是否正常，輸出±5V是否正常。

6．探頭輸入插座，見圖（5-4）                 接地

    

 圖（5-4）     輸入插座圖

                      電流端子                       電壓端子

 

 

 

 

  附件: 1. 儀器使用說明書一份              2. 儀器合格證一份

          3. 手動6英寸四探針測試架一臺      4. 測試線一付

          5. 儀器電源線一根                  6. 校驗線一根

   

 

 

 

附表  探針測量薄片電阻率時,厚度修正系數表

   厚度修正系K，根據厚度W（單位mm）

根據厚度d查出厚度修正系數K，例d=1.58 mm,查表得K為  0.5358；

例d=2.54 mm,查表得K為0.5990

探針測量薄片電阻率時,厚度修正系數表(DB-86)

ρ=2πs*V/I*F（表格左邊第一列和上邊第一排配合為W薄片厚度）

W  薄片厚度   S  探針間距離

 

 

五．復校和維修    （一）復校

     為了保證儀器測試精度，必須定期（通常為90天或半年）對它進行

復校與維修的調整，當儀器經過劇烈震動運輸和濕度沖擊后，或者經過維修后，也應進行復校和維護性的調整。

   電氣箱部分：復校步驟如下   儀器按操作步驟，進行通電和自校。如發現自校時誤差較大，而且重合性不好（自校時不超過±4字），說明可能某一量程的電壓或電流檔產生了誤差，可按下面步驟進行復校。

用標準電阻校驗  將四端子校驗線的電壓、電流夾與精度為0.01級的標準電阻連接,校驗各檔選取的標準電阻見表(5-1),如果誤差大于0.3%,則還需進行下列校驗.

表(5-1)校驗用標準電阻  

(2)電壓量程校驗   常用直流標準儀器法進行。如圖（5-1）所示。

                 圖（5-1）電壓量程20 mV、200 mV、2 V校準法

圖中電位差計可采用UJ-9 、UJ-25型作為直流標準電壓源，由它的未知電壓端EX輸出標準電壓信號，送到半導體電阻率測試儀的電壓端，按2V、200mV, 20mV,次序進行校驗.如儀器顯顯示值與標準值大于規定值,可將上外殼取下,如圖(5-2)所示.可以相應調節電路板上電位器顯示值與標準電壓值誤差:0.1%,這樣電壓量程校驗完畢.

 

 

 

 

  使探頭接觸到樣品，功能開關置于“測量”，撥動電流量程開關與電壓量程開關，置于樣品測量所適合的電流（見注意事項），調節粗調和細調、調零。使數字顯示為“0000”，按下電流開關，由數字顯示板和單位顯示燈直接讀出測量值和單位。如果數字顯示熄滅只剩下“-1”或“1”，則測量數值已超過此電壓量程開關撥到更高檔，讀數后退出電流開關，數字將恢復到零位，否則應重新測量，在儀表處于高靈敏度電壓檔時更要經常檢查零位，再將極性開關撥至下方（負極性），按下電流開關，從數字顯示板和單位顯示燈可以讀出負極性的測量值，將兩次測量得的電阻率值取平均，即為樣品在該處的電阻率值。

 

用標準電阻校驗  將四端子校驗線的電壓、電流夾與精度為0.01級的標準電阻連接,校驗各檔選取的標準電阻見表(5-1),如果誤差大于0.3%,則還需進行下列校驗.

 

 

 

 

 

 

11              12

                                                        2

             圖5-2  儀器電氣箱內部結構示意圖             13

圖中， 1.電源板;2.恒流源電源板;3.恒流源板;4.自校值調節電位器;5.單位小數點譯碼板; 6.2    V 量程調節電位器 7.放大器板 8.200mV量程調節電位器9.20 mV量程調節電位器10.數字顯示板11.220V電源輸入插頭插座 12.保險絲 13.機殼

 (2)儀器恒流源電流量程的校驗的電路接線圖(5-3)

 

 

 

 

 

 

                圖(5-3)電流量程校驗圖

圖中 R_N精度為0.01%的標準電阻箱可從10Ω--10KΩ范圍內可調.操作儀器電流調節,使儀器顯示為 “1000”,這時各量程電流應為滿量程值輸出,電流通過標準電阻R_N產生電壓降為V_N==IR_N,由五位數字電壓表輸出,這樣可分別對各量程恒流電流進行校驗.如果發現在10μA量程相差時可以調節附在電流量程開關上的電位器使其達到規定值.

(2)自校值校驗:儀器工作方式開關置于 “自校”位置,按入電流開關,儀器應顯示規定的自校值.如超過±4字時,可以調節恒流源板上的調節電位器(圖5-2中的4)使之達到原定值.

（二）維修  此儀器屬于高靈敏的精密半導體測量儀器。用戶不得擅自拆修。儀器在出廠一年內電氣部分有自然故障，由生產單位負責修理，超過一年，修理費用由用戶承擔。儀器的維修可根據工作原理進行。故障情況和原因是多種多樣的。現只能簡述如下：

1.測量選擇開關置于“短路”，顯示穩定，零位調節有效（這時“工作方式”天關應撥離“I調節”和自校位置。這兩檔是無法調零的），則電壓部分其本正常。探頭接入，并接觸樣品，再將工作選擇開關置于“測量”顯示值亂跳，不穩定，則可能是電位探頭端導線斷開或者電位探針與樣品未接觸好，應檢查探頭部分和探頭的電纜插頭、接線。

2.測量開關置于 “短路”,顯示數值亂跳,可能是工作方式開關開路,輸入導線開路或反饋導線脫開.如不是上述故障,可進一步檢查放大器和數字表電路是否發生故障.

3. “工作開關”置于 “自校”或 “I調節”位置.按下電流開關,數字顯示亂跳,呈現過載閃爍,可能是操作者未按照表(5-4)中所規定的電流、電壓量程操作造成。如果無數字顯示，則檢查恒流源板是否有故障。

4.若樣品與探針接觸良好，測量選擇開關置于“測量”，數字顯示穩定，調零后，按下電流開關，數字顯示無變化，則檢查電流探針及其它導線]插頭是否斷開，并檢查恒流源電路是否有故障。

5．電源開關開啟時，數碼管不亮，檢查儀器后面板上保險絲座是否燒斷或接觸不良，DC-DC變換器是否有輕微叫聲。如無叫聲，可檢查電源板12V輸出是否正常。DC-DC電路是否正常，輸出±5V是否正常。

6．探頭輸入插座，見圖（5-4）                 接地

    

 圖（5-4）     輸入插座圖

                      電流端子                       電壓端子

 

 

 

 

儀器為臺式結構，分為電氣箱（圖4-3和4-4）（見下列電路組成）、測試架（見圖4-1）兩部分組成,可以根據測試需要安放在工作臺上調試工作.測試架由探頭、壓力傳動機構、樣品臺組成。接頭采用精密加工，配有寶石導套，使測量誤差大大減少，且壽命長。探頭內有彈簧加力裝置，測試架備有粗調和細調裝置。

在半導體材料斷面測量時，直徑范圍Φ15∽100mm，其高度為400 mm，如果要對大于400 mm長單晶的斷面測量，可以將升降架升高或者加長主柱，測試架有專門的屏蔽導線插頭與電氣箱聯結。

(一)        測試架圖如下

 

儀器在中斷時應將選擇開關置“斷路”位置，電流開關按鈕復原。

測量：將功能開關撥到“測量”位置，按表  要求設好電流量程位置，按入電流按鈕，數字屏有數字顯示，再根據測量誤差要求，撥動電壓量程，就可以得到所需的測量結果，再按“極性”開關，將電流反向測量一次。將兩次調查結困取平均值，這就是樣品的測量結果。

當放下探針，與樣品良好接觸。這時數字顯示如不為零，可以調節粗調和細調，使之為“0000”。當按入電流開關按鈕后。儀器的恒定電流流過樣品產生的電壓降再輸入儀器，由數字顯示。在測量半導體電阻率時數字和單位直接在數字屏上讀出。在測量電阻時應將儀器顯示的單位“mΩ·Сm”、 “Ω·Сm”、

“KΩ·Сm”相應看成“mΩ”、 “Ω”、 “KΩ”，在測量薄層電阻時，同樣應將儀器顯示的單位“mΩ·Сm”、 “Ω·Сm”、 “KΩ·Сm”相應看成

“mΩ/□”、 “Ω/□”、 “KΩ□”并且數字顯示值應乘上10倍。

如果要使測量更為準確些，在一次測量之后，再按一下極性開關，它測量電流方向與上次測量反相，再測量一次，測量結果取兩次測量的平均值。測量完畢后，退出電流按鈕。

 

（二）電阻率測量

                                L

                                                

                                                  S

 

                           圖（3-1）

        VS         VτD²            V

ρ  =  -------  =  ------  =   K  -----      （3-1）

        IL          4IL             I

式中：V  電位電極電壓上的電壓降； I 通過試樣的電流

S  試樣的截面積； L  電位電極之間的距離； D 圓柱形試樣的直徑

。

     ，                                  S       ΤD²

為了使儀器能直接顯示試樣的電阻率，設I = --- =  -------  = K（3-2）

                          L       4L

式中，K 為體積修正系數，當電流I=K時  ρ=V，直接在儀器中讀出，

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附錄；四探針測試架操作說明

附錄；四探針測試架操作說明

1．測量好薄片厚度。

2．對照下面提供的薄片電阻率厚度修正系數表格，由厚度決定修正系數F。例如硅片厚度0.23mm,查表得出0.1659。將儀器功能開關調節到“I調節位置”，旋動“電流調節”電位器（先將電流開關按入），使數字顯示“166”（四舍五入），然后再將電流開關彈出。

3．按照表（5-2）選擇好電流量程，例如電阻率范圍在0.4--60ΩCm時,電流量程選擇在1mA.電阻率在60∠ρ>800ΩCm時電流量程可選擇在100μA等.

    表（5-1）測是電阻時電壓電流量程選擇

     4.選擇好電壓量程.見表(5-3).它決定電阻率顯示的數字位數和測量精度.

   

根據國家及ASTM標準，儀器性質從保證測試精度考慮，在電阻率測試時，推薦用戶采用以下電流電壓程較合適。見表（5-3）所示

 

          表（5-3）測量電阻率及薄層電阻時推薦的電流電壓量程選擇

5.將”功能開關”撥到 “6.28”處.測量選擇開關撥到測量位置.

     6.操作測試架,使探頭與硅片接觸,觀察儀器數字顯示,應為 “000”如果不為  “000”,可以調節 “調零電位器”.使之達到或者加大探頭壓力后,再調節到 “000”.

     7.按入 “電流開關” 儀器即顯示為薄片測量的電阻率值,記錄下.

     8.按動  “極性開關”,使電流反向,讀出反向測量時的電阻率值,記下

     9.將二次測量的絕對值相加后取平均值,即為薄片電阻率值.彈出電流開關,測量完畢.

    以上為測量薄片電阻率的測量步驟.

 

1.    如果樣品厚度大于6mm的塊狀電阻率時.所不同的是將2步驟改為 “I

調節”到 “1000”即可.測量電阻時.和方塊電阻一樣.其它3—9步驟相同.

2.    測量方塊電阻時,除2步驟改為調到 “1000”外,功能開關還應撥到

“4.532”處.

3.    測量電阻時,2步驟調到  “1000”, 5步驟應撥到  “1”位置,其它3—9均相同.

4.    如果測量硅片時溫度不在23⁰C時,還需將測量進行溫度修正.

   

 

 

 

 

試樣電阻率：    ρ= ---  =  -----  ==----- ×  K   - - - - -  （3-2）

     IL      4IL        I

 

式中：V電位電極上的電壓降；I通過試樣的電流；S試樣的截面積；L電位電極之間的距離                 πD²   

   D為 圓柱形試樣的直徑    K== ---------        K為體積修正系數

                            4 L    

為了使儀器能直接顯示試樣的電阻率，儀器設定電流  I== K 時，測量出ρ=V，可以直接由電壓表讀出。查附表可得出不同的電位電極L、D和相應的體積修正系數。

式中，

 

2．測試    將高度基準從

“測量選擇”開關置于“測量”檔,調節電壓調零旋鈕使數字顯示為 “0000”,然后按入電流開關,數字顯示出電阻率值。如果數字表僅有第一位“1”顯示。其它數字熄滅，說明已過載。可以將電壓量程按入更高一檔量程；再按極性開關，將測量電流方向反向，得到反方向電流時的電阻率值。如果要再進行精確測量，應當讀取正、反向電流二次測量的電阻率，取平均值。

（四）一般電阻器的測量：將粉末測試臺的電極測試頭撤去，專用的四端子測試夾（附件）。按圖（4-5）所示位置夾好四個夾子，將測量選擇天關置“I調節”調節電流調節旋鈕，使I==10000（即100mA）“工作方式”開關置于“I”選擇適當的電壓量程后測量之。      A

                           

                            V

          紅色    黑  色               黑  色    紅色

 

                             電阻

圖（4-5）一般電阻測試圖

（五）固態試樣操作見四探針測試臺的說明。

表(5-1)校驗用標準電阻  

(2)電壓量程校驗   常用直流標準儀器法進行。如圖（5-1）所示。

四探針測試架由探頭及壓力傳動機構，樣品臺組成，探頭采用精密加工，配有寶石導管，使測量誤解差在為減少，且壽命長，探頭內有彈簧加力裝置，測試架還有高度精調、細調裝置。，

    在半導體材料斷面測量時，直徑范圍15--100mm，其高度為400mm，如果要對大于400mm長單晶斷面測量，可以將升降升高或加長主柱，測試架有專門的屏蔽導線插頭和電氣箱聯結。，