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北京恒奧德科技有限公司 010-51666869 傳 真：010-69807135 13120411557 18701256112 聯(lián)系人：李紅慧 1575574360 1321298635 1445496132 號院16號樓317 （北京市地質(zhì)工程勘察院院內(nèi)）
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技術(shù)文章
便攜式四探針電阻率測試儀 GSZ-RTS-2/GSZ-RTS-2A 使用說明書
一. 概 述
數(shù)字式四探針測試儀是運用四探針測量原理的多用途綜合測量設(shè)備。該儀器按照單晶硅物理測試方法國家標準并參考美國 A.S.T.M 標準而設(shè)計的，專用于測試半導(dǎo)體材料電阻率及方塊電阻(薄層電阻)的專用儀器。
儀器采用了最新電子技術(shù)進行設(shè)計、裝配。具有功能選擇直觀、測量取數(shù)快、精度高、測量范圍寬、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊、易操作等特點。
本儀器適用于半導(dǎo)體材料廠、半導(dǎo)體器件廠、科研單位、高等院校對半導(dǎo)體材料的電阻性能測試。
二. 技 術(shù) 指 標
2.1 測量范圍
電阻率：0.01～1999.9Ω.cm(可擴展)；
方塊電阻：0.1～19999/□(可擴展)；
電阻：0.01～1999.9Ω.cm；
2.2 恒流源
電流量程分為 100μA、1mA二檔，二檔電流連續(xù)可調(diào)；
2.3 數(shù)字電壓表
量程及表示形式：000.00～199.99mV；
分辨力：10μV；
輸入阻抗：＞1000MΩ；
精度：±0.1%；
顯示：四位半紅色發(fā)光管數(shù)字顯示；極性、超量程自動顯示；
2.4 四探針探頭基本指標
間距：1±0.01mm；
針間絕緣電阻: ≥1000MΩ；
機械游移率: ≤0.3％；
探針：碳化鎢或高速鋼材質(zhì)，探針直徑Ф0.5mm；
探針壓力：5～16 牛頓(總力)；
2.5 四探針探頭應(yīng)用參數(shù)
見探頭附帶的合格證，合格證含三參數(shù)項：
C：探針系數(shù)； F：探針間距修正因子； S：探針平均間距；
2.6 模擬電阻測量相對誤差（按 JJG508-87 進行）
1Ω、10Ω、100Ω≤0.3％±１字；
2.7 整機測量最大相對誤差
(用硅標樣片:0.01-180Ω.cm 測試)≤±5％；
2.8 整機測量標準不確定度
≤5％；
2.9 外型尺寸（大約）
電氣主機: 125mm(寬)×145mm(高)×245mm；(深)
2.10 儀器重量（大約）
電氣主機: 1.5kg；
2.11 標準使用環(huán)境
溫度:：23±2℃； 相對濕度：≤65％； 無高頻干擾； 無強光直射；
三．測 量 原 理
將四根排成一條直線的探針以一定的壓力垂直地壓在被測樣品表面上，在 1、4 探針間通以電流 I(mA)，2、3 探針間就產(chǎn)生一定的電壓 V(mV)(如圖1)。測量此電壓并根據(jù)測量方式和樣品的尺寸不同，可分別按以下公式計算樣品的電阻率、方塊電阻、電阻：
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圖１.直線四探針法測試原理圖 |
|
V |
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1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
↑ |
|
↓ |
①. 薄圓片(厚度≤4mm)電阻率：
F（D/S）╳ F（W/S）╳ W ╳ Fsp Ω·cm …(1)
其中：D—樣品直徑，單位：cm或mm，注意與探針間距S單位一致；
S—平均探針間距，單位：cm或mm，注意與樣品直徑D單位一致(四探針頭合格證上的S值)；
W—樣品厚度，單位：cm，在F(W/S)中注意與S單位一致；
Fsp—探針間距修正系數(shù)(四探針頭合格證上的F值)；
F(D/S)—樣品直徑修正因子。當D→∞時，F(xiàn)(D/S)=4.532，有限直徑下的F(D/S)由附表A查出：
F(W/S)—樣品厚度修正因子。W/S<0.4時，F(xiàn)(W/S)=1；W/S>0.4時，F(xiàn)(W/S)值由附表B查出；
I—1、4探針流過的電流值，選值可參考表5.2(第6頁表5.2)；
V—2、3探針間取出的電壓值，單位mV；
②. 薄層方塊電阻Ｒ□：
Ｒ□＝ F（D/S）╳F（W/S）╳ Fsp Ω/□ …(2)
其中：D—樣品直徑，單位：cm或mm，注意與探針間距S單位一致；
S—平均探針間距，單位：cm或mm，注意與樣品直徑D單位一致(四探針頭合格證上的S值)；
W—樣品厚度，單位：cm，在F(W/S)中注意與S單位一致；
Fsp—探針間距修正系數(shù)(四探針頭合格證上的F值)；
F(D/S)—樣品直徑修正因子。當D→∞時，F(xiàn)(D/S)=4.532，有限直徑下的F(D/S)
由附表A查出：
F(W/S)—樣品厚度修正因子。W/S<0.4時，F(xiàn)(W/S)=1；W/S>0.4時，F(xiàn)(W/S)值由附表B查出；
I—1、4探針流過的電流值，選值可參考表5.1(第6頁表5.1)；
V—2、3探針間取出的電壓值，單位mV；
①雙面擴散層方塊電阻Ｒ□
可按無窮大直徑處理，此時F(D/S)=4.532，由于擴散層厚度W遠遠小于探針間距，故F(W/S)=1，此時
Ｒ□=4.532 Fsp
②單面擴散層、離子注入層、反型外延層方塊電阻
此時F(D/S)值應(yīng)根據(jù)D/S值從附表A中查出。另外由于擴散層、注入層厚度W遠遠小于探針間距，故F(W/S)=1，此時有
Ｒ□＝ F（D/S） Fsp
③. 棒材或厚度大于 4mm 的厚片電阻率ρ：
當探頭的任一探針到樣品邊緣的最近距離不小于 4S 時，測量區(qū)的電阻率為：
Ω·cm …(3)
其中：C＝2πS為探針系數(shù)，單位：cm (四探針頭合格證上的C值)；
S 的取值來源于:1/S=（1/S1 +1/S3 –1/(S1+S3) –1/(S2+S3)），S1為(1-2)針、S2為(2-3)針、
S3 為(3-4)針的間距，單位：cm；
I—1、4探針流過的電流值，單位mA,選值可參考表5.2(第6頁表5.2)；
V—2、3探針間取出的電壓值，單位mV；
④. 電阻的測量：
應(yīng)用恒流測試法，電流由樣品兩端流入同時測量樣品兩端壓降。樣品的電阻為：
Ω …(3)
其中：I—樣品兩端流過的電流值，單位mA,選值可參考表5.2(第6頁表5.2)；
V—樣品兩端取出的電壓值，單位mV；
儀器電氣原理如下圖所示
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220V
電源
濾波
(一) |
|
濾波
穩(wěn)壓(二) |
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恒流 |
|
電流選檔換向控制 |
|
樣品測試 |
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A/D
轉(zhuǎn)換 |
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顯示 |
四．儀 器 面 板 說 明
1.主機前面板
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項目 |
說明 |
|
L |
顯示測試值的數(shù)據(jù)顯示屏，在不同的測試狀態(tài)下分別用來顯示樣品的測試電流值、方塊電阻測量值、電阻率測量值。 |
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U |
測試值的單位指示燈。 |
|
K1 |
測量電流量程選擇按鍵，共2個量程檔,當按下按鈕后在“1mA”和“100μA “量程檔間切換，同時選擇的量程檔上方的指示燈會亮。 |
|
K2 |
“R□ /ρ”測量選擇按鍵，即是測量樣品的方塊電阻還是電阻率的選擇按鍵，開機時自動設(shè)置在“Ｒ□ ”位。按下此按鍵會在這兩種測量狀態(tài)下切換，按鍵上方的相應(yīng)的指示燈會亮表示現(xiàn)處的測量類別。 |
|
K3 |
“電流/測量“方式選擇按鍵，開機時自動設(shè)置在“I”位；按下此按鍵會在這兩種模式下切換，按鍵上方的相應(yīng)的指示燈會亮表示現(xiàn)處的狀態(tài)。即當處在“I”時表示數(shù)據(jù)顯示屏顯示的是樣品測量電流值，用戶可根據(jù)測量樣品調(diào)節(jié)量程按鍵或電位器獲得適合樣品測量的電流。當在“ρ/ R□”時表示現(xiàn)處于測量模式下，數(shù)據(jù)顯示屏顯示的是方塊電阻或電阻率的測量值。 |
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K4 |
電流換向按鍵，按鍵上方“I+“的燈亮時表示正向。”I-“滅時表示反向。 |
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W1,W2 |
W1 －電流粗調(diào)電位器；W2 －電流細調(diào)電位器。 |
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K |
主機電源開關(guān) |
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P |
主機連接四探針頭的端口 |
五. 使 用 方 法
首先按后面板說明用連接電纜將四探針探頭與主機連接好，接上電源，再按以下步驟進行操作：
1. 開啟主機電源開關(guān)，此時“R□”和“I”指示燈亮。預(yù)熱約10分鐘；
2. 估計所測樣品方塊電阻或電阻率范圍:
按表5.1和表5.2選擇適合的電流量程對樣品進行測量，按下 K1鍵選擇量程；(如無法估計樣品方塊電阻或電阻率的范圍，則可先以“100μA”量程進行測量，再以該測量值作為估計值按表5.1和表5.2選擇電流量程得到精確的測量結(jié)果）
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| ||||||||||||||||
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表 5.1 |
表 5.2 | ||||||||||||||||
3. 確定樣品測試電流值:
推薦按以下方法，根據(jù)不同的樣品測試類別計算出樣品的測試電流值，然后調(diào)節(jié)主機W1、W2電位器使測試電流為此電流值，即可方便得到需要測試樣品的精確測試結(jié)果。
①. 測試薄圓片（厚度≤4mm）的電阻率：
按以下公式:(詳細說明見“測量原理簡介”)
ρ＝ V/I ╳ F（D/S）╳F（W/S）╳W ╳Fsp ╳10n （Ω·cm）
選取測試電流I：I= F（D/S）╳ F（W/S）╳ W ╳ Fsp╳10n。(式中各參數(shù)按“測量原理簡介”中的定義可分別得出，n是整數(shù)與量程檔有關(guān))然后按此公式計算出測試電流數(shù)值。
§ 在儀器上調(diào)整電位器“W1”和“W2”，使測試電流顯示值為計算出來測試電流數(shù)值。
§ 按以上方法調(diào)整電流后,按“K3”鍵選擇“R□ /ρ”, 按“K2”鍵選擇“ρ”,儀器則直接顯示測量結(jié)果(Ω·cm)。然后按“K4”鍵進行正反向測量，正反向測量值的平均值即為此點的實際值。
例1：測厚度為0.63mm、直徑為76mm的硅片，巳知F=1.01，由于探針平均間距S=1mm，故D/S=76，從附表A中查得F(D/S)=4.526，附表B中查得F(W/S)=0.9894，故
I=4.526×0.9894×0.63×1.01×10n=2.849×10n，顯示器顯示電流數(shù)為2849;
例2：測厚度為0.32mm、直徑為76mm的硅片，巳知F=1.003，由于探針平均間距S=1mm，故D/S=76，從附表A中查得F(D/S)=4.526，附表B中查得F(W/S)=1，故
I=4.526×0.32×1.003×10n=1.453×10n，顯示器顯示電流數(shù)為1453;
例3：測厚度為0.22mm、直徑為100mm的硅片，巳知F=1.01，由于探針平均間距S=1mm，故D/S=100，從附表A中查得F(D/S)=4.528，附表B中查得F(W/S)=1，故
I=4.528×0.22×1.01×10n=0.996×10n，顯示器顯示電流數(shù)為996;
②. 測試薄層方塊電阻R□：
按以下公式:(詳細說明見“測量原理簡介”)
Ｒ□＝ V/I ╳ F（D/S）╳ F（W/S） ╳ Fsp ╳ 10n （Ω/□）
選取測試電流I：I= F（D/S）╳ F（W/S）╳ Fsp╳10 n。（式中各參數(shù)按“測量原理簡介”中的定義可分別得出，n是整數(shù)與量程檔有關(guān)）然后計算出測試電流值。
§ 在儀器上調(diào)整電位器“W1”和“W2”，使測試電流顯示值為計算出來測試電流數(shù)值。
§ 按以上方法調(diào)整電流后,按“K3”鍵選擇“R□ /ρ”, 按“K2”鍵選擇“R□”,儀器則直接顯示測量結(jié)果(Ω/□)。然后按“K4”鍵進行正反向測量，正反向測量值的平均值即為此點的實際值。
例1：測單面擴散層的硅片方塊電阻。巳知D=100mm，F(xiàn)=1.001，從附表A中查得F(D/S)=4.528，故
I=4.528×1.001×10n=4.533×10n，顯示器顯示電流數(shù)為4533;
例2：測雙面擴散層的硅片方塊電阻。巳知F=1.001，從附表A中查得F(D/S)=4.532，F(xiàn)(W/S)=1，故
I=4.532×1.001×10n=4.536×10n，顯示器顯示電流數(shù)為4536;
例3：測離子注入層的硅片方塊電阻。已知D=76mm，F(xiàn)=1.01從附表A中查得F(D/S)=4.526，故
I=4.526×1.01×10n=4.571×10n，顯示器顯示電流數(shù)為4571。
③. 測試棒材或厚度大于 4mm 的厚片電阻率ρ：
按以下公式:(詳細說明見“測量原理簡介”)
ρ＝ V/I ╳ C ╳ 10n （Ω·cm）
選取測試電流I：I= C ╳ 10n。(式中參數(shù)C的說明見“測量原理簡介” ，n是整數(shù)與量程檔有關(guān))然后得出測試電流值。
§ 在儀器上調(diào)整電位器“W1”和“W2”，使測試電流顯示值為計算出來測試電流數(shù)值。
§ 按以上方法調(diào)整電流后,按“K3”鍵選擇“R□ /ρ”, 按“K2”鍵選擇“ρ”,儀器則直接顯示測量結(jié)果(Ω·cm)。然后按“K4”鍵進行正反向測量，正反向測量值的平均值即為此點的實際值。
例1：巳知某一四探針頭C=6.278，故
I=6.278×10n，顯示器顯示電流數(shù)為6278。
④. 測試電阻R：
按以下公式:(詳細說明見“測量原理簡介”)
R＝ V/I ╳ 10n （Ω）
選取測試電流I：I= 1 ╳ 10n。顯示器顯示電流數(shù)為10000。
§ 在儀器上調(diào)整電位器“W1”和“W2”，使測試電流顯示值為計算出來測試電流數(shù)值。
§ 按以上方法調(diào)整電流后,按“K3”鍵選擇“R□ /ρ”, 按“K2”鍵選擇“ρ”,儀器則直接顯示測量結(jié)果(Ω·cm)。然后按“K4”鍵進行正反向測量，正反向測量值的平均值即為此點的實際值。
附表A：直徑修正系數(shù)F(D/S)與D/S值的關(guān)系
|
D/S值 |
中心點 |
半徑中點 |
距邊緣6mm處 | ||
|
>200 |
4.532 |
|
| ||
|
200 |
4.531 |
4.531 |
4.462 | ||
|
150 |
4.531 |
4.529 |
4.461 | ||
|
125 |
4.530 |
4.528 |
4.460 | ||
|
100 |
4.528 |
4.525 |
4.458 | ||
|
76 |
4.526 |
4.520 |
4.455 | ||
|
60 |
4.521 |
4.513 |
4.451 | ||
|
51 |
4.517 |
4.505 |
4.447 | ||
|
38 |
4.505 |
4.485 |
4.439 | ||
|
26 |
4.470 |
4.424 |
4.418 | ||
|
25 |
4.470 |
|
| ||
|
22.22 |
4.454 |
|
| ||
|
20.00 |
4.436 |
|
| ||
|
18.18 |
4.417 |
|
| ||
|
16.67 |
4.395 |
|
| ||
|
15.38 |
4.372 |
|
| ||
|
14.28 |
4.348 |
|
| ||
|
13.33 |
4.322 |
|
| ||
|
12.50 |
4.294 |
|
| ||
|
11.76 |
4.265 |
|
| ||
|
11.11 |
4.235 |
|
| ||
|
10.52 |
4.204 |
|
| ||
|
10.00 |
4.171 |
|
|
附表B：厚度修正系數(shù)F(W/S)與W/S值的關(guān)系
|
W/S值 |
F（W/S） |
W/S值 |
F（W/S） |
W/S值 |
F（W/S） |
W/S值 |
F（W/S） |
|
<0.400 |
1.0000 |
0.530 |
0.9962 |
0.665 |
0.9858 |
0.800 |
0.9663 |
|
0.400 |
0.9997 |
0.535 |
0.9960 |
0.670 |
0.9853 |
0.805 |
0.9654 |
|
0.405 |
0.9996 |
0.540 |
0.9957 |
0.675 |
0.9847 |
0.810 |
0.9644 |
|
0.410 |
0.9996 |
0.545 |
0.9955 |
0.680 |
0.9841 |
0.815 |
0.9635 |
|
0.415 |
0.9995 |
0.550 |
0,9952 |
0.685 |
0.9835 |
0.820 |
0.9626 |
|
0.420 |
0.9994 |
0.555 |
0.9949 |
0.690 |
0.9829 |
0.825 |
0.9616 |
|
0.425 |
0.9993 |
0.560 |
0.9946 |
0.695 |
0.9823 |
0.830 |
0.9607 |
|
0.430 |
0.9993 |
0.565 |
0.9943 |
0.700 |
0.9817 |
0.835 |
0.9597 |
|
0.435 |
0.9992 |
0.570 |
0.9940 |
0.705 |
0.9810 |
0.840 |
0.9587 |
|
0.440 |
0.9991 |
0.575 |
0.9937 |
0.710 |
0.9804 |
0.845 |
0.9577 |
|
0.445 |
0.9990 |
0.580 |
0.9934 |
0.715 |
0.9797 |
0.850 |
0.9567 |
|
0.450 |
0.9989 |
0.585 |
0.9930 |
0.720 |
0.9790 |
0.855 |
0.9557 |
|
0.455 |
0.9988 |
0.590 |
0.9927 |
0.725 |
0.9783 |
0.860 |
0.9546 |
|
0.460 |
0.9987 |
0.595 |
0.9923 |
0.730 |
0.9776 |
0.865 |
0.9536 |
|
0.465 |
0.9985 |
0.600 |
0.9919 |
0.735 |
0.9769 |
0.870 |
0.9525 |
|
0.470 |
0.9984 |
0.605 |
0.9915 |
0.740 |
0.9761 |
0.875 |
0.9514 |
|
0.475 |
0.9983 |
0.610 |
0.9911 |
0.745 |
0.9754 |
0.880 |
0.9504 |
|
0.480 |
0.9981 |
0.615 |
0.9907 |
0.750 |
0.9746 |
0.885 |
0.9493 |
|
0.485 |
0.9980 |
0.620 |
0.9903 |
0.755 |
0.9738 |
0.890 |
0.9482 |
|
0.490 |
0.9978 |
0.625 |
0.9898 |
0.760 |
0.9731 |
0.895 |
0.9471 |
|
0.495 |
0.9976 |
0.630 |
0.9894 |
0.765 |
0.9723 |
0.900 |
0.9459 |
|
0.500 |
0.9975 |
0.635 |
0.9889 |
0.770 |
0.9714 |
0.905 |
0.9448 |
|
0.505 |
0.9973 |
0.640 |
0.9884 |
0.775 |
0.9706 |
0.910 |
0.9437 |
|
0.510 |
0.9971 |
0.645 |
0.9879 |
0.780 |
0.9698 |
0.915 |
0.9425 |
|
0.515 |
0.9969 |
0.650 |
0.9874 |
0.785 |
0.9689 |
0.920 |
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W/S值 |
F（W/S） |
W/S值 |
F（W/S） |
W/S值 |
F（W/S） |
W/S值 |
F（W/S） |
|
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