電子封裝綜合試驗報告

1、JC海工卷在才/孝Shanghai University of Engineering Science電子封裝綜合實驗A實驗報告名 稱：四探針法測電阻率院 系：材料工程學院學 號：姓 名：授課教師：完成時間：實驗目的電阻率是反映半導體材料導電性能的重要參數(shù)之一。測量電阻率的方法很多， 四探針法 是一種廣泛采用的標準方法。 它的優(yōu)點是設備簡單、 操作方便、測量比較準確、對樣品的形狀 無嚴格要求等優(yōu)點。本實驗的目的是： 掌握四探針測量方塊電阻的原理和測試方法；具體學習并掌握 RTS-9 型雙電測四探針測試儀的原理和薄膜電阻率的測試操作流程和數(shù)據(jù)分析整理。實驗原理在一塊相對于探針間距可視為半無窮大的

2、電阻率均勻的樣品上，有兩個點電流源1、4;電流由電流源1流入，從 電流源4流出；2、3是樣品上另外兩個探針的位置， 它們相對于1、4 兩點的距離分別為 “2、42、33、43,如圖1所示。在半無窮大的均勻樣品上點電流源所產(chǎn)生的電力線具有球面對稱性，即等勢面為一系列以點電 流源為中心的半球面，如圖 2所示。圖2點電流源電場分布(理想半無窮大樣品，虛線為等勢面)若樣品電阻率為p,樣品電流為I,則在距離點電流源為I又根據(jù)電流密度與電場強度E的關系：其中b是電導率(S/m)o由公式(1) - (2)匚J E =一二=2 c 2；-2r2-2 r2r處的電流密度J為:J 二 E；： 可得：I 7(2)其

3、中p是材料的電阻率。根據(jù)電場強度和電勢梯度的關系及球面對稱性可得:取r為無窮遠處的電勢 V為零，則:V(r)0 dV=.二一Edrd甲E 二一drI P rdr22 二:-rV(r)=(4)(5-1)(5-2)式（5-2）代表一個點電流源對距r處點的電勢的貢獻。在圖 1的情況，2、3兩點的電勢應為1、4兩個相反極性的點電流源的共同貢獻，即:、，I 1 1V2(一2 二12(6)2、3探針的電勢差為:門1111V23 =V2 -V3 =()2r12r24r13r34(8)由此可以得出樣品的電阻率為:?=2723(- - -)JIr123r13n(9)這就是利用四探針法測量電阻率的普遍公式。只需測

4、出流過 1、4探針的電流；2、3探針間的電勢差V23以及四根探針之間的距離，就可使用（9）式求出樣品的電阻率。最常用的是直線型四探針。四根探針的針尖在同一直線上，并且間距相等，都是S,如圖3所示。圖3四探針法測試原理圖代入公式（9）可得:：；二2二5牛（10）公式（10）是在半無窮大樣品的基礎導出的。實際上只要樣品厚度及邊緣與探針之間的最近距離大于4倍探針間距，公式（10）式就具有足夠的精確度。如果被測樣品不是半無窮大，而是厚度、橫向尺寸一定，進一步的分析表明，在四探針法中只要對公式引入適當?shù)男拚禂?shù) 氏即可，修正后的計算公式為： 2. SV23（10）IB0式中氏為修正系數(shù)，已有人對一些常用

5、的樣品情況對R的數(shù)值作了計算，列表以供查找。另一種情況是極薄樣品，如圖4,極薄樣品是指樣品厚度d比探針間距小很多，而橫向尺寸為無窮大的樣品，這時從探針1流入（和從探針4流出）的電流I在半徑r處實際上是通過一個高為d的圓柱面流開的（圖 5）,圓柱面的總面積就等于 2兀rd,所以，距探針r處，平均電流密度 為1/（2兀rd）其電場強度：(11)(12)(13)：I2 二 rd相應的電勢函數(shù):V(r) = V(r)d = / -Edr = j史=ln r +常數(shù)0二 2二d 二 r2二 d類似于上面對半無窮大樣品的推導，很容易得出當ri2=r23=r34=S時，極薄樣品的電阻率為:圖4極薄樣品等間距

6、探針情況：四探針垂直于樣品表面測試或垂直于樣品側(cè)面測試圖5極薄樣品等位面近似為圓柱面，高為 d上式（13）說明，對于極薄樣品，在等間距探針情況下，探針間距和測量結果無關，電阻率和 被測樣品的厚度d成正比。在半導體器件生產(chǎn)中，通常用四探針法來測量擴散層的薄層電阻。在p型或n型單晶襯底上擴散的n型雜質(zhì)或p型雜質(zhì)形成一 pn結。由于反向pn結的隔離作用，可將擴散層下面的襯底視作絕緣層，對于擴散層厚度（即結深Xj）遠小于探針間距S,而橫向尺寸無限大的樣品，則薄層電阻率為：=4.5324 X（13）由此便得到方塊電阻的測量公式：(14)R = - =4.5324 V23XjI三、實驗內(nèi)容1.實驗中選取了

7、 N型重摻雜的硅片，大小為 3英寸（2號硅片，直徑7.6cm,厚度0.5mnj）112.實驗選取如圖6所示，均勻分布的25個點進行方塊電阻的測量。.將主機、探針測試臺、四探針探頭、計算機連接，開啟后面板的主機電源開關，此時“RD和“I ”指示燈亮。啟動 RTS-9雙電測四探針軟件測試系統(tǒng)。.放置樣品于測試臺，操作探針臺壓下探針，使樣品接通電流；圖10.選擇對樣品要進行的測試類別，及輸入相關測試基本參數(shù)；.執(zhí)行【自動測量】功能一按彈出提示窗口調(diào)節(jié)主機電位器使主機電流顯示為10.000 pA一按【確定】按鈕繼續(xù)測量；圖117.如測試點的數(shù)據(jù)有異常執(zhí)行【重測】功能;8.對測量數(shù)據(jù)生成Excel文件。

8、四、實驗數(shù)據(jù)處理1.測量點的方塊電阻位 置0A1A2A3A4A5A6B1B2B3B4B5B6C 1C2C3C4C5C6D 1D2D3D4D5D6方1111111111111111111211111塊8998889888888988899088889電 阻( m Q / )80098457899954788252789807圖7.方塊電阻分布直方圖最大最小平均最大百分變化徑向不均勻度平均百分變化2021841899.78%9.331.092.測量點的電阻率位 置0A1A2A3A4A5A6B 1B2B3B4B5B6C 1C2C3C4C5C6D 1D2D3D4D5D6電9 9999999999：99

9、99:9999r 199999阻.0.率3544417344442633467.33435( m Q /c m )808418551656584900509494917圖8.電阻率分布直方圖10.210.0)9.8 mcm19.6(率 9.4阻電9.23-33圖9.電阻率分布3D圖圖10.電阻率等高分布圖五、討論分析.樣品尺寸對于硅片的方塊電阻有無影響？為什么？答：方塊電阻的大小與樣品尺寸無關，其單位為（/口），與樣品的厚度有關。.方塊電阻與摻雜濃度有什么關系？答：一般結深則電阻小，摻雜濃度高。電阻小了，摻雜量就高了，表面死層就會多，這樣會犧牲很多電流；電阻大了，電流的收集就會比較困難；方阻要

10、做高，是需要其他相關條件保障的， 假如其他條件不滿足，效率反而會降低。一般擴散溫度越高，時間越長，流量越大，方阻就越 小，結就越深。.測試結果波動的原因？a）光照：對于高阻材料及光敏材料、光電導及光壓效應會影響電阻率的測量。b）溫度：半導體材料的電阻率受溫度的影響十分敏感。因此，樣品測試過程中溫度的變化會直接影響測試數(shù)據(jù)的準確性，必須在樣品達到熱平衡情況下進行測量并記錄數(shù)據(jù)測量溫度， 應避免在測試過程中外界環(huán)境的影響。c） RTS-9儀器屬于精密儀器，測量過程中的輕微震動等引起的數(shù)據(jù)波動。d）量程：電流量程的選擇要適當，電流大小影響電壓檢測的精確度，電流太大會引起發(fā)熱或非載流子的注入。e）半導體本身摻雜濃度及缺陷也會影響結果波動，硅片自身導致電阻率并不是完全一樣，在測量時得到不同的數(shù)據(jù)。六、實驗結論通過本門課程實驗，熟悉了RTS-9型雙電測四探針測試儀的使用，對于硅片的方塊電阻的測量方法有所掌握，并可以得知硅片的電阻率；熟悉四探針測量方塊電阻的原理；在我們得出 數(shù)據(jù)后進行的后面的畫柱狀圖和電阻率等高分布圖，大致的可以看出硅片上電阻的分布均勻度;通過自己手動發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素也會影響測量結果，在實驗我們應該注意這些問題，提高實驗的可 靠性。七、實驗注意.為增加表面復合，減少少子壽命及避免少子注入，被測表面需粗磨或噴砂處理。10.對高阻材料及光敏材料，由于光電導及光壓效應會