电阻法测量金属薄膜厚度-技术文章-顺诺（上海）贸易有限公司
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电阻法测量金属薄膜厚度　　阅读(280)
本文介绍电阻法测量金属薄膜的厚度,并与光干涉法测量的结果进行比较,完全满足实验教学的要求,电阻法测金属膜厚,所用仪器价廉,操作简单,此法可广泛用于学生镀膜实验膜厚的测量。真空镀膜技术不断提高,金属膜己在光学薄膜技术,半导体器件中得到了广泛的应用7真空镀膜技术是近代物理实验教学的基本实验之一,由于条件限制,金属膜厚的测量没有普遍地开展，下面介绍一种简单适用的金属膜厚的测量方法&实验原理实验表明,导体的电阻与其材料的几何形状及温度有关,对于由一定材料制成的横截面均匀的导体,其电阻由下式决定：R=l/S式中l是导体的长度,)是导体的横截面积,s是由导体的材料及温度决定的电阻率。当温度不太低,温度变化范围不大时,纯金属的电阻率与温度之间近似地存在如下线性关系&=&0（1+&t）其中&和&0表示t℃和0℃时的电阻率，&是电阻温度系数，这个&取决于材料的种类，&0和&可查表得出。如上图，设已镀铝金属膜的长、宽、厚分别为L、W和H，由上述公式可以计算铝金属膜电阻：R=&(L/W&H）而铝金属的厚度为：H=&(L/W&R)这样的话知道了铝膜的长度L、宽度W以及电阻R和电阻率&，也就可以根据上述公式算出铝膜的厚度H。&实验方法为了测量的方便，讲铝膜镀在长方形玻璃上，用游标卡尺测出铝膜的长度L和宽度W，用QJ42携带式直流双臂电桥测出室温下铝金属膜的电阻R。查表得出金属铝的&0=2.5&10-8&Om，&=4.7&10-3℃-1，通过公式计算出室温下的&值，将L、W、R和&带入（3）式，可计算室温下的铝金属膜的厚度H。电阻发测量金属膜厚的关键就在于准确测量金属膜的电阻，因此要求测量过程中接触电阻足够小，与金属膜电阻相比可以忽略不计。在已镀好铝膜的长方形玻璃片上，将待测铝膜部分用金属箔保护起来,在未保护的铝膜上再镀一层较厚的铜膜作测量电极,安好引线,拆除保护的金属箔就可以进行电阻测量。&实验结果薄膜厚度的测量常采用干涉显微镜.为了说明电阻法测金属膜厚的可靠性,我们用光干涉法和电阻法对同一次镀的膜进行了厚度的测量,测量结果如下：表中hc、h0分别表示用电阻法和光干涉法测量的膜厚。测量结果表明,用电阻法测量金属膜厚与用干涉法测量金属膜厚获得了同样满意的结果。电阻法测膜厚完全可以满足近代物理实验教学中金属膜厚的测量要求&为了减少系统误差,电阻法测量金属膜厚需镀膜两次&第一次镀铝膜待测,第二次镀铜膜作电极,用干涉显微镜测量金属膜厚，为了能观察到待测铝膜厚度产生的干涉条纹,同样要进行两次镀膜，两种测量方法比较,电阻法侧膜厚所用QJ42携带式直流双臂电桥是实验室的通用仪器,操作简单，易于调节,读数方便,价格低廉,它仅是干涉显微镜价值的十三分之一因此,电阻法测金属膜厚可以在有关高等院校大力推广。&作者：华中师大物理系 方治元出处：《物理实验》第8卷 第5期
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专利名称薄膜电阻率自动测量仪的制作方法
技术领域本发明涉及电子材料电阻率的测量技术，特别是涉及薄膜材料电阻率 背景技术在电子材料研究中，电阻率是评估材料性能的重要参数。例如在纳米 吸波材料的研究中，其材料设计的目的在于拓宽吸收频带，吸波性能的好 坏与材料电场能量存储与损耗大小密切相关，而材料基本参数中的复介电 常数正是用于反映该材料电场能量存储与损耗大小，可以看出电阻率的准 确测量是吸波材料设计中的重要步骤。对于材料电阻测量一般应用四探针法完成。该方法要求测量的样片平 坦且近似无穷大，将直流电流通过四探针中的两根探针通入试样，测量另 外两根探针间感应的电势差，根据电流值，电势差值以及材料的几何参数 计算出电阻率值。 一般的四探针电阻率测试设备是为固体半导体材料测量 设计，并不完全适合薄膜材料电阻率的测量。薄膜材料相对于固体半导体 材料有其独特性，体现在(1)薄膜一般采用溅射镀膜等工艺制作，其自身 形状受到限制，而四探针法要求样片平坦且近似无穷大，因此应用传统的 四探针测量法测量薄膜材料电阻率需要引入大量的修正，完善的修正体系十分复杂，普通的测量系统不可能完成；(2)薄膜的电阻率一般很小，需 要更高的电压测量精度和电流控制精度；(3)薄膜的厚度很薄，在用手动 测量系统时样品十分容易被探针尖划伤。针对薄膜样品的特征，改变理论模型，在传统四探针法的基础上设计 了双电测组合法。双电测组合法根据薄膜材料的特点对四探针基本理论模 型进行修正；在该方法下需要切换电流、电压探针，不同的电流电压探针选择对应三种不同的电路连接方式，三种连接方式两两组合构成三种组合模式；通过数学变换，在每种模式下可以根据两种连接方式得到的测量结 果导出电阻率。理论证明这样的电阻率值是不受尺寸效应影响的，对于理 想样片，三种模式下的电阻率值应该一致，而实际测量中，三个测量结果 一定会有偏差，偏差主要来源于两个方面第一，实际样片并非绝对均匀，而各个模式所测量的区域略有差别，通过对比三个测量结果可以研究样片均匀性；第二，测量设备本身的误差，由于是高精度的测量过程，仪器本 身的影响会明显的反映在测量结果中，比如某种模式下的电阻率值和其他 模式下总是存在差距， 一定是与该模式相关的探针或线路存在问题。通过 求平均值的方法可以减小这两方面的误差，得到更准确的测量结果。目前现有技术已出现应用双电测组合法的薄膜电阻率测量装置，但是 这些装置在测量过程中需要通过手动改变电路连接方式和探针位置调节， 测量速度慢，精度低，恒流源的控制精度和电流电压测量精度在电路结构 频繁变化的情况下也无法保证；数据处理过程多用单片机实现，局限了双 电测组合法涉及的拟合函数和修正函数的计算精度。发明内容本发明的目的是提供一种薄膜电阻率自动测量仪，该装置避免了手动 方式改变电路连接和探针位置调节，提高了薄膜电阻率测量的速度和精度。本发明提供了一种薄膜电阻率自动测量仪，包括四探针6、恒流源(4) 和电压电流测量模块5，其特征在于，还包括控制器1和电路切换模块2， 控制器1、恒流源4、电路切换模块2和电压电流测量模块5依次连接构成 回路，电路切换模块2的另外两端口分别连接控制器1和四探针6，电路切 换模块2根据来自控制器1的电路切换信号选择四探针6中的两根探针作 为电流探针，另外两根探针作为电压探针，恒流源4根据来自控制器1的 电流控制信号产生恒定电流，使其通过电流探针，电压探针感应电势差，电压电流测量模块5测量恒定电流和电势差传送给控制器1，控制器1计算 电阻率。作为本发明的进一步改进，所述控制器1与四探针6之间还接有探针 位置调节器3，用于根据控制器1的位置控制信号调整四探针与样品的相对 位置。本发明是根据双电测组合法设计的薄膜电阻率自动测量仪，装置中含 有电路切换模块，在计算机的控制下电路切换模块中的继电器与电流电压 接线端子及四探针断开或连接，从而自动切换电路连接方式，电压电流测 量模块测得各连接方式下的探针电流和探针电势差，并传给控制机算计以 计算该薄膜样品的电阻率。整个工作过程是在计算机的控制下自动完成， 相比现有测量仪测量的速度更快和测量精度更高。
图1为本发明结构图；图2为双电测组合法中三种模式下的探针排布方式；图3为三种电路连接方式示意图；图4为电路切换模块结构图；图5为探针位置调节器结构图；图6为本发明的软件实现流程图；图7为进行多次测量得到的结果示意图；图8为不同测试位置的选择；图9为不同方法在不同位置测试得到的结果比较图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。本发明的设计基础是双电测组合法，双电测组合法要求测量设备在测量过程中动态的在三种电路连接方式中进行切换，图3给出了电路连接方 式示意图，①、②、③和④为探针序号。图3a所示的电路连接方式表示探针①和②为电流探针，探针③和④为 电压探针，图3b所示的电路连接方式表示探针①和④为电流探针，探针③和②为电压探针，图3c所示的电路连接方式表示探针①和③为电流探针， 探针②和④为电压探针。三种连接方式两两组合构成三种模式，通过数学变换，在每种模式下 根据两种连接方式得到的测量结果导出电阻率。图3b和图3c所示的电路 连接方式对应图2a所示的模式1，图3a和图3b所示的电路连接方式对应 图2b所示的模式2，图3a和图3c所示的电路连接方式对应图2c所示的模 式3。 ^表示图3b对应的电压探针间的电势差，^表示图3c对应的电压 探针间的电势差、^表示图3a对应的电压探针间的电势差。/12表示图33 对应的电流探针通过的恒定电流，/13表示图3c对应的电流探针通过的恒定 电流，/,4表示图33对应的电流探针通过的恒定电流。基于双电测组合法的测量装置关键之处就在于如何控制图3所示的三 种电路连接方式的切换。如图1所示，本发明包括控制器l,电路切换模块2，四探针6 ，恒流 源4，电压电流测量模块5。工作过程为首先控制器l向电路切换模块2 发送电路切换信号以确定电路连接方式，接着控制器1向恒流源4发出电 流控制信号，恒流源4将指定的电流通过电路切换模块2施加在四探针6的 电流探针上，营造测量环境，此时电压探针会感应电势差，电压电流测量 模块5测量电压探针上的势差和电流探针上的电流值，并将测量结果传递 给控制器1;控制器1记录电压值和电流值，向电路切换模块2发送电路切 换信号，电压电流测量模块5在新的电路连接方式下再次测量，电压电流 测量模块5进行再次测量；直到得到全部三种连接方式下的测量结果后， 控制器1关闭恒流源4，并复位电路切换模块2，最后根据三组测量结果计 算出电阻率的值。作为本发明的核心，电路切换模块2包括电流电压接线端子222和线 路切换模块21。电流电压接线端子222包括电流端子L和I。ut,电压端子V+和V-;线路切换模块21包括四个继电器。具体连接方式参见表1和图4， 电流端子Iin连接恒流源4和四探针3的第一探针。电流端子1。ut连接恒流源 4、继电器I的公共端和电压电流测量模块5;继电器I的公共端连接电流端子I。ut，常开触点连接继电器II的公共端，常闭触点连接所述四探针6的 第二探针；继电器II的公共端连接继电器I的常开触点，常闭触点连接四探 针6的第三探针，常开触点连接所述四探针3的第四探针；继电器III的公 共端连接电压端子V+，常闭触点连接四探针3的第三探针，常开触点连接 所述四探针6的第二探针；继电器IV的公共端连接电压端子V-，常闭触点 连接第四探针，常开触点连接所述四探针3的第三探针；电压端子V+连接所述电压电流测量模块5和继电器m的公共端；电压端子V-连接所述电压电流测量模块5和继电器IV的公共端。表1电路切换模块的具体连接方式公共端常闭触点常开触点继电器I电流端子I。ut第二探针继电器n公共端继电器II继电器I常开触点第三探针第四探针继电器in电压端子V+第三探针第二探针继电器IV电压端子V-第四探针第三探针三种电路连接方式的切换方法参考表2，通过四个继电器的公共端与常 闭触点，常开触点的闭合和断开控制三种电路连接方式的切换， 表2电路切换继电器操作法连接方式继电器I继电器n 继电器ni继电器IV连接方式l常闭常闭 常闭常闭连接方式2常开常开 常开常开连接方式3常开常闭 常开常闭在本实施例中，电压电流测量模块5采用数字万用表。为了适应数字 万用表的测量方式，在电路切换模块2中还增设了数字万用表接线端子组 221和继电器V。在数字万用表接线端子组中，第二接线端子为公共端，分 别与第一、第三端子构成电压测量端口和电流测量端口，第一接线端子连 接电压端子V+，第二接线端子连接电压端子V-和继电器V的常开触点，第 三接线端子连接继电器V的常闭触点和恒流源4。在测量过程中，需要不断调节探针相对样品的位置，为了避免手动操 作对样片产生损伤，系统通过软件方式实现。本发明增加探针位置调节器6， 用于来自控制器1的位置控制信号调整四探针与样品的相对位置。探针位 置调节器3包括垂直控制部件、水平控制部件、旋转控制部件和样品托盘， 垂直控制部件用于控制四探针相对于托盘的垂直位置，水平控制部件用于 控制样品托盘相对于四探针的水平位置，托盘中部设有用于装载样品的圆 盘39，旋转控制部件控制圆盘绕其中心水平旋转。如图5所示，垂直控制部件包括立柱311，立柱311侧壁固定有垂直 步进电机31，垂直步进电机31连接垂直螺棒33顶端，在垂直螺棒33外沿 套有垂直位移滑块32，垂直位置控制步进电机31通过控制垂直螺棒33旋 转使得垂直位移滑块32沿垂直螺棒33上下移动，四探针固定于垂直位移 滑块32底部；水平控制部件包括水平步进电机34，水平步进电机34与水平螺棒35 一端相接，水平螺棒35外沿套有水平位移滑块36，水平步进电机34通过 控制水平螺棒35旋转使得水平位移滑块36沿水平螺棒35水平移动；水平 位移滑块36侧壁与所述样品托盘37连接，随着样品托盘水平位置滑块36 的水平移动，样品托盘37也作相应水平移动；旋转控制部件包括通过齿轮与所述圆盘39相接的旋转步进电机38。 测量功能由运行在计算机上的软件控制实现，软件流程图如图6所示。 测量可以在手动测量和自动测量两种模式下进行。手动模式下用户可以自 由控制探针位置，选择测量模式；自动模式下，计算机发出位置控制信号， 探针位置控制模块3控制步进电机以调节探针位置。控制器1获取三种连接模式对应的三组电压电流后，开始计算电阻率， 具体过程为将三种连接方式下得到的电压电流值转换为测量值&formula&formula see original document page 11&/formula&将测量值及,、i 2和^代入式(i) (3)，确定拟合函数/;、 /2、 /3。双电测组合法不能消除样品厚度对电阻率测量的影响。依据薄层原理按照式(4) (6)得到对电势差^、^、^的厚度修正函数/4、/5、 /6。表达式中的n取值越大越接近理想状况4;V"4Z"1
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-(6)按照式(7) (8)计算各模式下对应的电阻率:&formula&formula see original document page 12&/formula&最后将三种模式下求得的电阻率求均值，得到最终的电阻率。本发明可以直接用于薄膜样品电阻率的测量，以磁性薄膜电阻率的测 量为例介绍其运行效果。磁性薄膜采用溅射镀膜的方法制作，膜很薄且样品大小有限，在应用 传统四探针设备进行电阻率测量时非常容易将膜划伤，使测量无法进行； 而且不能按照理想样片进行测量，需要引入复杂的尺寸修正。采用双电测 组合法可以提高对这种样品的测量精度，应用本发明可以快速自动的得到 测量结果。为验证系统测量的稳定性，对样片进行了多次测量。图7显示的是系 统对一片样片连续进行20次测量得到的结果，可以看出，各次测量得到的 结果基本保持一致，系统稳定性良好。从测量结果可以看出，双电测组合 法中三种模式下得到的电阻率十分接近；Perloff法得到的电阻率值和双电 测组合法也比较接近；而传统法得到的电阻率值小于用其他方法得到的值， 且有较大差距。这些都可以从理论中得到合理解释。为验证测量位置对测量结果的影响，现比较在不同测量位置得到的电 阻率值。测试所用的样片是长条形的，在中心和边缘处取点进行试验如图8于短边；在样片上任意点取点，探针不平行任意一边。 试验结果如图9所示变更测量位置对双电测组合发影响不大；而传统法 和Perloff法得到的电阻率值却有很大的变化。可见双电测组合法相比其他 测量方法对样片尺寸有更强的适应性。
1、一种薄膜电阻率自动测量仪，包括四探针(6)、恒流源(4)和电压电流测量模块(5)，其特征在于，还包括控制器(1)和电路切换模块(2)，控制器(1)、恒流源(4)、电路切换模块(2)和电压电流测量模块(5)依次连接构成回路，电路切换模块(2)的另外两端口分别连接控制器(1)和四探针(6)，电路切换模块(2)根据来自控制器(1)的电路切换信号选择四探针(6)中的两根探针作为电流探针，另外两根探针作为电压探针，恒流源(4)根据来自控制器(1)的电流控制信号产生恒定电流，使其通过电流探针，电压探针感应电势差，电压电流测量模块(5)测量恒定电流和电势差传送给控制器(1)，控制器(1)计算电阻率。
2、根据权利要求1所述的薄膜电阻率自动测量仪，其特征在于，所 述电路切换模块(2)包括电流电压接线端子(222)和与其相接的线路切 换模块(21)，电流电压接线端子(222)包括电流端子L和I。ut，电压端 子V+和V-，线路切换模块(21)包括第一、第二、第三、第四继电器， 电流端子Iin连接所述恒流源(4)和所述四探针(6)的第一探针； 电流端子I。ut连接所述恒流源(4)、第一继电器的公共端和电压电流 测量模块(5);第一继电器的公共端连接电流端子I。ut，常开触点连接第二继电器的 公共端，常闭触点连接所述四探针(6)的第二探针；第二继电器的公共端连接第一继电器的常开触点，常闭触点连接第三 探针，常开触点连接所述四探针(6)的第四探针；第三继电器的公共端连接电压端子V+，常闭触点连接第三探针，常 开触点连接所述四探针(6)的第二探针；第四继电器的公共端连接电压端子v-，常闭触点连接第四探针，常开触点连接所述四探针(6)的第三探针；电压端子V+连接所述电压电流测量模块(5)和第三继电器的公共端;电压端子V-连接所述电压电流测量模块(5)和第四继电器的公共端。
3、根据权利要求2所述的薄膜电阻率自动测量仪，其特征在于，所 述电压电流测量模块(5)采用数字万用表。
4、根据权利要求3所述的薄膜电阻率自动测量仪，其特征在于，所 述电路切换模块(2)还包括数字万用表接线端子组(221)和第五继电器， 数字万用表接线端子组(221)包括三个接线端子，第二接线端子为公共端， 其分别与第一，第三接线端子构成电压测量端口和电流测量端口，第一接 线端子连接所述电压端子V+,第二接线端子连接所述电压端子V-和第五继 电器的常开触点，第三接线端子连接第五继电器的常闭触点和恒流源(4)。
5、根据权利要求l所述的薄膜电阻率自动测量仪，其特征在于，所 述控制器(1)与四探针(6)之间还接有探针位置调节器(3)，用于根据 控制器(1)的位置控制信号调整四探针与样品的相对位置。
6、根据权利要求5所述的薄膜电阻率自动测量仪，其特征在于，所 述探针位置调节器(3)包括垂直控制部件、水平控制部件、旋转控制部件、 和样品托盘，垂直控制部件用于控制四探针相对于托盘上下移动，水平控 制部件用于控制样品托盘相对于四探针水平移动，托盘中部设有用于装载 样品的圆盘(39)，旋转控制部件用于控制圆盘绕其中心水平旋转，所述 四探针(6)安装于垂直控制部件底端。
7、根据权利要求6所述的薄膜电阻率自动测量仪，其特征在于， 所述垂直控制部件包括立柱(311)，立柱(311)侧壁固定有垂直步 进电机(31)，垂直步进电机(31)连接垂直螺棒(33)顶端，在垂直螺 棒(33)外沿套有垂直位移滑块(32)，垂直位置控制步进电机(31)通过控制垂直螺棒(33)旋转使得垂直位移滑块(32)沿垂直螺棒(33)上 下移动，所述四探针固定于垂直位移滑块(32)底部；所述水平控制部件包括水平步进电机(34)，水平步进电机(34)与 水平螺棒(35) —端相接，水平螺棒(35)外沿套有水平位移滑块(36)， 水平步进电机(34)通过控制水平螺棒(35)旋转使得水平位移滑块(36) 沿水平螺棒(35)水平移动；水平位移滑块(36)侧壁与所述样品托盘(37) 连接，随着样品托盘水平位置滑块(36)的水平移动，样品托盘(37)也 作相应水平移动；所述旋转控制部件包括通过齿轮与所述圆盘(39)相接的旋转步进电 机(38)。
本发明提供了一种薄膜电阻率自动测量仪，包括四探针、恒流源、电压电流测量模块、控制器和电路切换模块，控制器、恒流源、电路切换模块和电压电流测量模块依次连接构成回路，电路切换模块的另外两端口分别连接控制器和四探针，电路切换模块根据来自控制器的电路切换信号选择四探针中的两根探针作为电流探针，另外两根探针作为电压探针，恒流源根据来自控制器(1)的电流控制信号产生恒定电流，使其通过电流探针，电压探针感应电势差，电压电流测量模块测量恒定电流和电势差传送给控制器，控制器计算电阻率。本发明避免了手动方式改变电路连接和探针位置调节，提高了薄膜电阻率测量的速度和精度。
文档编号G01R27/14GKSQ
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者成 刘, 别少伟, 超 方, 刚 杜, 江建军, 王一楠, 赵文峰 申请人:华中科技大学薄膜电阻有哪些种类？
全部答案（共1个回答）
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