半导体表面电学特性微观四点探针测试技术研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院真空流体工程研究中心 作者:李建昌

  由于原理简单、精度高及操作简便,四探针法是测试半导体材料电阻率或电导率的首选方法之一。薄膜技术和材料表面研究的深入以及纳米器件和新型生物材料的出现,对四探针测试技术提出了新的挑战。为了与这些新技术及新材料研究相适应,须将探针间距减小到微观领域以获得较高的空间分辨率和表面灵敏度。目前,借助于超高真空技术,MEMS 技术和各种显微技术的发展,多种微观四探针测试系统已经被开发出,主要包括整体式微观四点探针系统和独立四点扫描隧道显微镜(STM)探针系统。前者的最小间距可以达到300 nm,后者则可以达到30 nm 。两种仪器类型都实现了商业化生产,Capres A/S 公司的间距为5 μm 四点探针和1.5 μm 的十二点探针是目前市场上探针间距最小的整体式微观四点探针。

  微观四点探针技术是在传统四探针测试基础上发展来的。1861 年汤姆森首次提出四探针测试原理,1999 年Petersen 等人最初开发出微观四点探针,现在微观四点探针技术已日趋成熟,因具有较高的空间分辨率和测试精度,被广泛用于半导体工业和材料科学领域。研究表明微观四点探针甚至可用于霍尔效应测量以表征硅或锗的超浅半导体结的载流子迁移率、薄膜载流子密度及薄膜电阻等,其测试结果具有较高的灵敏度。此外,新型材料如导电有机薄膜和新型生物材料在表面科学与生物领域也许具有一些独特而未知物理特性,通过研究他们的表面和界面电学特性我们也许可以预测其未来在实际产品中的应用。

  近年来,研究人员对于微观四点探针测试技术进行了大量的研究,并取得了很多成果。本文主要讲述目前最为先进的微观四点探针技术,包括器件结构,测试理论、探针制备技术、以及微观四点探针技术所面临的挑战。

5、结论与展望

  本文综述了近年来微观四点探针测试技术的研究进展,介绍了微观四点探针最新应用以及目前出现的多种新型微观四点探针系统。我们按微观四点STM 探针和整体式微观四点探针两类划分,分析了每类系统的器件结构与工作原理。探针制备技术对于探针间距的减小有着至关重要的作用,本文详细总结了各种四点探针的制备,发现对于进一步减小探针间距,镀层碳纳米管是比较理想的材料之一,而聚焦离子束光刻是比较有潜力的加工方法。而提高探针寿命、实现样品表面的无损检测,则是微观四点探针测试技术进一步研究应该考虑的主要问题。措施可以从提高接触力的控制和探针定位精度、适当增加探针柔性、改变探针形状及使探针与被测表面呈一优化夹角等方面来解决。另外随着探针间距的持续减小,还应该考虑电迁移及热效应等因素对测试结果的影响。

  对于微观四点探针技术的进一步研究,建议如下:①探针间距仍有下降空间,整体式微观四点探针探针间距有望达到几十纳米的范围。②镀层碳纳米管是制作纳米四点探针的最佳材料,聚焦离子束光刻是制备整体式微观四点探针的首选方法之一。③由于探针表面导电薄膜容易氧化,应注意探针在测试前的清洗问题。④可以用实验或理论模拟的方法研究各种测试模型在微观四点探针测试中的特点,如用ANSYS软件分析双电测法或一些改进方法的测试精度,以及温度等因素对测试结果的影响。⑤在用扫描电镜或其它电子仪器作为微纳探针系统的辅助观测设备时,应考虑电子束对待测样品表面电学特性的影响。

  【作者】 李建昌; 王永; 简晓慧; 巴德纯;

  【Author】 LI Jian-chang,WANG Yong,JIAN Xiao-hui,BA De-chun(Vacuum and Fluid Engineering Research Center,School of Mechanical Engineering and Automation,Northeastern University,Shenyang 110004,China)

  【机构】 东北大学机械工程与自动化学院真空流体工程研究中心;

  【摘要】 四探针法是材料学及半导体行业电学表征的常用方法。随着微电子器件尺度持续减小,新型纳米材料研究不断深入,须将探针间距控制到亚微米及其以下范畴才能获得更高的空间分辨率和表面灵敏度。近年来研究人员借助显微技术开发出两类微观四点探针测试系统,即整体式微观四点探针和独立四点扫描隧道显微镜探针系统,随着现代微加工技术的发展,当前探针间距已缩小到几十纳米范围。本文综述了微观四点探针技术近年来的研究进展,主要包括测试理论、系统结构与探针制备。其中,特别详述了涉及探针制备的方法、技术及所面临问题,并展望了微观四点探针研究的发展方向,并给出了一些具体建议。

  【Abstract】 Four-point probe characterization is a usual method for studying the electrical properties of solids and thin films.The distance between tip and sample in four-point probe technique has to be reduced to sub-micro scale at least in order to obtain expected surface sensitivity and spatial resolution.Therefore,microscopic four-point probes(M4PPs) need to be combined with some microscopy techniques.Two types of M4PPs have been developed in the past few years,which are monolithic micro-four-point probes and four-point scanning tunneling microscopy probes.In this paper,we review the latest development of M4PPs from aspects of system construction,probe structure and test theories.The approaches of probe preparation are discussed in detail.Probe life and sample surface damage are another two big challenges for the microscopic four-point probe technique.To deal with such problems,flexible cantilevers can be used as the probe by keeping a certain angle to the sample surface.

  【关键词】 四探针; 微观四点探针; 探针制备; 表面电导率;

  【Key words】 four-point probes; microscopic four-point probes; probe preparation,surface conductivity;

  【基金】 中央高校基本科研业务费专项资金资助(N090403001)

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