针勘探和万用表勘探电阻有什么不同？
在平常的作业中，工程师常常运用万用表测电阻或进行电流、电压的测验，与此同时，还有一种办法是比较常用到的，那便是四探针测电阻法。那么，万用表测电阻与四探针测电阻法终究有哪些不同之处？他们的丈量原理又是什么呢？在今日的文章中，小编将会为咱们进行扼要的总结和剖析。
首要咱们来看一下四探针测电阻的操作形式和丈量原理。这种测电阻技能的实践操作办法如下图所示。
四探针测电阻操作示意图
从图1中能够看到，这种测电阻办法与万用表测电阻的办法有很大的不同之处。当图中的1、2、3、4共四根根金属探针排成直线时，将会以必定的压力压在半导体资料上，在1、4两处探针间经过电流I，则2、3探针间发作电位差V。此刻，所测资料的电阻率为：
在该公式中，参数C为探针系数，其详细数值由探针几许方位决议。当试样电阻率散布均匀，试样尺度满意半无限大条件时，则该公式将变形为：
这个公式便是四探针测电阻与万用表测电阻的本质差异地点了。从上文中这一经过变形的核算公式里能够看到，参数S1、S2、S3别离代表的是探针1与2、2与3、3与4之间的间隔。这里有一个问题需求咱们留意，那便是探头系数由制造厂对探针间隔进行测定后确认，并提供运用户。每个探头都有自己的系数，参数C的数值能够约等于6.28±0.05，其核算单位为cm。当S1=S2=S3=1mm时，C=2π。若电流取I=C时，则ρ=V可由数字电压表直接读出。
在了解了四探针测电阻的作业原理之后，接下来咱们再来看一下万用表测电阻的原理，不管是什么类型的数字万用表，在进行电阻的丈量时，其自身所首要运用到的是运算放大器反向输入运算公式，该公式能够写为：
能够看到，在这种运算放大器反向输入运算公式中，参数Rf与Uo成正比，将RX作为Rf，则输出U0就与RX成正比。这便是万用表测电阻的作业原理地点了。
在了解了这两种测电阻办法的作业原理之后，咱们能够很明显的看出，万用表测电阻需求必定数值的电流来坚持。而面临电阻较低的状况，过低的电流强度有或许底子就不是被测电阻能接受的，这还不包含规划的最大电流是多少还有电池输出才能这个问题。因而，假如所需求检测的电阻阻值太低，关于万用表来说现已无法差异，这种状况近乎于短路，这就需求咱们运用四探针测电阻的办法，来完成对电阻阻值的测验了。
四针勘探的作业原理是什么？
1 导言
许多器材的重要参数和薄层电阻有关，在半导体工艺飞速开展的今日，微区的薄层电阻均匀性和电特性受到了人们的广泛重视。跟着集成电路研讨的快速开展， 新品种不断开发出来，并对开发周期、产品功用（包含IC的规划、速度、功用复杂性、管脚数等）的要求也越来越高。因而不只需求完善的规划模仿东西和安稳的 工艺制备才能，还需求牢靠的测验手法，对器材功用做出精确无误的判别，这在研发初期特别重要。四探针法在半导体丈量技能中已得到了广泛的运用，特别近年来 跟着微电子技能的加快开展，四探针测验技能现已成为半导体生产工艺中运用最为广泛的工艺监控手法之一。本文在剖析四探针技能几种典型测验原理的基础上，重 点评论了改善Rymaszewski法的运用，研发出一种新式测验仪器，并对实践样品进行了测验。
2 四探针测验技能总述
四探针测验技能办法分为直线四探针法和方形四探针法。方形四探针法又分为竖直四探针法和斜置四探针法。方形四探针法具有丈量较小微区的长处，能够测验样品 的不均匀性，微区及微样品薄层电阻的丈量多选用此办法。四探针法按发明人又分为Perloff法、Rymaszewski法、范德堡法、改善的范德堡法 等。值得提出的是每种办法都对被测样品的厚度和巨细有必定的要求，当不满意条件时，有必要考虑边际效应和厚度效应的批改问题
双电丈量法选用让电流先后经过不同的探针对，丈量相应的别的两针间的电压，进行组合，按相关公式求出电阻值；该办法在四根探针摆放成一条直线 的条件下，丈量成果与探针间隔无关。双电丈量法与惯例直线四探针法首要差异在于后者是单次丈量，而前者对同一被测方针选用两次丈量，而且每种组合形式丈量 时流过电流的探针和丈量电压的探针是不一样的。双电丈量法首要包含Perloff法（如图1）和Rymaszewski法（如图2）。 Rymaszewski法适用于无穷大薄层样品，此刻不受探针间隔和迟疑的影响，丈量得到的薄层电阻为
式中I为测验电流；V1，V2别离为两次测得的电压值；f（V2/V1）为范德堡函数。
指出只需样品的厚度小于3mm，其他几许尺度不管是多少，不管丈量样品什么方位，都用同一个公式核算丈量成果。除厚度批改因子外，不存在其他任 何批改因子的问题，也不受探针机械功用的影响，所以丈量成果的精确度比惯例丈量法要高一些，特别是边际方位的丈量，双电测办法的优越性就显得愈加杰出。然 而，文献［10］用有限元的办法证明了Rymaszewski法当样品或测验区域为有限尺度的矩形时需求做边际效应批改，只有当四探针在样品宽度的中心 区，且矩形的长度能包容下四根探针时不需边际效应批改。
由矩形四探针丈量法衍生出改善的Rymaszewski直线四探针法即方形Rymaszewski四探针法，这是薄层电阻丈量的又一办法，也是本文介绍的新式测验仪研发的重要依据。
改善的范德堡法运用四根斜置的刚性探针，不要求等距、共线，只需求依托显微镜调查，确保针尖在样品的方形四个角区鸿沟邻近必定边界内，用改善的范德堡公 式，由四次电压、电流轮换丈量得到薄层电阻，能够用于微区薄层电阻的测定。不需求丈量针尖与样品之间相对间隔，不需求作边际效应批改，不需求确保重复丈量 时探针方位的一致性，探针的迟疑不影响丈量成果，不需求制备从微区伸出的测验臂和金属化电极，简洁、方便、可行。这种办法可在微区薄层电阻测验图形上确认 出探针放置的合理测验方位，用有限元办法给予了证明，探针在阴影区的迟疑不影响丈量成果［。
3 测验薄层电阻的原理剖析
3.1 惯例直线四探针法
3.1.1 惯例直线四探针法的基本原理
将坐落同一直线上的4个探针置于一平整的样品（其尺度相关于四探针，可被视为无穷大）上，并施加直流电流I于外侧的两个探针上，然后在中心两个探针上用高精度数字电压表丈量电压V2，3，则检测方位的电阻率ρΩ·cm）为：
其间，C为四探针的探针系数（cm），它的巨细取决于四根探针的摆放办法和针距。
由于半导体资料的电阻率都具有明显的温度系数CT，所以丈量电阻率时有必要知道样片的温度，假如以为有电阻加热效应时，可调查施加电流后检测电阻率是否会随 时刻改动而断定。一般四探针电阻率丈量的参阅温度为23±0.5℃，如检测时的室温异于此参阅温度的话，能够运用下式批改
ρ23=ρT-CT（T-23） （4）
其间ρT为温度T 时所检测到的电阻率值。
3.1.2 丈量电流的挑选
少子注入的影响取决于丈量电流 I、探针间隔以及少子寿数等，电流大，针距小，寿数长，影响就大。为了防止电流经过样品时发作焦耳热和少子注入的影响，应适当减小丈量电流。丈量电流巨细可参阅文献［14］选取。
3.1.3 惯例直线四探针法的边际和厚度批改
一般当片子直径约为40S（一般是40mm， S为探针间隔）时，边际效应的批改因子（F1＝1）就不必再批改；同理，当样品的厚度超越5倍探针间隔时，片子厚度的批改因子（F2=1）也就不需求批改。
3.1.4 惯例直线四探针法的丈量区域
四探针能测出超越其探针间隔三倍以上巨细区域的不均匀性，这是惯例直线四探针法勘探微区不均匀性的尺度极限，因而被测微区的尺度也限定在毫米数量级。
3.2 改善的范德堡法
3.2.1 改善范德堡法的基本原理
改善的范德堡法能成功地运用于微区薄层电阻丈量。这一办法的关键是，在显微镜协助下用目视法只需确保四个探针尖别离置于方形细小样品面上的内切圆外四 个角区（如图3所示），就能够正确测出它的方块电阻，不需求测定探针的几许方位。
第一次丈量时，用A、B探针作为通电流探针，电流为I，D、C探针作为测电压探针，其间电压为V1；第2次丈量时用B、C探针作为通电流探针，电流仍为 I，A、D探针作为测电压探针，其间电压为V2；然后顺次以C、D和D、A作为通电流的探针，相应测电压的探针B、A和C、D 间电压别离为V3和V4。由四次丈量可得样品的方块电阻为
这一办法的特点是：（1）四根探针从四个方向别离由操作架伸出触到样品上，探针杆有满足的刚性。探针间隔取决于探针针尖的半径，不受探针杆直径所限；（2）丈量精度与探针的迟疑无关，丈量重复性好，无需确保重复丈量时探针方位的一致性。
3.2.2 改善范德堡法测验条件剖析
对半导体样品，少子注入及焦耳热会影响丈量成果。当微区尺度到达三倍牵引半径时 ，能够以为少子受电场的牵引影响不大。Beuhler 运用微范德堡电阻器丈量薄层电阻时 ，调查到焦耳热的影响，并归因于过窄的测验臂导致电流密度过大而发热，由于该测验办法不要求从样品中引出测验臂，所以焦耳热效应不明显。
3.2.3 改善范德堡法的边际批改
关于改善的范德堡法，用有限元办法处理边际批改问题是很简单的。文献［5］用这一办法研讨了丈量十字形微区时放置探针的区域。文献［13］研讨了苜蓿花形 和风车形的微区结构。图4中阴影区便是选用改善的范得堡法放置探针的区域。由有限元办法得知，探针在阴影区时丈量成果不受边际效应的影响。
3.3 斜置式方形Rymaszewski四探针法
运用斜置式方形探针丈量单晶断面电阻率散布，能够使针距操控在0.5mm以内，分辨率较惯例直线四探针法有很大进步，所得Mapping图将能更精确的标明片子的微区特性。
惯例直线四探针法丈量时要求探针间隔严厉持平，且不能有沿直线方向以及横向的迟疑。 Rymaszewski提出的测验办法能处理纵向迟疑以 及探针不等距的影响，可是横向迟疑对丈量精度的影响需求进一步讨论。Rymaszewski［2］对直线四探针丈量无穷大样品提出下列公式：
其间V1和V2别离是两次丈量中2、3和3、4探针之间的电压； f （V1∕V2 ）是Van der Pauw函数。从定性方面剖析，探针发作纵向迟疑时，V1、V2便违背没有迟疑时的值，但是经过Van der Pauw函数的批改，使RS值坚持不变。
4 斜置式Rymaszewski法方形四探针测验仪及其运用
运用Rymaszewski法方形四探针测验原理研发出检测硅芯片薄层电阻的方形四探针测验仪。该仪器运用斜置的探针，经过摄像头，借助于核算机显示器调查探针测验方位，用伺服电机操控样品渠道和探针的移动，完成主动调整与测验硅芯片的电阻率均匀性。
该新式测验仪不只从丈量体系的自身具有使测验差错到达最小化的结构确保，而且能够借助于图像识别和伺服电机操控每个探针的调整（在调整时，需求运用操控 笔直运动的伺服电机，先抬起探针，调整之后再经过软着陆的办法放下探针），确保探针测验方位的精确；别的经过操控纵横向伺服电机完成渠道的纵横向移动，使 硅片方位调整主动化，而且能够做到严厉操控步进的间隔，能够完成最小步距0.25μm，这样就能够很方便地进行大样片的检测，以到达高精度测验微区的目 标，而且能够极大地进步测验速度。
经过运用该丈量仪器对国内某公司的产品进行丈量， 发现原来用一般四探针丈量（测5点）十分均匀的100mm n型（区熔）硅片，经过实践多点（实测1049点）无图形测验，测验区域（探针间隔）为300μm&TImes;300μm，测验间隔1.2mm。测验成果有多处并非 很均匀，如图5所示（单位：W·cm），因而，能够借助于剖析测验成果对工艺进行改善，以进步整个晶锭的质量，终究到达进步器材功用的方针。
5 定论
经过对惯例直线四探针测验技能、改善的范德堡法和斜置式方形Rymaszewski四探针法的剖析看出，前者不适用于微区薄层电阻的丈量，后两种办法均 可用于微区薄层电阻测定。但是，这两种办法也有不同，即改善的范德堡法需求借助于放大镜调查样品的测验方位，而且需求制备测验图形；而运用 Rymaszewski法的方形四探针测验仪可不必制备测验图形，并能够运用摄像头将信号传递给核算机显示器调查，这样丈量起来就愈加快捷了。
