CN100547398C - 一种测量半导体薄膜材料塞贝克系数和电阻率的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量半导体薄膜材料室温下塞贝克系数和电阻率的装置，热电堆与冷、热端导热铜块固定一体，其下部形成空腔，空腔内布置有电位探针。Seebeck电势检测点和冷、热端热电偶安置在导热铜块的下端；电位探针，检测点、热电偶分别与采集模块相连；参考电阻与转换开关串接，并与检测点相连；恒流源与转换开关相连；转换开关与数据采集模块相连；采集模块与计算机相连，采集的数据通过虚拟仪器软件处理获得检测结果。测试台分为上下两部分，上部分固定测试组件，下部分支撑样品，并有螺杆向上抬升样品，实现样品与各检测点的接触。该装置可以同时进行测定塞贝克系数和电阻率但不破坏薄膜，并且测试过程简单，装置和测试成本较低。

Description

一种测量半导体薄膜材料塞贝克系数和电阻率的装置

技术领域

本发明属于半导体测试装置技术领域，具体涉及一种测量半导体薄膜材料塞贝克系数和电阻率的装置。

背景技术

塞贝克(Seebeck)系数和电阻率是材料重要的热电输运性能参数。精确测定它们对深入研究半导体材料的热电输运机理，特别是对深入研究和开发新型半导体热电材料和器件具有非常重要的应用价值和理论意义。目前已开发出很多测试薄膜电阻率的装置，但对于薄膜塞贝克系数的测试装置却很少，已有的涉及薄膜塞贝克系数和电阻率的测试装置，主要存在以下几方面的问题：1)塞贝克系数的测定通常采用两端温差法测定，电阻率测量则较多采用四探针法测量(见①M.Trakalo，Rev.Sci.Instrum.，1984，55(5)：754；②A.A.Ramadan，Thin Solid Films，1994，239：272-275)，因此塞贝克系数和电阻率的测试基本上都是通过不同的测试装置分开进行，测试仪器不能通用并且测量过程复杂耗时；2)少数研究将二者进行复合，但是都需采用微加工技术来处理薄膜和基体，使得测试费用昂贵，过程复杂，而且对样品的处理也是破坏性的(见①R.Venkatasubramani an，17th International Conference onThermoelectrics，Nagoya University，Nagoya，Japan，May 24-28，1998，191-197；②G.Chen，20th International Conference on Thermoelectrics，Beijing，China，June 11-18，2001，30-34)。

总之，现有的测试装置，大都采用不同的仪器来测试电阻率和Seebeck系数，并且测试Seebeck系数的仪器还相当少，造成硬件资源浪费，而且功能固定、单一，难以扩充，操作也不方便；另外少量实现了二者复合的装置测试过程相当复杂，需采用精密的微加工技术，成本很高，而且这些操作对薄膜来说也是破坏性的；在温差实现方面，大部分仪器都采用在样品一端安置微加热器或辐射加热等装置，增加了仪器的复杂程度，提高了测试费用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量半导体薄膜材料室温下塞贝克系数和电阻率的装置，该装置可以使用同一试样对半导体热电薄膜材料室温下的塞贝克系数和电阻率进行同时测试，测试过程简单，精度较高，设备及测试成本较低，并且不会对薄膜造成破坏。

本发明提供一种测量半导体薄膜材料塞贝克系数和电阻率的装置，其特征在于：冷、热端导热铜块夹持并固定热电堆，在三者的下部形成空腔；一对电位探针固定在探针支架上，并位于冷、热端导热铜块和热电堆构成的空腔内，探针支架通过一对弹簧固定在冷、热端导热铜块上，二个电势检测点和冷、热端热电偶分别安置在冷、热端导热铜块的下部，位置接近冷、热端导热铜块与被测薄膜接触的端面。

上述各部件均固定于测试台支架的上部，测试台支架的底板中部开有螺纹孔，螺杆安置在所述螺纹孔内，螺纹孔向上延伸形成通孔，“T”型支撑台的下端处于通孔内部，并设有限位块。

电位探针，二个电势检测点，冷、热端热电偶分别通过导线与采集模块相连；参考电阻的一端与转换开关相连，另一端通过导线与一个电位检测点相连，另一个电位检测点直接通过导线与转换开关相连；恒流源与转换开关相连；转换开关与数据采集模块相连；采集模块与计算机相连。

本发明装置适用于室温下的测试，利用热电堆的吸放热效应实现塞贝克系数测试时的温差。本发明采用了一系列新的、简捷的设计解决现有技术存在的问题。采用热电堆可以快速可控的调节温差，探针固定在导热铜块上并利用弹簧对探针施力，以保证探针和薄膜的电接触；热电偶的位置可以保证检测点的温度与薄膜上的温度尽量接近，塞贝克电势检测点位置与热电偶位置相近，也位于导热铜块上，同时这个点还作为恒流源的输入端，与参考电阻串接；两探针通过导线与采集模块相连；各电位信号通过数据采集模块输入到计算机，通过虚拟仪器软件处理得到检测结果。总之，本发明简化了仪器结构，操作方便而且费用低廉。本发明是可以同时测量半导体薄膜材料室温下的Seebeck系数和电阻率的测试系统。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为测试台结构的示意图；

图3为本发明装置的测试软件流程图；

图4为PbTe薄膜Seebeck系数测试的数据点和拟合曲线图

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

本发明装置的结构包括测试组件、测试台、数据传输和采集装置三个部分。

如图1所示，测试组件的结构为：热电堆2与直流电源1相连；冷端导热铜块3、热端导热铜块3′分别位于热电堆2的冷端和热端，三者固定以实现热电堆两端面与铜块的良好热传导，进而在薄膜样品5两端实现温差。冷端导热铜块3和热端导热铜块3′最好为对称结构，其在热电堆2的下方形成空腔，用于布置电位检测探针。冷、热端热电偶8、8′分别置于冷、热端导热铜块3、3′内，其位置靠近导热铜块3、3′与薄膜样品5接触的端面，同时在该位置设置有Seebeck电势检测点10、10′，以保证温差和Seebeck电势差有很好的对应关系。两个电位探针6、6′固定在探针支架7上，并位于冷、热端导热铜块3、3′和热电堆2构成的空腔内，探针支架7利用弹簧4、4′固定在导热铜块3、3′上，弹簧4、4′对探针支架7施力保证探针6、6′与薄膜的良好电接触。探针6、6′与导热铜块3、3′是电绝缘的。

测试台用于固定测试组件18和抬升薄膜样品5，实现薄膜与检测各点的良好接触。如图2所示：

测试台支架16分为上、下二部分，测试组件18通过夹紧旋钮17固定在测试台支架16的上部。测试台支架16的底板的中部开有一螺纹孔，螺纹孔内安装有螺杆23。螺纹孔向上延伸形成通孔，“T”型支撑台20的下端位于通孔内部，并设有限位块21。支撑台20的台面上开有凹槽，设置有垫片19。测试时，薄膜样品5置于垫片19上。

二个电位探针6、6′和冷、热端热电偶8、8′分别通过导线与数据采集模块13相连，数据采集模块13与计算机14相连。转换开关12与恒流源11相连，参考电阻9的一端与转换开关12相连，另一端通过导线与和一个电位检测点10相连，另一个电位检测点10′直接通过导线与转换开关12相连。Seebeck电势检测点10、10′，参考电阻9两端电压检测点通过导线与数据采集模块13相连，并导入计算机14。

计算机14通过数据采集模块13获得各检测点采集到的电压信号，通过虚拟仪器软件将各信号进行处理，获得检测结果。

具体进行测试时，首先安装固定测试台：将测试组件18置于支架16上，利用夹紧旋钮17轻轻将测试组件18固定；将薄膜样品5固定在尼龙垫片19上，再把尼龙垫片19插入支撑台20上的凹槽内，固定样品。旋转抬升螺杆23将薄膜样品5抬升，至接触电位探针6、6′和导热铜块3、3′，注意用力要轻微和均匀，以免损坏样品。为了更好的保护样品，可在尼龙垫片19下面再垫上一层橡胶垫片，同时在支撑台20下端设置弹簧22。先进行电阻率测试，将转换开关12打在电阻率档，打开恒流源11开关，在程序的电阻率测试界面点击开始按钮，采集5-10个数据点，然后点击停止按钮，再通入反相电流，重新开始采集5-10个数据点，最后通过求得两次测量平均电阻值作为本温度点测试结果，测试时一定要快速进行。待电阻率测试完毕后，再进行Seebeck系数测试。将转换开关12打在Seebeck系数档，并关闭恒流源11开关，打开热电堆2的电源1开关，在程序的Seebeck系数测试界面点击开始按钮，待冷热端温差达到3K时可以开始数据采集，最大温差一般控制在15K左右，每次测试时应采集50个以上的数据点，虚拟仪器软件通过最小二乘法线性拟合得到直线斜率，即为Seebeck系数值。待数据采集完成后在测试界面点击停止按钮，点击显示结果，得到直线拟合Seebeck系数值；关闭电源1开关，测试完成。

本装置的数据采集模块13选用I7018八通道十六位数据采集模块，通过RS485-RS232转化器与计算机14的RS232的串口通信。I7018仅提供了数据输入的功能，它拥有八个数据通道(vin0-/vin0+，......vin7-/vin7+)，可同时采集八个外部信号。在Seebeck系数的测量中，试样冷、热端温度测量分别占用一个通道，Seebeck电势占用一个通道；在电阻率的测量中，样品电压的测量占用一个通道，另外，参考电阻电压的测量也占用一个通道，总共需要五个通道。至于通道的选择，由实际操作人员选定，并在虚拟仪器软件中进行相应通道设置即可。

对于测试程序，本系统选用Microsoft的Visual Basic作为虚拟仪器软件开发平台，软件流程图见图3。本发明采用基于虚拟仪器的技术，将更多的工作交付给软件，使系统具有硬件可靠性高、扩充性强；软件为模块化结构、具有可移植性强等优点。

根据Seebeck系数的定义，被测薄膜材料s和参考材料r之间的相对Seebeck系数α_sr可以表示为：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sr}}=\underset{\mathrm{\ΔT}\→0}{\lim }\frac{U_{\mathrm{sr}}}{\mathrm{\ΔT}}$ (式1)

式中，ΔT为样品冷热端温差，U_sr为相对该温差产生的Seebeck电压。α_sr中包括参考材料r的Seebeck系数，本发明中用纯铜作为夹具，以纯铜作为参考材料，其Seebeck系数相对于半导体来说一般小几个数量级，因此我们将通过数据处理获得的Seebeck系数直接定义为半导体的Seebeck系数。对电阻率的测量我们采用经过改进的两探针法，其计算公式为

$\mathrm{\ρ}=\frac{R_f\·U_s\·w\·h}{l\·U_r}$ (式2)

式中，R_f为参考电阻，l、w、h分别为薄膜长、宽和厚度，U_r、U_s分别参考电压和样品电压。采用两探针法主要是基于两点考虑，一是为了实现电阻率和Seebeck系数测试的复合，二是尽量简化测试的操作，而一般采用的四探针法测薄膜电阻率的操作相当繁琐。对于附加Seebeck电压对电阻率测量的影响，可在测量时改变电流方向做两次快速测量，然后取平均值；电位探针间距相对电流的导入间距来说比较小，这样就能够在薄膜内形成比较规则的电场，获得比较准确的电压值。

由于是利用最小二乘法来拟合得到Seebeck系数，所以得到的误差是最小的，分析用此法得到的Seebeck系数的标准差：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{n}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\mathrm{\ΔT}\right)}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ΔT}\right)}^2}}\·{\mathrm{\δ}}_U$

(式3)

${\mathrm{\δ}}_U=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{{\mathrm{\Δ}}_{U_i}}^2}{n-1}}$ (式4)

式中，U为Seebeck电势差，ΔT为样品冷热端温差，n为采样点数，一般为50左右。分析Δ_U的大小：当I7018量程档选择为15mv时，其分辨率小于0.5μv，而其本身的转换误差仅为0.5％，以ΔT＝10K，α＝50μv/K估算误差，则Δ_U/U大约为0.6％，由式4得到δ_U的值为3.0μv。假设测试温差区间为3-10K，将这一区间进行等分割获得51个ΔT值(不考虑测温误差)，由式3分析得到δ_α的值为0.20μv/K，所以α的相对误差为0.4％，因此通过线性拟合可以获得较高的精确度。

由于以上分析没有计入ΔT的误差，以下我们对ΔT的误差作进一步分析，但是该误差对最终Seebeck系数的影响是可通过线性拟合得到优化的。ΔT的误差主要有热电偶误差、A/D转换误差和由于接触热阻产生的误差，我们采用K型热电偶测温，由于该种热电偶本身有一随机误差，如在-40-400℃时误差为±0.5％，根据误差处理方法，这一误差可以通过多次测量的办法得以降低，如用n次测量的温度算术平均值替代真实温度(T₀)时的标准偏差为：

$\mathrm{\δ}=\±\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_i-T_0)}^2}$ (式5)

由于微机采集数据读数很快(每秒钟采集20个点)，我们采用每秒读取1个温度点，20次采集取平均值，如测温点为30℃时，20次读数随机误差可减小到±0.15K，则由此产生的温差|Δ_ΔT|误差为0.3K。I7018对热电偶的电势信号采集的误差可以忽略，而将电信号转变成温度值的过程中，我们可以采用插值的方法，其误差也可以通过优化程序设计进行改善，因而这一阶段产生的误差可以控制在0.2K以下。对于由于接触热阻产生的误差，如果接触材料选择得当，并且加工精度比较高，保证样品接触良好，这种误差基本可以忽略不计。由此看来，总共产生的误差大约为|Δ_ΔT|＜0.5K，如果以ΔT＝10K估算误差，则|Δ_ΔT|/ΔT＜5％。在此我们对Seebeck系数误差做最保守的估计，利用误差加和性原理，Seebeck系数总的误差要小于5％。

由电阻率的计算公式可知，其相对误差可表示为

$\left|\mathrm{\Δ\ρ}\right|/\mathrm{\ρ}=\left|{\mathrm{\Δ}}_l\right|/l+\left|{\mathrm{\Δ}}_{V_r}\right|/V_r+\left|{\mathrm{\Δ}}_{R_f}\right|/R_f+\left|{\mathrm{\Δ}}_{V_s}\right|/V_s+\left|{\mathrm{\Δ}}_w\right|/w+\left|{\mathrm{\Δ}}_h\right|/h$ (式6)

式中，l，w，h分别为探针检测间距、薄膜的宽度、厚度，R_f，V_r，V_s分别为参考电阻、参考电阻端电压和样品端电压。对于|Δ_l|/l、|Δ_w|/w两项，由于检测间距1和薄膜宽度w用游标卡尺(分辨率为0.01mm)测定，采用多次测量取平均值来克服偶然误差。在试验中，尺寸一般取1＝4.6mm，w＝25.8mm，则|Δ_l|/l+|Δ_w|/w＝0.25％；对于

两项，由于I7018量程档选择为15mv时，其分辨率小于0.5μv，则 $\left|{\mathrm{\&Delta;}}_{V_r}\right|=\left|{\mathrm{\&Delta;}}_{V_s}\right|<0.5\mathrm{\&mu;v},$ 我们试样的电阻率一般大于5μΩ·m，取电流I＝10mA，R_f＝1Ω，则V_r＝10mv，V_s＞50μv， $\left|{\mathrm{\&Delta;}}_{V_r}\right|/V_r+\left|{\mathrm{\&Delta;}}_{V_s}\right|/V_s<1\%;$ 对于

由于R_f选择的是精密电阻，其误差＜1％；因为厚度测量需要更精密的仪器，此处没有考虑厚度误差|Δ_h|/h，我们的处理方法为先设定一个检测厚度值，测试完成后用更精确的厚度值进行置换：ρ＝ρ_s·h_t/h_s，其中ρ_s、h_s、h_t分别为测试电阻率、设定厚度和精确厚度。一般薄膜的厚度可以在制备时根据仪器(如石英晶体膜厚监控仪)给出，也可以利用断面扫描获得(例如扫描电子显微镜)，因此我们认为厚度的数值是精确的，不考虑误差。另外，A/D转换误差、电压值转物理量误差都比较小，基本上可以忽略，根据误差加和性原理，在不计入厚度误差的情况下，电阻率测量误差小于3％。

利用本装置对磁控溅射制备PbTe薄膜(#1)、闪蒸沉积的Sb单质薄膜(#2)，Ag掺杂Bi₂Te_2.94Se_0.06薄膜(#3)和Sn掺杂Bi₂Te_2.95Se_0.05薄膜(#4)的电阻率和Seebeck系数进行复合测试。图4为样品#1的Seebeck系数测试数据点及拟合曲线。以下表格为测试结果和误差分布及样品#1电阻率采集数据和结果：

表1.薄膜样品测试结果及误差分布

样品	Seebeck系数(μv/K)	Seebeck误差	Seebeck偏差(μv/K)	电阻率(μΩ·m)	电阻率误差	电阻率偏差(μΩ·m)
							#1	86.76	±2.67％	±2.32	68.55	±2.04％	±1.39
#2	-20.42	±3.91％	±0.81	9.37	±2.13％	±0.21
							#3	151.06	±1.65％	±2.53	79.71	±1.09％	±0.87
#4	143.71	±1.60％	±2.36	424.99	±0.89％	±3.74

注：表中所列电阻率误差为不考虑厚度误差所得结果。

表2.样品#1电阻率测试采集的数据点及测试结果

Claims (1)

1、一种测量半导体薄膜材料室温下塞贝克系数和电阻率的装置，其特征在于：冷、热端导热铜块(3、3′)夹持并固定热电堆(2)，在三者的下部形成空腔；一对电位探针(6、6′)固定在探针支架(7)上，并位于冷、热端导热铜块(3、3′)和热电堆(2)构成的空腔内，探针支架(7)通过一对弹簧(4、4′)固定在冷、热端导热铜块(3、3′)上，二个电势检测点(10、10′)和冷、热端热电偶(8、8′)分别安置在冷、热端导热铜块(3、3′)的下部，位置接近冷、热端导热铜块(3、3′)与被测薄膜接触的端面；

上述各部件均固定于测试台支架(16)的上部，测试台支架(16)的底板中部开有螺纹孔，螺纹孔向上延伸形成通孔，螺杆(23)安置在所述螺纹孔内，“T”型支撑台(20)的下端处于通孔内部，并设有限位块(21)；

电位探针(6、6′)，二个电势检测点(10、10′)，冷、热端热电偶(8、8′)分别通过导线与采集模块(13)相连；参考电阻(9)的一端与转换开关(12)相连，另一端通过导线与一个电位检测点(10)相连，另一个电位检测点(10′)直接通过导线与转换开关(12)相连；恒流源(11)与转换开关(12)相连；转换开关(12)与数据采集模块(13)相连；采集模块(13)与计算机(14)相连。

Images