CN108008190A - 基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，包括如下步骤：选取方块电阻值稳定的样品作为校准样品；测量校准样品的方块电阻、散射参数特性；依据校准样品测试数据获得金属薄膜散射参数‑方块电阻关系曲线；测量待测样品的散射参数特性；依据薄膜散射参数‑方块电阻关系曲线和待测样品的散射参数计算得到待测样品的薄膜方块电阻。本发明实现无损测量导电薄膜方块电阻，而且能广泛应用于集成电路、太阳能电池、探测器等领域，具有一定的普适性。

Description

基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法

技术领域

本发明属于导电薄膜方块电阻测量领域，特别涉及一种导电薄膜方块电阻的非接触式测量方法。

背景技术

随着纳米科技的快速发展，各式各样的薄膜材料已经成为国内外研究热点并在相关领域获得了广泛应用，比如：集成电路、透明电极、电磁屏蔽层、微波电路、太阳能电池、微机电系统等。在诸多应用领域中，方块电阻是表征薄膜特性的关键参数之一。因此，方块电阻的测试就成为薄膜材料研究及应用必不可少的手段。

薄膜材料的方块电阻定义为其中ρ为薄膜材料电阻率、h为薄膜厚度。目前四探针技术还是测量方块电阻的主流技术，尽管近年来陆续提出了若干改进型的四探针法，但是基本原理仍然是通过施加两组电压激励测得两组电流来获取方块电阻，本质上都是接触式的测试。

随着微波传感技术的发展，运用微波信号进行方块电阻的表征获得了一定进展。Lee M H J等人通过在130GHz的工作频率上测量介质波导传输特性，实现了对镍铬合金薄膜方块电阻的测量，但是此种方法难以在较低的微波频段实现；O Shaforost等人利用介质加载的圆柱谐振腔实现了石墨烯层的方块电阻，但是一般情况下，谐振腔法对待测样品的制备要求很高；Karel等人基于微波干涉法对金属薄膜的厚度进行了测量，此方法的测量电路复杂且分辨率较低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于微波信号的非接触导电薄膜方块电阻测量方法，利用四探针、微波传感器、网络分析仪对校准样品进行方块电阻、散射参数的测量，依据测量结果获得方块电阻-散射参数关联系数，通过微波信号检测装置和微波传感器进行散射参数测试获得待测导电薄膜方块电阻。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，包括如下步骤：

(1)在非导电基体上沉积导电薄膜，获得待测样品；

(2)选取方块电阻值已知的若干样品作为校准样品；将校准样品置于微波传感器中，通过测量微波传感器的散射参数，获得该微波传感器的方块电阻-散射参数关系曲线或建立查找表；

(3)将待测样品放入微波传感器中替换校准样品，测量微波传感器相应的散射参数；

(4)依据步骤(2)中获得的方块电阻-散射参数关系曲线或查找表和步骤(3)中的待测样品散射参数，计算获得待测样品方块电阻值。

进一步的，步骤(1)中通过磁控溅射沉积工艺、热蒸发沉积工艺、电子束蒸发工艺、印刷工艺或化学沉积工艺在非导电基体上沉积导电薄膜，得待测样品。

进一步的，步骤(2)中采用的微波传感器为：

微波频段的矩形波导、圆形波导、椭圆波导、脊波导、同轴线或其它非平面微波传输线；

或者，微带线、带状线、共面波导、基片集成波导或其它平面传输线；

或者，圆柱谐振腔、介质填充圆柱谐振腔或其它非平面微波谐振结构；

或者，互补裂环谐振器、微带天线、基片集成波导谐振器或其它平面微波谐振结构。

进一步的，步骤(2)中所述散射参数为：反射参数R、插入损耗T、谐振频率或品质因子Q。

进一步的，散射参数的测量装置为网络分析仪。

进一步的，非导电基体为绝缘衬底或半导体衬底。

一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，包括如下步骤：选取方块电阻值已知的若干样品作为校准样品；测量微波传感器中放入校准样品之后的散射参数；依据校准样品测试数据获得方块电阻-散射参数关系曲线或查找表；测量待测样品的散射参数；依据方块电阻-散射参数关系曲线或查找表和待测样品的散射参数计算得到待测样品的方块电阻值。

进一步的，导电薄膜的散射特性经由插损、回波损耗、谐振频率或品质因子测量得到，且插损、回波损耗、谐振频率或品质因子测量基于微波传感器完成。

进一步的，微波传感器为：

微波频段的矩形波导、圆形波导、椭圆波导、脊波导、同轴线或其它非平面微波传输线；

或者，微带线、带状线、共面波导、基片集成波导或其它平面传输线；

或者，圆柱谐振腔、介质填充圆柱谐振腔或其它非平面微波谐振结构；

或者，互补裂环谐振器、微带天线、基片集成波导谐振器或其它平面微波谐振结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明选取方块电阻值稳定的样品作为校准样品，利用四探针测量校准样品的方块电阻，利用微波传感器和网络分析仪测量校准样品的散射参数，依据方块电阻、散射参数测量结果进行数据处理获得“散射参数-方块电阻”关联关系，测量待测样品的散射参数并依据“散射参数-方块电阻”关联关系计算得到待测样品的方块电阻。本发明将基于微波信号的微波法(具体表现为将待测样品置于微波频段的非平面微波传感器(如矩形波导、圆柱谐振腔)及平面微波传感器(如微带线、互补裂环谐振器、微带天线)测量得到相应的微波参数，应用于绝缘或半导体衬底表面导电薄膜的方块电阻测量，该方法可以无损地对导电薄膜进行方块电阻测量，范围从毫欧每方到欧姆每方量级；本发明实现无损测量导电薄膜的方块电阻，而且能广泛应用于集成电路、太阳能电池、探测器等领域，具有一定的普适性。

附图说明

图1至图4为本发明基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量原理图；其中，图1为圆柱谐振腔示意图；图2为矩形波导示意图；图3为CSRR互补裂环谐振器；图4为微带天线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

本发明一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，包括如下步骤：

(1)在非导电基体上沉积导电薄膜，获得待测样品；

(2)选取方块电阻值已知的若干样品作为校准样品；将校准样品置于微波传感器中，通过测量微波传感器的散射参数，获得该微波传感器的方块电阻-散射参数关系曲线或建立查找表；

(3)将待测样品放入微波传感器中替换校准样品，测量微波传感器相应的散射参数；

(4)依据步骤(2)中获得的方块电阻-散射参数关系曲线或查找表和步骤(3)中的待测样品散射参数，计算获得待测样品方块电阻值。

步骤(2)中采用的微波传感器为：

微波频段的矩形波导、圆形波导、椭圆波导、脊波导、同轴线或其它非平面微波传输线；

或者，微带线、带状线、共面波导、基片集成波导或其它平面传输线；

或者，圆柱谐振腔、介质填充圆柱谐振腔或其它非平面微波谐振结构；

或者，互补裂环谐振器、微带天线、基片集成波导谐振器或其它平面微波谐振结构。

下面结合几种具体的微波传感器对本发明进行具体说明：

一、圆柱谐振腔：

如图1所示，以磁控溅射沉积银薄膜为例说明，本发明为一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻的测量方法，包括以下步骤：

(1)用磁控溅射设备将银薄膜14采用磁控溅射沉积工艺沉积到基底15(绝缘或半导体衬底)表面，得到校准样品和待测样品；

(2)将校准样品作为圆柱谐振腔16腔体壁的一部分(即：在基底15上溅射的银薄膜14作为圆柱谐振腔的上盖板)，使用网络分析仪测量圆柱谐振腔的Q值(采用谐振频率为10.8Ghz和17.7Ghz的圆柱谐振腔，在谐振腔的输入端馈入扫频的正弦微波信号，并在接收端接收经由谐振腔传输过来的正弦微波信号，观察Q值)

(3)采用四探针测试仪测量校准样品的方块电阻R_□(见表1第二列)；

(4)由玻璃表面溅射银薄膜的校准样品的品质因子Q及方块电阻R_□得到品质因数-方块电阻关系式(谐振频率为10.8Ghz)，(谐振频率为17.7Ghz)；

(5)将校准样品替换为待测样品置于圆柱谐振腔的上端替换其腔体壁的一部分，并测量此时的品质因子Q(见表1第三列)；

(6)将步骤(5)测量的品质因子Q代入步骤(4)获得的品质因数-方块电阻关系式，计算待测样品的方块电阻(见表1第四列)。

表1玻璃衬底表面磁控溅射银薄膜实验测试结果

第一列为样品编号(括号中的频率是不同的谐振腔谐振频率)，第二列为四探针法得到的方块电阻测试结果，第三列为Q值测量结果，第四列为依据品质因数测量结果计算得到的方块电阻，第五列方块电阻相对误差，可以看到采用本方法得到的相对误差在15％以下，从而验证了本方法的合理性。

二、矩形波导：

如图2所示，以磁控溅射沉积工艺为例说明，本发明为一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻的测量方法，包括以下步骤：

(1)将金属薄膜3采用磁控溅射沉积工艺沉积到基底2(绝缘或半导体衬底)表面，得到校准样品和待测样品；

(2)将校准样品置于两段直波导传输线1的法兰之间，使用插损测量装置(比如网络分析仪)测量波导插入损耗T(本发明使用WR-75矩形波导，在输入波导侧馈入指定频率的正弦微波信号，并在接收波导侧接收经由校准样品透射过来的正弦微波信号，用馈入微波幅度减去接收到的微波幅度得到嵌入校准样品后的波导插入损耗T)；

(3)采用四探针测试仪测量校准样品的方块电阻R_□(见表2第二列)；

(4)由玻璃表面溅射银薄膜的校准样品的插损T及方块电阻R_□得到插损-方块电阻关系式(其中T为矩形波导的插损)；

(5)将校准样品替换为待测样品置于两段直波导传输线1的法兰之间并固定，并测量此时波导插入损耗T_m(见表2第三列)；

(6)将步骤(5)测量的波导插入损耗T_m代入步骤(4)获得的插损-方块电阻关系式，计算待测样品的方块电阻(见表2第四列)。

表2玻璃衬底表面磁控溅射银薄膜实验测试结果

第一列为样品编号，第二列为方块电阻测试结果，第三列为矩形波导差损测量结果，第四列为依据插损测量结果计算得到的方块电阻，第五列方块电阻相对误差，可以看到采用本方法得到的相对误差在15％以下，从而验证了本方法的合理性。

三、互补裂环谐振器(CSRR)：

如图3所示，以磁控溅射沉积工艺为例说明，本发明为一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻的测量方法，包括以下步骤：

(1)将金属薄膜采用磁控溅射沉积工艺沉积到基底(绝缘或半导体衬底)表面，得到待测样品17；

(2)在覆铜板20的一侧制作一条匹配的微带线19，另外一侧制备谐振环CSRR18(器件所使用的覆铜板介电常数为2.65，尺寸是5*5cm)，将校准样品放置于微波器件CSRR有谐振环18的一侧使样品完全覆盖住谐振环，使用网络分析仪测量品质因子Q值；

(3)采用四探针测试仪测量校准样品的方块电阻R_□(见表3第二列)；

(4)由玻璃表面溅射银薄膜的校准样品的品质因子Q及方块电阻R_□得到品质因数-方块电阻的拟合关系式

(5)将校准样品替换为待测样品置于两段直波导传输线1的法兰之间并固定，并测量此时波导插入损耗T_m(见表2第三列)；

将步骤(5)测量的波导插入损耗T_m代入步骤(4)获得的插损-方块电阻关系式，利用上式即可根据所测得的Q值来计算待测样品的方块电阻(见表3第四列)。

可以看到实测结果与参考值吻合良好(见表3第五列的膜厚相对误差绝对值)；

表3玻璃衬底表面磁控溅射银薄膜实验测试结果

第一列为样品编号，第二列为方块电阻测试结果，第三列为CSRR品质因子Q的测量结果，第四列为依据品质因数测量结果计算得到的方块电阻，第五列方块电阻相对误差，可以看到采用本方法得到的相对误差在15％以下，从而验证了本方法的合理性。

四、微带天线：

如图4所示，以磁控溅射沉积工艺为例说明，本发明为一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻的测量方法，包括以下步骤：

(1)将金属薄膜21采用磁控溅射沉积工艺沉积到基底20(绝缘或半导体衬底)表面，得到待测样品；

(2)在覆铜板23上制作一条匹配的微带线22(所使用覆铜板的介电常数为3.5，器件尺寸是8*8cm)，使校准样品覆盖住一段微带线22形成以微带线为馈线，待测样品为辐射贴片的微带天线；覆铜板23的下部设有接地板24；使用网络分析仪测量反射参数R(观察贴片天线反射参数R的品质因子Q)；

(3)采用四探针测试仪测量校准样品的方块电阻R_□；

(4)由玻璃表面溅射银薄膜的样品的品质因子Q(表4中第2至4列给出了计算Q值所需的频率(它们由测量得到)，第5列给出了计算的Q值)及方块电阻R_□得到品质因数-方块电阻的拟合关系式

(5)利用上式即可依据测得的Q值计算方块电阻值，计算待测样品的方块电阻，结果如下(见表4第7列，第8列为相对误差)

表4玻璃衬底表面磁控溅射银薄膜实验测试结果

需要说明的是，本发明给出的所有公式适用于本发明中所用的器件和样品，对于其它器件和样品可以采用本发明所提到的方法。

Claims (9)

1.一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在非导电基体上沉积导电薄膜，获得待测样品；

(2)选取方块电阻值已知的若干样品作为校准样品；将校准样品置于微波传感器中，通过测量微波传感器的散射参数，获得该微波传感器的方块电阻-散射参数关系曲线或建立查找表；

(3)将待测样品放入微波传感器中替换校准样品，测量微波传感器相应的散射参数；

(4)依据步骤(2)中获得的方块电阻-散射参数关系曲线或查找表和步骤(3)中的待测样品散射参数，计算获得待测样品方块电阻值。

2.根据权利要求1所述的一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，其特征在于，步骤(1)中通过磁控溅射沉积工艺、热蒸发沉积工艺、电子束蒸发工艺、印刷工艺或化学沉积工艺在非导电基体上沉积导电薄膜，得待测样品。

3.根据权利要求1所述的一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，其特征在于，步骤(2)中采用的微波传感器为：

微波频段的矩形波导、圆形波导、椭圆波导、脊波导、同轴线或其它非平面微波传输线；

或者，微带线、带状线、共面波导、基片集成波导或其它平面传输线；

或者，圆柱谐振腔、介质填充圆柱谐振腔或其它非平面微波谐振结构；

或者，互补裂环谐振器、微带天线、基片集成波导谐振器或其它平面微波谐振结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，其特征在于，步骤(2)中所述散射参数为：反射参数R、插入损耗T、谐振频率或品质因子Q。

5.根据权利要求4所述的一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，其特征在于，散射参数的测量装置为网络分析仪。

6.根据权利要求1所述的一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，其特征在于，非导电基体为绝缘衬底或半导体衬底。

7.一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，其特征在于，包括如下步骤：选取方块电阻值已知的若干样品作为校准样品；测量微波传感器中放入校准样品之后的散射参数；依据校准样品测试数据获得方块电阻-散射参数关系曲线或查找表；测量待测样品的散射参数；依据方块电阻-散射参数关系曲线或查找表和待测样品的散射参数计算得到待测样品的方块电阻值。

8.根据权利要求7所述的一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，其特征在于，导电薄膜的散射特性经由插损、回波损耗、谐振频率或品质因子测量得到，且插损、回波损耗、谐振频率或品质因子测量基于微波传感器完成。

9.根据权利要求7所述的一种基于微波信号的非接触式导电薄膜方块电阻测量方法，其特征在于，微波传感器为：

微波频段的矩形波导、圆形波导、椭圆波导、脊波导、同轴线或其它非平面微波传输线；

或者，微带线、带状线、共面波导、基片集成波导或其它平面传输线；

或者，圆柱谐振腔、介质填充圆柱谐振腔或其它非平面微波谐振结构；

或者，互补裂环谐振器、微带天线、基片集成波导谐振器或其它平面微波谐振结构。