CN209784246U

CN209784246U - 用于功能薄膜的电学测试装置

Info

Publication number: CN209784246U
Application number: CN201822170962.8U
Authority: CN
Inventors: 张晓渝; 臧涛成; 葛丽娟; 马春兰; 邢园园
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2018-12-24
Filing date: 2018-12-24
Publication date: 2019-12-13
Anticipated expiration: 2028-12-24

Abstract

本实用新型公开一种用于功能薄膜的电学测试装置，包括电极固定基座、4个铜导线、4个金属铟柱、电压表和电流表，所述电极固定基座开有4个由上置物孔和下置物孔连接的安装通孔，所述铜导线位于下置物孔内，所述金属铟柱位于上置物孔内并与铜导线焊接连接，一压力机构安装于电极固定基座上，测试样品上表面和下表面分别与压力机构的下端和金属铟柱接触，第一双刀双掷开关、第二双刀双掷开关、第三双刀双掷开关和第四双刀双掷开关均包括2个动端、2个通路静端和2个断路静端。本实用新型电学测试装置保证测试装置的持久耐用，测试的数据准确率更高，并保持被测试样品和电极的接触更好，能准确、方便、可重复地测试薄膜电阻率。

Description

用于功能薄膜的电学测试装置

技术领域

本实用新型涉及电学性能测试领域，尤其涉及一种用于功能薄膜的电学测试装置。

背景技术

随着电子器件小型化的发展，功能薄膜材料广泛应用于各类器件，厚度只有几百纳米甚至几十纳米的薄膜物理性能越来越受到关注。薄膜电阻率是基本物理性能之一，目前测试金属-半导体薄膜电阻率范围的方法主要为非接触式的光学法和接触式的探针法。光学方法主要通过载流子浓度的变化测试半导体材料的电阻率，但准确率不是很高，实际还是需要通过做欧姆电极采用霍尔测试方法来进行电阻率的精确测定。接触式探针法是目前较为通用的测试薄膜电阻率方法，测试方式有两点法、四点法和六点法等等，探针与被测样品的电极材料因被测试样品不同而较为复杂，有高速钢、碳化钨、金、银和银胶等。使用高速钢和碳化钨等硬质材料对薄膜有不同程度的损伤，通常用在块体材料电阻率的测试中，镀金和镀银使得电极与被测材料的接触较为理想，但是工艺成本较大，流程较为繁琐。采用银胶为电极时对银胶的要求较高，银胶中银和胶的比例十分重要，银含量多了不易粘住金属导线，胶多了会造成电极电导率的下降，而且银胶电极的面积大小不容易控制，会导致样品电阻率测试的一致性下降，因此，如何克服上述技术问题成为本领域技术人员努力的方向。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于功能薄膜的电学测试装置，该用于功能薄膜的电学测试装置保证测试装置的持久耐用，测试的数据准确率更高，并保持被测试样品和电极的接触更好，能准确、方便、可重复地测试薄膜电阻率。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种用于功能薄膜的电学测试装置及其测试方法，包括电极固定基座、4个铜导线、4个金属铟柱、电压表和电流表，所述电极固定基座开有4个由上置物孔和下置物孔连接的安装通孔，所述铜导线位于下置物孔内，所述金属铟柱位于上置物孔内并与铜导线焊接连接，一压力机构安装于电极固定基座上，测试样品上表面和下表面分别与压力机构的下端和金属铟柱接触；

第一双刀双掷开关、第二双刀双掷开关、第三双刀双掷开关和第四双刀双掷开关均包括2个动端、2个通路静端和2个断路静端；

所述第一双刀双掷开关的第一动端、第二动端分别通过导线与4个铜导线中的2个铜导线电连接，第一双刀双掷开关的第一通路静端、第二通路静端分别与第三双刀双掷开关和第四双刀双掷开关的对应的第五动端、第七动端连接；

所述第二双刀双掷开关的第三动端、第四动端分别通过导线与4个铜导线中的另2个铜导线电连接，第二双刀双掷开关的第三通路静端、第四通路静端分别与第三双刀双掷开关和第四双刀双掷开关的对应的第六动端、第八动端连接；

所述电流表跨接于第三双刀双掷开关的第五通路静端和第四双刀双掷开关的对应的第七通路静端之间，所述电压表跨接于第三双刀双掷开关的第六通路静端和第四双刀双掷开关的对应的第八通路静端之间。

上述技术方案中进一步改进的方案如下：

1. 上述方案中，所述压力机构包括弹簧柱塞，此弹簧柱塞下端压在测试样品的表面。

2. 上述方案中，所述上置物孔的高度为2~5mm，直径为0.4~0.6mm，所述下置物孔的高度为3~6mm，直径为1.5~2.0mm。

3. 上述方案中，所述上置物孔的直径小于下置物孔的直径。

4. 上述方案中，所述铜导线的外部套有外壳。

5. 上述方案中，具有外壳的所述铜导线的直径为1.5~2.0mm。

6. 上述方案中，所述压力机构向下压的压力大小在0.1~0.8N之间可控。

7. 上述方案中，所述电极固定基座的材质为聚四氟乙烯。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、本实用新型用于功能薄膜的电学测试装置，其金属铟柱位于上置物孔内并与铜导线焊接连接，金属铟柱相对密度7.31 g/cm³，可塑性强，常温下不易被空气氧化，使用金属铟柱能够保证测试装置的持久耐用，测试的数据准确率更高，并且成本较镀金和镀银来说要低；其次，其第一双刀双掷开关、第二双刀双掷开关、第三双刀双掷开关和第四双刀双掷开关均包括2个动端、2个通路静端和2个断路静端，采用双刀双掷开关切换电流方向，无需插拔接口即可改变电流流进电极的方向，提高测试效率。

2、本实用新型用于功能薄膜的电学测试装置，其上置物孔的直径小于下置物孔的直径，通过两个直径不同的圆柱体空间分别放置金属铟柱和铜导线，可以使得铜导线与金属铟柱的位置相对固定，也能使得焊接更方便也更牢固，保证测试装置的稳定好用；其次，其铜导线的外部套有外壳，外壳可以防止漏电和防止氧化，减少更换次数，提高使用寿命；其次，其压力机构向下压的压力大小在0.1~0.8N之间可控，可以避免因为压力过大导致对测试样品有不同程度的损伤影响测试结果或因压力大小没有接触到测试样品读数无法读出。

附图说明

附图1为本实用新型用于功能薄膜的电学测试装置的结构示意图；

附图2为本实用新型用于功能薄膜的电学测试装置的电路示意图一；

附图3为本实用新型用于功能薄膜的电学测试装置的电路示意图二。

以上附图中：1、电极固定基座；2、铜导线；3、金属铟柱；4、测试样品；5、压力机构；6、弹簧柱塞；7、上置物孔；8、下置物孔；9、电压表；10、安装通孔；11、电流表；12、第一双刀双掷开关；121、第一动端；122、第二动端；123、第一通路静端；124、第二通路静端；13、第二双刀双掷开关；131、第三动端；132、第四动端；133、第三通路静端；134、第四通路静端；14、第三双刀双掷开关；141、第五动端；142、第六动端；143、第五通路静端；144、第六通路静端；15、第四双刀双掷开关；151、第七动端；152、第八动端；153、第七通路静端；154、第八通路静端。

具体实施方式

实施例1：一种用于功能薄膜的电学测试装置及其测试方法，包括电极固定基座1、4个铜导线2、4个金属铟柱3、电压表9和电流表11，所述电极固定基座1开有4个由上置物孔7和下置物孔8连接的安装通孔10，所述铜导线位于下置物孔8内，所述金属铟柱3位于上置物孔7内并与铜导线2焊接连接，一压力机构5安装于电极固定基座1上，测试样品4上表面和下表面分别与压力机构5的下端和金属铟柱3接触；

第一双刀双掷开关12、第二双刀双掷开关13、第三双刀双掷开关14和第四双刀双掷开关15均包括2个动端、2个通路静端和2个断路静端；

所述第一双刀双掷开关12的第一动端121、第二动端122分别通过导线与4个铜导线2中的2个铜导线2电连接，第一双刀双掷开关12的第一通路静端123、第二通路静端124分别与第三双刀双掷开关14和第四双刀双掷开关15的对应的第五动端141、第七动端151连接；

所述第二双刀双掷开关13的第三动端131、第四动端132分别通过导线与4个铜导线2中的另2个铜导线电连接，第二双刀双掷开关13的第三通路静端133、第四通路静端134分别与第三双刀双掷开关14和第四双刀双掷开关15的对应的第六动端142、第八动端152连接；

所述电流表11跨接于第三双刀双掷开关14的第五通路静端143和第四双刀双掷开关15的对应的第七通路静端153之间，所述电压表9跨接于第三双刀双掷开关14的第六通路静端144和第四双刀双掷开关15的对应的第八通路静端154之间。

上述压力机构5包括弹簧柱塞6，此弹簧柱塞6下端压在测试样品4的表面。

上述上置物孔7的高度为2mm，直径为0.5mm，上述下置物孔8的高度为4mm，直径为1.5mm。

具有外壳的上述铜导线2的直径为1.5mm。

上述压力机构5向下压的压力大小为0.2N。

实施例2：一种用于功能薄膜的电学测试装置及其测试方法，包括电极固定基座1、4个铜导线2、4个金属铟柱3、电压表9和电流表11，所述电极固定基座1开有4个由上置物孔7和下置物孔8连接的安装通孔10，所述铜导线位于下置物孔8内，所述金属铟柱3位于上置物孔7内并与铜导线2焊接连接，一压力机构5安装于电极固定基座1上，测试样品4上表面和下表面分别与压力机构5的下端和金属铟柱3接触；

上述上置物孔7的直径小于下置物孔8的直径。

上述铜导线2的外部套有外壳。上述上置物孔7的高度为3mm，直径为0.4mm，上述下置物孔8的高度为5mm，直径为2.0mm。

具有外壳的上述铜导线2的直径为2.0mm。

上述压力机构5向下压的压力大小为0.8N。

上述电极固定基座1的材质为聚四氟乙烯。

工作原理：以四点法为例，以范德堡法测试金薄膜样品电阻率为例，金薄膜厚度通过台阶仪测试薄膜厚度d=101.8 nm，面积为5×10 mm²。四个铟电极接触点a~d尽量分布在被测薄膜样品的四个角上，薄膜表面电阻公式可以表示为： exp(-πR_A/R_s) + exp(-πR_B/R_s)= 1

其中R_s为薄膜表面电阻，R_A和R_B是测量参数。测量的具体流程如下，施加恒流直电流I_ab从接触a进入，并从接触b流出，此时测试接触点d和接触点c间的电压为V_dc，得到电压R_ab=V_dc/I_ab。接着反向电流方向I_ba从接触b进入并从接触a流出，测试电压接触点c和接触点d间的电压为V_cd，得到电压R_ba= V_cd/I_ba。采用同样的方法，可以得到如下电阻值R_bc，R_cb，R_cd，R_dc，R_da，R_ad。根据电流逆向测量一致性要求，R_ab=R_ba，R_bc=R_cb，R_cd=R_dc，R_da=R_ad。同时，根据电路的互易定理，得到R_ab+R_ba=R_cd+R_dc和R_bc+R_cb=R_ad+R_da。这时，范德堡法公式中的两个重要参数R_A和R_B可以得到为

R_A =（R_ab+R_ba+R_cd+R_dc）/4

R_B =（R_bc+R_cb+R_ad+R_da）/4

由范德堡公式（1）中薄膜表面电阻R_s与R_A和R_B的关系，可以求解出R_s。最后计算出薄膜体电阻率为：

ρ= R_s d。

表1为金薄膜测试10次表面电阻R_s的数据，测试中恒定电流10 μA，10次测试R_s的平均值为4.325 Ω，金薄膜的电阻率为4.40×10^-7Ω∙m，该值与文献报道（J. R. Sambles, etal., “The Resistivity of Thin Gold film”, Solid State Communications, 32,997-1000 (1979).）是一致的。

表1 金薄膜测试10次表面电阻R_s数据（恒电流=10 μA）

采用上述用于功能薄膜的电学测试装置时，其采用双刀双掷开关切换电流方向，无需插拔接口即可改变电流流进电极的方向，提高测试效率，其次，其采用金属铟作为电极，金属铟柱相对密度7.31 g/cm³，可塑性强，常温下不易被空气氧化，使用金属铟柱能够保证测试装置的持久耐用，测试的数据准确率更高，并且成本较镀金和镀银来说要低；其次，其通过两个直径不同的圆柱体空间分别放置金属铟柱和铜导线，可以使得铜导线与金属铟柱的位置相对固定，也能使得焊接更方便也更牢固，保证测试装置的稳定好用；其次，其外壳可以防止漏电和防止氧化，减少更换次数，提高使用寿命；其次，其可以避免因为压力过大导致对测试样品有不同程度的损伤影响测试结果或因压力大小没有接触到测试样品读数无法读出。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种用于功能薄膜的电学测试装置，其特征在于：包括电极固定基座（1）、4个铜导线（2）、4个金属铟柱（3）、电压表（9）和电流表（11），所述电极固定基座（1）开有4个由上置物孔（7）和下置物孔（8）连接的安装通孔（10），所述铜导线位于下置物孔（8）内，所述金属铟柱（3）位于上置物孔（7）内并与铜导线（2）焊接连接，一压力机构（5）安装于电极固定基座（1）上，测试样品（4）上表面和下表面分别与压力机构（5）的下端和金属铟柱（3）接触；

第一双刀双掷开关（12）、第二双刀双掷开关（13）、第三双刀双掷开关（14）和第四双刀双掷开关（15）均包括2个动端、2个通路静端和2个断路静端；

所述第一双刀双掷开关（12）的第一动端、第二动端（121、122）分别通过导线与4个铜导线（2）中的2个铜导线（2）电连接，第一双刀双掷开关（12）的第一通路静端、第二通路静端（123、124）分别与第三双刀双掷开关（14）和第四双刀双掷开关（15）的对应的第五动端、第七动端（141、151）连接；

所述第二双刀双掷开关（13）的第三动端、第四动端（131、132）分别通过导线与4个铜导线（2）中的另2个铜导线电连接，第二双刀双掷开关（13）的第三通路静端、第四通路静端（133、134）分别与第三双刀双掷开关（14）和第四双刀双掷开关（15）的对应的第六动端、第八动端（142、152）连接；

所述电流表（11）跨接于第三双刀双掷开关（14）的第五通路静端（143）和第四双刀双掷开关（15）的对应的第七通路静端（153）之间，所述电压表（9）跨接于第三双刀双掷开关（14）的第六通路静端（144）和第四双刀双掷开关（15）的对应的第八通路静端（154）之间。

2.根据权利要求1所述的用于功能薄膜的电学测试装置，其特征在于：所述压力机构（5）包括弹簧柱塞（6），此弹簧柱塞（6）下端压在测试样品（4）的表面。

3.根据权利要求1所述的用于功能薄膜的电学测试装置，其特征在于：所述上置物孔（7）的高度为2~5mm，直径为0.4~0.6mm，所述下置物孔（8）的高度为3~6mm，直径为1.5~2.0mm。

4.根据权利要求1所述的用于功能薄膜的电学测试装置，其特征在于：所述上置物孔（7）的直径小于下置物孔（8）的直径。

5.根据权利要求1所述的用于功能薄膜的电学测试装置，其特征在于：所述铜导线（2）的外部套有外壳。

6.根据权利要求5所述的用于功能薄膜的电学测试装置，其特征在于：具有外壳的所述铜导线（2）的直径为1.5~2.0mm。

7.根据权利要求1所述的用于功能薄膜的电学测试装置，其特征在于：所述压力机构（5）向下压的压力大小在0.1~0.8N之间可控。

8.根据权利要求1所述的用于功能薄膜的电学测试装置，其特征在于：所述电极固定基座（1）的材质为聚四氟乙烯。