朱亞彬,魏敏建,何 帆,劉依真,王保軍,陳志杰

(北京交通大學(xué)理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心,北京100044)

真空變溫薄膜電阻測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

朱亞彬,魏敏建,何 帆,劉依真,王保軍,陳志杰

(北京交通大學(xué)理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心,北京100044)

設(shè)計(jì)了自制真空變溫薄膜電阻測(cè)試儀器,可以實(shí)現(xiàn)粗真空條件下,從室溫到300℃的四探針?lè)ū∧る娮铚y(cè)試.該儀器適用于開(kāi)展薄膜物性與電阻和溫度相關(guān)的實(shí)驗(yàn),例如,金屬與半導(dǎo)體薄膜的溫度-電阻特性實(shí)驗(yàn),二氧化釩薄膜熱滯效應(yīng)實(shí)驗(yàn)等.

真空;變溫;薄膜電阻

1 引 言

隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展,超大規(guī)模集成電路已達(dá)到納米量級(jí)的尺寸,如,Intel的300 mm尺寸硅晶圓上可以做到0.065μm的蝕刻尺寸.如此小的尺寸離不開(kāi)薄膜材料的制備及特性研究[1-3],薄膜的電阻是薄膜材料的一個(gè)重要參量.薄膜電阻的阻值影響電子器件的性質(zhì),例如,在發(fā)光二極管的制造中,二極管PN結(jié)上作為電極的金屬阻值影響發(fā)光二極管的發(fā)光效率.因此,薄膜電阻的測(cè)量在薄膜物理和半導(dǎo)體工業(yè)中有重要的應(yīng)用.常用的薄膜電阻測(cè)試方法是四探針?lè)?在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)展薄膜電阻相關(guān)內(nèi)容的研究,北京科技大學(xué)和其他高校已做出成功嘗試[4-7],但是關(guān)于薄膜材料的溫度特性研究仍比較少見(jiàn).

眾所周知,不同物質(zhì)的溫度-電阻特性不同.通常情況下,金屬的電阻隨溫度降低而減小,半導(dǎo)體的電阻隨溫度降低而增加;而超導(dǎo)體的電阻隨溫度降低而減小,在某一特定溫度電阻減小到零;熱致相變材料二氧化釩在68℃附近發(fā)生半導(dǎo)體與金屬結(jié)構(gòu)相變.因此,如果制備出適合的薄膜樣品,就可以利用真空變溫薄膜電阻測(cè)試儀開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn).

本文介紹了真空變溫薄膜電阻測(cè)試儀的原理和實(shí)驗(yàn)裝置,并舉例說(shuō)明如何在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中開(kāi)展金屬和半導(dǎo)體薄膜的溫度特性研究,如何讓學(xué)生掌握四探針?lè)y(cè)量薄膜電阻的實(shí)驗(yàn)技能,學(xué)習(xí)薄膜的尺寸效應(yīng)、溫度控制與真空獲得等相關(guān)知識(shí).

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 薄膜電阻率

電阻的產(chǎn)生是由于導(dǎo)電電子受到晶格、雜質(zhì)和缺陷的散射.由于薄膜的厚度有限,與塊材材料比較,其幾何尺寸對(duì)薄膜的特性將產(chǎn)生影響.在導(dǎo)電方面,當(dāng)薄膜的厚度與電子的平均自由程可比擬時(shí),薄膜表面和界面將影響電子的運(yùn)動(dòng)和電子的平均自由程有效值.由于幾何尺寸結(jié)構(gòu)限制所引起的導(dǎo)電特性的變化,稱為尺寸效應(yīng).

玻耳茲曼方程是描述電子輸運(yùn)現(xiàn)象的基本方程,它表述了由于電場(chǎng)和碰撞所引起的電子能量的改變.

其中,f(k,r,t)是分布函數(shù),k是動(dòng)量矢量,r是位置矢量.對(duì)于塊材和薄膜,由玻耳茲曼傳輸方程得到分布函數(shù)的微商形式是不同的.科學(xué)家們?cè)缭?0世紀(jì)30年代就提出 Fuchs模型和Cottey模型等理論對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋,直到現(xiàn)在科學(xué)家們還在對(duì)它進(jìn)行深入細(xì)致地研究.目前,薄膜電阻率理論主要基礎(chǔ)是Fuchs-Sondheimer理論:

當(dāng) d?λb時(shí),薄膜與塊材電阻率之間關(guān)系為

當(dāng) d?λb時(shí),薄膜與塊材電阻率之間關(guān)系為

其中,ρf和ρb為薄膜和塊材的電阻率,λb為電子在塊材中的平均自由程,d為薄膜的厚度.

在科研和實(shí)際生產(chǎn)中,常應(yīng)用四探針?lè)y(cè)量金屬和半導(dǎo)體薄膜的電阻率,其原理示意圖如圖1所示.在薄膜的面積為無(wú)限大或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于四探針中相鄰探針間距離時(shí),金屬薄膜的電阻率ρ可以由下式給出:

式中 d是薄膜的膜厚,I是流經(jīng)薄膜的電流,V是產(chǎn)生的電壓.

圖1 四探針原理圖

2.2 電阻率的溫度系數(shù)

導(dǎo)體電阻與溫度有關(guān).純金屬的電阻隨溫度的升高電阻增大,通常與溫度成正比:

式中α稱為電阻的溫度系數(shù).半導(dǎo)體電阻值與溫度的關(guān)系很大,本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降,兩者呈關(guān)系:

對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體,有雜質(zhì)電離和本征激發(fā)2個(gè)因素存在,因而電阻率隨溫度的變化關(guān)系要復(fù)雜些.有的合金如康銅和錳銅的電阻與溫度變化的關(guān)系不大.碳和絕緣體的電阻隨溫度的升高阻值減小.電阻隨溫度變化的這幾種情況都很有用處.利用電阻與溫度變化的關(guān)系可制造電阻溫度計(jì),鉑電阻溫度計(jì)能測(cè)量-263～1 000℃的溫度,半導(dǎo)體鍺溫度計(jì)可測(cè)量很低的溫度.康銅和錳銅是制造標(biāo)準(zhǔn)電阻的好材料.圖2是YBCO樣品因燒結(jié)溫度不同,在100～300 K表現(xiàn)出金屬和半導(dǎo)體隨溫度變化特性曲線.

圖2 金屬、半導(dǎo)體的電阻-溫度特性曲線

電阻溫度系數(shù)(αT)更普遍的定義為,當(dāng)溫度改變1℃時(shí),電阻值的相對(duì)變化,單位為1×10-6℃,定義式如下:

實(shí)際應(yīng)用時(shí),通常采用平均電阻溫度系數(shù),定義式如下:

3 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)的儀器見(jiàn)圖3.儀器組成:電學(xué)組合箱,包括溫度控制、恒流源和電壓表及其調(diào)節(jié)旋鈕;四探針組件;加熱器及其支架;真空腔,包括玻璃罩、法蘭、氣壓表、空氣閥及機(jī)械泵.可測(cè)量大氣壓和粗真空條件下,實(shí)現(xiàn)溫度從室溫到300℃的金屬、半導(dǎo)體薄膜電阻測(cè)試.本儀器將四探針薄膜測(cè)試方法、加熱、溫度測(cè)控和粗真空的獲得相結(jié)合,主要有以下優(yōu)點(diǎn):

1)粗真空環(huán)境下,溫度測(cè)控不受外界環(huán)境影響,升溫速度快;

2)智能PID溫度控制儀,可以方便地調(diào)節(jié)和控制溫度;

3)四探針組件的微調(diào)機(jī)構(gòu)可以測(cè)試不同位置薄膜電阻;

4)在1臺(tái)儀器上學(xué)生可以學(xué)習(xí)到四探針薄膜測(cè)試、溫度測(cè)控和真空等多方面的知識(shí).

利用此儀器可以開(kāi)展以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:

1)測(cè)試室溫到200℃時(shí)金屬薄膜的電阻值.計(jì)算金屬薄膜的電阻率,畫(huà)出金屬溫度-電阻特性曲線.

2)測(cè)試室溫到200℃時(shí)半導(dǎo)體薄膜的電阻值.計(jì)算半導(dǎo)體薄膜的電阻率,畫(huà)出半導(dǎo)體薄膜溫度-電阻特性曲線.

圖3 V TR10型真空變溫薄膜電阻實(shí)驗(yàn)儀

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)舉例

A l膜的電阻率與溫度的關(guān)系如表1所示.

表1 Al膜的電阻率與溫度之間關(guān)系

Zn-O薄膜電阻率與溫度的關(guān)系如表2所示.

表2 Zn-O薄膜電阻率與溫度的關(guān)系

由表1和表2中數(shù)據(jù)得出電阻率和溫度的關(guān)系如圖4所示.

圖4 電阻率與溫度的關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在真空中測(cè)試薄膜電阻-溫度特性,避免外界環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,并且操作簡(jiǎn)單易行.將薄膜測(cè)試技術(shù)與物性研究相結(jié)合,豐富學(xué)生的知識(shí),開(kāi)闊學(xué)生的思維.

本儀器已經(jīng)申請(qǐng)實(shí)用新型專利,申請(qǐng)?zhí)?201020127372.8.

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[責(zé)任編輯:郭 偉]

New instrument for measuring thin film resistance with varying temperature in vacuum

ZHU Ya-bin,WEIM in-jian,HE Fan,L IU Yi-zhen,WANGBao-jun,CHEN Zhi-jie
(School of Science,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

New self-made instrument for measuring thin film resistance using four-p robe method w ith varying temperature(from room temperature to 300℃)under rough vacuum was introduced.It w as suitable fo r the development of physics experiments on p roperties related to the temperature-dependent resistance,for example,the resistance v.s.temperature characteristic of metal and semiconductor thin film and thermal-lag effect of vanadium dioxide thin film,and so on.

vacuum;varying temperature;thin film resistance

O484.42

A

1005-4642(2011)01-0028-03

“第6屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2010-05-31;修改日期:2010-09-19

朱亞彬(1971-),女,遼寧朝陽(yáng)人,北京交通大學(xué)理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心副教授,主要從事光電功能薄膜材料的制備與物性研究和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.