真空變溫薄膜電阻測試儀器的設計與應用

朱亞彬,魏敏建,何 帆,劉依真,王保軍,陳志杰

(北京交通大學理學院物理實驗中心,北京100044)

真空變溫薄膜電阻測試儀器的設計與應用

朱亞彬,魏敏建,何 帆,劉依真,王保軍,陳志杰

(北京交通大學理學院物理實驗中心,北京100044)

設計了自制真空變溫薄膜電阻測試儀器,可以實現粗真空條件下,從室溫到300℃的四探針法薄膜電阻測試.該儀器適用于開展薄膜物性與電阻和溫度相關的實驗,例如,金屬與半導體薄膜的溫度-電阻特性實驗,二氧化釩薄膜熱滯效應實驗等.

真空;變溫;薄膜電阻

1 引 言

隨著現代高新技術的發展,超大規模集成電路已達到納米量級的尺寸,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重要參量.薄膜電阻的阻值影響電子器件的性質,例如,在發光二極管的制造中,二極管PN結上作為電極的金屬阻值影響發光二極管的發光效率.因此,薄膜電阻的測量在薄膜物理和半導體工業中有重要的應用.常用的薄膜電阻測試方法是四探針法.在大學物理實驗課程中開展薄膜電阻相關內容的研究,北京科技大學和其他高校已做出成功嘗試[4-7],但是關于薄膜材料的溫度特性研究仍比較少見.

眾所周知,不同物質的溫度-電阻特性不同.通常情況下,金屬的電阻隨溫度降低而減小,半導體的電阻隨溫度降低而增加;而超導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℃附近發生半導體與金屬結構相變.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試儀開展相應的實驗.

本文介紹了真空變溫薄膜電阻測試儀的原理和實驗裝置,并舉例說明如何在大學物理實驗中開展金屬和半導體薄膜的溫度特性研究,如何讓學生掌握四探針法測量薄膜電阻的實驗技能,學習薄膜的尺寸效應、溫度控制與真空獲得等相關知識.

2 實驗原理

2.1 薄膜電阻率

電阻的產生是由于導電電子受到晶格、雜質和缺陷的散射.由于薄膜的厚度有限,與塊材材料比較,其幾何尺寸對薄膜的特性將產生影響.在導電方面,當薄膜的厚度與電子的平均自由程可比擬時,薄膜表面和界面將影響電子的運動和電子的平均自由程有效值.由于幾何尺寸結構限制所引起的導電特性的變化,稱為尺寸效應.

玻耳茲曼方程是描述電子輸運現象的基本方程,它表述了由于電場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,k是動量矢量,r是位置矢量.對于塊材和薄膜,由玻耳茲曼傳輸方程得到分布函數的微商形式是不同的.科學家們早在20世紀30年代就提出 Fuchs模型和Cottey模型等理論對這一現象進行解釋,直到現在科學家們還在對它進行深入細致地研究.目前,薄膜電阻率理論主要基礎是Fuchs-Sondheimer理論:

當 d?λb時,薄膜與塊材電阻率之間關系為

當 d?λb時,薄膜與塊材電阻率之間關系為

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.

在科研和實際生產中,常應用四探針法測量金屬和半導體薄膜的電阻率,其原理示意圖如圖1所示.在薄膜的面積為無限大或遠遠大于四探針中相鄰探針間距離時,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是流經薄膜的電流,V是產生的電壓.

圖1 四探針原理圖

2.2 電阻率的溫度系數

導體電阻與溫度有關.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.半導體電阻值與溫度的關系很大,本征半導體電阻率隨溫度增加而單調地下降,兩者呈關系:

對于雜質半導體,有雜質電離和本征激發2個因素存在,因而電阻率隨溫度的變化關系要復雜些.有的合金如康銅和錳銅的電阻與溫度變化的關系不大.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系可制造電阻溫度計,鉑電阻溫度計能測量-263～1 000℃的溫度,半導體鍺溫度計可測量很低的溫度.康銅和錳銅是制造標準電阻的好材料.圖2是YBCO樣品因燒結溫度不同,在100～300 K表現出金屬和半導體隨溫度變化特性曲線.

圖2 金屬、半導體的電阻-溫度特性曲線

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

實際應用時,通常采用平均電阻溫度系數,定義式如下:

3 實驗儀器

本實驗的儀器見圖3.儀器組成:電學組合箱,包括溫度控制、恒流源和電壓表及其調節旋鈕;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、空氣閥及機械泵.可測量大氣壓和粗真空條件下,實現溫度從室溫到300℃的金屬、半導體薄膜電阻測試.本儀器將四探針薄膜測試方法、加熱、溫度測控和粗真空的獲得相結合,主要有以下優點:

1)粗真空環境下,溫度測控不受外界環境影響,升溫速度快;

2)智能PID溫度控制儀,可以方便地調節和控制溫度;

3)四探針組件的微調機構可以測試不同位置薄膜電阻;

4)在1臺儀器上學生可以學習到四探針薄膜測試、溫度測控和真空等多方面的知識.

利用此儀器可以開展以下實驗內容:

1)測試室溫到200℃時金屬薄膜的電阻值.計算金屬薄膜的電阻率,畫出金屬溫度-電阻特性曲線.

2)測試室溫到200℃時半導體薄膜的電阻值.計算半導體薄膜的電阻率,畫出半導體薄膜溫度-電阻特性曲線.

圖3 V TR10型真空變溫薄膜電阻實驗儀

4 實驗數據舉例

A l膜的電阻率與溫度的關系如表1所示.

表1 Al膜的電阻率與溫度之間關系

Zn-O薄膜電阻率與溫度的關系如表2所示.

表2 Zn-O薄膜電阻率與溫度的關系

由表1和表2中數據得出電阻率和溫度的關系如圖4所示.

圖4 電阻率與溫度的關系

5 結束語

上述實驗結果表明,在真空中測試薄膜電阻-溫度特性,避免外界環境對測試結果的影響,并且操作簡單易行.將薄膜測試技術與物性研究相結合,豐富學生的知識,開闊學生的思維.

本儀器已經申請實用新型專利,申請號:201020127372.8.

[1]吳瓊,邢杰,劉斯彪,等.利用磁控濺射技術在熔融石英襯底上生長銦錫氧薄膜的結構和形貌特性研究[J].物理實驗,2010,30(3):7-10.

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[7]吳平,張師平,閆丹,等.薄膜材料電容率的測量[J].物理實驗,2009,29(2):1-3.

[責任編輯: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屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-05-31;修改日期:2010-09-19

朱亞彬(1971-),女,遼寧朝陽人,北京交通大學理學院物理實驗中心副教授,主要從事光電功能薄膜材料的制備與物性研究和大學物理實驗教學工作.