朱亚彬,魏敏建,何 帆,刘依真,王保军,陈志杰

(北京交通大学理学院物理实验中心,北京100044)

真空变温薄膜电阻测试仪器的设计与应用

朱亚彬,魏敏建,何 帆,刘依真,王保军,陈志杰

(北京交通大学理学院物理实验中心,北京100044)

设计了自制真空变温薄膜电阻测试仪器,可以实现粗真空条件下,从室温到300℃的四探针法薄膜电阻测试.该仪器适用于开展薄膜物性与电阻和温度相关的实验,例如,金属与半导体薄膜的温度-电阻特性实验,二氧化钒薄膜热滞效应实验等.

真空;变温;薄膜电阻

1 引 言

随着现代高新技术的发展,超大规模集成电路已达到纳米量级的尺寸,如,Intel的300 mm尺寸硅晶圆上可以做到0.065μm的蚀刻尺寸.如此小的尺寸离不开薄膜材料的制备及特性研究[1-3],薄膜的电阻是薄膜材料的一个重要参量.薄膜电阻的阻值影响电子器件的性质,例如,在发光二极管的制造中,二极管PN结上作为电极的金属阻值影响发光二极管的发光效率.因此,薄膜电阻的测量在薄膜物理和半导体工业中有重要的应用.常用的薄膜电阻测试方法是四探针法.在大学物理实验课程中开展薄膜电阻相关内容的研究,北京科技大学和其他高校已做出成功尝试[4-7],但是关于薄膜材料的温度特性研究仍比较少见.

众所周知,不同物质的温度-电阻特性不同.通常情况下,金属的电阻随温度降低而减小,半导体的电阻随温度降低而增加;而超导体的电阻随温度降低而减小,在某一特定温度电阻减小到零;热致相变材料二氧化钒在68℃附近发生半导体与金属结构相变.因此,如果制备出适合的薄膜样品,就可以利用真空变温薄膜电阻测试仪开展相应的实验.

本文介绍了真空变温薄膜电阻测试仪的原理和实验装置,并举例说明如何在大学物理实验中开展金属和半导体薄膜的温度特性研究,如何让学生掌握四探针法测量薄膜电阻的实验技能,学习薄膜的尺寸效应、温度控制与真空获得等相关知识.

2 实验原理

2.1 薄膜电阻率

电阻的产生是由于导电电子受到晶格、杂质和缺陷的散射.由于薄膜的厚度有限,与块材材料比较,其几何尺寸对薄膜的特性将产生影响.在导电方面,当薄膜的厚度与电子的平均自由程可比拟时,薄膜表面和界面将影响电子的运动和电子的平均自由程有效值.由于几何尺寸结构限制所引起的导电特性的变化,称为尺寸效应.

玻耳兹曼方程是描述电子输运现象的基本方程,它表述了由于电场和碰撞所引起的电子能量的改变.

其中,f(k,r,t)是分布函数,k是动量矢量,r是位置矢量.对于块材和薄膜,由玻耳兹曼传输方程得到分布函数的微商形式是不同的.科学家们早在20世纪30年代就提出 Fuchs模型和Cottey模型等理论对这一现象进行解释,直到现在科学家们还在对它进行深入细致地研究.目前,薄膜电阻率理论主要基础是Fuchs-Sondheimer理论:

当 d≫λb时,薄膜与块材电阻率之间关系为

当 d≪λb时,薄膜与块材电阻率之间关系为

其中,ρf和ρb为薄膜和块材的电阻率,λb为电子在块材中的平均自由程,d为薄膜的厚度.

在科研和实际生产中,常应用四探针法测量金属和半导体薄膜的电阻率,其原理示意图如图1所示.在薄膜的面积为无限大或远远大于四探针中相邻探针间距离时,金属薄膜的电阻率ρ可以由下式给出:

式中 d是薄膜的膜厚,I是流经薄膜的电流,V是产生的电压.

图1 四探针原理图

2.2 电阻率的温度系数

导体电阻与温度有关.纯金属的电阻随温度的升高电阻增大,通常与温度成正比:

式中α称为电阻的温度系数.半导体电阻值与温度的关系很大,本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降,两者呈关系:

对于杂质半导体,有杂质电离和本征激发2个因素存在,因而电阻率随温度的变化关系要复杂些.有的合金如康铜和锰铜的电阻与温度变化的关系不大.碳和绝缘体的电阻随温度的升高阻值减小.电阻随温度变化的这几种情况都很有用处.利用电阻与温度变化的关系可制造电阻温度计,铂电阻温度计能测量-263～1 000℃的温度,半导体锗温度计可测量很低的温度.康铜和锰铜是制造标准电阻的好材料.图2是YBCO样品因烧结温度不同,在100～300 K表现出金属和半导体随温度变化特性曲线.

图2 金属、半导体的电阻-温度特性曲线

电阻温度系数(αT)更普遍的定义为,当温度改变1℃时,电阻值的相对变化,单位为1×10-6℃,定义式如下:

实际应用时,通常采用平均电阻温度系数,定义式如下:

3 实验仪器

本实验的仪器见图3.仪器组成:电学组合箱,包括温度控制、恒流源和电压表及其调节旋钮;四探针组件;加热器及其支架;真空腔,包括玻璃罩、法兰、气压表、空气阀及机械泵.可测量大气压和粗真空条件下,实现温度从室温到300℃的金属、半导体薄膜电阻测试.本仪器将四探针薄膜测试方法、加热、温度测控和粗真空的获得相结合,主要有以下优点:

1)粗真空环境下,温度测控不受外界环境影响,升温速度快;

2)智能PID温度控制仪,可以方便地调节和控制温度;

3)四探针组件的微调机构可以测试不同位置薄膜电阻;

4)在1台仪器上学生可以学习到四探针薄膜测试、温度测控和真空等多方面的知识.

利用此仪器可以开展以下实验内容:

1)测试室温到200℃时金属薄膜的电阻值.计算金属薄膜的电阻率,画出金属温度-电阻特性曲线.

2)测试室温到200℃时半导体薄膜的电阻值.计算半导体薄膜的电阻率,画出半导体薄膜温度-电阻特性曲线.

图3 V TR10型真空变温薄膜电阻实验仪

4 实验数据举例

A l膜的电阻率与温度的关系如表1所示.

表1 Al膜的电阻率与温度之间关系

Zn-O薄膜电阻率与温度的关系如表2所示.

表2 Zn-O薄膜电阻率与温度的关系

由表1和表2中数据得出电阻率和温度的关系如图4所示.

图4 电阻率与温度的关系

5 结束语

上述实验结果表明,在真空中测试薄膜电阻-温度特性,避免外界环境对测试结果的影响,并且操作简单易行.将薄膜测试技术与物性研究相结合,丰富学生的知识,开阔学生的思维.

本仪器已经申请实用新型专利,申请号:201020127372.8.

[1]吴琼,邢杰,刘斯彪,等.利用磁控溅射技术在熔融石英衬底上生长铟锡氧薄膜的结构和形貌特性研究[J].物理实验,2010,30(3):7-10.

[2]马自军,马书懿.薄膜结构对Si/SiO2I-V特性的影响[J].物理实验,2009,29(3):10-13.

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[责任编辑:郭 伟]

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届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-05-31;修改日期:2010-09-19

朱亚彬(1971-),女,辽宁朝阳人,北京交通大学理学院物理实验中心副教授,主要从事光电功能薄膜材料的制备与物性研究和大学物理实验教学工作.