KEITHLEY四探针操作手册.doc

南开大学 硅光电子学与储能实验室
Four-Point Probe Operation | 2023

四探针操作手册

四探针操作说明书
Four-Point Probe Operation
第1章 引言 1
1. 目的 1
2. 应用范围 1
3. 测试设备 1
Ø 四探针 1
Ø 数字电压源表 2
第2章 原理简述 3
1. 薄膜(厚度≤4mm)电阻率： 3
2. 薄膜方块电阻 3
第3章 操作方法 5
1. 引言 5
2. 测试线连接方式 5
3. KEITHLEY 2400高压源表设立指南 6
4. 探针接触方式 8
5. 数据测试指南 8
第4章 注意事项 10
附表 I

第1章 引言
1. 目的
本说明书重要介绍用四探针法测试薄膜方块电阻及电阻率的原理及具体操作方法。
2. 应用范围
测量参数：方块电阻，电阻率
测量样品：均匀薄膜，均匀薄片
方块电阻测试范围：0.01Ω～500MΩ
电阻率测试范围：10-5Ω∙cm～103Ω∙cm
样品大小：直径>1cm
精度：<±5%
3. 测试设备
Ø 四探针
生产厂商：
广州四探针有限公司RTS-2型
基本指标：
间距：1±0.01mm；
针间绝缘电阻: ≥1000MΩ；
机械游移率: ≤0.3％；
探针：碳化钨或高速钢材质，探针直径Ф0.5mm；
探针压力：5～16 牛顿(总力)；
使用环境：
温度:：23±2℃；
相对湿度：≤65％；
无高频干扰；
无强光直射；
基本参数：
Fsp=0.1
探针间距：1.0mm

Ø 数字电压源表
生产厂商：
KEITHLEY 2400高压源表
技术参数：
准确度：0.012％
功率：20w
型号：2400
品牌：吉时利
测量范围：可选高电压（1100V）或大电流（3A）源/测量（A）
KEITHLEY2400通用型源表,最大可测量200V的电流和1A的电流，输出功率20W.
重要特点及优点:
设计用于高速直流参数测度
2400系列提供宽动态范围：10pA to 10A, 1μV to 1100V, 20W to 1000W
四象限工作
0.012%的精确度，5 1/2 的分辨率
可程控电流驱动和电压测量钳位的6位线电阻测量
在4 1/2 数位时通过GPIB达1700读数/秒
内置快速失败/通过测试比较器
可选接触式检查功能
数字I/O提供快速分选与机械手连接
GPIB, RS-232, 和触发式连接面板
TestPoint and LabVIEW驱动

第2章 原理简述
Figure 21直线四探针法测试原理图
V
1
2
3
4
↑
↓

将四根排成一条直线的探针以一定的压力垂直地压在被测样品表面上，在 1、4 探针间通以电流 I(mA)，2、3 探针间就产生一定的电压 V(mV)(如图1)。测量此电压并根据测量方式和样品的尺寸不同，可分别按以下公式计算样品的电阻率、方块电阻、电阻：

1. 薄膜(厚度≤4mm)电阻率：

其中：D—样品直径，单位：cm或mm，注意与探针间距S单位一致；
S—平均探针间距，单位：cm或mm，注意与样品直径D单位一致(四探针头合格证上的S值)；
W—样品厚度，单位：cm，在F(W/S)中注意与S单位一致；
Fsp—探针间距修正系数(四探针头合格证上的F值)；
F(D/S)—样品直径修正因子。当D→∞时，F(D/S)=4.532，有限直径下的F(D/S)由Error! Reference source not found.查出：
F(W/S)—样品厚度修正因子。W/S<0.4时，F(W/S)=1；W/S>0.4时，F(W/S)值由Error! Reference source not found.查出；
R—源表测量电阻值，单位Ω；

2. 薄膜方块电阻

其中：D—样品直径，单位：cm或mm，注意与探针间距S单位一致；
S—平均探针间距，单位：cm或mm，注意与样品直径D单位一致(四探针头合格证上的S值)；
W—样品厚度，单位：cm，在F(W/S)中注意与S单位一致；
Fsp—探针间距修正系数(四探针头合格证上的F值)；
F(D/S)—样品直径修正因子。当D→∞时，F(D/S)=4.532，有限直径下的F(D/S)由Error! Reference source not found.查出：
F(W/S)—样品厚度修正因子。W/S<0.4时，F(W/S)=1；W/S>0.4时，F(W/S)值由Error! Reference source not found.查出；
R—源表测量电阻值，单位Ω；

第3章 操作方法
1. 引言
电阻测量采用KEITHLEY 2400高压源表测量，参照4探针测试原理，源表设立应采用4线感应模式（4W AUTO）。具体设立参看Error! Reference source not found.。
2. 测试线连接方式
测试线采用4线连接方式。

Figure 31 测试线连接方式
3. KEITHLEY 2400高压源表设立指南
l 连接设备数据线，电源，开关。
l 设备显示如Error! Reference source not found.所示。

Figure 32 按 CONFIG 键
l 按 CONFIG 键，设备显示如Error! Reference source not found.所示。
l 按 Ω 键，设备显示如Error! Reference source not found.所示。
l 先按 ► 键，选中 SENSE-MODE 模式，按 ENTER 键，设备显示如Error! Reference source not found.所示。

Figure 33 按 Ω 键

Figure 34 先按 ► 键，选中 SENSE-MODE 模式，按 ENTER 键。
l 先按 ► 键，选中 4-WIRE 模式，按 ENTER 键，再按 EXIT 键，退出到测量窗口。
l 如Error! Reference source not found.所示，可看见上方4W AUTO字样，设立完毕。

Figure 35先按 ► 键，选中 4-WIRE 模式，按 ENTER 键。

Figure 36 设备最后显示模式，可看见上方4W AUTO。
l 如有问题可以查看KEITHLEY 2400高压源表使用说明书 设备说明书下载。
。
4. 探针接触方式
探针接触应保持一定的压力，但不同材料的性质不同，有些材料的电阻率会随外加压力变化而改变，因而测试前要依据具体的测试材料而适当的改变探针压力。
一方面用粗调键旋转探针至样品表面，略有压力后停止。再细调一定距离，保证测量时表面读数稳定后即可。
5. 数据测试指南
待测试线连接无误，源表设立完毕，探针加到样品表面后，可以开始测量电阻。
l 一方面调节电阻测量量程。依据样品电阻率选择量程范围，如Error! Reference source not found.所示。
Table 1 源表电阻测量量程选择 孙以材，半导体测试技术，冶金工业出版社，1984。

样品电阻率范围（Ω∙cm）
通过样品电流
<0.01
<100 mA
0.01-1
<10 mA
1-30
<1mA
30-1000
<100μA
1000-3000
<10μA

l 按下源表右下方的 ON/OFF 键，按键变蓝，测量开始。记录测量电阻值。
l 半导体材料电阻率会随电流改变而变化，因此要结合具体情况选择合适的量程。
l 根据修正公式算出方块电阻和电阻率，测试完毕。

将测试得到的电阻，膜厚代入以下公式即可算出电阻率和方块电阻。

各修正系数可从附表查出，Fsp=0.01.

实例1.
测量薄膜电阻为29.97Ω（1mA档），膜厚为187.165nm。探针间距为1.0mm，样品直径为100mm（圆中心测量），Fsp为1.0。
D/S=100，
F(D/S)=4.528。
W/S=1.87´10-4，
F(W/S)=1;
所以r=2.54´10-3。
第4章 注意事项

附表
附表 1直径修正系数F(D/S)与D/S值的关系
位置

F（D/S）值

D/S值
中心点
半径中点
距边沿6mm处
>200
4.532

200
4.531
4.531
4.462
150
4.531
4.529
4.461
125
4.530
4.528
4.460
100
4.528
4.525
4.458
76
4.526
4.520
4.455
60
4.521
4.513
4.451
51
4.517
4.505
4.447
38
4.505
4.485
4.439
26
4.470
4.424
4.418
25

4.470

22.22
4.454

20.00
4.436

18.18
4.417

16.67
4.395

15.38
4.372

14.28
4.348

13.33
4.322

12.50
4.294

11.76
4.265

11.11
4.235

10.52
4.204

10.00
4.171

附表 2厚度修正系数F(W/S)与W/S值的关系
W/S值
F（W/S）
W/S值
F（W/S）
W/S值
F（W/S）
W/S值
F（W/S）
<0.400
1.0000
0.530
0.9962
0.665
0.9858
0.800
0.9663
0.400
0.9997
0.535
0.9960
0.670
0.9853
0.805
0.9654
0.405
0.9996
0.540
0.9957
0.675
0.9847
0.810
0.9644
0.410
0.9996
0.545
0.9955
0.680
0.9841
0.815
0.9635
0.415
0.9995
0.550
0,9952
0.685
0.9835
0.820
0.9626
0.420
0.9994
0.555
0.9949
0.690
0.9829
0.825
0.9616
0.425
0.9993
0.560
0.9946
0.695
0.9823
0.830
0.9607
0.430
0.9993
0.565
0.9943
0.700
0.9817
0.835
0.9597
0.435
0.9992
0.570
0.9940
0.705
0.9810
0.840
0.9587
0.440
0.9991
0.575
0.9937
0.710
0.9804
0.845
0.9577
0.445
0.9990
0.580
0.9934
0.715
0.9797
0.850
0.9567
0.450
0.9989
0.585
0.9930
0.720
0.9790
0.855
0.9557
0.455
0.9988
0.590
0.9927
0.725
0.9783
0.860
0.9546
0.460
0.9987
0.595
0.9923
0.730
0.9776
0.865
0.9536
0.465
0.9985
0.600
0.9919
0.735
0.9769
0.870
0.9525
0.470
0.9984
0.605
0.9915
0.740
0.9761
0.875
0.9514
0.475
0.9983
0.610
0.9911
0.745
0.9754
0.880
0.9504
0.480
0.9981
0.615
0.9907
0.750
0.9746
0.885
0.9493
0.485
0.9980
0.620
0.9903
0.755
0.9738
0.890
0.9482
0.490
0.9978
0.625
0.9898
0.760
0.9731
0.895
0.9471
0.495
0.9976
0.630
0.9894
0.765
0.9723
0.900
0.9459
0.500
0.9975
0.635
0.9889
0.770
0.9714
0.905
0.9448
0.505
0.9973
0.640
0.9884
0.775
0.9706
0.910
0.9437
0.510
0.9971
0.645
0.9879
0.780
0.9698
0.915
0.9425
0.515
0.9969
0.650
0.9874
0.785
0.9689
0.920
0.9413
0.520
0.9967
0.655
0.9869
0.790
0.9680
0.925
0.9402
0.525
0.9965
0.660
0.9864
0.795
0.9672
0.930
0.9390
0.935
0.9378
1.10
0.8939
1.85
0.6718
2.60
0.5098
0.940
0.9366
1.15
0.8793
1.90
0.6588
2.65
0.5013
0.945
0.9354
1.20
0.8643
1.95
0.6460
2.70
0.4931
0.950
0.9342
1.25
0.8491
2.00
0.6337
2.75
0.4851
0.955
0.9329
1.30
0.8336
2.05
0.6216
2.80
0.4773
0.960
0.9317
1.35
0.8181
2.10
0.6099
2.85
0.4698
0.965
0.9304
1.40
0.8026
2.15
0.5986
2.90
0.4624
0.970
0.9292
1.45
0.7872
2.20
0.5875
2.95
0.4553
0.975
0.9279
1.50
0.7719
2.25
0.5767
3.00
0.4484
0.980
0.9267
1.55
0.7568
2.30
0.5663
3.2
0.422
0.985
0.9254
1.60
0.7419
2.35
0.5562
3.4
0.399
0.990
0.9241
1.65
0.7273
2.40
0.5464
3.6
0.378
0.995
0.9228
1.70
0.7130
2.45
0.5368
3.8
0.359
1.00
0.9215
1.75
0.6989
2.50
0.5275
4.0
0.342