KDY-1说明书11.01.10.doc

广州市昆德科技有限公司 KDY-1型四探针电阻率/方阻测试仪 使用说明书

KDY-1型四探针电阻率/方阻测试仪
使用说明书

1、概述
KDY-1型四探针电阻率/方阻测试仪（以下简称电阻率测试仪）是用来测量半导体材料（主要是硅单晶、锗单晶、硅片）电阻率，以及扩散层、外延层、ITO导电薄膜、导电橡胶方块电阻的测量仪器。它主要由电气测量部份（简称：主机）、测试架及四探针头组成。
本仪器的特点是主机配置双数字表，在测量电阻率的同时，另一块数字表（以万分之几的精度）适时监测全程的电流变化，免除了测量电流/测量电阻率的转换，更及时掌控测量电流。主机还提供精度为0.05%的恒流源，使测量电流高度稳定。本机配有恒流源开关，在测量某些薄层材料时，可免除探针尖与被测材料之间接触火花的发生，更好地保护箔膜。仪器配置了本公司的专利产品：“小游移四探针头”，探针游移率在0.1～0.2%。保证了仪器测量电阻率的重复性和准确度。本机如加配HQ-710E数据处理器或KDY测量系统，测量硅片时可自动进行厚度、直径、探针间距的修正，并计算、打印出硅片电阻率、径向电阻率的最大百分变化、平均百分变化、径向电阻率不均匀度，给测量带来很大方便。
2、测试仪结构及工作原理
测试仪主机由主机板、电源板、前面板、后背板、机箱组成。电压表、电流表、电流调节电位器、恒流源开关及各种选择开关均装在前面板上（见图2）。后背板上只装有电源插座、电源开关、四探针头连接插座、数据处理器连接插座及保险管（见图3）。机箱底座上安装了主机板及电源板，相互间均通过接插件联接。仪器的工作原理如图1所示：

测试仪的基本原理仍然是恒流源给探针头（1、4探针）提供稳定的测量电流I（由DVM1监测），探针头（2、3）探针测取电位差V（由DVM2测量），由下式即可计算出材料的电阻率：
厚度小于4倍探针间距的样片均可按下式计算

式中：V——DVM2电压的读数，mV。
I——DVM1电流的读数，mA。
W——被测样片的厚度值以cm为单位。
F（W/S）——厚度修正系数，数值可查附录2。
F（S/D）——直径修正系数，数值可查附录3。
Fsp——探针间距修正系数。
Ft——温度修正系数，数值可查附录1。
由于本机中已有小数点处理环节，因此使用时无需再考虑电流、电压的单位问题。如果用户配置了HQ-710E数据处理器只要置入厚度W、FSP、测量电流I等有关参数，一切计算、记录均由它代劳了。如果没有数据处理器（HQ-710E），用户同样可以依据上式用普通计算器算出准确的样片电阻率。
对厚度大于4倍探针间距的样片或晶锭，电阻率可按下式计算：
ρ=2πSV/I （2）
这是大家熟悉的样品厚度和任一探针离样品边界的距离均大于4倍探针间距（近似半无穹大的边界条件），无需进行厚度、直径修正的经典公式。此时如用间距S=1mm的探头，电流I( DVM1)选择0.628；用S=1.59mm的探头，电流I( DVM1)选择0.999，即可从本仪器的电压表V（DVM2）上直接读出电阻率。
为了 描 述 扩 散 薄 层 的 导 电 性 能 ,引入方块 电 阻 的 概 念 。
我们如果在长为S,宽为T,厚度为W的薄层上测电阻：
R□ = ρ/W R=ρS/TW =(ρ/W) S/T=R□ S/T
若使S=T ,即在薄层的一个正方形面积上测电阻: R = R□ S/T = R□
从上式可以看出，当S=T时，R= R□ ， R□表示一个正方形薄层的电阻，它与正方形边长无关，这是取名方块电阻的缘由。
用KDY-1测量方块电阻时，计算公式为：
R□ = ρ/W = V/I F(S/D) F(W/S)FSP Ft
由于扩散层很薄, 当厚度W趋近于0时,F(W/S) 趋近1，查附录2.

R□ = V/I F(S/D) FSP Ft
由于方块电阻与正方形边长无关,当直径D趋近于无穷大时,F(S/D) 趋近4.532，查附录3.
R□ = V/I F(S/D) FSP Ft= V/I×4.532× FSP Ft
当I=4.532时, R□ = V FSP Ft
所以取I=4.532时,从KDY-1右边的电压表(DVM2)上即可直接读出扩散薄层的方块电阻R□ 。

备注： 在测量方块电阻时 ρ/ R 键要选择在R档 ，仅在电流0.01 mA档时电压表最后一位数溢出（其他档位可以正常读数），故读数时需要注意，如电流在0.01 mA档时电压表读数为12345 ，则实际方块电阻的读数应该是123450 R□ 。

3、使用方法
（1）主机面板、背板介绍

仪器除电源开关在背板外其它控制部分均安装在面板上面板的左边集中了所有与测量电流有关的显示和控制部份，电流表（DMV1）显示各档电流值，电流选择按钮供电流选档用，～220V电源接通后仪器自动选择在常用的1.0mA档，此时1.0上方的红色指示灯亮，随着选择开关的按动，指示灯在不同的档位亮起，直选到档位合适为止。打开恒流源，上方指示灯亮，电流表显示电流值，调节粗调旋钮使前三位数达到目标值，再调细调旋钮使后两位数达到目标值。这样就完成了电流调节工作，此时我们可以把注意力集中到右边，面板的右边集中了所有电压测量有关的控制部件，电压表（DMV2）显示各档（ρ/R手动/自动）的正向、反向电压测量值。ρ/R键必须选对，否则测量值会相差10倍；同样手/自动档也必须选对，否则仪器拒绝工作。

后背板上主要安装的是电缆插座，图上标得很清楚，安装时请注意插头与插座的对位标志。因为在背后容易漏插，松动时不易被发现，所以安装必须插全、插牢。
（2）使用仪器前将电源线、测试架联接线、主机与数据处理器的连接线（如使用处理器）联接好，并注意一下测试架上是否已接好探针头。电源线插头插入～220V座插后，开启背板上的电源开关，此时前面板上的数字表、发光二极管都会亮起来。探针头压在被测单晶上，打开恒流源开关，左边的表显示从1、4探针流入单晶的测量电流，右边的表显示电阻率（测单晶锭时）或2、3探针间的电位差。电流大小通过旋转前面板左下方的两个电位器旋钮加以调节，其它正、反向测量、ρ/R选择、自动/手动测量都通过前面板上可自锁的按钮开关控制。

（3）仪器测量电流分五档：0.01mA（10μA）、0.1mA（100μA）、1mA、10mA、100mA，读数方法如下：
在0.01mA档显示5位数时：10000 表示电流为：0.01mA（10μA）
又如在0.01mA档显示：06282 即表示电流为：6.28μA
在0.1mA档显示5位数时：10000 表示电流为：0.1mA（100μA）
又如在0.1mA档显示：04532 表示电流为：45.32μA
在1mA档显示5位数时：10000 表示电流为：1mA
又如在1mA档显示：06282 表示电流为：0.6282mA
同样在10mA档显示：10000 表示电流为：10mA
显示：04532 表示电流为：4.532mA
100mA档显示：10000 表示电流为：100mA
显示：06282 表示电流为：62.82mA
电流档的选择采用循环步进式的选择方式，在仪器面板上有一个电流选择按钮，每按一次进一档，仪器通电后自动设定在常用的1.0mA档，如果你不断地按下“电流选择”按钮，电流档位按下列顺序不断地循环。
1.0mA→10mA→100mA→0.01mA→0.1mA→1.0mA→10mA→……
可以快速找到你所需要的档位。
根据国标GB/T 1552-1995，不同电阻率硅试样所需要的电流值如下表所示：
电阻率，Ω.cm
电流,mA
推荐的园片测量电流值
<0.03
≤100
100
0.03～0.30
<100
25
0.3～3
≤10
2.5
3～30
≤1
0.25
30～300
≤0.1
0.025
300～3000
≤0.01
0.0025

根据ASTM F374-84标准方法测量方块电阻所需要的电流值如下表所示：
方块电阻Ω
电流,mA
2.0～25
10
20～250
1
200～2500
0.1
2000～25000
0.01

（4）恒流源开关是在发现探针带电压触被测材料影响测量数据（或材料性能）时，再使用，即先让探针头压触在被测材料上，后开恒流源开关，避免接触瞬间打火。为了提高工作效率，如探针带电压触单晶对材料及测量并无影响时，恒流源开关可一直处于开的状态。 4
（5）正、反向测量开关只有在手动状态下才能人工操作，在自动状态下由数据处理器控制，因此在手动状态下正反向开关不起作用时，先检查手动/自动开关是否处于手动状态。相反在使用数据处理器测量材料电阻率时，仪器必须处于自动状态，否则数据处理拒绝工作。
（6）在使用数据处理器自动计算及记录时，必须严格按照使用说明操作，特别注意输入数据的位数。有关数据处理器的使用方法请仔细阅读HQ-710E操作说明。

4、使用程序及注意事项
(1)仪器接通电源,经预热30分钟后,方可进行测量.
(2)仪器如经过剧烈的环境条件变化或长期不使用,在首次使用时应通电预热2-3小时. 方可进行测量.
(3)在测量过程中应注意电源电压不要超过仪器的过载允许值,

5、日常维护及使用
（1）探针头：
因测量时探针针尖经常接触被测材料，针尖易被沾污，需定时用无水酒精棉球清洁探针针尖，保证探针针尖良好的与被测物体接触。
警告：如需打开探针头维修，必须按照规定的步骤操作，不然极易损坏探针头

（2）整机测量精度：
整机测量初始精度:1-1000欧姆·厘米≤3%，在使用过程中因探针针尖不断压在被测物体上，会造成探针针尖逐渐变钝，引起探针间距修正系数在不断的变化，因此需要定期校准仪器;如整机测量校准样片时,测量值偏大于4％，那么在测量时需要把测量电流降低4％，以保证整机的测量精度。

（3）故障分析：
故障现象
排除方式
测量时无电流
1.用导线或金属镊子短路主机探针头连接线插座中的1,4针，如果短路后仪器无电流显示，说明仪器主机有故障
2.更换探针头、连接线（探针头与连接线故障率较高）
3.主机上恒流源开关未开，按下恒流源开关即可
开电源开关后无显示
检查保险丝、电源连线

测量数值不稳
1.检查四探针头探针针尖是否磨损严重，如针尖磨损严重需要及时更换探针头
2.检查被测物体表面或探针针尖是否清洁
3.检查探针压力是否偏低（探针合力:测棒8N，测片6N，测薄膜4N）
4.更换探针头连接线
5.电源干扰（仪器不能与高频设备或大功率设备共用电源且无任何隔离屏蔽措施）
6.将仪器校准头（选购件）插在仪器后的四芯插座里,检测是仪器主机故障还是外置部分故障（探针头、连接线或测试架）.

6、主机技术能数
（1）测量范围：
可测电阻率：0.0001～19000Ω·cm
可测方块电阻：0.001～190000Ω·□
（2）恒流源：
输出电流：DC 0.001～100mA 五档连续可调
量程：0.001～0.01mA 0.01～0.10mA
0.10～1.0mA 1.0～10mA 10～100mA
恒流精度：各档均低于±0.05%
（3）直流数字电压表：
测量范围：0～199.99mV
灵敏度：10μV
基本误差：±（0.004%读数+0.01%满度）
输入阻抗：≥1000MΩ
（4）测量精度：电器精度：1－1000欧姆≤0.3%
整机测量精度：1－1000欧姆·厘米≤3%
（5）供电电源：
AC 220V±10% 50/60 Hz 功率：12W
（6）使用环境：温度：23±2℃ 相对湿度：≤65%
无较强的电场干扰，电源隔离滤波，无强光直接照射
（7）重量、体积：
主机重量：7.5kg
体积：365×380×160（单位：mm 长度×宽度×高度）

附录1.1

温度修正系数表 ρT = FT ╳ ρ23

标称电阻率
Ω.cm
温度 FT
ºC
0.005
0.01
0.1
1
5
10
10
0.9768
0.9969
0.9550
0.9097
0.9010
0.9010
12
0.9803
0.9970
0.9617
0.9232
0.9157
0.9140
14
0.9838
0.9972
0.9680
0.9370
0.9302
0.9290
16
0.9873
0.9975
0.9747
0.9502
0.9450
0.9440
18
0.9908
0.9984
0.9815
0.9635
0.9600
0.9596
20
0.9943
0.9986
0.9890
0.9785
0.9760
0.9758
22
0.9982
0.9999
0.9962
0.9927
0.9920
0.9920
23
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
24
1.0016
1.0003
1.0037
1.0075
1.0080
1.0080
26
1.0045
1.0009
1.0107
1.0222

1.0240
1.0248
28
1.0086
1.0016
1.0187
1.0365
1.0400
1.0410
30
1.0121
1.0028
1.0252
1.0524
1.0570
1.0606

注 ：① 温度修正系数表的数据来源于中国计量科学研究院。

附录1.2

温度修正系数表(续1) ρT = FT ╳ ρ23
标称电阻率
Ω.cm
温度 FT
ºC
25
(17.5—49.9)
75
(50.0—127.49)
180
(127.5—214.9)
250/500/1000
( ≥ 215 )

10
0.9020
0.9012
0.9006
0.8921
12
0.9138
0.9138
0.9140
0.9087
14
0.9275
0.9275
0.9278
0.9253
16
0.9422
0.9425
0.9428
0.9419
18
0.9582
0.9580
0.9582
0.9585
20
0.9748
0.9750
0.9750
0.9751
22
0.9915
0.9920
0.9922
0.9919
23
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
24
1.0078
1.0080
1.0082
1.0083
26
1.0248
1.0251
1.0252
1.0249
28
1.0440
1.0428
1.0414
1.0415
30
1.0600
1.0610
1.0612
1.0581

注 ：① 温度修正系数表的数据来源于中国计量科学研究院。

附录2.
厚度修正系数F(W/S)为圆片厚度W与探针间距S之比的函数
W/S F(W/S)
W/S F(W/S)
W/S F(W/S)
W/S F(W/S)
0.40 0.9993
0.41 0.9992
0.42 0.9990
0.43 0.9989
0.44 0.9987
0.45 0.9986
0.46 0.9984
0.47 0.9981
0.48 0.9978
0.49 0.9976

0.50 0.9975
0.51 0.9971
0.52 0.9967
0.53 0.9962
0.54 0.9958
0.55 0.9953
0.56 0.9947
0.57 0.9941
0.58 0.9934
0.59 0.9927
0.60 0.9920
0.61 0.9912
0.62 0.9903
0.63 0.9894
0.64 0.9885
0.65 0.9875
0.66 09865
0.67 0.9853
0.68 0.9842
0.69 0.9830
0.70 0.9818
0.71 0.9804
0.72 0.9791
0.73 0.9777
0.74 0.9762
0.75 0.9747
0.76 0.9731
0.77 0.9715
0.78 0.9699
0.79 0.9681
0.80 0.9664
0.81 0.9645
0.82 0.9627
0.83 0.9608
0.84 0.9588
0.85 0.9566
0.86 0.9547
0.87 0.9526
0.88 0.9505
0.89 0.9483
0.90 0.9460
0.91 0.9438
0.92 0.9414
0.93 0.9391
0.94 0.9367
0.95 0.9343
0.96 0.9318
0.97 0.9293
0.98 0.9263
0.99 0.9242

1.0 0.921
1.2 0.864
1.4 0.803
1.6 0.742
1.8 0.685
2.0 0.634
2.2 0.587
2.4 0.546
2.6 0.510
2.8 0.477
3.0 0.448
3.2 0.422
3.4 0.399
3.6 0.378
3.8 0.359
4.0 0.342

注：①厚度修正系数表的数据来源于国标 GB/T1552-1995
《硅锗单晶电阻率测定直排四探针法》

附录3.
直径修正系数F（S/D）为探针间距S与圆片直径D之比的函数
S/D
F2
S/D
F2
S/D
F2
0
4.5324
0.095
4.2039
0.19
3.45
0.005
4.5314
0.1
4.1712
0.195
3.4063
0.01
4.5284
0.105
4.1374
0.2
3.3625
0.015
4.5235
0.11
4.1025
0.21
3.2749
0.02
4.5167
0.115
4.0666
0.22
3.1874
0.025
4.508
0.12
4.0297
0.23
3.1005
0.03
4.4973
0.125
3.992
0.24
3.0142
0.035
4.4848
0.13
3.9535
0.25
2.9289
0.04
4.4704
0.135
3.9142
0.26
2.8445
0.045
4.4543
0.14
3.8743
0.27
2.7613
0.05
4.4364
0.145
3.8337
0.28
2.6793
0.055
4.4167
0.15
3.7926
0.29
2.5988
0.06
4.3954
0.155
3.7509
0.3
2.5196
0.065
4.3724
0.16
3.7089
0.31
2.4418
0.07
4.3479
0.165
3.6664
0.32
2.3656
0.075
4.3219
0.17
3.6236
0.33
2.2908
0.08
4.2944
0.175
3.5805
1/3
2.2662
0.085
4.2655
0.18
3.5372

0.09
4.2353
0.185
3.4937

当S/D无穷小时，F（S/D）=3.14/ln2=4.5324，
当S/D=1/3（极端情况）时，F(S/D)=3.14/2ln2=2.2662

注：①直径修正系数表的数据来源于国标 GB/T1552-1995
《硅、锗单晶电阻率测定直排四探针法》

例如硅片厚度是0.2mm ，探针间距S=1.00mm，硅片直径100mm，FSP探针间距修正系数：这个系数每个探针头的都不一样，这里就假设为1
厚度修正系数W/S＝0.2/1=0.2查表最小为 F(0.4)＝0.9993，那么F(0.2)约=1
直径修正系数S/D＝1/100=0.01查表F(0.01)=4.5284
ρ=V/I×W×F(W/S)×F(S/D)×FSP　　　　
为了让电压值等于电阻率让电流I＝W×F(W/S)×F(S/D)×FSP＝0.02×1×4.528×1=0.09056（式中厚度单位是cm）
这样电流就可以和后面的修正系数约掉就剩　ρ=V，仪器的小数点本身已经考虑好了小数点的移位问题，所以可以直接读电阻率的

也就是每次测之前先测圆片的厚度和直径，再计算出电流，再把仪器的测试电流调到0.09056安培，测出的电压值就是电阻率

一般单位硅片规格基本一致的，所以实际使用时电流基本不用老调的
也就等于电流表显示906

显示10001相当于1.0001，那么0.0906在电流表显示就是906

如果不知道电阻率，那么通过换不同的电流，看看那档电压表能最少有三位数显示就选那档

我们电阻率在1-3之间，那么一般是10mA档或1mA档

正常使用是每天开机前校准仪器的，如果测标准硅片结果有偏差，比如说1.00,实际测出是1.10，那么通过减小标称电流使电压表显示为1.00，计算出相差的%比，以后测这个电阻率范围的产品都算上这个系数就可以了

8
附件：

KD探针头安装说明

一、接插件使用说明：

插入时：请将箭头＞对＜，手拿插头的尾部附件，稍向前推，听见“卡嚓”声响，表示连接完成并已锁紧；
拔出时：手握插头中部滚花部位往外一拔即可。

特别注意：所用接插件为拔插式（带自锁），接入或拔出时切勿用手旋转插头或装在探头上的插座，否则会拧断内部引线。

二、安装说明：
如您准备安装在套筒内径为Φ26㎜的测试架上，可将探头尾部的屏蔽线先穿入套筒，并从顶部的小孔中穿出，后将尾部直接插入套筒，拧紧带螺纹的套环即可。

附件：
探针头拆装操作说明书

一、概述
本公司生产的测试探针头属贵重精密仪器，探针是用耐磨的硬质合金制造而成，经久耐用，但比较脆，千万不要碰撞晶体或摔到地上。此探针头各零部件的联接多采用螺纹与焊接联接，内部结构复杂，零部件细小，拆装方式不正确的话很容易对探针头造成损坏，从而不能正常工作。为便于您在使用过程中碰到测量异常情况时拆装探针头以判断及维护，避免损坏探针头，以下将向您具体说明本公司探针头的正确拆装方法。
二、目的
方便用户在使用过程中碰到测量异常情况时拆装探针头以自行判断及维护，避免损坏探针头，确保探针头正常工作。
三、适用范围
昆德公司生产的所有测试探针头，包括两探针头、三探针头、四探针头。
四、装配说明
如下图（一）所示，探针头主要由锥头、筒体、接线插座等三部分组成，其中锥头与接线插座之间用导线联接，锥头与筒体是螺纹联接，接线插座与筒体是用锁紧螺钉固定，其装配步骤如下：
第一步：先将锥头引线柱与接线插座用导线焊接好；
第二步：将焊接好的接线插座从筒体的头部（大端）伸入，穿过筒体，锥头顺着筒体头部螺纹旋紧，并用螺钉固定锁紧。由于接线插头在锥头旋转过程中是活动，故也会跟随转动；
第三步：最后将突出的接线插座从筒体尾部（小端）插入筒体，并用三颗螺钉固定于筒体身上，由此锁紧接线插头。

接线插座
锥头

锁紧螺钉

筒体
图（一）

五、拆卸说明
探针头内部接线插座与锥头之间是用导线联接的，拆卸的时候若先拆锥头，此时由于尾端的接线插座是固定不能转动的，因此很容易导致导线旋断。正确的拆卸步骤如下：
第一步：先将探针头尾部的三颗接线插座锁紧螺钉卸下，轻轻往外拔出接线插座，切忌大力拔出，同时须注意拔出距离；
第二步：将锥头按着逆时针方向旋出筒体（如有锁紧螺钉，则需先卸下）；
第三步：最后才将锥头与接线插座的联接体沿筒体轴心从探针头部向外取出。

附件：
KDJ-1A型四探针测试架
使用说明书

KDJ-1A型四探针测试架示意图

KDJ-1A型测试架是专供测硅片用的测试架，样品台面（1）大于200×200（㎜2），可测Φ≤8英寸单晶片。手动升降台具有升降阻尼调节功能，当右手握紧右手轮（2），左手旋转左手轮（3）时，向顺时方向旋转，升降阻力增加；向逆时针方向旋转，升降阻力减小，克服了一般升降架初用时偏紧，用久后偏松，甚至自动向下滑落的缺点。
放松背后的螺栓，升降架可沿立柱（9）升高、降低。立柱最下面配有一个防滑环（4），立柱最下面配有一个限位片（4），防止升降架未锁紧时，突然下滑撞到底座，也可通过调整限位片固定探针每次下压的位置，确保每次探针头测量同样厚度的样品时压力一致。更换探针头（7）时，将升降架升高，顺时针方向拧下不锈钢套（6）下的锁紧圈（5），向下推不锈钢套上面的屏蔽线，同时向下拉探头，当探头脱离不锈钢套（6）后，向下拔出探头，即可更换新探头，再装上锁紧圈，锁紧前先对好四根针的位置再拧紧。放松螺丝（8），不锈钢套筒（6）可旋转并可整体抽出，便于安装维修，平时请拧紧。

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