CN207232257U - 一种变温四探针测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种变温四探针测量系统，所述真空腔内置有“匸”字型的四探针支架，所述四探针支架的底部设置有加热台，所述加热台与真空腔外部的温控仪连接，所述四探针支架的顶部设置有可升降的耐高温探头，所述耐高温探头与真空腔外部的四探针测试仪连接，所述真空腔分别与真空泵、惰性气体瓶气路连通。本实用新型的变温四探针测量系统具有准确性好、温度范围广、可靠性高和结构简单的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及四探针测试装置技术领域，具体是指一种变温四探针测量系统。
背景技术
自1861年汤姆森首次提出四探针测试原理和1954年Valdes将其用于半导体电阻率测试以来，由于四探针技术原理简单，能消除接触电阻影响，具有较高的测试精度，因此四探针技术便成为了半导体生产工艺中采用最为广泛的工艺监测手段之一。它在硅衬底片、外延片、扩散片、离子注入片、吸杂片、金属膜和涂层等的薄层电阻等测试项目中广泛应用，通过阻值测试并以此为依据，控制薄膜样品的衬底、外延、扩散、离子注入、吸杂、退火等各工艺质量。如图1所示，常规四探针法是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a、d探针间通以电流I(mA)，b、c探针间就产生一定的电压V(mV)。测量此电压并根据测量方式和样品的尺寸不同，可分别按相应的公式计算样品的电阻率、方块电阻、电阻。
目前，四探针测试仪作为半导体行业的标准检测工具已经系列化生产，市场上较为常见的为RTS 和 RDY 系列。例如：广州四探针科技有限公司的RTS-8型数字式四探针测试仪是运用四探针测量原理的多用途综合测量设备，其按照单晶硅物理测试方法国家标准并参考美国 A.S.T.M 标准而设计的，专用于测试半导体材料电阻率及方块电阻(薄层电阻)的专用仪器，但是该系统只能在室温条件下使用，不能测试升温条件下样品的数据变化。东华大学徐晓峰教授等设计了一种温度可调控四探针方块电阻测试测试方法，能测出常温下的方块电阻，而且能快速准确的测出室温至120℃之间任一温度的方块电阻，也能快速分析一些功能材料随温度变化的相变性能，但是该系统升温速率难以控制，大于120℃的方块电阻则无法测出，且存在当温度过高时无惰性气体保护容易会损伤样品的问题等。
与此同时，中国实用新型专利CN 204925182U一种高温四探针测量系统，其包括真空气氛炉、四探针夹具模块、电动升降模块、真空泵、控制器、温控器、探针引线、测试仪表以及 PC 机 ；其中，所述四探针夹具模块能够插入真空气氛炉内 ；所述电动升降模块连接并驱动四探针夹具模块升降 ；所述真空泵和真空气氛炉连接，并能将真空气氛炉抽真空 ；所述控制器一端连接真空泵，另一端连接 PC 机 ；所述温控器一端延伸入真空气氛炉，另一端连接 PC 机 ；所述探针引线连接四探针夹具模块和控制器 ；所述控制器和 PC 机之间连接有一测试引线，于测试引线上安装有测试仪表。该高温四探针测量系统具有密封性好，抗氧化性好，且适合室温至600℃连续升温测试等诸多优点。但是，在实际应用中，该系统需要设置在括真空气氛炉内，其结构设置非常复杂，长期持续的高温炉体也会对探针的使用寿命和测试的准确性造成影响，测试可靠性随着使用过程的延长会大打折扣。
综上所述，四探针测试仪虽然已得到广泛的应用，但是现有的四探针测试仪都只能测试常温下以及温度相对稳定的方块电阻，对于温度连续变化或不同温度下半导体材料的方块电阻、电阻率以及一些热致相变材料（例如：VO2和GST相变存储材料）方块电阻随温度变化曲线不能测试，限制了其应用。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种变温四探针测量系统，具有准确性好、温度范围广、可靠性高和结构简单的特点。
本实用新型可以通过以下技术方案来实现：
本实用新型公开了一种变温四探针测量系统，包括真空腔，所述真空腔内置有“匸”字型的四探针支架，所述四探针支架的底部设置有加热台，所述加热台与真空腔外部的温控仪连接，所述四探针支架的顶部设置有可升降的耐高温探头，所述耐高温探头与真空腔外部的四探针测试仪连接，所述真空腔分别与真空泵、惰性气体瓶气路连通。惰性气体保护的变温四探针测量系统将真空系统，惰性气体保护系统，温控系统和四探针测试系统有效集成起来，有效实现变温测量和氮气保护的功能，满足变温测试要求，测试准确性高；可有效对样品的电阻在室温至500℃连续升温测试或500℃至室温连续降温的测试，温控温度范围广；系统的温控系统在真空腔内不受外界环境影响能有效实现一定的升温或降温速率，温控调节稳定，且可以有效保证探头的使用寿命和其测试灵敏度；通过在真空腔内采用“匸”字型四探针架结构，在四探针架底部和上部分别设置加热台和耐高温探头，有效简化测试系统的结构。
进一步地，所述惰性气体瓶通过流量计与所述真空腔气路连通，可以便于对惰性气体进行流量控制，满足不同材料的测试要求，拓展了测试系统的应用范围。
进一步地，所述真空腔内还设置有真空计，对于真空腔的真空度进行可视化管理，满足其准确测试需要。
进一步地，所述四探针测试仪与测试电脑连接。
进一步地，所述耐高温探头通过三轴驱动机构实现升降。该三轴驱动机构为现有技术的结构驱动件，无需另行进行加工设计，简化其制造环节，节省测试系统成本。
进一步地，所述耐高温探头为碳化钨材质的探针，具有较长的使用寿命和耐高温能力，保证了测试的准确性和探针的使用寿命。
进一步地，所述惰性气体瓶为氮气和/或氩气，可以根据实际需要灵活选择，满足不同材料的测试要求。
本实用新型一种变温四探针测量系统，具有如下的有益效果：
第一、准确性好，惰性气体保护的变温四探针测量系统将真空系统，惰性气体保护系统，温控系统和四探针测试系统有效集成起来，有效实现变温测量和氮气保护的功能，满足变温测试要求，测试准确性高；
第二、温度范围广，可有效对样品的电阻在室温至500℃连续升温测试或500℃至室温连续降温的测试，温控温度范围广；
第三．可靠性高，系统的温控系统在真空腔内不受外界环境影响能有效实现一定的升温或降温速率，温控调节稳定，且可以有效保证探头的使用寿命和其测试灵敏度；
第四、结构简单，通过在真空腔内采用“匸”字型四探针架结构，在四探针架底部和上部分别设置加热台和耐高温探头，有效简化测试系统的结构。
附图说明
附图1为直线四探针法测试原理图；
附图2为本实用新型一种变温四探针测量系统的系统组成示意图；
附图3为GeSb相变存储材料的电阻率在25℃～320℃范围内随温度变化曲线；
附图中的标记包括：1、真空腔， 2、真空计，3、真空泵，4、流量计，5、惰性气体瓶，6、耐高温探头，7、四探针支架，8、加热台，9、温控仪，10、四探针测试仪，11、电脑。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合实施例及附图对本实用新型产品作进一步详细的说明。
如图2所示，本实用新型可以通过以下技术方案来实现：
本实用新型公开了一种变温四探针测量系统，包括真空腔1，所述真空腔1内置有“匸”字型的四探针支架7，所述四探针支架7的底部设置有加热台8，所述加热台8与真空腔1外部的温控仪9连接，所述四探针支架7的顶部设置有可升降的耐高温探头6，所述耐高温探头6与真空腔1外部的四探针测试仪10连接，所述真空腔1分别与真空泵3、惰性气体瓶5气路连通。所述惰性气体瓶5通过流量计4与所述真空腔1气路连通。所述真空腔1内还设置有真空计2。所述四探针测试仪10与测试电脑11连接。所述耐高温探头6通过三轴驱动机构实现升降。所述耐高温探头6为碳化钨材质的探针。所述惰性气体瓶5为氮气和/或氩气。
本实用新型的测试系统相对于传统的RTS型四探针测试仪，惰性气体保护的变温四探针测量系统一方面实现了对金属、半导体薄膜样品的电阻在室温至500℃连续升温测试或500℃至室温连续降温的测试；另一方面，此系统的真空系统和惰性气体保护系统为样品提供了一个理想的测试环境，避免样品在测试的过程中受到水分和氧气的影响而损坏；此外，系统的温控系统在真空腔内不受外界环境影响能有效实现一定的升温或降温速率，避免样品由于快速升降温而带来的冲击。因此此系统直接服务于金属，半导体以及一些热致相变材料方块电阻随温度变化曲线的测试。
在实际应用中，本实用新型的测试系统可根据单晶硅物理测试方法国家标准并参考美国A.S.T.M标准设计的专用于测量硅晶块、晶片电阻率及扩散层、外延层、ITO导电箔膜、导电橡胶等材料方块电阻。此系统的技术参数达到：
①电阻测量范围：电阻率：0.01～107 （Ω/cm）；方块电阻：0.1～107 （Ω/□）；
②变温范围：25℃～500℃；升温速率：1℃/min～20℃/min，降温速度：1℃/min～18℃/min；
③整机测量最大相对误差(用硅标样片：0.01-180Ω/cm测试)≤±4%。
本实用新型的变温四探针测量系统应用在实际测试中，测出GeSb相变存储材料的电阻率在25℃～320℃范围内随温度变化曲线如图3所示。从图3的测试曲线可以看到，本实用新型的变温四探针测量系统具有操作简单，抗氧化性好，升降温速率可控，可测方阻（电阻率）范围广，且适合室温至500℃连续升温测试或500℃至室温连续降温测试等诸多优点。
以上，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本实用新型；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本实用新型的技术方案的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种变温四探针测量系统，包括真空腔（1），其特征在于：所述真空腔（1）内置有“匸”字型的四探针支架（7），所述四探针支架（7）的底部设置有加热台（8），所述加热台（8）与真空腔（1）外部的温控仪（9）连接，所述四探针支架（7）的顶部设置有可升降的耐高温探头（6），所述耐高温探头（6）与真空腔（1）外部的四探针测试仪（10）连接，所述真空腔（1）分别与真空泵（3）、惰性气体瓶（5）气路连通。
2.根据权利要求1所述的变温四探针测量系统，其特征在于：所述惰性气体瓶（5）通过流量计（4）与所述真空腔（1）气路连通。
3.根据权利要求2所述的变温四探针测量系统，其特征在于：所述真空腔（1）内还设置有真空计（2）。
4.根据权利要求3所述的变温四探针测量系统，其特征在于：所述四探针测试仪（10）与测试电脑（11）连接。
5.根据权利要求4所述的变温四探针测量系统，其特征在于：所述耐高温探头（6）通过三轴驱动机构实现升降。
6.根据权利要求5所述的变温四探针测量系统，其特征在于：所述耐高温探头（6）为碳化钨材质的探针。
7.根据权利要求6所述的变温四探针测量系统，其特征在于：所述惰性气体瓶（5）为氮气和/或氩气。
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