四探針薄層電阻測試儀的電路原理

李斌

摘 要：四探針薄層電阻測試儀具有量程選擇方便、恒流源電流可調(diào)及數(shù)據(jù)讀出迅速、穩(wěn)定的特點。因此，本文結(jié)合半導(dǎo)體制程中擴散層薄層電阻測量的實際需要，介紹了四探針薄層電阻測試儀的測試原理和電路原理，以期為相關(guān)學(xué)者的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：薄層電阻；擴散層；PN結(jié)

中圖分類號：TN407 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）14-0045-03

Circuit principles of Four probe sheet resistance tester for

Semiconductor diffusion layer

LI Bin

（Guangzhou Semiconductor Materials Research Institute ，Guangzhou Guangdong 510610）

Abstract： The four probe thin layer resistance tester has the characteristics of convenient range selection， adjustable current source current and fast and stable data reading. Therefore， this paper introduced the testing principle and circuit principle of the four probe thin layer resistance tester with the practical needs of the thin layer resistance measurement of the diffusion layer in the semiconductor process， in order to provide reference for the research of the related scholars.

Keywords： sheet resistance；diffusion layer；PN junction

結(jié)型半導(dǎo)體器件和太陽能電池片的生產(chǎn)過程中，大多使用擴散法來制備PN結(jié)。在產(chǎn)品的制作過程中，擴散摻雜是最重要的工藝。摻雜質(zhì)量好壞及均勻性影響產(chǎn)品的良品率。該工藝的監(jiān)測主要通過擴散層薄層電阻測量來體現(xiàn)。采用四探針法測量擴散層的薄層電阻，不但可以求得擴散層單位面積的雜質(zhì)總量，如果再結(jié)合結(jié)深的測量，還可以估算出表面的雜質(zhì)濃度，從而實現(xiàn)對工藝過程的精確控制。

廣州半導(dǎo)體材料研究所生產(chǎn)的四探針薄層電阻測試儀，較好地滿足了國內(nèi)半導(dǎo)體器件制造商和光伏行業(yè)在生產(chǎn)方面的需要。由于四探針薄層電阻測試儀使用頻率極高，用戶有必要了解其電路原理，以便于日常工作中的使用和維護。

1 四探針薄層電阻測試儀的測試原理

排列成一直線的四根探針垂直壓在近似為半無窮大的平坦試樣表面，將直流電流I在兩外側(cè)探針間通入試樣，測量內(nèi)側(cè)兩探針間所產(chǎn)生的電勢差V。根據(jù)測得的電流和電勢差值，按式（1）計算電阻率[1]。測量示意圖見圖1。

注：1和4為電流探針；2和3為電壓探針；S為探針間距。

[ρ=F2D/S×W×FW/S×FSP×VI] （1）

式中，[ρ]表示電阻率，Ω·㎝；[V]表示測得電勢差，mV；I表示通入的電流，mA；[S]表示探針平均間距，cm；[W]表示硅圓片厚度，cm；D表示硅圓片直徑，cm；FSP表示探針間距修正因子；[F2D/S]表示硅圓片直徑修正因子；[FW/S]表示硅圓片厚度修正因子。

則由（1）式可得：

[R□=ρw=F2D/S×FW/S×FSP×VI] （2）

式（2）中，[R□]就是薄層電阻，單位是Ω/□；

而擴散層的厚度一般在幾十微米以下，此時[FW/S=1]，因此有：

[R□=F2D/S×FSP×VI] （3）

從式（3）可知，對于直徑已知的硅圓片，只要調(diào)整電流[I=F2D/S×FSP×10n]（n為正整數(shù)或負整數(shù)）即可由模數(shù)轉(zhuǎn)換器指示的電勢差直接讀出硅圓片擴散層薄層電阻。

2 主要電路原理

2.1 測試儀量程選擇電路

測試儀量程選擇電路見圖2。

測試儀電流有0.1、1、10mA和100mA共4個量程，分別對應(yīng)K1、K2、K3和K4選擇按鈕。實際操作中，根據(jù)所測樣品薄層電阻大小選擇相應(yīng)的電流量程進行測試。其中，CD4028是BCD-十進制或二進制-八進制譯碼器，其由4個緩沖輸入端口、譯碼邏輯門和10個緩沖器組成。加至4個輸入端口A0-A3的某一個BCD碼在十進制譯碼器譯碼后在對應(yīng)的輸出口輸出為高電平，從而通過三極管9013令繼電器得電導(dǎo)通。量程選擇電路使用了其中4個輸出端口，滿足轉(zhuǎn)換的需要。繼電器J5、J6、J7、J8分別控制0.1、1、10mA和100mA4個量程的電流接通和切斷。

2.2 測試儀功能轉(zhuǎn)換電路

測試儀功能轉(zhuǎn)換電路見圖3。

CD4013是雙D型觸發(fā)器，電路利用觸發(fā)器的記憶功能，維持電路的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)不變。K5是測量/電流方式轉(zhuǎn)換按鍵。利用電容C10的“短路”作用，防止開機時電路產(chǎn)生錯誤動作，自動設(shè)置在“I”（電流）位。此時，數(shù)據(jù)讀出電路顯示為電流值，按一下K5則切換到“[R□]”位，顯示薄層電阻的大小。K6是電流換向按鍵，主要用于將測量電流換向，這樣電流正反向各取一次測量值，2次測量值相加取平均值作為薄層電阻的準確值，這可以降低探針跟樣品接觸時因接觸電阻不確定造成的影響。

2.3 測試儀恒流源電路

測試儀恒流源電路見圖4。

根據(jù)擴散片實際薄層電阻大小將恒流源量程分為4擋，即0.1、1、10mA和100mA。利用運放LM741來保持電流的恒定。量程間換擋采用繼電器實現(xiàn)。R10、R9、R8、R7分別是0.1、1、10mA和100mA擋量程電阻，R6、R5、R4、R3是量程取樣電阻，其上壓降經(jīng)數(shù)據(jù)讀出電路顯示為對應(yīng)的電流值?；鶞孰妷涸碙M336用來保證經(jīng)電位器VR1、VR2分壓后加到LM741引腳3電壓的穩(wěn)定性，降低溫度漂移。用三極管9012、2N6036來實現(xiàn)大電流擋的擴流。電容C1、C2、分別對運放及晶體管進行頻率補償防止自激，確保恒流。

2.4 測試儀數(shù)據(jù)讀出電路

測試儀數(shù)據(jù)讀出電路見圖5。

測試儀主要用來顯示電流及薄層電阻大小。根據(jù)精度的需要，數(shù)據(jù)讀出采用INTERSIL公司生產(chǎn)的高準確度的41/2位A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135。其主要特點是自動校正零點，保證在零伏輸入時讀數(shù)為零。輸入阻抗高于109Ω，輸入漏電流僅1PA（典型值），允許差分輸入[2]。

ICL7135滿量程為2.000V，而本測試儀是按滿刻度200.00mV設(shè)計的，所以測量信號需放大10倍才可輸入ICL7135，當(dāng)R5=9k，R3=1k時，放大倍數(shù)A=R5/R3+1=10滿足電路要求。斬波放大器ICL7650組成同相放大器，具有高準確度、低漂移和自動校零的優(yōu)點，可滿足精密測量的需要。電容C5、C6為記憶電容，用來消除ICL7650的失調(diào)電壓。R6、C1組成輸入端高頻濾波器。電路利用ICM555構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生的方波作為ICL7135時鐘基準。ICM555時基電路定時精度高，工作速度和可靠性高；使用的電源電壓范圍寬，為2～18V，能和其他數(shù)字集成電路直接連接[3]。電路中電容C9和電阻R9、R10是振蕩器的定時元件，決定輸出方波的頻率。為了克服工頻干擾，方波的頻率必須為50Hz的倍數(shù)，當(dāng)R9=4.7k，R10=15k，C9=300PF時，鐘頻率為f=120kHz，此時測量速度3次/s，既克服工頻干擾，又可滿足實際測量需要。

3 結(jié)語

四探針薄層電阻測試儀目前已在國內(nèi)的晶體管廠、電力電子廠和光伏企業(yè)中被廣泛應(yīng)用，提高了擴散層薄層電阻測量的精度，使產(chǎn)品的質(zhì)量得到保證，同時獲得了用戶的好評。

參考文獻：

[1]關(guān)自強.四探針電動測試儀設(shè)計原理及維修[J].南方金屬，2003（1）：55-57.

[2]沙占友，王彥朋，杜之濤.便攜式數(shù)字萬用表原理與維修[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]孫余凱，項綺明，吳鳴山.巧學(xué)巧用數(shù)字集成電路實用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.