一種精確測定薄膜材料膜厚方向電阻率的方法及其裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于薄膜熱物性測試技術領域，具體涉及一種精確測定薄膜材料膜厚方向 電阻率的方法及其裝置。
【背景技術】
[0002] 對于微納米材料、微電子微機電系統（MEMS)、納米薄膜熱電材料而言，電阻率是非 常重要的物性參數。對于各種材料薄膜膜厚方向電阻率的測試已經有很多報道，但是由于 薄膜在厚度方向尺寸極小，通常為微米甚至納米級，因此用于宏觀尺寸樣品的電阻率測試 方法均無法使用在薄膜樣品厚度方向的測量中。如廣泛使用的四探針法，在宏觀樣品的測 試中，由于可以排除電路電阻以及接觸電阻的影響，被廣泛運用于各種材料的電阻率測試， 但由于薄膜膜厚方向尺寸極小，無法在厚度方法搭建4個探針，因此無法用于薄膜厚度方 法的電阻率測量。據文獻報道，在薄膜膜厚方向電阻率的測量中，廣泛使用的為增強的傳 輸線模型法（ETLM)(①R.Venkatasubramanian.inRecentTrendsinThermoelectric MaterialsResearchIII(ed.Tritt，T.M.)Ch. 4 (Academic,SanDiego, 2001)，即在傳輸線 模型（TLM)法（②H.H.Berger.J.Electrochem.Soc, 1972, 119(4) :507)的基礎上進行改進 的一種測試方法，先由TLM法測得金屬探針與薄膜的接觸電阻，再進一步得到薄膜膜厚方 向的電阻率。但該方法需要加工出樣品的臺式結構，在樣品臺式結構上再加工出與臺式結 構相同的金屬探針，加工難度較大；另外，由該方法實際上測得的薄膜電阻率為臺狀結構的 厚度方向的電阻率，而并非薄膜本身的電阻率，而該測量方法成立的前提是臺式結構的電 阻率與薄膜本體的電阻率相同，且不能隨厚度有所變化。若薄膜電阻率隨厚度有所變化，則 所測電阻率并不一定與薄膜本體厚度方向的電阻率相同。專利CN1564014A介紹了一種燃 料電池質子交換膜橫向導電率的測試方法與裝置，利用交流阻抗法測定，工作電極與輔助 電極使用碳電極，參比電極使用飽和甘汞電極，碳電極加載測試電流，參比電極測試響應電 壓，測量時采用三電極或四電極體系，先測量電解池中空白溶液的電阻Rs，然后將交換膜 夾在兩并排放置的電解池的連接孔中間，用同樣方法測量電阻RiM，用RiM _RS得到質子交換 膜電阻。然而，該方法僅適用于在電解液中測量膜的橫向電阻，而電解液的腐蝕特性（通常 為強酸或強堿性溶液），難以實現對大多數半導體薄膜膜厚方向電阻率的測試，同時，電流 端和電壓端未分離，電路中的電阻影響難以排除。此外，對于具有高賽貝克系數的試樣，盡 管在較低的溫度梯度下，賽貝克效應的存在會嚴重影響交流測試法或直流單向測量法的測 量精度。
[0003]因此，薄膜材料膜厚方向的電阻率測量較為困難，測量精度低，方法較少，且加工 較為困難，難以實現對大多數薄膜材料厚度方向的電阻率進行測試。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的問題是，針對現有薄膜材料電阻率測定存在的上述不足，提供一 種精確測定薄膜材料膜厚方向電阻率的方法及其裝置，利用可控直流電源及精密電壓表得 到薄膜厚度方向的電阻率，樣品制備較容易，數據處理簡便，測試精度高。
[0005] 本發明解決上述問題采用的技術方案是：
[0006] -種精確測定薄膜材料膜厚方向電阻率的方法，包括如下步驟：
[0007] 1)在絕緣襯底上自下而上依次沉積第一條形導電金屬薄膜、第一絕緣層、待測薄 膜、第二絕緣層及第二條形導電金屬薄膜，形成待測樣品，其中第一絕緣層與第二絕緣層在 相同位置分別留有大小位置完全相同的導電孔，使上下兩層的第一條形導電金屬薄膜、第 二條形導電金屬薄膜與中間夾層的待測薄膜通過上下兩導電孔接觸導通；
[0008] 2)在第一條形導電金屬薄膜的一側與第二條形導電金屬薄膜的另一側之間串聯 可調直流電源及電流表、形成電流通路，同時在第一條形導電金屬薄膜的另一側與第二條 形導電金屬薄膜的一側之間連接電壓表；
[0009] 3)采用電流通路與電壓測試端分離的方法，對步驟2)中形成的電流通路通入一 定電流，電壓表采集第一條形導電金屬薄膜、第二條形導電金屬薄膜層上下兩表面在對應 于兩導電孔處之間的電壓值，再根據電流表示數獲得測量的導電孔兩端的電阻值，再結合 待測薄膜與第一條形導電金屬薄膜、第二條形導電金屬薄膜層的接觸電阻，計算得到待測 薄膜膜厚方向的凈電阻值，進而求得待測薄膜膜厚方向的電阻率。
[0010] 按上述方案，所述步驟3)具體包括如下步驟：
[0011] a)根據傳輸線模型TLM法測得待測薄膜與第一條形導電金屬薄膜的接觸電阻札、 待測薄膜與第二條形導電金屬薄膜層的接觸電阻R2;
[0012] b)采用正反兩向給待測薄膜通以等值的直流電，消除賽貝克電勢對待測薄膜兩端 電壓的影響，基于此，對同一輸出電流時測量導電孔I、1(2兩端的電阻值為：
[0013]
[0014] 式中，U、I分別為正向輸出電流時電流表和電壓表的不數，U、I分別為反向輸出 電流時電流表和電壓表的示數；
[0015] c)調節直流源的輸出電流值，得到一系列對應不同電流值時，導電孔兩端的電阻 值：
[0016]
[0017] 取其平均值作為測量得到的導電孔兩端的電阻
[0018] d)最后，通過步驟c)獲取的導電孔兩端的電阻值R'，結合步驟a)得到的待測薄 膜3與第一條形導電金屬薄膜1、第二條形導電金屬薄膜層5的接觸電阻&和R2，計算得 到待測薄膜膜厚方向的凈電阻值為：R=R'-Ri-私，進而得到待測薄膜3膜厚方向的電阻率 為： RS
[0019] p=- a
[0020] 式中，S為導電孔的面積，d為待測薄膜膜厚。
[0021] 本發明還提供了一種上述精確測定薄膜材料膜厚方向電阻率的方法所需測量裝 置，包括待測樣品和測試設備兩部分，所述待測樣品自下而上分別包括絕緣襯底、第一條形 導電金屬薄膜、第一絕緣層、待測薄膜、第二絕緣層及第二條形導電金屬薄膜層，其中第一 絕緣層、第二絕緣層中的同一位置加工一對大小相等的導電孔，上下兩層的第一條形導電 金屬薄膜、第二條形導電金屬薄膜與中間夾層的待測薄膜通過這一對導電孔接觸導通；所 述測試設備包括可調直流電源、電流表和電壓表，所述可調直流電源、第一條形導電金屬薄 膜、待測薄膜、第二條形導電金屬薄膜和電流表依次串接形成電流通路；所述電壓表的兩端 分別與第一條形導電金屬薄膜和第二條形導電金屬薄膜的端部連接。
[0022] 按上述方案，所述可調直流電源的一端與第一條形導電金屬薄膜的一端串接，可 調直流電源的另一端與電流表串接后再與第二條形導電金屬薄膜的一端連接，所述電壓表 的兩端分別與第一條形導電金屬薄膜的另一端和第二條形導電金屬薄膜的另一端連接。
[0023] 按上述方案，所述的導電孔為圓形或方形通孔。
[0024] 本發明采用全新的微加工布線設計，先利用TLM法提前測試得到待測薄膜與上下 兩層導電金屬薄膜的接觸電阻&和1?2，然后在對待測薄膜厚度方向通電時，直接通過電壓 表測量兩側導電金屬薄膜的電壓測試端而得到待測薄膜兩側的電壓值，得到導電孔兩端的 電阻值，最后計算得到待測薄膜膜厚方向的凈電阻值，進而得到待測薄膜膜厚方向的電阻 率。
[0025] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：樣品布線考慮了電路中電阻的影響， 設計了電流通路與電壓測試端分離，從而避免了測試電路中其它環節電阻的影響，采用正 反兩向給待測薄膜通以等值的直流電，消除賽貝克電勢對待測薄膜兩端電壓的影響，有效 提高測量的精度，通過簡單的計算即可得到薄膜厚度方向的電阻率，方法簡單可靠，測量裝 置易于購買和搭建，無需特殊環境，適用于絕大多數有機/無機薄膜材料薄膜厚度方向電 阻率的測試。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明待測薄膜材料膜厚方向電阻率測量裝置的樣品剖視圖；
[0027] 圖2為樣品布線結構俯視圖；
[0028] 圖中，1