一种精确测定薄膜材料膜厚方向电阻率的方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于薄膜热物性测试技术领域，具体涉及一种精确测定薄膜材料膜厚方向 电阻率的方法及其装置。
【背景技术】
[0002] 对于微纳米材料、微电子微机电系统（MEMS)、纳米薄膜热电材料而言，电阻率是非 常重要的物性参数。对于各种材料薄膜膜厚方向电阻率的测试已经有很多报道，但是由于 薄膜在厚度方向尺寸极小，通常为微米甚至纳米级，因此用于宏观尺寸样品的电阻率测试 方法均无法使用在薄膜样品厚度方向的测量中。如广泛使用的四探针法，在宏观样品的测 试中，由于可以排除电路电阻以及接触电阻的影响，被广泛运用于各种材料的电阻率测试， 但由于薄膜膜厚方向尺寸极小，无法在厚度方法搭建4个探针，因此无法用于薄膜厚度方 法的电阻率测量。据文献报道，在薄膜膜厚方向电阻率的测量中，广泛使用的为增强的传 输线模型法（ETLM)(①R.Venkatasubramanian.inRecentTrendsinThermoelectric MaterialsResearchIII(ed.Tritt，T.M.)Ch. 4 (Academic,SanDiego, 2001)，即在传输线 模型（TLM)法（②H.H.Berger.J.Electrochem.Soc, 1972, 119(4) :507)的基础上进行改进 的一种测试方法，先由TLM法测得金属探针与薄膜的接触电阻，再进一步得到薄膜膜厚方 向的电阻率。但该方法需要加工出样品的台式结构，在样品台式结构上再加工出与台式结 构相同的金属探针，加工难度较大；另外，由该方法实际上测得的薄膜电阻率为台状结构的 厚度方向的电阻率，而并非薄膜本身的电阻率，而该测量方法成立的前提是台式结构的电 阻率与薄膜本体的电阻率相同，且不能随厚度有所变化。若薄膜电阻率随厚度有所变化，则 所测电阻率并不一定与薄膜本体厚度方向的电阻率相同。专利CN1564014A介绍了一种燃 料电池质子交换膜横向导电率的测试方法与装置，利用交流阻抗法测定，工作电极与辅助 电极使用碳电极，参比电极使用饱和甘汞电极，碳电极加载测试电流，参比电极测试响应电 压，测量时采用三电极或四电极体系，先测量电解池中空白溶液的电阻Rs，然后将交换膜 夹在两并排放置的电解池的连接孔中间，用同样方法测量电阻RiM，用RiM _RS得到质子交换 膜电阻。然而，该方法仅适用于在电解液中测量膜的横向电阻，而电解液的腐蚀特性（通常 为强酸或强碱性溶液），难以实现对大多数半导体薄膜膜厚方向电阻率的测试，同时，电流 端和电压端未分离，电路中的电阻影响难以排除。此外，对于具有高赛贝克系数的试样，尽 管在较低的温度梯度下，赛贝克效应的存在会严重影响交流测试法或直流单向测量法的测 量精度。
[0003]因此，薄膜材料膜厚方向的电阻率测量较为困难，测量精度低，方法较少，且加工 较为困难，难以实现对大多数薄膜材料厚度方向的电阻率进行测试。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的问题是，针对现有薄膜材料电阻率测定存在的上述不足，提供一 种精确测定薄膜材料膜厚方向电阻率的方法及其装置，利用可控直流电源及精密电压表得 到薄膜厚度方向的电阻率，样品制备较容易，数据处理简便，测试精度高。
[0005] 本发明解决上述问题采用的技术方案是：
[0006] -种精确测定薄膜材料膜厚方向电阻率的方法，包括如下步骤：
[0007] 1)在绝缘衬底上自下而上依次沉积第一条形导电金属薄膜、第一绝缘层、待测薄 膜、第二绝缘层及第二条形导电金属薄膜，形成待测样品，其中第一绝缘层与第二绝缘层在 相同位置分别留有大小位置完全相同的导电孔，使上下两层的第一条形导电金属薄膜、第 二条形导电金属薄膜与中间夹层的待测薄膜通过上下两导电孔接触导通；
[0008] 2)在第一条形导电金属薄膜的一侧与第二条形导电金属薄膜的另一侧之间串联 可调直流电源及电流表、形成电流通路，同时在第一条形导电金属薄膜的另一侧与第二条 形导电金属薄膜的一侧之间连接电压表；
[0009] 3)采用电流通路与电压测试端分离的方法，对步骤2)中形成的电流通路通入一 定电流，电压表采集第一条形导电金属薄膜、第二条形导电金属薄膜层上下两表面在对应 于两导电孔处之间的电压值，再根据电流表示数获得测量的导电孔两端的电阻值，再结合 待测薄膜与第一条形导电金属薄膜、第二条形导电金属薄膜层的接触电阻，计算得到待测 薄膜膜厚方向的净电阻值，进而求得待测薄膜膜厚方向的电阻率。
[0010] 按上述方案，所述步骤3)具体包括如下步骤：
[0011] a)根据传输线模型TLM法测得待测薄膜与第一条形导电金属薄膜的接触电阻札、 待测薄膜与第二条形导电金属薄膜层的接触电阻R2;
[0012] b)采用正反两向给待测薄膜通以等值的直流电，消除赛贝克电势对待测薄膜两端 电压的影响，基于此，对同一输出电流时测量导电孔I、1(2两端的电阻值为：
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[0014] 式中，U、I分别为正向输出电流时电流表和电压表的不数，U、I分别为反向输出 电流时电流表和电压表的示数；
[0015] c)调节直流源的输出电流值，得到一系列对应不同电流值时，导电孔两端的电阻 值：
[0016]
[0017] 取其平均值作为测量得到的导电孔两端的电阻
[0018] d)最后，通过步骤c)获取的导电孔两端的电阻值R'，结合步骤a)得到的待测薄 膜3与第一条形导电金属薄膜1、第二条形导电金属薄膜层5的接触电阻&和R2，计算得 到待测薄膜膜厚方向的净电阻值为：R=R'-Ri-私，进而得到待测薄膜3膜厚方向的电阻率 为： RS
[0019] p=- a
[0020] 式中，S为导电孔的面积，d为待测薄膜膜厚。
[0021] 本发明还提供了一种上述精确测定薄膜材料膜厚方向电阻率的方法所需测量装 置，包括待测样品和测试设备两部分，所述待测样品自下而上分别包括绝缘衬底、第一条形 导电金属薄膜、第一绝缘层、待测薄膜、第二绝缘层及第二条形导电金属薄膜层，其中第一 绝缘层、第二绝缘层中的同一位置加工一对大小相等的导电孔，上下两层的第一条形导电 金属薄膜、第二条形导电金属薄膜与中间夹层的待测薄膜通过这一对导电孔接触导通；所 述测试设备包括可调直流电源、电流表和电压表，所述可调直流电源、第一条形导电金属薄 膜、待测薄膜、第二条形导电金属薄膜和电流表依次串接形成电流通路；所述电压表的两端 分别与第一条形导电金属薄膜和第二条形导电金属薄膜的端部连接。
[0022] 按上述方案，所述可调直流电源的一端与第一条形导电金属薄膜的一端串接，可 调直流电源的另一端与电流表串接后再与第二条形导电金属薄膜的一端连接，所述电压表 的两端分别与第一条形导电金属薄膜的另一端和第二条形导电金属薄膜的另一端连接。
[0023] 按上述方案，所述的导电孔为圆形或方形通孔。
[0024] 本发明采用全新的微加工布线设计，先利用TLM法提前测试得到待测薄膜与上下 两层导电金属薄膜的接触电阻&和1?2，然后在对待测薄膜厚度方向通电时，直接通过电压 表测量两侧导电金属薄膜的电压测试端而得到待测薄膜两侧的电压值，得到导电孔两端的 电阻值，最后计算得到待测薄膜膜厚方向的净电阻值，进而得到待测薄膜膜厚方向的电阻 率。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：样品布线考虑了电路中电阻的影响， 设计了电流通路与电压测试端分离，从而避免了测试电路中其它环节电阻的影响，采用正 反两向给待测薄膜通以等值的直流电，消除赛贝克电势对待测薄膜两端电压的影响，有效 提高测量的精度，通过简单的计算即可得到薄膜厚度方向的电阻率，方法简单可靠，测量装 置易于购买和搭建，无需特殊环境，适用于绝大多数有机/无机薄膜材料薄膜厚度方向电 阻率的测试。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明待测薄膜材料膜厚方向电阻率测量装置的样品剖视图；
[0027] 图2为样品布线结构俯视图；
[0028] 图中，1