[发明专利]一种精确测定薄膜材料膜厚方向电阻率的方法及其装置

说明书

技术领域

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

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.inRecentTrendsinThermoelectricMaterialsResearchIII(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R_空，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R_测，用R_测-R_空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。

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

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。

本发明解决上述问题采用的技术方案是：

一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：

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；

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；

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。

按上述方案，所述步骤3)具体包括如下步骤：