Vier-Punkt-Flächenwiderstandsmessungen bei verschiedenen Temperaturen
Abb. 1: Probe Station mit einem Multi-Contact-Wedge (MCW) Probe-Arm. Die Probe ist auf einem isolierten Probenhalter montiert.
Flächenwiderstandsmessungen sind ein vielseitiges Werkzeug für Forschung und Industrie. Wichtige Beispiele sind die elektrische Charakterisierung neuer Materialien, die Überwachung von Dünnschichtprozessen und die Bestimmung der Homogenität halbleitender und leitender Dünnschichten. Traditionell werden diese Messungen bei Raumtemperatur durchgeführt. Neue Anwendungen wie Solarzellen oder Quantentechnologien erfordern mitunter deutlich weitere Temperaturbereiche.
Unser Partner Lake Shore konnte mit Hilfe einer Kombination aus kryogener Probe Station und dem M81-SSM (Synchronous Source Measurement System) demonstrieren, dass Messungen in den Randbereichen moderner Anwendungen möglich sind.
Eine mögliche Konfiguration für Vier-Punkt-Flächenwiderstandsmessungen ist die lineare Anordnung von vier Kontakten mit einheitlichen Abständen zwischen den Messspitzen. Wenn die Messspitzen klein und das die zu messende Schicht dünn im Vergleich zum Substrat ist, kann der Flächenwiderstand mit
\(R_{SH} = {ρ\over t}={π\over ln (2)} {V\over l} \)
bestimmt werden. Wobei V der Spannungsabfall und I der angelegte Strom durch die äußeren Kontakte ist. Komplexe Kontaktstrukturen werden hier unter anderem in [1] betrachtet.
Eine Lake Shore CRX-4K mit einem Multi-Contact-Wedge (MCW) Probe-Arm kann mit einer passenden Messspitze ausgestattet werden, so dass sichergestellt ist, dass die Messspitzen einen fixen Abstand zueinander haben. (Abb. 1) Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass mit einem Messarm schnell mehrere Kontaktflächen gemessen werden können, ohne dass sich die einzelnen Spitzen gegeneinander verschieben. So können zuverlässige und reproduzierbare Messergebnisse geliefert werden.
Die elektrischen Messungen werden mit dem Lake Shore M81-SSM durchgeführt. Der Strom wird mit der BCS-10 (Balanced Current Source) an die äußeren Kontakte angelegt und der Spannungsabfall an den beiden inneren Kontakten mit dem VM-10 (Voltage Measure) gemessen. Das BCS-10 Modul hat einen Ausgang zur Gleichtaktunterdrückung. Dieser Ausgang wird mit dem Eingang B des VM-10 verbunden, um Störsignale zu reduzieren, die durch Erdströme oder andere Störungen im Messaufbau verursacht werden. Für weitere Details siehe [2].
Die Software MeasureLINK™ von Lake Shore wird für die Protokollierung, die Temperaturüberwachung und die Implementierung eines Stromumkehrprotokolls zur Reduzierung thermoelektrischer Effekte verwendet.
Abb. 2: Temperaturabhängiger Flächenwiderstand einer Silber-Platin Schicht (Heraeus C4729).
Die elektrischen Messungen werden mit dem Lake Shore M81-SSM durchgeführt. Der Strom wird mit der BCS-10 (Balanced Current Source) an die äußeren Kontakte angelegt und der Spannungsabfall an den beiden inneren Kontakten mit dem VM-10 (Voltage Measure) gemessen. Das BCS-10 Modul hat einen Ausgang zur Gleichtaktunterdrückung. Dieser Ausgang wird mit dem Eingang B des VM-10 verbunden, um Störsignale zu reduzieren, die durch Erdströme oder andere Störungen im Messaufbau verursacht werden. Für weitere Details siehe [2].
Die Software MeasureLINK™ von Lake Shore wird für die Protokollierung, die Temperaturüberwachung und die Implementierung eines Stromumkehrprotokolls zur Reduzierung thermoelektrischer Effekte verwendet.
In dem hier gewählten Beispiel wird der temperaturabhängige Schichtwiderstand einer 10 µm dicken Silber-Platin Schicht (Heraeus C4729) gemessen. Bei Raumtemperatur konnte ein Wert von 4,35 mΩ/□ (Ohm pro Quadrat) für den Schichtwiderstand bestimmt werden, was konsistent zu einem erwarteten Schichtwiderstand von ≤ 5 mΩ/□ ist.
Diese Ergebnisse zeigen, dass dieses Material einen ähnlichen Abfall des Schichtwiderstands bei sinkenden Temperaturen aufweist wie mäßig reines Silber. Unter 30 K zeigt sich ein weniger starker Abfall aufgrund des niedrigeren Phononenbeitrags zur Elektronenstreuung. In diesem Beispiel ist der Schichtwiderstand bei 4 K in der Nähe von 100 µΩ/□. (Abb.2)
Dieses Messbeispiel zeigt, dass eine Kombination aus Lake Shore Probe Station und M81-SSM geeignet ist, präzise Vier-Punkt-Oberflächenmessungen bei unterschiedlichen Temperaturen durchzuführen. Ein solcher Messaufbau kann auch auf andere Anwendungsgebiete im Bereich der Halbleiter-Dünnschichtcharakterisierung oder der Entwicklung neuer Materialien erweitert werden.
Nehmen Sie gerne mit uns Kontakt auf, wenn Sie fragen zu den Lake Shore Probe Stations oder dem M81-SSM haben.
Quellen: [1] Semiconductor Material and Device Characterization, Third Edition, D. K. Schroder, John Wiley & Sons, 2015
[2] “Minimizing the Effect of Common-Mode Noise Interference in Low-Temperature Applications,” Lake Shore Cryotronics Application Note, J. R. Lindemuth and E. A. Codecido, 2022
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