《金屬薄膜電阻率的測量》鑒定報告

1、金屬薄膜電阻率的測量鑒定報告一、主題 把當今高新技術領域中的科研開發(fā)和生產中實際應用的物理測量技術放到大學本科的 普通物理實驗教學中， 不斷提高和更新普通物理實驗教學的檔次， 使普通物理實驗教學更貼 近當今高新技術的發(fā)展， 從而使學生們在學校期間就能夠接觸到一些同高新技術領域相關的 實驗內容， 對于提高學生們的學習興趣和培養(yǎng)將來實際科研開發(fā)能力將起到很大的幫助。 培 養(yǎng)創(chuàng)新型人才， 使高等學校培養(yǎng)的畢業(yè)生進入社會后能夠更快的擔負起發(fā)展國家高新技產業(yè) 的重擔，這是當前普通物理實驗教學改革的重要方向之一。把科研開發(fā)中實際應用的方法向工科物理實驗教學轉化。 科研開發(fā)中實際應用的方法包 括二部分（ 1

2、）具體的實驗方法、原理和設備（統(tǒng)稱：硬件） ；（ 2）提出問題、分析問題 和解決問題的思維方法（統(tǒng)稱：軟件） 。本實驗是把科研開發(fā)中實際應用的方法用四探針法測量金屬薄膜電阻率引入到工 科物理實驗教學中。二、目的1讓同學們直接地接觸薄膜材料，對薄膜材料有一個直觀的感性認識；了解和學會現(xiàn)在科 研開發(fā)和生產中使用的四探針法測量金屬薄膜電阻率的原理和方法；2了解薄膜的膜厚對金屬薄膜電阻率的影響（即，金屬薄膜電阻率的尺寸效應） ；薄膜材料同普通塊體材料的差異；3分析用四探針法測量金屬薄膜電阻率時可能產生誤差的根源； 4使學生們在直接感受到工科物理實驗在當今高新技術中的應用實例，從而提高學生們的 學習興趣

3、和探索自然的積極性；5培養(yǎng)學生們提出問題、分析問題和解決問題的科研開發(fā)能力，培養(yǎng)學生們的創(chuàng)新能力；6使低價格同時又具有一定科學實用價值的實驗儀器進入工科物理實驗教學中，降低實驗 教育的成本。三、實驗講義實驗講義在內容上有以下幾個特點： （1）主要標題中的 引言、實驗目的 、實 驗儀器 、實驗原理 、實驗測量及數據處理 、討論、結論、參考文獻 為通?？茖W 論文所用的形式， 其目的是讓學生們在閱讀實驗講義和寫實驗報告時能夠熟悉科學論文的寫 作方式。（2）講義中的 引言 部分主要介紹了與相關實驗有關的應用背景、在物理學發(fā)展史中的作用等知識， 其目的是提高學生們的學習興趣、 探索自然奧秘的積極性以及開

4、闊學生們 的眼界。（3）講義中的 討論、研究性題目 和思考題 部分主要分不同層次地給學生們提 出一些與實驗相關的問題，要求學生們認真思考后，通過自己設計、編排實驗，用實驗數據 回答提出的問題，其目的是提高學生們提出問題、 分析問題、 解決問題能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識 和創(chuàng)新能力， 體現(xiàn)分層次教育的思想。 （4）講義中的 結論 部分讓學生們通過實驗給出自己 想說的結論， 其目的是讓同學們從自己感興趣的視角給出結論， 拓寬學生們的思維空間， 培 養(yǎng)學生們的科學概括、總結能力。 （5）講義中的 參考文獻 部分提醒、培養(yǎng)同學們在科研開 發(fā)工作中應該養(yǎng)成參考學習前人的結果的工作習慣和實事求是的科學道德。四、實

5、驗內容1實驗儀器主要實驗儀器包括，四探針組件、 SB118 精密直流電流源、 PZ158A 直流數字電壓表、 具有七種不同膜厚的金薄膜材料、具有七種不同膜厚的鐵薄膜材料。SB118精密直流電流源是精密恒流源，它的輸出電流在1微安（ 1微安 =10-6安培）200 毫安（ 1 毫安 =10-3 安培）范圍內可調，其精度為 0.03%。 PZ158A直流數字電壓表是具 有 6 位半字長、 0.1 微伏（ 1 微伏 =10-6 伏特）電壓分辨率的帶單片微機處理技術的高精度電 子測量儀器， 分別具有 200毫伏、 2伏、20伏、200伏、1000伏的量程， 其精度為 0.006%。七種不同膜厚的金薄膜

6、和鐵薄膜，其具體膜厚情況為：金薄膜分別是 10 納米（ 1 納米 -9=10-9米）、 20納米、 50納米、 100 納米、 150納米、 200 納米、 300納米，鐵薄膜分別是 10 納米、 20納米、 50納米、 100納米、 150納米、 200納米、 300納米。實驗儀器是由北京科技大學物理系設計、 上海精密科學儀器有限公司上海電子儀器廠制 造的，實驗儀器的成本是低廉的（不超過二萬元人民幣） 。2實驗原理薄膜材料在厚度 （膜厚） 上是非常薄的。 如果金屬薄膜的膜厚小于某一個值時，薄膜的 厚度將對自由電子的平均自由程產生影響， 從而影響薄膜材料的電阻率， 這就是所說的薄膜 的尺寸效應

7、。如何來理解薄膜的尺寸效應呢？圖 1 給出了說明薄膜尺寸效應的示意圖。圖1圖 1 中金屬薄膜的膜厚為 d。電場 E 是沿著 -X 方向。假定自由電子從 O點出發(fā)到達薄膜 的表面 H 點， OH的距離同金屬塊體材料中自由電子的平均自由程B相等，即： OH=B，自由電子的運動方向與 Z 軸（薄膜膜厚方向）的夾角為 0，在 0 所對應的立體角范圍內（圖 1 中顯示的 B 區(qū)），由 O 點出發(fā)的自由電子運動到薄膜表面并同其發(fā)生碰撞時所走過的距離 小于自由電子的平均自由程 B。這意味著，在 B 區(qū)中的自由電子在同聲子和缺陷發(fā)生碰撞 之前就同薄膜的表面發(fā)生碰撞，也就是說 ,B 區(qū)中自由電子的平均自由程小于

8、塊體材料中自 由電子的平均自由程。但是，在大于 0所對應的立體角范圍內（圖 1 中顯示的 A 區(qū)），由 O 點出發(fā)的自由電子運動到薄膜表面并同其發(fā)生碰撞時所走過的距離大于自由電子的平均自 由程 B，即自由電子的平均自由程沒有受到薄膜表面的影響。綜合上述分析，金屬薄膜材 料中有效自由電子平均自由程是由A區(qū)和 B 區(qū)兩部分組成， 由于 B 區(qū)中自由電子的平均自由程小于塊體材料中自由電子的平均自由程， 所以金屬薄膜材料中有效自由電子平均自由程小 于塊體材料中自由電子的平均自由程， 從而使薄膜材料的電阻率高于塊體材料的電阻率。 進 一步考慮一下， 當薄膜的膜厚遠遠大于塊體材料的自由電子的平均自由程時，

9、 薄膜表面對在 電場作用下自由電子的定向運動將沒有影響，這時薄膜的電阻率將表現(xiàn)出塊體材料的電阻 率，也即，當薄膜的膜厚很厚時，薄膜也就變成了塊體材料。目前，較為簡單、又能很好地反映出金屬薄膜電阻率尺寸效應的關系式是 Lovell-Appleyard 公式。該關系式將金屬薄膜的電阻率、薄膜的膜厚、相應的金屬塊體材四探針的結構示意圖如料的電阻率和金屬塊體材料的自由電子平均自由程等物理量聯(lián)系了起來。在生產、科研、 開發(fā)中，應用四探針法測量金屬薄膜的電阻率。圖 2 所示。如圖 2 所示，讓四探針的針尖同時接觸到薄膜表面上， 四探針的外側二個探針同恒流源 相連接， 四探針的內側二個探針連接到電壓表上。

10、當電流從恒流源流出流經四探針的外側二 個探針、 流經薄膜時， 產生的電壓將可從電壓表中讀出。 在薄膜的面積為無限大或遠遠大于 四探針中相鄰探針間距離的時候，金屬薄膜的電阻率F可以由下式給出：VdFdF ln 2 I 公式（ 1）中， d 是薄膜的膜厚，（1）I 是流經薄膜的電流，即，圖 2 中所示恒流源提供的電流，V是電流流經薄膜時產生的電壓，即，圖2 中所示電壓表的讀數。在知道薄膜的膜厚d、流經薄膜的電流 I 和產生的電壓 V后，應用公式（ 1）就可以計算出金屬薄膜的電阻率 F。 3實際測量銅薄膜的電阻率首先，選擇普通玻璃作為襯底，玻璃襯底的大小尺寸是：長 20 毫米、寬 20 毫米、厚 1

11、 毫米。分別用丙酮、去離子水、無水乙醇對玻璃襯底各進行超聲波清洗 5 分鐘。然后，把玻 璃襯底放入多功能磁控濺射鍍膜儀的鍍膜室中，把鍍膜室的壓強抽到310-4 帕，在室溫條件下，濺射沉積一層厚度為 350納米的銅薄膜。 濺射沉積條件： 濺射電壓 500V，電流 130mA， 氬氣壓強 0.5 帕，沉積時間 17 分鐘。本實驗用四探針儀測得的銅薄膜的電阻率為： （1.20 0.08） 10-5 ohm cm。在清華大學 微電子所用市場銷售的 D41-5/2M 型四探針儀測量的同一個銅薄膜的電阻率為： （1.23 0.08） -5 10 ohm cm。4結論對比上述 3 中實際測得的銅薄膜的電阻率

12、， 我們可以得出以下結論： 在測量的誤差允許 的范圍之內， 用這兩種四探針儀的測得的銅薄膜的電阻率符合的很好的， 也即， 使用本實驗 用的四探針儀在測量方面是完全可靠的。五、實驗安排金屬薄膜電阻率的測量 實驗是一個電學實驗。 它既是一個材料基本電學量的測量實 驗，又是一個極具有實際應用價值的實驗， 同時使學生們接觸并了解當今高新技術中廣泛應 用的薄膜材料的一些最基本的特性。 這個實驗被安排在工科普通物理實驗課程的 “綜合性實 驗”當中。本實驗培養(yǎng)和訓練重點包括基本要求和提高要求。 基本要求 ：（ 1）了解和學會現(xiàn)在科研開發(fā)和生產中使用的四探針法測量金屬薄膜電阻率的原理和方法， 分析用四探針法測

13、量金屬薄 膜電阻率時可能產生誤差的根源； （ 2）獨立完成接線、實驗測量點的選取； （3）了解薄膜的 膜厚對金屬薄膜電阻率的影響（即，金屬薄膜電阻率的尺寸效應） ，定性地總結出金屬薄膜 的電阻率和膜厚關系。 提高要求 ：（1）從金屬薄膜的電阻率和膜厚的關系給出金屬塊體材 料的電阻率，并同實際塊體材料的電阻率值相比較，對于比較的結果給出分析；（ 2）通過本實驗的結果，給出作為電極材料（基本要求之一是，其電阻率應該盡可能?。?，金屬薄膜的 發(fā)展方向是什么？在實際科研開發(fā)中應該如何具體實施？。本實驗的內容分為基本內容和提高內容。 基本內容 ：（ 1）獨立完成接線，正確選擇測 量點的個數和電流值的范圍

14、；學會電流和電壓關系的數據處理方法。（ 2）通過實驗說明，用四探針法測量金屬薄膜電阻率時主要的誤差根源是探針壓樣品力的大小和探針離樣品邊緣 的距離。（ 3）做出金屬薄膜的電阻率和膜厚關系圖， 定性地總結出金屬薄膜的電阻率和膜厚 關系。 提高內容 ：要求學生們通過認真思考、分析，從自己感興趣的視角出發(fā)，拓寬思維 空間， 結合理論知識擴展和延伸本實驗的基本內容。 （1）做出金屬薄膜的電阻率和膜厚倒數 的關系圖， 從圖中獲得金屬塊體材料的電阻率， 并同實際塊體材料的電阻率值相比較， 對于 比較的結果給出分析， 從而探討作為電極材料， 金屬薄膜的發(fā)展方向是什么？在實際科研開 發(fā)中應該如何具體實施？（

15、2）超出本實驗講義規(guī)定的內容。六、實驗難點 儀器本身和測量思想并不復雜， 因此 實驗講義 在有關如何調節(jié)儀器和具體的測量方 式方面，寫的不詳細，主要是讓學生們積極主動地思考， 通過自己的努力獲得實驗結果。要 完成實驗提高部分的內容，在實驗前，學生們應該積極主動地查閱有關薄膜知識的參考書， 提前做好知識上的準備。七、鑒定結論金屬薄膜電阻率的測量實驗具有以下幾個特點：（1）在基本要求 和基本內容 中，既使學生們了解和學會現(xiàn)在科研開發(fā)和生產中使用的四探針法測量金屬薄膜電阻率的原 理和方法，在實際應用中應注意的問題（引起實驗測量誤差） ；又使學生們親身感受到了工 科物理實驗在當今高新技術技術中的應用；

16、 同時培養(yǎng)了學生們的對于實驗結果的科學、 全面、 概括的總結能力。（2） 提高要求 和 提高內容 中，擴展和延伸了 基本要求 和 基本內容 ， 培養(yǎng)了學生們思考問題、分析問題和解決問題的能力。（ 3）實驗裝置設計精巧、耐用、價格低廉，適用于大面積推廣?；谏鲜鎏攸c，可以得出以下結論： 金屬薄膜電阻率的測量實驗，從實驗要求、實 驗內容、培養(yǎng)訓練重點、 操作難易程度、 實驗儀器上講都適合工科物理實驗教學， 是一個有 特色的實驗。八、附件 附件 1 實驗講義 金屬薄膜電阻率的測量 附件 2 實驗數據 金薄膜電阻率隨膜厚的變化關系 附件 3 論文（1）邱 宏，潘禮慶，王鳳平，吳 平，熊良永，李玲玉，田 躍； 真空度對電 子束蒸發(fā)沉積 Al 薄膜的電阻率和結構的影響 ，北京科技大學學報 ，23（2001） 7274。（2）H. Qiu, F. P. Wang, P. Wu, Y. Tian and L. Q. Pan:Structural andelectrical properties of Cu films deposited on glass by DC magnetron sputtering ,