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       在现代半导体及下一代纳米电子和资料，如单壁碳纳米管（SWNT）中，很难用电子的步骤来表征极度幼的电路元件
。很多探针台必要产品较大的金属引脚，而使用光学显微镜的手动机械探针台不能很好表征资料机能
。由于尺度栅极尺寸幼于90nm，空间预算不休缩幼，大无数探针系统所需的幼探针台的引脚尺寸维持固定在50微米左右
。这种限度很大水平上受限于由于探头活动的不正确和探针尖的尺寸
。

　　这些难题能够通过结合Keithley的4200-SCS半导体表征系统与先进的纳米操作系统，如Zyvex S100纳米探针台（如图1所示）来解除
。这种组合提供了5nm的活动精度，探针尖端直径幼于20nm，目前的丈量能力优于1pA
。

　　         图1：Keithley的4200-SCS半导体表征系统和Zyvex S100纳米驱动器

　　步骤和技术

　　不像宏观和微观组件和资料的通用丈量和I-V曲线，分子线和碳纳米管的丈量必要确当苦衷项和技术更多
。通用电阻丈量和I-V曲线的天生通常使用两线法电丈量技术
。当要丈量相对较低的电阻时（分子线、半导体纳米线和碳纳米管的情况一样），或者当探针或触点的电阻相对较高时，四线探针法的测试了局更正确
。

　　两线法测试理论

　　为了确定一个电阻，使用欧姆定律：R=V/I
。一个已知的电流来流过未知的电阻，丈量逾越电阻产生的电压，而后通过将丈量的电压除以源电流来确定电阻
。当使用双线法测试时出现的一个问题是，电压不仅通过电阻进行丈量，整个丈量值还蕴含导线和触点的电阻（见图2）
。当使用欧姆表来丈量大于几千欧姆的电阻时，这个增长的电阻通常不是一个问题
。然而，当丈量纳米级资料或组件上的低电阻时，或当接触电阻可能很高时，用双线丈量获得正确的了局可能是一个问题
。

　　图2：两线法测试

　　四线法测试理论

　　解决两线丈量导线和接触电阻的步骤是用四线或“开尔文”丈量
。通过开尔文丈量，第二组探针用于感测信号，这些探头中的电流可忽略不计
；因而，仅丈量经过DUT的电压降（见图3）
。因而，电阻的丈量或I-V曲线的天生越发正确
。

　

　　图3：四线法测试

　　四线法测试系统配置

　　将Keithley的4200-SCS半导体表征系统与Zyvex S100纳米探针台相结合，创建了一个自动化的仪器系统，用于对纳米尺度和半导体器件、测试结构和其他亚微米器件进行I-V和C-V表征
。对于组合系统噪声下限幼于55fA，电流丈量优于1pA的情况很容易实现
。

　　通过Keithley交互式测试环境（KITE），能够轻松、急剧地配置和执行测试
。KITE是一个为半导体器件和资料设计和开发的利用法式，也合用于纳米级器件
。测试的源和丈量职能由源丈量单元（SMU）提供
。碳纳米管I-V测试的设置示例如图4所示
。图5展示了使用Keithley4200-SCS、KITE和S100的碳纳米管的I-V曲线
。

　　Zyvex S100纳米探针台是一种用于微米和纳米规模的钻研和开发利用的探针台
。它可包容多达4个定位器（三维级），拥有5nm的定位器分辨率，能够在扫描电子显微镜（SEMS）和聚焦离子束系统（FIBS）中捕获、移动、测试和定位微米和纳米量级的样品
。对于纳米线或纳米管上的四线丈量，使用测试系统的四个探针臂
。每个探针臂节造一个探头
。图6展示了Keithley 4200-SCS与S100的衔接
。图7展示了与碳纳米管的现实接触
。

　　图4：用Keithley 4200-SCS KITE利用法式测试碳纳米管的I-V曲线设置

　　

　　图5：碳纳米管上的I-V曲线

　　

　　图6：Keithley 4200-SCS和Zyvex S100测试示意图

　　

　　图7：在S100探针上的碳纳米管的扫描电镜图片

　　为了在纳米级资料和导线上进行四线丈量，在DUT的表部和内部探头衔接到统一个源丈量单元（SMU）
。表部探头衔接到SMU上的force端，而内部探头衔接到SMU上的sense端
。Keithley 4200-SCS进行测试
。“四线”交互式测试？，可在KITE文件夹中找到，名为“双线电阻器”，可用于天生I-V曲线的了局
。这是一个预先配置的例程，如前面所述，使用四根电缆和两个smu实现四点丈量
。也能够创建一个基于“two wire resistor”的项目，并使用一个看起来像碳纳米管的图，如图4所示
。

　　典型的谬误起源

　　通过偏移电压和噪声源，能够在低压和低电阻丈量中引入显著误差，而这些误差在丈量较高的信号电平时通
；岜缓雎
。下面会商可能影响低电压和低电阻丈量精度的成分
。

　　偏移电压

　　在梦想情况下，当电压表衔接到一个没有电压存在的相对较低阻抗的电路时，它应该读数为零
。然而，电路中的一些误差源能够被视为非零电压偏移
。这些源蕴含热电电场、RFI（射频滋扰）整流产生的偏移量和电压表输入电路中的偏移量
。不变偏移通Ｄ芄煌ü搪凡馐缘枷叩慕嵛怖唇獬，而后使仪器的零（相对）个性
。然而，请把稳，抵消偏移漂移可能必要屡次沉新归零，出格是在热电电动电场的情况下
。

　　热电电压

　　通过偏移电压和噪声源，能够在低压和低电阻丈量中引入显著误差，而这些误差在丈量较高的信号电平时通
；岜缓雎
。下面会商可能影响低电压和低电阻丈量精度的成分
。

　　偏移电压

　　热电电压（热电电动
。┦堑脱拐闪恐谐＜奈蟛钇鹪
。当电路的分歧部门处于分歧的温度和由分歧资料造成的导体衔接在一路时，就会产生这些电压
。使用一样资料的电路，能够大限度地削减热电电动势的产生
。

　　允许测试设备在恒定的环境温度下加热并达到热平衡也使热电电磁势影响幼
。任何渣滓的热电电动势，只有它相对恒定，都能够通过使用仪器零特点进行赔偿
。为维持环境温度恒定，设备应远离阳光直射、排气扇和类似的热流或移动空气源
。绝缘泡沫（如聚氨酯）中的包裹衔接也能大限度地削减由空气活动引起的环境温度颠簸
。

　　在低温下丈量源存在特殊的问题，由于低温恒温器中的样品和电压表之间的衔接通常由导热系数低于铜的金属造成，如铁，它将分歧的金属引入电路
。此表，由于源可能是靠近0开尔文，而仪表是在300开尔文，有一个极度大的温度梯度
。通过匹配低温恒温器和电压表之间的导线组成，并将所有分歧的金属结对维持在一样的温度下，能够以优良的精度进行极度低的电压丈量
。

　　非欧姆接触

　　当非欧姆接触点之间的电位差与流过它的电流不是线性比例时，非欧姆接触点是显著的
。由于氧化膜或其他非线性衔接，在低压电路中可能产生非欧姆接触
。非欧姆衔接很可能会纠正存在的射频能量（RFI），导致电路中呈显飓移电压
。有几种步骤来查抄非欧姆接触点和一些步骤来削减它们
。

　　当使用微欧姆表、数字万用表（DMM）或源-丈量单元进行低电阻丈量时，通过扭转领域来查抄非欧姆触点
。通过扭转丈量领域，通常也会扭转测试电流
。正常情况下暗示一样的读数，但分辨率较高或较低，这取决于仪器是上升或降落的领域
。若是读数有显著差距，这可能批注存在非欧姆前提
。

　　若是使用单独的电流源和电压表进行低电阻丈量，则必须查抄每个仪器的非欧姆触点
。若是电流源触点长短欧姆，当源极性回转时，适应电压可能有显著异
。若是电压表触点长短欧姆的，它们能够纠正任何互换幼信号的存在，并造成直流偏移误差
。

　　为了预防非欧姆接触，请选择相宜的接触资料，如铟或金
。确保合规电压足够高，以预防由于源接触非线性引起的问题
。为了削减由电压表非欧姆触点引起的误差，通过使用屏蔽和适当的接地来削减互换滋扰
。

　　器件自热

　　在对纳米级器件或资料等温度敏感器件进行电阻丈量时，必要思考器件自加热
。用于低电阻丈量的测试电流通常迸酌于正常领域内电阻丈量的电流要高得多，因而，若是功耗足以导致器件的电阻值产生变动，则能够思考器件中的功耗
。

　　电阻器中的功耗由公式为P=I2R
。从这个关系中，我们能够看到，每次电流加倍时，器件中的功耗就增长4倍
。因而，幼化设备加热的影响的一种步骤是使用尽可能低的电流，同时在整个被测试的设备上依然维持所需的电压
。然而，在很多情况下，测试电流是不成调的
。例如，大无数微欧姆表和DMM都没有设置测试电流的划定
。在这些情况下，必须找到代替步骤来削减设备加热
。一个单一但有效的步骤是在丈量期间使用仪器的一次性触发模式
。在这种模式下，在丈量周期中，仪器将只对DUT施加一个短暂的电流脉冲，从而大限度地削减设备加热造成的误差
。keithley 4200-SCS中使用的源丈量单元，提供了齐全的可编程性，使其易于节造设备加热
。

　　被传染的探针

　　测试信号的齐全性依赖于高质量的探头接触，这与接触电阻直接有关
。随着信号电压降、接触压力的降低以及纳米技术中新器件技术的钻研，探针接触电阻变得越来越沉要
。

　　在使用过程中，探针可能会被传染，导致丈量误差
。探针尖端的磨损和由此产生的传染会导致接触电阻的增长
。提高探针尖端持久机能的佳步骤是在测试规划中纳入定期洗濯法式
。固然定期洗濯会影响测试产量，但洗濯和收益必须与成本进行衡量
。与洗濯有关的一个重要成本成分是在探测台终场服务时降低了测试吞吐量
。另一个思考成分是，清洁太少会对测试产量产生不利影响
。

　　你怎么知路这些探测器是脏的呢？下列任何一项都可能批注存在传染问题：

　　?探头产生高接触电阻
。

　　?存在接触电阻高的产量沉降物
。

　　?沉新探测并不会提高测试失败率
。

　　?目视（显微镜）查抄显示探针尖端有颗
；蛲坎
。

　　通常，不正确的丈量是第一个谬误，沉新扎针不会改

　　变故障率
。用显微镜查抄探针尖端能够验证诊断了局
。请参考提供探头公司提供的清洁建议
。

　　测试系统安全

　　很多电气测试系统或仪器都可能丈量或获取危险的电压和功率水平
。在单一故障前提下（例如，编程谬误或仪器故障），即便系统批注没有危险存在，也有可能输出危险水平
。

　　这些高电压和功率水平使操作人员在职何时辰都要免受任何危险
。

　　
；げ街柙毯

　　设计测试夹具，以预防操作员接触到任何危险的回路
。

　　确保被测设备齐全封关，以
；げ僮魅嗽泵馐苋魏畏尚兴槠闹猩
。

　　双绝缘衔接是操作员能够接触到的所有电气衔接
。双绝缘确保操作者依然得到
；，即便有一个绝缘层失效
。当测试固定装置罩打开时，使用高靠得住性、故障安全的联锁开关断开电源
。

　　若是可能，请使用自动处置法式，使操作人员不必要接见测试固定装置的内部，也不必要打开防护装置
。

　　为系统的所有效户提供适当的培训，使他们相识所有潜在的危险，并知路若何
；ぷ约好馐苤猩
。

　　测试系统设计人员、集成商和装置人员的责任是确保操作人员和守护人员的
；さ轿缓陀行
。

　　更多信息参考

　　有关二线和四线电阻丈量、低压丈量和典型误差源的更多信息，请参阅keitheley的低电平丈量手册
。

　　结论

　　Keithely 4200-SCS半导体表征系统结合Zyvex测试系统是一种极度有效的纳米器件I-V表征丈量工具
。该系统拥有四点探针能力，1pA精度，和5nm精度移动，提供了一个怪异的特点组合，是梦想的纳米技术和半导体表征
。