[논문]Dual-Configuration Four-Point Probe Method에 의한 휴대형 면저항 측정기 개발

강전홍; 유광민; 김완섭

doi:10.5370/kieep.2010.59.4.423

Dual-Configuration Four-Point Probe Method에 의한 휴대형 면저항 측정기 개발
Development of Hand-Held Type Sheet Resistance Meter Based on a Dual-Configuration Four-Point Probe Method 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.59 no.4, 2010년, pp.423 - 427

강전홍 (한국표준과학연구원) , 유광민 (한국표준과학연구원) , 김완섭 (한국표준과학연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Portable sheet resistance-measuring instrument using the dual-configuration Four-Point Probe method is developed for the purpose of precisely measuring the sheet resistance of conducting thin films. While single-configuration Four-Point Probe method has disadvantages of applying sample size, shape and thickness corrections for a probe spacing, the developed instrument has advantages of no such corrections, little edge effects and measuring simply and accurately the sheet resistance between $0.2\Omega/sq$ and $2k\Omega/sq$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

개발된 휴대형 면저항 측정기는 그림 4와 같이 전원장치, 연산장치와 표시장치, A/D converter, gain amplifier, four-point probe, 전원으로 사용되는 충전용 건전지 등으로 구성되었다. 그림 5는 개발된 면저항 측정기의 사진을 보여 준다.
또한 접촉하고 있는 동안에는 측정을 계속하도록 설계되어 측정값의 재현성, 안정도 및 반복성을 평가할 수 있으며, 측정을 멈추면 마지막 측정값이 표시창에 그대로 유지되어 면저항 측정값을 편리하게 읽을 수 있다. 그리고 박막재료의 면저항 측정시 탐침의 흔들림으로부터 발생되는 접촉저항의 영향을 최소화하기 위하여 프로브를 고정시키고, 상하 수직운동과 탐침의 하중을 조절할 수 있는 프로브 고정장치(probe station)를 제작하였다. 이 측정기는 휴대형이므로 프로브를 손으로 잡고 시료의 원하는 위치에 접촉시켜 면저항을 측정하거나 프로브 고정장치에 프로브를 장착하여 사용할수 있도록 설계하여 사용자의 편의를 고려하였다.
개발된 면저항 측정기는 휴대형으로 시료의 표면에 프로브를 접촉시키면 면저항이 자동으로 측정되므로 누구나 쉽고 빠르고 정확하게 전도성 박막 재료의 면저항을 측정할 수 있다. 또한 이 면저항 측정기의 저항 측정기능과 면저항 측정기능에 대한 직선성, 반복성, 재현성 특성을 평가하기 위하여 국가측정표준으로부터 소급성이 유지된 표준저항과 십진 저항기를 사용하였다.
최근 각종 신소재 개발에 대한 연구의 필요성으로 산업체를 비롯한 대학교, 연구소, 벤처기업 등의 다양한 분야에서 박막재료의 면저항을 측정하기위한 측정기의 수요는 빠르게 증가하는 추세이다. 이에 따라 기존 single-configuration에 의한 면저항 측정기는 보정계수를 적용하여야 하므로 사용이 불편할 뿐만 아니라 가장자리효과가 크게 나타나는 단점을 개선하기 위하여 dual-configuration기술을 적용한 면저항 측정기를 개발하였다. 개발된 면저항 측정기는 휴대형으로 시료의 표면에 프로브를 접촉시키면 면저항이 자동으로 측정되므로 누구나 쉽고 빠르고 정확하게 전도성 박막 재료의 면저항을 측정할 수 있다.
그림 5는 개발된 면저항 측정기의 사진을 보여 준다. 측정기능은 저항과 면저항을 측정할 수 있도록 설계하였으며, 면저항 측정시 시료의 표면에 4-탐침 프로브가 접촉되면 측정기의 표시창에 면저항 측정값을 나타낸다. 또한 접촉하고 있는 동안에는 측정을 계속하도록 설계되어 측정값의 재현성, 안정도 및 반복성을 평가할 수 있으며, 측정을 멈추면 마지막 측정값이 표시창에 그대로 유지되어 면저항 측정값을 편리하게 읽을 수 있다.

대상 데이터

일반적으로 제작 사의 사양서를 보면 그 측정기의 정확도와 장기 안정도 등이 기술되어 있다. 이에 따라 본 연구에서 개발된 면저항 측정기의 저항기능에 대한 직선성 평가를 위하여 그림 6과 같이 측정회로를 구성하고 국가측정표준으로부터 소급성이 유지된 십진 저항기(Decade Resistor, 모델: ESI DB62, 불확도: 0.005 %)를 사용하였다. 측정 방법은 십진 저항기의 저항값을 0.

성능/효과

이에 따라 기존 single-configuration에 의한 면저항 측정기는 보정계수를 적용하여야 하므로 사용이 불편할 뿐만 아니라 가장자리효과가 크게 나타나는 단점을 개선하기 위하여 dual-configuration기술을 적용한 면저항 측정기를 개발하였다. 개발된 면저항 측정기는 휴대형으로 시료의 표면에 프로브를 접촉시키면 면저항이 자동으로 측정되므로 누구나 쉽고 빠르고 정확하게 전도성 박막 재료의 면저항을 측정할 수 있다. 또한 이 면저항 측정기의 저항 측정기능과 면저항 측정기능에 대한 직선성, 반복성, 재현성 특성을 평가하기 위하여 국가측정표준으로부터 소급성이 유지된 표준저항과 십진 저항기를 사용하였다.
또한 국가측정표준으로부터 소급성이 유지된 십진 저항기를 사용하여 평가한 직선성, 반복성, 재현성은 1 Ω, 10 Ω, 100 Ω 범위에서 약 0.1 %이하의 일치도를 갖는 우수한 특성을 나타냈으며, 탐침 간격에 대한 시료의 크기와 형상 및 두께 보정이 요구되는 종래의 single-configuration 기술을 적용한 면저항 측정기에 비해 많은 장점이 있으므로수입대체 효과가 예상된다.
또한 반복성과 재현성에 대한 특성을 확인하기 위하여 여러 범위에서 기준 저항값을 설정하고 5회 이상 반복 측정한 결과 0.1 %이하의 일치도를 나타냈으며, 안정도는 표시창에 지시되는 마지막 자리(분해능)의 ±1 digits 였다.
반면에, single-configuration으로 측정한 ITO 면저항은 가장자리 부분(0∼30 mm, 80∼100 mm)이중간 위치에서의 측정값과 dual-configuration으로 측정한값에 비해 약 5 %정도 측정값의 차이가 발생하는 것을 알수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	dual-configuration에 의한 면저항 측정기술의 장점은?	이 single-configuration에 의한 면저항 측정기술은 4개의 탐침이 일렬로 배열된 프로브(probe)의 탐침 간격에 대한 시료의 크기와 형태 및 두께에 따른 각각의 보정계수를 반드시 적용하여야 하며 가장자리효과가 큰단점이 있다. 반면에 dual- configuration에 의한 면저항 측정기술은 보정계수를 적용할 필요가 없으며 가장자리효과가 거의 없는 장점이 있는 것으로 알려져 있다[6-8].
	Valdes에 의해 개발된 FPP method은 무엇을 하는데 사용되는가?	Valdes에 의해 개발된 FPP method는 전도성 박막 및 실리콘 웨이퍼 등의 면저항을 측정하는데 가장 널리 사용되고 있으며, 동일선상에 일렬로 배열된 4개의 탐침을 시료의 표면에 접촉시켜 저항을 측정한 후 보정계수를 적용하여 면저 항을 측정하는 single-configuration[1-5]이 주로 사용되고 있다. 이 single-configuration에 의한 면저항 측정원리는 그림 3(a)에서와 같이 탐침 A와 D에 전류 IAD를 흘리고, 탐침 B와 C에서 전압 VBC를 측정하여 저항 Rs를 다음과 같이구한다.
	면저항 측정기술엔 무엇이 있는가?	면저항 측정기술은 Four-Point Probe(FPP) method의 single-configuration[1-5]과 dual-configuration[6-8]이 있으 며, 주로 single-configuration원리로 제작된 면저항 측정기가 사용되고 있다. 이 single-configuration에 의한 면저항 측정기술은 4개의 탐침이 일렬로 배열된 프로브(probe)의 탐침 간격에 대한 시료의 크기와 형태 및 두께에 따른 각각의 보정계수를 반드시 적용하여야 하며 가장자리효과가 큰단점이 있다.

참고문헌 (11)

Arther Uhlir, JR. "The Potentials of Infinite Systems of Sources and Numerical Solutions of Problems in Semiconductor Engineering", Bell System Technical Journal, Vol. 34, No. 1, pp. 105-128, 1954.
L. B. Valdes, "Resistivity Measurements on Germanium for Transistors", Proceedings of the Institute of Radio Engineers New York"., Vol. 42, pp. 420-427, Feb., 1954.
F. M. SMITS, "Measurement of Sheet Resistivities with the Four-Point Probe", Proceedings of the Institute of Radio Engineers, pp 711-718, May 1958.
ASTM F84, "Test Method for Measuring Resistivity of Silicon Wafers with In-Line Four-Point Probe"
Lydon J. Swartzendruber, "Correction Factor Tables for Four-Point Probe Resistivity Measurements on Thin, Circular Semiconductor Samples", NBS technical note 199, April 1964.
ASTM F1529-97, "Standard Test Method for Sheet Resistance Uniformity Evaluation by In-Line Four-Point Probe with the Dual-Configuration Procedure", 1997.
J. R. Ehrstein and M. C. Crparlom, NIST Special Publication 260-131, 1999. (The Certification of 100 mm Diameter Silicon Resistivity SRMs 2541 through 2547 Using Dual-Configuration Four-Point Probe Measurements.)
Masato YAMASHITA, "Resistivity Measurement by Dual-Configuration Four-Probe Method". The Japan Society of Applied Physics, Vol. 42, No. 2A, pp 695-699, February 2003.

상세보기
ISO "Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement", 1991.
EA-4/02, "Expression the uncertainty of measurement in calibration", 1999.
KRISS-99-079-ET, "측정불확도 평가 및 표현방법", 1999.

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