由于原理簡(jiǎn)單、精度高及操作簡(jiǎn)便，四探針?lè)ㄊ菧y(cè)試半導(dǎo)體材料電阻率或電導(dǎo)率的首選方法之一。薄膜技術(shù)和材料表面研究的深入以及納米器件和新型生物材料的出現(xiàn)，對(duì)四探針測(cè)試技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。為了與這些新技術(shù)及新材料研究相適應(yīng)，須將探針間距減小到微觀領(lǐng)域以獲得較高的空間分辨率和表面靈敏度。目前，借助于超高真空技術(shù)，MEMS 技術(shù)和各種顯微技術(shù)的發(fā)展，多種微觀四探針測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出，主要包括整體式微觀四點(diǎn)探針系統(tǒng)和獨(dú)立四點(diǎn)掃描隧道顯微鏡（STM）探針系統(tǒng)。前者的最小間距可以達(dá)到300 nm，后者則可以達(dá)到30 nm 。兩種儀器類(lèi)型都實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，Capres A/S 公司的間距為5 μm 四點(diǎn)探針和1.5 μm 的十二點(diǎn)探針是目前市場(chǎng)上探針間距最小的整體式微觀四點(diǎn)探針。

　　微觀四點(diǎn)探針技術(shù)是在傳統(tǒng)四探針測(cè)試基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的。1861 年湯姆森首次提出四探針測(cè)試原理，1999 年P(guān)etersen 等人最初開(kāi)發(fā)出微觀四點(diǎn)探針，現(xiàn)在微觀四點(diǎn)探針技術(shù)已日趨成熟，因具有較高的空間分辨率和測(cè)試精度，被廣泛用于半導(dǎo)體工業(yè)和材料科學(xué)領(lǐng)域。研究表明微觀四點(diǎn)探針甚至可用于霍爾效應(yīng)測(cè)量以表征硅或鍺的超淺半導(dǎo)體結(jié)的載流子遷移率、薄膜載流子密度及薄膜電阻等，其測(cè)試結(jié)果具有較高的靈敏度。此外，新型材料如導(dǎo)電有機(jī)薄膜和新型生物材料在表面科學(xué)與生物領(lǐng)域也許具有一些獨(dú)特而未知物理特性，通過(guò)研究他們的表面和界面電學(xué)特性我們也許可以預(yù)測(cè)其未來(lái)在實(shí)際產(chǎn)品中的應(yīng)用。

　　近年來(lái)，研究人員對(duì)于微觀四點(diǎn)探針測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并取得了很多成果。本文主要講述目前最為先進(jìn)的微觀四點(diǎn)探針技術(shù)，包括器件結(jié)構(gòu)，測(cè)試?yán)碚�、探針制備技術(shù)、以及微觀四點(diǎn)探針技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。

5、結(jié)論與展望

　　本文綜述了近年來(lái)微觀四點(diǎn)探針測(cè)試技術(shù)的研究進(jìn)展，介紹了微觀四點(diǎn)探針最新應(yīng)用以及目前出現(xiàn)的多種新型微觀四點(diǎn)探針系統(tǒng)。我們按微觀四點(diǎn)STM 探針和整體式微觀四點(diǎn)探針兩類(lèi)劃分，分析了每類(lèi)系統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)與工作原理。探針制備技術(shù)對(duì)于探針間距的減小有著至關(guān)重要的作用，本文詳細(xì)總結(jié)了各種四點(diǎn)探針的制備，發(fā)現(xiàn)對(duì)于進(jìn)一步減小探針間距，鍍層碳納米管是比較理想的材料之一，而聚焦離子束光刻是比較有潛力的加工方法。而提高探針壽命、實(shí)現(xiàn)樣品表面的無(wú)損檢測(cè)，則是微觀四點(diǎn)探針測(cè)試技術(shù)進(jìn)一步研究應(yīng)該考慮的主要問(wèn)題。措施可以從提高接觸力的控制和探針定位精度、適當(dāng)增加探針柔性、改變探針形狀及使探針與被測(cè)表面呈一優(yōu)化夾角等方面來(lái)解決。另外隨著探針間距的持續(xù)減小，還應(yīng)該考慮電遷移及熱效應(yīng)等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

　　對(duì)于微觀四點(diǎn)探針技術(shù)的進(jìn)一步研究，建議如下：①探針間距仍有下降空間，整體式微觀四點(diǎn)探針探針間距有望達(dá)到幾十納米的范圍。②鍍層碳納米管是制作納米四點(diǎn)探針的最佳材料，聚焦離子束光刻是制備整體式微觀四點(diǎn)探針的首選方法之一。③由于探針表面導(dǎo)電薄膜容易氧化，應(yīng)注意探針在測(cè)試前的清洗問(wèn)題。④可以用實(shí)驗(yàn)或理論模擬的方法研究各種測(cè)試模型在微觀四點(diǎn)探針測(cè)試中的特點(diǎn)，如用ANSYS軟件分析雙電測(cè)法或一些改進(jìn)方法的測(cè)試精度，以及溫度等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。⑤在用掃描電鏡或其它電子儀器作為微納探針系統(tǒng)的輔助觀測(cè)設(shè)備時(shí)，應(yīng)考慮電子束對(duì)待測(cè)樣品表面電學(xué)特性的影響。

　　【作者】 李建昌； 王永； 簡(jiǎn)曉慧； 巴德純；

　　【Author】 LI Jian-chang,WANG Yong,JIAN Xiao-hui,BA De-chun(Vacuum and Fluid Engineering Research Center,School of Mechanical Engineering and Automation,Northeastern University,Shenyang 110004,China)

　　【機(jī)構(gòu)】 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院真空流體工程研究中心；

　　【摘要】 四探針?lè)ㄊ遣牧蠈W(xué)及半導(dǎo)體行業(yè)電學(xué)表征的常用方法。隨著微電子器件尺度持續(xù)減小,新型納米材料研究不斷深入,須將探針間距控制到亞微米及其以下范疇才能獲得更高的空間分辨率和表面靈敏度。近年來(lái)研究人員借助顯微技術(shù)開(kāi)發(fā)出兩類(lèi)微觀四點(diǎn)探針測(cè)試系統(tǒng),即整體式微觀四點(diǎn)探針和獨(dú)立四點(diǎn)掃描隧道顯微鏡探針系統(tǒng),隨著現(xiàn)代微加工技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前探針間距已縮小到幾十納米范圍。本文綜述了微觀四點(diǎn)探針技術(shù)近年來(lái)的研究進(jìn)展,主要包括測(cè)試?yán)碚�、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與探針制備。其中,特別詳述了涉及探針制備的方法、技術(shù)及所面臨問(wèn)題,并展望了微觀四點(diǎn)探針研究的發(fā)展方向,并給出了一些具體建議。

　　【Abstract】 Four-point probe characterization is a usual method for studying the electrical properties of solids and thin films.The distance between tip and sample in four-point probe technique has to be reduced to sub-micro scale at least in order to obtain expected surface sensitivity and spatial resolution.Therefore,microscopic four-point probes(M4PPs) need to be combined with some microscopy techniques.Two types of M4PPs have been developed in the past few years,which are monolithic micro-four-point probes and four-point scanning tunneling microscopy probes.In this paper,we review the latest development of M4PPs from aspects of system construction,probe structure and test theories.The approaches of probe preparation are discussed in detail.Probe life and sample surface damage are another two big challenges for the microscopic four-point probe technique.To deal with such problems,flexible cantilevers can be used as the probe by keeping a certain angle to the sample surface.

　　【關(guān)鍵詞】 四探針； 微觀四點(diǎn)探針； 探針制備； 表面電導(dǎo)率；

　　【Key words】 four-point probes； microscopic four-point probes； probe preparation,surface conductivity；

　　【基金】 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(N090403001)