一种高温超高精密电输运测试系统及其测试方法与流程

1.本发明属于材料电学性能测试的技术领域，具体而言，涉及一种高温超高精密电输运测试系统及其测试方法。


背景技术：

2.在电子学系统中，氧化硅(sio2)介质膜是cmos器件和bjt器件的重要组成分，由于其高阻特性使得在绝缘和隔离外电路等方面具有重要作用。电子器件中使用的sio2介质膜往往存在很多缺陷，如氧缺陷、硅悬挂键等。将sio2放在h2中钝化，通过形成si-h键可以消除硅悬挂键，但si-h的断裂程度以及sio2介质膜本身的电学特性会严重影响器件的性能。因此，通过电输运测试系统来分析sio2等高阻材料的内部结构，如si-h键断裂时间、载流子迁移率和漂移速度等性能，具有重要意义。
3.常规的电学特性包括vi曲线、充放电性能和霍尔性能等，在低阻下这些性能容易得到。但在高阻材料中，如sio2介质膜电阻率为10
14
ω
·
cm，对厘米尺度的氧化硅膜施加1v电压时，测试电流可达10fa量级，且常温或高温条件下的热噪声电流可能远超过该量级。
4.因此，构建一种噪声电流＜10fa，测试电流能达到10fa-1000fa的超高精密电输运测试系统，对于研究高阻材料的电学特性成为必不可少的关键技术。


技术实现要素：

5.鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种高温超高精密电输运测试系统及其测试方法以达到在高真空环境下的测试结果达到10fa量级且测试结果的数据稳定可靠，同时，能实现测试不同温度点以及变温条件下高阻样品电学性能的目的。
6.本发明所采用的技术方案为：一种高温超高精密电输运测试系统，该测试系统包括：
7.真空腔体，所述真空腔体内置放有待测样品；
8.与真空腔体连通的真空系统，通过该真空系统对真空腔体抽真空并维持真空状态；
9.测试系统，所述测试系统与待测样品连接成测试电路，且测试电路的测试电流达到10fa-1000fa量级。
10.进一步地，所述真空腔体内设有样品台，样品台的表面设为无氧铜片，且无氧铜片与真空腔体的侧壁间为绝缘状态，以避免待测样品产生噪声电流。
11.进一步地，所述真空系统包括：
12.抽真空单元，所述抽真空单元与所述真空腔体连通，并通过抽真空单元对真空腔体的内部抽真空；
13.与所述真空腔体连通的冷吸附泵，并通过冷吸附泵对真空腔体的内部维持真空状态；
14.其中，所述冷吸附泵与抽真空单元不同时连通至所述真空腔体的内部，真空系统的一部分为机械泵和冷吸附泵，另一部分为冷吸附泵，先用机械泵和分子泵抽到一定真空后，关闭该部分与真空腔体间的连接管道，打开冷吸附泵部分真空系统与真空腔体的连接管道，通过冷吸附泵维持系统高真空状态。
15.进一步地，所述抽真空单元包括机械泵和分子泵，所述机械泵和分子泵通过一三岔管道连通至真空腔体，且该三岔管道上设有手动阀门，采用手动阀门关闭，相较于使用电动阀门，是为了减少噪声。
16.进一步地，所述测试系统包括：
17.主机；
18.与主机电性连接的测试电源；
19.与主机电性连接的测试仪表；
20.其中，所述测试电源、待测样品和测试仪表串联成闭环电路。
21.进一步地，所述测试电源的正极通过航空插头连接至待测样品，测试仪表的正极通过高压同轴连接至待测样品，且高端同轴与真空腔体的侧壁之间设有绝缘层；
22.其中，所述测试电源的负极和测试仪表的负极均连接至真空腔体的侧壁，且真空腔体的侧壁接地，将真空腔体和低端接地，避免电荷累积影响测试结果；
23.采用上述连接方式，能够优化噪声环境，同时，高端同轴与导线之间采用超高噪声信号屏蔽端子进行连接，也有利于噪声的降低。
24.进一步地，所述测试电源设为恒压电源，在高阻测量中使用恒压源模式，能进一步降低噪声，且测试电源的电压源表和测试仪表均采用静电计，以分别进行电压和电流测量。
25.进一步地，所述主机上装载有labview软件，通过labview软件编译测试控制程序。
26.在本发明中还提供了一种高温超高精密电输运测试方法，该测试方法包括：
27.s1：将待测样品放置在真空腔体内的样品台上，并将待测样品接入测试电路中；
28.s2：开启真空系统的抽真空单元，通过抽真空单元对真空腔体内抽真空；
29.s3：关闭真空系统中的抽真空单元，开启真空系统中的冷吸附泵，通过冷吸附泵将真空腔体维持高真空状态；
30.s4：开启测试系统，根据测试需求设置测试温度，并测试待测样品的电学性能；
31.该测试方法的优点在于：可较长时间维持系统高真空，测试结果达到fa量级，可测试不同温度点以及变温条件下的高阻样品电学性质。
32.进一步地，所述s4的测试过程包括：
33.s401：通过测试系统加载测试软件；
34.s402：由测试软件开启测试电路并根据测试需求对待测样品施加测试电压，记录待测样品的测试电流；
35.s403：由测试软件生成测试结果表；
36.整个测试过程通过软件控制测试程序实现，能降低人为测试时带来的噪声和振动影响。
37.本发明的有益效果为：
38.1.采用本发明所提供的高温超高精密电输运测试系统，其通过改进的真空系统，可实现将样品的测试环境较长时间维持在高真空状态，避免了在常温或高温条件下的热噪
声电流，进而可确保高阻材料样品的测试结果达到fa量级且测试过程得到的数据稳定可靠。
39.2.采用本发明所提供的高温超高精密电输运测试方法，整个测试过程是通过labview软件编程获取控制程序，可测试不同温度点以及变温条件下的高阻材料样品的电学性能，同时，通过软件控制测试程序，降低了因人为测试时带来的噪声和振动影响。
附图说明
40.图1是本发明所提供的高温超高精密电输运测试系统的整体结构布置示意图；
41.图2是本发明所提供的高温超高精密电输运测试系统中测试电路的原理示意图；
42.图3是本发明所提供的高温超高精密电输运测试方法中所产生的测试结果表；
43.附图中标注如下：
44.1-真空腔体，2-样品台，3-待测样品，4-高端同轴，5-绝缘层，6-航空插头，7-接地端，8-真空系统，9-屏蔽铁柜。
具体实施方式
45.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。相反，本技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
46.实施例1
47.在本实施例中提供了高温超高精密电输运测试系统，旨在通过该测试系统最大限度规避常温或高温条件下的热噪声电流，实现对高阻材料的测试电流能达到10fa-1000fa。
48.具体的，如图1所示，该测试系统包括以下几个部分：真空腔体1、真空系统8以及测试系统，在所述真空腔体1内置放有待测样品3，真空腔体1可由不锈钢罐制成，在真空腔体1内设有样品台2，优选的，样品台2位于真空腔体1的中心。在样品台2的表面设为无氧铜片，且无氧铜片与真空腔体1的侧壁间为绝缘状态，进而避免在待测样品3与真空腔体1的侧壁之间产生噪声电流。
49.而真空系统8与真空腔体1之间连通，并通过该真空系统8对真空腔体1抽真空并维持真空状态，真空系统8包括抽真空单元和冷吸附泵两部分，一方面，将抽真空单元与所述真空腔体1连通，并通过抽真空单元对真空腔体1的内部抽真空，以达到在真空腔体1内形成高真空；另一方面，将冷吸附泵与所述真空腔体1之间连通，并通过冷吸附泵对真空腔体1的内部维持真空状态，以满足后续的待测样品3噪声需求。
50.为满足上述的功能需求，需确保冷吸附泵与抽真空单元不同时连通至所述真空腔体1的内部，具体的，抽真空单元包括机械泵和分子泵，所述机械泵和分子泵通过一三岔管道连通至真空腔体1，且该三岔管道上设有第一手动阀门，由机械泵和分子泵组成“分子泵-机械泵”双级泵真空系统8，其抽真空的工作原理为现有技术，此处不在赘述。在实际应用时，分子泵采用kyky型分子泵，机械泵采用干泵。
51.以冷吸附泵保真空单元并对真空腔体1内维持高真空状态，且冷吸附泵与真空腔
体1之间的连通管道上设有第二手动阀门。在抽真空时，第一手动阀门打开且第二手动阀门关闭；在抽真空完毕后，第一手动阀门关闭且第二手动阀门打开，并开启冷吸附泵对真空腔体1进行维持高真空状态。其中，冷吸附泵是通过活性物质(分子筛)吸附气体分子从而维持高真空的一种装置，通过手动阀门控制开关，是真空系统8的一部分。和机械泵、分子泵相比，无噪声，可以极大程度降低外界震动对测试的影响。
52.为避免由于人为因素产生外界噪音和振动，该测试系统在执行测试过程时，采用测试软件来实现。测试系统包括：主机、测试电源和测试仪表，所述测试电源、待测样品3和测试仪表串联成闭环电路，在实际应用时，闭环电路中的导线采用锡箔纸进行包裹，以优化达到近乎无噪声的状态。
53.具体的，在主机上装载有labview软件，通过labview软件编程写入测试控制程序。如图2所示，以恒压电源作为测试电源，测试电源的正极通过航空插头6连接至待测样品3，测试电源的负极连接至真空腔体1的侧壁，且真空腔体1的侧壁接地；同时，在测试电源的两端接入电压源表，电压源表与主机之间电连接并通过电压源表测量测试电源的电压值，以静电计作为电压源表。以静电计作为测试仪表，测试仪表的正极通过高压同轴连接至待测样品3，且高端同轴4与真空腔体1的侧壁之间设有绝缘层5，测试仪表的负极连接至真空腔体1的侧壁，且真空腔体1的侧壁接地。在实际应用时，采用6517b静电计，同时，将静电计放在全封闭的屏蔽铁柜9中以屏蔽电磁信号。
54.通过上述的测试电源、测试仪表以及待测样品3连接成测试电路，在测试控制程序的操控下，能实现对待测样品3的测试电流达到10fa-1000fa量级。
55.实施例2
56.在实施例1所提供的高温超高精密电输运测试系统之基础上，在本实施例中具体提供了一种高温超高精密电输运测试方法，该测试方法包括：
57.s1：将待测样品3放置在真空腔体1内的样品台2上，以使待测样品3处于高真空状态的环境下，本实施例中，以超高阻样品(薄膜、块材)作为待测样品3，如：sio2薄膜。再将待测样品3接入测试电路中，待测样品3的一端与测试电源的正极接通，另一端与测试仪表的负极接通，以此，能够在待测样品3的两端施加电压；
58.s2：开启真空系统8的抽真空单元，通过抽真空单元中的机械泵和分子泵所组成的双级真空系统8对真空腔体1内抽真空，直至达到测试所需的真空要求；
59.s3：关闭真空系统8中的抽真空单元且同时关闭第一手动阀门，开启真空系统8中的冷吸附泵且同时开启第二手动阀门，通过冷吸附泵将真空腔体1维持高真空状态；
60.s4：开启测试系统，根据测试需求设置测试温度，先静置降噪8h以上，待系统噪声降至低于10fa量级时，测试待测样品3的电学性能。
61.所述s4中测试待测样品3电学性能具体包括：
62.s401：通过测试系统加载测试软件，测试软件的运行逻辑则通过labview软件编译而成；
63.s402：由测试软件开启测试电路并根据测试需求对待测样品3施加测试电压，记录待测样品3的测试电流；该测试过程的逻辑为：
64.①
根据待测样品3的测试需求，启动恒压电源对待测样品3施加1v的电压，同时，由恒压电源上连接的静电计将电压测量值反馈给主机；在实际应用时，还可根据实际需求，在
待测样品3上施加5v、10v、50v以及100v的电压；
65.②
以另一静电计作为测试仪表，该静电计测量待测样品3的电流，在本测试方法的基础上，此时，测试环境的噪声可降至低于10fa量级，进而测得待测样品3的电流为10fa量级。
66.s403：由测试软件生成测试结果表，如图3所示。该测试方法适用10^15ω量级以下的样品，均可对电学性质进行有效测试，且测试电流能达到10fa量级。
67.需要说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
68.应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
69.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
70.此外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
71.上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
72.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。