[发明专利]一种纳米级绝缘薄膜电压-电流特性测量系统

说明书

本发明揭示了一种纳米级绝缘薄膜电压‑电流特性测量系统，其中导电测试探针由金属探针针套、铜质丝线、微铟球构成，金属探针针套的内部孔径与铜质丝线的直径相匹配，使得铜质丝线恰好穿过金属探针针套而不晃动；铜质丝线的长度大于金属探针针套的长度，使得铜质丝线穿过金属探针针套仍然有一部分露出金属探针针套外；铜质丝线穿过金属探针针套，金属探针针套的尾端使用机械夹具施压后压扁使得铜质丝线固定在金属探针针套中不会滑出；铜质丝线露出金属探针针套的一端，焊有微铟球，在测试时，微铟球与纳米薄膜的电极相接触；导电测试探针的一端以倾斜方式固定在探针夹持器中，露出金属探针针套外的铜质丝线在微铟球的重力作用下能保持形状不下弯。

技术领域

本发明涉及一种纳米级绝缘薄膜电压-电流特性测量系统。

背景技术

纳米薄膜是指由尺寸为纳米数量级(1～100nm)的附着于基体所形成的薄膜材料，它兼具传统复合材料和现代纳米材料二者的优越性。在各种高绝缘性纳米薄膜材料的研究与应用中，经常需要测试和掌握纳米薄膜的漏电流特性，即电压-电流特性曲线。

然而，对于1～100nm这种厚度的纳米薄膜的电学性质测量，存在着种种困难：

由于纳米薄膜的厚度极薄，力学强度低，抗刺抗压能力差，传统的探针台在使用探针接触纳米薄膜的电极时，经常会由于针尖刺破电极和纳米薄膜材料，导致电学性质经常测量失败。为了避免测试时探针台的探针刺破薄膜，也有厂商推出了一些针管内置微型弹簧的具有弹性的测试探针，这种探针可使得探针在接触、刺压薄膜时，由于微型弹簧能提供一定的弹性行程从而减轻针尖对薄膜的损伤。然而，这种测试探针，尽管其具备一定的弹性，但通常也只适用于微米级、亚微米级厚度的薄膜，对于1～100nm这种厚度的纳米薄膜，尤其是几十纳米至几纳米厚度的薄膜，其厚度仅仅为数十个原子层的厚度，这种内置微型弹簧的弹性测试探针仍然显得力不从心，仍然经常会刺破纳米薄膜、或刺入薄膜内部，使得薄膜的电学性质测量十分困难。

国外也有仪器厂家提供针对于这种纳米薄膜电学测量的探针台，如以美国EG公司为代表的平面电机型x-y工作台(又叫磁性气浮工作台)自动探针测试台和以日本及欧洲国家生产的采用精密滚珠丝杠副和直线导轨结构的x-y工作台型自动探针测试台。然而这些探针台结构十分复杂和精密，价格特别昂贵，难以操作和维护，并且高端型号限制出口。

探针是电测试的接触媒介，为高端精密型电子五金元器件。微电子测试探针：即晶圆测试或芯片IC检测探针，核心技术还是掌握在国外公司手中，国内生产厂商积极参与研发，但只有一小部分成功生产。一般是为少数做大型测试机台的客户定做的，例如泰瑞达(Teradyne)和安捷伦(Agilent)。

现有的探针只能用于微米、亚微米级厚度的薄膜，不能用于纳米薄膜。

另外，大多数纳米级绝缘薄膜的漏电流极其微弱，一般为数十fA(10^-15A)至数十pA(10^-12A)，对于杂质含量高、绝缘性很差的电介质薄膜，其漏电流一般也仅仅为nA(10^-9A)量级。对于这样的微弱电流信号，测量电流无法直接进行测量，想要准确测量绝缘薄膜的漏电流特性即电压-电流特性曲线，常规结构的放大电路无能为力。

在本申请的另一同日申请中，我们提出了一种解决方案，但在该方案中，采用了较多的分立元件和两个运算放大器，在实际应用中，这样的技术方案仍然存在一些不足：

采用分立元件搭建电路，集成度不高，调试电路带来种种困难，设计成本较高，系统的可靠性还有待提高。并且，在采用分立元件时，由于各种电阻、电容的值均具有分散性，即使标称值相同的电阻或电容，其值也会相差20-5％，在测量系统生产时，需要对这些元件进行精挑细选，调试工作繁重易错。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种纳米级绝缘薄膜电压-电流特性测量系统，可准确测量1～100nm这种厚度的纳米薄膜的漏电流特性即电压-电流特性曲线。