Four-point probe resistivity measurements on polycrystalline thin films and complex metallic alloy coatings

Abstract

Der Widerstand von dünnen Cu, Al, AlCu und AlCuFeB Schichten von unterschiedlicher Dicke wurde mit Hilfe eines Vierpunktmessgeräts von Jandel, einem Keithley Nanovoltmeter, einer Keithley Stromquelle und einer Computermessstation erfasst. Der spezifische elektrische Widerstand wurde mit Hilfe eines von der Geometrie abhängigen Korrekturfaktors bestimmt. Die dünnen Filme wurden auf ein Glassubstrat aufgebracht, welches vor der Beschichtung gar nicht, auf 400°C oder auf 500°C erhitzt wurde. Widerstandsmessungen ergaben, dass sich der spezifische elektrische Widerstand mit der Schichtdicke ändert. Je dünner die Schicht ist, umso höher wird der Widerstand. Das liegt daran, dass bei Erreichen von Schichtdicken, die unter der mittleren freien Weglänge der Elektronen liegt, die Elektronen häufiger gestreut werden. Bei Widerstandsmessungen von AlCu Schichten, die während des Beschichtungsprozesses erhitzt wurden und von AlCu Schichten, die während des Beschichtungsprozesses nicht erhitzt wurden, war der Unterschied des gemessenen spezifischen elektrischen Widerstandes sehr groß. Während dem Sputter-Prozess bildeten sich kristalline Strukturen auf dem Glassubstrat, welche die Leitung positiv beeinflussten. Im Weiteren wurde mit Hilfe eines Widerstandsimulationsprogramms die Korngrössen der Cu, Al und AlCu Schichten bestimmt, um mit einem Mayadas-Shatzke Fuchs-Sondheimer Fit festzustellen wie die Elektronen an den Korngrenzen gestreut werden.

The resistivity of thin Cu, Al, AlCu and AlCuFeB films with varying thickness was measured using a tungsten carbide tipped four-point probe from Jandel, a Keithley nanovoltmeter, a Keithley current source and a computer data collection program. The resistivity was obtained through a correction factor dependent on the sample geometry. The thin AlCu and AlCuFeB films were coated on glass substrates, which were heated to 400°C and 500°C before and during coating. The thin Al and Cu films deposited at room temperature were also coated on glass substrates. The resistivity measurements showed that sheet resistance and resistivity increased with decreasing film thickness. As soon as the thickness reaches the electron mean free path, the electrons are scattered more often and so the resistivity increases. Furthermore, the experiments showed a big difference in resistivity between AlCu films deposited at room temperature and AlCu films deposited at 400°C. A crystalline structure was formed because of the heating during the sputter process. This led to a lower resistivity of AlCu films that were deposited at 400°C. Additionally, with the help of a resistivity simulation program the grain sizes of Cu, Al and AlCu films were determined to use the Mayadas-Shatzke Fuchs-Sondheimer fit to find out how the electrons are scattered at grain boundaries.