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這些困難可以通過結(jié)合Keithley的4200-SCS半導體表征系統(tǒng)與先進的納米操作系統(tǒng)，如Zyvex S100納米探針臺（如圖1所示）來消除。這種組合提供了5nm的運動精度，探針尖端直徑小于20nm，目前的測量能力優(yōu)于1pA。
圖1：Keithley的4200-SCS半導體表征系統(tǒng)和Zyvex S100納米驅(qū)動器
方法和技術(shù)
不像宏觀和微觀組件和材料的通用測量和I-V曲線，分子線和碳納米管的測量需要的注意事項和技術(shù)更多。通用電阻測量和I-V曲線的生成通常使用兩線法電測量技術(shù)。當要測量相對較低的電阻時（分子線、半導體納米線和碳納米管的情況一樣），或者當探針或觸點的電阻相對較高時，四線探針法的測試結(jié)果更準確。
兩線法測試理論
為了確定一個電阻，使用歐姆定律：R=V/I。一個已知的電流來流過未知的電阻，測量跨越電阻產(chǎn)生的電壓，然后通過將測量的電壓除以源電流來確定電阻。當使用雙線法測試時出現(xiàn)的一個問題是，電壓不僅通過電阻進行測量，整個測量值還包括導線和觸點的電阻（見圖2）。當使用歐姆表來測量大于幾千歐姆的電阻時，這個增加的電阻通常不是一個問題。然而，當測量納米級材料或組件上的低電阻時，或當接觸電阻可能很高時，用雙線測量獲得準確的結(jié)果可能是一個問題。
圖2：兩線法測試
四線法測試理論
解決兩線測量導線和接觸電阻的方法是用四線或“開爾文”測量。通過開爾文測量，第二組探針用于感測信號，這些探頭中的電流可忽略不計；因此，僅測量經(jīng)過DUT的電壓降（見圖3）。因此，電阻的測量或I-V曲線的生成更加準確。
圖3：四線法測試
四線法測試系統(tǒng)配置
將Keithley的4200-SCS半導體表征系統(tǒng)與Zyvex S100納米探針臺相結(jié)合，創(chuàng)建了一個自動化的儀器系統(tǒng)，用于對納米尺度和半導體器件、測試結(jié)構(gòu)和其他亞微米器件進行I-V和C-V表征。對于組合系統(tǒng)噪聲下限小于55fA，電流測量優(yōu)于1pA的情況很容易實現(xiàn)。
通過Keithley交互式測試環(huán)境（KITE），可以輕松、快速地配置和執(zhí)行測試。KITE是一個為半導體器件和材料設(shè)計和開發(fā)的應用程序，也適用于納米級器件。測試的源和測量功能由源測量單元（SMU）提供。碳納米管I-V測試的設(shè)置示例如圖4所示。圖5展示了使用Keithley4200-SCS、KITE和S100的碳納米管的I-V曲線。
Zyvex S100納米探針臺是一種用于微米和納米規(guī)模的研究和開發(fā)應用的探針臺。它可容納多達4個定位器（三維級），具有5nm的定位器分辨率，可以在掃描電子顯微鏡（SEMS）和聚焦離子束系統(tǒng)（FIBS）中捕獲、移動、測試和定位微米和納米量級的樣品。對于納米線或納米管上的四線測量，使用測試系統(tǒng)的四個探針臂。每個探針臂控制一個探頭。圖6展示了Keithley 4200-SCS與S100的連接。圖7展示了與碳納米管的實際接觸。
圖4：用Keithley 4200-SCS KITE應用程序測試碳納米管的I-V曲線設(shè)置
圖5：碳納米管上的I-V曲線
圖6：Keithley 4200-SCS和Zyvex S100測試示意圖
圖7：在S100探針上的碳納米管的掃描電鏡圖片
為了在納米級材料和導線上進行四線測量，在DUT的外部和內(nèi)部探頭連接到同一個源測量單元（SMU）。外部探頭連接到SMU上的force端，而內(nèi)部探頭連接到SMU上的sense端。Keithley 4200-SCS進行測試?！八木€”交互式測試模塊，可在KITE文件夾中找到，名為“雙線電阻器”，可用于生成I-V曲線的結(jié)果。這是一個預先配置的例程，如前面所述，使用四根電纜和兩個smu實現(xiàn)四點測量。也可以創(chuàng)建一個基于“two wire resistor”的項目，并使用一個看起來像碳納米管的圖，如圖4所示。
典型的錯誤來源
通過偏移電壓和噪聲源，可以在低壓和低電阻測量中引入顯著誤差，而這些誤差在測量較高的信號電平時通常會被忽略。下面討論可能影響低電壓和低電阻測量精度的因素。
偏移電壓
在理想情況下，當電壓表連接到一個沒有電壓存在的相對較低阻抗的電路時，它應該讀數(shù)為零。然而，電路中的一些誤差源可以被視為非零電壓偏移。這些源包括熱電電場、RFI（射頻干擾）整流產(chǎn)生的偏移量和電壓表輸入電路中的偏移量。穩(wěn)定偏移通?？梢酝ㄟ^短路測試導線的末端來消除零，然后使儀器的零（相對）特性。然而，請注意，抵消偏移漂移可能需要多次重新歸零，特別是在熱電電動電場的情況下。
熱電電壓
通過偏移電壓和噪聲源，可以在低壓和低電阻測量中引入顯著誤差，而這些誤差在測量較高的信號電平時通常會被忽略。下面討論可能影響低電壓和低電阻測量精度的因素。
偏移電壓
熱電電壓（熱電電動場）是低壓測量中常見的誤差來源。當電路的不同部分處于不同的溫度和由不同材料制成的導體連接在一起時，就會產(chǎn)生這些電壓。使用相同材料的電路，可以大限度地減少熱電電動勢的產(chǎn)生。
允許測試設(shè)備在恒定的環(huán)境溫度下加熱并達到熱平衡也使熱電電磁勢影響小。任何剩余的熱電電動勢，只要它相對恒定，都可以通過使用儀器零特征進行補償。為保持環(huán)境溫度恒定，設(shè)備應遠離陽光直射、排氣扇和類似的熱流或移動空氣源。絕緣泡沫（如聚氨酯）中的包裹連接也能大限度地減少由空氣運動引起的環(huán)境溫度波動。
在低溫下測量源存在特殊的問題，因為低溫恒溫器中的樣品和電壓表之間的連接通常由導熱系數(shù)低于銅的金屬制成，如鐵，它將不同的金屬引入電路。此外，由于源可能是接近0開爾文，而儀表是在300開爾文，有一個非常大的溫度梯度。通過匹配低溫恒溫器和電壓表之間的導線組成，并將所有不同的金屬結(jié)對保持在相同的溫度下，可以以良好的精度進行非常低的電壓測量。
非歐姆接觸
當非歐姆接觸點之間的電位差與流過它的電流不是線性比例時，非歐姆接觸點是明顯的。由于氧化膜或其他非線性連接，在低壓電路中可能發(fā)生非歐姆接觸。非歐姆連接很可能會糾正存在的射頻能量（RFI），導致電路中出現(xiàn)偏移電壓。有幾種方法來檢查非歐姆接觸點和一些方法來減少它們。
當使用微歐姆表、數(shù)字萬用表（DMM）或源-測量單元進行低電阻測量時，通過改變范圍來檢查非歐姆觸點。通過改變測量范圍，通常也會改變測試電流。正常情況下表示相同的讀數(shù)，但分辨率較高或較低，這取決于儀器是上升或下降的范圍。如果讀數(shù)有顯著差異，這可能表明存在非歐姆條件。
如果使用單獨的電流源和電壓表進行低電阻測量，則必須檢查每個儀器的非歐姆觸點。如果電流源觸點是非歐姆，當源極性反轉(zhuǎn)時，順應電壓可能有顯著異。如果電壓表觸點是非歐姆的，它們可以糾正任何交流小信號的存在，并造成直流偏移誤差。
為了防止非歐姆接觸，請選擇合適的接觸材料，如銦或金。確保合規(guī)電壓足夠高，以避免由于源接觸非線性引起的問題。為了減少由電壓表非歐姆觸點引起的誤差，通過使用屏蔽和適當?shù)慕拥貋頊p少交流干擾。
器件自熱
在對納米級器件或材料等溫度敏感器件進行電阻測量時，需要考慮器件自加熱。用于低電阻測量的測試電流通常比用于正常范圍內(nèi)電阻測量的電流要高得多，因此，如果功耗足以導致器件的電阻值發(fā)生變化，則可以考慮器件中的功耗。
電阻器中的功耗由公式為P=I2R。從這個關(guān)系中，我們可以看到，每次電流加倍時，器件中的功耗就增加4倍。因此，小化設(shè)備加熱的影響的一種方法是使用盡可能低的電流，同時在整個被測試的設(shè)備上仍然保持所需的電壓。然而，在許多情況下，測試電流是不可調(diào)的。例如，大多數(shù)微歐姆表和DMM都沒有設(shè)置測試電流的規(guī)定。在這些情況下，必須找到替代方法來減少設(shè)備加熱。一個簡單但有效的方法是在測量期間使用儀器的一次性觸發(fā)模式。在這種模式下，在測量周期中，儀器將只對DUT施加一個短暫的電流脈沖，從而大限度地減少設(shè)備加熱造成的誤差。keithley 4200-SCS中使用的源測量單元，提供了完整的可編程性，使其易于控制設(shè)備加熱。
被污染的探針
測試信號的完整性依賴于高質(zhì)量的探頭接觸，這與接觸電阻直接相關(guān)。隨著信號電壓降、接觸壓力的降低以及納米技術(shù)中新器件技術(shù)的研究，探針接觸電阻變得越來越重要。
在使用過程中，探針可能會被污染，導致測量誤差。探針尖端的磨損和由此產(chǎn)生的污染會導致接觸電阻的增加。提高探針尖端長期性能的佳方法是在測試方案中納入定期清洗程序。雖然定期清洗會影響測試產(chǎn)量，但清洗和收益必須與成本進行權(quán)衡。與清洗相關(guān)的一個主要成本因素是在探測臺停止服務時降低了測試吞吐量。另一個考慮因素是，清潔太少會對測試產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響。
你怎么知道這些探測器是臟的呢？下列任何一項都可能表明存在污染問題：
?探頭產(chǎn)生高接觸電阻。
?存在接觸電阻高的產(chǎn)量沉降物。
?重新探測并不會提高測試失敗率。
?目視（顯微鏡）檢查顯示探針尖端有顆?；蛲繉?。
通常，不正確的測量是第一個錯誤，重新扎針不會改
變故障率。用顯微鏡檢查探針尖端可以驗證診斷結(jié)果。請參考提供探頭公司提供的清潔建議。
測試系統(tǒng)安全
許多電氣測試系統(tǒng)或儀器都能夠測量或獲取危險的電壓和功率水平。在單一故障條件下（例如，編程錯誤或儀器故障），即使系統(tǒng)表明沒有危險存在，也有可能輸出危險水平。
這些高電壓和功率水平使操作人員在任何時候都要免受任何危險。
保護方法包括：
設(shè)計測試夾具，以防止操作員接觸到任何危險的回路。
確保被測設(shè)備完全封閉，以保護操作人員免受任何飛行碎片的傷害。
雙絕緣連接是操作員可以接觸到的所有電氣連接。雙絕緣確保操作者仍然得到保護，即使有一個絕緣層失效。當測試固定裝置罩打開時，使用高可靠性、故障安全的聯(lián)鎖開關(guān)斷開電源。
如果可能，請使用自動處理程序，使操作人員不需要訪問測試固定裝置的內(nèi)部，也不需要打開防護裝置。
為系統(tǒng)的所有用戶提供適當?shù)呐嘤?，使他們了解所有潛在的危險，并知道如何保護自己免受傷害。
測試系統(tǒng)設(shè)計人員、集成商和安裝人員的責任是確保操作人員和維護人員的保護到位和有效。
更多信息參考
有關(guān)二線和四線電阻測量、低壓測量和典型誤差源的更多信息，請參閱keitheley的低電平測量手冊。
結(jié)論
Keithely 4200-SCS半導體表征系統(tǒng)結(jié)合Zyvex測試系統(tǒng)是一種非常有效的納米器件I-V表征測量工具。該系統(tǒng)具有四點探針能力，1pA精度，和5nm精度移動，提供了一個獨特的特征組合，是理想的納米技術(shù)和半導體表征。
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