激活能真空自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)

王廣才，趙廣澍，朱小峰，胡鵬飛，歐 琳，王玉芳，彭文博，張曉丹

（1.南開(kāi)大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所 天津市光電子薄膜器件與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 光學(xué)信息技術(shù)和科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071；2.南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，天津 300071；3.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

激活能真空自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)

王廣才1，趙廣澍1，朱小峰1，胡鵬飛1，歐 琳1，王玉芳2，彭文博3，張曉丹1

（1.南開(kāi)大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所 天津市光電子薄膜器件與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 光學(xué)信息技術(shù)和科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071；2.南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，天津 300071；3.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

為提高激活能測(cè)量的精度，采用全封閉金屬鐘罩避免光的干擾，用環(huán)形包覆加熱腔和保溫隔熱盒的方法測(cè)量溫度，在自然冷卻時(shí)測(cè)量電流來(lái)避免交流信號(hào)對(duì)弱信號(hào)的干擾，采用吉時(shí)利K617靜電計(jì)獲得了8 fA的測(cè)量精度。通過(guò)PLC和LabVIEW軟件編程，實(shí)現(xiàn)了激活能真空測(cè)試的自動(dòng)控制，不重復(fù)性小于2%，并給出了部分材料的激活能測(cè)試值。

真空；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；激活能

0 引言

激活能是反映材料電導(dǎo)隨溫度變化的關(guān)系，是表征材料電學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)，如a-SiN:H[1]，CdS[2-3]、HgTe[4]、SrTiO3[5]、a-SiGe:H 和μc-Si:H 等薄膜材料，需要通過(guò)測(cè)量材料的激活能，來(lái)判斷材料的電性能。在硅基薄膜太陽(yáng)電池的研究中，微晶硅材料的激活能影響著微晶硅太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓和填充因子，是獲得器件質(zhì)量級(jí)微晶硅材料和進(jìn)一步提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)化效率的重要參數(shù)[6-7]，通過(guò)調(diào)節(jié)材料的制備工藝，進(jìn)一步提高材料的性能，從而獲得更高性能的器件。

國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展激活能測(cè)量設(shè)備研發(fā)的單位有南開(kāi)大學(xué)[8]，隨后有浙江大學(xué)[9]、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所[10]、汕頭大學(xué)[11]、濱州學(xué)院[12]、蘭州大學(xué)[13]、南京航空航天大學(xué)[14]等，這些單位自行研發(fā)和搭建了激活能測(cè)試系統(tǒng)。

早期的測(cè)試系統(tǒng)，一邊測(cè)量電流，一邊用220 V交流電加熱樣品，交流信號(hào)會(huì)干擾弱信號(hào)的測(cè)量。文章采用先加熱到高溫，然后在自然降溫過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)關(guān)閉加熱電源，同時(shí)將加熱線圈短路，這樣可以有效降低交流信號(hào)的干擾，提高測(cè)量精度。采取合理的設(shè)計(jì)和措施，有效解決了激活能測(cè)試系統(tǒng)存在的問(wèn)題，采用PLC和LabVIEW程序控制，完成了激活能真空測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)控制，有效提高了測(cè)量的精度、重復(fù)性、可靠性和耐用性。

1 激活能測(cè)試原理

薄膜材料的激活能測(cè)試，一般采用共面電極、給定電壓測(cè)量電流的方式得到電阻值，然后計(jì)算材料的電導(dǎo)率。如圖1所示，兩個(gè)電極間的距離為材料長(zhǎng)度L，電極寬度為材料的寬度W，材料厚度為d，則材料的電導(dǎo)率σ可表示為式（1）：

式中：V為兩共面電極之間的電壓，測(cè)量得到電流I，則可計(jì)算出電導(dǎo)率σ。材料的電導(dǎo)率σ與溫度T的關(guān)系如式（2）：

式中：σ0為材料的最小金屬電導(dǎo)率；T為溫度，K；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380 658×10-23J/K；Ea為電導(dǎo)激活能。

圖1 共面電極結(jié)構(gòu)及激活能測(cè)試電路示意圖Fig.1 Coplanar electrode and test circuit of activation energy schematic diagram

由式（2）可得式（3）：

測(cè)量不同溫度T時(shí)材料的電導(dǎo)率σ，以logσ和1 000/T分別為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，按照式（3）做直線擬合，根據(jù)公式y(tǒng)=A+Bx，可以得到截距A和斜率B，由此可得：

由式（4）可求出材料的電導(dǎo)激活能Ea；由式（5）可求出材料的最小金屬電導(dǎo)率σ0。

根據(jù)激活能的測(cè)試原理，針對(duì)激活能真空測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度的提高，以及測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)性、可靠性和耐用性方面的改善，做了一些有效工作，下面分別予以說(shuō)明。

2 提高測(cè)試系統(tǒng)的性能

2.1 提高測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度

2.1.1 暗態(tài)測(cè)量

太陽(yáng)電池研究中制備的部分薄膜材料屬于光敏材料，雜散光對(duì)激活能的測(cè)試影響比較大，為了避免雜散光的影響，需要在暗室內(nèi)進(jìn)行避光測(cè)試。部分單位搭建的測(cè)試系統(tǒng)，為了增加系統(tǒng)測(cè)量材料光電導(dǎo)的功能，在真空室外面加一個(gè)光源，光通過(guò)真空室上的玻璃窗照射到樣品上進(jìn)行光電導(dǎo)的測(cè)量。測(cè)量材料的暗態(tài)電導(dǎo)時(shí)，將光源關(guān)閉，玻璃窗用不透光的材料遮擋住。還有部分單位，采用玻璃鐘罩，在玻璃鐘罩外面套一個(gè)金屬桶進(jìn)行遮光處理。這些方法往往無(wú)法將光完全遮擋住，造成雜散光的泄露，影響光敏感材料電導(dǎo)激活能的測(cè)試精度。采用金屬制備真空鐘罩，并且不開(kāi)玻璃窗，這樣完全避免了雜散光對(duì)激活能測(cè)試的影響，提高了測(cè)量精度。

2.1.2 交流信號(hào)干擾的消除

部分薄膜材料的電阻率很大，電阻值高達(dá)1×1013～1×1015Ω，采用恒定電壓測(cè)量電流的方法，電流很小，若偏壓為50 V時(shí)，電流信號(hào)為1×10-12～1×10-14A，屬于弱信號(hào)測(cè)量。為此選用吉時(shí)利K617靜電計(jì)，其最小分辨率可達(dá)0.1 fA（1×10-16A）。

早期的測(cè)試系統(tǒng)采用降溫過(guò)程中測(cè)量電流信號(hào)的方法，因保溫效果差，在一個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)量時(shí)，為了保持樣品的溫度，需要在加熱電阻絲上通過(guò)220 V的交流電加熱樣品，這樣就產(chǎn)生了交流干擾信號(hào)，尤其是在較低的溫度點(diǎn)測(cè)量時(shí)，由于電阻大、電流小，受到干擾的K617靜電計(jì)讀數(shù)非常不穩(wěn)定。為了消除交流信號(hào)的干擾，先接通220 V交流電，將樣品加熱到設(shè)定的最高溫度，在此溫度下保持40 min，再斷開(kāi)交流電源，并將電阻絲短路，在樣品自然冷卻的過(guò)程中開(kāi)始測(cè)量，測(cè)試過(guò)程中不再加熱，這樣就避免了測(cè)量過(guò)程中交流信號(hào)的干擾。金屬鐘罩和真空工作平臺(tái)組成一個(gè)屏蔽空間，隔離了外界雜散信號(hào)的干擾。同時(shí)采用三同軸線纜，很好的屏蔽了交流信號(hào)的干擾。

2.1.3 增加電壓和薄膜厚度提高激活能測(cè)量精度

雖然K617靜電計(jì)具有很小的電流分辨率，但是用給定偏壓測(cè)電流的方法，當(dāng)材料的電阻率很高，電阻值很大時(shí)，通過(guò)的電流會(huì)很小，這樣會(huì)超過(guò)K617電流測(cè)量的范圍，并且測(cè)量非常小的電流，所需要的測(cè)試環(huán)境也非常苛刻，不容易測(cè)量準(zhǔn)確。為了提高高阻材料的電導(dǎo)率測(cè)量精度，可以通過(guò)提高偏置電壓的方法來(lái)增大電流信號(hào)，但是在真空環(huán)境下，若電極距離較小，電壓較高時(shí)，很容易產(chǎn)生真空放電。為了防止放電，一般設(shè)定系統(tǒng)的默認(rèn)偏壓為50 V。

根據(jù)歐姆定律，在恒壓情況下，可通過(guò)降低材料的電阻值來(lái)增大電流。材料的電阻R=ρL/Wd，可以通過(guò)增大材料的寬度W和厚度d，減小材料的長(zhǎng)度L來(lái)減小材料的電阻R。薄膜材料用掩膜法蒸鍍鋁電極，材料的寬度W和長(zhǎng)度L由掩膜模具的尺寸所決定，要增加材料的寬度W和減小材料的長(zhǎng)度L，則需要修改或更換模具。文章所制備的電極間距，材料長(zhǎng)度L=550 μm，已經(jīng)很小，已沒(méi)有進(jìn)一步減小的空間。另外，材料寬度W=16 mm，進(jìn)一步增加的空間也很小，所以增加薄膜材料的厚度d是降低高阻材料電阻值的有效方法。通過(guò)提高電壓和增大薄膜厚度，可以有效提高激活能的測(cè)量精度。

2.2 提高測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)性

2.2.1 采用相同的測(cè)試環(huán)境

在ZDO-53B型熱偶真空計(jì)上增加一組模塊，此模塊可以控制兩個(gè)繼電器輸出。設(shè)置其中一個(gè)繼電器1的導(dǎo)通條件為1 Pa，當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)的真空度達(dá)到1 Pa時(shí)，繼電器1常開(kāi)端閉合，繼電器1常開(kāi)端的輸出與PLC的輸入端I13連接，LabVIEW采集到這個(gè)信號(hào)后，控制PLC接通可編程溫控儀的負(fù)載電源，控制溫控儀依照程序加熱樣品。在此過(guò)程中，若真空度低于5 Pa，則繼電器1常開(kāi)端斷開(kāi)，常閉端閉合，繼電器1常閉端的輸出與PLC的輸入端I14連接，LabVIEW采集到這個(gè)信號(hào)后，會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，若1 min后仍保持這個(gè)報(bào)警狀態(tài)，則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)。通過(guò)這種方法保證了系統(tǒng)每次測(cè)試均是在1～5 Pa的真空度環(huán)境下完成加熱、測(cè)量工作，提高了系統(tǒng)的重復(fù)性。

2.2.2 采用相同的測(cè)試方法

吉時(shí)利K617靜電計(jì)的電壓建立、電流測(cè)量所需的最大時(shí)間為780 ms，小信號(hào)前置放大器建立所需的最大時(shí)間為2 s。根據(jù)617靜電計(jì)的規(guī)格，采用LabVIEW編程，自動(dòng)設(shè)置和完成輸出電壓、測(cè)量擋位、量程、零點(diǎn)檢查、零點(diǎn)校準(zhǔn)、靜電消除和延時(shí)時(shí)間，保證測(cè)試過(guò)程嚴(yán)格按照617靜電計(jì)的規(guī)格和相同的過(guò)程完成。在每個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)量3次，3次測(cè)量的平均值作為測(cè)試結(jié)果保存。通過(guò)這些方法，提高了測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)性。

2.3 提高測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和耐用性

2.3.1 鐘罩橡膠密封圈和真空工作平臺(tái)防劃、防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鐘罩上面加工燕尾槽，將真空密封橡膠圈鑲嵌在燕尾槽內(nèi)，以此來(lái)密封真空。鐘罩取下來(lái)后，放置在工作平臺(tái)上，真空橡膠圈會(huì)直接與工作平臺(tái)接觸。工作平臺(tái)上若有銳利物品，如刀片、玻璃碎屑等物，會(huì)將橡膠圈劃傷；若有頭發(fā)絲、碎紙屑、細(xì)小的金屬絲或塵埃等物，會(huì)黏附在橡膠圈上，這些情況都會(huì)影響到真空室的真空密封性。為了防止鐘罩使用過(guò)程中損壞橡膠圈，保證真空密封性，在設(shè)計(jì)和加工鐘罩時(shí)，在鐘罩的外圍加工一圈凸臺(tái)，如圖2所示，（a）為鐘罩整體結(jié)構(gòu)圖；（b）為局部放大圖，這樣鐘罩放置在工作平臺(tái)上時(shí)，橡膠圈就不會(huì)接觸到工作平臺(tái)，起到防止劃傷的作用。

圖2 鐘罩橡膠密封圈防劃結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The bell structure with scratch-proof for the rubber sealing ring schematic diagram

同樣，真空系統(tǒng)的真空工作面平臺(tái)上不可避免會(huì)落下顆粒、灰塵等異物，這些異物會(huì)通過(guò)真空管道進(jìn)入到真空系統(tǒng)中。若進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械真空泵中，異物會(huì)研磨機(jī)械泵的刮片；若進(jìn)入威爾遜密封圈，則會(huì)研磨密封軸，進(jìn)而影響到真空密封，造成真空度的下降，甚至?xí)p壞真空泵。如圖3所示，在真空管道的周?chē)庸ひ蝗ν蛊?，可有效防止顆粒、灰塵等異物落入真空系統(tǒng)中。另外，真空工作平臺(tái)周邊的真空密封面比真空工作平臺(tái)平面低一些，可以防止異物劃傷真空密封面。這些設(shè)計(jì)看似不起眼，但是非常有效，保證了真空系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，減少了大量的維修、維護(hù)工作。

圖3 真空工作平臺(tái)防塵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Dustproof with vacuum work platform schematic diagram

2.3.2 真空加熱、隔熱保溫和測(cè)溫設(shè)計(jì)

測(cè)試過(guò)程中需要測(cè)量樣品的表面溫度。早期測(cè)量樣品表面溫度的方法，是將熱偶絲彎曲變形，將熱偶絲與薄膜材料接觸，利用熱偶絲的彈性保持與材料的接觸來(lái)測(cè)溫。由于熱偶絲沒(méi)有被完全固定，熱偶絲在真空中被加熱，會(huì)隨著溫度的升高而產(chǎn)生熱形變，變形后會(huì)脫離開(kāi)樣品的表面，造成測(cè)溫不準(zhǔn)。

真空環(huán)境下，熱量的傳遞主要是靠接觸熱傳導(dǎo)和輻射傳熱這兩種方式，若高低溫物體不接觸，則熱量傳遞主要是輻射傳熱，此時(shí)高低溫物體的溫度會(huì)相差幾十到上百攝氏度。在此情況下，采用溫控儀控制加熱，樣品表面的溫度已經(jīng)達(dá)到預(yù)設(shè)值，但是因熱偶絲離開(kāi)樣品表面，測(cè)量得到的溫度卻仍沒(méi)有到達(dá)預(yù)設(shè)值，這樣測(cè)量得到的數(shù)據(jù)不是樣品表面的溫度，是不準(zhǔn)確的。在錯(cuò)誤信號(hào)的引導(dǎo)下，溫控儀還會(huì)繼續(xù)加熱，極端情況下，還會(huì)因溫度太高而燒毀設(shè)備，早期的測(cè)試系統(tǒng)曾因此而發(fā)生燒毀加熱平臺(tái)的事故。

為了避免這種情況的發(fā)生，采用環(huán)形包覆加熱腔，如圖4所示，將樣品放置在環(huán)形包覆加熱腔內(nèi)，樣品的上下左右都受到環(huán)形包覆加熱腔的加熱，這樣加熱臺(tái)的溫度與樣品的溫度相差很小。將熱偶絲用螺釘固定在環(huán)形包覆加熱腔的底板上，如圖5所示，可以避免因熱偶絲脫離開(kāi)測(cè)溫點(diǎn)而導(dǎo)致溫度測(cè)量不準(zhǔn)確等問(wèn)題。另外，在環(huán)形包覆加熱腔的外面加一個(gè)保溫隔熱盒，可以有效的將環(huán)形包覆加熱腔進(jìn)行保溫，提高了加熱效率，同時(shí)可以保證測(cè)溫點(diǎn)的溫度與樣品表面的溫度保持一致。

圖4 激活能測(cè)試真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Activation energy vacuum system schematic diagram

圖5 樣品加熱測(cè)溫側(cè)視圖Fig.5 Side view of platform with heating and temperature test

真空密封采用丁腈橡膠，其最高耐溫為120℃。當(dāng)樣品溫度加熱到250℃時(shí)，也會(huì)將真空鐘罩、真空工作平臺(tái)等部件加熱，并將丁晴橡膠的溫度也加熱到較高的溫度。一般的真空設(shè)備會(huì)用水冷來(lái)降溫，而用保溫隔熱盒，可以有效的將熱源散發(fā)的熱量進(jìn)行隔絕，降低了鐘罩和工作平臺(tái)的溫度。加保溫隔熱盒后，在長(zhǎng)達(dá)5 h的測(cè)試過(guò)程中，鐘罩的最高溫度沒(méi)有超過(guò)40℃。這樣就不會(huì)造成高溫燙傷，另一方面，也沒(méi)有超過(guò)丁腈橡膠的最高耐溫溫度，保證了真空密封。同時(shí)也不需要增加水冷降溫裝置，降低了設(shè)備的復(fù)雜性和制造成本，減少了維護(hù)成本。

采用頭部為半球形的彈性探針，可以防止刺傷鋁膜和材料薄膜，防止振動(dòng)對(duì)測(cè)試的影響，獲得穩(wěn)定可靠的接觸。探針引線用點(diǎn)焊焊接，可以耐300℃的高溫，防止高溫情況下引線焊接因采用錫焊而引起的脫焊問(wèn)題。

2.3.3 防觸電、防誤操作設(shè)計(jì)

早期的測(cè)試系統(tǒng)，無(wú)真空度測(cè)量?jī)x表，也無(wú)防誤操作設(shè)計(jì)。因激活能測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，操作員放置好樣品，蓋上鐘罩，用機(jī)械真空泵抽系統(tǒng)后就離開(kāi)設(shè)備。因鐘罩沒(méi)有放置好，真空泵長(zhǎng)時(shí)間抽大氣，導(dǎo)致真空泵內(nèi)的泵油大量排出泵體，將真空泵燒毀。

為防止此類(lèi)事故的發(fā)生，在系統(tǒng)中安裝了一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，如圖6所示，（a）整體結(jié)構(gòu)；（b）局部放大。鐘罩放置時(shí)會(huì)將頂針向下壓下，將微動(dòng)開(kāi)關(guān)的彈簧壓片壓下，閉合微動(dòng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，用PLC自動(dòng)控制的真空泵、加熱電源等設(shè)備才能啟動(dòng)，否則無(wú)法啟動(dòng)。當(dāng)鐘罩打開(kāi)時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)環(huán)形包覆加熱腔220 ACV供電電源，起到防止觸電，保護(hù)人身安全的作用。

圖6 微動(dòng)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The micro switch schematic diagram

機(jī)械真空泵啟動(dòng)，若5 min后仍未達(dá)到預(yù)設(shè)的1 Pa真空度，則發(fā)出聲光報(bào)警，提醒操作員處理故障；持續(xù)報(bào)警1 min后，若報(bào)警仍未解除，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉真空泵和系統(tǒng)電源。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)和控制，可以有效防止觸電和真空泵燒毀事故的發(fā)生。2.3.4 防過(guò)載設(shè)計(jì)

K617型靜電計(jì)屬于高精度弱信號(hào)測(cè)量?jī)x表，電流測(cè)量上限為2 mA，若電阻小、偏壓大，則電流很容易超過(guò)電流量程。早期的測(cè)試系統(tǒng)，采用2節(jié)甲電池提供約3 V的直流電壓，更換樣品時(shí)，在沒(méi)有斷開(kāi)偏置電源的情況下，將兩根探針直接與加熱襯底的金屬接觸，造成短路，將貴重儀器K617電流測(cè)試模塊燒壞。

為防止損壞吉時(shí)利K617表的電流模塊，在開(kāi)始測(cè)量前，先用吉時(shí)利K617表測(cè)量材料在高溫時(shí)的電阻值，根據(jù)歐姆定律，程序自動(dòng)計(jì)算在設(shè)定電壓值的情況下通過(guò)薄膜材料的電流是否會(huì)超過(guò)1.8 mA，若沒(méi)有超過(guò)1.8 mA，則用設(shè)定的電壓；若超過(guò)了1.8 mA，則根據(jù)測(cè)量得到的電阻值和1.8 mA的電流值，計(jì)算出實(shí)際加在樣品上的電壓值，即為實(shí)際偏壓值。材料的溫度系數(shù)一般為負(fù)值，也就是說(shuō)溫度越低，電阻值越大，用降溫測(cè)量的方法，偏壓不變，在之后的低溫測(cè)量時(shí)，電流就不會(huì)超過(guò)1.8 mA。另外，打開(kāi)鐘罩更換樣品時(shí)，PLC自動(dòng)控制不加偏壓，保證吉時(shí)利K617表的電流模塊不會(huì)因上述原因被燒毀。

3 實(shí)驗(yàn)與討論

采用LabVIEW編程控制激活能真空測(cè)試系統(tǒng)，軟件界面如圖7所示。在這個(gè)界面上可以輸入制備樣品的設(shè)備、頻率、薄膜厚度等信息，根據(jù)材料特性，可以設(shè)定最高溫度、結(jié)束溫度等，控制軟件會(huì)將這些信息和測(cè)量得到的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存為Excel格式的數(shù)據(jù)，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和追蹤。

圖7 激活能真空自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)控制軟件界面圖Fig.7 The program screen shot of activation energy vacuum automatic control test system

制備和測(cè)量了幾種薄膜材料的激活能，利用Excel設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算模板，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)粘貼在模板的數(shù)據(jù)列中，則可自動(dòng)計(jì)算出樣品的各種參數(shù)。以1 000/T為橫坐標(biāo)，以logσ為縱坐標(biāo)，繪制出幾種材料的曲線如圖8所示。按照激活能的測(cè)試原理，通過(guò)計(jì)算擬合直線的斜率和截距，即可分別計(jì)算出材料的激活能和最小金屬電導(dǎo)率。如編號(hào)為p-a-SiC-3的樣品，斜率B=-2.22，根據(jù)式（4）計(jì)算出激活能Ea為0.440 492 eV；截距A=1.955 5，根據(jù)式（5）計(jì)算出材料的最小金屬電導(dǎo)率σ0為90.27 S/cm。幾種材料的電導(dǎo)激活能Ea和最小金屬電導(dǎo)率σ0如表1所列。

表1 幾種薄膜材料的電導(dǎo)激活能Ea和最小金屬電導(dǎo)率σ0Table1 The conduction activation energy Eaand the minimum metal conductivity σ0for several thin film materials

圖8 表1中全部樣品的測(cè)試曲線Fig.8 Total samples test curve in table 1

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，即使是同一種材料，因制備樣品的設(shè)備和沉積工藝的不同，其激活能和最小金屬電導(dǎo)率是不同的，由此說(shuō)明薄膜材料的特性強(qiáng)烈地依賴(lài)于設(shè)備和工藝。

采用金屬鐘罩和消除交流信號(hào)干擾的方法，測(cè)量樣品編號(hào)為a-SiO-1的非晶硅氧材料，偏置電壓為50 V，最高溫度為250℃，結(jié)束溫度為50℃，每隔1℃測(cè)量一次電阻，總共測(cè)量得到201組數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)以溫度為橫坐標(biāo)，以電阻為縱坐標(biāo)，繪出的電阻溫度曲線如圖9所示，其中縱坐標(biāo)刻度是以10為基準(zhǔn)的對(duì)數(shù)刻度。同時(shí)將這些數(shù)據(jù)按溫度分為高（241～250℃）、中（96～105℃）、低溫（50～59℃）三部分，每一部分選取連續(xù)的10組數(shù)據(jù)如表2所列。

圖9 樣品a-SiO-1電阻溫度曲線Fig.9 Contrast curve with sample μc-SiGe-2

從圖9和表2的數(shù)據(jù)可以看出，非晶硅氧材料電阻溫度系數(shù)為負(fù)值，隨著溫度從250℃下降到50℃，材料的電阻值從9.44×108Ω逐漸增大到6.87×1015Ω，電阻值變化了6.5個(gè)數(shù)量級(jí)，非晶硅氧樣品在50℃時(shí)的電導(dǎo)率為2.27×10-13S/cm。在50～59℃低溫區(qū)域，電阻值從4.93×1014Ω穩(wěn)步增大到6.87×1015Ω，說(shuō)明系統(tǒng)可以測(cè)量得到的最大電阻至少達(dá)到了6.87×1015Ω，最小電流為7.82×10-15A，達(dá)到了飛安（fA）量級(jí)，獲得了8 fA（8×10-15A）的測(cè)量精度，這已經(jīng)非常接近吉時(shí)利K617靜電計(jì)電流測(cè)量的下限水平。

表2 a-SiO-1樣品高、中、低溫三部分電阻溫度數(shù)據(jù)Table2 Three parts of resistance temperature data of high,medium and low parts of a-SiO-1 sample

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的重復(fù)性，采用相同的測(cè)試條件，對(duì)同一片樣品重復(fù)測(cè)試兩次。如表1中編號(hào)為μc-SiGe-2的樣品，重復(fù)測(cè)試一遍后，編號(hào)改為μc-SiGe-2′，其對(duì)比曲線如圖10所示。從表1的數(shù)據(jù)看，重新測(cè)量后，Ea減少了0.009 04，減小了1.44%。σ0減少了86.03，減小了17.79%。由此可以看出，電導(dǎo)激活能Ea測(cè)試的不重復(fù)性小于2%；最小金屬電導(dǎo)率σ0測(cè)試的不重復(fù)性為17.79%，偏差較大。由式（5）可以看出，σ0不重復(fù)性偏差比較大的原因，是因?yàn)棣?與截距A是指數(shù)冪的關(guān)系，截距A稍有偏差，σ0的偏差就會(huì)很大。

圖10 樣品μc-SiGe-2對(duì)比曲線Fig.10 Contrast curve with sample μc-SiGe-2

自然冷卻過(guò)程中，在250℃高溫時(shí)，溫度下降速率較快，每降低1℃，需要14 s時(shí)間，降溫速率為0.071℃/s；隨著溫度的下降，降溫速率也越來(lái)越慢，如140℃時(shí)，每降低1℃，需要32 s，降溫速率為0.031 25℃/s。自動(dòng)控制程序通過(guò)掃描的方式，不斷地獲得溫控儀的溫度信號(hào)，當(dāng)溫度值為整數(shù)時(shí)，則開(kāi)始測(cè)量電流并保存數(shù)據(jù)。測(cè)量第一組數(shù)據(jù)時(shí)，吉時(shí)利K617靜電計(jì)的電壓建立、電流測(cè)量、小信號(hào)前置放大器建立所需時(shí)間約為3 s，在250℃高溫測(cè)量時(shí)，會(huì)有一個(gè)最大偏差為3 s/14 s=21.43%。在之后各溫度點(diǎn)的測(cè)試中，吉時(shí)利K617表就保持這種測(cè)試狀態(tài)，無(wú)需重復(fù)上述過(guò)程，測(cè)試速度就非?？炝?。在之后的每個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)量時(shí)，每隔1 ms測(cè)量一個(gè)電流信號(hào)，三個(gè)電流信號(hào)需要用2 ms，最大偏差為2 ms/14 s=0.0143%，這個(gè)偏差是可以接受的。

第一個(gè)點(diǎn)測(cè)試時(shí)間比較長(zhǎng)，測(cè)試偏差較大的問(wèn)題可以采用忽略第一個(gè)數(shù)據(jù)，或者將最高溫度提高1℃的方法來(lái)解決。當(dāng)樣品溫度接近室溫，如35℃時(shí)，每降低1℃，需要470 s，降溫速率為0.002 128℃/s，與電流測(cè)試所用時(shí)間相比，可以忽略不計(jì)。但是隨著溫度的降低，系統(tǒng)采用的E型熱偶絲的分辨率會(huì)下降；同時(shí)越接近室溫，會(huì)出現(xiàn)溫度不降反升的現(xiàn)象。這個(gè)問(wèn)題，可以采用將結(jié)束溫度提高的方法來(lái)解決。若必須在低溫下測(cè)量，則需在樣品上加冷卻裝置的方法加以解決。

綜上所述，采用環(huán)形包覆加熱腔和保溫盒的方法，是能夠滿(mǎn)足測(cè)量要求的。

4 結(jié)論

通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大程度避免了鐘罩真空橡膠密封圈、密封平面的劃傷，防止灰塵和顆粒異物掉入真空抽氣系統(tǒng)；采用環(huán)形包覆加熱腔和保溫隔熱盒，降溫速率足夠慢，時(shí)間間隔足夠長(zhǎng)，可以滿(mǎn)足測(cè)試的要求，并且在真空環(huán)境下獲得了可靠的溫度測(cè)試；采用半球形彈性探針避免了振動(dòng)對(duì)測(cè)試的影響；采用點(diǎn)焊方法可以提高系統(tǒng)的測(cè)試溫度，避免了焊錫不耐高溫的問(wèn)題。采用全封閉金屬鐘罩，避免了雜散光的干擾。采用自然冷卻的測(cè)試方法，避免了交流信號(hào)的干擾；采用上述措施，通過(guò)吉時(shí)利K617靜電計(jì)，獲得了8 fA的測(cè)量精度。

采用PLC和LabVIEW軟件編程，實(shí)行了激活能真空測(cè)試的自動(dòng)控制，測(cè)試的不重復(fù)性小于2%，并具有很好的可靠性和穩(wěn)定性。針對(duì)部分薄膜材料，給出了具有很好參考價(jià)值的激活能和最小金屬電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。

[1]王燕，岳瑞峰.a-SiNx:H薄膜的導(dǎo)電機(jī)制[J].真空科學(xué)與技術(shù)，2001，21（1）：26-29.

[2]黎兵，馮良桓，鄭家貴，等.CdS薄膜的制備及其性能[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2003，24（8）：837-840.

[3]黃小融，鄭家貴，蔡偉，等.CdS多晶薄膜的異常電導(dǎo)現(xiàn)象研究[J].四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998，21（6）：644-647.

[4]余連杰，史衍麗，鄧功榮，等.非晶態(tài)碲化汞薄膜的光電特性研究[J].紅外技術(shù)，2011，33（4）：190-194.

[5]李恒喜.汽車(chē)用SrTiO3厚膜氧傳感器研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2008.

[6]陳慶東，王俊平，馬國(guó)利，等.μc-Si:H薄膜的激活能特性研究[J].真空，2012，49（6）：47-49.

[7]ShahA，MeierJ，Vallat-Sauvain E，etal.Microcrystalline sili?con and‘micromorph’tandem solar cells[J].Thin Solid Films，2002，403：179-187.

[8]徐樂(lè)，陳建江.非晶硅電導(dǎo)率激活能的自動(dòng)測(cè)量[J].半導(dǎo)體技術(shù)，1986（1）：44-45.

[9]馮仁華.PECVD法制備本征/摻硼納米非晶硅薄膜及其性能研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[10]孔光臨，郝會(huì)穎，彭文博，等.硅基薄膜光電性能測(cè)試技術(shù)-電導(dǎo)溫度曲線和光電導(dǎo)衰退的測(cè)試[J].太陽(yáng)能，2008，49（6）：27-28.

[11]劉麗娟.SiCl4/H2為氣源沉積多晶硅薄膜的電輸運(yùn)特性的研究[D].汕頭：汕頭大學(xué)，2008.

[12]陳慶東，王俊平，張宇翔，等.激活能測(cè)試裝置設(shè)計(jì)及微晶硅薄膜激活能測(cè)試[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010，40（4）：149-152.

[13]王德生.硅基材料的制備、表征及其儲(chǔ)鋰性能研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2012.

[14]潘園園.p型nc-Si:H薄膜的熱絲CVD法制備與性能研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF ACTIVATION ENERGY VACUUM AUTOMATIC CONTROL TEST SYSTEM

WANG Guang-cai1，ZHAO Guang-shu1，ZHU Xiao-feng1，HU Peng-fei1，OU Lin1，WANG Yu-fang2，PENG Wen-bo3，ZHANG Xiao-dan1，
（1.Institute of Photo-electronics Thin Film Devices and Technique，Nankai University，Key Laboratory of Photo-electronic Thin Film Devices and Technology of Tianjin，Key Laboratory of Optical Information Science and Technology，Ministry of Education，Tianjin 300071，China；2.School of Physics，Nankai University，Tianjin 300071，China；3.Huaneng Clean Energy Research Institute，Beijing 102209，China）

In order to improve the accuracy of measurement of activation energy，a fully enclosed metal bell is used to avoid the interference of light.To measure the temperature of sample，a ring like heating chamber and a thermal insulation box are introduced.To avoid the interference of AC signal to the weakly signal，a method of natural cooling is applied.There is an accuracy of 8 fA taken by Keithley K617 electrostatic.There are some software programs to automatic control the test of activation energy with the PLC and LabVIEW program languages.The non-repeatability is less than 2%.There are some data of activation energy is given for several materials.

vacuum；automatic control test system；activation energy

V439；TP27

A

1006-7086（2017）06-0323-08

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.06.003

2017-08-25

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA050302）、天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（10ZCKFGX02200）、光學(xué)信息技術(shù)和科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（2017KFKT010）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助

王廣才（1964-），男，河北交河人，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楸∧す怆娮硬牧吓c器件、光伏能源器件及材料測(cè)試。E-mail：wgc2008@nankai.edu.cn。