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作者：泰克科技 半導體電容一般是皮法 (pF) 級或納法(nF) 級。許多商用 LCR 或電容表可以使用適當的測量技術(shù)測量這些值，包括補償技術(shù)。但是，某些應用要求飛法 (fF) 或 1e-15級的非常靈敏的電容測量，包括測量金屬到金屬電容、晶圓上的互連電容、MEMS器件如開(kāi)關(guān)、或者納米器件上端子間的電容。如果沒(méi)有使用適當的儀器和測量技術(shù)，我們很難測量這些非常小的電容。 通過(guò)使用工具，如選配4215-CVU電容電壓單元(CVU)的Keithley 4200A-SCS參數分析儀，用戶(hù)可以測量各種電容，包括<1 pF的超低電容值。CVU設計有獨特的電路，通過(guò) Clarius+ 軟件進(jìn)行控制，支持多種特性和診斷工具，確保最精確的測量結果。通過(guò)使用這個(gè)CVU及適當的技術(shù)，用戶(hù)可以實(shí)現超低電容測量，支持幾十阿法 (1e-18F) 的噪聲。 本文介紹了怎樣使用 4215-CVU 電容電壓?jiǎn)卧M(jìn)行飛法電容測量，包括怎樣進(jìn)行正確的連接，怎樣在 Clarius 軟件中使用正確的測試設置來(lái)獲得最好的測量結果。如需進(jìn)一步了解怎樣進(jìn)行電容測量，包括線(xiàn)纜和連接、定時(shí)設置、保護和補償，可以參閱吉時(shí)利應用指南“使用 4200A-SCS 參數分析儀進(jìn)行最優(yōu)電容和AC阻抗測量”。 連接器件 正確連接被測器件 (DUT) 對進(jìn)行靈敏的低電容測量至關(guān)重要。為獲得最好的測量結果，應只使用隨機自帶的紅色 SMA 電纜把 CVU 連接到 DUT。紅色 SMA 電纜的特 性阻抗是 100W。并聯(lián)的兩條 100W電纜的特性阻抗是50W，這是高頻源測量應用的標準配置。隨機自帶的附件可以使用BNC或SMA連接連到測試夾具或探頭。使用隨機自帶的扭矩扳手，緊固SMA電纜連接， 確保接觸良好。 圖 1 顯示了2線(xiàn)傳感的CVU配置。HCUR 和 HPOT 端子連接到BNCT形裝置連接， 構 成 CVH(HI)； LCUR和LPOT連接在一起，構成 CVL(LO)。圖2是DUT 4線(xiàn)傳感實(shí)例。 在本例中，HCUR 和 HPOT 端子連接到器件的一端，LPOT 和 LCUR端子連接到器件的另一端。我們使用到器件的4線(xiàn)連接， 通過(guò)盡可能靠近器件測量電壓，來(lái)簡(jiǎn)化靈敏的測量。 
圖 1. 2線(xiàn)傳感的 CVU 連接。
圖 2. 4 線(xiàn)傳感的 CVU 連接圖。 不管是2線(xiàn)傳感還是4線(xiàn)傳感，同軸電纜的外部屏蔽層必須盡可能近地連接到器件上，以使屏蔽層的環(huán)路面積達到最小。這降低了電感，有助于降低諧振效應， 這種效應在 1 MHz 以上的頻率時(shí)可能會(huì )帶來(lái)負擔。 所有電纜要固定好，避免移動(dòng)，因為在執行偏置測量和實(shí)際 DUT 測量之間發(fā)生的任何移動(dòng)，都可能會(huì )略微改變環(huán)路電感，影響補償的數據。 在測量非常小的電容時(shí)，DUT屏蔽變得非常重要， 以降低由于干擾引起的測量不確定度。干擾源可以是AC信號，甚至是物理移動(dòng)。金屬屏蔽層應封閉DUT，連接到同軸電纜的外殼上。對低電容測量，最好使用 4 線(xiàn)傳感，但如果電纜較短， 并采用了補償技術(shù)，使用 2 線(xiàn)傳感也能實(shí)現最優(yōu)測量。 配置 Clarius+ 軟件進(jìn)行飛法測量 在Clarius軟件中設置測量時(shí)，需要在 Library 中選擇飛法項目，配置測試設置，執行測量。 在 Library 中選擇飛法 - 電容項目。Clarius軟件Projects Library 中包括一個(gè)進(jìn)行超低電容測量的項目。從 Select 視圖中，在搜索條中輸入 “femtofarad”( 飛法 )。窗口中將出現 femtofarad-capacitance( 飛法 - 電容 ) 項目，選擇Create，在項目樹(shù)中打開(kāi)項目。 配置測試設置。一旦創(chuàng )建了項目， 項目樹(shù)中會(huì )出現 femtofarad-capacitance（飛法 - 電容）項目。這個(gè)項目有兩項測試：(1)cap-measure-uncompensated 測試，這項測試用來(lái)測量DUT的電 容；(2)open-meas 測試，這項測試用來(lái)獲得線(xiàn)纜和連接的電容。由于這些電容測量的靈敏度，我們使用與DUT測量完全相同的設置，來(lái)進(jìn)行開(kāi)路測量。然后從DUT 的電容測量中減去開(kāi)路測量。這種方法在超低 電容測量中可以實(shí)現非常好的效果。 為成功地進(jìn)行低電容測量，一定要在 Configure 視圖窗口中相應地調節測量和定時(shí)設置。為進(jìn)行最優(yōu)調節， 部分建議如下： 測量設置：用戶(hù)可以控制的部分設置是電流測量范圍、AC驅動(dòng)電壓和測試頻率。這對測量非常重要，因為確定器件電容的公式中涉及到這些項目。CVU從 Iac、Vac和測試頻率中計算器件電容，公式如下：
觀(guān)察公式中的關(guān)系，可以推導出最優(yōu)的設置， 包括電流測量范圍、AC 驅動(dòng)電壓和測試頻率。CVU 有三個(gè)電流測量范圍：1mA、30mA 和 1mA。對噪聲最低的最低電容測量，應使用最低的電流范圍：1mA 范圍。 AC 驅動(dòng)電壓可能會(huì )影響測量的信噪比。AC 噪聲電平保持相對恒定，使用更高的 AC 驅動(dòng)電壓則會(huì )生成更大的AC電流，從而改善信噪比。因此，最好使用盡可能高的 AC 驅動(dòng)電壓。在這個(gè)項目中，我們使用了1 V AC 驅動(dòng)電壓。 對超低電容測量，理想情況是使用大約 1 MHz 的測試頻率。如果測試頻率遠遠高于 1 MHz，那么傳輸線(xiàn)效 應會(huì )提高成功進(jìn)行測量的難度。如果測試頻率較低， 那么測量分辨率會(huì )下降，因為測試頻率和電流是成比例的，所以測量噪聲會(huì )提高。 定時(shí)設置：可以在 Test Settings 窗口中調節定時(shí)設置。 Speed 模式設置允許用戶(hù)調節測量窗口。對超低電容 測量，可以使用 Custom Speed 自定義速度模式設置測量時(shí)間，實(shí)現想要的精度和噪聲�；旧�，測量時(shí)間或窗口越長(cháng)，測量的噪聲越少。噪聲與測量時(shí)間的 平方根成反比，如下面的公式所示：
通過(guò)計算電容測量的標準方差，可以得到噪聲。在Clarius軟件中，使用 Formulator 可以自動(dòng)完成這一計算。cap-meas-uncompensated 測試自動(dòng)計算噪 聲，把得到的值返回 Sheet�？梢栽� Test Settings窗口中，使用 Custom Speed 自定義速度模式調節測量窗口，如圖3所示。
圖 3. Test Settings 窗口中的 Custom Speed自定義速度模式。 測量窗口的時(shí)間可以用下面的公式計算： 測量窗口 = ( 模數轉換孔徑時(shí)間 ) * (FilterFactor2 或濾波數 ) 表 1. 1 fF電容器的測量時(shí)間相對于噪聲關(guān)系。
表 1 列出了 CVU 噪聲與測量窗口的關(guān)系，其使用 1 fF 電容器連接到 CVU 的端子，在 2 線(xiàn)配置下生成。 我們取15個(gè)讀數的標準方差，使用0 V DC、1 MHz 和1 V AC驅動(dòng)電壓設置獲得測量，計算出噪聲。這一數據驗證了噪聲隨測量時(shí)間提高而下降。注意 1 秒及以上測量時(shí)間的噪聲為阿托法拉或 1 E-18F級。每個(gè)測試環(huán)境中可能要求進(jìn)行實(shí)驗，來(lái)確定測試的最優(yōu)測量時(shí)間。 執行測量 一旦硬件和軟件配置完成，我們就可以執行測量。在理想情況下，4200A-SCS應預熱至少一小時(shí)，然后再進(jìn)行測量。用下面四步獲得補償后的測量，重復測試結果。 1. 測量器件的電容。在項目樹(shù)中選擇 cap-meas-uncompensated 測試。在 Configure 視圖中，根據 器件和應用調節測試設置。運行測試。 2. 測量開(kāi)路。在項目樹(shù)中選擇 open-meas 測試。把 測試設置調節到與 cap-meas-uncompensated 測 試中的測試設置完全相同，包括數據點(diǎn)數和電壓階 躍數。只斷開(kāi) CVH (HCUR 和 HPOT) 電纜。確保未 端接的電纜蓋上帽子。運行開(kāi)路測試。 3. 分析結果。在項目樹(shù)中選擇 femtofarad-capaci-tance 項目，選擇 Analyze 視圖。圖 4 是顯示了補償后的 1 fF 測量的截圖。
圖 4. Analyze 視圖Sheet表單和Graph示圖截圖顯示了 1 fF測量。 注意最新電容和開(kāi)路測量及噪聲計算出現在 Sheet中。來(lái)自項目樹(shù)中所有測試的Data Series出現在屏幕右側。如圖5所示，我們選擇了從capmeas-uncompensated和 open-meas 測試中獲得的 Latest Run 最新一輪測量的 Series List 系列列表。這意味著(zhù) 每次執行測試時(shí)，Sheet 表單中都會(huì )填寫(xiě)最新數據。
圖 5. 來(lái)自測試的 Data Series。 Formulator中已經(jīng)設置了一個(gè)公式， 在 Project級Analyze視圖表單Sheet 中， 從 cap-meas-uncompensated 測試數據中減去 open-meas 測試數 據，自動(dòng)計算補償后的電容測量。圖表顯示了補償后 的電容隨時(shí)間變化情況。Sheet中的 CAPACITANCE 欄列出了補償后的測量以及所有讀數的平均電容。圖6顯示了 Latest Run Sheet 最新運行表單數據及電容 測量 (Cp-AB)、時(shí)間、噪聲、開(kāi)路測量、補償后的測 量 ( 電容 ) 和平均電容 (AVG_CAP)。
圖 6. Analyze 視圖表單 Sheet 中顯示的測試數據。 4. 重復測量。選擇Run，可以從項目級重復測量，將自動(dòng)計算補償的讀數。但是，一定不能勾選 open-meas測試，如圖7所示。如果數據以非預期的方式運行，應定期重復采集的開(kāi)路測量。這可能是由溫度偏移或電纜移動(dòng)引起的。
圖 7. 不要勾選 open-meas 測試，從項目級 Analyze 視圖中重復測量。 總結 通過(guò)使用 Library 項目、正確連接和相應的測量技術(shù) 和設置，我們可以使用 4215-CVU 測量飛法級電容。使用 4215-CVU 及相應的測量窗口，可以實(shí)現幾十阿托法托及以下的噪聲。如需進(jìn)一步了解怎樣進(jìn)行電容測量，包括線(xiàn)纜和連接、定時(shí)設置、保護和補償，可以參閱吉時(shí)利應用指南“使用 4200A-SCS 參數分析儀進(jìn)行最優(yōu)電容和AC阻抗測量”, https://www.tek.com.cn/keithley-4200a-scs-parameter-analyzer。 |
