使用4215-CVU 電容電壓單元進(jìn)行fF飛法電容測量

　　作者：泰克科技

　　半導(dǎo)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(dāng)?shù)臏y量技術(shù)測量這些值，包括補(bǔ)償技術(shù)。但是，某些應(yīng)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器件如開關(guān)、或者納米器件上端子間的電容。如果沒有使用適當(dāng)?shù)膬x器和測量技術(shù)，我們很難測量這些非常小的電容。

　　通過使用工具，如選配4215-CVU電容電壓單元（CVU）的Keithley 4200A-SCS參數(shù)分析儀，用戶可以測量各種電容，包括《1 pF的超低電容值。CVU設(shè)計(jì)有獨(dú)特的電路，通過 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(jié)果。通過使用這個(gè)CVU及適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，用戶可以實(shí)現(xiàn)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 電容電壓單元進(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(shè)置來獲得最好的測量結(jié)果。如需進(jìn)一步了解怎樣進(jìn)行電容測量，包括線纜和連接、定時(shí)設(shè)置、保護(hù)和補(bǔ)償，可以參閱吉時(shí)利應(yīng)用指南“使用 4200A-SCS 參數(shù)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(jié)果，應(yīng)只使用隨機(jī)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(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)配置。隨機(jī)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(jī)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線傳感的CVU配置。HCUR 和 HPOT 端子連接到BNCT形裝置連接， 構(gòu) 成 CVH（HI）； LCUR和LPOT連接在一起，構(gòu)成 CVL（LO）。圖2是DUT 4線傳感實(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線連接， 通過盡可能靠近器件測量電壓，來簡化靈敏的測量。

　　圖 1. 2線傳感的 CVU 連接。 圖 2. 4 線傳感的 CVU 連接圖。

　　不管是2線傳感還是4線傳感，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(dá)到最小。這降低了電感，有助于降低諧振效應(yīng)， 這種效應(yīng)在 1 MHz 以上的頻率時(shí)可能會帶來負(fù)擔(dān)。

　　所有電纜要固定好，避免移動，因?yàn)樵趫?zhí)行偏置測量和實(shí)際 DUT 測量之間發(fā)生的任何移動，都可能會略微改變環(huán)路電感，影響補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)。

　　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。金屬屏蔽層應(yīng)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 線傳感，但如果電纜較短， 并采用了補(bǔ)償技術(shù)，使用 2 線傳感也能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)測量。

　　配置 Clarius+ 軟件進(jìn)行飛法測量

　　在Clarius軟件中設(shè)置測量時(shí)，需要在 Library 中選擇飛法項(xiàng)目，配置測試設(shè)置，執(zhí)行測量。

　　在 Library 中選擇飛法 - 電容項(xiàng)目。Clarius軟件Projects Library 中包括一個(gè)進(jìn)行超低電容測量的項(xiàng)目。從 Select 視圖中，在搜索條中輸入 “femtofarad”（ 飛法 ）。窗口中將出現(xiàn) femtofarad-capacitance（ 飛法 - 電容 ） 項(xiàng)目，選擇Create，在項(xiàng)目樹中打開項(xiàng)目。

　　配置測試設(shè)置。一旦創(chuàng)建了項(xiàng)目， 項(xiàng)目樹中會出現(xiàn) femtofarad-capacitance（飛法 - 電容）項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目有兩項(xiàng)測試：（1）cap-measure-uncompensated 測試，這項(xiàng)測試用來測量DUT的電 容；（2）open-meas 測試，這項(xiàng)測試用來獲得線纜和連接的電容。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(shè)置，來進(jìn)行開路測量。然后從DUT 的電容測量中減去開路測量。這種方法在超低 電容測量中可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)地調(diào)節(jié)測量和定時(shí)設(shè)置。為進(jìn)行最優(yōu)調(diào)節(jié)， 部分建議如下：

　　測量設(shè)置：用戶可以控制的部分設(shè)置是電流測量范圍、AC驅(qū)動電壓和測試頻率。這對測量非常重要，因?yàn)榇_定器件電容的公式中涉及到這些項(xiàng)目。CVU從 Iac、Vac和測試頻率中計(jì)算器件電容，公式如下：

　　觀察公式中的關(guān)系，可以推導(dǎo)出最優(yōu)的設(shè)置， 包括電流測量范圍、AC 驅(qū)動電壓和測試頻率。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(yīng)使用最低的電流范圍：1mA 范圍。

　　AC 驅(qū)動電壓可能會影響測量的信噪比。AC 噪聲電平保持相對恒定，使用更高的 AC 驅(qū)動電壓則會生成更大的AC電流，從而改善信噪比。因此，最好使用盡可能高的 AC 驅(qū)動電壓。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們使用了1 VAC 驅(qū)動電壓。

　　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(yuǎn)遠(yuǎn)高于 1 MHz，那么傳輸線效 應(yīng)會提高成功進(jìn)行測量的難度。如果測試頻率較低， 那么測量分辨率會下降，因?yàn)闇y試頻率和電流是成比例的，所以測量噪聲會提高。

　　定時(shí)設(shè)置：可以在 Test Settings 窗口中調(diào)節(jié)定時(shí)設(shè)置。 Speed 模式設(shè)置允許用戶調(diào)節(jié)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(shè)置測量時(shí)間，實(shí)現(xiàn)想要的精度和噪聲。基本上，測量時(shí)間或窗口越長，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：

　　通過計(jì)算電容測量的標(biāo)準(zhǔn)方差，可以得到噪聲。在Clarius軟件中，使用 Formulator 可以自動完成這一計(jì)算。cap-meas-uncompensated 測試自動計(jì)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(diào)節(jié)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(jì)算：

　　測量窗口 = （ 模數(shù)轉(zhuǎn)換孔徑時(shí)間 ） * （FilterFactor2 或?yàn)V波數(shù) ）

　　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 線配置下生成。 我們?nèi)?5個(gè)讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差，使用0 V DC、1 MHz 和1 V AC驅(qū)動電壓設(shè)置獲得測量，計(jì)算出噪聲。這一數(shù)據(jù)驗(yàn)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(yàn)，來確定測試的最優(yōu)測量時(shí)間。

　　執(zhí)行測量

　　一旦硬件和軟件配置完成，我們就可以執(zhí)行測量。在理想情況下，4200A-SCS應(yīng)預(yù)熱至少一小時(shí)，然后再進(jìn)行測量。用下面四步獲得補(bǔ)償后的測量，重復(fù)測試結(jié)果。

　　1. 測量器件的電容。在項(xiàng)目樹中選擇 cap-meas-uncompensated 測試。在 Configure 視圖中，根據(jù) 器件和應(yīng)用調(diào)節(jié)測試設(shè)置。運(yùn)行測試。

　　2. 測量開路。在項(xiàng)目樹中選擇 open-meas 測試。把 測試設(shè)置調(diào)節(jié)到與 cap-meas-uncompensated 測 試中的測試設(shè)置完全相同，包括數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)和電壓階 躍數(shù)。只斷開 CVH （HCUR 和 HPOT） 電纜。確保未 端接的電纜蓋上帽子。運(yùn)行開路測試。

　　3. 分析結(jié)果。在項(xiàng)目樹中選擇 femtofarad-capaci-tance 項(xiàng)目，選擇 Analyze 視圖。圖 4 是顯示了補(bǔ)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。

　　注意最新電容和開路測量及噪聲計(jì)算出現(xiàn)在 Sheet中。來自項(xiàng)目樹中所有測試的Data Series出現(xiàn)在屏幕右側(cè)。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 每次執(zhí)行測試時(shí)，Sheet 表單中都會填寫最新數(shù)據(jù)。

　　圖 5. 來自測試的 Data Series。

　　Formulator中已經(jīng)設(shè)置了一個(gè)公式， 在 Project級Analyze視圖表單Sheet 中， 從 cap-meas-uncompensated 測試數(shù)據(jù)中減去 open-meas 測試數(shù) 據(jù)，自動計(jì)算補(bǔ)償后的電容測量。圖表顯示了補(bǔ)償后 的電容隨時(shí)間變化情況。Sheet中的 CAPACITANCE 欄列出了補(bǔ)償后的測量以及所有讀數(shù)的平均電容。圖6顯示了 Latest Run Sheet 最新運(yùn)行表單數(shù)據(jù)及電容 測量 （Cp-AB）、時(shí)間、噪聲、開路測量、補(bǔ)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(shù)據(jù)。

　　4. 重復(fù)測量。選擇Run，可以從項(xiàng)目級重復(fù)測量，將自動計(jì)算補(bǔ)償?shù)淖x數(shù)。但是，一定不能勾選 open-meas測試，如圖7所示。如果數(shù)據(jù)以非預(yù)期的方式運(yùn)行，應(yīng)定期重復(fù)采集的開路測量。這可能是由溫度偏移或電纜移動引起的。

　　圖 7. 不要勾選 open-meas 測試，從項(xiàng)目級 Analyze 視圖中重復(fù)測量。

　　總結(jié)

　　通過使用 Library 項(xiàng)目、正確連接和相應(yīng)的測量技術(shù) 和設(shè)置，我們可以使用 4215-CVU 測量飛法級電容。使用 4215-CVU 及相應(yīng)的測量窗口，可以實(shí)現(xiàn)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，包括線纜和連接、定時(shí)設(shè)置、保護(hù)和補(bǔ)償，可以參閱吉時(shí)利應(yīng)用指南“使用 4200A-SCS 參數(shù)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。