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微納電容測量挑戰(zhàn):如何精準(zhǔn)測量fF級超低電容?

作者: 時間:2025-03-14 來源:泰克科技 收藏

典型的半導(dǎo)體在pF或nF范圍內(nèi)。許多商業(yè)上可用的LCR表或計補償后可以使用適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.ptau.cn/news/listbylabel/label/測量">測量技術(shù)來這些值,然而,一些應(yīng)用需要在飛秒法(fF)或1e-15范圍內(nèi)進行非常靈敏的。這些應(yīng)用包括測量金屬到金屬的電容,晶片上的互連電容,MEMS器件,如:開關(guān),納米器件端子之間的電容。如果沒有使用適當(dāng)?shù)膬x器和測量技術(shù),這些非常小的電容很難進行測量。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/202503/468095.htm

使用4200A-SCS參數(shù)分析儀配備的4215-CVU(CVU),用戶能夠測量大范圍的電容,<1pF非常低的電容值也能測到。CVU采用獨特的電路設(shè)計,并由Clarius+軟件控制,支持校準(zhǔn)和診斷工具,以確保最準(zhǔn)確的結(jié)果。使用這種CVU和適當(dāng)?shù)臏y量技術(shù)可以使用戶實現(xiàn)多個噪聲水平的非常低的電容(1e-18f)測量。

本應(yīng)用說明了如何使用4215-CVU電容電壓單元進行fF電容測量。這包括建立適當(dāng)?shù)倪B接和使用Clarius軟件中適當(dāng)?shù)臏y試設(shè)置,以獲得最好的結(jié)果。關(guān)于進行電容測量的進一步信息,包括電纜和連接、定時設(shè)置、保護和補償,可以在Keithley應(yīng)用說明中找到,使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進行最佳電阻和交流阻抗測量。

連接被測器件

與被測設(shè)備(DUT)進行適當(dāng)?shù)倪B接對測量靈敏的低電容至關(guān)重要。

為了獲得最佳效果,使用標(biāo)配的紅色SMA電纜從CVU連接到DUT。紅色SMA電纜的特征阻抗為100Ω。兩根100Ω并聯(lián)電纜具有50Ω的特性阻抗,這是高頻源測量應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。所提供的附件允許通過BNC或SMA、連接件連接到測試夾具或探針上。使用提供的扭矩扳手,擰緊SMA電纜連接,以確保良好的接觸。

雙線感知和測量的CVU配置如圖1所示。HCUR和HPOT端子連接到BNC三通,形成CVH(HI),LCUR和LPOT端子連接到形成CVL(LO)。

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圖1. 雙線測量的CVU連接

圖2是DUT四線測量的示例。在這種情況下,HCUR和HPOT端連接到設(shè)備的一端,LPOT和LCUR端連接到設(shè)備的另一端。將四線連接到設(shè)備上,通過測量盡可能接近設(shè)備的電壓來進行敏感的測量。

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圖2. 四線測量的CVU連接

對于雙線或四線測流量,同軸電纜的外部屏蔽必須盡可能接近設(shè)備,以盡量減少屏蔽的環(huán)路面積。這降低了電感,并有助于避免共振效應(yīng),尤其在大于1MHz的頻率下影響更大。

保持所有電纜安裝牢固,以避免任何移動。在執(zhí)行偏置測量和實際DUT測量之間時發(fā)生的任何運動都可能輕微改變回路電感并影響補償數(shù)據(jù)。

當(dāng)測量非常小的電容時,屏蔽DUT對于減少由于干擾而造成的測量不確定性變得很重要。干擾源可以是交流信號,甚至是物理運動。金屬屏蔽應(yīng)包圍DUT,并連接到同軸電纜的外殼上。

對于低電容測量,最好使用四線測量,但是,如果電纜較短且使用補償,則可以實現(xiàn)雙線傳感的最佳測量。

測量fF電容的Clarius+軟件配置

在Clarius軟件中設(shè)置測量包括在庫中選擇fF項目、配置測試設(shè)置和執(zhí)行測量。

◆ 選擇庫的的電容項目

在Clarius軟件的項目庫中包含了一個用來進行非常小的電容測量的項目。從選擇視圖中,在搜索欄中輸入“femtofarad” 。fF電容項目將出現(xiàn)在窗口中,如圖3 所示。選擇“創(chuàng)建”,以在項目樹中打開項目。

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圖3. 庫中fF電容測量項目

◆ 配置測試設(shè)置

一旦項目被創(chuàng)建,飛法電容項目將出現(xiàn)在項目樹中,如圖4所示。

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圖4. 飛法電容項目樹

本項目有兩個測試:1)cap-measure-uncompensated測試項,用于測量DUT的電容。2) open-meas測試,用來獲取電纜和連接件的電容,由于這些電容測量的靈敏度,開路測量用來保證DUT測量的精確度,開路測量數(shù)據(jù)從DUT的電容測量值中減去。該方法能對極低電容的良好的測量結(jié)果。

對于成功的低電容測量,在配置窗口中適當(dāng)?shù)卣{(diào)整測量和定時設(shè)置是很重要的。以下是一些關(guān)于做出最佳調(diào)整的建議:

測量設(shè)置:用戶可以控制的一些設(shè)置:電流測量范圍、交流驅(qū)動電壓和測試頻率。這些對測量很重要,因為它們涉及到確定器件電容的方程式。CVU根據(jù)Iac、Vac和測試頻率計算設(shè)備電容:

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其中,

C = 器件電容 (F)

Iac = CVU測量的交流電流

f= 測試頻率

Vac = 交流驅(qū)動電壓

通過觀察這些方程中的關(guān)系,可以推導(dǎo)出電流測量范圍、交流驅(qū)動電壓和測試頻率的最佳設(shè)置。

CVU有三個電流測量范圍:1μA、30μA和1mA。對于噪聲最小的最低電容測量,使用最低電流范圍,1μA范圍。

交流驅(qū)動電壓的水平會影響測量的信噪比。當(dāng)交流噪聲水平保持相對恒定時,使用更高的交流驅(qū)動電壓產(chǎn)生更大的交流電流,從而提高信噪比。所以,最好使用盡可能高的交流驅(qū)動電壓。本項目采用了1V交流驅(qū)動電壓。

對于非常低的電容測量,使用大約1MHz的測試頻率是理想的。由于測試頻率遠高于1MHz,傳輸線效應(yīng)增加了成功測量的難度。在較低的測試頻率下,由于測試頻率和電流成比例,測量值的分辨率會降低,因此,會產(chǎn)生更大的噪聲。

定時設(shè)置:定時設(shè)置可以在“測試設(shè)置”窗口中進行調(diào)整。速度模式設(shè)置使用戶能夠調(diào)整測量窗口。對于非常低的電容測量,請使用自定義速度模式來設(shè)置測量時間,以達到所需的精度和噪聲水平?;旧希瑴y量時間或窗口時間越長,測量的噪聲就越小。噪聲與測量時間的平方根成反比,如下式所示:

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該噪聲可以通過計算電容測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來獲得。這個計算可以使用Clarius軟件中的公式編輯器自動完成。cap-meas-uncompensated測試自動計算噪聲并將值返回到表。

可以使用圖5中所示的測試設(shè)置窗口中的自定義速度模式來調(diào)整測量窗口。

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圖5. “測試設(shè)置”窗口中的自定義速度模式測量

窗口的時間,計算方法如下:

Measurement Window = (A/D Aperture Time) *(FilterFactor2 or Filter Count)

表1列出了CVU噪聲作為測量窗口的函數(shù),用兩線法將電容連接到CVU端子。噪聲的計算方法是取15個讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,以及設(shè)置為0V直流、1MHz和1V交流驅(qū)動電壓的測量值。該數(shù)據(jù)驗證了隨著測量時間的增加,噪聲會減小。注意,以上噪聲是在≥1s的測量時間內(nèi)fF或1E-18F范圍內(nèi)的噪聲??赡苄枰诿總€測試環(huán)境中進行實驗,以確定一個測試的最佳測量時間。

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表1. 1ff電容的測量時間與噪聲的關(guān)系

◆ 執(zhí)行測量

一旦配置了硬件和軟件,就可以執(zhí)行測量。理想情況下,4200A-SCS應(yīng)該在進行測量前至少預(yù)熱一個小時。

按照這四個步驟進行補償測量并重復(fù)結(jié)果。

1. 測量器件的電容。在項目樹中選擇cap-meas-uncompensated測試。在“配置”視圖中,根據(jù)設(shè)備和應(yīng)用程序調(diào)整測試設(shè)置。運行該測試。

2. 測量開路情況。在項目樹中選擇 open-meas

3. 測試。調(diào)整測試設(shè)置,使其與cap-meas-uncompensated測試中的測試設(shè)置完全相同,包括數(shù)據(jù)點數(shù)和電壓步數(shù)。僅斷開CVH(HCUR和HPOT)電纜。確保未端接的電纜已進行封蓋。運行開路測試。

4. 分析結(jié)果。在項目樹中選擇femtofarad-capacitance項目,然后選擇分析視圖。圖6顯示了顯示補償?shù)?fF測量值的屏幕截圖。

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圖6. 1fF電容測量的分析圖表和圖形截圖

注意,最近的電容和開路測量在表中噪聲測量計算的后面。項目樹中所有的測試數(shù)據(jù)將顯示在屏幕的右側(cè)。

如如圖7所示,選擇了capmeas-uncompensated和 open-meas測試的數(shù)據(jù)。這意味著每次執(zhí)行測試時,都將在工作表中填充最新的數(shù)據(jù)。

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圖7. 從測試中得出的數(shù)據(jù)

在公式器中建立了一個公式,通過從項目級分析圖表中的capmeas-uncompensated測試 數(shù) 據(jù) 減 去open-meas 測試數(shù)據(jù),自動計算補償電容測量值。該圖顯示了補償?shù)碾娙葑鳛闀r間的函數(shù)。表中的電容列列出了補償?shù)臏y量值以及所有讀數(shù)的平均電容。圖8顯示了電容測量數(shù)據(jù)(Cp-AB)、時間、噪聲、AB測量數(shù)據(jù)、補償測量數(shù)據(jù)(電容)和平均電容(AVG_CAP)。

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圖8. 分析界面中顯示的測試數(shù)據(jù)

5. 重復(fù)測量??梢赃\行在項目中重復(fù)某個測量。補償讀數(shù)將自動計算。但是,open-meas測試不需要選擇,如圖9所示。如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)意外移動,應(yīng)定期重復(fù)獲取的開路數(shù)據(jù)。這可能因為了溫度的變化或電纜的運動。

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圖9. 在項目樹中不選擇open-meas測試

結(jié)論

4215-CVU利用庫項目、適當(dāng)?shù)倪B接、適當(dāng)?shù)臏y量技術(shù)和設(shè)置,可以測量fF水平電容。使用適當(dāng)測量窗口的4215-CVU可以使幾十個aF范圍及以下的噪聲水平。



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