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使用 4215-CVU 電容電壓單元進行fF飛法電容測量

2020-06-09 14:49:59 來源:泰克
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測量這些值,包括補償技術。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器件如開關、或者納米器件上端子間的電容。如果沒有使用適當的儀器和測量技術,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設計有獨特的電路,通過 Clarius+ 軟件進行控制,支持多種特性和診斷工具,確保最精確的測量結果。通過使用這個CVU及適當的技術,用戶可以實現超低電容測量,支持幾十阿法 (1e-18F) 的噪聲。

本文介紹了怎樣使用 4215-CVU 電容電壓單元進行飛法電容測量,包括怎樣進行正確的連接,怎樣在 Clarius 軟件中使用正確的測試設置來獲得最好的測量結果。如需進一步了解怎樣進行電容測量,包括線纜和連接、定時設置、保護和補償,可以參閱吉時利應用指南“使用 4200A-SCS 參數分析儀進行最優電容和AC阻抗測量”。

連接器件

正確連接被測器件 (DUT) 對進行靈敏的低電容測量至關重要。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線傳感實例。 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。
                   

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 以上的頻率時可能會帶來負擔。

所有電纜要固定好,避免移動,因為在執行偏置測量和實際 DUT 測量之間發生的任何移動,都可能會略微改變環路電感,影響補償的數據。

測量非常小的電容時,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, 并采用了補償技術,使用 2 線傳感也能實現最優測量。

配置 Clarius+ 軟件進行飛法測量

在Clarius軟件中設置測量時,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 中包括一個進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,在項目樹中打開項目。
配置測試設置。一旦創建了項目, 項目樹中會出現 femtofarad-capacitance(飛法 - 電容)項目。這個項目有兩項測試:(1)cap-measure-uncompensated 測試,這項測試用來測量DUT的電 容;(2)open-meas 測試,這項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測量完全相同的設置,來進行開路測量。然后從DUT 的電容測量中減去開路測量。這種方法在超低 電容測量中可以實現非常好的效果。

為成功地進行低電容測量,一定要在 Configure 視圖窗口中相應地調節測量和定時設置。為進行最優調節, 部分建議如下:

測量設置:用戶可以控制的部分設置是電流測量范圍、AC驅動電壓和測試頻率。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:

觀察公式中的關系,可以推導出最優的設置, 包括電流測量范圍、AC 驅動電壓和測試頻率。CVU 有三個電流測量范圍: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 驅動電壓。在這個項目中,我們使用了1 V AC 驅動電壓。

對超低電容測量,理想情況是使用大約 1 MHz 的測試頻率。如果測試頻率遠遠高于 1 MHz,那么傳輸線效 應會提高成功進行測量的難度。如果測試頻率較低, 那么測量分辨率會下降,因為測試頻率和電流是成比例的,所以測量噪聲會提高。

定時設置:可以在 Test Settings 窗口中調節定時設置。 Speed 模式設置允許用戶調節測量窗口。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間,實現想要的精度和噪聲?;旧?,測量時間或窗口越長,測量的噪聲越少。噪聲與測量時間的 平方根成反比,如下面的公式所示:


通過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 可以自動完成這一計算。cap-meas-uncompensated 測試自動計算噪 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。




測量窗口的時間可以用下面的公式計算:
測量窗口 = ( 模數轉換孔徑時間 ) * (FilterFactor2 或濾波數 )




表 1. 1 fF電容器的測量時間相對于噪聲關系。
表 1 列出了 CVU 噪聲與測量窗口的關系,其使用 1 fF 電容器連接到 CVU 的端子,在 2 線配置下生成。 我們取15個讀數的標準方差,使用0 V DC、1 MHz 和1 V AC驅動電壓設置獲得測量,計算出噪聲。這一數據驗證了噪聲隨測量時間提高而下降。注意 1 秒及以上測量時間的噪聲為阿托法拉或 1 E-18F級。每個測試環境中可能要求進行實驗,來確定測試的最優測量時間。
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,然后再進行測量。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. 測量開路。在項目樹中選擇 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,包括數據點數和電壓階 躍數。只斷開 CVH (HCUR 和 HPOT) 電纜。確保未 端接的電纜蓋上帽子。運行開路測試。
3. 分析結果。在項目樹中選擇 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。


注意最新電容和開路測量及噪聲計算出現在 Sheet中。來自項目樹中所有測試的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 每次執行測試時,Sheet 表單中都會填寫最新數據。


Formulator中已經設置了一個公式, 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,自動計算補償后的電容測量。圖表顯示了補償后 的電容隨時間變化情況。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)、時間、噪聲、開路測量、補償后的測 量 ( 電容 ) 和平均電容 (AVG_CAP)。


4. 重復測量。選擇Run,可以從項目級重復測量,將自動計算補償的讀數。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路測量。這可能是由溫度偏移或電纜移動引起的。


總結
通過使用 Library 項目、正確連接和相應的測量技術 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,可以實現幾十阿托法托及以下的噪聲。如需進一步了解怎樣進行電容測量,包括線纜和連接、定時設置、保護和補償,可以參閱吉時利應用指南“使用 4200A-SCS 參數分析儀進行最優電容和AC阻抗測量”, https://www.tek.com.cn/keithley-4200a-scs-parameter-analyzer

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