使用4215-CVU 電容電壓單元進(jìn)行fF飛法電容測量-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯使用4215-CVU電容電壓單元進(jìn)行fF飛法電容測量-設(shè)計應(yīng)用半導(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Keithley4200A-SCS參數(shù)分析儀，用戶可以測量各種電容，包括《1pF的超低電容值。CVU設(shè)計有獨(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，確保的測量結(jié)果。通過使用這個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、定時設(shè)置、保護(hù)和補(bǔ)償，可以參閱吉時利應(yīng)用指南“使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行電容和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DUT4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。這降低了電感，有助于降低諧振效應(yīng)，這種效應(yīng)在1MHz以上的頻率時可能會帶來負(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，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，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)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，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ProjectsLibrary中包括一個進(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)測量和定時設(shè)置。為進(jìn)行調(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和測試頻率中計算器件電容，公式如下：

觀察公式中的關(guān)系，可以推導(dǎo)出的設(shè)置，包括電流測量范圍、AC驅(qū)動電壓和測試頻率。CVU有三個電流測量范圍：1mA、30mA和1mA。對噪聲的電容測量，應(yīng)使用的電流范圍：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，使用盡可能高的AC驅(qū)動電壓。在這個項(xiàng)目中，我們使用了1VAC驅(qū)動電壓。

對超低電容測量，理想情況是使用大約1MHz的測試頻率。如果測試頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1MHz，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。

定時設(shè)置：可以在TestSettings窗口中調(diào)節(jié)定時設(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CustomSpeed自定義速度模式設(shè)置測量時間，實(shí)現(xiàn)想要的和噪聲。基本上，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(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算。cap-meas-uncompensated測試自動計算噪聲，把得到的值返回Sheet。可以在TestSetTIngs窗口中，使用CustomSpeed自定義速度模式調(diào)節(jié)測量窗口，如圖3所示。

圖3.TestSetTIngs窗口中的CustomSpeed自定義速度模式。

測量窗口的時間可以用下面的公式計算：

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

列出了CVU噪聲與測量窗口的關(guān)系，其使用1fF電容器連接到CVU的端子，在2線配置下生成。我們?nèi)?5個讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差，使用0VDC、1MHz和1VAC驅(qū)動電壓設(shè)置獲得測量，計算出噪聲。這一數(shù)據(jù)驗(yàn)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1E-18F級。每個測試環(huán)境中可能要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來確定測試的測量時間。

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，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1fF測量的截圖。

注意電容和開路測量及噪聲計算出現(xiàn)在Sheet中。來自項(xiàng)目樹中所有測試的DataSeries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LatestRun一輪測量的SeriesList系列列表。這意味著每次執(zhí)行測試時，Sheet表單中都會填寫數(shù)據(jù)。

Formulator中已經(jīng)設(shè)置了一個公式，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)，自動計算補(bǔ)償后的電容測量。圖表顯示了補(bǔ)償后的電容隨時間變化情況。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LatestRunSheet運(yùn)行表單數(shù)據(jù)及電容測量（Cp-AB）、時間、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