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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 泰克

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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。

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。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。可以在 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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