微納電容測(cè)量挑戰(zhàn)：如何精準(zhǔn)測(cè)量fF級(jí)超低電容？

典型的半導(dǎo)體電容在pF或nF范圍內(nèi)。許多商業(yè)上可用的LCR表或電容計(jì)補(bǔ)償后可以使用適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/測(cè)量">測(cè)量技術(shù)來(lái)測(cè)量這些值，然而，一些應(yīng)用需要在飛秒法（fF）或1e-15范圍內(nèi)進(jìn)行非常靈敏的電容測(cè)量。這些應(yīng)用包括測(cè)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(cè)量技術(shù)，這些非常小的電容很難進(jìn)行測(cè)量。

使用4200A-SCS參數(shù)分析儀配備的4215-CVU（CVU），用戶能夠測(cè)量大范圍的電容，<1pF非常低的電容值也能測(cè)到。CVU采用獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)，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(cè)量技術(shù)可以使用戶實(shí)現(xiàn)多個(gè)噪聲水平的非常低的電容（1e-18f）測(cè)量。

本應(yīng)用說明了如何使用4215-CVU電容電壓?jiǎn)卧M(jìn)行fF電容測(cè)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(cè)試設(shè)置，以獲得最好的結(jié)果。關(guān)于進(jìn)行電容測(cè)量的進(jìn)一步信息，包括電纜和連接、定時(shí)設(shè)置、保護(hù)和補(bǔ)償，可以在Keithley應(yīng)用說明中找到，使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電阻和交流阻抗測(cè)量。

連接被測(cè)器件

與被測(cè)設(shè)備（DUT）進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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）。

圖1. 雙線測(cè)量的CVU連接

圖2是DUT四線測(cè)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(cè)量盡可能接近設(shè)備的電壓來(lái)進(jìn)行敏感的測(cè)量。

圖2. 四線測(cè)量的CVU連接

對(duì)于雙線或四線測(cè)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(dòng)。在執(zhí)行偏置測(cè)量和實(shí)際DUT測(cè)量之間時(shí)發(fā)生的任何運(yùn)動(dòng)都可能輕微改變回路電感并影響補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

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

對(duì)于低電容測(cè)量，最好使用四線測(cè)量，但是，如果電纜較短且使用補(bǔ)償，則可以實(shí)現(xiàn)雙線傳感的最佳測(cè)量。

測(cè)量fF電容的Clarius+軟件配置

在Clarius軟件中設(shè)置測(cè)量包括在庫(kù)中選擇fF項(xiàng)目、配置測(cè)試設(shè)置和執(zhí)行測(cè)量。

◆ 選擇庫(kù)的的電容項(xiàng)目

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

圖3. 庫(kù)中fF電容測(cè)量項(xiàng)目

◆ 配置測(cè)試設(shè)置

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

圖4. 飛法電容項(xiàng)目樹

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

對(duì)于成功的低電容測(cè)量，在配置窗口中適當(dāng)?shù)卣{(diào)整測(cè)量和定時(shí)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(cè)量設(shè)置：用戶可以控制的一些設(shè)置：電流測(cè)量范圍、交流驅(qū)動(dòng)電壓和測(cè)試頻率。這些對(duì)測(cè)量很重要，因?yàn)樗鼈兩婕暗酱_定器件電容的方程式。CVU根據(jù)Iac、Vac和測(cè)試頻率計(jì)算設(shè)備電容：

其中，

C = 器件電容 (F)

Iac = CVU測(cè)量的交流電流

f= 測(cè)試頻率

Vac = 交流驅(qū)動(dòng)電壓

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

CVU有三個(gè)電流測(cè)量范圍：1μA、30μA和1mA。對(duì)于噪聲最小的最低電容測(cè)量，使用最低電流范圍，1μA范圍。

交流驅(qū)動(dòng)電壓的水平會(huì)影響測(cè)量的信噪比。當(dāng)交流噪聲水平保持相對(duì)恒定時(shí)，使用更高的交流驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓。本項(xiàng)目采用了1V交流驅(qū)動(dòng)電壓。

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

定時(shí)設(shè)置：定時(shí)設(shè)置可以在“測(cè)試設(shè)置”窗口中進(jìn)行調(diào)整。速度模式設(shè)置使用戶能夠調(diào)整測(cè)量窗口。對(duì)于非常低的電容測(cè)量，請(qǐng)使用自定義速度模式來(lái)設(shè)置測(cè)量時(shí)間，以達(dá)到所需的精度和噪聲水平。基本上，測(cè)量時(shí)間或窗口時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)量的噪聲就越小。噪聲與測(cè)量時(shí)間的平方根成反比，如下式所示：

該噪聲可以通過計(jì)算電容測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)獲得。這個(gè)計(jì)算可以使用Clarius軟件中的公式編輯器自動(dòng)完成。cap-meas-uncompensated測(cè)試自動(dòng)計(jì)算噪聲并將值返回到表。

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

圖5. “測(cè)試設(shè)置”窗口中的自定義速度模式測(cè)量

窗口的時(shí)間，計(jì)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(cè)量窗口的函數(shù)，用兩線法將電容連接到CVU端子。噪聲的計(jì)算方法是取15個(gè)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(dòng)電壓的測(cè)量值。該數(shù)據(jù)驗(yàn)證了隨著測(cè)量時(shí)間的增加，噪聲會(huì)減小。注意，以上噪聲是在≥1s的測(cè)量時(shí)間內(nèi)fF或1E-18F范圍內(nèi)的噪聲?？赡苄枰诿總€(gè)測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確定一個(gè)測(cè)試的最佳測(cè)量時(shí)間。

表1. 1ff電容的測(cè)量時(shí)間與噪聲的關(guān)系

◆ 執(zhí)行測(cè)量

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

按照這四個(gè)步驟進(jìn)行補(bǔ)償測(cè)量并重復(fù)結(jié)果。

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

2. 測(cè)量開路情況。在項(xiàng)目樹中選擇 open-meas

3. 測(cè)試。調(diào)整測(cè)試設(shè)置，使其與cap-meas-uncompensated測(cè)試中的測(cè)試設(shè)置完全相同，包括數(shù)據(jù)點(diǎn)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(jìn)行封蓋。運(yùn)行開路測(cè)試。

4. 分析結(jié)果。在項(xiàng)目樹中選擇femtofarad-capacitance項(xiàng)目，然后選擇分析視圖。圖6顯示了顯示補(bǔ)償?shù)?fF測(cè)量值的屏幕截圖。

圖6. 1fF電容測(cè)量的分析圖表和圖形截圖

注意，最近的電容和開路測(cè)量在表中噪聲測(cè)量計(jì)算的后面。項(xiàng)目樹中所有的測(cè)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(cè)試的數(shù)據(jù)。這意味著每次執(zhí)行測(cè)試時(shí)，都將在工作表中填充最新的數(shù)據(jù)。

圖7. 從測(cè)試中得出的數(shù)據(jù)

在公式器中建立了一個(gè)公式，通過從項(xiàng)目級(jí)分析圖表中的capmeas-uncompensated測(cè)試 數(shù) 據(jù) 減 去open-meas 測(cè)試數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償電容測(cè)量值。該圖顯示了補(bǔ)償?shù)碾娙葑鳛闀r(shí)間的函數(shù)。表中的電容列列出了補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量值以及所有讀數(shù)的平均電容。圖8顯示了電容測(cè)量數(shù)據(jù)（Cp-AB）、時(shí)間、噪聲、AB測(cè)量數(shù)據(jù)、補(bǔ)償測(cè)量數(shù)據(jù)（電容）和平均電容（AVG_CAP）。

圖8. 分析界面中顯示的測(cè)試數(shù)據(jù)

5. 重復(fù)測(cè)量。可以運(yùn)行在項(xiàng)目中重復(fù)某個(gè)測(cè)量。補(bǔ)償讀數(shù)將自動(dòng)計(jì)算。但是，open-meas測(cè)試不需要選擇，如圖9所示。如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)意外移動(dòng)，應(yīng)定期重復(fù)獲取的開路數(shù)據(jù)。這可能因?yàn)榱藴囟鹊淖兓螂娎|的運(yùn)動(dòng)。

圖9. 在項(xiàng)目樹中不選擇open-meas測(cè)試

結(jié)論

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