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技术文章—CVU 电容电压单元进行fF飞法电容测量


半导体电容一般是皮法 (pF) 级或纳法(nF) 级 。 许多商用 LCR 或电容表可以使用适当的测量技术测量这些值 ， 包括补偿技术 。 但是 ， 某些应用要求飞法 (fF) 或 1e-15级的非常灵敏的电容测量 ， 包括测量金属到金属电容、晶圆上的互连电容、MEMS器件如开关、或者纳米器件上端子间的电容 。 如果没有使用适当的仪器和测量技术 ， 我们很难测量这些非常小的电容 。
通过使用工具 ， 如选配4215-CVU电容电压单元(CVU)的Keithley 4200A-SCS参数分析仪 ， 用户可以测量各种电容 ， 包括<1 pF的超低电容值 。 CVU设计有独特的电路 ， 通过 Clarius+ 软件进行控制 ， 支持多种特性和诊断工具 ， 确保最精确的测量结果 。 通过使用这个CVU及适当的技术 ， 用户可以实现超低电容测量 ， 支持几十阿法 (1e-18F) 的噪声 。
技术文章—CVU 电容电压单元进行fF飞法电容测量
本文插图
本文介绍了怎样使用 4215-CVU 电容电压单元进行飞法电容测量 ， 包括怎样进行正确的连接 ， 怎样在 Clarius 软件中使用正确的测试设置来获得最好的测量结果 。 如需进一步了解怎样进行电容测量 ， 包括线缆和连接、定时设置、保护和补偿 ， 可以参阅吉时利应用指南“使用 4200A-SCS 参数分析仪进行最优电容和AC阻抗测量” 。
连接器件
正确连接被测器件 (DUT) 对进行灵敏的低电容测量至关重要 。 为获得最好的测量结果 ， 应只使用随机自带的红色 SMA 电缆把 CVU 连接到 DUT 。 红色 SMA 电缆的特 性阻抗是 100W 。 并联的两条 100W电缆的特性阻抗是50W ， 这是高频源测量应用的标准配置 。 随机自带的附件可以使用BNC或SMA连接连到测试夹具或探头 。 使用随机自带的扭矩扳手 ， 紧固SMA电缆连接 ，确保接触良好 。
图 1 显示了2线传感的CVU配置 。 HCUR 和 HPOT 端子连接到BNCT形装置连接 ，构 成 CVH(HI)； LCUR和LPOT连接在一起 ， 构成 CVL(LO) 。 图2是DUT 4线传感实例 。在本例中 ， HCUR 和 HPOT 端子连接到器件的一端 ， LPOT 和 LCUR端子连接到器件的另一端 。 我们使用到器件的4线连接 ，通过尽可能靠近器件测量电压 ， 来简化灵敏的测量 。
技术文章—CVU 电容电压单元进行fF飞法电容测量
本文插图
不管是2线传感还是4线传感 ， 同轴电缆的外部屏蔽层必须尽可能近地连接到器件上 ， 以使屏蔽层的环路面积达到最小 。 这降低了电感 ， 有助于降低谐振效应 ，这种效应在 1 MHz 以上的频率时可能会带来负担 。
所有电缆要固定好 ， 避免移动 ， 因为在执行偏置测量和实际 DUT 测量之间发生的任何移动 ， 都可能会略微改变环路电感 ， 影响补偿的数据 。
在测量非常小的电容时 ， DUT屏蔽变得非常重要 ，以降低由于干扰引起的测量不确定度 。 干扰源可以是AC信号 ， 甚至是物理移动 。 金属屏蔽层应封闭DUT ， 连接到同轴电缆的外壳上 。 对低电容测量 ， 最好使用 4 线传感 ， 但如果电缆较短 ，并采用了补偿技术 ， 使用 2 线传感也能实现最优测量 。
配置 Clarius+ 软件进行飞法测量
在Clarius软件中设置测量时 ， 需要在 Library 中选择飞法项目 ， 配置测试设置 ， 执行测量 。
在 Library 中选择飞法 - 电容项目 。 Clarius软件Projects Library 中包括一个进行超低电容测量的项目 。 从 Select 视图中 ， 在搜索条中输入 “femtofarad”( 飞法 ) 。 窗口中将出现 femtofarad-capacitance( 飞法 - 电容 )项目 ， 选择Create ， 在项目树中打开项目 。
配置测试设置 。 一旦创建了项目 ，项目树中会出现 femtofarad-capacitance（飞法 - 电容）项目 。 这个项目有两项测试：(1)cap-measure-uncompensated 测试 ， 这项测试用来测量DUT的电 容；(2)open-meas 测试 ， 这项测试用来获得线缆和连接的电容 。 由于这些电容测量的灵敏度 ， 我们使用与DUT测量完全相同的设置 ， 来进行开路测量 。 然后从DUT 的电容测量中减去开路测量 。 这种方法在超低 电容测量中可以实现非常好的效果 。


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