微納電容測量挑戰：如何精準測量fF級超低電容？

典型的半導體電容在pF或nF范圍內。許多商業(yè)上可用的LCR表或電容計補償后可以使用適當的測量技術(shù)來(lái)測量這些值，然而，一些應用需要在飛秒法（fF）或1e-15范圍內進(jìn)行非常靈敏的電容測量。這些應用包括測量金屬到金屬的電容，晶片上的互連電容，MEMS器件，如：開(kāi)關(guān)，納米器件端子之間的電容。如果沒(méi)有使用適當的儀器和測量技術(shù)，這些非常小的電容很難進(jìn)行測量。

使用4200A-SCS參數分析儀配備的4215-CVU（CVU），用戶(hù)能夠測量大范圍的電容，<1pF非常低的電容值也能測到。CVU采用獨特的電路設計，并由Clarius+軟件控制，支持校準和診斷工具，以確保最準確的結果。使用這種CVU和適當的測量技術(shù)可以使用戶(hù)實(shí)現多個(gè)噪聲水平的非常低的電容（1e-18f）測量。

本應用說(shuō)明了如何使用4215-CVU電容電壓?jiǎn)卧M(jìn)行fF電容測量。這包括建立適當的連接和使用Clarius軟件中適當的測試設置，以獲得最好的結果。關(guān)于進(jìn)行電容測量的進(jìn)一步信息，包括電纜和連接、定時(shí)設置、保護和補償，可以在Keithley應用說(shuō)明中找到，使用4200A-SCS參數分析儀進(jìn)行最佳電阻和交流阻抗測量。

連接被測器件

與被測設備（DUT）進(jìn)行適當的連接對測量靈敏的低電容至關(guān)重要。

為了獲得最佳效果，使用標配的紅色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，這是高頻源測量應用的標準。所提供的附件允許通過(guò)BNC或SMA、連接件連接到測試夾具或探針上。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(xiàn)感知和測量的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(xiàn)測量的CVU連接

圖2是DUT四線(xiàn)測量的示例。在這種情況下，HCUR和HPOT端連接到設備的一端，LPOT和LCUR端連接到設備的另一端。將四線(xiàn)連接到設備上，通過(guò)測量盡可能接近設備的電壓來(lái)進(jìn)行敏感的測量。

圖2. 四線(xiàn)測量的CVU連接

對于雙線(xiàn)或四線(xiàn)測流量，同軸電纜的外部屏蔽必須盡可能接近設備，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，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)。在執行偏置測量和實(shí)際DUT測量之間時(shí)發(fā)生的任何運動(dòng)都可能輕微改變回路電感并影響補償數據。

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

對于低電容測量，最好使用四線(xiàn)測量，但是，如果電纜較短且使用補償，則可以實(shí)現雙線(xiàn)傳感的最佳測量。

測量fF電容的Clarius+軟件配置

在Clarius軟件中設置測量包括在庫中選擇fF項目、配置測試設置和執行測量。

◆ 選擇庫的的電容項目

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

圖3. 庫中fF電容測量項目

◆ 配置測試設置

一旦項目被創(chuàng )建，飛法電容項目將出現在項目樹(shù)中，如圖4所示。

圖4. 飛法電容項目樹(shù)

本項目有兩個(gè)測試：1）cap-measure-uncompensated測試項，用于測量DUT的電容。2) open-meas測試，用來(lái)獲取電纜和連接件的電容，由于這些電容測量的靈敏度，開(kāi)路測量用來(lái)保證DUT測量的精確度，開(kāi)路測量數據從DUT的電容測量值中減去。該方法能對極低電容的良好的測量結果。

對于成功的低電容測量，在配置窗口中適當地調整測量和定時(shí)設置是很重要的。以下是一些關(guān)于做出最佳調整的建議：

測量設置：用戶(hù)可以控制的一些設置：電流測量范圍、交流驅動(dòng)電壓和測試頻率。這些對測量很重要，因為它們涉及到確定器件電容的方程式。CVU根據Iac、Vac和測試頻率計算設備電容：

其中，

C = 器件電容 (F)

Iac = CVU測量的交流電流

f= 測試頻率

Vac = 交流驅動(dòng)電壓

通過(guò)觀(guān)察這些方程中的關(guān)系，可以推導出電流測量范圍、交流驅動(dòng)電壓和測試頻率的最佳設置。

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

交流驅動(dòng)電壓的水平會(huì )影響測量的信噪比。當交流噪聲水平保持相對恒定時(shí)，使用更高的交流驅動(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動(dòng)電壓。本項目采用了1V交流驅動(dòng)電壓。

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

定時(shí)設置：定時(shí)設置可以在“測試設置”窗口中進(jìn)行調整。速度模式設置使用戶(hù)能夠調整測量窗口。對于非常低的電容測量，請使用自定義速度模式來(lái)設置測量時(shí)間，以達到所需的精度和噪聲水平?；旧?，測量時(shí)間或窗口時(shí)間越長(cháng)，測量的噪聲就越小。噪聲與測量時(shí)間的平方根成反比，如下式所示：

該噪聲可以通過(guò)計算電容測量值的標準偏差來(lái)獲得。這個(gè)計算可以使用Clarius軟件中的公式編輯器自動(dòng)完成。cap-meas-uncompensated測試自動(dòng)計算噪聲并將值返回到表。

可以使用圖5中所示的測試設置窗口中的自定義速度模式來(lái)調整測量窗口。

圖5. “測試設置”窗口中的自定義速度模式測量

窗口的時(shí)間，計算方法如下：

Measurement Window = (A/D Aperture Time) *(FilterFactor2 or Filter Count)

表1列出了CVU噪聲作為測量窗口的函數，用兩線(xiàn)法將電容連接到CVU端子。噪聲的計算方法是取15個(gè)讀數的標準偏差，以及設置為0V直流、1MHz和1V交流驅動(dòng)電壓的測量值。該數據驗證了隨著(zhù)測量時(shí)間的增加，噪聲會(huì )減小。注意，以上噪聲是在≥1s的測量時(shí)間內f(wàn)F或1E-18F范圍內的噪聲?？赡苄枰诿總€(gè)測試環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗，以確定一個(gè)測試的最佳測量時(shí)間。

表1. 1ff電容的測量時(shí)間與噪聲的關(guān)系

◆ 執行測量

一旦配置了硬件和軟件，就可以執行測量。理想情況下，4200A-SCS應該在進(jìn)行測量前至少預熱一個(gè)小時(shí)。

按照這四個(gè)步驟進(jìn)行補償測量并重復結果。

1. 測量器件的電容。在項目樹(shù)中選擇cap-meas-uncompensated測試。在“配置”視圖中，根據設備和應用程序調整測試設置。運行該測試。

2. 測量開(kāi)路情況。在項目樹(shù)中選擇 open-meas

3. 測試。調整測試設置，使其與cap-meas-uncompensated測試中的測試設置完全相同，包括數據點(diǎn)數和電壓步數。僅斷開(kāi)CVH（HCUR和HPOT）電纜。確保未端接的電纜已進(jìn)行封蓋。運行開(kāi)路測試。

4. 分析結果。在項目樹(shù)中選擇femtofarad-capacitance項目，然后選擇分析視圖。圖6顯示了顯示補償的1fF測量值的屏幕截圖。

圖6. 1fF電容測量的分析圖表和圖形截圖

注意，最近的電容和開(kāi)路測量在表中噪聲測量計算的后面。項目樹(shù)中所有的測試數據將顯示在屏幕的右側。

如如圖7所示，選擇了capmeas-uncompensated和 open-meas測試的數據。這意味著(zhù)每次執行測試時(shí)，都將在工作表中填充最新的數據。

圖7. 從測試中得出的數據

在公式器中建立了一個(gè)公式，通過(guò)從項目級分析圖表中的capmeas-uncompensated測試 數 據 減 去open-meas 測試數據，自動(dòng)計算補償電容測量值。該圖顯示了補償的電容作為時(shí)間的函數。表中的電容列列出了補償的測量值以及所有讀數的平均電容。圖8顯示了電容測量數據（Cp-AB）、時(shí)間、噪聲、AB測量數據、補償測量數據（電容）和平均電容（AVG_CAP）。

圖8. 分析界面中顯示的測試數據

5. 重復測量?？梢赃\行在項目中重復某個(gè)測量。補償讀數將自動(dòng)計算。但是，open-meas測試不需要選擇，如圖9所示。如果數據出現意外移動(dòng)，應定期重復獲取的開(kāi)路數據。這可能因為了溫度的變化或電纜的運動(dòng)。

圖9. 在項目樹(shù)中不選擇open-meas測試

結論

4215-CVU利用庫項目、適當的連接、適當的測量技術(shù)和設置，可以測量fF水平電容。使用適當測量窗口的4215-CVU可以使幾十個(gè)aF范圍及以下的噪聲水平。