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。

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。

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。

为成功地进行低电容测量，一定要在 Configure 视图窗口中相应地调节测量和定时设置。为进行最优调节， 部分建议如下：

测量设置：用户可以控制的部分设置是电流测量范围、AC驱动电压和测试频率。这对测量非常重要，因为确定器件电容的公式中涉及到这些项目。CVU从 Iac、Vac和测试频率中计算器件电容，公式如下：

观察公式中的关系，可以推导出最优的设置， 包括电流测量范围、AC 驱动电压和测试频率。CVU 有三个电流测量范围：1mA、30mA 和 1mA。对噪声最低的最低电容测量，应使用最低的电流范围：1mA 范围。

AC 驱动电压可能会影响测量的信噪比。AC 噪声电平保持相对恒定，使用更高的 AC 驱动电压则会生成更大的AC电流，从而改善信噪比。因此，最好使用尽可能高的 AC 驱动电压。在这个项目中，我们使用了1 V AC 驱动电压。

对超低电容测量，理想情况是使用大约 1 MHz 的测试频率。如果测试频率远远高于 1 MHz，那么传输线效 应会提高成功进行测量的难度。如果测试频率较低， 那么测量分辨率会下降，因为测试频率和电流是成比例的，所以测量噪声会提高。

定时设置：可以在 Test Settings 窗口中调节定时设置。 Speed 模式设置允许用户调节测量窗口。对超低电容 测量，可以使用 Custom Speed 自定义速度模式设置测量时间，实现想要的精度和噪声。基本上，测量时间或窗口越长，测量的噪声越少。噪声与测量时间的 平方根成反比，如下面的公式所示：

通过计算电容测量的标准方差，可以得到噪声。在Clarius软件中，使用 Formulator 可以自动完成这一计算。cap-meas-uncompensated 测试自动计算噪 声，把得到的值返回 Sheet。可以在 Test Settings窗口中，使用Custom Speed 自定义速度模式调节测量窗口，如图3所示。

图 3. Test Settings 窗口中的 Custom Speed自定义速度模式。

测量窗口的时间可以用下面的公式计算：

测量窗口 = ( 模数转换孔径时间 ) * (FilterFactor2 或滤波数 )

表 1. 1 fF电容器的测量时间相对于噪声关系。

表 1 列出了 CVU 噪声与测量窗口的关系，其使用 1 fF 电容器连接到 CVU 的端子，在 2 线配置下生成。 我们取15个读数的标准方差，使用0 V DC、1 MHz 和1 V AC驱动电压设置获得测量，计算出噪声。这一数据验证了噪声随测量时间提高而下降。注意 1 秒及以上测量时间的噪声为阿托法拉或 1 E-18F级。每个测试环境中可能要求进行实验，来确定测试的最优测量时间。

执行测量

一旦硬件和软件配置完成，我们就可以执行测量。在理想情况下，4200A-SCS应预热至少一小时，然后再进行测量。用下面四步获得补偿后的测量，重复测试结果。

1. 测量器件的电容。在项目树中选择 cap-meas-uncompensated 测试。在 Configure 视图中，根据 器件和应用调节测试设置。运行测试。

2. 测量开路。在项目树中选择 open-meas 测试。把 测试设置调节到与 cap-meas-uncompensated 测 试中的测试设置完全相同，包括数据点数和电压阶 跃数。只断开 CVH (HCUR 和 HPOT) 电缆。确保未 端接的电缆盖上帽子。运行开路测试。

3. 分析结果。在项目树中选择 femtofarad-capaci-tance 项目，选择 Analyze 视图。图 4 是显示了补偿后的 1 fF 测量的截图。

图 4. Analyze 视图Sheet表单和Graph示图截图显示了 1 fF测量。

注意最新电容和开路测量及噪声计算出现在 Sheet中。来自项目树中所有测试的Data Series出现在屏幕右侧。如图5所示，我们选择了从capmeas-uncompensated和 open-meas 测试中获得的 Latest Run 最新一轮测量的Series List 系列列表。这意味着 每次执行测试时，Sheet 表单中都会填写最新数据。

图 5. 来自测试的 Data Series。

Formulator中已经设置了一个公式， 在 Project级Analyze视图表单Sheet 中， 从 cap-meas-uncompensated 测试数据中减去 open-meas 测试数 据，自动计算补偿后的电容测量。图表显示了补偿后 的电容随时间变化情况。Sheet中的 CAPACITANCE 栏列出了补偿后的测量以及所有读数的平均电容。图6显示了 Latest Run Sheet 最新运行表单数据及电容 测量 (Cp-AB)、时间、噪声、开路测量、补偿后的测 量 ( 电容 ) 和平均电容(AVG_CAP)。

图 6. Analyze 视图表单 Sheet 中显示的测试数据。

4. 重复测量。选择Run，可以从项目级重复测量，将自动计算补偿的读数。但是，一定不能勾选 open-meas测试，如图7所示。如果数据以非预期的方式运行，应定期重复采集的开路测量。这可能是由温度偏移或电缆移动引起的。

图 7. 不要勾选 open-meas 测试，从项目级 Analyze 视图中重复测量。

总结

通过使用 Library 项目、正确连接和相应的测量技术 和设置，我们可以使用 4215-CVU 测量飞法级电容。使用 4215-CVU 及相应的测量窗口，可以实现几十阿托法托及以下的噪声。