线缆长度补偿是一种经常被忽视的校正技术。它是针对仪器厂商提供的某些特殊线缆进行相位偏移校正的。交流信号沿着线缆传输需要一定的时间,其在测量结果上产生的相位偏移正比于线缆长度和传输延迟。注意,交流阻抗表测量的实际上是阻抗和相位,因此线缆导致的任何相位偏移都表现为测量中的直接误差。大多数交流阻抗表都支持对一组预定的线缆长度选择补偿,例如0米、1.5米或3米。
随着测试频率的增大,C-V测量对相位误差越来越敏感,尤其是当频率高于1MHz时。不同的开关矩阵[1]、探针台线缆和探针都具有不同的路径长度,我们必须考虑这一因素并进行校正。不同的线缆还具有不同的传输延迟,因此有不同的相位误差。随便选择现有的同轴线缆不是明智之举,因为它可能与厂商电容计预定的传输延迟不匹配。幸运的是,某些新型的C-V表,例如吉时利的4210-CVU[2],能够测量并调节相位误差,针对不同的线缆系统和不同的路径长度进行补偿。
某些探针台的卡盘本身带有很长的连接探针台的线缆,它们可能与连接机械手的线缆类型不匹配。这会给基于卡盘的测量带来问题。如果可能,解决办法是采用双顶面接触。如果不可行,就要尽量使得连接卡盘的线缆与连接机械手的线缆相互匹配。大多数交流阻抗表最好采用带一组开氏线缆的,一条用于加力一条用于检测,但有时候在系统中同时采用两种线缆是不切实际的。这时,可以用T型连接方式把开氏引线连接在一起,只用一条线连接器件。这种方式会带来增益误差,尤其是对大电容。
卡盘本身就是一个非常沉重、复杂的负载,会影响测量精度。将交流阻抗表的交流激励端(通常称为高电流端)与卡盘相连,将电流探测端(通常称为低电流端)与机械手相连,可以得到最好的结果。
不同的线缆类型和线缆阻抗[3]也会带来问题。例如,某些C-V表是100欧姆的系统,某些是50欧姆的系统。通常我们最好选用交流电表厂商推荐的线缆。开关矩阵会产生很长的,有时候甚至是无法控制的阻抗路径。降低测试频率一般可以改善基于开关矩阵的测量效果。探针会增大与测量串联的接触电阻,可以采用短路校正的方法对其进行补偿。
表1汇总了典型的C-V测量误差源,并给出了相应的校正处理建议。
表1.
误差源 |
结果 |
校正处理 |
线缆长度 |
· 高频下产生增益误差 |
· 采用合适的线缆长度 · 对线缆长度进行软件校正 · 降低测试频率 |
探测臂、机械手长度 |
· 高频下产生增益误差 |
· 对线缆长度进行软件校正 · 降低测试频率 |
卡盘线缆与探测线缆不匹配 |
· 高频下产生增益误差 · 偏移电容 |
· 采用双顶面接触 · 对线缆长度进行软件校正 · 降低测试频率 |
开氏点之后的线缆长度 |
· 阻抗增益/偏移误差 |
· 采用较短的线缆 · 采用开路/短路校正 |
卡盘是一个沉重而复杂的负载 |
· 高频下产生增益误差 · 测得的C太低 · 测量噪声大 |
· 采用双顶面接触 · 将高电流端与卡盘相连 · 提高交流激励电平 · 降低测试频率 · 将卡盘地线与线缆地线跳接在一起 |
线缆类型和阻抗 |
· 线缆长度校正无法修复的阻抗增益/偏移误差 |
· 采用厂商推荐的线缆 · 注意线缆阻抗(50欧姆、75欧姆、100欧姆) |
开关矩阵 |
· 阻抗增益/偏移误差、测量噪声大 |
· 缩短线缆长度 · 降低测试频率 |
· 测量可重复性差 |
· 更换探针 · 采用开路/短路校正 |
结语
半导体C-V测量的精确性取决于高精度的测试仪器、精心设计的布线结构以及对这些底层测量原理的准确理解。在掌握这些方面之后,您就可以设计出能够满足测试应用需求的硬件和布线结构。
[1] 开关矩阵:http://www.keithley.com.cn/products/semiconductor/semiswitchsys/Lowcurrentswitchmatrix
[2] 4210-CVU: http://www.keithley.com.cn/products/accessories/adaptercable/?mn=4210-CVU
[3] 线缆阻抗:http://www.keithley.com.cn/llm/a/26.html
[4] 探针接触电阻:http://www.keithley.com.cn/semi/s600