解密 fF 级超低电容测量：从挑战到精准实现

在电子测量领域，电容测量是一项基础且关键的工作。典型的半导体电容通常处于 pF 或 nF 范围，许多商业可用的 LCR 表或电容计在经过补偿后，运用适当的测量技术便可对这些数值进行测量。然而，在一些特殊应用场景中，如测量金属到金属的电容、晶片上的互连电容、MEMS 器件（如开关）以及纳米器件端子之间的电容等，需要进行飞秒法（fF，即 1e - 15）范围内极为灵敏的电容测量。若未使用合适的仪器和测量技术，这些极小电容的测量将困难重重。

泰克科技的 4200A - SCS 参数分析仪配备的 4215 - CVU（CVU）为解决这一难题提供了有效方案。用户借助该设备能够测量大范围的电容，甚至可以测到 < 1pF 的极低电容值。CVU 采用了独特的电路设计，并由 Clarius + 软件进行控制，还支持校准和诊断工具，可确保测量结果的准确性。通过使用这种 CVU 以及恰当的测量技术，用户能够实现对多个噪声水平下的极低电容（1e - 18f）的测量。

连接被测器件

与被测设备（DUT）进行恰当连接对于测量灵敏的低电容至关重要。为获取测量效果，应使用标配的红色 SMA 电缆从 CVU 连接到 DUT。该红色 SMA 电缆的特征阻抗为 100Ω，两根 100Ω 并联电缆具有 50Ω 的特性阻抗，这是高频源测量应用的标准配置。所提供的附件允许通过 BNC 或 SMA 连接件连接到测试夹具或探针上。使用提供的扭矩扳手拧紧 SMA 电缆连接，以保证良好的接触。

双线感知和测量的 CVU 配置如图 1 所示，HCUR 和 HPOT 端子连接到 BNC 三通，形成 CVH（HI），LCUR 和 LPOT 端子连接到形成 CVL（LO）。

图 1：双线测量的 CVU 连接

图 2 是 DUT 四线测量的示例。在此情况下，HCUR 和 HPOT 端连接到设备的一端，LPOT 和 LCUR 端连接到设备的另一端。将四线连接到设备上，通过尽可能接近设备测量电压来进行敏感测量。

图 2：四线测量的 CVU 连接

对于双线或四线测量，同轴电缆的外部屏蔽必须尽可能靠近设备，以尽量减小屏蔽的环路面积。这有助于降低电感，并避免共振效应，尤其是在大于 1MHz 的频率下，共振效应的影响更为显著。同时，要确保所有电缆安装牢固，避免任何移动。因为在执行偏置测量和实际 DUT 测量之间发生的任何运动都可能轻微改变回路电感，从而影响补偿数据。当测量极小电容时，对 DUT 进行屏蔽对于减少因干扰导致的测量不确定性十分重要，干扰源可能是交流信号甚至物理运动。金属屏蔽应包围 DUT，并连接到同轴电缆的外壳上。对于低电容测量，采用四线测量，但如果电缆较短且使用补偿，双线传感也能实现测量效果。

测量 fF 电容的 Clarius + 软件配置

在 Clarius 软件中进行测量设置包括在库中选择 fF 项目、配置测试设置和执行测量。

1. 选择库的电容项目
   Clarius 软件的项目库中包含用于进行极小电容测量的项目。在选择视图的搜索栏中输入 “femtofarad”，fF 电容项目将出现在窗口中，如图 3 所示。选择 “创建”，即可在项目树中打开该项目。
   

   

   
   图 3：库中 fF 电容测量项目
2. 配置测试设置
   项目创建后，飞法电容项目将出现在项目树中，如图 4 所示。该项目包含两个测试：一是 cap - measure - uncompensated 测试项，用于测量 DUT 的电容；二是 open - meas 测试，用于获取电缆和连接件的电容。由于这些电容测量的灵敏度要求较高，开路测量可保证 DUT 测量的度，开路测量数据将从 DUT 的电容测量值中减去，这种方法能获得极低电容的良好测量结果。

对于成功的低电容测量，在配置窗口中合理调整测量和定时设置至关重要。以下是一些调整建议：

• 测量设置：用户可控制的设置包括电流测量范围、交流驱动电压和测试频率。这些设置对于测量至关重要，因为它们涉及确定器件电容的方程式。CVU 根据 Iac、Vac 和测试频率计算设备电容，公式为，其中为器件电容（F），为 CVU 测量的交流电流，为测试频率，为交流驱动电压。通过分析这些方程中的关系，可以推导电流测量范围、交流驱动电压和测试频率的设置。CVU 有三个电流测量范围：1μA、30μA 和 1mA。对于噪声的电容测量，应使用电流范围，即 1μA 范围。交流驱动电压的水平会影响测量的信噪比。当交流噪声水平相对恒定时，使用更高的交流驱动电压会产生更大的交流电流，从而提高信噪比。因此，使用尽可能高的交流驱动电压，本项目采用了 1V 交流驱动电压。对于极低的电容测量，使用大约 1MHz 的测试频率较为理想。因为测试频率远高于 1MHz 时，传输线效应会增加成功测量的难度；而在较低的测试频率下，由于测试频率和电流成比例，测量值的分辨率会降低，从而产生更大的噪声。
• 定时设置：定时设置可在 “测试设置” 窗口中进行调整。速度模式设置使用户能够调整测量窗口。对于极低的电容测量，建议使用自定义速度模式来设置测量时间，以达到所需的精度和噪声水平。一般来说，测量时间或窗口时间越长，测量的噪声就越小。噪声与测量时间的平方根成反比，该噪声可通过计算电容测量值的标准偏差获得，此计算可使用 Clarius 软件中的公式编辑器自动完成。cap - meas - uncompensated 测试会自动计算噪声并将值返回到表。

测量窗口的时间计算方法为：Measurement Window = (A/D Aperture Time) * (Filter Factor2 or Filter Count)。表 1 列出了 CVU 噪声作为测量窗口的函数，用两线法将电容连接到 CVU 端子。噪声的计算方法是取 15 个读数的标准偏差，以及设置为 0V 直流、1MHz 和 1V 交流驱动电压的测量值。该数据验证了随着测量时间的增加，噪声会减小。需要注意的是，以上噪声是在≥1s 的测量时间内 fF 或 1E - 18F 范围内的噪声。可能需要在每个测试环境中进行实验，以确定一个测试的测量时间。

测量时间（s）	噪声（fF）
1	[具体噪声值 1]
2	[具体噪声值 2]
3	[具体噪声值 3]
...	...
表 1：1ff 电容的测量时间与噪声的关系

3. 执行测量
   硬件和软件配置完成后，即可执行测量。理想情况下，4200A - SCS 应在进行测量前至少预热一个小时。按照以下四个步骤进行补偿测量并重复结果：

• 测量器件的电容。在项目树中选择 cap - measure - uncompensated 测试，在 “配置” 视图中，根据设备和应用程序调整测试设置，然后运行该测试。
• 测量开路情况。在项目树中选择 open - meas 测试，调整测试设置，使其与 cap - measure - uncompensated 测试中的测试设置完全相同，包括数据点数和电压步数。仅断开 CVH（HCUR 和 HPOT）电缆，确保未端接的电缆已进行封盖，然后运行开路测试。
• 分析结果。在项目树中选择 femtofarad - capacitance 项目，然后选择分析视图。图 6 显示了显示补偿的 1fF 测量值的屏幕截图。
  

需要注意的是，近的电容和开路测量在表中噪声测量计算的后面，项目树中所有的测试数据将显示在屏幕的右侧。