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Kelvin四綫測試(shì)電(diàn)阻(zǔ)技術及應(yīng)用

日期：2012-08-02瀏覽：6690次(cì)

Kelvin四綫(xiàn)測(cè)試電阻技術及應用

 

 
　 1　引 言(yán)
　　在半(bàn)導體(tǐ)工(gōng)藝(yì)中(zhōng)許多器件(jiàn)的(dí)重要參數(shù)和(hé)性能都與薄(báo)層(céng)電(diàn)阻有(yǒu)關(guān)，為(wéi)提(tí)高厚，薄膜集成電路(lù)和(hé)片式(shì)電阻的生產精(jīng)度(dù)，需(xū)要(yào)使用設(shè)備(bèi)儀器如(rú)探針台(tái)，激(jī)光調(tiáo)阻機對其(qí)進行(háng)測(cè)試或修調。一(yī)般(bān)所(suǒ)用的(dí)測量(liáng)儀器或(huò)設(shè)備都(dū)包含(hán)連接，激勵，測量和(hé)顯示單(dān)元(yuán)，有(yǒu)時(shí)還有(yǒu)後期數據(jù)處(chǔ)理單(dān)元。采(cǎi)用不同的測量(liáng)方法和不同的(dí)連接方式引入的測(cè)量(liáng)誤差不(bù)同，得到(dào)的(dí)測量(liáng)精(jīng)度也(yě)不同。通(tōng)常(cháng)開關矩陣(zhèn)中(zhōng)繼電(diàn)器(qì)觸點(diǎn)閉合(hé)電(diàn)阻為(wéi)1Ω左右，FET開關(guān)打(dǎ)開(kāi)時的電阻(zǔ)為(wéi)十(shí)幾歐，引(yǐn)綫電阻為(wéi)幾(jī)百毫(háo)歐。如何(hé)根據需(xū)要(yào)減少測量誤差是測(cè)試(shì)技(jì)術的關鍵之(zhī)一。
　　2　電阻測(cè)試(shì)基本原理
　　在電阻(zǔ)測試(shì)中(zhōng)我們(mén)常采(cǎi)用恒流測壓方法(fǎ)，惠(huì)斯通(tōng)電橋(qiáo)（單臂電橋）和雙臂(bì)電(diàn)橋方(fāng)法(fǎ)。
　　2.1 恒流測壓方(fāng)法(fǎ)
　　圖1中， r是(shì)引綫電阻與接觸電阻(zǔ)之(zhī)和(hé)；I是程控恒(héng)流(liú)電流源； V是具有*輸入阻抗的(dí)電壓表(biǎo)，它(tā)對恒流(liú)電流(liú)源(yuán)不產生分(fēn)流作(zuò)用。施(shī)加已知的恒定電流I，流過(guò)被(bèi)測電阻R t，然(rán)後(hòu)測量(liáng)出電(diàn)阻兩端的(dí)電壓(yā)V，當R t＞＞ r時(shí)，根據公式Rt＝V/ I就可算出電阻值。
　　2.2 惠(huì)斯(sī)通電橋方法(fǎ)
　　圖2中，V1，V 2是程(chéng)控恒電壓(yā)源(yuán)；Rstd是(shì)標準(zhǔn)電(diàn)阻； Rt是被(bèi)測電(diàn)阻；I是(shì)電(diàn)流表。當(dāng)電橋平衡即(jí)流過電流(liú)表(biǎo)I的(dí)電(diàn)流(liú)為零(líng)時(shí)，有(yǒu)V1 /V2=Rstd/R t，由(yóu)此(cǐ)可計(jì)算出Rt＝R std×V2/V1 。
　　2.3 雙臂電橋方法
　　單(dān)臂電橋測量範圍為10～106 Ω，單(dān)電(diàn)橋測(cè)幾歐(ōu)姆的(dí)低(dī)電(diàn)阻時，引(yǐn)綫(xiàn)電阻和接觸(chù)電阻已經不(bù)可忽略。而雙(shuāng)臂(bì)電橋適用(yòng)於10-6～102 Ω電(diàn)阻(zǔ)的測量，它是改進的單(dān)臂(bì)電橋(qiáo)，如圖3。將(jiāng)電橋(qiáo)中的(dí)中低(dī)電阻 Rt和R改成(chéng)四端接法(fǎ)，並在橋路(lù)中(zhōng)增(zēng)加兩個(gè)高阻(zǔ)電阻R3和(hé)R4，則大大降(jiàng)低了引綫(xiàn)電阻和(hé)接觸(chù)電阻的(dí)影(yǐng)響。詳細介紹(shào)參見(jiàn)文(wén)獻[1]。
本(běn)文(wén)主(zhǔ)要介(jiè)紹(shào)恒流測(cè)壓(yā)法。當(dāng)被(bèi)測電(diàn)阻(zǔ)阻(zǔ)值遠(yuǎn)遠大於(yú)測試(shì)引(yǐn)綫電(diàn)阻和測(cè)試探(tàn)針與測(cè)試點(diǎn)的接觸(chù)電(diàn)阻時，采用(yòng)圖1所示的兩綫(xiàn)測(cè)試(shì)的基本方法(fǎ)是(shì)可(kě)行的，並(bìng)且(qiě)也可以獲得(dé)相當高(gāo)的測(cè)試(shì)精度。
　3 開(kāi)爾文連(lián)接(jiē)測(cè)試技術
　　當被(bèi)測電阻(zǔ)阻(zǔ)值(zhí)小於幾歐(ōu)，測試引(yǐn)綫的(dí)電(diàn)阻(zǔ)和探(tàn)針與(yǔ)測(cè)試(shì)點的接觸電阻與被(bèi)測電阻相(xiāng)比(bǐ)已(yǐ)不(bù)能忽(hū)略(lüè)不(bù)計(jì)時，若(ruò)仍采用兩綫(xiàn)測(cè)試方(fāng)法必(bì)將(jiāng)導致測(cè)試誤差(chà)增(zēng)大(dà)。此時(shí)可采用開爾文連(lián)接方式（或稱四綫(xiàn)測(cè)試(shì)方式）來(lái)進行(háng)測(cè)試(shì)，如圖4。
　　開爾文(wén)連接(jiē)有(yǒu)兩(liǎng)個要求：對於每個(gè)測(cè)試點都有(yǒu)一條激勵綫(xiàn)F和一(yī)條檢測(cè)綫(xiàn)S，二者嚴格分開(kāi)，各自構(gòu)成獨立(lì)回路(lù)；同時要(yào)求(qiú)S綫(xiàn)必須(xū)接到(dào)一個有*輸入阻抗的(dí)測(cè)試回(huí)路(lù)上(shàng)，使(shǐ)流(liú)過(guò)檢(jiǎn)測綫(xiàn)S的(dí)電(diàn)流極小，近(jìn)似為零。
　　圖4中r表示引(yǐn)綫(xiàn)電阻和探針與測試點的接觸(chù)電阻之(zhī)和(hé)。由於流(liú)過測試(shì)回路(lù)的(dí)電流為零(líng)，在(zài) r3，r4上(shàng)的(dí)壓降也(yě)為零，而激勵(lì)電流 I在(zài)r1，r2上的壓(yā)降(jiàng)不(bù)影響(xiǎng)I在被測電阻(zǔ)上的壓降，所以電壓表可(kě)以準(zhǔn)確測出 Rt兩端(duān)的電(diàn)壓值，從(cóng)而準確(què)測量出R t的(dí)阻(zǔ)值(zhí)。測(cè)試結果和r無關,有效地減小了(liǎo)測量誤(wù)差。
　　按照作(zuò)用(yòng)和(hé)電(diàn)位的(dí)高低，這四條綫(xiàn)分(fēn)別被(bèi)稱為高電位施(shī)加綫（HF），低(dī)電(diàn)位施(shī)加(jiā)綫（LF），高電(diàn)位檢測(cè)綫（HS）和(hé)低(dī)電位(wèi)檢測(cè)綫（LS）。
　　4 電(diàn)阻隔(gé)離(lí)測試技術
　　對(duì)於(yú)施(shī)加(jiā)的恒(héng)定(dìng)激勵電流能全部(bù)流(liú)過被測電(diàn)阻的情(qíng)況下，使(shǐ)用(yòng)上(shàng)述(shù)方法測(cè)試是很(hěn)簡便(biàn)的，比如(rú)測(cè)試單個電(diàn)阻(zǔ)。但我(wǒ)們(mén)還常(cháng)常(cháng)遇(yù)到(dào)被(bèi)測(cè)電(diàn)阻與一(yī)個電阻網(wǎng)絡(luò)並(bìng)聯的(dí)情(qíng)況，這(zhè)個電阻網絡會對(duì)施加(jiā)電(diàn)流有(yǒu)分(fēn)流(liú)作(zuò)用，導(dǎo)致無法(fǎ)采(cǎi)用(yòng)上(shàng)述方(fāng)法進行測試，在這(zhè)種情況(kuàng)下我(wǒ)們(mén)必須采用(yòng)電(diàn)阻隔離(lí)測試技(jì)術，其(qí)測(cè)試(shì)電(diàn)路(lù)原理(lǐ)如圖5。
　　圖中，Rt是(shì)被測電阻(zǔ)， R1，R2串聯後再與 Rt並聯(lián)；A1，A2是高(gāo)輸入阻抗，高(gāo)精(jīng)度(dù)運(yùn)算(suàn)放大器；DVA是高輸(shū)入阻(zǔ)抗(kàng)，高精(jīng)度差(chà)分(fēn)電(diàn)壓的程控放大(dà)倍數儀用(yòng)放大(dà)器(qì)，它的(dí)輸(shū)出(chū)與(yǔ)數模轉換ADC相(xiāng)連(lián)；DAC是電流輸出(chū)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，DAC與(yǔ)A1構成(chéng)程控(kòng)恒流(liú)源；根據(jù)計(jì)算機控製(zhì)，DAC輸出不同的恒(héng)定電流(liú)If。
　　A2構(gòu)成(chéng)電(diàn)壓跟隨(suí)電路(lù)使Vc =Ｖb，從(cóng)而I1=0。因此(cǐ)計(jì)算機通(tōng)過16位(wèi)電(diàn)流輸(shū)出型DAC設定(dìng)If 就(jiù)控(kòng)製了流過(guò)被測(cè)電阻Rt的電流I t，再通過(guò)由(yóu)DVA和ADC構(gòu)成的電壓檢(jiǎn)測電路測(cè)試(shì)出 Rt兩端的(dí)電壓(yā)就可算出Rt 的(dí)阻值。
　　這(zhè)種(zhǒng)方法(fǎ)等效(xiào)於將R1 斷(duàn)開，把被測電阻單獨隔(gé)離開(kāi)來進(jìn)行測(cè)試的情(qíng)況(kuàng)，因此(cǐ)稱(chēng)其為電(diàn)阻隔離(lí)測試(shì)技術(shù)。
　5 分離開(kāi)爾文(wén)連(lián)接(jiē)測試電阻(zǔ)
　　電阻(zǔ)隔(gé)離測(cè)試對絕大多(duō)數復(fù)雜(zá)電阻(zǔ)網絡都(dū)適用(yòng)，但應用到極(jí)少數(shù)電(diàn)阻值(zhí)比(bǐ)率極大(dà)的(dí)電(diàn)阻(zǔ)網絡時(shí)就(jiù)會產(chǎn)生(shēng)一(yī)些(xiē)問(wèn)題。如圖(tú)6， R2/R1=6000，R 3/R1=4000，如果按(àn)圖5連(lián)接(jiē)來測試電(diàn)阻 R3時（即(jí)圖(tú)6-（a）連(lián)接(jiē)），設施加電(diàn)流 It為200μA，則(zé)在R3 兩(liǎng)端(duān)產(chǎn)生8V壓(yā)降，R2由於被(bèi)隔(gé)離，其兩端電(diàn)壓(yā)為(wéi)零，所以在(zài)R1兩端必然(rán)產(chǎn)生8V電壓，導致(zhì) R2的(dí)功(gōng)耗為 V2/R1=6.4W，這顯然(rán)是不允(yǔn)許的。如果(guǒ)把HP和(hé)LP 位(wèi)置(zhì)互換，由於A2不是(shì)理想(xiǎng)器件，存在一(yī)定的失(shī)調電壓(yā) Vos,即使小到(dào)20μV,在(zài)R1 上(shàng)也會(huì)產生(shēng)2μA的電流，使流過(guò)R3的(dí)電(diàn)流產(chǎn)生1％的偏差，造成(chéng)測(cè)試精(jīng)度(dù)大(dà)大(dà)下(xià)降(jiàng)。
　　在(zài)這(zhè)種(zhǒng)情況(kuàng)下(xià)可以(yǐ)采(cǎi)用一(yī)種變形(xíng)的開(kāi)爾(ěr)文連(lián)接方式來進行(háng)測試，不(bù)再(zài)使用(yòng)隔(gé)離方法(fǎ)。它(tā)仍采用四根綫，但(dàn)根(gēn)據需要(yào)將(jiāng)其中一對(duì)或兩對F，S綫分開(kāi)接(jiē)在(zài)不同(tóng)的(dí)點上來進行(háng)測試。這(zhè)種方式(shì)稱為(wéi)分(fēn)離(lí)開(kāi)爾文連接方(fāng)式。本例中(zhōng)三個(gè)電阻要(yào)進行(háng)四次測(cè)試才(cái)能計算出它們的阻值，四次測試(shì)的接法分別見圖6中(zhōng)的表(biǎo)，圖中(zhōng)1,2,3點為連接點。圖(tú)6-（b） 接法(fǎ)可直(zhí)接(jiē)測(cè)出R1的(dí)值；圖6-（c）可(kě)測出 R2與(yǔ)R3的並聯(lián)值(zhí)R p；圖6-（d）和(hé)圖6-（e）分別測出阻值R2 ′和R3′。分(fēn)析可(kě)知
　　R2′/R 3′=R2/R3 ，1/Rp=1/R2+1/ R3；由(yóu)此可以(yǐ)解出R2 =Rp×（1+R2′/ R3′），R3=R 2×R3′/R2 ′。
　　在測試中還常常(cháng)遇(yù)到(dào)被(bèi)測(cè)電阻(zǔ)的兩端都(dū)沒(méi)有(yǒu)測試(shì)點，隱(yǐn)藏(cáng)在電(diàn)阻(zǔ)網(wǎng)絡(luò)中(zhōng)的(dí)情況(kuàng)，如R-2R網絡(luò)。這時也需(xū)要使(shǐ)用(yòng)分離開爾(ěr)文(wén)連接(jiē)來進行測(cè)試。
　　6 極小值(zhí)電阻(zǔ)的(dí)測量(liáng)技術
　　對(duì)於極(jí)小阻值範圍的電阻(zǔ)測(cè)量(liáng)可以采(cǎi)用圖(tú)7所示電(diàn)路完成，它(tā)可以測量10～ 80mΩ的(dí)電阻(zǔ)。通過(guò)差分運算(suàn)放大電路，把被測電阻產生(shēng)的微弱電壓(yā)信號放大(dà)100倍(bèi)，因(yīn)此實際電阻值是測量值要(yào)除以100。圖中(zhōng)運(yùn)放UI采用低噪(zào)聲(shēng)，高(gāo)速(sù)，精密運放，如(rú)OP-37EJ，AD645或(huò)MAX400。和高(gāo)電位施(shī)加綫(xiàn)（HF）串聯的電阻(zǔ)R1是用來匹配電(diàn)流(liú)施加(jiā)模塊(kuài)的(dí)*輸(shū)出(chū)負載(zǎi)，R2到R5采(cǎi)用高精度高穩(wěn)定(dìng)性(xìng)的(dí)電(diàn)阻來保證差放電路增益的(dí)穩(wěn)定(dìng)，這(zhè)決(jué)定(dìng)了(liǎo)測(cè)量(liáng)的(dí)精度和重(zhòng)復(fù)性(xìng)。為了保證(zhèng)精度，對運放的(dí)電源(yuán)電壓要求很(hěn)高(gāo)，電(diàn)路的安(ān)裝位置(zhì)要(yào)盡可(kě)能(néng)靠(kào)近(jìn)被測(cè)電(diàn)阻(zǔ)，所有探頭要盡可能短(duǎn)，C2，C3要盡可能(néng)靠近運(yùn)放。
　　7 結束(shù)語(yǔ)
　　由於自動(dòng)測(cè)試(shì)中(zhōng)要(yào)不(bù)斷(duàn)地改(gǎi)變(biàn)被(bèi)測電(diàn)阻，同時又(yòu)要根(gēn)據(jù)情況靈活地(dì)選擇測(cè)試方(fāng)法(fǎ)和連接(jiē)方式(shì)，因此(cǐ)實(shí)際(jì)生產(chǎn)中是(shì)使用探針卡將被測(cè)電路(lù)與(yǔ)係(xì)統相連，通過繼電器或FET開關組成的(dí)開(kāi)關矩(jǔ)陳(chén)由軟件適當切換來(lái)提(tí)高測(cè)試速度和生(shēng)產效率。同時(shí)在(zài)不(bù)同(tóng)的測(cè)量中(zhōng)探針采用不同的(dí)接法，如直(zhí)綫四(sì)探(tàn)針(zhēn)法和(hé)方形四(sì)探(tàn)針法，可(kě)克服(fú)各種因(yīn)素(sù)的影(yǐng)響，優(yōu)化(huà)測(cè)量(liáng)結(jié)果(guǒ)[2]。如上(shàng)所述(shù)，隻(zhī)要(yào)我們(mén)結(jié)合被測電阻的具體情況(kuàng)，靈活合理(lǐ)地(dì)應用上麵介紹的(dí)測(cè)試技術，就(jiù)可以(yǐ)得到(dào)滿意(yì)的測試結(jié)果(guǒ)。製造(zào)出(chū)高質(zhì)量(liáng)的厚(hòu)，薄膜集(jí)成(chéng)電路和(hé)片(piàn)式電阻(zǔ)來(lái)。
   （Kelvin四綫(xiàn)測試(shì)電(diàn)阻技術(shù)及應用(yòng)）
 

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