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Kelvin四線測試電(dian)阻技(ji)術(shu)及應用

日(ri)期(qi)：2012-08-02瀏覽(lan)：6182次

Kelvin四(si)線測試電(dian)阻技(ji)術(shu)及應用

　 1　引言(yan)

　　在(zai)半(ban)導體(ti)工藝中許多(duo)器(qi)件的重(zhong)要(yao)參(can)數和(he)性能都與(yu)薄層(ceng)電(dian)阻有(you)關，為提(ti)高(gao)厚(hou)、薄膜(mo)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)和(he)片式(shi)電(dian)阻的生(sheng)產(chan)精(jing)度(du)，需(xu)要(yao)使(shi)用設(she)備(bei)儀(yi)器(qi)如探(tan)針臺、激光調阻機(ji)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)測試或修(xiu)調。壹(yi)般所用(yong)的測量(liang)儀(yi)器(qi)或設(she)備(bei)都包(bao)含(han)連接、激勵、測量(liang)和(he)顯示(shi)單(dan)元(yuan)，有(you)時(shi)還有(you)後期(qi)數據處(chu)理(li)單(dan)元(yuan)。采(cai)用(yong)不(bu)同的(de)測量(liang)方法和(he)不(bu)同的(de)連接方(fang)式(shi)引入的(de)測量(liang)誤差不(bu)同，得(de)到(dao)的測量(liang)精(jing)度(du)也不(bu)同。通(tong)常(chang)開關矩陣中繼電(dian)器(qi)觸點(dian)閉合電(dian)阻為1Ω左右，FET開(kai)關打開時(shi)的(de)電(dian)阻為十(shi)幾(ji)歐(ou)，引線電(dian)阻為幾(ji)百毫(hao)歐(ou)。如何根(gen)據需(xu)要(yao)減少測量(liang)誤差是測試技(ji)術(shu)的關鍵之(zhi)壹(yi)。

　　2　電(dian)阻測試基(ji)本原理

　　在(zai)電(dian)阻測試中我們(men)常(chang)采(cai)用(yong)恒流測壓方(fang)法、惠(hui)斯(si)通電(dian)橋(qiao)（單(dan)臂(bi)電(dian)橋(qiao)）和(he)雙臂(bi)電(dian)橋(qiao)方法。

　　2.1 恒流測壓方(fang)法

　　圖1中， r是引線電(dian)阻與接觸(chu)電(dian)阻之(zhi)和(he)；I是程(cheng)控(kong)恒流電(dian)流(liu)源； V是(shi)具有(you)*輸入阻抗的(de)電(dian)壓(ya)表，它(ta)對(dui)恒流電(dian)流(liu)源不(bu)產(chan)生(sheng)分流(liu)作(zuo)用(yong)。施加(jia)已(yi)知(zhi)的(de)恒定電(dian)流(liu)I，流過被(bei)測電(dian)阻R t，然(ran)後測量(liang)出電(dian)阻兩端的(de)電(dian)壓(ya)V，當(dang)R t＞＞ r時(shi)，根(gen)據公(gong)式(shi)Rt＝V/ I就(jiu)可(ke)算出電(dian)阻值。

　　2.2 惠(hui)斯(si)通電(dian)橋(qiao)方法

　　圖(tu)2中，V1，V 2是程(cheng)控(kong)恒電(dian)壓(ya)源；Rstd是(shi)標準電(dian)阻； Rt是被(bei)測電(dian)阻；I是電(dian)流(liu)表。當(dang)電(dian)橋(qiao)平(ping)衡(heng)即(ji)流(liu)過電(dian)流(liu)表I的(de)電(dian)流(liu)為零時(shi)，有(you)V1 /V2=Rstd/R t，由此(ci)可(ke)計(ji)算出Rt＝R std×V2/V1 。

　　2.3 雙臂(bi)電(dian)橋(qiao)方法

　　單(dan)臂(bi)電(dian)橋(qiao)測量(liang)範圍為10～106 Ω，單(dan)電(dian)橋(qiao)測幾(ji)歐(ou)姆的低電(dian)阻時(shi)，引線電(dian)阻和(he)接觸(chu)電(dian)阻已(yi)經(jing)不(bu)可(ke)忽(hu)略(lve)。而(er)雙(shuang)臂(bi)電(dian)橋(qiao)適用於10-6～102 Ω電(dian)阻的測量(liang)，它是改進的單(dan)臂(bi)電(dian)橋(qiao)，如圖(tu)3。將電(dian)橋(qiao)中的中低電(dian)阻 Rt和(he)R改成(cheng)四(si)端接法(fa)，並在(zai)橋(qiao)路中增加(jia)兩(liang)個(ge)高(gao)阻電(dian)阻R3和(he)R4，則大大(da)降低(di)了(le)引線電(dian)阻和(he)接觸(chu)電(dian)阻的影(ying)響(xiang)。詳細(xi)介(jie)紹參(can)見文(wen)獻[1]。

本文(wen)主(zhu)要介(jie)紹恒流測壓法(fa)。當(dang)被測電(dian)阻阻值遠遠大(da)於測試引線電(dian)阻和(he)測試探針與測試點(dian)的接觸(chu)電(dian)阻時(shi)，采(cai)用(yong)圖1所示(shi)的(de)兩(liang)線測試的基(ji)本方(fang)法是(shi)可(ke)行(xing)的(de)，並(bing)且也可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)相(xiang)當(dang)高的(de)測試精(jing)度(du)。

　3 開(kai)爾(er)文連接測試技(ji)術(shu)

　　當(dang)被測電(dian)阻阻值小於幾(ji)歐(ou)，測試引線的(de)電(dian)阻和(he)探針與測試點(dian)的接觸(chu)電(dian)阻與被(bei)測電(dian)阻相(xiang)比已(yi)不(bu)能忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)時(shi)，若(ruo)仍(reng)采(cai)用(yong)兩線測試方法(fa)必將導致(zhi)測試誤差增大(da)。此(ci)時(shi)可(ke)采(cai)用(yong)開爾(er)文連接方(fang)式(shi)（或稱(cheng)四(si)線測試方式(shi)）來進(jin)行測試，如圖(tu)4。

　　開(kai)爾(er)文連接有(you)兩個(ge)要(yao)求：對(dui)於每個(ge)測試點(dian)都有(you)壹(yi)條激勵線F和(he)壹(yi)條檢(jian)測線S，二者嚴格(ge)分開(kai)，各(ge)自(zi)構成(cheng)獨(du)立(li)回(hui)路(lu)；同時(shi)要(yao)求S線必須(xu)接到(dao)壹(yi)個(ge)有(you)*輸入阻抗的(de)測試回路(lu)上，使(shi)流過檢(jian)測線S的(de)電(dian)流(liu)極小，近似(si)為零。

　　圖(tu)4中r表示(shi)引線電(dian)阻和(he)探針與測試點(dian)的接觸(chu)電(dian)阻之(zhi)和(he)。由於流過測試回路(lu)的電(dian)流(liu)為零，在(zai) r3，r4上(shang)的(de)壓降也為零，而(er)激勵電(dian)流(liu) I在(zai)r1，r2上(shang)的(de)壓降不(bu)影響(xiang)I在(zai)被(bei)測電(dian)阻上的(de)壓(ya)降，所以(yi)電(dian)壓(ya)表可(ke)以(yi)準確(que)測出 Rt兩(liang)端的(de)電(dian)壓(ya)值，從而(er)準確(que)測量(liang)出R t的阻值。測試結果(guo)和(he)r無關,有(you)效地(di)減小了測量(liang)誤差。

　　按照作(zuo)用(yong)和(he)電(dian)位(wei)的高(gao)低，這(zhe)四(si)條線分別(bie)被(bei)稱(cheng)為高(gao)電(dian)位(wei)施加(jia)線（HF）、低(di)電(dian)位(wei)施加(jia)線（LF）、高(gao)電(dian)位(wei)檢(jian)測線（HS）和(he)低電(dian)位(wei)檢(jian)測線（LS）。

　　4 電(dian)阻隔(ge)離測試技(ji)術(shu)

　　對(dui)於施加(jia)的(de)恒定激勵電(dian)流(liu)能全部流過被(bei)測電(dian)阻的情(qing)況(kuang)下(xia)，使(shi)用上(shang)述(shu)方(fang)法測試是很(hen)簡(jian)便的，比如測試單(dan)個(ge)電(dian)阻。但(dan)我(wo)們(men)還常常(chang)遇到(dao)被測電(dian)阻與壹(yi)個(ge)電(dian)阻網(wang)絡(luo)並(bing)聯(lian)的(de)情況(kuang)，這(zhe)個(ge)電(dian)阻網(wang)絡(luo)會(hui)對(dui)施加(jia)電(dian)流(liu)有(you)分流(liu)作(zuo)用(yong)，導致(zhi)無(wu)法(fa)采(cai)用(yong)上述方法(fa)進(jin)行(xing)測試，在(zai)這(zhe)種情況(kuang)下(xia)我(wo)們必須(xu)采(cai)用(yong)電(dian)阻隔(ge)離測試技(ji)術(shu)，其(qi)測試電(dian)路(lu)原理如圖(tu)5。

　　圖(tu)中，Rt是被(bei)測電(dian)阻， R1，R2串(chuan)聯(lian)後(hou)再與(yu) Rt並(bing)聯(lian)；A1，A2是(shi)高輸(shu)入阻抗、高(gao)精(jing)度(du)運算放大器；DVA是(shi)高(gao)輸入阻抗、高(gao)精(jing)度(du)差分電(dian)壓(ya)的程(cheng)控(kong)放(fang)大(da)倍(bei)數儀(yi)用(yong)放(fang)大(da)器，它的輸出(chu)與(yu)數模(mo)轉(zhuan)換ADC相(xiang)連；DAC是(shi)電(dian)流(liu)輸出(chu)型數模(mo)轉(zhuan)換器(qi)，DAC與(yu)A1構成(cheng)程(cheng)控(kong)恒流源；根(gen)據計(ji)算機(ji)控(kong)制(zhi)，DAC輸(shu)出(chu)不(bu)同的(de)恒定電(dian)流(liu)If。

　　A2構成(cheng)電(dian)壓(ya)跟隨(sui)電(dian)路(lu)使(shi)Vc =Ｖb，從而(er)I1=0。因此(ci)計(ji)算機(ji)通(tong)過16位(wei)電(dian)流(liu)輸出(chu)型DAC設(she)定(ding)If 就(jiu)控(kong)制(zhi)了(le)流(liu)過被(bei)測電(dian)阻Rt的電(dian)流(liu)I t，再通(tong)過由DVA和(he)ADC構成(cheng)的(de)電(dian)壓(ya)檢(jian)測電(dian)路(lu)測試出 Rt兩(liang)端的(de)電(dian)壓(ya)就(jiu)可(ke)算出Rt 的阻值。

　　這(zhe)種方法等效於將R1 斷開(kai)，把(ba)被(bei)測電(dian)阻單(dan)獨(du)隔(ge)離開(kai)來進(jin)行測試的情(qing)況(kuang)，因此(ci)稱(cheng)其(qi)為電(dian)阻隔(ge)離測試技(ji)術(shu)。

　5 分離(li)開爾(er)文連接測試電(dian)阻

　　電(dian)阻隔(ge)離測試對(dui)絕(jue)大(da)多數復(fu)雜電(dian)阻網(wang)絡(luo)都適(shi)用，但(dan)應用到(dao)極少數電(dian)阻值比率極(ji)大的電(dian)阻網(wang)絡(luo)時(shi)就(jiu)會產(chan)生(sheng)壹(yi)些問(wen)題。如圖(tu)6， R2/R1=6000，R 3/R1=4000，如果(guo)按(an)圖5連接來(lai)測試電(dian)阻 R3時(shi)（即(ji)圖(tu)6-（a）連接），設(she)施加(jia)電(dian)流(liu) It為200μA，則(ze)在(zai)R3 兩(liang)端產(chan)生(sheng)8V壓(ya)降，R2由於被隔(ge)離，其(qi)兩(liang)端電(dian)壓(ya)為零，所以(yi)在(zai)R1兩(liang)端必然(ran)產(chan)生(sheng)8V電(dian)壓(ya)，導致(zhi) R2的(de)功(gong)耗(hao)為 V2/R1=6.4W，這(zhe)顯(xian)然(ran)是不(bu)允許(xu)的。如果(guo)把(ba)HP和(he)LP 位置互(hu)換，由於A2不(bu)是理(li)想器件(jian)，存(cun)在(zai)壹(yi)定的(de)失調電(dian)壓(ya) Vos,即(ji)使(shi)小到(dao)20μV,在(zai)R1 上(shang)也會(hui)產(chan)生(sheng)2μA的(de)電(dian)流(liu)，使(shi)流過R3的(de)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)1％的(de)偏差，造成(cheng)測試精(jing)度(du)大(da)大下降。

　　在(zai)這(zhe)種情況(kuang)下(xia)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)壹(yi)種變形的(de)開(kai)爾(er)文連接方(fang)式(shi)來進(jin)行測試，不(bu)再使(shi)用隔(ge)離方(fang)法。它(ta)仍采(cai)用(yong)四根(gen)線，但(dan)根(gen)據需(xu)要(yao)將其(qi)中壹(yi)對(dui)或兩(liang)對(dui)F，S線分開(kai)接在(zai)不(bu)同的(de)點(dian)上來(lai)進行測試。這種方式(shi)稱(cheng)為分離(li)開爾(er)文連接方(fang)式(shi)。本例中三個(ge)電(dian)阻要進(jin)行(xing)四次測試才(cai)能計(ji)算出它們的(de)阻值，四(si)次(ci)測試的接法(fa)分別(bie)見(jian)圖6中的表，圖(tu)中1,2,3點(dian)為連接點(dian)。圖6-（b）接法(fa)可(ke)直(zhi)接測出R1的(de)值；圖6-（c）可(ke)測出 R2與(yu)R3的並聯(lian)值(zhi)R p；圖6-（d）和(he)圖6-（e）分別(bie)測出阻值R2 ′和(he)R3′。分析(xi)可(ke)知(zhi)

　　R2′/R 3′=R2/R3 ，1/Rp=1/R2+1/ R3；由此(ci)可(ke)以(yi)解(jie)出R2 =Rp×（1+R2′/ R3′），R3=R 2×R3′/R2 ′。

　　在(zai)測試中還常常(chang)遇到(dao)被測電(dian)阻的兩(liang)端都沒有(you)測試點(dian)，隱藏(zang)在(zai)電(dian)阻網(wang)絡(luo)中的情(qing)況(kuang)，如R-2R網(wang)絡(luo)。這(zhe)時(shi)也需(xu)要(yao)使(shi)用分離(li)開爾(er)文連接來(lai)進行(xing)測試。

　　6 極小值電(dian)阻的測量(liang)技(ji)術(shu)

　　對(dui)於極小阻值範(fan)圍(wei)的電(dian)阻測量(liang)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)圖7所示(shi)電(dian)路(lu)完成(cheng)，它(ta)可(ke)以(yi)測量(liang)10～ 80mΩ的電(dian)阻。通過差分運算放大電(dian)路(lu)，把(ba)被(bei)測電(dian)阻產(chan)生(sheng)的(de)微弱電(dian)壓(ya)信號(hao)放大(da)100倍(bei)，因此(ci)實際(ji)電(dian)阻值是(shi)測量(liang)值要除以100。圖中運放UI采(cai)用(yong)低噪聲、高(gao)速(su)、精(jing)密(mi)運放，如OP-37EJ，AD645或MAX400。和(he)高電(dian)位(wei)施加(jia)線（HF）串(chuan)聯(lian)的(de)電(dian)阻R1是用(yong)來(lai)匹配電(dian)流(liu)施加(jia)模(mo)塊(kuai)的(de)*輸(shu)出負載，R2到(dao)R5采(cai)用(yong)高精(jing)度(du)高(gao)穩定性的電(dian)阻來保證(zheng)差放電(dian)路(lu)增益(yi)的穩定，這決(jue)定(ding)了測量(liang)的精(jing)度(du)和(he)重復性。為了(le)保證(zheng)精(jing)度(du)，對(dui)運放的電(dian)源電(dian)壓(ya)要求很(hen)高(gao)，電(dian)路(lu)的安(an)裝位置要盡可(ke)能靠(kao)近被測電(dian)阻，所有(you)探頭要(yao)盡可(ke)能短，C2，C3要(yao)盡可(ke)能靠(kao)近運放。

　　7 結束語(yu)

　　由於自動測試中要不(bu)斷地(di)改(gai)變被測電(dian)阻，同時(shi)又(you)要(yao)根(gen)據情(qing)況(kuang)靈活地(di)選(xuan)擇測試方法(fa)和(he)連接方(fang)式(shi)，因此(ci)實際(ji)生(sheng)產(chan)中是使(shi)用探(tan)針卡將被測電(dian)路(lu)與系(xi)統相(xiang)連，通(tong)過繼(ji)電(dian)器(qi)或FET開(kai)關組成(cheng)的(de)開關矩陳(chen)由軟件適(shi)當(dang)切換來(lai)提(ti)高(gao)測試速(su)度和(he)生產(chan)效率。同時(shi)在(zai)不(bu)同的(de)測量(liang)中探針采(cai)用(yong)不(bu)同的(de)接法(fa)，如直(zhi)線四(si)探(tan)針法和(he)方形四(si)探針法，可(ke)克(ke)服(fu)各(ge)種因素的(de)影(ying)響(xiang)，優(you)化(hua)測量(liang)結果[2]。如上(shang)所述(shu)，只要(yao)我(wo)們(men)結合被測電(dian)阻的具體情況(kuang)，靈活合理地(di)應用上面介(jie)紹的測試技(ji)術(shu)，就(jiu)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)滿意的(de)測試結果(guo)。制(zhi)造出高質(zhi)量(liang)的厚(hou)、薄膜(mo)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)和(he)片式(shi)電(dian)阻來。
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