Kelvin四線測(cè)試電阻技術(shù)及應(yīng)用

 1　引 言

　　在半導(dǎo)體工藝中許多器件的重要參數(shù)和性能都與薄層電阻有關(guān)，為提高厚、薄膜集成電路和片式電阻的生產(chǎn)精度，需要使用設(shè)備儀器如探針臺(tái)、激光調(diào)阻機(jī)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試或修調(diào)。一般所用的測(cè)量?jī)x器或設(shè)備都包含連接、激勵(lì)、測(cè)量和顯示單元，有時(shí)還有后期數(shù)據(jù)處理單元。采用不同的測(cè)量方法和不同的連接方式引入的測(cè)量誤差不同，得到的測(cè)量精度也不同。通常開關(guān)矩陣中繼電器觸點(diǎn)閉合電阻為1Ω左右，FET開關(guān)打開時(shí)的電阻為十幾歐，引線電阻為幾百毫歐。如何根據(jù)需要減少測(cè)量誤差是測(cè)試技術(shù)的關(guān)鍵之一。

　　2　電阻測(cè)試基本原理

　　在電阻測(cè)試中我們常采用恒流測(cè)壓方法、惠斯通電橋（單臂電橋）和雙臂電橋方法。

　　2.1 恒流測(cè)壓方法

　　圖1中， r是引線電阻與接觸電阻之和；I是程控恒流電流源； V是具有*輸入阻抗的電壓表，它對(duì)恒流電流源不產(chǎn)生分流作用。施加已知的恒定電流I，流過被測(cè)電阻R t，然后測(cè)量出電阻兩端的電壓V，當(dāng)R t＞＞ r時(shí)，根據(jù)公式Rt＝V/ I就可算出電阻值。

　　2.2 惠斯通電橋方法

　　圖2中，V1，V 2是程控恒電壓源；Rstd是標(biāo)準(zhǔn)電阻； Rt是被測(cè)電阻；I是電流表。當(dāng)電橋平衡即流過電流表I的電流為零時(shí)，有V1 /V2=Rstd/R t，由此可計(jì)算出Rt＝R std×V2/V1 。

　　2.3 雙臂電橋方法

　　單臂電橋測(cè)量范圍為10～106 Ω，單電橋測(cè)幾歐姆的低電阻時(shí)，引線電阻和接觸電阻已經(jīng)不可忽略。而雙臂電橋適用于10-6～102 Ω電阻的測(cè)量，它是改進(jìn)的單臂電橋，如圖3。將電橋中的中低電阻 Rt和R改成四端接法，并在橋路中增加兩個(gè)高阻電阻R3和R4，則大大降低了引線電阻和接觸電阻的影響。詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[1]。

本文主要介紹恒流測(cè)壓法。當(dāng)被測(cè)電阻阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)試引線電阻和測(cè)試探針與測(cè)試點(diǎn)的接觸電阻時(shí)，采用圖1所示的兩線測(cè)試的基本方法是可行的，并且也可以獲得相當(dāng)高的測(cè)試精度。

　3 開爾文連接測(cè)試技術(shù)

　　當(dāng)被測(cè)電阻阻值小于幾歐，測(cè)試引線的電阻和探針與測(cè)試點(diǎn)的接觸電阻與被測(cè)電阻相比已不能忽略不計(jì)時(shí)，若仍采用兩線測(cè)試方法必將導(dǎo)致測(cè)試誤差增大。此時(shí)可采用開爾文連接方式（或稱四線測(cè)試方式）來進(jìn)行測(cè)試，如圖4。

　　開爾文連接有兩個(gè)要求：對(duì)于每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都有一條激勵(lì)線F和一條檢測(cè)線S，二者嚴(yán)格分開，各自構(gòu)成獨(dú)立回路；同時(shí)要求S線必須接到一個(gè)有*輸入阻抗的測(cè)試回路上，使流過檢測(cè)線S的電流極小，近似為零。

　　圖4中r表示引線電阻和探針與測(cè)試點(diǎn)的接觸電阻之和。由于流過測(cè)試回路的電流為零，在 r3，r4上的壓降也為零，而激勵(lì)電流 I在r1，r2上的壓降不影響I在被測(cè)電阻上的壓降，所以電壓表可以準(zhǔn)確測(cè)出 Rt兩端的電壓值，從而準(zhǔn)確測(cè)量出R t的阻值。測(cè)試結(jié)果和r無關(guān),有效地減小了測(cè)量誤差。

　　按照作用和電位的高低，這四條線分別被稱為高電位施加線（HF）、低電位施加線（LF）、高電位檢測(cè)線（HS）和低電位檢測(cè)線（LS）。

　　4 電阻隔離測(cè)試技術(shù)

　　對(duì)于施加的恒定激勵(lì)電流能全部流過被測(cè)電阻的情況下，使用上述方法測(cè)試是很簡(jiǎn)便的，比如測(cè)試單個(gè)電阻。但我們還常常遇到被測(cè)電阻與一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)的情況，這個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)施加電流有分流作用，導(dǎo)致無法采用上述方法進(jìn)行測(cè)試，在這種情況下我們必須采用電阻隔離測(cè)試技術(shù)，其測(cè)試電路原理如圖5。

　　圖中，Rt是被測(cè)電阻， R1，R2串聯(lián)后再與 Rt并聯(lián)；A1，A2是高輸入阻抗、高精度運(yùn)算放大器；DVA是高輸入阻抗、高精度差分電壓的程控放大倍數(shù)儀用放大器，它的輸出與數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC相連；DAC是電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，DAC與A1構(gòu)成程控恒流源；根據(jù)計(jì)算機(jī)控制，DAC輸出不同的恒定電流If。

　　A2構(gòu)成電壓跟隨電路使Vc =Ｖb，從而I1=0。因此計(jì)算機(jī)通過16位電流輸出型DAC設(shè)定If 就控制了流過被測(cè)電阻Rt的電流I t，再通過由DVA和ADC構(gòu)成的電壓檢測(cè)電路測(cè)試出 Rt兩端的電壓就可算出Rt 的阻值。

　　這種方法等效于將R1 斷開，把被測(cè)電阻單獨(dú)隔離開來進(jìn)行測(cè)試的情況，因此稱其為電阻隔離測(cè)試技術(shù)。

　5 分離開爾文連接測(cè)試電阻

　　電阻隔離測(cè)試對(duì)絕大多數(shù)復(fù)雜電阻網(wǎng)絡(luò)都適用，但應(yīng)用到極少數(shù)電阻值比率極大的電阻網(wǎng)絡(luò)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一些問題。如圖6， R2/R1=6000，R 3/R1=4000，如果按圖5連接來測(cè)試電阻 R3時(shí)（即圖6-（a）連接），設(shè)施加電流 It為200μA，則在R3 兩端產(chǎn)生8V壓降，R2由于被隔離，其兩端電壓為零，所以在R1兩端必然產(chǎn)生8V電壓，導(dǎo)致 R2的功耗為 V2/R1=6.4W，這顯然是不允許的。如果把HP和LP 位置互換，由于A2不是理想器件，存在一定的失調(diào)電壓 Vos,即使小到20μV,在R1 上也會(huì)產(chǎn)生2μA的電流，使流過R3的電流產(chǎn)生1％的偏差，造成測(cè)試精度大大下降。

　　在這種情況下可以采用一種變形的開爾文連接方式來進(jìn)行測(cè)試，不再使用隔離方法。它仍采用四根線，但根據(jù)需要將其中一對(duì)或兩對(duì)F，S線分開接在不同的點(diǎn)上來進(jìn)行測(cè)試。這種方式稱為分離開爾文連接方式。本例中三個(gè)電阻要進(jìn)行四次測(cè)試才能計(jì)算出它們的阻值，四次測(cè)試的接法分別見圖6中的表，圖中1,2,3點(diǎn)為連接點(diǎn)。圖6-（b） 接法可直接測(cè)出R1的值；圖6-（c）可測(cè)出 R2與R3的并聯(lián)值R p；圖6-（d）和圖6-（e）分別測(cè)出阻值R2 ′和R3′。分析可知

　　R2′/R 3′=R2/R3 ，1/Rp=1/R2+1/ R3；由此可以解出R2 =Rp×（1+R2′/ R3′），R3=R 2×R3′/R2 ′。

　　在測(cè)試中還常常遇到被測(cè)電阻的兩端都沒有測(cè)試點(diǎn)，隱藏在電阻網(wǎng)絡(luò)中的情況，如R-2R網(wǎng)絡(luò)。這時(shí)也需要使用分離開爾文連接來進(jìn)行測(cè)試。

　　6 極小值電阻的測(cè)量技術(shù)

　　對(duì)于極小阻值范圍的電阻測(cè)量可以采用圖7所示電路完成，它可以測(cè)量10～ 80mΩ的電阻。通過差分運(yùn)算放大電路，把被測(cè)電阻產(chǎn)生的微弱電壓信號(hào)放大100倍，因此實(shí)際電阻值是測(cè)量值要除以100。圖中運(yùn)放UI采用低噪聲、高速、精密運(yùn)放，如OP-37EJ，AD645或MAX400。和高電位施加線（HF）串聯(lián)的電阻R1是用來匹配電流施加模塊的*輸出負(fù)載，R2到R5采用高精度高穩(wěn)定性的電阻來保證差放電路增益的穩(wěn)定，這決定了測(cè)量的精度和重復(fù)性。為了保證精度，對(duì)運(yùn)放的電源電壓要求很高，電路的安裝位置要盡可能靠近被測(cè)電阻，所有探頭要盡可能短，C2，C3要盡可能靠近運(yùn)放。

　　7 結(jié)束語

　　由于自動(dòng)測(cè)試中要不斷地改變被測(cè)電阻，同時(shí)又要根據(jù)情況靈活地選擇測(cè)試方法和連接方式，因此實(shí)際生產(chǎn)中是使用探針卡將被測(cè)電路與系統(tǒng)相連，通過繼電器或FET開關(guān)組成的開關(guān)矩陳由軟件適當(dāng)切換來提高測(cè)試速度和生產(chǎn)效率。同時(shí)在不同的測(cè)量中探針采用不同的接法，如直線四探針法和方形四探針法，可克服各種因素的影響，優(yōu)化測(cè)量結(jié)果[2]。如上所述，只要我們結(jié)合被測(cè)電阻的具體情況，靈活合理地應(yīng)用上面介紹的測(cè)試技術(shù)，就可以得到滿意的測(cè)試結(jié)果。制造出高質(zhì)量的厚、薄膜集成電路和片式電阻來。
   （Kelvin四線測(cè)試電阻技術(shù)及應(yīng)用）