CN104076312A - 半导体特性分析仪高值电压的精确校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体特性分析仪高值电压的精确校准方法，涉及专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备技术领域。包括以下步骤：将高压分压器送往上级计量技术机构，获取其1000V～3000V的分压比，并计算其电压系数，确定其是否满足预期校准要求；如果不满足要求，则复现上级计量技术机构的温湿度环境，在1000V下利用高精度多功能校准器，标定上述高压分压器的1000V标准分压比的量值；利用标定好的高压分压器对被校半导体特性分析仪进行1000V～3000V范围内任意电压值的校准。所述方法提高了半导体特性分析仪测量高值电压的准确性。

Description

半导体特性分析仪高值电压的精确校准方法

技术领域

本发明涉及专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备技术领域，尤其涉及一种半导体特性分析仪高值电压的精确校准方法。

背景技术

历来半导体行业都把器件各项特性参数，如器件的I-V曲线、C-V曲线、表面漏电流、击穿电压等参数作为必不可少的基础测试项目。半导体器件特性分析仪能够满足上述参数的测试需求，在器件研制、生产、测试、使用各个环节有着不可或缺的作用。随着微纳技术的兴起和宽禁带材料的广泛使用，器件测试工程师对半导体器件特性分析仪的测试性能提出了新的要求，即向着测量范围宽、准确度高、自动化程度高、数据处理能力强的方向发展。传统图示仪已经远远不能满足上述要求。为了更好满足当代先进器件提出的测量挑战，新一代半导体器件特性分析仪(典型型号如Agilent B1500A)应运而生，具备测量范围宽、准确度高、满足新兴材料如SiC或GaN等宽禁带器件的高击穿电压特殊测试条件要求等特点。

在高压测试方面，其可以满足新兴材料的高击穿电压特殊测试条件的要求。使用该类仪器测试的宽禁带器件数量与日俱增，包括种类有MESFET、HEMET、MMIC等，因此测试准确度与否直接关系到此类器件的性能指标，进而对整个武器装备的质量可靠性有着决定性的作用。

为了实现高击穿电压参数的校准，提高测量准确度，设计一种适用于1000V～3000V直流条件下高电压参数的校准方法是非常有必要的。该校准方法将为提高宽禁带器件测试分析能力和设计开发水平提供有力的高压测试保障。

现有常规实验室用于校准高压参数的方法采用的是“分压器法”，接线如图1所示，其优点有：

1)操作简单，对环境条件要求低。整个校准过程所需标准器为一分压器和数字多用表，只需连接两根线缆；整个过程在常温下进行即可。

2)计算过程简易，不需要考虑分压器的电压系数、温度系数带来的影响。

其缺点主要体现在：

1)技术指标差。商品化的高压分压器最大允许误差仅为±1％，而被校仪器的出厂指标为±0.03％，显然无法满足计量校准要求(±0.01％)。

2)分压比不准确。分压比作为分压器的关键参数，通常状态下标称值为1000：1，仅为测量范围内的通用值，并没有考虑电压系数和温度系数带来的影响，引入了不确定度分量，因此大大降低了其高压校准的准确度，进而无法对被校仪器进行精确校准。

3)环境条件恶劣，高压分压器的准确度难以保证。由于高压分压器的内部是由高值电阻器组成的(一般阻值在1GΩ)，高兆欧电阻器阻值易受温度系数、环境湿度、电压系数的影响，造成不同功率、不同温湿度环境下相应高压分压器的比例系数不一致，进而给校准的准确度带来影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种半导体特性分析仪高值电压的精确校准方法，所述方法提高了半导体特性分析仪测量高值电压的准确性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种半导体特性分析仪高值电压的精确校准方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将高压分压器送往上级计量技术机构，获取其1000V～3000V的分压比，并计算其电压系数，确定其是否满足预期校准要求，如果满足要求则在于上级机构的温湿度环境相同的条件下使用上述高压分压器对被校半导体特性分析仪进行1000V～3000V范围内任意电压值的校准；如果不满足预期的校准要求则进行下一步；

(2)复现上级计量技术机构的温湿度环境，在1000V下利用高精度多功能校准器，标定上述高压分压器的1000V标准分压比的量值；

(3)利用标定好的高压分压器对被校半导体特性分析仪进行1000V～3000V范围内任意电压值的校准。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法是用重新进行高精度标定后的高压分压器对半导体特性分析仪进行校准，提高了半导体特性分析仪测量高值电压的准确性，从而提高了宽禁带器件的高击穿电压特性的测试准确度，保证测量结果的准确可靠。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有技术的高压校准连接图；

图2是本发明步骤(2)中对高压分压器进行标定的接线图；

图3是本发明步骤(3)中对半导体特性分析仪进行高压值校准的接线图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明公开了一种半导体特性分析仪高值电压的精确校准方法，具体包括以下步骤：

1、计算电压系数

电压系数的定义为：当施加的电压变化时，高值分压器的阻值可能发生很大的变化，这种现象称为电阻器的电压系数，就是每单位电压变化所引起的电阻值变化的百分变化量，用公式(1)表示。

电压系数 $(\×{10}^{-6}/V)=\left(\frac{R_2-R_1}{R_1}\right)\×\frac{1}{V_2-V_1}\×{10}^6---\left(1\right)$

其中：R₁＝施加第一个电压V₁时计算出的电阻值；R₂＝施加第二个电压V₂时计算出的电阻值，V₂＞V₁。

以HVP-40分压器为例，其技术特性如表1所示。

表1 HVP-40分压器技术特性

令V₁＝1kV，V₂＝2kV，R₀＝1MΩ，则1kV电压下，高值电阻器R₁＝1000.52R₀，2kV电压下，高值电阻器R₂＝1000.54R₀，

由公式(1)可得从1kV变化到2kV过程中，分压器的电压系数为：

$k_{V1}=\left(\frac{1000.54R_0-1000.52R_0}{1000.52R_0}\right)\×\frac{1}{2000V-1000V}\×{10}^6=0.02\×({10}^{-6}/V)$

同理，按照上述步骤计算电压从2kV～3kV、1kV～3kV两个状态下的电压系数分别为：k_V2＝0.01×10^-6/V、k_V3＝0.03×10^-6/V。

通过计算可见，在1kV～3kV施加电压范围内，电压系数的相对最大变化量在10^-5数量级(相对于1000V而言)。

2、标定高压分压器的1000V标准分压比

由于上级计量技术机构给出的分压比的测量不确定度约为(7.0×10^-4)，不能满足所需校准需求(优于1.0×10^-4)，因此必须对高压分压器的分压比进行标定并进行测量不确定度分析，以期满足校准要求。

利用实验室的恒温恒湿间，复现上级计量技术机构校准的温湿度条件(如：20.3℃，51％RH)，保证分压器电压系数的有效性。按照图2的电路连接方式，利用高准确度多功能校准器(比如，Fluke公司的5720A)和数字多用表完成整个标定过程。

为了获得标准分压比值，重复测量6次的数字多用表测量结果如表2所示。

表2 标准分压比测量结果

为了确定所得的标准分压比是否满足校准需求，下面对其进行测量不确定度分析。

数学模型如公式(2)所示：

k_v＝V_C/V_m  (2)

其中V_C由高准确度多功能校准器输出直流电压1000V，V_m由数字多用表获得，详细数据如表2所示。整个过程的测量不确定度来源有：

1)、高准确度多功能校准器输出1000V电压不准引入的标准不确定度分量u₁；

2)、数字多用表测量1V电压不准引入的标准不确定度分量u₂；

3)、整个测量过程的重复性引入的标准不确定度分量u₃；

由高准确度多功能校准器的说明书技术指标得：(型号：Fluke5720A)

$u_1=\frac{1000V\×6.5\×{10}^{-6}+400\×{10}^{-6}V}{1.96}=3.52\×{10}^{-3}V;$

由数字多用表的说明书技术指标得：(型号：Agilent 34401A)

$u_2=\frac{1V\×4.0\×{10}^{-5}+1V\×0.7\×{10}^{-5}V}{2}=2.35\×{10}^{-5}V;$

由表2中“分压比标准偏差S_V”数据得：

$u_3=\frac{s_v}{\sqrt{n}}=\frac{5.48\×{10}^{-3}}{\sqrt{6}}=2.24\×{10}^{-3}$

估算得出k_V的合成标准不确定度为：

$\begin{array}{c}{u}_c=\sqrt{{\left(\frac{{\∂k}_V}{{\∂V}_C}\right)}^2{u_1}^2+{\left(\frac{{\∂k}_V}{{\∂V}_m}\right)}^2{u_2}^2+{u_3}^2}\\ =\sqrt{{\left(\frac{1}{V_m}\right)}^2{u_1}^2+{\left(\frac{V_C}{{V_m}^2}\right)}^2{u_2}^2+{u_3}^2}=\sqrt{{u_1}^2+{1000}^2{u_2}^2+{u_3}^2}\\ =\sqrt{{(3.52\×{10}^{-3})}^2+{(1000\×2.35\×{10}^{-5})}^2+{(2.24\×{10}^{-3})}^2}=2.39\×{10}^{-2}\end{array}$

分压比扩展不确定度为：

U_C＝ku_c＝2×2.39×10^-2＝4.8×10^-2

分压比相对扩展不确定度为：

U_rel＝U_c/1000＝4.8×10^-2/1000＝4.8×10^-5

3、评定3000V的测量结果测量不确定度

分压比的准确度满足要求是整个校准过程顺利完成的关键环节，下面对整个测量过程进行测量不确定度分析，以3000V高压的校准为例，其校准连线图如图3所示。

被校半导体特性分析仪(比如型号B1505A)的高压模块输出3000V直流高压作为被校量V_x，重复测量6次的数字多用表测量结果如表3所示。

表3 3000V电压测量结果

下面对其进行测量不确定度分析。

数学模型如公式(3)所示：

V＝k_V×V_x  公式(3)

其中k_V为1000V下的标准分压比值，V_x由数字多用表获得。整个过程的测量不确定度来源有(以相对形式表示)：

1)、1000V下的标准分压比值引入的标准不确定度分量u₁；

2)、数字多用表测量3V电压不准引入的标准不确定度分量u₂；

3)、3kV和1kV电压系数引入的标准确定度分量u₃；

4)、整个测量过程的重复性引入的标准不确定度分量u₄。

下面对上述4个相对测量不确定度分量分别进行评定。

1)由2(标定1000V的标准分压比)部分可得：

u₁＝2.4×10^-5；

2)由数字多用表的说明书技术指标得：

$u_2=\frac{3V\×3.5\×{10}^{-5}+10V\×0.5\×{10}^{-5}V}{2\×3V\×1.96}=1.32\×{10}^{-5};$

3)由电压系数的计算可知：

$u_3=\frac{0.03\×{10}^{-6}\×2000}{\sqrt{3}}=3.5\×{10}^{-5}$

4)由表3中“电压标准偏差S_m”数据可得：

$u_4=\frac{s_m}{\sqrt{n}}=\frac{5.16\×{10}^{-6}}{\sqrt{6}}=2.11\×{10}^{-6}$

估算得出V的合成标准不确定度为：

$\begin{array}{c}{u}_c=\sqrt{{u_1}^2+{u_2}^2+{u_3}^2+{u_4}^2}\\ =\sqrt{{(2.4\×{10}^{-5})}^2+{(1.32\×{10}^{-5})}^2+{(3.5\×{10}^{-5})}^2+{(2.11\×{10}^{-6})}^2}=4.45\×{10}^{-5}\end{array}$

U_rel＝ku_c＝2×4.45^-5＝0.90×10^-4

测量结果为：V＝2.99889×1000.46＝3000.27V

测量不确定度为：U_rel＝0.90×10^-4

测试结果比较：将使用上述方法测得的数据与送往上一级计量技术机构获得的数据进行对比，如表4所示。

表4 试验数据比较

可见，本发明所采用的校准方法能满足测量不确定度(1.0×10^-4)的要求，且试验数据满足被校准仪器的允许误差范围。

所述方法是用重新进行高精度标定后的高压分压器对半导体特性分析仪进行校准，提高了半导体特性分析仪测量高值电压的准确性，从而提高了宽禁带器件的高击穿电压特性的测试准确度，保证测量结果的准确可靠。

Claims (1)

1.一种半导体特性分析仪高值电压的精确校准方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将高压分压器送往上级计量技术机构，获取其1000V～3000V的分压比，并计算其电压系数，确定其是否满足预期校准要求，如果满足要求则在于上级机构的温湿度环境相同的条件下使用上述高压分压器对被校半导体特性分析仪进行1000V～3000V范围内任意电压值的校准；如果不满足预期的校准要求则进行下一步；

(2)复现上级计量技术机构的温湿度环境，在1000V下利用高精度多功能校准器，标定上述高压分压器的1000V标准分压比的量值；

(3)利用标定好的高压分压器对被校半导体特性分析仪进行1000V～3000V范围内任意电压值的校准。