[发明专利]一种电介质薄膜电学性质测量系统

说明书

本发明揭示了一种电介质薄膜电学性质测量系统，包括探针台、电学测试装置和计算机，电学测试装置中的前置跨阻放大器包括有两个CMOS运算放大器、四个MOS场效应管、四个CMOS反相器、六个电阻、两个电容。电介质薄膜的漏电流大小通常介于数十fA至数十pA，通过合理选择外围电阻，前置跨阻放大器的输出电压可达到数μV至几十μV量级，该输出电压信号再经过中间电压放大器、后端电压放大器依次放大，可被电流测量装置准确测量出来，最终送至计算机进行处理、显示。利用本发明独有的处理方式，有效地从信号源中过滤掉了运算放大器自身带来的干扰信号。

技术领域

本发明涉及纳米材料测量技术领域，尤其涉及一种电介质薄膜电学性质测量系统。

背景技术

在半导体工艺中经常需要用到电介质薄膜。在电介质薄膜的研究与应用中，经常需要测试和掌握电介质薄膜的漏电流特性，即电压-电流特性曲线。然而，在通常的电介质薄膜电压-电流中，由于其高绝缘特性，大多数电介质薄膜的漏电流极其微弱，一般为数十fA(10^-15A)至数十pA(10^-12A)，对于杂质含量高、绝缘性很差的电介质薄膜，其漏电流一般也仅仅为nA(10^-9A)量级。

对于这样的微弱电流信号，测量电流无法直接进行测量，必须首先将微弱电流信号转换、放大为nV(10^-9V)至μV(10^-6V)量级的微弱电压信号，然后再对该微弱电压信号进一步放大、测量。在各种测量电路中，运算放大器往往是放大电路的核心。实际的运算放大器具有多种技术指标。

在理想的运算放大器中，当运放输入的电压的为0时，输出的电压也应该为0，但实际中往往不是这样的，所以输入失调电压(Vos)的含义是为了让运放输出端达到0V，需要在两个输入端之间所加的补偿电压。Vos的极性是随机的，Vos的典型值低于10mV。失调电压与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺(即上述的标准硅工艺)的输入失调电压在±1～10mV之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。输入失调电压对于小信号的处理是非常紧要的。

理想的运放输入阻抗无穷大，因此不会有电流流入输入端，一般情况下，CMOS和JFET的偏置电流比双极性的都要小，输入偏置电流一般无需考虑。但在极微弱信号的放大电路中，其输入偏置电流的值往往远大于待测信号本身的值。

此外，运算放大器还有输入失调电流，这个电流流到外面电阻，即使是KΩ量级的，也会产生几十μV的失调电压，再经放大，很容易就会使输出的电压误差到mV级。

此外，各种电噪声和干扰也无法回避。实际运算放大器的输入失调电压、输入偏置电流、各种电噪声和干扰往往远大于电介质薄膜中的漏电流，电介质薄膜中的漏电流被淹没在这些非正常的信号中，在各级放大电路中，待测电流被放大的同时，各种干扰、噪声、电路失调等杂质信号也同时被放大，这些因素使得电介质薄膜的漏电流的测量困难重重。即使采用性能优异的商业的运算放大器搭建信号放大电路，想要准确测量电介质薄膜的漏电流特性即电压-电流特性曲线，常规结构的放大电路也是无能为力。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种电介质薄膜电学性质测量系统，可准确测量电介质薄膜的漏电流特性即电压-电流特性曲线。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种电介质薄膜电学性质测量系统，包括探针台、电学测试装置和计算机；

探针台包括样品台、光学显微镜、两个XYZ三向探针移动台、两根导电测试探针，所述XYZ三向探针移动台包括有探针夹持器和XYZ三向精密移动机构，所述探针夹持器用于夹持和固定探针，所述XYZ三向探针移动台用于实现在X、Y、Z三个方向调节探针的位置；所述样品台用于放置电介质薄膜样品；两根导电测试探针用于电性连接至电介质薄膜样品上的两个电极；所述光学显微镜用于观察导电测试探针针尖的位置并准确移动和可靠接触至电介质薄膜样品上的两个电极；