[평가 및 분석] LCR 미터 "커패시턴스 측정 방법"

소자의 커페시턴스를 측정하는 방법입니다. 특히 커패시턴스 값과 소자의 기본적인 Info를 통해 유전율을 구할 수도 있습니다. LCR미터는 임피던스 (Inductance), 커패시턴스 (Capacitance), 레즈스트 (Resistance)의 관계를 측정할 수 있어 LCR 미터라고 명명합니다.

---

문 1]. LCR 미터 측정은 언제 사용하죠.

• Keyword : [LCR미터, C-V곡선, HKMG, 산화막, Oxide capacitance]

최근 반도체 소자 미세화 트랜드에 따라서 HKMG (High-k Metal Gate) 공정 기술이 도입되었습니다. 소자의 누설전류를 억제하기 위해서는 산화막의 두께를 줄이거나 유전율을 높은 high-k 물질을 도입함으로써 oxide capacitance를 향상시켜 게이트 전압의 영향력을 키우는 것이 중요합니다. 이떄, 산화막의 커패시턴스 값을 측정하는 방법이 바로 LCR 미터입니다.

 

[꼬리 1-1]. LCR 미터 측정원리에 대해서 설명해보세요.

LCR 미터는 AC전압을 인가하여 이때 흐르는 전류를 센싱함으로써 인덕턴스(L), 커패시턴스(C), 레즈스트(R)을 측정합니다. 저항은 소자의 전류를 흘려주고 저항단에 걸리는 전압을 읽음으로써 'V=IR' 공식을 통해 R을 도출할 수 있습니다. Inductor와 Capacitor를 측정하기 위해서는 임피던스의 개념을 통해 구할 수 있습니다. 특히 주파수에 따라서 고주파일수록 Inductance는 증가하고, Capacitance는 감소합니다. 반대로 저주파에서 Inductance는 감소하고 Capacitance는 증가하는 관계를 가지고 있습니다. 저가 LCR 미터의 경우 100, 120, 1k, 10k, 100kHz의 고정된 저주파수만을 사용하고 Network Analyzer 고가의 LCR미터는 더 넓고 높은 주파수대역에서 세분화된 주파수를 출력하여 주파수 스펙트럼 특성을 측정할 수 있습니다. 

 

[교관의 경험]
LCR 미터를 통해 유전을 측정했습니다. 유전율을 측정했던 측정장비는 키사이트 사에 LCR 미터를 사용함으로써 유전을을 측정할 수 있었습니다. 우선 유전율을 측정하기 위해서는 주파수를 우선적으로 선택해야 합니다. LCR미터는 대략 40~2MHz 대역의 주파수가 사용되고, 임피던스 분석기는 대략 20Hz~1GHz의 더 넓은 주파수 범위를 정할 수 있습니다. 그리고 고가인 Network Analyzer는 더 높은 주파수 대역을 선택하여 측정할 수 있습니다. 
 유전율을 측정하기 위해서는 측정 장비 외에도 픽스쳐라고 불리는 장비에 시료를 로딩할 수 있는 기구가 필요합니다. 이 픽스쳐는 시료의 모양과 측정 주파수에 따라서 달라지며 매우 다양한 종류가 제공됩니다. 특히 가장 보편적으로 사용되는 100kHz 정도의 주파수 측정을 보면, 우선적으로 100kHz이니 LCR 미터를 사용했습니다. (임피던스 분석기, Network Analyzer는 너무 고가여서 저 같은 저가형 인력에게는 측정할 기회를 얻을 수 없었어요ㅠㅠ). 주파수에 따라 특정 모델의 LCR 미터와 픽스쳐를 선택해서 측정했습니다. 측정원리는 LCR 미터에서 Capacitance를 측정하고 픽스쳐의 전극 사이즈와 시료의 thickness를 참고하여 유전율을 계산했었습니다. 또한 주파수 sweep 기능이 있기 때문에 시작과 끝 주파수를 설정하면서 주파수를 변화시켜가면서 유전율을 측정하고 그 결과를 엑셀에 export해서 유전율을 구해 reference check 통해 박막 조건을 최적화 시킬 수 있었습니다. 

---

교관은 분광학을 심도있게 공부했으며, 앞으로 분광측정 원리에 대해서도 꾸준히 교육함으로써 측정 역량 또한 향상시키는데 기여하겠습니다.
충성!