소자 전기 전자 계측, 측정 First Harmonics, Second Harmonics, Delta

정의상 가정	Lock in measurement 삼축 케이블 triaxial cable 동축케이블(coaxial cable)
응용	[특집] Spintronics 측정 (MRAM 측정)

 

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전자 소자를 다루는 모든 연구나  전자를 다루는 모든 물리에서는 전기적 측정(계측)이 정말 중요합니다.

각 계측장비를 어떻게 설정하느냐, 어떤 mode로 측정하느냐, 어떤 도선을 선택하고 어떤 구성을 이루어야 하는지 아주 깊게 고민을 하며 설정을 해야합니다. 이를 얼마나 고려하냐에 따라 측정의 noise가 바뀌고 볼 수 있는 각종 물리적 현상들이 커지게 됩니다.

 

크게 Harmonics 측정 방법과 Delta mode, 각종 Offset 적용을 통한 방법으로 여러가지 다양한 물리현상을 볼 수 있습니다.

본 포스팅에서는 어떻게 하면 불필요한 시그널인 노이즈를 줄이고, DC source와 AC source로 어떻게 전기적인 측정을 가능케 하는지 포스팅 하겠습니다.

 

용어정리를 하나 하고 넘어가자면, 지금부터 측정하고자 하는 대상, 소자, 회로, 칩과 같은 것을 모두 DUT(Device Under Test)라 칭하겠습니다.

 

먼저 계측기보다 중요한 DUT와 계측기를 이어주는 Line에 대해 이야기 해보겠습니다.

Line이 기계적인 힘을 받아 휘어지거나 움직이게 된다면, Triboelectric Effect라는 마찰에 의한 전하 유도로 예상치못한 전류가 생깁니다. 따라서 모터나 펌프와 같은 기계적 진동에 의해 만지지 않아도 어느정도 전류는 생기는데, 보통의 동축케이블인 Standard cable에서는 10nA이하의 전류가 발생됩니다. 즉 nA의 sensitivity를 요구하는 측정에서는 절대 사용하면 안됩니다.

이를 보완하기 위해 특수물질과 Conductive Lubricant의 insulator를 사용해 noise전류를 빼주는 Low noise cable이 있습니다. 이는 10fA정도 보장해주는데 가격별 회사별 천차만별이니 꼭 확인해 주시기 바랍니다.

 

두번째로는 사람에 인한 영향입니다.

어떤 사람이 무심코 맨손으로 장비를 만졌을 때 땀으로 인해 무조건 표면에는 Na가 묻게 됩니다. 이 나트륨은 좋은 전기분해 물질로  전압이 가해지면 Na이온이 이동하며 전류를 생성하게 됩니다. 이런 문제로 10nA정도의 전류가 발생하고 좋은 실험조건을 만족하고 싶을경우 항상 깨끗하게 해주어야 합니다.

 

다음은 기본적인 Source/계측기의 구조인데요. 본격적으로 계측기를 어떻게 운용해야 정확한 측정을 할 수 있을지 알아보겠습니다.

KEITHLEY 제공 PPT

먼저 앞서말한 Noise 전류를 회로적으로 없애는 방법을 알아보겠습니다.

그전에 계측기에 대해 조금 알아보겠는데, 계측기의 계측방법은 크게 두가지로 나뉩니다.

Differential signal와 Single-Ended Inputs이 그 두가지 인데요.

Single-Ended Inputs이라 하면 익히 알고 있는 Singal Line과 Ground로만 이루어진 것으로, 가장 쉽고, 저렴하고, 단순한 구조입니다.

 

반면 Differential signal은 계측값을 읽는 두 선이 위 그림과 같이 실제 Ground(Analog Ground)에서 절연체로 이격되어 신호를 읽습니다. 다시말해 외부에서 Noise가 들어와도 두 선 모두 영향을 받아 상쇄시킬 수 있습니다.(Common Mode Voltage, CMV라고도 합니다.). 물론 LOW LEVEL GROUND(LLGND)라 하여 그라운드선이 있긴합니다.

이 계측값을 읽는 두선중 Source와 더 가까운 선을 HI(SENSE HI)라 하고, Ground와 더 가까운 선을 LO(SENSE LO)라 합니다. 가깝다는게 정말 물리적으로 가까워서 절연이 더많이되고 덜되고의 차이입니다.

위 그림처럼 TRIAXL 동축 케이블을 생각하면 좋습니다. 즉 Ground에 대해 HI는 큰 임피던스를 가지고 있고, LO는 작은 임피던스를 가지고 있습니다. 그렇다면, 이것으로 Noise를 어떻게 없앨까요?

 

어떤 완벽한 Source(건전지나, Power Supply)도 저항을 가지고 있다는 것을 기억하며

Noise가 선에서 발생한 경우 측정기기에 입력되는 경우를 보겠습니다.

 

다음과 같이 Ground를 잡은곳에 계측기의 Hi 부분을 잡아버린다면, Ground와 비교적 임피던스가 작은 Lo로 Noise RF신호가 빠져나가서 계측에 Noise전류가 들어가게 됩니다. 따라서

위 그림처럼 해주어야 Ground를 통해 Noise가 빠져나가게 됩니다.

 

두번째로  계측기에 보면 항상 등장하지만, 무심코 지나가버리는 Guard에 대한 이용을 보겠습니다.

먼저 다음의 상황을 보겠습니다.

위 그림과 같이 어떤 DUT의 전류를 측정하려고 합니다. 일반적으로 동축케이블(BNC cable)은 Signal Line과 Ground가 절연체로 막아져 있지만, 어쩔수없이 Leakage Current는 항상 흐르게 됩니다. 다시말해 아래와 같은 등가회로를 그릴 수 있는데,

 

이럴경우 이 Leakage Current가 계측기로 유입되는것을 막는 방법이 있습니다. 바로 Guard를 설치하는 것입니다!

아래의그림을 보겠습니다.

위와 같이 Signal Line과 Ground사이에 도체를 두어 Ground로 나가 버리는 Leakage를 Guard로 흘려 계측기에 Noise전류가 흐르는 것을 방지 시킬 수 있습니다.

 

그렇다면 여기서 의문이 하나 들 수 있습니다.

왜 BNC를 쓸까요?

바로 외부에서 유입되는 모든 Noise들을 차단할 수 있기 때문입니다.

Signal Line으로 유입되는 Noise들이 Signal Line을 닫기 전에 쌓여있는 Ground를 통해 빠져나갑니다.

이를 Electrostatic Shielding이라 합니다.

 

또 다른 중요한 Noise가 있는데요, 바로 선을 아래 그림과 같이 Loop로 연결하였을때 자기유도 법칙에 의해 자기장이 발생하거나 외부에서 유입된 자기장에의해 전류 유도되는 현상이 발생해서 이도 Noise Source로 발생이 됩니다.

이도 간단하게 해결 할 수 있는데, 바로 두 전선을 꼬아 놓는 것입니다. 그렇게 한다면 Loop의 면적이 작아질 뿐만 아니라 발생하는 자기장과 전류의 방향이 Loop마다 달라져 유도기전력이 상쇄가 됩니다.

 

또한 심심치 않게 중요한 Noise로 Ground Loop Noise가 있습니다.

계측장비들은 콘센트 플러그에서 전원을 받으며 Ground를 공유하게 되는데요

계측기를 연결하며 서로 측정하는 Line을 꽂을때 BNC Cable의 특성상(동축케이블(coaxial cable)참고 바랍니다.) 추가로 Ground가 또 공유되게 됩니다.

 

이때 Ground Line사이에 높은 전류가 흐르게 될때 Ground사이에 전압이 생기게 되고 실제 측정 Ground에 영향을 주게 됩니다. 이해를 위해 등가회로를 그려본다고 하면 아래와 같습니다.

 

다시말해 Source에서 주는 전압과 Voltmeter에서 읽는 전압 값이 다르게 됩니다.

가장 이를 해결하는 방법은 아래 그림과 같이 계측기의 외부판을 Ground에 한번도 물려 VG가 빠져나갈 낮은 저항의 Line을 만들어 두는 것입니다. 그렇지 않다면, 단순히 특수한 BNC Line을 사용하여 계측기간 Ground를 공유하지 않게 선을 연결하는 것입니다.

 

조금 기술적으로 해결하는 방법은 아래 그림과 같이 Voltmeter를 읽을 때 HI 와 Ground로 읽는 것이 아닌, HI 와 Ground와 높은 임피던스를 가지고 이격되어있는 Lo를 사용하여 읽는 것입니다.

 

 이렇게 된다면, 전류가 흘러도 전류에 의한 영향은 높은 ZCM으로만 가게됩니다.

 

Ground Loop의 다른경우로 HI, Lo를 반대로 연결하는 경우가 있는데,

이렬 경우에도 Ground를 통해 Noise가 유입되게 됩니다. 이때도 그냥 HI, LO만 Ground에 따라 배치하면 됩니다.

이제 Noise를 없애는 측정법에 대해 보겠습니다.

먼저 가장 흔하게 발생하는 Noise는 바로 전류를 흘릴때 생기는 열에 의한 Noise입니다. 만약 측정하는 소자가 저항이라면, Delta Mode라는 측정 Skill에 의해 해결할 수 있습니다.

7th Ed. Low Level Measurement Handbook, Keithley

이 열에 의해 Noise를 Thermoelectric EMFs라는 Noise인데, 전류에 방향에 따른 Offset을 발생시킵니다.

이를 위해 위 그림처럼 서로 반대극의 전류를 입력하여 측정한 결과를 빼주면 진정한 저항을 측정 할 수 있습니다.

이를 자동적으로 하는 방법이 Delta Mode이고 아래 그래프와 같이 반대극성을 주며 두 전류를 빼서 측정하는 것입니다.

7th Ed. Low Level Measurement Handbook, Keithley

이때 주의해야 할점은, 이따 다룰 AC측정에서도 마찬가지 인데, 높은 저항을 가진 소자의경우 Source의 커패시턴스와 상호작용해서 RC constant로 실제 가하는 전압에 도달하는 시간이 길어질 수 있습니다.

즉 아무것도 모르고 Delta Mode를 빠르게 사용하다보면, 원하는 전압을 가하지못하고 측정하여 실제보다 낮은 저항이 측정되어 초전도체 처럼 보여버릴 수도 있습니다.

 

지금까지 7th Ed. Low Level Measurement Handbook, Keithley를 기반으로 설명을 드렸는데, 가장 첫 그림이 바로 이 열에의한 Noise입니다.

7th Ed. Low Level Measurement Handbook, Keithley

위 그래프를 본다면, Source Resistance가 낮을수록 더 정밀한 계측이 되지만, 반면 낮을수록 정밀한 계측을하는 기기들은 높은 저항으로 조금만가도 Noise가 엄청 커집니다. 따라서 측정대상을 잘 고려해서 측정을 해야합니다.

 

마지막으로 본격적인 AC로 넘어가기 전에 주파수대별 Noise를 보겠습니다.(마지막으로 Keithley의 그림을 한번만 더 쓰겠습니다.)

 

 AC에선 10Hz~700Hz를 조심해야한다는 것을 기억하고 Harmonics 측정으로 넘어가겠습니다.

 

Harmonics 측정은 정말 쉽습니다. 단순히 Lock-in amplifier 장비에서 측정하는 Harmonics를 1, 2, 3, 4, 5, 과 같이 설정해주면 됩니다. 이게 무슨의미냐면, Source로 주고있는 Refernance Signal의 주파수가 f라면, 1st Harmonics는 Output signal의 f주파수 부분만 본다는 것이고, 2nd Harmonics는 output signal의 2f 주파수 부분을 보는 것입니다.

 

1st Harmonics는 입력 전류에 대한 출력 전압의 비를 구하는 것으로 단순 저항이라 생각 할 수 있습니다. 하지만 2nd Harmonics부터는 보는게 달라지게 됩니다.

 

이와 관련해서 삼성에서 진행한 정말 유명한 측정 방법이 있는데요. 바로 Ung Hwan Pi의 Applied Physics Letters 97, 162507 (2010)의 논문이 있습니다.

이는 [특집] Spintronics 측정 (MRAM 측정) 포스팅에서 다루겠습니다.

 

 

추후 더 정확한 물리적 설명과 공식을 추가하겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다!