在片宽带70kHz-220 GHz单次扫描测量的校准、重复性及相关特性

随着现代半导体器件和集成电路的工作频率和性能要求进一步提升，对这类被测器件（DUT）的宽带、精确晶圆级表征解决方案的需求变得不可避免。在不同频段获得的测量结果中观察到的非连续性，使得用于工艺开发套件（PDK）的创建和电路设计验证/调试的设备模型参数验证变得极具挑战性。此外，由于需要多次进行系统配置、使用昂贵的硬件以及存在损坏系统组件的高风险，而且需要覆盖多个频段的测量极其耗时耗力。DUT的接触PAD会随着接触次数的增加而急剧退化，因此，在整个频率范围内对同一DUT进行测量会变得更加困难。

覆盖低频至220 GHz的宽带矢量网络分析仪系统及其配套探头，有助于解决以上测量难题。

实验设置

A. 矢量网络分析仪和探针系统

所评估的测量系统是由安立ME7838G 70 kHz – 226 GHz宽带矢量网络分析仪、手动晶圆探针系统TS200以及TITAN™射频晶圆探针T220A-GSG075组成（均由MPI公司提供）。该系统由一个基础微波矢量网络分析仪和安装在探头上的远程头组成（见图1）。信号源和接收机被复用以实现连续覆盖，并且存在一条直流路径通往探头顶端，用于偏置和低频覆盖。激励功率在扩频模块端面处被均衡，并且可控范围通常大于40 dB。简化框图如图2所示。扩频模块接收机用于30 GHz以上，倍频器用于54 GHz以上，而基础矢量网络分析仪则处理较低的频率。

探头的接口支持同轴模式，但出于控制<0.4毫米中心导体上的机械应力的原因，未采用传统的螺纹外导体。取而代之的是，一个类似UG-387的波导法兰为外部导体提供配合，法兰的对齐销引导同轴配合过程。扩频模块上的母头如图3所示，旁边是探针侧使用的公头。法兰连接器本身的重复性/耐用性测试已进行了多达1000次循环，仅观察到轻微退化。

图1 测量配置

图2 宽带矢量网络分析仪（VNA）配置基本框图

图3 左侧展示的是宽带接口的母端（模块侧），右侧展示的是公针（用于探头上）。

外导体的直径为0.6毫米

B. 晶圆探针

传统的G Band晶片探针包含两个信号转换点，电磁波在这些点从一种传播模式转换为另一种传播模式：从波导模式转换为同轴模式（在探针主体中），从同轴模式转换为共面波导模式（在探针尖端）。 新系统的宽带接口使得基于微型同轴电缆的射频探针设计成为可能，该探针尖端只有一个模式转换点。因此，探针的损耗被降至最低，尽管探针长度约为45毫米（图4），但其性能却可与传统的基于波导的探针相媲美。

图4 T220A-GSG050探针（左侧）的尺寸及其典型S参数（右侧，黑色轨迹）与传统WR5晶圆探针S参数（右侧，红色轨迹）的对比

T220A-GSG050探头的S参数是从系统校准后获得的测量结果中提取的，通过去嵌入处理，得到了设置在宽带接口模块（母头）侧的测量平面。首先，使用0.8毫米同轴校准套件（合并OSLT和SSST）在70 kHz至140 GHz的频率范围内对系统进行了校准；接下来，使用G波段WR5波导校准套件（SSLT）完成了140 GHz至220 GHz频率范围内的校准；最后，通过简单的去嵌入程序，消除了从宽带接口到0.8毫米同轴接口以及从宽带接口到WR5波导的适配器的影响。随后，使用已连接的探头进行测量，以提取参数。采用蒙特卡洛方法评估了该提取过程的不确定性，结果在220 GHz时（插入损耗）的2σ值为0.5 dB；回波损耗的不确定性变化较大，但在220 GHz时约为1.5 dB，并且在低频时，随着回波损耗水平的升高而增加（此时，匹配在一定程度上受到微同轴电缆阻抗控制的限制）。

由于探头的插入损耗相对较低，因此可以将功率水平范围从约-60 dBm到-20 dBm（-12 dBm（200 GHz））的入射信号传输至待测设备（DUT）。共面波导（CPW）接触结构采用微电子机械系统（MEMS）工艺制造，并提供50微米、75微米和100微米间距的接地-信号-接地（GSG）配置。接触形状设计为准三维结构，以便更好地观察电接触点。良好的尖端和接触可见性提高了测量结果和系统校准的重复性和再现性。

图4展示了探针的几何形状，以及与传统G波段带限探针（图4右侧，红色轨迹）的传输和反射特性（图4右侧，黑色轨迹）的对比图。在本例中，两种情况下220 GHz时的最大插入损耗均约为4.5 dB。图5展示了探针尖端的特写视图。

图5 T220A-GSG050探头的特写视图

C. 校准基片

本实验中使用的TCS-050-100-W4校准基片的设计之前已有介绍。该基片包含五条共面波导（CPW）线，这些线针对高达220 GHz的mTRL校准进行了优化，同时还包括用于基于集总参数电路校准方案的开路、短路和负载标准。此外，还配备了一套设计值为3 dB、6 dB和10 dB的对称衰减器，用于校准验证。直通、开路、负载、短路标准以及对称衰减器是专为GSG探针设计的，其间距范围从50微米到100微米不等，且适用于150微米的探针间距。五条共面波导（CPW）传输线的有效长度分别为360微米、610微米、1175微米、2425微米和5200微米。

250微米厚的校准基片被放置在由陶瓷制成的TS200系统辅助卡盘上。陶瓷卡盘的介电常数与校准基片的材料特性相匹配，从而抑制了可能的高阶模态的传播。依次获取标准件和验证件的五个数据，以计算测量和校准的重复性。

实验结果

A. 测量重复性

为了说明片上测量的基本可重复性，进行了一些更简单的实验。在假设完美匹配回波损耗的情况下，进行了LRM校准（使用基板TCS-050-100-W），并在每次测量之间使用探针升起对3 dB验证衰减器进行了三次测量（使用的是50微米间距的探针）。

图6 显示了3 dB衰减器的重复性测量结果，左侧为传输，右侧为反射。

对于反射，结果以相对于首次测量（图例中的“A”）的矢量差表示

这些结果在图6中以传输参数的形式展示。激励功率为-30 dBm，中频带宽（IFBW）为100 Hz，可用于低功率设备特性测量（低于该系统最大可用激励功率15 dB以上）。由于测量次数较少，我们观察到反射的重复性约为-30dB。

另一个重复性实验是进行三次不同的LRM校准，然后使用每种校准对一条短线（在校准过程中未使用）进行五次测量（中间仅进行一次探头提起和触地）。这15次测量（同样使用50μm间距探针和基板TCS-050-100-W）的测量结果如图7所示。这些数据表明，在这种具有挑战性的深度匹配测量中，180 GHz下的重复性约为-30 dB，220 GHz下的重复性约为-26 dB。在此次操作中，探头间距并未发生显著变化（尽管由于是手动操作，接触点进行了微调）（图中的异常轨迹很可能是由微小的放置差异引起的）。

图7 三种不同的LRM校准以及每种校准下五次不同测量（每次测量之间有探针提升）时短传输线的匹配情况

B. 校准重复性

校准重复性是集成测量测试的另一个重要性能指标。与同轴和波导环境中的校准相比，晶片级校准的重复性受到射频探针的机械特性、探针系统和探针定位器的机械稳定性、光学系统的分辨率和探针定位器的丝杠、接触垫材料、接触垫尺寸以及校准设计、标准及校准方法等多方面因素的限制。美国国家标准与技术研究院（NIST）的mTRL是110 GHz以上测量中更优选的校准方法。 然而，与低频下使用的基于集总电路参数的校准方法（如SOLT、LRM、TMR等）相比，校准周期通常更长：需要测量更多的标准件，并且探头需要在不同测量之间进行精确的调整。因此，mTRL校准的重复性是一个用于晶圆-探针系统评估潜在测量准确性的非常适合的参数。

通过MultiCAL和Verify程序，用在30分钟内连续获取的两个未校正标准件的数据，计算了mTRL校准的重复性。 实验得出了系统上测量的S参数的最坏情况误差界限|Sij' - Sij|/|Sij|和|Sii' - Sii|（图8），用于估计晶片-探针系统的可能测量精度。

采用类似方法，通过两次不同的LRM校准（第一次和第五次，再次假设回波损耗完美匹配，见图7中的红色轨迹）以及五次不同的DUT测量（对称6 dB衰减器），计算了系统漂移、接触重复性和LRM校准重复性的总和。五次DUT测量是在两次LRM校准之间进行的。校正后的S11和S21衰减器测量均值以及最坏情况下的误差界限如图9所示。（衰减器在高频下的传输略有上扬，这可能是由于焊盘/探针之间的电容耦合所致）。

图8 mTRL校准的重复性

在200 GHz以上，误差界限的增大主要是由于信噪比下降，因为这些校准和测量是在相对较低的功率水平（法兰参考为-30 dBm）下进行的，而这可能是有源器件表征所需的功率水平。因此，此次测量旨在探索可能表征的界限。

图9 对称6 dB衰减器（彩色轨迹）的S11和S21幅度，以及根据实验过程中的接触重复性、校准重复性和系统漂移计算得出的最坏情况误差边界

结论

本文介绍了片上宽带70 kHz至220 GHz单次扫描测量系统的测量和校准特性。讨论了系统的关键和具有挑战性的参数，如匹配良好的器件的测量重复性、多线TRL校准重复性以及系统漂移。

实验证明，在具有挑战性的深度匹配测量以及端口功率低至-30 dBm的情况下，可以实现180 GHz时-30 dB量级和220 GHz时-26 dB量级的可重复性。最后，展示了一个验证用对称6 dB衰减器的回波损耗和插入损耗的测量结果，包括最大误差界限估计值，该值是接触误差、校准重复性误差和系统漂移误差的总和。

结果表明，该系统具备在传统测量实验室环境中可实现的特性，可用于进一步研究测量准确性，以及在类似系统上获取的数据进行跨实验室测量比较。