隨著現代半導體器件和集成電路的工作頻率和性能要求進一步提升，對這類被測器件（DUT）的寬帶、精確晶圓級表征解決方案的需求變得不可避免。在不同頻段獲得的測量結果中觀察到的非連續性，使得用于工藝開發套件（PDK）的創建和電路設計驗證/調試的設備模型參數驗證變得極具挑戰性。此外，由于需要多次進行系統配置、使用昂貴的硬件以及存在損壞系統組件的高風險，而且需要覆蓋多個頻段的測量極其耗時耗力。DUT的接觸PAD會隨著接觸次數的增加而急劇退化，因此，在整個頻率范圍內對同一DUT進行測量會變得更加困難。

覆蓋低頻至220 GHz的寬帶矢量網絡分析儀系統及其配套探頭，有助于解決以上測量難題。

實驗設置

A. 矢量網絡分析儀和探針系統

所評估的測量系統是由安立ME7838G 70 kHz – 226 GHz寬帶矢量網絡分析儀、手動晶圓探針系統TS200以及TITAN?射頻晶圓探針T220A-GSG075組成（均由MPI公司提供）。該系統由一個基礎微波矢量網絡分析儀和安裝在探頭上的遠程頭組成（見圖1）。信號源和接收機被復用以實現連續覆蓋，并且存在一條直流路徑通往探頭頂端，用于偏置和低頻覆蓋。激勵功率在擴頻模塊端面處被均衡，并且可控范圍通常大于40 dB。簡化框圖如圖2所示。擴頻模塊接收機用于30 GHz以上，倍頻器用于54 GHz以上，而基礎矢量網絡分析儀則處理較低的頻率。

探頭的接口支持同軸模式，但出于控制<0.4毫米中心導體上的機械應力的原因，未采用傳統的螺紋外導體。取而代之的是，一個類似UG-387的波導法蘭為外部導體提供配合，法蘭的對齊銷引導同軸配合過程。擴頻模塊上的母頭如圖3所示，旁邊是探針側使用的公頭。法蘭連接器本身的重復性/耐用性測試已進行了多達1000次循環，僅觀察到輕微退化。

圖1 測量配置

圖2 寬帶矢量網絡分析儀（VNA）配置基本框圖

圖3 左側展示的是寬帶接口的母端（模塊側），右側展示的是公針（用于探頭上）。

外導體的直徑為0.6毫米

B. 晶圓探針

傳統的G Band晶片探針包含兩個信號轉換點，電磁波在這些點從一種傳播模式轉換為另一種傳播模式：從波導模式轉換為同軸模式（在探針主體中），從同軸模式轉換為共面波導模式（在探針尖端）。 新系統的寬帶接口使得基于微型同軸電纜的射頻探針設計成為可能，該探針尖端只有一個模式轉換點。因此，探針的損耗被降至最低，盡管探針長度約為45毫米（圖4），但其性能卻可與傳統的基于波導的探針相媲美。

圖4 T220A-GSG050探針（左側）的尺寸及其典型S參數（右側，黑色軌跡）與傳統WR5晶圓探針S參數（右側，紅色軌跡）的對比

T220A-GSG050探頭的S參數是從系統校準后獲得的測量結果中提取的，通過去嵌入處理，得到了設置在寬帶接口模塊（母頭）側的測量平面。首先，使用0.8毫米同軸校準套件（合并OSLT和SSST）在70 kHz至140 GHz的頻率范圍內對系統進行了校準；接下來，使用G波段WR5波導校準套件（SSLT）完成了140 GHz至220 GHz頻率范圍內的校準；最后，通過簡單的去嵌入程序，消除了從寬帶接口到0.8毫米同軸接口以及從寬帶接口到WR5波導的適配器的影響。隨后，使用已連接的探頭進行測量，以提取參數。采用蒙特卡洛方法評估了該提取過程的不確定性，結果在220 GHz時（插入損耗）的2σ值為0.5 dB；回波損耗的不確定性變化較大，但在220 GHz時約為1.5 dB，并且在低頻時，隨著回波損耗水平的升高而增加（此時，匹配在一定程度上受到微同軸電纜阻抗控制的限制）。

由于探頭的插入損耗相對較低，因此可以將功率水平范圍從約-60 dBm到-20 dBm（-12 dBm（200 GHz））的入射信號傳輸至待測設備（DUT）。共面波導（CPW）接觸結構采用微電子機械系統（MEMS）工藝制造，并提供50微米、75微米和100微米間距的接地-信號-接地（GSG）配置。接觸形狀設計為準三維結構，以便更好地觀察電接觸點。良好的尖端和接觸可見性提高了測量結果和系統校準的重復性和再現性。

圖4展示了探針的幾何形狀，以及與傳統G波段帶限探針（圖4右側，紅色軌跡）的傳輸和反射特性（圖4右側，黑色軌跡）的對比圖。在本例中，兩種情況下220 GHz時的最大插入損耗均約為4.5 dB。圖5展示了探針尖端的特寫視圖。

圖5 T220A-GSG050探頭的特寫視圖

C. 校準基片

本實驗中使用的TCS-050-100-W4校準基片的設計之前已有介紹。該基片包含五條共面波導（CPW）線，這些線針對高達220 GHz的mTRL校準進行了優化，同時還包括用于基于集總參數電路校準方案的開路、短路和負載標準。此外，還配備了一套設計值為3 dB、6 dB和10 dB的對稱衰減器，用于校準驗證。直通、開路、負載、短路標準以及對稱衰減器是專為GSG探針設計的，其間距范圍從50微米到100微米不等，且適用于150微米的探針間距。五條共面波導（CPW）傳輸線的有效長度分別為360微米、610微米、1175微米、2425微米和5200微米。

250微米厚的校準基片被放置在由陶瓷制成的TS200系統輔助卡盤上。陶瓷卡盤的介電常數與校準基片的材料特性相匹配，從而抑制了可能的高階模態的傳播。依次獲取標準件和驗證件的五個數據，以計算測量和校準的重復性。

實驗結果

A. 測量重復性

為了說明片上測量的基本可重復性，進行了一些更簡單的實驗。在假設完美匹配回波損耗的情況下，進行了LRM校準（使用基板TCS-050-100-W），并在每次測量之間使用探針升起對3 dB驗證衰減器進行了三次測量（使用的是50微米間距的探針）。

圖6 顯示了3 dB衰減器的重復性測量結果，左側為傳輸，右側為反射。

對于反射，結果以相對于首次測量（圖例中的“A”）的矢量差表示

這些結果在圖6中以傳輸參數的形式展示。激勵功率為-30 dBm，中頻帶寬（IFBW）為100 Hz，可用于低功率設備特性測量（低于該系統最大可用激勵功率15 dB以上）。由于測量次數較少，我們觀察到反射的重復性約為-30dB。

另一個重復性實驗是進行三次不同的LRM校準，然后使用每種校準對一條短線（在校準過程中未使用）進行五次測量（中間僅進行一次探頭提起和觸地）。這15次測量（同樣使用50μm間距探針和基板TCS-050-100-W）的測量結果如圖7所示。這些數據表明，在這種具有挑戰性的深度匹配測量中，180 GHz下的重復性約為-30 dB，220 GHz下的重復性約為-26 dB。在此次操作中，探頭間距并未發生顯著變化（盡管由于是手動操作，接觸點進行了微調）（圖中的異常軌跡很可能是由微小的放置差異引起的）。

圖7 三種不同的LRM校準以及每種校準下五次不同測量（每次測量之間有探針提升）時短傳輸線的匹配情況

B. 校準重復性

校準重復性是集成測量測試的另一個重要性能指標。與同軸和波導環境中的校準相比，晶片級校準的重復性受到射頻探針的機械特性、探針系統和探針定位器的機械穩定性、光學系統的分辨率和探針定位器的絲杠、接觸墊材料、接觸墊尺寸以及校準設計、標準及校準方法等多方面因素的限制。美國國家標準與技術研究院（NIST）的mTRL是110 GHz以上測量中更優選的校準方法。 然而，與低頻下使用的基于集總電路參數的校準方法（如SOLT、LRM、TMR等）相比，校準周期通常更長：需要測量更多的標準件，并且探頭需要在不同測量之間進行精確的調整。因此，mTRL校準的重復性是一個用于晶圓-探針系統評估潛在測量準確性的非常適合的參數。

通過MultiCAL和Verify程序，用在30分鐘內連續獲取的兩個未校正標準件的數據，計算了mTRL校準的重復性。 實驗得出了系統上測量的S參數的最壞情況誤差界限|Sij' - Sij|/|Sij|和|Sii' - Sii|（圖8），用于估計晶片-探針系統的可能測量精度。

采用類似方法，通過兩次不同的LRM校準（第一次和第五次，再次假設回波損耗完美匹配，見圖7中的紅色軌跡）以及五次不同的DUT測量（對稱6 dB衰減器），計算了系統漂移、接觸重復性和LRM校準重復性的總和。五次DUT測量是在兩次LRM校準之間進行的。校正后的S11和S21衰減器測量均值以及最壞情況下的誤差界限如圖9所示。（衰減器在高頻下的傳輸略有上揚，這可能是由于焊盤/探針之間的電容耦合所致）。

圖8 mTRL校準的重復性

在200 GHz以上，誤差界限的增大主要是由于信噪比下降，因為這些校準和測量是在相對較低的功率水平（法蘭參考為-30 dBm）下進行的，而這可能是有源器件表征所需的功率水平。因此，此次測量旨在探索可能表征的界限。

圖9 對稱6 dB衰減器（彩色軌跡）的S11和S21幅度，以及根據實驗過程中的接觸重復性、校準重復性和系統漂移計算得出的最壞情況誤差邊界

結論

本文介紹了片上寬帶70 kHz至220 GHz單次掃描測量系統的測量和校準特性。討論了系統的關鍵和具有挑戰性的參數，如匹配良好的器件的測量重復性、多線TRL校準重復性以及系統漂移。

實驗證明，在具有挑戰性的深度匹配測量以及端口功率低至-30 dBm的情況下，可以實現180 GHz時-30 dB量級和220 GHz時-26 dB量級的可重復性。最后，展示了一個驗證用對稱6 dB衰減器的回波損耗和插入損耗的測量結果，包括最大誤差界限估計值，該值是接觸誤差、校準重復性誤差和系統漂移誤差的總和。

結果表明，該系統具備在傳統測量實驗室環境中可實現的特性，可用于進一步研究測量準確性，以及在類似系統上獲取的數據進行跨實驗室測量比較。