路 宇，戴春華

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001;2.海軍駐揚(yáng)州七二三所軍事代表室，江蘇 揚(yáng)州 225001)

行波電極測試系統(tǒng)中的共面微波探針研究

路 宇1，戴春華2

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001;2.海軍駐揚(yáng)州七二三所軍事代表室，江蘇 揚(yáng)州 225001)

微波探針是測量系統(tǒng)與芯片之間傳輸信號的媒介，是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片的在片檢測和篩選的重要工具之一。研究了一種用于測試行波電極的G-S-G型共面微波探針，通過理論仿真得到了優(yōu)化的微波探針參數(shù)，并進(jìn)行了微波探針的制備實(shí)驗(yàn)。最后通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對探針進(jìn)行性能測試。測試結(jié)果表明微波探針具有10 GHz左右的3 dB帶寬。在13 GHz頻率范圍內(nèi)，微波探針具有較低的插入損耗。該探針性能優(yōu)良，成本低，工藝簡單，對于促進(jìn)電光調(diào)制技術(shù)與光電器件的發(fā)展具有重要意義。

微波探針；在片檢測；特性阻抗；S參數(shù)

0 引 言

隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體器件不斷朝著小體積、高密度、高頻的方向發(fā)展。然而如何及時(shí)準(zhǔn)確地測試這些高頻器件的性能卻成為一個(gè)難題。傳統(tǒng)的測試方法是將器件進(jìn)行封裝，然后利用夾具對其進(jìn)行測試。這種測試方法不僅會引入額外的影響因素使測試結(jié)果不準(zhǔn)確，而且效率低下，容易造成封裝工序的浪費(fèi)，嚴(yán)重制約了半導(dǎo)體工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，因此亟待一種新的方法實(shí)現(xiàn)更加高效準(zhǔn)確的測量。在這種背景下誕生出了專門用于在片檢測高頻半導(dǎo)體器件的微波探針測試系統(tǒng)。

微波探針測試系統(tǒng)包含微波探針、探針支架、電纜、載片臺等組成部分。作為其中的核心部件，微波探針實(shí)現(xiàn)了引導(dǎo)高頻信號在器件芯片與測試系統(tǒng)之間傳輸?shù)淖饔?。利用微波探針可以在器件封裝之前直接對其進(jìn)行高頻特性測試，實(shí)現(xiàn)在片篩選，這對于器件芯片生產(chǎn)效率的提高和微波器件的發(fā)展都具有積極意義[1]。

本文主要研究了一種用于測試行波電極的共面微波探針。行波電極是一種廣泛采用的電極結(jié)構(gòu)。作為電光調(diào)制器的核心部分，行波電極的性能對整個(gè)電光調(diào)制器的性能具有重要影響，因此需要及時(shí)準(zhǔn)確的測量。由于行波電極的工作頻率通常達(dá)到GHz范圍，普通探針無法對其性能進(jìn)行測試，所以需要采用自行設(shè)計(jì)的微波探針。

本文提出了一種G-S-G型共面微波探針結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料參數(shù)對探針的傳輸性能(包括特性阻抗和S參數(shù))的影響，進(jìn)而獲得優(yōu)化的探針參數(shù)。利用該參數(shù)制備出微波探針，并最終對其性能進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明該探針具有良好的3 dB帶寬和S參數(shù)，驗(yàn)證了前面的仿真結(jié)果。該探針可以用于在片檢測電光調(diào)制器中的行波電極，其優(yōu)良的性能、較低的成本以及簡單的制備工藝對于增加器件測量的可靠性，提高行波電極生產(chǎn)效率和促進(jìn)電光調(diào)制技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 微波探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 探針結(jié)構(gòu)

共面微波探針結(jié)構(gòu)采用G-S-G型，如圖1(a)所示。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了共面波導(dǎo)尺寸到同軸傳輸線尺寸之間的平緩過渡，使微波信號在探針與同軸電纜之間的傳輸匹配。對于一般的微波傳輸線，為了盡量降低器件的回波損耗，設(shè)計(jì)時(shí)要滿足通用的 50 Ω阻抗匹配[2]，因而需要對探針的電極寬度、厚度以及電極間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用共面微波探針搭建的行波電極測試系統(tǒng)如圖1(b)所示。微波探針的尖端與待測芯片接觸，探針上的SMA接頭連接到同軸傳輸線，實(shí)現(xiàn)行波電極上電信號的提取[3-4]。

1.2 仿真建模

利用HFSS軟件對共面微波探針的緩變結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。HFSS是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件。HFSS使用有限元(FEM)，集成了實(shí)體模型輸入、自動(dòng)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)、精確仿真和圖形化后處理等功能，可用于計(jì)算S參數(shù)、諧振頻率和場，能夠快速、準(zhǔn)確地得到三維電磁問題的解，可以滿足微波探針的仿真需求[5]。通過HFSS搭建的探針模型如圖2所示。

2 微波探針參數(shù)優(yōu)化

對于微波探針來說，寬頻帶、低反射和低損耗是設(shè)計(jì)的目標(biāo)，其主要性能指標(biāo)包括特性阻抗和S參數(shù)等。在共面微波探針中，信號電極的寬度(W)、電極間距(G)、電極厚度(T)以及襯底的介電常數(shù)都會對特性阻抗和S參數(shù)有影響[6-9]。需要注意的是由于共面微波探針兩端的尺寸不同，因此需要對兩端的電極間距和信號電極寬度分別加以研究。將靠近共面波導(dǎo)一端稱為端口1，對應(yīng)的信號電極寬度稱為W1，對應(yīng)的電極間距稱為G1，將靠近同軸傳輸線一端稱為端口2，對應(yīng)的信號電極寬度稱為W2，對應(yīng)的電極間距稱為G2，如圖1(a)所示。下面將分別對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 信號電極寬度

在研究信號電極寬度對探針性能的影響時(shí)，選取的參數(shù)分別為：電極間距G1=0.01 mm，G2=0.1 mm，電極厚度T=3 μm，材料為金，探針長度L=15 mm。襯底采用介電常數(shù)為4.3的聚酰亞胺，頻率選擇為20 GHz。在研究W1對探針性能影響時(shí)，固定W2=1 mm，得到最優(yōu)化的W1之后，固定W1的值，再研究W2對探針性能的影響。

(1) 特性阻抗

圖3(a)顯示了W1對兩端口特性阻抗的影響。從圖中可以看出，隨著W1的增大，對應(yīng)端口1的特性阻抗逐漸減小，而端口2的特性阻抗變化不大。固定W1=0.1 mm，進(jìn)而研究W2對其的影響，此時(shí)端口1的特性阻抗接近50 Ω。圖3(b)顯示了W2對兩端口特性阻抗的影響，隨著W2的增大，對應(yīng)的端口2特性阻抗也減小，而端口1的特性阻抗變化無明顯規(guī)律。當(dāng)W2=0.9 mm時(shí)，兩端口的特性阻抗最接近50 Ω。

從圖3可以總結(jié)出規(guī)律：某一端的信號電極寬度只會影響該端的特性阻抗，其變化成反比關(guān)系，對另一端的特性阻抗幾乎沒有影響。

(2)S參數(shù)

圖4(a)、(b)分別顯示了信號電極寬度W1、W2對S參數(shù)(插入損耗S21、回波損耗S11)的影響。觀察可以發(fā)現(xiàn)，信號電極寬度的變化對S參數(shù)的影響無明顯規(guī)律。分析原因可能是由于不對稱的探針結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的反射，其影響遠(yuǎn)大過信號電極寬度對探針損耗的影響。

根據(jù)以上仿真結(jié)果，最終確定信號電極寬度W1=0.1 mm，W2=0.9 mm。在該條件下，微波探針具有匹配的特性阻抗和較好的S參數(shù)。

2.2 電極間距

在確定了信號電極寬度之后，研究電極間距對探針性能的影響。首先固定G2=0.3 mm，研究G1對探針各性能指標(biāo)的影響。在得到最優(yōu)化的G1之后，固定G1的值，再研究G2對其影響。其余的參數(shù)與前面保持不變。

(1) 特性阻抗

圖5(a)顯示了G1對兩端口特性阻抗的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著G1的增大，對應(yīng)端口1的特性阻抗逐漸增大，而端口2的特性阻抗基本保持不變。當(dāng)G1=0.01 mm，端口1的特性阻抗為50 Ω，我們固定G1=0.01 mm，繼續(xù)優(yōu)化G2。圖5(b)顯示了G2對兩端口特性阻抗的影響，隨著G2的增大，對應(yīng)的端口2特性阻抗也增大，而端口1的特性阻抗變化很小。當(dāng)G2=0.1 mm時(shí)，兩端口的特性阻抗最接近50 Ω。

從圖5可以得出同前面類似的規(guī)律：某一端的電極間距只會影響該端的特性阻抗，其變化成正比關(guān)系，對另一端的特性阻抗幾乎沒有影響。

(2)S參數(shù)

圖6(a)顯示了G1對S參數(shù)的影響。從圖中可以看出，隨著G1的增大，插入損耗S21增大而回波損耗S11減小。S21越大表明傳輸?shù)侥康亩说哪芰吭蕉?，S11越小則表明反射回源端的能量越少，因此在阻抗匹配的條件下，G1取值越大越好。圖6(b)顯示了G2對S參數(shù)的影響。隨著G2的增大，插入損耗S21增大，而回波損耗S11則是先減小后增大。因此需要綜合考慮插入損耗和回波損耗，以確定最優(yōu)化的G2參數(shù)。

根據(jù)以上仿真結(jié)果，我們最終確定電極間距G1=0.01 mm，G2=0.1 mm。在該條件下，微波探針具有匹配的特性阻抗和較好的S參數(shù)。

2.3 襯底介電常數(shù)

襯底的不同也會對探針性能產(chǎn)生影響，因此需要對其加以研究。在前面確定的參數(shù)基礎(chǔ)上，仿真了襯底介電常數(shù)的變化對特性阻抗和S參數(shù)的影響。圖7(a)、(b)分別顯示了襯底介電常數(shù)的變化對特性阻抗和S參數(shù)的影響。

從圖7(a)可以看出，襯底介電常數(shù)的變化對兩端口的特性阻抗均有相同影響，其變化成反比關(guān)系。當(dāng)介電常數(shù)為4.3時(shí)，兩端口的特性阻抗最接近50 Ω。

圖7(b)則表明，襯底介電常數(shù)增大，回波損耗S11減小，而插入損耗S21波動(dòng)下降。

根據(jù)以上仿真結(jié)果，最終選用聚酰亞胺作為襯底材料，該材料的介電常數(shù)為4.3。

2.4 電極厚度

電極厚度(T)對特性阻抗和S參數(shù)的影響如圖8所示。

從圖8(a)可以看出，電極厚度的增大使得端口1的特性阻抗減小，而端口2的特性阻抗整體變化不大，僅略微減小。圖8(b)中則表明S參數(shù)(回波損耗S21、插入損耗S11)隨電極厚度的變化無確定規(guī)律。由分析知，當(dāng)電極厚度增大時(shí)，S11理論上應(yīng)當(dāng)增大，S21理論上應(yīng)當(dāng)減小，此處未出現(xiàn)這種變化原因可能是不對稱的探針結(jié)構(gòu)引入了較大的反射損耗，導(dǎo)致規(guī)律變化不明顯。

根據(jù)上面的仿真結(jié)果，最終選擇電極厚度為4 μm。

綜合前面的結(jié)論，得到優(yōu)化后的微波探針參數(shù)如表1所示。

表1 微波探針優(yōu)化參數(shù)

3 微波探針的制備與測試

采用聚酰亞胺覆銅板作為材料。下面首先討論共面微波探針的制備工藝流程，進(jìn)而對所制備的微波探針進(jìn)行初步的性能測試。

3.1 制備

利用覆銅板制備微波探針的工藝步驟主要包括：襯底清洗、旋涂光刻膠、前烘、光刻、顯影、堅(jiān)膜以及濕法刻蝕，最終通過裁剪組裝即可得到所需的微波探針。圖9為微波探針的制備工藝流程圖。

具體的工藝步驟為：

(1) 使用乙醇清洗微波覆銅板，將清洗后的覆銅板放在加熱臺上烘干，溫度為110 ℃。

(2) 將BP212光刻膠滴涂在清洗后的覆銅板上，使用旋涂機(jī)進(jìn)行旋涂，轉(zhuǎn)速為3 000 rpm，時(shí)間為25 s。

(3) 將旋涂后的覆銅板放在加熱臺上進(jìn)行前烘，溫度為90 ℃，時(shí)間為15 min。

(4) 使用光刻機(jī)進(jìn)行光刻，然后將光刻后的覆銅板放在顯影液中進(jìn)行顯影，待覆銅板上出現(xiàn)清晰的圖案之后，用去離子水進(jìn)行沖洗，然后將其放在加熱臺上進(jìn)行后烘，溫度為100 ℃，時(shí)間為30 min。

(5) 用4 g FeCl3和50 ml去離子水配制FeCl3溶液，采用水浴加熱法，用配置好的FeCl3溶液去除光刻膠未覆蓋部分的銅箔。

(6) 采用丙酮溶液去除BP212光刻膠。

(7) 將覆銅板進(jìn)行裁剪與組裝，將其固定到支架上。

3.2 測試

實(shí)驗(yàn)制備的微波探針具有一定的損耗，在用于測試行波電極系統(tǒng)之前，首先要對探針的性能進(jìn)行測試。這里主要關(guān)注S21參數(shù)，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)進(jìn)行測試。

在使用VNA之前，必須注意由于VNA和探針之間連接的線纜和接頭會使測得的數(shù)據(jù)含有誤差，因此需要將線纜和接頭帶來的誤差進(jìn)行排除。這里將該誤差等效為1個(gè)誤差盒。VNA測量二端口器件示意圖如圖10所示。

采用10項(xiàng)誤差模型(如圖11所示)，建立散射參數(shù)測量值S′與準(zhǔn)確值S的關(guān)系式，通過直通校準(zhǔn)、反射校準(zhǔn)與傳輸校準(zhǔn)得到準(zhǔn)確值S的表達(dá)式如下[10]：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：

(5)

將測量校準(zhǔn)件的S參數(shù)與準(zhǔn)確的S參數(shù)帶入上式，即可計(jì)算出各誤差參數(shù)。在排除了線纜和接頭的誤差基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測試微波探針的S參數(shù)。在顯微鏡下將2個(gè)微波探針對接起來(如圖12所示)，然后采用VNA對探針性能進(jìn)行測試與分析。在獲得探針的S參數(shù)之后，即可利用該探針對行波電極進(jìn)行測試，其連接示意圖如圖13所示。

VNA對探針的測試結(jié)果如圖14所示。需要注意的是測試中用到了2個(gè)微波探針，因此測試結(jié)果是2個(gè)微波探針對接后的性能參數(shù)，對于單個(gè)微波探針而言，需要將測試結(jié)果相應(yīng)地取半。根據(jù)VNA的測試結(jié)果，制備的單個(gè)微波探針具有10 GHz左右的3 dB帶寬。在13 GHz頻率范圍內(nèi)，微波探針具有較低的插入損耗。這表明了所制備的微波探針具有較好的性能，可以滿足行波電極測試系統(tǒng)需求。

4 結(jié)束語

共面微波探針是測量系統(tǒng)與芯片之間傳輸信號的媒介，可以在芯片封裝之前，直接對其進(jìn)行在片檢測和篩選，對于提高器件芯片生產(chǎn)效率和促進(jìn)微波器件發(fā)展具有重要意義。本文研究了一種G-S-G型共面微波探針結(jié)構(gòu)，通過理論仿真得到了優(yōu)化的微波探針參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了微波探針的制備實(shí)驗(yàn)。最后通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對探針進(jìn)行性能測試。測試結(jié)果表明微波探針具有10 GHz左右的3 dB帶寬。在13 GHz頻率范圍內(nèi)，微波探針具有較低的插入損耗。該探針可以用于在片檢測電光調(diào)制器中的行波電極，其優(yōu)良的性能，較低的成本以及簡單的制備工藝對于增加器件測量的可靠性，提高行波電極生產(chǎn)效率和促進(jìn)電光調(diào)制技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

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ResearchintoCoplanarMicrowaveProbeinTravelling-waveElectrodeTestSystem

LU Yu1,DAI Chun-hua2

(1.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001，China;2.Naval Representative Office Based in The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

The microwave probe is a medium of signal transmission between measurement system and the wafer and is one of important tools realizing on-wafer measurement and filtration of semiconductor.This paper studies a coplanar microwave probe of type G-S-G for testing travelling-wave electrode,through theory simulation,obtains the optimized microwave probe parameters,and performs preparation experiment of microwavve probe,finally performs the performance test to the probe through vector network analyzer.The test results show that the microwave probe has 3 dB bandwidth of about 10 GHz.The microwave probe has lower insertion loss below 13 GHz.The microwave probe has eminent performance,low cost and simple technic,which are significant in promoting the development of electro-optic modulation technology and photoelectric device.

microwave probe;on-wafer measurement;characteristic impedance;Sparameter;

TN454

：A

：CN32-1413(2017)04-0110-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.04.028

2017-03-22