隨著諸如無創(chuàng)光譜檢測、安保監(jiān)控、近距車載雷達(dá)和5G通信等新興的太赫茲（THz）應(yīng)用的迅速發(fā)展，準(zhǔn)確、可靠和可重復(fù)的測量是非常關(guān)鍵的。尤其是對(duì)于器件的研發(fā)、集成電路和滿足太赫茲應(yīng)用需求的新產(chǎn)品模塊來說至關(guān)重要。

本文討論了太赫茲頻率晶圓級(jí)校準(zhǔn)和測量的解決方案。對(duì)于測量儀器的選擇、頻繁的系統(tǒng)重新設(shè)置問題、影響校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性的操作技巧和計(jì)量分析測試數(shù)據(jù)的需求等提出了解決方案。

測試集成

次太赫茲頻率的測量為了切換頻段通常需要重復(fù)和繁瑣的系統(tǒng)重新設(shè)置。例如，探頭系統(tǒng)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）需要重新設(shè)置和重新校準(zhǔn)6次才能測量到750GHz（圖1）。對(duì)待測器件（DUT）進(jìn)行寬頻測量已經(jīng)成為極其耗時(shí)的工作。將次太赫茲VNA頻率拓展組件集成到探頭系統(tǒng)上的傳統(tǒng)方法需要抬起夾具和顯微鏡，這會(huì)降低系統(tǒng)機(jī)械穩(wěn)定性。同時(shí)，提高測試頻率需要極其精準(zhǔn)地將射頻探頭定位在待測器件和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件的焊盤上。因此系統(tǒng)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性隨頻率的升高呈指數(shù)型下降，待測器件的測定成為一項(xiàng)非常有挑戰(zhàn)性的工作。

圖1：使用MSG測量太赫茲晶體管，實(shí)現(xiàn)95%置信精度；測量頻率達(dá)到750GHz需要重置六次系統(tǒng)。數(shù)據(jù)由NIST的Dylan Williams提供。

如MPI公司TS150-THZ手動(dòng)測試系統(tǒng)集成了許多功能，以便解決太赫茲頻率晶圓級(jí)測量遇到的挑戰(zhàn)。這些功能包括無縫集成任何種類、任何頻點(diǎn)的VNA頻率拓展組件，以提供最大的測量動(dòng)態(tài)范圍和測量可重復(fù)性（圖2a）。這可通過直接在低剖面Z平面穩(wěn)定夾具表面安裝加脊探頭臺(tái)板的方法實(shí)現(xiàn)。這個(gè)方法可以使太赫茲射頻晶圓探頭直接安裝在VNA頻率拓展組件的波導(dǎo)輸出口（圖2b），以最大化測量動(dòng)態(tài)范圍。一個(gè)專用的楔形VNA拓展組件固定平臺(tái)用于方便更替這些組件（圖2c）。不必將固定平臺(tái)從拓展組件上拆卸下來：由于其底部扁平，固定平臺(tái)和VNA拓展組件可以作為一個(gè)整體處理，放在實(shí)驗(yàn)室架子上或在柜子里供以后使用。

圖2：MPI公司TS150-THZ可測試330GHz的集成探頭系統(tǒng)和R&S公司ZVA系列VNA (a)。直接貼合在毫米波ZVA轉(zhuǎn)換器輸出端口的GGB波導(dǎo)探頭(b)。R&S ZVA-Z75的楔型接口和R&S ZVA-Z220頻率變換器(c)。圖片由羅德與施瓦茨公司提供。

為什么選擇多線TRL方法

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的多線直通-反射-傳輸線（TRL）射頻校準(zhǔn)方法已經(jīng)成為專注于晶圓級(jí)別射頻測量的計(jì)量學(xué)和工業(yè)界實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)方法。和其它校準(zhǔn)方法相比，其關(guān)鍵優(yōu)勢是校準(zhǔn)參考阻抗的計(jì)算，即ZREF，是通過測量沿校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)微帶線傳播的行波得出的。行波是由傳輸線種類和設(shè)計(jì)決定的純物理現(xiàn)象，和射頻探頭的形狀與設(shè)計(jì)無關(guān)。多線TRL算法可以準(zhǔn)確提取校準(zhǔn)傳輸線的傳輸系數(shù)γ。因此多線TRL可以將測試參考平面精確地設(shè)置到任何一點(diǎn)。多線TRL校準(zhǔn)件可以使用和待測器件相同的設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體處理制造工藝。在晶圓上定制的多線TRL校準(zhǔn)件可以免去從器件接觸焊盤的寄生阻抗中剝離待測器件測試結(jié)果的麻煩。由于這些優(yōu)勢，多線TRL是110GHz以上唯一能得到可信校準(zhǔn)結(jié)果的校準(zhǔn)方法。

為了覆蓋較寬的頻率范圍，校準(zhǔn)時(shí)需要用三根或更多根不同長度的傳輸線。算上直通標(biāo)準(zhǔn)件和反射標(biāo)準(zhǔn)件，多線校準(zhǔn)工具箱包括多于五個(gè)元件。為了實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性測量，使用這種校準(zhǔn)工具箱需要重復(fù)調(diào)整測微定位器和重復(fù)地將探頭放在接觸焊盤上。通常在毫米波段依靠手動(dòng)探頭系統(tǒng)難以獲得準(zhǔn)確且可重復(fù)的多線TRL校準(zhǔn)，尤其是由幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)水平不同的用戶操作。TS150-THZ系統(tǒng)提供了集成數(shù)字測微尺的方案，可以簡化校準(zhǔn)過程。TRL算法通常將標(biāo)準(zhǔn)直通件視為0長度傳輸線。每個(gè)其它的傳輸線的有效長度，?l，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)傳輸件的長度進(jìn)行定義（圖3a）。操作者在標(biāo)準(zhǔn)直通件上最初調(diào)整好探頭后，簡單地將數(shù)字測微尺置零（圖3b）。下一步，射頻探頭之間的距離被重新設(shè)置為需要的?l值（表1），其精度誤差小于1 μm。因此，此系統(tǒng)提升了校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性的同時(shí)降低了設(shè)置的時(shí)間，甚至可以由沒有經(jīng)驗(yàn)的操作者使用。

圖3：標(biāo)準(zhǔn)傳輸線?l的TRL定義(a)。MP80-DX測微定位器和X軸上的數(shù)字測微計(jì)(b)。

StatistiCAL Plus是NIST開發(fā)的軟件包，用于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的多線TRL測量和基于正交距離回歸的校準(zhǔn)。此算法由NIST和德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）共同開發(fā)。此算法的獨(dú)特之處是能夠估計(jì)由隨機(jī)誤差導(dǎo)致的自身測試結(jié)果的不確定性。StatistiCAL Plus算法的特點(diǎn)是具有高度的健壯性，即使根據(jù)較差的最初估計(jì)也能得出計(jì)算結(jié)果。NIST微波不確定性框架在StatistiCAL Plus軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了根據(jù)不同模型計(jì)算和傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)等后處理功能。此框架包括的后處理模塊，可以將測量得到的S參數(shù)中的不確定性傳播到晶體管增益、功率、材料參數(shù)和其它導(dǎo)出的測量結(jié)果和指標(biāo)中。公司為計(jì)量學(xué)家和微波測試專家開發(fā)了兩種軟件包，用于離線后處理測試數(shù)據(jù)，即無需連接VNA、探頭系統(tǒng)和器件測試軟件。他們將典型的工業(yè)界或?qū)W術(shù)界測量實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用，集成為一個(gè)通用的自動(dòng)化測量流程，需要大量的編程和豐富的微波計(jì)量的經(jīng)驗(yàn)。

目前，StatistiCAL Plus軟件中NIST的多線TRL計(jì)量VNA校準(zhǔn)方法可以通過MPI公司的QAlibria軟件獲得。兩種軟件包聯(lián)手處理系統(tǒng)校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)流分析的工作（圖4）：QAlibria負(fù)責(zé)和VNA、探頭系統(tǒng)和操作者交互。與此同時(shí)StatistiCAL Plus在后臺(tái)運(yùn)行，計(jì)算校準(zhǔn)誤差和不確定性。通過QAlibria的多點(diǎn)觸摸和多語言用戶圖像交互界面，設(shè)置錯(cuò)誤的可能被降至最低，即使無經(jīng)驗(yàn)的用戶也能獲得準(zhǔn)確的校準(zhǔn)結(jié)果。

圖4：系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)流圖。

計(jì)算多線TRL誤差需要關(guān)于校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的初始信息，例如標(biāo)準(zhǔn)反射件的種類（即開路、短路或強(qiáng)反射）、標(biāo)準(zhǔn)傳輸線的物理長度和有效介電常數(shù)的初始估計(jì)。StatistiCAL算法需要最初的誤差估計(jì)和一些NIST ODRPACK計(jì)算引擎的特殊設(shè)置。

這些定義由QAlibria自動(dòng)完成，并作為StatistiCAL Plus的校準(zhǔn)目錄文件QAlibriaMenuNIST.scm存儲(chǔ)在本地件夾中：MPIQAlibriaDataStatistiCAL。這個(gè)文件夾也包含由QAlibria測得的標(biāo)準(zhǔn)件原始數(shù)據(jù)(在\_input目錄下)和由StatistiCAL計(jì)算出的校準(zhǔn)矢量結(jié)果，自動(dòng)存儲(chǔ)為\_output目錄下Solution.txt文件。等StatistiCAL Plus完成計(jì)算，QAlibria調(diào)用矢量結(jié)果，并且將誤差值發(fā)送給VNA。此系統(tǒng)無需用戶操作便可完成全部校準(zhǔn)工作。

重復(fù)性和可復(fù)現(xiàn)性

目前市場上MPI手動(dòng)系統(tǒng)的共同之處包括：一個(gè)空氣軸承平臺(tái)，一個(gè)由三個(gè)分立定位儀支撐的高可重復(fù)性平臺(tái)，和自動(dòng)接觸的功能。后者的功能對(duì)于改進(jìn)待測器件測量數(shù)據(jù)的接觸可重復(fù)性和可復(fù)現(xiàn)性來說尤為重要，且和操作者的專業(yè)性無關(guān)。圖5是使用GGB工業(yè)公司CS15商業(yè)氧化鋁校準(zhǔn)基材和波導(dǎo)射頻探頭，進(jìn)行集總傳輸線-反射-匹配（LRM）校準(zhǔn)的重復(fù)性和多線TRL校準(zhǔn)的重復(fù)性對(duì)比。LRM方法由同一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的操作者連續(xù)校準(zhǔn)兩次。使用校準(zhǔn)比較方法計(jì)算這兩次校準(zhǔn)的區(qū)別。因?yàn)檫@兩次校準(zhǔn)是連續(xù)進(jìn)行的，系統(tǒng)漂移被降到了最低，校準(zhǔn)比較方法給出的結(jié)果主要是反映了LRM校準(zhǔn)的重復(fù)性誤差。下一步，進(jìn)行四次多線TRL校準(zhǔn)，兩次是由有經(jīng)驗(yàn)的操作者校準(zhǔn)，另外兩次由無經(jīng)驗(yàn)的操作者校準(zhǔn)。每次數(shù)字測微尺都被用于測定表1中每條校準(zhǔn)線的?l。由兩個(gè)操作者進(jìn)行的多線TRL校準(zhǔn)最大可重復(fù)性誤差明顯小于由一個(gè)操作者進(jìn)行的LRM校準(zhǔn)誤差。

圖5：集總LRM校準(zhǔn)可重復(fù)性和在TS150-THZ搭配MP80-DX組件進(jìn)行多線TRL校準(zhǔn)的操作誤差對(duì)比。

多線TRL可以準(zhǔn)確提取校準(zhǔn)傳輸線的傳播系數(shù)γ，也易于計(jì)算有效介電常數(shù)εeff。NIST的StatistiCAL Plus可以將每條傳輸線的εeff實(shí)部和虛部繪成圖表并計(jì)算其平均值（圖6）。這個(gè)功能對(duì)于迅速確認(rèn)和調(diào)試校準(zhǔn)結(jié)果非常有幫助。如有需要，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以圖表或數(shù)據(jù)的方式導(dǎo)出，以便進(jìn)一步分析。另外一種迅速檢查校準(zhǔn)是否成功的方法是對(duì)校準(zhǔn)所用的標(biāo)準(zhǔn)傳輸線和標(biāo)準(zhǔn)反射件的修正后的S參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)（圖7和8）。

圖6：StatistiCAL Plus（調(diào)試模式）計(jì)算和顯示的有效介電常數(shù)εeff的實(shí)部和虛部。

圖7：CS15校準(zhǔn)基材上的標(biāo)準(zhǔn)共面波導(dǎo)，探頭由GGB工業(yè)公司提供。直通(a)、短路(b)、傳輸線2 (c)和傳輸線3 (d)。

圖8：CS15共面波導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)傳輸線(a)和標(biāo)準(zhǔn)短路件(b)修正后結(jié)果。

在需要對(duì)待測器件的測試數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)和測試不確定性誤差進(jìn)行進(jìn)一步分析時(shí)，StatistiCAL Plus矢量解法可以直接安裝到NIST不確定性框架的Calibrate DUT Plus工具里面（圖9）。可以用于計(jì)算待測器件的參數(shù)，包括95%置信精度的標(biāo)準(zhǔn)不確定性。校準(zhǔn)不確定性協(xié)方差矩陣也可以由StatistiCAL Plus菜單欄導(dǎo)出（圖10）。

圖9：NIST不確定性框架包提供的Calibrate DUT Plus工具

圖10：從StatistiCAL Plus中導(dǎo)出校準(zhǔn)殘余誤差協(xié)方差矩陣。

結(jié)論

為了證明此系統(tǒng)的能力，測量了夫瑯禾費(fèi)研究所應(yīng)用固態(tài)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一個(gè)四級(jí)325GHz毫米波單片集成低噪聲放大器（MMIC LNA）（圖11）。|S21|參數(shù)的測量結(jié)果具有±95%置信精度。晶圓級(jí)別頻率高達(dá)太赫茲的測量對(duì)系統(tǒng)集成、校準(zhǔn)、操作和數(shù)據(jù)分析提出了新的需求。由底層設(shè)計(jì)的晶圓探針系統(tǒng)整合了許多新功能，以便簡化系統(tǒng)操作和重新設(shè)置系統(tǒng)，并且可以最大化測量動(dòng)態(tài)范圍和可復(fù)現(xiàn)性。

圖11：夫瑯和費(fèi)研究所325GHz四級(jí)單片微波集成電路低噪聲放大器(a)和±95%置信精度的S21測試結(jié)果(b)。

通過集成NIST的StatistiCAL Plus軟件和NIST的不確定性框架，首次實(shí)現(xiàn)了高精度計(jì)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)簡化、器件測量和數(shù)據(jù)分析。模塊化的熱力和非熱力夾具、高級(jí)射頻配件（例如射頻測微定位器、射頻線纜、校準(zhǔn)基材和射頻探頭）、新的校準(zhǔn)技術(shù)和近距離將VNA集成到探針系統(tǒng)，組成了一個(gè)完整的測試解決方案，滿足了太赫茲探索中復(fù)雜性和準(zhǔn)確性的需求。