1‑40GHz在片S参数测量方法与流程

本发明涉及微波/毫米波在片s参数计量
技术领域：
，特别是涉及一种1-40ghz在片s参数测量方法。
背景技术：
：测量在片s参数(也就是散射参数，是微波传输中的一个重要参数)的仪器称之为在片s参数测量系统，其主要组成包括：矢量网络分析仪和微波探针台，其中矢量网络分析仪是测量仪器，通过微波电缆将矢网的同轴或波导输入/输出端口，连接到微波探针台的探针头，从而实现测量信号与半导体芯片的连接。由于是芯片级的s参数测量，业内将其称作在片s参数测量。在微波探针台发明之前，芯片的s参数测试都在封装后的测试夹具(一般为同轴或波导接口，从而与矢量网络分析仪直接连接)上进行，显然其测量结果包含了测试夹具的影响，使测量结果存在较大不确定度，给芯片模型建立和质量评价带来了困扰。微波探针台的发明，实现了对裸芯片的直接测量，从而降低了芯片测量成本，特别是芯片表征和质量控制成本。经过几十年的发展，在片s参数测量系统已经成为考核半导体芯片质量和水平最重要测量工具。目前，国内计量技术机构已经建立了矢量网络分析仪的计量能力，即解决了同轴(67ghz)和波导(110ghz)测量模式的s参数量值溯源问题。但是，缺乏“在片s参数”的计量技术手段，导致“在片s参数”测量数据无法有效溯源至国家基准。这种计量现状制约了半导体芯片产业的发展，影响了高端微电子器件的研发进度。国际上，以美国nist为代表的先进计量研究机构，已经解决了40ghz以内的在片计量问题。其总体方案为：提出“on-wafer类”校准件和验证件的设计思想，即二者采用与半导体芯片相同衬底材料，相同传输线结构，相同工艺，且制作在同一个芯片上，从而消除衬底材料、传输线尺寸、探针尖过渡等影响量对最终在片s参数的测量准确度影响。最终通过验证件实现在片s参数的计量工作。国外方案的不足主要体现在，只能实现常温的在片s参数量值传递。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种1-40ghz在片s参数测量方法，此种测量方法温度适用范围为-55℃-125℃，解决在片s参数测量系统量值准确度验证的问题。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种1-40ghz在片s参数测量方法，包括步骤：1)、设计在片s参数验证件的实现形式；2)、设计在片s参数验证件的结构；3)、仿真优化在片s参数验证件；4)、在片s参数验证件定标；5)、定标结果不确定度评定；其特征在于：所述步骤2)中设计在片s参数验证件的结构包括衬底、金属带线和镍铬电阻；所述步骤3)中利用ads中的linecalc计算软件计算得到等效介电常数εeff，利用等效介电常数εeff计算出微波信号相对相位变化δpdegree。优选地，骤2)中在片s参数验证件结构中衬底厚度400μm-600μm，金属带线厚度为100nm-300nm，镍铬电阻阻值为50ω/□。优选地，衬底材料为gaas。优选地，金属带线采用金属蒸发制作工艺制作。优选地，镍铬电阻采用溅射工艺制作。优选地，步骤4)在片s参数验证件定标包括以下步骤：a、确定环境温度满足23℃±5℃，环境湿度≤80，并确定在片s参数检验件的定标温度；b、使用矢量网络分析仪、微波探针台、温度控制器、各种计量级微波电缆和失配器组建在片s参数定标系统；c、调整温控制器至预定温度，并使用已标定的薄膜铂电阻实时监测微波探针台卡盘的温度变化情况；d、待微波探针台卡盘的温度稳定后，使用研制并定义的multilinetrl校准件校准在片s参数定标系统；e、校准完成后，选择附带技术指标的在片标准件测量定标系统的剩余误差，只有在剩余误差测量结果满足规定值时，才能进行定标操作，否则需要重新校准定标系统；f、使用在片s参数定标系统测量检验件，对检验件定标。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过设计1-40ghz在片s参数测量方法，通过设计在片s参数验证件的实现形式、设计在片s参数验证件的结构、仿真优化在片s参数验证件、在片s参数验证件定标、定标结果不确定度评定等步骤实现在片s参数的测量，同时此种方法使用温度为-55℃-125℃，增大了测试温度范围。附图说明图1是本发明的逻辑流程图。图2是cpw传输线的剖面图。图3是共面波导的电场、磁场示意图。图4是0.254mm厚的陶瓷共面波导的传输模块曲线图。具体实施方式如图1所示，为本发明的逻辑流程图，共包括5个步骤：1)、设计在片s参数验证件的实现形式；2)、设计在片s参数验证件的结构；3)、仿真优化在片s参数验证件；4)、在片s参数验证件定标；5)、定标结果不确定度评定。1)、设计在片s参数验证件的实现形式：当前，国内计量矢量网络分析仪，选用的同轴/波导验证件共有三种，分别为：标准失配器，用于计量反射系数；标准衰减器，用于计量传输系数；标准空气线，用于计量传输相位。为了保证体系的完整性，我们设计在片s参数验证件实现形式时，借鉴了现有技术。具体包括：在片失配器，用于计量反射系数；在片衰减器，用于计量传输系数；在片传输线，用于计量传输相位。具体量值及设计的技术指标见表1。表1在片s参数验证件的实现形式及量值、指标2)、设计在片s参数验证件的结构：共面波导(coplanarwaveguide，简称cpw)结构是美国nist开发常温在片验证件的实现形式，其主要优势是易于表征和加工。下面以在片传输线为例，叙述主要设计思路。在片传输线验证件是一种对称结构平面传输线，它由介质基片上的中心导线和与中心导线同一侧的两个接地导电平面构成的，在介质基片的另一面没有导体覆盖层。cpw传输线的剖面图如图2所示。其中地线的宽度wg，中心导线的宽度w，中心导线和地线间槽宽s，衬底的相对介电常数εr，金属层厚度t和电导率k，衬底厚度h，传输线长度l。共面波导属于双导体传输系统，传输准tem波，其在横截面的电场、磁场分布如图3所示。共面波导的介质平板可以看作具有开放边界的波导，其支持表面波传播模式。表面波模是沿介质表面传输的波形，电磁场在介质外的空气中沿垂直于界面方向呈指数率衰减，场吸附在介质附近，因此叫做表面波。表面波分为te波和tm波两种。表面波具有截止频率。其中te波的截止频率为tm波的截止频率为上两式中c为光速，h为衬底厚度，εr为衬底的相对介电常数，式(1)中n＝1，3，5，…，式(2)中n＝0，1，2，3，…。最低次tm0波的截止波长为无穷大，因此tm0波在所有工作波长下都存在。但需要说明的一点是，当工作频率低于表面波的截止频率时，波不是处于截止状态而是出于辐射状态。当频率很低时，共面波导处于cpw模式，不和其他模式产生相互作用，传输准tem波。随着频率的升高，在低于表面波临界频率时，存在“类表面波模式”，表面波通过辐射能量和cpw模产生一定的耦合作用，出现明显的色散特性。随着频率进一步升高，当cpw模的传播相位常数和tm0模的传播相位常数相等，发生两种模式的强耦合，导致cpw模式的衰减，这个强耦合频率叫做临界频率。这个临界频率与表面波模数、衬底厚度和衬底边界条件有关。tm0波的临界频率为图4是0.254mm厚的陶瓷共面波导的传输模块曲线图，其中左图是陶瓷片悬浮在空气中的，右图是陶瓷片放在地平面上的，表面波模为te0、tm0、te1和tm1模，其中te0和tm0是偶模，没有截止频率，te1和tm1是奇模，有截止频率。右图衬底下存在地平面，没有te0模传播。另外，共面波导本身具有固有的谐振频率，谐振的频率和强度与它的材料和几何尺寸有关。通过以上分析，共面波导传输线特性的主要影响因素包括色散、表面波和谐振，其中色散和表面波主要影响为25ghz-50ghz，且互相之间也有相互影响。我们综合考虑以上因素，考虑流片工艺，确定在片s参数验证件使用衬底厚度400μm-600μm，金属层厚度100nm-300nm，采用蒸发工艺制作金属层，电阻使用50ω/□的镍铬电阻，制作完成后加入氮化硅钝化层，防止氧化。3)、仿真优化在片s参数验证件：在片传输线验证件的制作要尽量保证微带线特征阻抗值z0等于系统的阻抗值50ω。根据制作工艺参数，砷化镓衬底的介电常数为12.9，厚度500μm，金属层厚度为300nm，利用ads中的linecalc计算软件，可以确定特征阻抗为50ω下，在片传输线验证件的宽度为64μm，中心导线与地线之间间距44μm。已知延迟线的等效介电常数εeff与光在真空中的速度c，可知电磁波在微带线中的传播速度vp：式中εeff为等效介电常数，它考虑了电磁波一部分在介质中传播，一部分在空气中传播的这一事实，εeff可以用ads提供的linecalc软件计算得到。那么长度为l的传输线相对延迟时间tdelay为：频率为f的微波信号在该传输线中传输，那么经过传输线以后，微波信号相对相位变化δpdegree可用以下公式计算：4)、在片s参数验证件定标：对在片s参数检验件定标包括以下三部分：1)驻波比1.1、1.50和2.00的在片失配器各频率值下的驻波比；2)衰减量为3db、10db和20db的在片衰减器各频率下的衰减量；3)在片传输线各频率下的传输相位。在定标过程中，为了获得更高的定标准确度，需要严格控制定标过程。具体如下：1)确定环境温度满足23℃±5℃，环境湿度≤80，并确定在片s参数检验件的定标温度；2)优选pna-x系列矢量网络分析仪，cascade微波探针台，temptronic温度控制系统，以及各种计量级微波电缆、失配器组建在片s参数定标系统；3)调整高低温控制器至预定温度，并使用已标定的薄膜铂电阻实时监测探针台卡盘的温度变化情况。4)温度稳定后，使用研制并定义的multilinetrl校准件校准在片s参数定标系统；5)校准完成后，选择附带技术指标的在片标准件测量定标系统的剩余误差，只有在剩余误差测量结果满足表2要求时，才能进行定标操作，否则需要重新校准定标系统；6)使用在片s参数定标系统测量检验件，对检验件定标。表2定标系统校准后剩余误差5)、定标结果不确定度评定：在片s参数检验件定标结果的测量不确定度与在片s参数检验件定标系统校准后的的剩余误差、动态精度和检验件的s参数有关，数学模型如下：其中：δs11(mag)、δs22(mag)——反射幅度的测量不确定度；δs21(mag)、δs12(mag)——传输幅度的测量不确定度；δs21(phase)、δs12(phase)——为传输相位的测量不确定度；edf——正向方向性；edr——反向方向性；esf——正向源匹配；esr——反向源匹配；elf——正向负载匹配；elr——反向负载匹配；erf——正向反射跟踪；err——反向反射跟踪；etf——正向传输跟踪；etr——反向传输跟踪；exf——正向串扰；exr——反向串扰；am——幅度动态精度；ap——相位动态精度。其中剩余误差按任务书的指标计算，动态精度按矢网的指标计算，具体如表3所示：表3在片高低温s参数检验件定标结果测量不确定度的参数值参数符号23℃-55℃125℃方向性ed-33db-27db-30db源匹配es-30db-24db-25db负载匹配el-27db-25db-25db反射跟踪er±0.20db±0.24db±0.28db传输跟踪et±0.14db±0.19db±0.18db串扰ex-90db-90db-90db幅度动态精度am0.05db0.05db0.05db相位动态精度ap0.5°0.5°0.5°在片s参数检验件定标结果的测量不确定度有两个来源：1)在片高低温s参数检验件定标系统的剩余误差、动态精度引入的，采用ub表示；2)由于测量系统的重复性和噪声等因素引入的，可以用测量结果的重复性表征，采用ua表示。下面仅以在片s参数检验件中的3db在片衰减器为例，说明定标不确定度具体评定过程。在片s参数检验件定标系统在23℃、-55℃和125℃下分别进行校准后，连接检验件3db在片衰减器，测量不同温度下的s参数。1.在片s参数检验件定标系统引入的ub在片s参数检验件定标系统引入的测量不确定度ub如表4所示。表43db在片衰减器传输幅度的不确定度分量ub2.测量重复性引入的ua在片s参数检验件定标系统在23℃、-55℃和125℃下，分别进行校准后，6次重复测量26.5ghz、34ghz和40ghz处的3db在片衰减器，测量结果如表5所示。表53db在片衰减器传输幅度的重复性测量结果根据以上数据，确定频率26.5ghz、34ghz和40ghz在各温度下测量重复性引入的不确定度分量ua，如表6所示。表63db在片衰减器传输幅度的不确定度分量ua3.合成标准不确定度的uc和扩展不确定度的u由于各分量相互不相关，因此其合成标准不确定度扩展不确定度u＝kuc，k＝2，如表7所示。表73db在片衰减器传输幅度的标准不确定度评定结果以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12