Hochfrequenz-Probing: Teil 2

Die Massenmärkte rücken immer näher an aktuelle Entwicklungen in der Hochfrequenz heran: 5G Mobilfunk-Kommunikationsbänder erreichen 26,5 bis 40 GHz, neue 801.11ad/ay WLAN-Frequenzbänder entstehen bei 57 bis 71 GHz (Europa voraussichtlich 57 bis 66 GHz), KFZ-Abstandsradar arbeitet bei 76 bis 82 GHz auf integrierten Chip-Lösungen. An Anwendungen für Frequenz­bänder bis 300 GHz wird gearbeitet, um höhere Ortsauflösung und höhere Datenraten zu erreichen.

Mit zunehmender Frequenz rasch zunehmende elektrische Verluste und immer kleiner werdende Halbleiter-Strukturen machen eine präzise Messung von HF-Eigenschaften schon bei 80 GHz zu einer komplexen Aufgabe. Bei derzeit 145 GHz werden die physikalischen Grenzen von Koaxialkabel erreicht und Hohlleiter werden Pflicht.

Probe Station

Eine einfach bedienbare, stabile und präzise einstellbare Probe Station ist Voraussetzung für erfolgreiche Messungen bei hohen Frequenzen mit teuren HF-Probes. Für Forschungs- und Entwicklungslabore, bei denen nur eine geringe Stückzahl von Bausteinen vermessen werden muss, ist eine manuelle Probe Station sehr gut geeignet.

Bild 1: Manuelle Probe Station WL-1160 Signatone Inc.)

Die Probes werden mit ihrer weitgehend standardisierten Halterung auf dem Probe-Arm des Manipulators angeschraubt und können unter dem Mikroskop präzise mit einer Auflösung im Mikrometerbereich positioniert werden. Da meist sehr starre phasenstabile Messkabel für die Netzwerkanalyse verwendet werden, müssen Manipulatoren für HF-Anwendungen sehr stabil ausgeführt sein und dürfen bei Zugbelastung durch das HF-Kabel keine merkliche Bewegung der Probe-Spitzen zulassen. Schon bei einer Höhenänderung von 0,1 bis 0,2 mm und daraus folgendem Anpressdruck kann es passieren, dass teure HF-Probes beschädigt werden.

Mit einem vom Wafer-Chuck unabhängigen Kalibriersubstrat-Halter kann die Kalibration ohne signifikante Bewegung der HF-Kabel durchgeführt werden, um bei der Messung konsistente und präzise S-Parameterdaten zu erzielen. Die im Bild 1 gezeigt Probe Station verfügt dazu über die Möglichkeit, nach der Justage der Probe-Kontakte das Mikroskop nach hinten weg zu klappen, was Antennenmessungen über dem Prober ermöglicht. Der Wafer wird auf dem Chuck durch Unterdruck von feinen Vakuumlöcher fixiert, die geometrisch so angeordnet werden, dass keine Resonanzen entstehen können. Vakuumringe im Chuck, wie für die DC-Parameteranalyse verwendet, können dagegen besonders bei mmWellen-Frequenzen Resonanzen erzeugen.

Bild 2: Halbautomatische Probe Station mit Klimakammer Signatone Inc.)

Für wiederholte Testaktivitäten sind halb- und vollautomatische Stationen üblich (Bild 2). Letzteren werden die Wafer durch Förderanlagen zugeführt, die Probekontakte sind vorab justiert und kalibriert, der Wafer mit motorisiertem xyz-θ-Chuck (also mit Neigewinkel) bewegt, so dass jeder Chip auf dem Wafer kontaktiert und geprüft werden kann.

Regelmäßig kommen auch manuelle oder automatisierte Messungen im Temperaturbereich vor, gängig sind Charakterisierungen bei -55 °C bis +300 °C. Dazu wird um den Chuck eine Klimakammer aufgebaut, die mit trockenem Stickstoff oder getrockneter Luft mit Überdruck geflutet wird. Chuck, Kälte- und Heizleitungen zum Chuck, HF- und DC-Kabel, Probe-Arme mit Probes und das Mikroskop werden mit Durchführungen so in die Klimakammer zum Wafer einführt, dass keine Luft von außen eindringen kann. Auch die Kalibration erfolgt natürlich in der Klimakammer. Die Manipulatoren mit dem Probe-Arm können mit den folgenden Methoden auf der Platen befestigt werden:

• Magnetfuß (Platen aus magnetischem Stahl und Manipulatoren mit Magnetfüßen),
• Vakuumansaugung (Platen hat feine Vakuumlöcher, Platen aus Aluminium möglich),
• Schraubbefestigung (Platen hat Gewindebohrungen, Platen aus Aluminium möglich).

Bild 3: Prinzip Aufbau Manipulator mit mmWellen-Modul, Tuner und Hohlleiterprobe. bsw

Bei hohlleiterbasierten Messaufbauten (Probes, Tuner, mmWellen-Extendermodule) entsteht das mechanische Problem, dass die Probespitze bis zum letzten Modul in dieser Kette mit den starren Hohlleitern verbunden ist. Ein guter Aufbau auf die Plates der Probe Station wird mit einem großflächigen xyz-Manipulator erreicht, auf dem eine Montageplatte aus Aluminium geschraubt wird. Der Manipulator muss dann eine große Last tragen können (bis zu 50 kg) und wird daher fest mit der Plate verschraubt, da Vakuum oder Magnetfüße keine ausreichende Haltekraft hätten.

Auch für die Integration koaxialer Tuner für Source- und Load-Pull-Messungen, Messungen der Rauschzahl und Bestimmung der Rauschparameter, kann diese Aufbautechnik verwendet werden, um möglichst nahe an den Chip heranzukommen. Ohm‘sche Verluste in der HF-Verbindungsleitung, zwischen Tuner und Probe, limitieren die Erreichung extremer Impedanz-Werte (wie zum Beispiel 1 Ω Lastimpedanz) und müssen daher so klein wie möglich gehalten werden.

Bild 4: Integration von Source- und Load-Pull-Hohlleiter-Tuner mit mmWellen-Modulen auf Probe Station. bsw

Kontaktfreie Probe Station

Mit höherer Frequenz sinkt die erzielbare Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit mit kontaktierenden Probes. Besonders bei Messungen bis hin zu 1,5 THz führt dieses Problem zu signifikanter Messunsicherheit. Bei der Kalibration der Probes besteht das Kalibriersubstrat fast immer aus einem anderen Material als der zu prüfende Chip. Daher ist die Feldverteilung des elektromagnetischen Feldes bei der Kalibration eine andere als bei der Messung. Dies führt unweigerlich zu einer fehlerhaft kalibrierten Probe-Spitze.

Weitere Probleme entstehen durch die sehr kleinen Dimensionen der Streifenleitungen für sehr hohe Frequenzen. Diese müssen klein sein, damit die Wellenausbreitung bei der Grundmode stattfindet und keine höheren Moden mit anderer Ausbreitungsgeschwindigkeit angeregt werden. Die beim Aufsetzen der Kontaktfedern entstehenden Kratzer auf den Pads und Toleranzen bei der Positionierung, reduzieren dazu drastisch die Reproduzierbarkeit. Auch durch Abnutzung wird ein mehrfaches Kontaktieren immer problematischer und Golden-Devices können nicht beliebig lange als Referenz gemessen werden.

Bild 5: Hohlleiter-Probe befestigt an Probe Arm mit Kalibriersubstrat. bsw

Für hohe Mess-Reproduzierbarkeit bis hin zu 1,5 THz kann eine kontaktfreie Probe Station verwendet werden. Voraussetzung ist, dass eine TRL-Kalibrierstruktur auf dem Wafer mit Patch-Antennen am HF-Ein- und HF-Ausgang eindesigned sind. Eine HF-Welle wird am mmWellen-Modul mit einer Horn- oder Linsenantenne abgestrahlt und mit Hilfe quasioptischer Spiegel auf die Patch-Antenne auf dem Chip fokussiert. So wird die Strahlung ein- und ausgekoppelt und das mmWellen-Modul mit dem Netzwerkanalysator misst wie gewohnt die S-Parameter. Falls aktive Bauteile getestet werden, wird der notwendige Gleichstrom mit traditionellen Bondkontakten und feinen Drähtchen mit genügender Entfernung zur Patch-Antenne zugeführt, was das Strahlungsfeld nicht stört.

Bild 6: Integration koaxialer Tuner mit optimal reduziertem Abstand zur Prüfspitze. Focus Microwaves Inc.)

Eine Limitierung für die messbare Frequenzbandbreite entsteht durch die notwendigen mmWellen-Extender-Module. Die verfügbaren Module decken immer ein Hohlleiterband bis hin zu 1,5 THz ab. Quellen mit quasioptischen Linsen als HF-Anschluss könnten theoretisch mehrere Hohlleiterbänder gleichzeitig umfassen, jedoch sind solche Module heute kommerziell noch nicht verfügbar. Die Kalibration ist vorzugsweise vom Typ TRL, da im Gegensatz zu Short und Line präzise 50-Ω-Widerstände bei diesen hohen mmWellen-Frequenzen kaum mehr realisierbar sind. Der so entstehende Bezug zwischen der charakteristischen Impedanz des Chips und der integrierten Kalibrierstruktur ist Vor- und Nachteil zugleich: die Kalibrier- und Messdaten für einen Wafer sind zueinander in hohem Maß konsistent, der eigentliche charakteristische Wellenwiderstand kann jedoch nicht direkt gemessen werden.

Der erste verfügbare Typ dieser Probestation hat zwei HF-Ports und wurde mit manuellen Stellgliedern für Chuck und Manipulatoren zur Strahlfokussierung ausgeführt, was Zwei-Tor S-Parameter-Messungen ermöglicht. Die dazu geltenden Referenzebenen werden durch die geometrische Anordnung von Kalibrierstruktur und Prüfling mit den Patch-Antennen bestimmt.

In Teil 1, erschienen in elektronik industrie 9-2019, Seiten 58 und 59, wurden Messtechnik-Probes und -Verbindungselemente für den Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich dargestellt.

Bild 7: Kontaktfreie Probe Station für mmWellen-Frequenzen. Teraprobes Inc.)