本發(fā)明涉及微波/毫米波在片s參數(shù)計(jì)量
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種1-40ghz在片s參數(shù)測量方法。
背景技術(shù)：
：測量在片s參數(shù)(也就是散射參數(shù)，是微波傳輸中的一個(gè)重要參數(shù))的儀器稱之為在片s參數(shù)測量系統(tǒng)，其主要組成包括：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波探針臺，其中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是測量儀器，通過微波電纜將矢網(wǎng)的同軸或波導(dǎo)輸入/輸出端口，連接到微波探針臺的探針頭，從而實(shí)現(xiàn)測量信號與半導(dǎo)體芯片的連接。由于是芯片級的s參數(shù)測量，業(yè)內(nèi)將其稱作在片s參數(shù)測量。在微波探針臺發(fā)明之前，芯片的s參數(shù)測試都在封裝后的測試夾具(一般為同軸或波導(dǎo)接口，從而與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接連接)上進(jìn)行，顯然其測量結(jié)果包含了測試夾具的影響，使測量結(jié)果存在較大不確定度，給芯片模型建立和質(zhì)量評價(jià)帶來了困擾。微波探針臺的發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了對裸芯片的直接測量，從而降低了芯片測量成本，特別是芯片表征和質(zhì)量控制成本。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在片s參數(shù)測量系統(tǒng)已經(jīng)成為考核半導(dǎo)體芯片質(zhì)量和水平最重要測量工具。目前，國內(nèi)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)已經(jīng)建立了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的計(jì)量能力，即解決了同軸(67ghz)和波導(dǎo)(110ghz)測量模式的s參數(shù)量值溯源問題。但是，缺乏“在片s參數(shù)”的計(jì)量技術(shù)手段，導(dǎo)致“在片s參數(shù)”測量數(shù)據(jù)無法有效溯源至國家基準(zhǔn)。這種計(jì)量現(xiàn)狀制約了半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，影響了高端微電子器件的研發(fā)進(jìn)度。國際上，以美國nist為代表的先進(jìn)計(jì)量研究機(jī)構(gòu)，已經(jīng)解決了40ghz以內(nèi)的在片計(jì)量問題。其總體方案為：提出“on-wafer類”校準(zhǔn)件和驗(yàn)證件的設(shè)計(jì)思想，即二者采用與半導(dǎo)體芯片相同襯底材料，相同傳輸線結(jié)構(gòu)，相同工藝，且制作在同一個(gè)芯片上，從而消除襯底材料、傳輸線尺寸、探針尖過渡等影響量對最終在片s參數(shù)的測量準(zhǔn)確度影響。最終通過驗(yàn)證件實(shí)現(xiàn)在片s參數(shù)的計(jì)量工作。國外方案的不足主要體現(xiàn)在，只能實(shí)現(xiàn)常溫的在片s參數(shù)量值傳遞。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種1-40ghz在片s參數(shù)測量方法，此種測量方法溫度適用范圍為-55℃-125℃，解決在片s參數(shù)測量系統(tǒng)量值準(zhǔn)確度驗(yàn)證的問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種1-40ghz在片s參數(shù)測量方法，包括步驟：1)、設(shè)計(jì)在片s參數(shù)驗(yàn)證件的實(shí)現(xiàn)形式；2)、設(shè)計(jì)在片s參數(shù)驗(yàn)證件的結(jié)構(gòu)；3)、仿真優(yōu)化在片s參數(shù)驗(yàn)證件；4)、在片s參數(shù)驗(yàn)證件定標(biāo)；5)、定標(biāo)結(jié)果不確定度評定；其特征在于：所述步驟2)中設(shè)計(jì)在片s參數(shù)驗(yàn)證件的結(jié)構(gòu)包括襯底、金屬帶線和鎳鉻電阻；所述步驟3)中利用ads中的linecalc計(jì)算軟件計(jì)算得到等效介電常數(shù)εeff，利用等效介電常數(shù)εeff計(jì)算出微波信號相對相位變化δpdegree。優(yōu)選地，驟2)中在片s參數(shù)驗(yàn)證件結(jié)構(gòu)中襯底厚度400μm-600μm，金屬帶線厚度為100nm-300nm，鎳鉻電阻阻值為50ω/□。優(yōu)選地，襯底材料為gaas。優(yōu)選地，金屬帶線采用金屬蒸發(fā)制作工藝制作。優(yōu)選地，鎳鉻電阻采用濺射工藝制作。優(yōu)選地，步驟4)在片s參數(shù)驗(yàn)證件定標(biāo)包括以下步驟：a、確定環(huán)境溫度滿足23℃±5℃，環(huán)境濕度≤80，并確定在片s參數(shù)檢驗(yàn)件的定標(biāo)溫度；b、使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波探針臺、溫度控制器、各種計(jì)量級微波電纜和失配器組建在片s參數(shù)定標(biāo)系統(tǒng)；c、調(diào)整溫控制器至預(yù)定溫度，并使用已標(biāo)定的薄膜鉑電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測微波探針臺卡盤的溫度變化情況；d、待微波探針臺卡盤的溫度穩(wěn)定后，使用研制并定義的multilinetrl校準(zhǔn)件校準(zhǔn)在片s參數(shù)定標(biāo)系統(tǒng)；e、校準(zhǔn)完成后，選擇附帶技術(shù)指標(biāo)的在片標(biāo)準(zhǔn)件測量定標(biāo)系統(tǒng)的剩余誤差，只有在剩余誤差測量結(jié)果滿足規(guī)定值時(shí)，才能進(jìn)行定標(biāo)操作，否則需要重新校準(zhǔn)定標(biāo)系統(tǒng)；f、使用在片s參數(shù)定標(biāo)系統(tǒng)測量檢驗(yàn)件，對檢驗(yàn)件定標(biāo)。采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明通過設(shè)計(jì)1-40ghz在片s參數(shù)測量方法，通過設(shè)計(jì)在片s參數(shù)驗(yàn)證件的實(shí)現(xiàn)形式、設(shè)計(jì)在片s參數(shù)驗(yàn)證件的結(jié)構(gòu)、仿真優(yōu)化在片s參數(shù)驗(yàn)證件、在片s參數(shù)驗(yàn)證件定標(biāo)、定標(biāo)結(jié)果不確定度評定等步驟實(shí)現(xiàn)在片s參數(shù)的測量，同時(shí)此種方法使用溫度為-55℃-125℃，增大了測試溫度范圍。附圖說明圖1是本發(fā)明的邏輯流程圖。圖2是cpw傳輸線的剖面圖。圖3是共面波導(dǎo)的電場、磁場示意圖。圖4是0.254mm厚的陶瓷共面波導(dǎo)的傳輸模塊曲線圖。具體實(shí)施方式如圖1所示，為本發(fā)明的邏輯流程圖，共包括5個(gè)步驟：1)、設(shè)計(jì)在片s參數(shù)驗(yàn)證件的實(shí)現(xiàn)形式；2)、設(shè)計(jì)在片s參數(shù)驗(yàn)證件的結(jié)構(gòu)；3)、仿真優(yōu)化在片s參數(shù)驗(yàn)證件；4)、在片s參數(shù)驗(yàn)證件定標(biāo)；5)、定標(biāo)結(jié)果不確定度評定。1)、設(shè)計(jì)在片s參數(shù)驗(yàn)證件的實(shí)現(xiàn)形式：當(dāng)前，國內(nèi)計(jì)量矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，選用的同軸/波導(dǎo)驗(yàn)證件共有三種，分別為：標(biāo)準(zhǔn)失配器，用于計(jì)量反射系數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)衰減器，用于計(jì)量傳輸系數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)空氣線，用于計(jì)量傳輸相位。為了保證體系的完整性，我們設(shè)計(jì)在片s參數(shù)驗(yàn)證件實(shí)現(xiàn)形式時(shí)，借鑒了現(xiàn)有技術(shù)。具體包括：在片失配器，用于計(jì)量反射系數(shù)；在片衰減器，用于計(jì)量傳輸系數(shù)；在片傳輸線，用于計(jì)量傳輸相位。具體量值及設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)見表1。表1在片s參數(shù)驗(yàn)證件的實(shí)現(xiàn)形式及量值、指標(biāo)2)、設(shè)計(jì)在片s參數(shù)驗(yàn)證件的結(jié)構(gòu)：共面波導(dǎo)(coplanarwaveguide，簡稱cpw)結(jié)構(gòu)是美國nist開發(fā)常溫在片驗(yàn)證件的實(shí)現(xiàn)形式，其主要優(yōu)勢是易于表征和加工。下面以在片傳輸線為例，敘述主要設(shè)計(jì)思路。在片傳輸線驗(yàn)證件是一種對稱結(jié)構(gòu)平面?zhèn)鬏斁€，它由介質(zhì)基片上的中心導(dǎo)線和與中心導(dǎo)線同一側(cè)的兩個(gè)接地導(dǎo)電平面構(gòu)成的，在介質(zhì)基片的另一面沒有導(dǎo)體覆蓋層。cpw傳輸線的剖面圖如圖2所示。其中地線的寬度wg，中心導(dǎo)線的寬度w，中心導(dǎo)線和地線間槽寬s，襯底的相對介電常數(shù)εr，金屬層厚度t和電導(dǎo)率k，襯底厚度h，傳輸線長度l。共面波導(dǎo)屬于雙導(dǎo)體傳輸系統(tǒng)，傳輸準(zhǔn)tem波，其在橫截面的電場、磁場分布如圖3所示。共面波導(dǎo)的介質(zhì)平板可以看作具有開放邊界的波導(dǎo)，其支持表面波傳播模式。表面波模是沿介質(zhì)表面?zhèn)鬏數(shù)牟ㄐ?，電磁場在介質(zhì)外的空氣中沿垂直于界面方向呈指數(shù)率衰減，場吸附在介質(zhì)附近，因此叫做表面波。表面波分為te波和tm波兩種。表面波具有截止頻率。其中te波的截止頻率為tm波的截止頻率為上兩式中c為光速，h為襯底厚度，εr為襯底的相對介電常數(shù)，式(1)中n＝1，3，5，…，式(2)中n＝0，1，2，3，…。最低次tm0波的截止波長為無窮大，因此tm0波在所有工作波長下都存在。但需要說明的一點(diǎn)是，當(dāng)工作頻率低于表面波的截止頻率時(shí)，波不是處于截止?fàn)顟B(tài)而是出于輻射狀態(tài)。當(dāng)頻率很低時(shí)，共面波導(dǎo)處于cpw模式，不和其他模式產(chǎn)生相互作用，傳輸準(zhǔn)tem波。隨著頻率的升高，在低于表面波臨界頻率時(shí)，存在“類表面波模式”，表面波通過輻射能量和cpw模產(chǎn)生一定的耦合作用，出現(xiàn)明顯的色散特性。隨著頻率進(jìn)一步升高，當(dāng)cpw模的傳播相位常數(shù)和tm0模的傳播相位常數(shù)相等，發(fā)生兩種模式的強(qiáng)耦合，導(dǎo)致cpw模式的衰減，這個(gè)強(qiáng)耦合頻率叫做臨界頻率。這個(gè)臨界頻率與表面波模數(shù)、襯底厚度和襯底邊界條件有關(guān)。tm0波的臨界頻率為圖4是0.254mm厚的陶瓷共面波導(dǎo)的傳輸模塊曲線圖，其中左圖是陶瓷片懸浮在空氣中的，右圖是陶瓷片放在地平面上的，表面波模為te0、tm0、te1和tm1模，其中te0和tm0是偶模，沒有截止頻率，te1和tm1是奇模，有截止頻率。右圖襯底下存在地平面，沒有te0模傳播。另外，共面波導(dǎo)本身具有固有的諧振頻率，諧振的頻率和強(qiáng)度與它的材料和幾何尺寸有關(guān)。通過以上分析，共面波導(dǎo)傳輸線特性的主要影響因素包括色散、表面波和諧振，其中色散和表面波主要影響為25ghz-50ghz，且互相之間也有相互影響。我們綜合考慮以上因素，考慮流片工藝，確定在片s參數(shù)驗(yàn)證件使用襯底厚度400μm-600μm，金屬層厚度100nm-300nm，采用蒸發(fā)工藝制作金屬層，電阻使用50ω/□的鎳鉻電阻，制作完成后加入氮化硅鈍化層，防止氧化。3)、仿真優(yōu)化在片s參數(shù)驗(yàn)證件：在片傳輸線驗(yàn)證件的制作要盡量保證微帶線特征阻抗值z0等于系統(tǒng)的阻抗值50ω。根據(jù)制作工藝參數(shù)，砷化鎵襯底的介電常數(shù)為12.9，厚度500μm，金屬層厚度為300nm，利用ads中的linecalc計(jì)算軟件，可以確定特征阻抗為50ω下，在片傳輸線驗(yàn)證件的寬度為64μm，中心導(dǎo)線與地線之間間距44μm。已知延遲線的等效介電常數(shù)εeff與光在真空中的速度c，可知電磁波在微帶線中的傳播速度vp：式中εeff為等效介電常數(shù)，它考慮了電磁波一部分在介質(zhì)中傳播，一部分在空氣中傳播的這一事實(shí)，εeff可以用ads提供的linecalc軟件計(jì)算得到。那么長度為l的傳輸線相對延遲時(shí)間tdelay為：頻率為f的微波信號在該傳輸線中傳輸，那么經(jīng)過傳輸線以后，微波信號相對相位變化δpdegree可用以下公式計(jì)算：4)、在片s參數(shù)驗(yàn)證件定標(biāo)：對在片s參數(shù)檢驗(yàn)件定標(biāo)包括以下三部分：1)駐波比1.1、1.50和2.00的在片失配器各頻率值下的駐波比；2)衰減量為3db、10db和20db的在片衰減器各頻率下的衰減量；3)在片傳輸線各頻率下的傳輸相位。在定標(biāo)過程中，為了獲得更高的定標(biāo)準(zhǔn)確度，需要嚴(yán)格控制定標(biāo)過程。具體如下：1)確定環(huán)境溫度滿足23℃±5℃，環(huán)境濕度≤80，并確定在片s參數(shù)檢驗(yàn)件的定標(biāo)溫度；2)優(yōu)選pna-x系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，cascade微波探針臺，temptronic溫度控制系統(tǒng)，以及各種計(jì)量級微波電纜、失配器組建在片s參數(shù)定標(biāo)系統(tǒng)；3)調(diào)整高低溫控制器至預(yù)定溫度，并使用已標(biāo)定的薄膜鉑電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測探針臺卡盤的溫度變化情況。4)溫度穩(wěn)定后，使用研制并定義的multilinetrl校準(zhǔn)件校準(zhǔn)在片s參數(shù)定標(biāo)系統(tǒng)；5)校準(zhǔn)完成后，選擇附帶技術(shù)指標(biāo)的在片標(biāo)準(zhǔn)件測量定標(biāo)系統(tǒng)的剩余誤差，只有在剩余誤差測量結(jié)果滿足表2要求時(shí)，才能進(jìn)行定標(biāo)操作，否則需要重新校準(zhǔn)定標(biāo)系統(tǒng)；6)使用在片s參數(shù)定標(biāo)系統(tǒng)測量檢驗(yàn)件，對檢驗(yàn)件定標(biāo)。表2定標(biāo)系統(tǒng)校準(zhǔn)后剩余誤差5)、定標(biāo)結(jié)果不確定度評定：在片s參數(shù)檢驗(yàn)件定標(biāo)結(jié)果的測量不確定度與在片s參數(shù)檢驗(yàn)件定標(biāo)系統(tǒng)校準(zhǔn)后的的剩余誤差、動態(tài)精度和檢驗(yàn)件的s參數(shù)有關(guān)，數(shù)學(xué)模型如下：其中：δs11(mag)、δs22(mag)——反射幅度的測量不確定度；δs21(mag)、δs12(mag)——傳輸幅度的測量不確定度；δs21(phase)、δs12(phase)——為傳輸相位的測量不確定度；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——正向負(fù)載匹配；elr——反向負(fù)載匹配；erf——正向反射跟蹤；err——反向反射跟蹤；etf——正向傳輸跟蹤；etr——反向傳輸跟蹤；exf——正向串?dāng)_；exr——反向串?dāng)_；am——幅度動態(tài)精度；ap——相位動態(tài)精度。其中剩余誤差按任務(wù)書的指標(biāo)計(jì)算，動態(tài)精度按矢網(wǎng)的指標(biāo)計(jì)算，具體如表3所示：表3在片高低溫s參數(shù)檢驗(yàn)件定標(biāo)結(jié)果測量不確定度的參數(shù)值參數(shù)符號23℃-55℃125℃方向性ed-33db-27db-30db源匹配es-30db-24db-25db負(fù)載匹配el-27db-25db-25db反射跟蹤er±0.20db±0.24db±0.28db傳輸跟蹤et±0.14db±0.19db±0.18db串?dāng)_ex-90db-90db-90db幅度動態(tài)精度am0.05db0.05db0.05db相位動態(tài)精度ap0.5°0.5°0.5°在片s參數(shù)檢驗(yàn)件定標(biāo)結(jié)果的測量不確定度有兩個(gè)來源：1)在片高低溫s參數(shù)檢驗(yàn)件定標(biāo)系統(tǒng)的剩余誤差、動態(tài)精度引入的，采用ub表示；2)由于測量系統(tǒng)的重復(fù)性和噪聲等因素引入的，可以用測量結(jié)果的重復(fù)性表征，采用ua表示。下面僅以在片s參數(shù)檢驗(yàn)件中的3db在片衰減器為例，說明定標(biāo)不確定度具體評定過程。在片s參數(shù)檢驗(yàn)件定標(biāo)系統(tǒng)在23℃、-55℃和125℃下分別進(jìn)行校準(zhǔn)后，連接檢驗(yàn)件3db在片衰減器，測量不同溫度下的s參數(shù)。1.在片s參數(shù)檢驗(yàn)件定標(biāo)系統(tǒng)引入的ub在片s參數(shù)檢驗(yàn)件定標(biāo)系統(tǒng)引入的測量不確定度ub如表4所示。表43db在片衰減器傳輸幅度的不確定度分量ub2.測量重復(fù)性引入的ua在片s參數(shù)檢驗(yàn)件定標(biāo)系統(tǒng)在23℃、-55℃和125℃下，分別進(jìn)行校準(zhǔn)后，6次重復(fù)測量26.5ghz、34ghz和40ghz處的3db在片衰減器，測量結(jié)果如表5所示。表53db在片衰減器傳輸幅度的重復(fù)性測量結(jié)果根據(jù)以上數(shù)據(jù)，確定頻率26.5ghz、34ghz和40ghz在各溫度下測量重復(fù)性引入的不確定度分量ua，如表6所示。表63db在片衰減器傳輸幅度的不確定度分量ua3.合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的uc和擴(kuò)展不確定度的u由于各分量相互不相關(guān)，因此其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度擴(kuò)展不確定度u＝kuc，k＝2，如表7所示。表73db在片衰減器傳輸幅度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定結(jié)果以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12