Измерение параметров микроэлектронных компонентов



В статье приведено описание технологии изготовления микроэлектронных компонентов и измерение их характеристик с помощью векторных анализаторов цепей. Проводится сравнение векторных и скалярных анализаторов цепей. Кратко описывается процесс калибровки векторных анализаторов цепей.

Ключевые слова: микроэлектроника, векторные измерения, векторный анализатор, скалярный анализатор, S-параметры, калибровка.

За последние 20 лет радиоэлектронная промышленность претерпела революционные изменения. Эксплуатационные показатели радиоэлектронных систем значительно возросли, габаритные размеры аппаратных средств уменьшились, качество и надежность многократно возросли, а производственные затраты резко сократились. В основе всех этих достижений лежит феноменальный рост возможностей в сфере испытаний и измерений в области сверхвысоких частот (СВЧ) [1]. Технология производства СВЧ-аппаратуры постоянно совершенствуется, а требования к точности изделия возрастают. На данный момент достигнута технология 3 нм в производстве.

Рассмотрим несколько основных технологических этапов производства микроэлектронных компонентов (в зависимости от типа и структуры компонента некоторые этапы могут отличаться) [2]:

1. Обработка полупроводниковых пластин (механическая).

Полупроводниковые пластины выполняются из различных материалов: монокристаллы германия, кремния, арсенида галлия, карбида кремния, фосфида галлия и прочие. Выбор материала зависит от требований и целей задач. Пластины получают методом Чохральского (рис. 1 — для выращивания подложки из кремния [3]).

Рис. 1. Схема установки для выращивания кристаллов методом Чохральского [3]

В качестве затравки используется вращающийся кристалл кремния, который вводится в расплавленный кремний (температура плавления 1414 °С). В расплаве кристалл нагревается и начинается его вытягивание в холодную зону вверх (при этом кристалл постоянно вращается). При втягивании образуется круглый стержень в несколько миллиметров. Путем снижения температуры и скорости вытягивания диаметр стержня увеличивают до необходимого размера. После стержень нарезают алмазным диском и производят механическую обработку получившейся подложки.

2. Химическая обработка полупроводниковой подложки — на данном этапе удаляется механически нарушенный полупроводниковый слой и очищается поверхность подложки.
3. Эпитаксиальное наращивание слоя полупроводника — с помощью осажденных атомов полупроводника образуют слой с кристаллографической структурой, подобной структуре подложки.
4. Создание маскирующего слоя — данный слой применяется для защиты полупроводника от проникновения примесей. Данный процесс проводится при высокой температуре: эпитаксиальный слой кремния окисляется в среде кислорода.
5. Процесс фотолитографии — с помощью него образуется рельеф в диэлектрической пленке.
6. Введение электрически активных примесей в подложку — данный процесс служит для образования отдельных p- и n-областей восстановления нарушенной структуры подложки (ионы примесей, обычно это бор и фосфор, занимают узлы кристаллической решетки).
7. Получение пассивных элементов (тонкопленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности) и создание омических контактов.
8. Добавление дополнительных слоёв металла (в современных процессах — около 10 слоёв), между слоями располагают диэлектрик (англ. inter-metal dielectric, IMD) со сквозными отверстиями.
9. Пассивация поверхности — очистка в деионизированной воде с использованием установки гидромеханической отмывки и сушка в термошкафу или на центрифуге.
10. Тестирование неразрезанной пластины. Для тестирования используются установки автоматической разбраковки плат. Специальные зондовые установки измеряют электрические параметры структуры и маркируют бракованные кристаллы. К зондам можно подключать различную аппаратуру: векторные анализаторы, скалярные анализаторы, осциллографы и др. На данном этапе не предъявляется строгих требований для электрических параметров, проверяется лишь состояние компонента.
11. Механическое разделение пластины на отдельные кристаллы.
12. Процесс присоединения выводов к кристаллу, установка в корпус и герметизация.
13. Проверка электрических параметров и проведение испытаний. На данном этапе готовое изделие проверяется на соответствие технической документации. Для проверки используются различные приборы (ваттметры, анализаторы, осциллографы и др.) и методы. Для измерения характеристик микроэлектронных модулей в СВЧ диапазоне используются методы оценки S-параметров, временных доменов, анализа спектра, импульсных характеристик и др. Самым распространённым является метод S-параметров. Он оценивает коэффициенты передачи и отражения сигнала через модуль.

Рассмотрим подробнее измерение S-параметров на примере четырехполюсника. Они измеряются с помощью векторных анализаторов цепей (ВАЦ), которые генерируют и измеряют высокочастотный сигнал. ВАЦ позволяют измерять коэффициент отражения (S11 и S22) и коэффициент передачи (S21 и S12) сигнала через модуль на разных частотах в виде комплексных чисел, которые содержат информацию о фазе и амплитуде сигнала. Коэффициент отражения S11 описывает, какая часть сигнала отражается от входа модуля обратно в источник, а коэффициент передачи S21 — какая часть сигнала передается через модуль на выход. Коэффициенты S12 и S22 описывают отражение и передачу сигнала на выходе модуля.

Для оценки S-параметров испытываемое устройство подключают к входу и выходу ВАЦ. При этом необходимо выбрать диапазон рабочих частот и формат представления одного или всех S-параметров: линейный масштаб, логарифмический масштаб, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), фазочастотная характеристика (ФЧХ), диаграмма Смитта, реальная часть сигнала, мнимая часть сигнала и др. Набор представления сигнала зависит от функционала, который предлагает компания, выпускаемая продукцию. Чаще всего рассматриваются АЧХ (в дБн) и ФЧХ (в градусах), по которым оценивают распределение амплитудных и фазовых характеристик по частоте.

Принцип векторного анализа S-параметров показан на рис.2.

Рис.2.Структурная схема измерительного блока двухпортового векторного анализатора цепей

В качестве зондирующего сигнала выступает сигнал панорамного (по частоте) генератора, чаще всего это синтезаторы частот. Рассмотрим приведенное положение ключа на рис.2. При прохождении сигнала от порта 1 к порту 2 измеряется параметр S21 (коэффициент передачи или коэффициент прямой передачи), сигнал при этом с помощью НУ-2 направляется в ВВ-2 и далее на ПК. Для измерения параметра S11 (коэффициент отражение от входного порта) зондирующий сигнал ответвляется с помощью НУ-1 в ВВ-1. Прошедший через НУ-1 сигнал и отраженный от порта 1 также отводится в ВВ-1. ПК анализирует полученные результаты и вычисляет параметры S11 и S21 [4].

Кроме векторных анализаторов цепей также используют скалярные анализаторы цепей (САЦ), которые являются наиболее распространенными приборами для проведения измерений «воздействие-отклик». Функциональные возможности САЦ (на примере продукции компании Agilent) включают [4, 5]:

1. широкий диапазон частот: от 10 МГц до 110 ГГц, диапазон в основном зависит от типа детектора на выходе;
2. высокая скорость развертки: от 40 мс до 400 мс на развертку;
3. несколько входных портов, позволяющих одновременно измерять параметры отражения и передачи;
4. сравнительно невысокая стоимость по сравнению с ВАЦ.

Если сравнивать векторные и скалярные анализаторы, то вторые однозначно проигрывают в ряде возможностей, что снижает качество анализа устройств:

1. использование амплитудного детектора не дает полного представления о состоянии фазы сигнала, что приводит к образованию неопределенности измерений;
2. САЦ измеряет только разницу в амплитудах между волновыми величинами.

Векторный анализатор цепей, в отличие от скалярного анализатора, измеряет не только амплитуды, но и фазы волновых величин, что позволяет получить более точные значения комплексных S-параметров. Также векторные анализаторы имеют следующие преимущества:

1. только векторный анализатор цепей может выполнять полную коррекцию систематических ошибок измерительной системы. Такая коррекция компенсирует систематические аппаратурные ошибки измерительных приборов с максимально возможной точностью;
2. только векторные измерительные данные могут быть недвусмысленно трансформированы во временную область. Это открывает много возможностей для интерпретации и для дальнейшей обработки данных;
3. удаление и внедрение виртуальных цепей является специальной техникой обработки данных. С помощью данной техники возможно математически рассчитать испытательные приспособления на основе измерительных данных, либо математически учитывать при условии их физического отсутствия. Обе эти возможности могут быть реализованы только при наличии векторных измерительных данных;
4. для представления результатов измерений на диаграмме Смита необходимо иметь коэффициенты отражения в векторной форме.

Для точной работы векторного анализатора необходима его калибровка. С этой целью используют ручные калибровочные наборы (Manual Calibration Kit, MCal) и электронные (Electronic Calibration Kit, ECal). На рис.3 и рис.4 приведены MCal и ECal соответственно.

Рис. 3. Ручные калибровочные наборы

Рис. 4. Электронные калибровочные наборы

Самый распространенный метод калибровки ручными наборами — метод SOLT (Short-Open-Load-Thru). Сначала поочередно ко входу подключаются согласованная нагрузка, короткозамкнутая нагрузка, нагрузка холостого хода и проводятся измерения при каждом подключении, затем с помощью перемычки соединяются вход и выход анализатора и снова проводится измерение.

С помощью полученных результатов анализатор в процессе измерения корректирует данные с испытываемого устройства. Электронные калибровочные наборы позволяют проводить калибровку без необходимости вручную подключать и отключать калибровочные меры. Они состоят из стандартных компонентов (согласованная нагрузка, ХХ нагрузка, КЗ нагрузка, перемычка).

Вывод: Векторные анализаторы цепей позволяют эффективно оценить многие параметры микроэлектронных компонент с высокой точностью. Для оценки применяются различные методы, которые выбираются исходя их специфики микроэлектронного устройства. Измерительная аппаратура постоянно совершенствуется, так как стоит задача основания более высоких частот. На данный момент самым эффективным способом увеличения рабочих частот векторного анализатора цепей является использование специальных расширителей диапазона частот.

Литература:

1. Дасмор, Джоэль П. Настольная книга инженера. Измерение параметров СВЧ устройств с использованием передовых методик векторного анализа цепей / Джоэль П. Дасмор. — Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2018. — 736 c. — Текст: непосредственный.

2. Ханке, Х. И. Технология производства радиоэлектронной аппаратуры / Х. И. Ханке, Х. Фабиан. — Москва: Энергия, 1980. — 463 c.
3. Крапухин, В. В. Технология материалов электронной техники: теория процессов полупроводниковой технологии / В. В. Крапухин, И. А. Соколов, Г. Д. Кузнецов. — 2-е изд. — Москва: МИСИС, 1995. — 495 c.
4. Михеев Ф. А. Сверхширокополосный направленный мост для векторного анализатора цепей диапазона СВЧ: пояснительная записка к дипломному проекту — М., 2011. — 152 с.
5. Анализаторы цепей. Руководство по выбору. — М.: Agilent Technologies. Inc., 2007 г.. — 32 с.: ил.