CN106526322A - 可溯源的在片高值电阻测量系统及其溯源方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可溯源的在片高值电阻测量系统，属于测试和测量技术领域。可溯源的在片高值电阻测量系统包括高值电阻测量仪器、探针系统，高值电阻测量仪器和探针系统通过线缆连接，探针系统包括探针一组和探针二组，所述高值电阻测量仪器与探针一组连接或与探针二组连接。其溯源方法为，高值电阻测量仪器通过线缆与探针一组连接，标准高值电阻通过线缆与探针二组连接；在片直通对接线连接探针一组和探针二组。本发明的测量系统能够提供可溯源的在片高值电阻参数测试数据，使得在片高值电阻测试数据的准确性可验证，不同系统的测试数据之间可比较。其溯源方法可以实现参数溯源并提供关于测试数据的不确定度信息。

Description

可溯源的在片高值电阻测量系统及其溯源方法

技术领域

本发明属于测试和测量技术领域，尤其涉及一种可溯源的在片高值电阻测量系统及其溯源方法。

背景技术

在片高值电阻测量系统可用于半导体制造业。在片高值电阻测量是半导体行业常见的测试项目，可以考察产品特定结构的绝缘性、反映工艺质量、进行缺陷筛查。

在片高值电阻测量系统能够进行在片高值电阻测量，常用于半导体、微电子机械系统（MEMS）等行业中，对晶圆片、裸芯片等进行测试，考察被测特定结构的高值电阻是否满足设计要求。

在片高值电阻测量系统的典型结构如图9所示，由高值电阻测量仪器、探针台以及线缆构成。其中，探针台具有用于承载被测的托盘和用以实现在片测量的探针系统；高值电阻测量仪器具有高值电阻测量功能；线缆将高值电阻测量仪器与探针台连接起来。

高值电阻测量常用于判断产品特定结构之间的绝缘特性是否满足产品设计要求，高值电阻测量的准确度对产品测试有重要意义。

以MEMS电容加速度计产品的晶圆片测试为例。晶圆片测试是MEMS传感器产品整个工艺流程中必不可少的重要环节。该项位于前道与后道工艺之间，在芯片制造工艺全部完成后、封装之前，对晶圆片上的MEMS芯片的参数逐一测试和筛查，是监测工艺质量和成品率最重要和最直接的检验环节。通过MEMS晶圆片测试，一方面可以剔除不满足指标要求的芯片，避免其进入下一个工作环节，MEMS器件的封装及测试成本约占总成本的70％，若将未经筛选的芯片直接投入后道工艺会导致成本的极大浪费；另一方面测试数据对工艺的控制起到关键性的指导作用，可以为MEMS产品的设计以及制造工艺的改进提供重要的参考数据，从而有效提高生产效率，缩短研制周期，节约宝贵的时间、人力和研究资源。典型的电容加速度计结构如图10所示，为梳齿结构，其中的固定齿与活动齿可将外界非电量的变化转换成电容量的变化，用于加速度等物理量的测量。其a、c两点间以及b、c两点间应互相绝缘，若绝缘性能不满足要求，可能造成产品过热，严重时会发生短路致使产品烧毁，图11为电容加速度计加速时的结构图。因此，在片高值电阻测量系统的准确性对产品质量有着非常重要的意义。

现有的在片高值电阻测量系统主要由高值电阻测量仪器、探针系统和线缆构成，如图12所示。

高值电阻测量仪器通过同轴线缆或三同轴线缆连接至探针系统，探针系统包含有2根探针（探针H和探针L），用于与在片形式的被测的两个电极相连。一些测量系统会集成其参数测量功能，如电容和四线电阻，从而测量仪器、线缆和探针系统相较上图系统有扩展，但是用于在片高值电阻测量的部分均具有以上结构。

由于目前在片参数无法溯源，没有手段可以对在片高值电阻测量系统进行校准，导致现有的在片高值电阻测量系统提供的测试数据均不可溯源，因而数据的准确性无法确认，并且不同测试系统的测试数据之间没有可比性。

因此，有必要对现有的在片高值电阻测量系统进行改进，设计一种可溯源的在片高值电阻测量系统，提供可溯源的在片高值电阻测试数据，使得在片高值电阻测试数据的准确性可验证，不同系统的测试数据之间可比较。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可溯源的在片高值电阻测量系统，能够提供可溯源的在片高值电阻参数测试数据，使得在片高值电阻测试数据的准确性可验证，不同系统的测试数据之间可比较。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种可溯源的在片高值电阻测量系统，包括高值电阻测量仪器、探针系统，高值电阻测量仪器和探针系统通过线缆连接，所述探针系统包括探针一组和探针二组，所述高值电阻测量仪器与探针一组连接或与探针二组连接。

进一步的，对于不支持Guard技术的高值电阻测量仪器，探针一组和探针二组均含2枚探针，2枚探针对应信号Hi和信号Lo；对于支持Guard技术的高值电阻测量仪器，每组探针各含3枚探针，对应信号Hi、Lo、和Guard。

进一步的，探针一组和探针二组均含2枚探针时，所用的线缆为同轴线缆；探针一组和探针二组均含3枚探针时，所用的线缆为三同轴线缆。

本发明还提出一种可溯源的在片高值电阻测量系统的溯源方法，该方法可以实现参数溯源并提供关于测试数据的不确定度信息。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种可溯源的在片高值电阻测量系统的溯源方法，所述高值电阻测量仪器通过线缆与探针一组连接，标准高值电阻通过线缆与探针二组连接。

或者是，所述高值电阻测量仪器与探针二组连接，标准高值电阻与探针一组连接。

其中，在片直通对接线连接探针一组和探针二组。

进一步的，对于两组探针均含2枚探针的情况，也即探针系统为4探针时，线缆采用同轴线缆，同轴线缆A的一端连接高值电阻测量仪器，另一端连接探针H和探针L；同轴线缆B的一端连接标准高值电阻，另一端连接探针H’和探针L’； 探针H与探针H’通过在片直通对接线连接，探针L与探针L’ 通过在片直通对接线连接，操作在片高值电阻测量系统测量阻值，与标准高值电阻阻值比较，即实现参数的溯源；

对于两组探针均含3枚探针的情况，也即探针系统为6探针时，线缆采用三同轴线缆，三同轴线缆A的一端连接高值电阻测量仪器，另一端连接探针H、探针L和探针G；三同轴线缆B的一端连接标准高值电阻，另一端连接探针H’、探针L’和探针G’；在片直通对接线分别将探针H与探针H’连接、探针L与探针L’连接、探针G与探针G’连接，操作在片高值电阻测量系统测量阻值，与标准高值电阻阻值比较，即实现参数的溯源。

进一步的，在片直通对接线的结构是在绝缘衬底上设有金属导通线，金属导通线为扁平结构。

进一步的，金属导通线的材料为Au，绝缘衬底的材料为陶瓷或者蓝宝石。

进一步的，对可溯源的在片高值电阻测量系统进行不确定度评价，测量的不确定度分解为以下2项：

(1) 未修正的系统误差对应的不确定度u ₁ ；

(2) 随机误差对应的不确定度u ₂ ；

u ₁ 进一步分解为高值电阻测量仪器的系统误差对应的不确定度u ₁₁ ，对应于R处，以及线缆及探针的系统误差对应的不确定度u ₁₂ ，对应于R-A间；

u ₁₁ 直接采用其说明书技术指标R _spec ，按照均匀分布处理来确定，即

对于不确定度u ₁₂ ，则将R-A间的测量回路扩展为R-B间测量回路，该测量回路包括探针一组及线缆、在片直通对接线、探针二组及线缆、标准高值电阻，然后评估R-B间测量回路引入的系统误差上限，按照均匀分布处理，作为u ₁₂ 的估计值；

不确定度具体操作步骤如下：首先使用高值电阻测量仪器直接测量标准高值电阻，对应于R处，重复若干次取平均值Rr；然后测量B处的标准高值电阻，重复若干次取平均值Rx；|Rr-Rx|作为系统误差上限，即

（1）

对于u ₂ ，多次测量被测，并取数据的实验标准差S作为的u ₂ 估计值，即

（2）

合成为标准不确定度：

（3）

取扩展系数k = 2，扩展不确定度：

（4）

U即测量结果的不确定度。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提出了一种可溯源的在片高值电阻测量系统，并提出了配套的溯源方法及不确定度评价，解决了在片高值电阻参数的溯源问题；本发明提出的在片高值电阻测量系统可以提供具有溯源性的在片高值电阻测量数据，使得在片高值电阻测试数据的准确性可验证，不同系统的测试数据之间可比较。

附图说明

图1是可溯源的在片高值电阻测量系统的结构框图；

图2是可溯源的在片高值电阻测量系统进行溯源时的结构框图；

图3是4探针的测量系统进行溯源时的结构图；

图4是6探针的测量系统进行溯源时的结构图；

图5是6探针时的在片直通对接线的连接示意图；

图6是本发明所提出的测量系统进行在片测量时测量不确定度分量u ₁₁ 对应位置的示意图；

图7是本发明所提出的测量系统进行在片测量时测量不确定度分量u ₁₂ 对应位置的示意图；

图8是可溯源的在片高值电阻测量系统的结构图；

图9是在片高值电阻测量系统现有技术的结构框图；

图10是电容加速度计的结构图；

图11是图10的电容加速度计加速时的结构图；

图12是现有在片高值电阻测量系统的结构图；

图中：1、屏蔽壳体；2、被测；3、探针台；4、线缆；5、高值电阻测量仪器；6、质量块；7、支撑梁；8、固定齿。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的一种如图1所示的可溯源的在片高值电阻测量系统，包括高值电阻测量仪器、探针系统，高值电阻测量仪器和探针系统通过线缆连接，所述探针系统包括探针一组和探针二组，所述高值电阻测量仪器与探针一组连接或与探针二组连接，也即两组探针可互换连接，然后通过其中的一组探针接触被测的电极，从而构成测量回路，可以实施测量。

对于不支持Guard技术的高值电阻测量仪器，探针一组和探针二组均含2枚探针，2枚探针对应信号Hi和信号Lo；对于支持Guard技术的高值电阻测量仪器，每组探针各含3枚探针，对应信号Hi、Lo、和Guard。

探针一组和探针二组均含2枚探针时，所用的线缆为同轴线缆；探针一组和探针二组均含3枚探针时，所用的线缆为三同轴线缆。

本发明还提供一种可溯源的在片高值电阻测量系统的溯源方法，图2提供的是一种连接方式的结构图，所述高值电阻测量仪器通过线缆与探针一组连接，标准高值电阻通过线缆与探针二组连接；或者是，所述高值电阻测量仪器与探针二组连接，标准高值电阻与探针一组连接；在片直通对接线连接探针一组和探针二组，在片直通对接线用于溯源过程，从而构成测量回路，实现对标准高值电阻的测量，实现参数的溯源，然后依照提出的不确定度评定方法对不确定度进行评定。

对于不支持Guard技术的高值电阻测量仪器，两组探针均含2枚探针，也即探针系统为4探针时，如图3所示，线缆采用同轴线缆，同轴线缆A的一端连接高值电阻测量仪器，另一端连接探针H和探针L；同轴线缆B的一端连接标准高值电阻，另一端连接探针H’和探针L’； 探针H与探针H’通过在片直通对接线连接，探针L与探针L’ 通过在片直通对接线连接，操作在片高值电阻测量系统测量阻值，与标准高值电阻阻值比较，即实现参数的溯源。本发明中，探针H和探针L用于在片高值电阻测量，增加探针H’和探针L’，用于与常规同轴形式的标准高值电阻连接，对于4探针的情况，用两根在片直通对接线分别连接探针H与探针H’、探针L与探针L’。

对于高值电阻测量仪器支持Guard技术的情况，再增加两枚探针，即探针G和探针G’，也即探针系统为6探针，如图4所示，线缆采用三同轴线缆，三同轴线缆A的一端连接高值电阻测量仪器，另一端连接探针H、探针L和探针G；三同轴线缆B的一端连接标准高值电阻，另一端连接探针H’、探针L’和探针G’；3根在片直通对接线分别将探针H与探针H’连接、探针L与探针L’连接、探针G与探针G’连接，连接方式如图5所示，操作在片高值电阻测量系统测量阻值，与标准高值电阻阻值比较，即实现参数的溯源。

在片直通对接线的结构是在绝缘衬底上设有金属导通线，金属导通线为扁平结构。

其中，金属导通线的材料为Au，绝缘衬底的材料为陶瓷或者蓝宝石。

对可溯源的在片高值电阻测量系统进行不确定度评价，测量的不确定度分解为以下2项：

(1) 未修正的系统误差对应的不确定度u ₁ ；

(2) 随机误差对应的不确定度u ₂ 。

对于在片测量的系统误差，由于缺少在片形式的约定真值，因而无法获得系统误差。通过实验来评估系统误差的上限，然后将其作为一个均匀分布的随机变量来处理，作为u ₁ 的评估值。u ₂ 体现为测量的重复性，可以通过多次测量被测进行评估。

下面针对u ₁ 进一步细化分析。在片测量对应于图6中A处，高值电阻测量仪器通过线缆及探针，测量被测的电阻值。u ₁ 进一步分解为高值电阻测量仪器的系统误差对应的不确定度u ₁₁ ，对应于R处，以及线缆及探针的系统误差对应的不确定度u ₁₂ ，对应于R-A间。

u ₁₁ 直接采用其说明书技术指标R _spec ，按照均匀分布处理来确定，(需要指出，说明书技术指标包含了随机误差的影响，这里将系统误差的影响放大，是保守的计算方法)，即

对于不确定度u ₁₂ ，则将R-A间的测量回路扩展为R-B间测量回路，如图7所示，除完整包含R-A外，增加了在片直通对接线、右侧的探针和线缆以及标准高值电阻，然后评估R-B间测量回路引入的系统误差上限，作为均匀分布处理，作为u ₁₂ 的估计值。对于高值电阻测量，主要影响来自于泄漏电流，而R-B相对R-A增加的在直通对接线、右侧的探针和右侧的线缆只可能使系统误差增大，因而以上方法评估u ₁₂ 是保守且有效的。

不确定度具体操作步骤如下：首先使用高值电阻测量仪器直接测量标准高值电阻，对应于R处，重复若干次取平均值Rr；然后测量B处的标准高值电阻，重复若干次取平均值Rx；|Rr-Rx|作为系统误差上限，即

（1）

对于u ₂ ，多次测量被测，并取数据的实验标准差S作为的u ₂ 估计值，即

（2）

合成为标准不确定度：

（3）

取扩展系数k = 2，扩展不确定度：

（4）

U即测量结果的不确定度。

利用本发明提出的可溯源的在片高值电阻测量系统进行测量、溯源及不确定度分析的具体实施例如下：

实施例采用的测量系统主要组成包括高值电阻测量仪器5、探针台3和屏蔽壳体1构成，本发明提供的测量系统框图如图8所示，高值电阻测量仪器采用6430远端源表。其中6430远端源表至屏蔽壳体1、屏蔽壳体1至探针台探卡的线缆4和转接头均采用带有Guard层的三同轴形式（tri-axial）；探针台的探卡经过专门设计，在信号层上下设Guard层以减小泄漏电流。在探针台3外部增加了屏蔽壳体1，以屏蔽环境中的电磁干扰。防震平台可以很好的隔离震动，测试线缆位置固定，有效避免线缆震动和摩擦引起的噪声。

按照本发明提出溯源方法和不确定度评定方法，对组建的测量系统进行了溯源和不确定度评定实验，使用Agilent 16353 1GΩ标准高值电阻，经计量机构检定给出的标准值为0.99913GΩ，使用1GΩ在片高值电阻作为被测，对在片高值电阻测量系统的不确定度进行了评定，数据如下表所示。

Claims (8)

1.一种可溯源的在片高值电阻测量系统，包括高值电阻测量仪器、探针系统，高值电阻测量仪器和探针系统通过线缆连接，其特征在于，所述探针系统包括探针一组和探针二组，所述高值电阻测量仪器与探针一组连接或与探针二组连接。

2.根据权利要求1所述的可溯源的在片高值电阻测量系统，其特征在于，对于不支持Guard技术的高值电阻测量仪器，探针一组和探针二组均含2枚探针，2枚探针对应信号Hi和信号Lo；对于支持Guard技术的高值电阻测量仪器，每组探针各含3枚探针，对应信号Hi、Lo、和Guard。

3.根据权利要求2所述的可溯源的在片高值电阻测量系统，其特征在于，探针一组和探针二组均含2枚探针时，所用的线缆为同轴线缆；探针一组和探针二组均含3枚探针时，所用的线缆为三同轴线缆。

4.一种可溯源的在片高值电阻测量系统的溯源方法，其特征在于，所述高值电阻测量仪器通过线缆与探针一组连接，标准高值电阻通过线缆与探针二组连接；

或者是，所述高值电阻测量仪器与探针二组连接，标准高值电阻与探针一组连接；

在片直通对接线连接探针一组和探针二组。

5.根据权利要求4所述的可溯源的在片高值电阻测量系统的溯源方法，其特征在于，对于两组探针均含2枚探针的情况，也即探针系统为4探针时，线缆采用同轴线缆，同轴线缆A的一端连接高值电阻测量仪器，另一端连接探针H和探针L；同轴线缆B的一端连接标准高值电阻，另一端连接探针H’和探针L’； 探针H与探针H’通过在片直通对接线连接，探针L与探针L’ 通过在片直通对接线连接，操作在片高值电阻测量系统测量阻值，与标准高值电阻阻值比较，即实现参数的溯源；

对于两组探针均含3枚探针的情况，也即探针系统为6探针时，线缆采用三同轴线缆，三同轴线缆A的一端连接高值电阻测量仪器，另一端连接探针H、探针L和探针G；三同轴线缆B的一端连接标准高值电阻，另一端连接探针H’、探针L’和探针G’；3根在片直通对接线分别将探针H与探针H’连接、探针L与探针L’连接、探针G与探针G’连接，操作在片高值电阻测量系统测量阻值，与标准高值电阻阻值比较，即实现参数的溯源。

6.根据权利要求4所述的可溯源的在片高值电阻测量系统的溯源方法，其特征在于，在片直通对接线的结构是在绝缘衬底上设有金属导通线，金属导通线为扁平结构。

7.根据权利要求6所述的可溯源的在片高值电阻测量系统的溯源方法，其特征在于，金属导通线的材料为Au，绝缘衬底的材料为陶瓷或者蓝宝石。

8.根据权利要求4所述的可溯源的在片高值电阻测量系统的溯源方法，其特征在于，对可溯源的在片高值电阻测量系统进行不确定度评价，测量的不确定度分解为以下2项：

(1) 未修正的系统误差对应的不确定度u ₁ ；

(2) 随机误差对应的不确定度u ₂ ；

u ₁ 进一步分解为高值电阻测量仪器的系统误差对应的不确定度u ₁₁ ，对应于R处，以及线缆及探针的系统误差对应的不确定度u ₁₂ ，对应于R-A间；

u ₁₁ 直接采用其说明书技术指标R _spec ，按照均匀分布处理来确定，即

对于不确定度u ₁₂ ，则将R-A间的测量回路扩展为R-B间测量回路，该测量回路包括探针一组及线缆、在片直通对接线、探针二组及线缆、标准高值电阻，然后评估R-B间测量回路引入的系统误差上限，按照均匀分布处理，作为u ₁₂ 的估计值；

不确定度具体操作步骤如下：首先使用高值电阻测量仪器直接测量标准高值电阻，对应于R处，重复若干次取平均值Rr；然后测量B处的标准高值电阻，重复若干次取平均值Rx；|Rr-Rx|作为系统误差上限，即

（1）

对于u ₂ ，多次测量被测，并取数据的实验标准差S作为的u ₂ 估计值，即

（2）

合成为标准不确定度：

（3）

取扩展系数k = 2，扩展不确定度：

（4）

U即测量结果的不确定度。