CN108089113A - 非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置及方法，属于微波毫米波测试领域，包括减震台、X‑Y位移及旋转台、Z位移控制单元、显微探针、匹配网络、第一微波探针、第二微波探针、直流电源、直流探针、四端口矢量网络分析仪以及外置电脑。本发明分辨率高可达到ns级；显微参数为介电常数、损耗角正切及掺杂水平，显微参数对芯片设计更可用；可进行点阵测试，测试效率高；加电方便，可进行微波输入输出，同时进行S参数、驻波比、增益等微波参数测试，放大器正常工作，为热态测试。

Description

非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置及方法
技术领域
本发明属于微波毫米波测试领域，具体涉及一种非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置及方法。
背景技术
目前针对微波功率半导体的测试，主要有一下几种方法：一是为在片(On-wafer)检测，一般采用探针台搭载的高分辨率光学显微镜，该方法可进行热态测试(芯片处于大功率状态)，但只能进行光学分析，获得常规的S参数，分辨率受到光学显微技术的限制；二是使用电子显微镜，分辨率高但不能进行热态测试；三是原子力显微镜，分析表面形貌(凹凸特性)显微，不能进行热态测试。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置，包括减震台、X-Y位移及旋转台、Z位移控制单元、显微探针、匹配网络、第一微波探针、第二微波探针、直流电源、直流探针、四端口矢量网络分析仪以及外置电脑；
减震台，被配置为用于减少地面震动，保护各类探针和被测件测试端口；
X-Y位移及旋转台，置于减震台上，被配置为用于放置DUT，其可进行水平面方向的精密位移实现平面扫描以及平面的精确旋转调整测试姿态；
Z位移控制单元，置于X-Y位移及旋转台上，被配置为用于实现显微探针的垂直方向的精确位移；
显微探针，固定在Z位移控制单元上，随Z位移控制单元的垂直运动进行垂直位移；
匹配网络，被配置为用于完成阻抗转换和匹配的功能，其一端连接至显微探针，另一端连接至四端口矢量网络分析仪的第二端口；
第一微波探针，被配置为用于为DUT提供微波输入信号，其通过微波电缆连接至四端口矢量网络分析仪的第一端口；
第二微波探针，被配置为用于接收DUT的输出微波信号，其通过微波电缆连接至四端口矢量网络分析仪的第四端口；
直流电源，被配置为用于产生DUT工作所需的直流功率，和直流探针连接；
直流探针的针尖，连接至DUT的直流供电端口，被配置为用于为DUT提供直流功率；
四端口矢量网络分析仪，包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口四个端口，其第一端口、第二端口、第四端口分别连接至第一微波探针、显微探针和第二微波探针；内置独立双源分别用于进行功率和频率控制；
外置电脑，被配置为用于进行显微参数提取、显示DUT的显微结果以及控制四端口矢量网络分析仪、X-Y位移及旋转台和Z位移控制单元。
优选地，显微探针的针尖为微小圆弧状，其圆弧半径可实现nm级别。
优选地，第一微波探针和第二微波探针符合被测件接口形式，有多种形式和尺寸可选，对于GSG接口，第一微波探针和第二微波探针的针尖为三个并行针，中间为微波信号传输针，两边为接地针，第一微波探针的针尖压紧在DUT的输入端口的三个点位，第二微波探针的针尖压紧在DUT的输出端口的三个点位。
优选地，DUT为功率半导体芯片，包括输入端口、输出端口、匹配电路、直流供电端口以及半导体材料五部分。
此外，本发明还提到一种非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微方法，该方法采用如上所述的非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置，具体包括如下步骤：
步骤1：首先对四端口矢量网络分析仪进行校准；
步骤2：DUT将直流电源产生的直流功率转换为微波功率，由输出端输出至第二微波探针和显微探针；
步骤3：四端口矢量网络分析仪的第一端口输出微波信号，通过第一微波探针加载至DUT的输入端，微波信号通过DUT的输出端输出后通过第二微波探针进入至矢量网络分析仪的第四端口，此时可通过四端口矢量网络分析仪直接测试DUT的包括S参数、驻波比VSWR和增益G在内的指标，并将测试结果读入到外置电脑；设四端口矢量网络分析仪的第一端口输出的微波信号频率为f1；
步骤4：设四端口矢量网络分析仪的第二端口输出的微波信号频率为f2，外置电脑控制Z位移控制单元和X-Y位移及旋转台，使得显微探针的针尖和DUT处于频率f2的微波半波长之内，并使显微探针的针尖和DUT在频率f1的微波半波长之外；
步骤5：四端口矢量网络分析仪的第一端口持续输出微波信号并通过第一微波探针加载至DUT的输入端，四端口矢量网络分析仪的第二端口开始输出微波信号，通过匹配网络加载至显微探针的针尖，显微探针针尖和DUT的半导体材料产生近场耦合效应，产生反射信号经匹配网络输入至四端口矢量网络分析仪的第二端口，四端口矢量网络分析仪可通过第二端口测定反射信号和输入信号的矢量比值，定义为S11，并将此矢量比值传输至外置电脑，外置电脑通过近场微波原理分析第二端口的S11，提取所需的电磁参数进行显示，完成单点成像；
如复导纳的计算方法为
G+jB＝(1-S11)/(1+S11)*Z0；
其中，G为复导纳的实部，B为复导纳的虚部，Z0为特征阻抗。
成像的范围和显微探针针尖圆弧度有关，理想的显微探针针尖可等效为点电荷，目前加工工艺可实现nm量级的圆弧度，即可nm级别分辨率的成像；
步骤6：外置电脑控制X-Y位移及旋转台，使得DUT按照设置的分辨率在平面方向移动，完成对DUT的半导体材料的扫描；外置电脑计量X-Y位移的移动位移量和各个点的电磁参数结构，按照点阵方式显示，即可完成对DUT的热态分析。
优选地，四端口矢量网络分析仪的第二端口输出的微波信号和第一端口输出的微波信号具有一定的频率偏移deta_F，即deta_F＝f1-f2。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明一种非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置及方法，分辨率高可达到ns级；显微参数为介电常数、损耗角正切及掺杂水平，显微参数对芯片设计更可用；可进行点阵测试，测试效率高；加电方便，可进行微波输入输出，同时进行增益等微波参数测试，放大器正常工作，为热态测试。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为被测DUT的结构示意图。
其中，1-减震台；2-X-Y位移及旋转台；3-Z位移控制单元；4-显微探针；5-匹配网络；6-第一微波探针；7-第二微波探针；8-直流电源；9-直流探针；10-四端口矢量网络分析仪；11-外置电脑；12-DUT；121-输入端口；122-输出端口；123-匹配电路；124-直流供电端口；125-半导体材料。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
如图1所示的一种非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置，包括减震台1、X-Y位移及旋转台2、Z位移控制单元3、显微探针4、匹配网络5、第一微波探针6、第二微波探针7、直流电源8、直流探针9、四端口矢量网络分析仪10以及外置电脑11。
DUT12为功率半导体芯片，其结构如图2所示，包括输入端口121、输出端口122、匹配电路123、直流供电端口124、半导体材料125五部分。
减震台1，被配置为用于减少地面震动，保护各类探针和被测件测试端口；
X-Y位移及旋转台2，置于减震台1上，被配置为用于放置DUT12，其可进行水平面方向的精密位移实现平面扫描以及平面的精确旋转调整测试姿态；
Z位移控制单元3，置于X-Y位移及旋转台2上，被配置为用于实现显微探针4的垂直方向的精确位移；
显微探针4，固定在Z位移控制单元3上，随Z位移控制单元3的垂直运动进行垂直位移；显微探针4的针尖为微小圆弧状，目前圆弧半径可实现nm级别；显微探针4的另一端连接有微波同轴谐振腔。
匹配网络5，被配置为用于完成阻抗转换和匹配的功能，其一端连接至显微探针4，另一端连接至四端口矢量网络分析仪10的第二端口。
第一微波探针6，被配置为用于为DUT12提供微波输入信号，其通过微波电缆连接至四端口矢量网络分析仪10的第一端口。
第一微波探针6应符合被测件接口形式，有多种形式和尺寸可选，如GSG接口，针尖为三个并行针，中间为微波信号传输针，两边为接地针。针尖压紧在DUT12的输入端口的三个点位。
第二微波探针7，被配置为用于接收DUT12的输出微波信号，其通过微波电缆连接至四端口矢量网络分析仪10的第四端口。
第二微波探针7应符合被测件接口形式，有多种形式和尺寸可选。如GSG接口，针尖为三个并行针，中间为微波信号传输针，两边为接地针。针尖压紧在DUT12的输出端口的三个点位。
直流电源8，被配置为用于产生DUT12工作所需的直流功率，和直流探针9连接；
直流探针9的针尖，连接至DUT12的直流供电端口，被配置为用于为DUT12提供直流功率；
本发明所使用的四端口矢量网络分析仪10为高性能多功能矢量网络分析仪，为微波毫米波领域的科学仪器，它须具有四个端口，四个端口的端口号可互易使用；内置独立双源且分别进行功率和频率控制；端口接收机须独立，不能复用。使用四端口矢量网络分析仪10为最经济的办法，它可使用两台双端口矢量网络分析仪，或一台双端口矢量网络分析仪和一台单端口矢量网络分析仪代替。本发明使用了它三个端口：第一端口、第二端口和第四端口，分别连接至第一微波探针6、显微探针4和第二微波探针7。
外置电脑11，被配置为用于进行显微参数提取、显示DUT12的显微结果以及控制四端口矢量网络分析仪10、X-Y位移及旋转台2和Z位移控制单元3。可分别使用GPIB电缆、网线、USB线连接，或WIFI无线连接。
实施例2：
在上述实施例的基础上，本发明还提到一种非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微方法，具体包括如下步骤：
步骤1：首先对四端口矢量网络分析仪进行校准；
步骤2：DUT将直流电源产生的直流功率转换为微波功率，由输出端输出至第二微波探针和显微探针；
步骤3：四端口矢量网络分析仪的第一端口输出微波信号，通过第一微波探针加载至DUT的输入端，微波信号通过DUT的输出端输出后通过第二微波探针进入至矢量网络分析仪的第四端口，此时可通过四端口矢量网络分析仪直接测试DUT的包括S参数、驻波比VSWR和增益G在内的指标，并将测试结果读入到外置电脑；设四端口矢量网络分析仪的第一端口输出的微波信号频率为f1；
步骤4：设四端口矢量网络分析仪的第二端口输出的微波信号频率为f2，外置电脑控制Z位移控制单元和X-Y位移及旋转台，使得显微探针的针尖和DUT处于频率f2的微波半波长之内，并使显微探针的针尖和DUT在频率f1的微波半波长之外；
步骤5：四端口矢量网络分析仪的第一端口持续输出微波信号并通过第一微波探针加载至DUT的输入端，四端口矢量网络分析仪的第二端口开始输出微波信号，通过匹配网络加载至显微探针的针尖，显微探针针尖和DUT的半导体材料产生近场耦合效应，产生反射信号经匹配网络输入至四端口矢量网络分析仪的第二端口，四端口矢量网络分析仪可通过第二端口测定反射信号和输入信号的矢量比值，定义为S11，并将此矢量比值传输至外置电脑，外置电脑通过近场微波原理分析第二端口的S11，提取所需的电磁参数进行显示，完成单点成像；
如复导纳的计算方法为
G+jB＝(1-S11)/(1+S11)*Z0；
其中，G为复导纳的实部，B为复导纳的虚部，Z0为特征阻抗。
成像的范围和显微探针针尖圆弧度有关，理想的显微探针针尖可等效为点电荷，目前加工工艺可实现nm量级的圆弧度，即可nm级别分辨率的成像；
步骤6：外置电脑控制X-Y位移及旋转台，使得DUT按照设置的分辨率在平面方向移动，完成对DUT的半导体材料的扫描；外置电脑计量X-Y位移的移动位移量和各个点的电磁参数结构，按照点阵方式显示，即可完成对DUT的热态分析。
四端口矢量网络分析仪的第二端口输出的微波信号和第一端口输出的微波信号具有一定的频率偏移deta_F，即deta_F＝f1-f2。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置，其特征在于：包括减震台、X-Y位移及旋转台、Z位移控制单元、显微探针、匹配网络、第一微波探针、第二微波探针、直流电源、直流探针、四端口矢量网络分析仪以及外置电脑；
减震台，被配置为用于减少地面震动，保护各类探针和被测件测试端口；
X-Y位移及旋转台，置于减震台上，被配置为用于放置DUT，其可进行水平面方向的精密位移实现平面扫描以及平面的精确旋转调整测试姿态；
Z位移控制单元，置于X-Y位移及旋转台上，被配置为用于实现显微探针的垂直方向的精确位移；
显微探针，固定在Z位移控制单元上，随Z位移控制单元的垂直运动进行垂直位移；
匹配网络，被配置为用于完成阻抗转换和匹配的功能，其一端连接至显微探针，另一端连接至四端口矢量网络分析仪的第二端口；
第一微波探针，被配置为用于为DUT提供微波输入信号，其通过微波电缆连接至四端口矢量网络分析仪的第一端口；
第二微波探针，被配置为用于接收DUT的输出微波信号，其通过微波电缆连接至四端口矢量网络分析仪的第四端口；
直流电源，被配置为用于产生DUT工作所需的直流功率，和直流探针连接；
直流探针的针尖，连接至DUT的直流供电端口，被配置为用于为DUT提供直流功率；
四端口矢量网络分析仪，包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口四个端口，其第一端口、第二端口、第四端口分别连接至第一微波探针、显微探针和第二微波探针；内置独立双源分别用于进行功率和频率控制；
外置电脑，被配置为用于进行显微参数提取、显示DUT的显微结果以及控制四端口矢量网络分析仪、X-Y位移及旋转台和Z位移控制单元。
2.根据权利要求1所述的非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置，其特征在于：显微探针的针尖为微小圆弧状，其圆弧半径可实现nm级别。
3.根据权利要求1所述的非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置，其特征在于：第一微波探针和第二微波探针符合被测件接口形式，有多种形式和尺寸可选，对于GSG接口，第一微波探针和第二微波探针的针尖为三个并行针，中间为微波信号传输针，两边为接地针，第一微波探针的针尖压紧在DUT的输入端口的三个点位，第二微波探针的针尖压紧在DUT的输出端口的三个点位。
4.根据权利要求1所述的非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置，其特征在于：DUT为功率半导体芯片，包括输入端口、输出端口、匹配电路、直流供电端口以及半导体材料五部分。
5.一种非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置，具体包括如下步骤：
步骤1：首先对四端口矢量网络分析仪进行校准；
步骤2：DUT将直流电源产生的直流功率转换为微波功率，由输出端输出至第二微波探针和显微探针；
步骤3：四端口矢量网络分析仪的第一端口输出微波信号，通过第一微波探针加载至DUT的输入端，微波信号通过DUT的输出端输出后通过第二微波探针进入至矢量网络分析仪的第四端口，此时可通过四端口矢量网络分析仪直接测试DUT的包括S参数、驻波比VSWR和增益G在内的指标，并将测试结果读入到外置电脑；设四端口矢量网络分析仪的第一端口输出的微波信号频率为f1；
步骤4：设四端口矢量网络分析仪的第二端口输出的微波信号频率为f2，外置电脑控制Z位移控制单元和X-Y位移及旋转台，使得显微探针的针尖和DUT处于频率f2的微波半波长之内，并使显微探针的针尖和DUT在频率f1的微波半波长之外；
步骤5：四端口矢量网络分析仪的第一端口持续输出微波信号并通过第一微波探针加载至DUT的输入端，四端口矢量网络分析仪的第二端口开始输出微波信号，通过匹配网络加载至显微探针的针尖，显微探针针尖和DUT的半导体材料产生近场耦合效应，产生反射信号经匹配网络输入至四端口矢量网络分析仪的第二端口，四端口矢量网络分析仪可通过第二端口测定反射信号和输入信号的矢量比值，定义为S11，并将此矢量比值传输至外置电脑，外置电脑通过近场微波原理分析第二端口的S11，提取所需的电磁参数进行显示，完成单点成像；
步骤6：外置电脑控制X-Y位移及旋转台，使得DUT按照设置的分辨率在平面方向移动，完成对DUT的半导体材料的扫描；外置电脑计量X-Y位移的移动位移量和各个点的电磁参数结构，按照点阵方式显示，即可完成对DUT的热态分析。
6.根据权利要求5所述的非接触式电磁学显微的功率半导体芯片热态分析方法，其特征在于：四端口矢量网络分析仪的第二端口输出的微波信号和第一端口输出的微波信号具有一定的频率偏移deta_F，即deta_F＝f1-f2。
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