CN115458425A - 一种太赫兹器件在片测试去嵌方法 - Google Patents

一种太赫兹器件在片测试去嵌方法 Download PDF

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曾晓楠
张勇
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Abstract

本发明公开一种太赫兹器件在片测试去嵌方法，属于太赫兹器件技术领域，采用测试结构测试待测器件S参数，分别测试与测试结构对应的半直通标准件、直通标准件、开路标准件和带过孔结构的直通标准件的S参数，对应转换为T参数；利用半直通标准件和直通标准件，求解GSG PAD寄生和互联传输线寄生；利用开路标准件和带过孔的直通标准件，求解传输线间耦合寄生和过孔地板寄生；待测器件的T参数依次剥离GSG PAD寄生、互联传输线寄生、传输线间耦合寄生、过孔地板寄生后，得到真实S参数。本发明有效剥离太赫兹频段测试结构带来的复杂寄生效应，获得待测器件的真实参数，具有去嵌精度高，结构简单，可准确表征太赫兹器件特性的特点。

Description

一种太赫兹器件在片测试去嵌方法
技术领域
本发明属于太赫兹器件技术领域，具体涉及一种太赫兹器件在片测试去嵌方法。
背景技术
广义的太赫兹波是指频率范围在100GHz～10THz之间的电磁波，而InP(磷化铟)由于其电子迁移率高、抗辐射性能好等优点已成为太赫兹器件制备的重要材料。随着集成电路工艺的迅速发展及器件工作频率的逐渐升高，太赫兹频段的寄生参量对器件测试结果的影响也愈来愈明显，而获取精确的器件测试数据是后续器件建模及电路设计的前提。
由于在片测试器件的尺寸过小，GSG(地-信号-地)探针需要通过GSG PAD、互联传输线、过孔与器件相连，从而进行测试。片外校准后的参考面往往在探针尖，所谓的去嵌便是去除夹具带来的寄生效应，将本征器件左右两侧的GSG PAD、互连线、过孔等寄生效应进行剥离，即移动测量参考面的过程。如何精确去嵌从而获得器件本征参数，已成为太赫兹频段在片测试的一大难题。
传统的基于集总参数模型的Open-short(开路-短路)去嵌算法应用于太赫兹频段的准确率大大降低，其原因在于随着频率升高，传输线的分布效应愈加明显。同时随着频率的升高，尤其在太赫兹频段，传输线间的耦合、过孔及地板的寄生已不可忽略，为获得真实的器件参数，低频的去嵌方法已不再适用，需要重新考量。
因此，本发明提出的去嵌方法较为全面的考虑了太赫兹器件在片测试夹具的寄生效应，剥离了GSG PAD、互联传输线、传输线间的耦合、过孔以及地板的寄生效应。通过四种去嵌结构实现，去嵌精度高、结构简单，能够准确表征太赫兹器件特性。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种太赫兹器件在片测试去嵌方法，在全面考虑太赫兹器件在片测试夹具的寄生效应后，依次剥离GSG PAD、互联传输线、传输线间的耦合、过孔以及地板的寄生效应，具有去嵌精度高，结构简单，可准确表征太赫兹器件特性的特点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种太赫兹器件在片测试去嵌方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将待测器件嵌入测试结构中，通过两个金属过孔分别引出至两侧的GSGPAD进行S参数测试，得到待测器件的S参数Smeas；
步骤2、分别对与测试结构对应的半直通标准件、直通标准件、开路标准件和带过孔结构的直通标准件进行S参数测试，得到对应的半直通标准件的S参数Shalfthru、直通标准件的S参数Sthru、开路标准件的S参数Sopen、带过孔结构的直通标准件的S参数Sthru_via；
其中，所述带过孔结构的直通标准件通过连通测试结构中两个金属过孔之间的地金属得到；
步骤3、通过参数转换，将S参数Smeas、Shalfthru、Sthru、Sopen和Sthru_via，分别对应转换为待测器件的T参数Tmeas、半直通标准件的T参数Thalfthru、直通标准件的T参数Tthru、开路标准件的T参数Topen和带过孔结构的直通标准件的T参数Tthru_via；
步骤4、利用半直通标准件和直通标准件，求解GSG PAD寄生和互联传输线寄生，具体过程为：
步骤4.1、构建半直通标准件的T参数矩阵方程：Thalfthru＝Tpad_leftTlineTpad_right；
步骤4.2、构建直通标准件的T参数矩阵方程：Tthru＝Tpad_leftTlineTlineTpad_right；
步骤4.3、将两个T参数矩阵方程级联，得到两侧GSG PAD虚拟连通结构对应的T参数Tpad矩阵：
Tpad＝ThalfthruT-1 thruThalfthru
＝(Tpad_leftTlineTpad_right)(Tpad_leftTlineTlineTpad_right)-1(Tpad_leftTlineTpad_right)
＝Tpad_leftTpad_right
其中，Tpad_left和Tpad_right分别表示为两侧的GSG PAD寄生；Tline为互联传输线寄生；
步骤4.4、将半直通标准件的T参数Thalfthru剥离两侧的GSG PAD寄生后，得到：
Tline＝T-1 pad_leftThalfthruT-1 pad_right
步骤5、利用开路标准件和带过孔的直通标准件，求解传输线间耦合寄生和过孔地板寄生，具体过程为：
步骤5.1、将开路标准件的T参数Topen剥离两侧的GSG PAD寄生和互联传输线寄生后，得到传输线间耦合寄生Tcoupling：
Tcoupling＝T-1 lineT-1 pad_leftTopenT-1 pad_rightT-1 line
转换为Y参数Ycoupling；
步骤5.2、将带过孔的直通标准件的T参数Tthru_via剥离两侧的GSG PAD寄生和互联传输线寄生后，得到剥离后T参数T’thru_via：
T’thru_via＝T-1 lineT-1 pad_leftTthru_viaT-1 pad_rightT-1 line
转换为Y参数Y’thru_via；
步骤5.3、计算得到过孔地板寄生Yvia+ground：
Yvia+ground＝Y’thru_via-Ycoupling
转换为Z参数Zvia+ground；
步骤6、将待测器件的T参数Tmeas依次剥离GSG PAD寄生、互联传输线寄生、传输线间耦合寄生和过孔地板寄生后，得到待测器件真实S参数Sdut，具体过程为：
步骤6.1、将待测器件的T参数Tmeas剥离GSG PAD寄生和互联传输线寄生，得到一次剥离后T参数T’meas：
T’meas＝T-1 lineT-1 pad_leftTmeasT-1 pad_rightT-1 line
转换为Y参数Y’meas；
步骤6.2、剥离传输线间耦合寄生，得到二次剥离后Y参数Y”meas：
Y”meas＝Y’meas-Ycoupling
转换为Z参数Z”meas；
步骤6.3、剥离过孔地板寄生，得到待测器件真实Z参数Zdut：
Zdut＝Z”meas-Zvia+ground
转换得到S参数Sdut。
进一步地，所述测试结构包括自下而上依次的InP衬底、地金属、聚苯丁烷(BCB)介质和布线层；所述布线层包括两侧对称分布的GSG PAD和互联传输线，两个互联传输线的长度为L，间隔为P；待测器件嵌入InP衬底和地金属之间，地金属在对应于待测器件两侧的区域开设两个窗口，待测器件的两侧分别经穿过窗口的金属过孔，引出至对应互联传输线，再与GSG PAD相连。
进一步地，所述互联传输线的特性阻抗为50Ω。
进一步地，所述半直通标准件包括自下而上依次的InP衬底、地金属、BCB介质和半直通布线层，所述半直通布线层包括两侧对称分布的GSG PAD，以及连接两个GSG PAD的半直通互联传输线，半直通互联传输线的长度为L。
进一步地，所述直通标准件通过将半直通标准件中长度为L的半直通互联传输线，替换为长度为2L的直通互联传输线得到。
进一步地，所述开路标准件通过将直通标准件中长度为2L的直通互联传输线，替换为两个间距为P、长度为L的开路互联传输线得到。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种太赫兹器件在片测试去嵌方法，通过采用半直通标准件、直通标准件、开路标准件和带过孔结构的直通标准件，依次剥离GSG PAD寄生、互联传输线寄生、传输线间耦合寄生和过孔地板寄生，实现太赫兹频段测试结构带来的复杂寄生效应的剥离，从而获得待测器件的真实参数，具有去嵌精度高，结构简单，可准确表征太赫兹器件特性的特点，为后续器件建模和电路设计打下良好基础。
附图说明
图1为本发明实施例1中待测器件在片测试结构的俯视示意图；
图2为本发明实施例1中待测器件在片测试结构的立体示意图；
图3为本发明实施例1中待测器件在片测试结构的截面示意图；
图4为本发明实施例1中半直通标准件的俯视示意图；
图5为本发明实施例1中直通标准件的俯视示意图；
图6为本发明实施例1中开路标准件的俯视示意图；
图7为本发明实施例1中带过孔结构的直通标准件的俯视示意图；
图8为本发明实施例1中带过孔结构的直通标准件的立体示意图；
图9为本发明实施例1中GSG PAD虚拟连通结构的等效原理图；
图10为本发明实施例1中待测器件在片测试寄生网络的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种太赫兹器件在片测试去嵌方法，包括以下步骤：
步骤1、如图1～3所示，将待测器件(DUT)嵌入测试结构中，通过两个金属过孔分别引出至两侧的GSG PAD进行S参数测试，得到待测器件的S参数Smeas；
所述测试结构包括自下而上依次的InP衬底、地金属、BCB介质和布线层；所述布线层包括两侧对称分布的GSG PAD和互联传输线，两个互联传输线的长度为L，间距为P；待测器件嵌入InP衬底和地金属之间，地金属在对应于待测器件两侧的区域开设两个窗口，待测器件的两侧分别经穿过窗口的金属过孔，引出至对应互联传输线，再与GSG PAD相连；所述互联传输线的特性阻抗为50Ω；
步骤2、分别对与测试结构对应的半直通标准件、直通标准件、开路标准件和带过孔结构的直通标准件进行S参数测试，得到对应的半直通标准件的S参数Shalfthru、直通标准件的S参数Sthru、开路标准件的S参数Sopen、带过孔结构的直通标准件的S参数Sthru_via；
其中，所述半直通标准件的结构如图4所示，包括自下而上依次的InP衬底、地金属、聚苯丁烷(BCB)介质和半直通布线层，所述半直通布线层包括两侧对称分布的GSG PAD，以及连接两个GSG PAD的半直通互联传输线，半直通互联传输线的长度为L；
所述直通标准件的结构如图5所示，通过将半直通标准件中长度为L的半直通互联传输线，替换为长度为2L的直通互联传输线得到；
所述开路标准件的结构如图6所示，通过将直通标准件中长度为2L的直通互联传输线，替换为两个间距为P、长度为L的开路互联传输线得到；
所述带过孔结构的直通标准件的结构如图7和8所示，通过连通测试结构中两个金属过孔之间的地金属得到；
步骤3、通过参数转换，将S参数Smeas、Shalfthru、Sthru、Sopen和Sthru_via，分别对应转换为待测器件的T参数Tmeas、半直通标准件的T参数Thalfthru、直通标准件的T参数Tthru、开路标准件的T参数Topen和带过孔结构的直通标准件的T参数Tthru_via；
步骤4、利用半直通标准件和直通标准件，求解GSG PAD寄生和互联传输线寄生，具体过程为：
步骤4.1、构建半直通标准件的T参数矩阵方程：Thalfthru＝Tpad_leftTlineTpad_right；
步骤4.2、构建直通标准件的T参数矩阵方程：Tthru＝Tpad_leftTlineTlineTpad_right；
步骤4.3、将两个T参数矩阵方程级联，得到两侧GSG PAD虚拟连通结构(如图9)对应的T参数Tpad矩阵：
Tpad＝ThalfthruT-1 thruThalfthru
＝(Tpad_leftTlineTpad_right)(Tpad_leftTlineTlineTpad_right)-1(Tpad_leftTlineTpad_right)
＝Tpad_leftTpad_right
其中，Tline为互联传输线寄生；Tpad_left和Tpad_right分别表示为两侧的GSG PAD寄生，分别等效为一个并联导纳Y1和一个串联导纳Y2，可依据等效网络计算得到：
Figure BDA0003856421830000051
Figure BDA0003856421830000061
Figure BDA0003856421830000062
步骤4.4、应用级联去嵌方法无需将互联传输线进行集总参数等效，在太赫兹频段可以精确表征其分布效应，因而将半直通标准件的T参数Thalfthru剥离两侧的GSG PAD寄生后，得到：
Tline＝T-1 pad_leftThalfthruT-1 pad_right
步骤5、在太赫兹频段传输线间耦合效应不可忽略，具有一定的容性寄生；此外由于待测器件需要通过金属过孔与互联传输线相连，所以由金属过孔带来的寄生效应需要剥离，同时两个窗口之间存在一个金属条带，金属条带引入的寄生效应同样需要剥离，这二者均具有一定的感性寄生；
利用开路标准件和带过孔的直通标准件，求解传输线间耦合寄生和过孔地板寄生，具体过程为：
步骤5.1、将开路标准件的T参数Topen剥离两侧的GSG PAD寄生和互联传输线寄生后，得到传输线间耦合寄生Tcoupling：
Tcoupling＝T-1 lineT-1 pad_leftTopenT-1 pad_rightT-1 line
转换为Y参数Ycoupling；
步骤5.2、将带过孔的直通标准件的T参数Tthru_via剥离两侧的GSG PAD寄生和互联传输线寄生后，得到剥离后T参数T’thru_via：
T’thru_via＝T-1 lineT-1 pad_leftTthru_viaT-1 pad_rightT-1 line
转换为Y参数Y’thru_via；
步骤5.3、如图10所示，金属过孔引入的寄生为Yvia，金属条带引入的寄生为Yground，则金属过孔和金属条带引入的总寄生表示为Yvia+ground，计算得到：
Yvia+ground＝Y’thru_via-Ycoupling
转换为Z参数Zvia+ground；
步骤6、将待测器件的T参数Tmeas依次剥离GSG PAD寄生、互联传输线寄生、传输线间耦合寄生和过孔地板寄生后，得到待测器件真实S参数Sdut，具体过程为：
步骤6.1、将待测器件的T参数Tmeas剥离GSG PAD寄生和互联传输线寄生，得到一次剥离后T参数T’meas：
T’meas＝T-1 lineT-1 pad_leftTmeasT-1 pad_rightT-1 line
转换为Y参数Y’meas；
步骤6.2、剥离传输线间耦合寄生，得到二次剥离后Y参数Y”meas：
Y”meas＝Y’meas-Ycoupling
转换为Z参数Z”meas；
步骤6.3、剥离过孔地板寄生，得到待测器件真实Z参数Zdut：
Zdut＝Z”meas-Zvia+ground
转换得到S参数Sdut，最终得到依次剥离GSG PAD寄生、互联传输线寄生、传输线间耦合寄生和过孔地板寄生后的待测器件真实S参数Sdut。
需要说明的是，本实施例提出的去嵌方法适用于太赫兹频段，对有地金属开窗的待测器件有很好的去嵌效果；互联传输线为薄膜微带线，可以防止BCB介质中高次模的产生导致电路损耗增大；同时BCB具有高绝缘、高击穿电压的特性，通过平坦化工艺旋涂BCB使得待测器件电极通过过孔引出到同一平面。
上述实施例仅说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明，仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种太赫兹器件在片测试去嵌方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将待测器件嵌入测试结构中，通过两个金属过孔分别引出至两侧的GSG PAD进行S参数测试，得到待测器件的S参数Smeas；
步骤2、分别对与测试结构对应的半直通标准件、直通标准件、开路标准件和带过孔结构的直通标准件进行S参数测试，得到对应的半直通标准件的S参数Shalfthru、直通标准件的S参数Sthru、开路标准件的S参数Sopen、带过孔结构的直通标准件的S参数Sthru_via；
其中，所述带过孔结构的直通标准件通过连通测试结构中两个金属过孔之间的地金属得到；
步骤3、将Smeas、Shalfthru、Sthru、Sopen和Sthru_via，分别对应转换为待测器件的T参数Tmeas、半直通标准件的T参数Thalfthru、直通标准件的T参数Tthru、开路标准件的T参数Topen和带过孔结构的直通标准件的T参数Tthru_via；
步骤4、利用半直通标准件和直通标准件，求解GSG PAD寄生和互联传输线寄生，具体过程为：
步骤4.1、构建半直通标准件的T参数矩阵方程：Thalfthru＝Tpad_leftTlineTpad_right；
步骤4.2、构建直通标准件的T参数矩阵方程：Tthru＝Tpad_leftTlineTlineTpad_right；
步骤4.3、将两个T参数矩阵方程级联，得到两侧GSG PAD虚拟连通结构对应的T参数Tpad矩阵：
Tpad＝ThalfthruT-1 thruThalfthru
＝(Tpad_leftTlineTpad_right)(Tpad_leftTlineTlineTpad_right)-1(Tpad_leftTlineTpad_right)
＝Tpad_leftTpad_right
其中，Tpad_left和Tpad_right分别表示为两侧的GSG PAD寄生；Tline为互联传输线寄生；
步骤4.4、将Thalfthru剥离两侧的GSG PAD寄生后，得到：
Tline＝T-1 pad_leftThalfthruT-1 pad_right
步骤5、利用开路标准件和带过孔的直通标准件，求解传输线间耦合寄生和过孔地板寄生，具体过程为：
步骤5.1、将Topen剥离两侧的GSG PAD寄生和互联传输线寄生后，得到传输线间耦合寄生Tcoupling：
Tcoupling＝T-1 lineT-1 pad_leftTopenT-1 pad_rightT-1 line
转换为Y参数Ycoupling；
步骤5.2、将Tthru_via剥离两侧的GSG PAD寄生和互联传输线寄生后，得到剥离后T参数T’thru_via：
T’thru_via＝T-1 lineT-1 pad_leftTthru_viaT-1 pad_rightT-1 line
转换为Y参数Y’thru_via；
步骤5.3、计算得到过孔地板寄生Yvia+ground：
Yvia+ground＝Y’thru_via-Ycoupling
转换为Z参数Zvia+ground；
步骤6、将Tmeas依次剥离GSG PAD寄生、互联传输线寄生、传输线间耦合寄生和过孔地板寄生后，得到待测器件真实S参数Sdut，具体过程为：
步骤6.1、将Tmeas剥离GSG PAD寄生和互联传输线寄生，得到一次剥离后T参数T’meas：
T’meas＝T-1 lineT-1 pad_leftTmeasT-1 pad_rightT-1 line
转换为Y参数Y’meas；
步骤6.2、剥离传输线间耦合寄生，得到二次剥离后Y参数Y”meas：
Y”meas＝Y’meas-Ycoupling
转换为Z参数Z”meas；
步骤6.3、剥离过孔地板寄生，得到待测器件真实Z参数Zdut：
Zdut＝Z”meas-Zvia+ground
转换得到S参数Sdut。
2.根据权利要求1所述太赫兹器件在片测试去嵌方法，其特征在于，所述测试结构包括自下而上依次的InP衬底、地金属、BCB介质和布线层；所述布线层包括两侧对称分布的GSGPAD和互联传输线，两个互联传输线的长度为L，间隔为P；待测器件嵌入InP衬底和地金属之间，地金属在对应于待测器件两侧的区域开设两个窗口，待测器件的两侧分别经穿过窗口的金属过孔，引出至对应互联传输线，再与GSG PAD相连。
3.根据权利要求2所述太赫兹器件在片测试去嵌方法，其特征在于，所述半直通标准件包括自下而上依次的InP衬底、地金属、BCB介质和半直通布线层，所述半直通布线层包括两侧对称分布的GSG PAD，以及连接两个GSG PAD的半直通互联传输线，半直通互联传输线的长度为L。
4.根据权利要求3所述太赫兹器件在片测试去嵌方法，其特征在于，所述直通标准件通过将半直通标准件中长度为L的半直通互联传输线，替换为长度为2L的直通互联传输线得到。
5.根据权利要求3所述太赫兹器件在片测试去嵌方法，其特征在于，所述开路标准件通过将直通标准件中长度为2L的直通互联传输线，替换为两个间距为P、长度为L的开路互联传输线得到。
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