JP2015179029A

JP2015179029A - 高周波プローブおよび測定装置

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Publication number: JP2015179029A
Application number: JP2014056808A
Authority: JP
Inventors: 加藤　隆幸; Takayuki Kato; 隆幸加藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2034-03-19
Also published as: JP6299308B2

Abstract

【課題】多重反射を抑制し、高周波特性を安定に測定可能な高周波プローブおよび測定装置を提供する。
【解決手段】高周波プローブ３０は、プローブ本体１と、プローブ本体１から伸び伝送線路２１が設けられたプローブアーム部２と、プローブアーム部２の先端に設けられ導電性材料からなり信号導体２２および接地導体２３にそれぞれ接続する複数の先端部９、１０とを備えている。伝送線路２１は信号導体２２およびその両側をそれぞれ伸びる接地導体２３を備えている。信号導体２２および接地導体２３はコプレーナ線路を構成している。先端部９、１０に表面メッキなしの高抵抗金属の材料を用いる。好ましくはＮｉＣｒ、ＮｉＣｒＦｅ、ＮｉＣｒＦｅＭｎ、およびＣｒＦｅＡｌからなる群から選択した１つの材料を用いる。先端部９、１０に高抵抗金属を用いることにより、ＤＣ（直流）的な直列抵抗値が１０Ω以上、５０Ω以下になるように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波プローブおよび測定装置に関する。

従来、例えば、特開２００９−１５０８０１号公報に開示されているように、接触子の先端に抵抗を設けた高周波プローブが知られている。この公報にかかる技術では、接触子に抵抗を設けることで集積回路に不良品が混じった場合でも他の良品の集積回路に正常な試験を行うことを目的としており、その抵抗を容易にかつ高い歩留まりで形成することを図っている。

特開２００９−１５０８０１号公報

ところで、高周波プローブに要求される性能の一つに低損失があり、プローブ先端部を低抵抗にすることで低損失が実現されている。低損失性を重視した高周波プローブの場合、プローブ本体に接続された回路のインピーダンス不整合が生じた際に高周波電力が多重反射するおそれがある。この多重反射により、被測定素子の不要発振あるいは不安定動作が生ずるという問題がある。本願発明者は、この多重反射を解決するために高周波プローブの通過損失を意図的に大きくするという技術を見出した。上記従来の技術はプローブ先端に抵抗体を設けるので結果的に通過損失の増大につながるものであるが、高周波帯における不要な多重反射についての知見は無く、多重反射の抑制を適正に行うことはできなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、多重反射を抑制し、高周波特性を安定に測定可能な高周波プローブおよび測定装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、高周波プローブであって、プローブ本体と、前記プローブ本体から伸び、信号導体および接地導体を含む伝送線路が設けられたプローブアーム部と、前記プローブアーム部の先端に設けられ、導電性材料からなり、前記信号導体および前記接地導体にそれぞれ接続する複数の先端部と、を備え、前記伝送線路の特性インピーダンスの値が５０Ωであり、前記伝送線路と前記先端部の特性インピーダンスが等しく、前記先端部の直列抵抗値が１０Ω以上かつ５０Ω以下である。

第２の発明は、高周波プローブであって、プローブ本体と、前記プローブ本体から伸び、信号導体および接地導体を含む伝送線路が設けられたプローブアーム部と、前記プローブアーム部の先端に設けられ、導電性材料からなり、前記信号導体と接続する第１先端部と、前記プローブアーム部の先端に設けられ、導電性材料からなり、前記接地導体と接続する第２先端部と、前記第１先端部に直列に設けられた第１抵抗と、前記第１先端部と前記第２先端部を接続する第２抵抗と、を備える。

第３の発明は、測定装置であって、高周波プローブと、前記高周波プローブと接続するコネクタまたは導波管と、前記コネクタまたは前記導波管を介して前記高周波プローブから信号を取得する測定器と、を備え、前記高周波プローブは、プローブ本体と、前記プローブ本体から伸び、信号導体および接地導体を含む伝送線路が設けられたプローブアーム部と、前記プローブアーム部の先端に設けられ、導電性材料からなり、前記信号導体および前記接地導体にそれぞれ接続する複数の先端部と、を備え、前記伝送線路の特性インピーダンスの値が５０Ωであり、前記伝送線路と前記先端部の特性インピーダンスが等しく、前記先端部の直列抵抗値が１０Ω以上かつ５０Ω以下である。

第４の発明は、測定装置であって、高周波プローブと、前記高周波プローブと接続するコネクタまたは導波管と、前記コネクタまたは前記導波管を介して前記高周波プローブから信号を取得する測定器と、を備え、前記高周波プローブは、プローブ本体と、前記プローブ本体から伸び、信号導体および接地導体を含む伝送線路が設けられたプローブアーム部と、前記プローブアーム部の先端に設けられ、導電性材料からなり、前記信号導体と接続する第１先端部と、前記プローブアーム部の先端に設けられ、導電性材料からなり、前記接地導体と接続する第２先端部と、前記第１先端部に直列に設けられた第１抵抗と、前記第１先端部と前記第２先端部を接続する第２抵抗と、を備える。

本発明によれば、多重反射を抑制し、高周波特性を安定に測定することができる。特に、第１および第３の発明によれば、高周波プローブの特性インピーダンスを５０Ωにしたままでプローブ自体の通過損失を大きくすることができる。

本発明の実施の形態１にかかる高周波プローブおよび測定装置を示す斜視図である。本発明の実施の形態１にかかる高周波プローブを示す拡大図である。本発明の実施の形態１にかかる高周波プローブおよび測定装置を示す図である。本発明の実施の形態２にかかる高周波プローブを示す拡大図である。本発明の実施の形態２にかかる高周波プローブおよび測定装置を示す図である。本発明の実施の形態３にかかる高周波プローブを示す拡大図である。本発明の実施の形態３にかかる高周波プローブおよび測定装置を示す図である。本発明の実施の形態で用いる減衰回路の等価回路図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる高周波プローブ３０および測定装置６０を示す斜視図である。本実施の形態は、半導体デバイスを評価するための測定装置６０に用いられる高周波プローブ３０に関するもので、特にマイクロ波・ミリ波帯の高周波プローブ３０に関するものである。測定装置６０は、高周波プローブ３０と、高周波プローブ３０と接続するコネクタ１４と、コネクタ１４を介して高周波プローブ３０から信号を取得する測定器５０と、を備える。コネクタ１４と測定器５０との間には信号線４０が介在している。信号線４０は、後述する外部線路６あるいはケーブルなどである。なお、コネクタ１４に代えて導波管を用いてもよい。

図２は、本発明の実施の形態１にかかる高周波プローブ３０を示す拡大図であり、プローブアーム部２の先端を模式的に示す図である。高周波プローブ３０は、プローブ本体１と、プローブ本体１から伸び伝送線路２１が設けられたプローブアーム部２と、プローブアーム部２の先端に設けられ導電性材料からなり伝送線路２１（後述するように信号導体２２および接地導体２３を含む）にそれぞれ接続する複数の先端部９、１０とを備えている。伝送線路２１は、信号導体２２およびその両側をそれぞれ伸びる接地導体２３を備えている。信号導体２２および接地導体２３はコプレーナ線路を構成しており、信号導体２２は同軸中心導体であり、接地導体２３が同軸周囲導体である。先端部９は信号導体２２と接続し、先端部１０は接地導体２３と接続している。コネクタ１４により伝送線路２１および測定器５０が互いに接続される。先端部９、１０は接地導体−信号導体−接地導体（Ｇ−Ｓ−Ｇ）の構造を有しており、その特性インピーダンスが伝送線路２１と同一（通常、５０Ω）となるようにする。本実施の形態では、先端部９、１０に表面メッキなしの高抵抗金属の材料を用いる。好ましくはＮｉＣｒ、ＮｉＣｒＦｅ、ＮｉＣｒＦｅＭｎ、およびＣｒＦｅＡｌからなる群から選択した１つの材料を用いる。先端部９、１０にこれらの高抵抗金属を用いることにより、ＤＣ（直流）的な直列抵抗値が１０Ω以上、５０Ω以下になるように設定する。この場合、先端部９、１０は、特性インピーダンスが５０Ωのままで導体抵抗（レジスタンス）が増大するため、高周波電力の通過損失が大幅に増大する。通過損失は、例えば使用帯域で５ｄＢ以上としてもよい。

図３は、本発明の実施の形態１にかかる高周波プローブ３０および測定装置６０を示す図であり、高周波プローブ３０の使用状態の一例を示す図である。なお、プローブ本体１など一部の構成については、便宜上、図示を省略している。図３では模式的に１つの被測定素子５のみを示しているが、半導体ウェハ上に多数の被測定素子５が並べられている状態で複数の高周波プローブ３０をプローブカード状に一体化して検査を行ってもよい。被測定素子５は高周波ＩＣであり、電極５ａ、５ｂ、５ｃを備え、５０Ωの特性インピーダンスを備える。高周波プローブ３０も同じく特性インピーダンスが５０Ωであるのに対し、高周波プローブ３０と接続する外部線路６（或いは外部回路）の特性インピーダンスは５０Ωではない。従って高周波プローブ３０と外部線路６との間に不整合端面が存在する。高周波プローブ３０先端部９、１０の通過損失が５ｄＢであるものと仮定して説明する。通過損失が５ｄＢの場合には、仮に高周波プローブ３０よりも先の回路が高周波的に短絡されている場合であっても、往復で１０ｄＢの減衰が生じることになる。このため、被測定素子５の出力電力のうち反射されて被測定素子５に再入力される成分は１０％に過ぎない。また、被測定素子５のごく近傍で信号が減衰するため、ケーブルその他に起因する多重反射も発生しない。

以上説明したように、高周波プローブ３０では、伝送線路２１の特性インピーダンスの値が５０Ωであり、伝送線路２１と先端部９、１０の特性インピーダンスが等しく、先端部９、１０の直列抵抗値が１０Ω以上かつ５０Ω以下とされている。高周波プローブ３０の特性インピーダンスを５０Ωにしたままでプローブ自体の通過損失を大きくすることにより、いかなるインピーダンスの外部線路６に接続しても被測定素子５を安定に測定可能とすることができる。これにより、被測定素子５近傍に高周波電力の多重反射が発生するのを抑制できるので、被測定素子５の不要発振や不安定動作を抑制できる。特に、被測定素子５が発振器あるいは高出力増幅器である場合には外部インピーダンスあるいは多重反射に敏感なので、その測定評価に有効である。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかる高周波プローブ１３０を示す拡大図である。図５は、本発明の実施の形態２にかかる高周波プローブ１３０および測定装置１６０を示す図である。高周波プローブ１３０は、高周波プローブ３０に信号導体２２の信号を減衰する減衰回路１２を設けたものである。減衰回路１２によって高周波電力の通過損失を大幅に増大することができる。図８は、本発明の実施の形態で用いる減衰回路の等価回路図であり、π型減衰回路およびＴ型減衰回路それぞれの等価回路を示している。本実施の形態では、減衰回路１２をπ型減衰回路とする。減衰回路１２は、先端部９に直列に設けられた金属抵抗１２ａと、先端部９と先端部１０を接続する金属抵抗１２ｂと、金属抵抗１２ａを挟んで金属抵抗１２ｂと反対側で先端部９と先端部１０を接続する金属抵抗１２ｃとを備えており、これらの金属抵抗１２ａ〜１２ｃがπ型減衰回路を構成する。図４に示すように、金属抵抗１２ｂ、１２ｃは、先端部９とその両端に位置する先端部１０とを跨いでそれらを電気的接続する。

減衰回路１２としては、図８に等価回路を示したπ型またはＴ型の減衰回路を用いることができる。図８の抵抗Ｒｐ１、Ｒｐ２が金属抵抗１２ｂ、１２ｃであり、抵抗Ｒｓが金属抵抗１２ａに相当している。減衰回路１２を用いることにより特性インピーダンスは５０Ωのままとする。図５に高周波プローブ１３０の使用状態の一例を示す。実施の形態１と同様に、高周波プローブ１３０における先端部９、１０の通過損失が大きくされているので、仮にプローブの先の回路が高周波的に短絡されている場合であっても往復で大きな減衰が生じることになり、被測定素子５の出力電力のうち反射され再入力される成分はきわめて小さい。また、被測定素子５のごく近傍で信号が減衰するため、ケーブルその他に起因する多重反射も発生しない。

なお、減衰回路１２をＴ型減衰回路としてもよい。減衰回路１２をＴ型減衰回路にした場合には、先端部９に直列に設けられ図８の抵抗Ｒｓ１に相当する第１金属抵抗と、先端部９と先端部１０を接続し図８の抵抗Ｒｐに相当する第２金属抵抗と、この第２金属抵抗を挟んで第１金属抵抗と反対側で先端部９に直列に設けられ図８の抵抗Ｒｓ２に相当する第３金属抵抗とを設ければよい。

なお、実施の形態２によれば、金属抵抗１２ａ〜１２ｃにより高周波プローブ３０自体に減衰回路１２を形成している。このため、測定器５０などの外部計測機器内に特別に並列抵抗を加えたりしなくとも高周波プローブ１３０が単独で減衰機能を有することができ、特殊な外部計測機器や回路を必要としないという利点がある。なお、実施の形態２では金属抵抗１２ａ〜１２ｃを先端部９、１０に設けることでπ型減衰回路を形成したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えばプローブアーム部２側において減衰回路を内蔵してもよい。

なお、実施の形態２においては、実施の形態１にかかる高周波プローブと同様に、先端部９、１０それぞれを高抵抗金属としている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。減衰回路１２で通過損失を調整できるので、先端部９、１０の材料を実施の形態１で列挙した高抵抗金属以外の材料としてもよい。例えば、先端部９、１０にＢｅＣｕを用いてもよく、ＢｅＣｕからなる金属先端部を用いた場合は先端部９、１０のＤＣ的な直列抵抗値は１Ω以下であってもよい。あるいは、先端部９、１０に、Ｗ等にＡｕメッキを施した導体金属を用いてもよい。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３にかかる高周波プローブ２３０を示す拡大図である。図７は、本発明の実施の形態３にかかる高周波プローブ２３０および測定装置２６０を示す図である。高周波プローブ２３０は、実施の形態２にかかる高周波プローブ１３０が有する減衰回路１２の両側にＤＣカット回路を設けたものであり、このＤＣカット回路は本実施の形態ではチップキャパシタ１３で構成されている。ＤＣカット回路は減衰回路１２に直列に接続しており、先端部９に設けられたチップキャパシタ１３で構成される。図７に係る高周波プローブ２３０の使用状態の一例を示す。減衰回路１２の両側の信号線路をＤＣ的にカットすることによって、外部回路もしくは被測定素子５の内部の信号線路にＤＣ電圧が印加されている場合でも、減衰回路１２にＤＣ電流が流れて抵抗が焼損することを回避できる。なお、減衰回路１２の両側ではなく片側のみにチップキャパシタ１３を設けても良く、つまり減衰回路１２における先端部９の先側と先端部９の根元側の少なくとも一方にチップキャパシタ１３を設ければよい。また、チップキャパシタ１３の代わりにＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）キャパシタを設けてもよい。

なお、実施の形態３においても、実施の形態２と同様に、先端部９、１０の材料を実施の形態１で列挙した高抵抗金属以外の材料としてもよい。

１プローブ本体、２プローブアーム部、５被測定素子、５ａ、５ｂ、５ｃ電極、６外部線路、９、１０先端部、１２減衰回路、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ金属抵抗、１３チップキャパシタ、１４コネクタ、２１伝送線路、２２信号導体、２３接地導体、３０、１３０、２３０高周波プローブ、４０信号線、５０測定器、６０、１６０、２６０測定装置

Claims

プローブ本体と、
前記プローブ本体から伸び、信号導体および接地導体を含む伝送線路が設けられたプローブアーム部と、
前記プローブアーム部の先端に設けられ、導電性材料からなり、前記信号導体および前記接地導体にそれぞれ接続する複数の先端部と、
を備え、
前記伝送線路の特性インピーダンスの値が５０Ωであり、
前記伝送線路と前記先端部の特性インピーダンスが等しく、
前記先端部の直列抵抗値が１０Ω以上かつ５０Ω以下である高周波プローブ。
前記信号導体の信号を減衰する減衰回路を備える請求項１に記載の高周波プローブ。
前記複数の先端部は、前記信号導体と接続する第１先端部と、前記接地導体と接続する第２先端部と、を含み、
前記減衰回路は、π型減衰回路を含み、
前記π型減衰回路は、
前記第１先端部に直列に設けられた第１抵抗と、
前記第１先端部と前記第２先端部を接続する第２抵抗と、
前記第１抵抗を挟んで前記第２抵抗と反対側で前記第１先端部と前記第２先端部を接続する第３抵抗と、
を備える請求項２に記載の高周波プローブ。
前記複数の先端部は、前記信号導体と接続する第１先端部と、前記接地導体と接続する第２先端部と、を含み、
前記減衰回路は、Ｔ型減衰回路を含み、
前記Ｔ型減衰回路は、
前記第１先端部に直列に設けられた第１抵抗と、
前記第１先端部と前記第２先端部を接続する第２抵抗と、
前記第２抵抗を挟んで前記第１抵抗と反対側で前記第１先端部に直列に設けられた第３抵抗と、
を備える請求項２に記載の高周波プローブ。
前記減衰回路に直列に接続したＤＣカット回路を更に備える請求項２〜４のいずれか１項に記載の高周波プローブ。
前記ＤＣカット回路は、前記信号導体に接続する前記先端部に設けられたチップキャパシタを含む請求項５に記載の高周波プローブ。
前記複数の先端部は、前記信号導体と接続する第１先端部と、前記接地導体と接続する第２先端部と、を含み、
前記第１先端部に直列に設けられた第１抵抗と、前記第１先端部と前記第２先端部を接続する第２抵抗と、を備える減衰回路と、
前記第１先端部の先側と根元側の少なくとも一方に設けられたチップキャパシタと、
を備える請求項１に記載の高周波プローブ。
前記先端部が、ＮｉＣｒ、ＮｉＣｒＦｅ、ＮｉＣｒＦｅＭｎ、およびＣｒＦｅＡｌからなる群から選択した１つの材料で形成された請求項１〜７のいずれか１項に記載の高周波プローブ。
プローブ本体と、
前記プローブ本体から伸び、信号導体および接地導体を含む伝送線路が設けられたプローブアーム部と、
前記プローブアーム部の先端に設けられ、導電性材料からなり、前記信号導体と接続する第１先端部と、
前記プローブアーム部の先端に設けられ、導電性材料からなり、前記接地導体と接続する第２先端部と、
前記第１先端部に直列に設けられた第１抵抗と、
前記第１先端部と前記第２先端部を接続する第２抵抗と、
を備える高周波プローブ。
高周波プローブと、
前記高周波プローブと接続するコネクタまたは導波管と、
前記コネクタまたは前記導波管を介して前記高周波プローブから信号を取得する測定器と、
を備え、
前記高周波プローブは、
プローブ本体と、
前記プローブ本体から伸び、信号導体および接地導体を含む伝送線路が設けられたプローブアーム部と、
前記プローブアーム部の先端に設けられ、導電性材料からなり、前記信号導体および前記接地導体にそれぞれ接続する複数の先端部と、
を備え、
前記伝送線路の特性インピーダンスの値が５０Ωであり、
前記伝送線路と前記先端部の特性インピーダンスが等しく、
前記先端部の直列抵抗値が１０Ω以上かつ５０Ω以下である測定装置。
高周波プローブと、
前記高周波プローブと接続するコネクタまたは導波管と、
前記コネクタまたは前記導波管を介して前記高周波プローブから信号を取得する測定器と、
を備え、
前記高周波プローブは、
プローブ本体と、
前記プローブ本体から伸び、信号導体および接地導体を含む伝送線路が設けられたプローブアーム部と、
前記プローブアーム部の先端に設けられ、導電性材料からなり、前記信号導体と接続する第１先端部と、
前記プローブアーム部の先端に設けられ、導電性材料からなり、前記接地導体と接続する第２先端部と、
前記第１先端部に直列に設けられた第１抵抗と、
前記第１先端部と前記第２先端部を接続する第２抵抗と、
を備える測定装置。