JP5080459B2 - 広帯域能動／受動差動信号プローブ - Google Patents

Description

本出願は、２００５年６月１３日に出願された米国仮出願第６０／６９０１０９号および２００５年１１月２３日に出願された米国仮出願第６０／７３９３９７号を優先権主張するものである。

本発明は、集積回路および他の電子デバイスの特性を測定するシステムに関するものであり、より詳細には、かかるデバイスと共に使用される差動信号を測定するシステムに関するものである。

一般的に、電圧測定は、導体と回路のグラウンド（ゼロ電位であると想定されることが多い）との間の電位差を測定することによって行われる。電圧は回路の２つのノード間の電位差であり、その電圧測定は、厳密には、差動信号の測定であるが、信号の振幅がグラウンド電位と単一導体の電位との差によって示されるので、「グラウンド」を基準として利用するシグナリングは「シングルエンド」と称される。

これに対して、「差動」信号は２つの導体上で伝送され、信号の振幅は２つの導体間あるいは２つのテストポイント間での電位差である（２つの導体または２つのテストポイントのいずれもグラウンド電位ではない）。個々の導体の電位、即ち信号と理想的にはその相補信号（一般に＋および−で表される）は平均電位、あるいは、コモンモード信号と称される信号を中心に変化し、一定にならない。差動シグナリングは小さい信号振幅を弁別でき、それは、信号値の復元がシステム内で一定でない可能性がある回路のグラウンド電位の値と大きく依存しないためである。差動シグナリングは、外部電磁妨害および近くの信号線からのクロストークに比較的影響されない。それは、妨害は差動信号の各導体に等しい影響を及ぼす可能性が大きいためである。２つの導体の任意の等しい電位変化は、導体の電位差、従って差動信号の値に影響を及ぼさない。さらに、２つの導体の信号レベルの変化が、互いに打ち消しあってクロストークおよびスプリアス放射を低減する互いに反対の電磁界を形成するので、差動信号はシングルエンド信号より電磁障害を生じる傾向が小さい。信号品質の点で固有の利点を有するので、差動シグナリングは、マイクロ波周波数までの周波数レンジで電子シグナリングに採用されてきた。

プローブは、被検体（ＤＵＴ）上の信号源またはテストポイントと信号測定用装置との間の物理的および電気的な接続を提供する。プローブは、信号忠実度を維持しながら、被検体と測定器との間に信号を伝達するために、充分な帯域幅、すなわち、プローブが信号パワーの許容できない減衰なしで信号伝送できるような連続する周波数帯域幅を有し、信号の主要周波数成分を最小歪で伝送しなければならない。０ヘルツ（Ｈｚ）の周波数を有するＤＣ信号および単一周波数を有する純粋な正弦波信号を除いて、信号は、信号波形の形状に依存する値を有する複数の周波数を含む。方形波および他の周期信号の場合、基本周波数および、少なくとも、その最初の数個の高調波を、振幅の過度の歪なしで伝送するために、プローブの帯域幅は信号の基本周波数の３〜５倍でなければならない。しかし、差動信号測定に使用されるプローブは帯域幅限界によって代表され、このような信号の可能な広い周波数レンジに亘って差動信号を測定するために、通常、多数のプローブが要求される。

差動信号測定用のプローブは、能動および受動タイプの両方がある。能動プローブは、一般的に、プローブの信号処理回路網の一部として高性能差動増幅器を含む。差動増幅器は、差動モード信号、すなわち、増幅器に入力される信号とその相補信号の差分、を増幅し、コモンモード信号、すなわち、信号とその相補信号に共通の任意の信号を除去する。増幅器の出力は、通常、差動信号の測定に使用される計測器に必要とされるシングルエンド信号を生じるために、グラウンドを基準とする。能動プローブの帯域幅は、ＤＣからほぼ１５ＧＨｚ（高性能計測用増幅器のための動作周波数の上限）までにわたる。

受動ＡＣプローブは、能動プローブによって伝送可能な周波数より高い周波数を有する差動信号をプロービングする際に必要とされる。ＡＣプローブは、一般的に、コモンモード信号を減衰させ、差動モード信号を分離するために、コモンモード信号経路に直列インダクタンスを導入するコモンモードチョークバランを使用する。しかし、コモンモードチョークのインピーダンスは周波数依存であり、差動信号の周波数が減少するにつれて、コモンモードチョークの効果はだんだん少なくなり、ＤＣでは全く効果がなくなる。十分な帯域幅を有するコモンモードチョークは作製が困難で、５０オームより大きいインピーダンスを有し、約１００キロヘルツ（ｋＨｚ）未満の周波数に対して、物理的に大きくしなければならない。能動プローブの周波数上限とは対照的に、受動ＡＣプローブは、約１０ｋＨｚの周波数下限値を有する。

差動信号プローブは一般的に高価であり、差動信号測定用に使用されるプローブのタイプに固有の帯域幅制限があるので、多数のプローブが、可能な広い周波数レンジの信号を含む差動信号を利用するテスト装置に必要とされる。それゆえ、要求されるのは、ＤＣから１００ギガヘルツ（ＧＨｚ）を上回るマイクロ波周波数までの範囲の周波数成分を含む差動信号を測定するのに適している帯域幅を有するプローブである。

本発明の、前述およびその他の目的、特徴および効果は、以下の発明の詳細な説明と添付図面を考慮することによって、より容易に理解される。

差動シグナリングは、シングルエンドシグナリングより、高い帯域幅を提供でき、必要なパワーが少なく、妨害に対する耐性が高いので、多種多様な電子デバイスとともに用いられる。差動信号を測定するとき、プローブは被検体（ＤＵＴ）上の信号源またはテストポイントと計測器との間の物理的および電気的接続を提供する。差動信号を測定する際の周波数は数十ギガヘルツ（ＧＨｚ）にまで及び、差動信号測定に用いられる比較的高価な能動プローブおよび受動プローブは制限された帯域幅を有するので、差動シグナリングを利用するテスト装置および回路は高価なものとなる。

プローブは、信号品質を維持しながら、被検体と測定器との間で信号を伝達するために、充分な帯域幅、すなわち、プローブが信号パワーの許容できない減衰なしで信号伝送できるような連続する周波数帯域を有し、信号の主要周波数成分を最小歪で伝送しなければならない。０ヘルツ（Ｈｚ）の周波数を有するＤＣ信号および単一周波数を有する純粋な正弦波信号を除いて、信号は、信号波形の形状に依存する値を有する複数の周波数を含む。方形波および他の周期信号の場合、基本周波数および、少なくとも、その最初の数個の高調波を、振幅の過度の歪なしで伝送するために、プローブの帯域幅は、信号の基本周波数の３〜５倍でなければならない。信号の周波数成分が広いレンジにわたって変化することがあり、信号測定に使用されるプローブの帯域幅は、可能な信号周波数レンジより小さく制限されるので、一般的に、多数のプローブが差動信号測定に必要とされる。

高性能差動増幅器を具えている能動プローブは、一般的に、１５ＧＨｚ未満の周波数で差動信号をプロービングするために用いられる。相補的差動信号は増幅器の入力に供給され、増幅器は差動モード信号（信号およびその相補信号の差分）を増幅し、コモンモード信号（両入力に共通の信号部分）を除去する。増幅器の出力は、通常、計測器に必要なシングルエンド信号を生じるために、グラウンドを基準とする。能動プローブの帯域幅は、差動増幅器の動作周波数の上限値によって制限される。高価な高性能計測用増幅器でも、差動信号をプロービングする際に遭遇する高い周波数より相当低い周波数上限を有する。

受動ＡＣプローブは、一般的に、能動プローブの周波数上限を上回る信号周波数を有する差動信号をプロービングするために必要とされる。ＡＣプローブは、一般的に、コモンモード信号を減衰させ、差動モード信号を分離するために、コモンモード信号経路に直列なインダクタンスをもたらすコモンモードチョークバランを使用する。しかし、チョークのインピーダンスは周波数依存であり、周波数が減少するにつれて、受動ＡＣプローブのコモンモードチョークの効果は次第に減少する。ＤＣでは、コモンモードチョークは全く効果を生じない。受動ＡＣプローブは、一般的に約１０ｋＨｚの周波数下限値を有する。

本発明者は、能動プローブおよび受動プローブの帯域幅の制限を考慮すると、受動プローブまたは能動プローブの周波数レンジ外の周波数成分を含む差動信号を、差動モード信号を高周波数成分および低周波数成分に分割し、差動モード信号の高周波数成分および低周波数成分をシングルエンドの高周波数成分および低周波数成分に変換し、シングルエンドの高周波数成分および低周波数成分を合成することによって、測定できると結論づけられることを確かめた。

以下、図面を参照しながら詳細に説明するが、図面において、類似部分は類似参照符号を付している。図１および２において、広帯域差動信号プローブ20は、ウェハ24上の個々のコンポーネントのような被検体（ＤＵＴ）をプロービングするのに適切な位置に可動するよう、プローブステーションのプローブ支持部材22上に載置するように設計されている。この種のアプリケーションにおいて、ウェハは、一般的に、同一のプローブステーションの一部であるチャック26の上面に保持される。チャック26の上面は、一般的に、真空源に選択的に連結可能な複数の開口を含む。真空源が開口に接続されるとき、空気圧がチャックの上面にあるウェハに作用して、チャックの表面にウェハを固定する。通常、マイクロメータノブアセンブリのようなＸＹＺ位置決め機構はプローブ支持部材22とチャック26との間の運動を行うために設けられ、プローブの導電コンタクトチップ50、52は、ウェハ上の適当なコンタクトあるいはパッド56、57と押圧係合することができる。

プローブ支持部材22への連結を達成するために、プローブの第１支持ブロック32（図示した好適実施例では真鍮ででできている）に形成された丸い開口部34は、プローブ支持部材22から上方へ突出するアライメントピン（図示せず）に、ぴったりとかつ摺動可能に嵌合する。ネジ36は、第１支持ブロック32に設けられる一対の皿頭開口部38に各々挿入される。ネジ36はプローブ支持部材22の対応するねじ孔に係入し、プローブをプローブ支持部材22に固定する。

例示的な広帯域プローブ20は、図示の好適実施例ではＫ−コネクタ30を具える信号伝送ポートを有する。このコネクタ30によって、通常の同軸ケーブル58がプローブに接続可能となり、プローブと外部の信号処理回路あるいは計測器との間のシールドされた高周波伝送チャネルを提供する。図示の実施例では、同軸ケーブル58は信号処理回路を含む外部の信号処理モジュール60に連結され、同様の同軸ケーブル62は信号処理モジュールをオシロスコープのような測定器64に連結する。あるいは、信号処理回路はプローブの本体に組み込むこともでき、プローブのポートを計測器に直接連結することもできる。必要に応じて適宜、他の種類の導体およびコネクタ（例えば、２．４ｍｍコネクタ、１．８５ｍｍコネクタまたは１ｍｍコネクタ）を用いて、信号を導通することができる。あるいは、導波路を用いて、プローブを信号処理モジュールまたは計測器に連結することができる。

半剛性同軸ケーブル40は、第１支持ブロック32に保持され、このブロック32内でＫ−コネクタ30に連結される。ケーブル40は、Ｋ−コネクタに連結される前に、図２に示されるように、第１および第２の中間部44、45に沿って曲げられ、ケーブル40に、上方へカーブしている90°屈曲部および下方へカーブしている23°屈曲部が形成される。ケーブル40の後方端は、Ｋ−コネクタに取り付けられ、一方、ケーブル40の前方端48は、第１支持ブロック32内の通路66を通り、自由懸架され、この状態でプローブのプローブ端31の可動支持として機能する。例示的な広帯域プローブ20のプローブ端31において、第１導電性フィンガ50はケーブルの内部導体に導電接続され、少なくとも１つの第２の導電性フィンガ52は外部導体に導電接続され、差動信号を形成する信号およびその相補信号の導通のための、ＤＵＴ上のそれぞれのプロービングパッド56、57から信号処理モジュール60までのそれぞれの経路を提供する。マイクロ波吸収材料のような追加のシールディング47を、ケーブルの前方端48に被覆することができる。

図３につき説明すると、広帯域差動プローブ20は信号処理回路網１００の第１の実施例を含み、この信号処理回路網は、計測器内、別個のまたはプローブの本体に載置された信号処理モジュール60内に含めることができる。差動信号は、差動モード信号（信号とその相補信号の振幅の差分）およびコモンモード信号（信号とその相補信号に共通の差動信号値の部分）を具える。信号および相補信号をそれぞれ導通する導電コンタクトチップ50、52は、コモンモードチョーク102のそれぞれの入力端に接続されている。コモンモードチョークのコアはコモンモード信号によって付勢されるが差動モード信号によっては付勢されないので、また、チョークの入力インピーダンスはコモンモード信号に対しては高く差動モード信号には相当低いので、コモンモード信号はコモンモードチョークによって減衰される。しかし、チョークのインピーダンスは周波数依存であり、信号周波数が低くなるにつれて、コモンモードチョークがコモンモード信号に与える効果が減少し、ＤＣでは効果がなくなる。高周波数コモンモード信号はコモンモードチョークによって減衰され、差動モード信号および低周波数コモンモード信号を差動入力信号から分離する。

ローパスフィルタと並列にハイパスフィルタを具えているダイプレクサ104は、コモンモードチョーク102の出力を高周波数成分および低周波数成分に分離する。ダイプレクサ104のローパスフィルタは、コモンモードチョーク102のそれぞれの出力端と差動増幅器114の反転110および非反転112の入力端とを接続する並列のインダクタ106、108を具える。インダクタ106、108は、コモンモードチョーク102の出力の高周波数成分を遮断し、低周波数成分を増幅器114のそれぞれの入力端へ通す。能動および受動信号路間のなめらかな遷移のために、差動増幅器114は、明確な終端インピーダンスと、抵抗合成器の受動加算回路網を介して50オームの負荷を駆動する能力とをもたなければならない。差動増幅器114は、入力のコモンモード成分を除去し、その入力端における信号から低周波数差動モード信号を分離する。差動モード信号の振幅は差動増幅器の出力を制御するが、その出力によって給電される負荷はその電流を増幅器用のＤＣ電源116から受信する。その結果、増幅器114は、シングルエンドの低周波数信号成分を増幅器の出力端に導電接続されている抵抗合成器117に出力する。

ダイプレクサ104の並列ハイパスフィルタは、コモンモードチョーク102の出力端に接続されているキャパシタ118、120を具える。ハイパスフィルタは、差動増幅器114の非反転入力端110から抵抗合成器117までの、コモンモードチョークの出力の高周波数成分のための信号路を与える。チョークの出力の高周波数成分は、差動モード信号の高周波数部分を構成する。高周波信号は増幅器114の反転入力端子112に接続されたキャパシタ120を通してグラウンド122を基準にして、差動モード信号がシングルエンド信号に変換され、このシングルエンド信号が差動増幅器のシングルエンド低周波数出力と加算されて、測定器への伝送用出力端子１２４に出力信号を発生する。

増幅器114の非反転入力端110から抵抗合成器117までの信号路内の減衰器126および差動増幅器114の出力端における減衰器128は、高周波信号路のループ利得を１未満に低下させ、差動増幅器の帰還および信号発振を防止する。

図４につき説明すると、広帯域差動信号プローブのための信号処理回路網200の他の実施例は、計測用増幅器202を含む低周波信号路およびシングルエンドの分布増幅器204を含む高周波信号路を提供する。

コンタクトチップ50、52における差動入力信号の高周波数コモンモード信号成分は、コモンモードチョーク102によって減衰される。コモンモードチョーク102の出力は、入力信号の低周波数コモンモード成分および入力信号の差動モード成分を具える。差動ダイプレクサ206は、コモンモードチョーク102の信号出力を高周波数成分と低周波数成分とに分割する。ダイプレクサの並列のインダクタ208、210は、コモンモードチョーク出力の高周波数成分を遮断し、信号の低周波数成分を計測用増幅器202の入力端へ導通させる。ダイプレクサの並列キャパシタ212は、コモンモードチョーク出力の低周波数成分を遮断するが、信号の高周波数成分を分布増幅器204に伝送させる。

低周波信号路は、通常、差動増幅器214および入力バッファ増幅器216、218を含む計測用増幅器202と出力増幅器284とを具える。ダイプレクサの低周波数出力は、高い入力インピーダンスを計測用増幅器に与えるバッファ増幅器の非反転入力端に供給される。差動モード信号成分に対する入力インピーダンスは、計測用増幅器の入力端を導電接続している入力終端抵抗220を変化させることによって調整できる。コモンモード信号に対する入力インピーダンスは、計測用増幅器のそれぞれの入力端をグラウンドに接続している終端抵抗222、224の抵抗値を変化させることにより選択可能である。差動増幅器214は、計測用増幅器入力のコモンモード成分を除去し、プローブの入力信号の低周波数差動モード部分を分離する。パワーを増加し、低周波信号路の出力の比較的大きい電圧振幅を可能にするために、差動増幅器214の出力は、出力増幅器284に接続される。

ダイプレクサ206の並列キャパシタ212は、コモンモードチョークの出力の低周波数部分の伝送を遮断し、信号の高周波差動モード成分を広帯域の分布増幅器204へ通す。分布増幅器204は、好ましくは、50オームのマイクロストリップである並列の入力伝送線252および出力伝送線254を具える。入力および出力伝送線は、伝送線を結合する信号路によって、長さ方向に沿って複数の位置でタップされる。信号路は、一般的に、入力伝送線に接続されるゲートおよび出力伝送線に接続されるドレインを有するトランジスタ256を具える。入力伝送線上の進行波260は、そのそれぞれのトランジスタによって各信号路で増幅される。出力伝送線上の入射波262は、入力伝送線上の進行波と同期して進行する。反射を回避するために、入力および出力線上の進行波はそれぞれ、入力伝送線および出力伝送線の負荷特性インピーダンスに一致する抵抗264、266で終端することによって吸収される。各トランジスタは、出力線に沿う各タップ点において信号と同相でパワーを加える。各信号路が出力に対して利得を与えるので、分布増幅器は集中増幅器より高い利得−帯域幅積が可能となる。

高周波差動信号に対する分布増幅器の入力インピーダンスは、高周波差動入力減衰器286に組み込まれる抵抗の抵抗値を選択することによって調整することができる。高周波および低周波の終端インピーダンスおよび差動入力減衰器の独立した調整によって高周波および低周波信号路の性能を平衡させて、信号路間の交差部における信号処理回路網の性能を最適化することができる。

高周波数信号路および低周波数信号路の出力は抵抗合成器280で合成され、広帯域プローブ出力282を測定器へ提供する。

本発明の広帯域プローブは、単一のプローブで、ＤＣからマイクロ波周波数の間の周波数を含む差動信号のプロービングを可能にする。さらに、ハイブリッド能動／受動広帯域プローブの能動および受動要素が相補的なので、コモンモードチョークも差動増幅器も、各タイプのデバイスのために動作周波数の端で動作するように設計する必要はない。それゆえ、プローブの帯域幅を増加させるとともに、より小型でより低コストのチョークおよびより低コストの差動増幅器をハイブリッドプローブに用いることができる。増幅器を高周波数信号路および低周波数信号路の両方に組み込むことことによって、信号処理回路網の入力から出力までの利得を１以上にすること、低周波数増幅器の帰還を減少すること、信号が増幅され増幅器雑音が生じる前に感度を設定することが可能になる。

上述した詳細な説明は、本発明の完全な理解を与えるために、多数の具体的な詳細を記載する。しかし、当業者であれば、本発明はこれらの具体的な詳細な説明なしでも実施できることは認識される。他方、本発明を不明瞭にすることを回避するために、周知の方法、手順、構成要素および回路は詳述しなかった。

本明細書に引用した全ての文献を参考にされたい。

上述の明細書において使用された用語および表現は限定ではなく説明の用語として用いられ、このような用語および表現の使用において、開示された特徴の等価物を除外する意図はなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ特定され、限定されることを認識されたい。

広帯域差動信号プローブを含むプローブステーションおよびテストされるウェハの一部の部分斜視図である。 図１の広帯域差動信号プローブの縦断面図である。 広帯域差動信号プローブの信号処理回路網の回路図である。 広帯域差動信号プローブの信号処理回路網の他の実施例の回路図である。

Claims (3)

1. 高周波数コモンモード信号および高周波数差動モード信号を含む高周波数成分と、低周波数コモンモード信号および低周波数差動モード信号を含む低周波数成分と、のうち少なくとも１つを具える差動信号の測定用のハイブリッドプローブであって、
   （ａ）前記差動信号の前記高周波数コモンモード信号を減衰させ、前記差動信号の前記高周波数差動モード信号および前記低周波数成分の少なくとも一つを含むチョーク出力を出力するチョークと、
   （ｂ）前記チョーク出力の前記高周波数差動モード信号を遮断し、前記チョーク出力の前記低周波数成分を通過させる第１フィルタと、
   （ｃ）前記第１フィルタによって通過された前記低周波数成分の前記低周波数コモンモード信号を減衰させ、前記低周波数差動モード信号を低周波数シングルエンド信号に変換する差動増幅器と、
   （ｄ）前記チョーク出力の前記低周波数成分を遮断し、前記高周波数差動モード信号に対応する高周波数シングルエンド信号を通過させる第２フィルタと、
   （ｅ）前記低周波数シングルエンド信号と前記高周波数シングルエンド信号とを加算する合成器と、
   を具えることを特徴とするプローブ。
2. 前記差動増幅器のループ利得が１未満である請求項１に記載のプローブ。
3. 請求項１に記載のプローブであって、
   （ａ）前記合成器と前記差動増幅器の入力とに導電接続されている第１減衰器と、
   （ｂ）前記合成器と前記差動増幅器の出力とに導電接続されている第２減衰器と、
   をさらに具えることを特徴とするプローブ。

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