WO2017203876A1 - 高周波プローブ位置補正技術 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to position correction for calibrating the electrical midpoint of a sample in a high-frequency characteristic inspection apparatus equipped with a high-frequency probe for executing a predetermined electrical inspection.
  • a high-frequency characteristic inspection apparatus is used for evaluation of planar circuits in the millimeter wave band.
  • a measurement signal is input to a DUT (device under test, circuit under test) as a measurement member, or a signal terminal (output from the DUT) S) and a high-frequency probe (SG type or GS type) in which the ground terminal (G) and the ground terminal (G) are spaced apart and arranged in parallel, or 2 so that the signal terminal (S) is sandwiched between the tips.
  • a high frequency probe (GSG type) or the like in which two ground terminals (G, G) are spaced apart and arranged in parallel is used (Patent Document 3).
  • the high-frequency characteristic inspection apparatus generally comes in contact with a movable stage having a horizontal surface that can be moved on the X, Y, and Z axes by placing the DUT, and the DUT placed on the movable stage.
  • a pair of opposed high-frequency probes for measuring electrical characteristics, a probe mounting portion that can fix the pair of high-frequency probes to the apparatus at a predetermined interval, a frequency expansion unit that generates a high frequency for DUT measurement, and a system are controlled And a vector network analyzer (VNA) that measures and analyzes reflected / transmitted waves from the DUT (Patent Document 1, Patent Document 2).
  • VNA vector network analyzer
  • a predetermined reference pattern for inspection is prepared. For example, after adjustment in the Z-axis direction (probe pressing amount) is performed using a reference device shown in FIG. 14, a predetermined reference device (for example, THRU, SHORT, XY position of the high-frequency probe by moving to the LOAD standard) and moving the probe in a predetermined amount by visual inspection (FIG. 12, comparative example 1) or PC control (FIG. 12, comparative example 2) This is generally done after deciding.
  • the Z-axis direction is adjusted so that the center of the GSG probe is aligned with the A position, and the probe is pressed so that the tip of the probe slides from the B position to the C position. To do. Next, the other probe tip is similarly adjusted in the Z-axis position to prepare a pair of opposed high-frequency probes and calibrate with the reference pattern.
  • the measurement for calibration is affected by variations in the contact position between the high-frequency probe and the DUT inspection pattern, variations in the amount of pressing, and the influence of the electromagnetic field spreading in the space.
  • the reliability of the measurement result and the reproducibility of the measurement by the high-frequency probe that has been calibrated at the position determined by the conventional method is a problem in the reliability of the measurement result and the reproducibility of the measurement by the high-frequency probe that has been calibrated at the position determined by the conventional method.
  • WinCalXE (trademark) calibration software https://www.cascademicrotech.com/products/wincal/wincalxe) Ryo Sakamaki, Masahiro Horibe, Proceedings of the 2016 IEICE Spring Conference, C-2-83 CascadeMicrotech Impedance Reference Board 101-190 Open Drawing, http://www.cmicro.com/files/iss_map_101-190.pdf
  • Table 1 (reproduced Table 1 of Non-Patent Document 2) Analysis results of the influence of error factors on the measurement results, such as variations in contact position with the planar circuit of the high-frequency probe by the conventional method (reflection coefficient uncertainty evaluation results) ).
  • the high-frequency probe is moved along the X, Y, and Z axes while feeding back the measured value of the S parameter measured by emitting the high frequency from the provisional position of the planar circuit, regardless of the microscope technique. It is possible to provide a means for searching for the optimal probe position for the target measurement and determining the reference position. In general, it is known that the fine movement accuracy (about 0.1 to 1 ⁇ m) of the probe is higher than the resolution when using a stereomicroscope (about 10 ⁇ m at most).
  • the sensitivity of the measuring instrument (10 ⁇ 7 ) or more is changed only by changing the probe position by 1 ⁇ m. Further, when the reflection characteristic values (reflection / transmission coefficient and phase characteristic) obtained by the above-described measured values by a predetermined method were analyzed, it was found that an extreme value was obtained at the electrical center position.
  • the reference alignment according to the present invention enables calibration according to an ideal calibration theory that each port of a measuring device (VNA) to which a pair of opposed high-frequency probes are connected is electrically symmetric.
  • VNA measuring device
  • the measurement error due to the probe position according to the present invention is 2 * 10 ⁇ 3 (the sum of squares in the X direction, the Y direction, and the Z direction), which is a value calculated from Table 1 of Non-Patent Document 2 (1.2). * 10-2 ) It was found that the figure was improved by an order of magnitude.
  • the probe position can be determined with an accuracy of 2 ⁇ m or less by removing the influence of the flatness and alignment of the movable stage and device (DUT) without depending on the resolution of the microscope and human work ability.
  • the variation in measurement during measurement can be suppressed.
  • an electrical neutral point between the S terminals (ports) is obtained during measurement, so that calibration more consistent with the calibration theory can be realized.
  • FIG. 6A is a graph showing the S 11 reflection characteristic
  • FIG. 6B is a graph showing the phase characteristic. It is a figure showing the result of having evaluated the THRU standard device in Example 1.
  • FIG. 6A is a graph showing the S 11 reflection characteristic
  • FIG. 6B is a graph showing the phase characteristic. It is a figure showing the result of having evaluated the THRU standard device in Example 1.
  • FIG. 7A is a graph showing the S 11 reflection characteristic
  • FIG. 7B is the phase characteristic
  • FIG. 7C is the transmission characteristic
  • FIG. 7D is the graph showing the phase characteristic.
  • 1 is a principle diagram of Example 1.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a system. It is a flowchart figure showing a control process. It is a figure showing the determination method of the conventional probe position. It is a figure showing the schematic structure of the high frequency characteristic inspection apparatus used for this invention. It is a figure showing the determination method of the conventional probe position Z-axis. It is process drawing explaining the method to determine the reference position of the Y-axis and X-axis of Example 2.
  • FIG. 1 is a principle diagram of Example 1.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a system. It is a flowchart figure showing a control process. It is a figure showing the determination method of the conventional probe position. It is a figure showing the schematic structure of the high frequency characteristic inspection apparatus used for this invention. It is a figure
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a positioning pattern according to Embodiment 3.
  • FIG. FIG. 10 is a process diagram illustrating a method for determining a reference position of a Y axis and an X axis according to a third embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram in which the positioning pattern of Example 3 is arranged on a THRU reference unit, a SHORT reference unit, and a LOAD reference unit.
  • FIG. 2 shows an example of the shape of the THRU reference unit used in this embodiment.
  • a THRU reference device is a test piece having the same size and shape as a part of a device under test used for positioning when measuring a device under test such as a planar circuit used for THRU test measurement, Generally, it is a part of a sample (sample) in which other patterns such as the SHORT standard shown in FIG. 3 and the LOAD standard shown in FIG. 4 are arranged together.
  • the THRU reference device is a reference device for connecting between signals of a pair of probes and between grounds, with a signal region directly connecting the signal terminals in the center and a distance connecting the ground terminals directly on both sides thereof.
  • an insulated ground region is arranged.
  • the LOAD reference device is a reference device that realizes a characteristic close to non-reflection by arranging a resistor equal to the characteristic impedance between the signal of each probe and the ground terminal.
  • the SHORT reference device is a reference device that is almost total reflection in which the signal of each probe and the ground terminal are short-circuited.
  • FIG. 13 shows a high-frequency characteristic inspection apparatus used in the present invention (Cascade's ISS: 101-109 as the school standard of the sample, Cascade's Summit 12000 as the movable stage, GSG-Infinity-150pitch (registered trademark) of the company as the probe
  • FIG. 10 is a simplified system configuration diagram showing a photograph taken of a VNA using Keysight's E8361A (not including a personal computer used as a control device).
  • a method of determining the probe position on the sample placed on the movable stage using the THRU reference device shown in FIG. 2 by the simplified system shown in FIG. 10 will be described.
  • the X, Y, Z position refers to the place where a pair of opposed high-frequency probes are arranged
  • the X, Y, Z coordinate refers to the distance between the probe tips facing from a predetermined origin of the apparatus. It can be determined as the distance to the midpoint of the sensor, or it can be determined as the distance to the tip of one pair of opposing probes. You may decide appropriately.
  • the opposing axis connecting the tip of the pair of high-frequency probes directly above the THRU reference unit mounted on the sample stage with a pair of high-frequency probes facing each other at a predetermined interval is parallel to the X axis.
  • the high-frequency characteristic inspection apparatus may include a stage rotating mechanism that rotates a movable stage on which a sample is placed.
  • the position directly above may be an approximate position, but the tip of a pair of opposed high-frequency probes contacts the signal area of the THRU reference device on the movable stage and can move in the X and Y directions. It is desirable to determine the provisional position so that
  • the sample stage is gradually raised along the Z axis via the stage controller in accordance with an instruction from the control device to approach the sample.
  • the Z-axis movement amount is calculated and input to the stage controller using a personal computer as the control device in FIG.
  • the reflection coefficients S 11 and S 22 of both probes are read through the measuring device.
  • the reflection coefficient (S 11 , S 22 ) is greatly reduced. For example, if the reflection coefficient is set to 0.7 or less, or the phase is set to 90 to 180 ° C., the presence / absence of contact between the pair of probes can be determined.
  • the sample stage is operated, and then a pair of opposing probes are measured while moving a predetermined distance in the X direction. For example, the reflection coefficient of both probes at each position is measured while moving by 1 ⁇ m in a range of ⁇ 10 ⁇ m.
  • between the phase components ⁇ 11 and ⁇ 22 of the reflection coefficients S 11 and S 22 between the probes is an extreme value is determined as the X position.
  • the sample stage is operated to measure a pair of opposing probes while moving a predetermined distance in the Y direction.
  • the transmission coefficients S 12 and S 21 of both probes at each position are measured while moving by 2 ⁇ m in a range of ⁇ 10 ⁇ m. Then, the probe position at which the product ⁇ 12 ⁇ ⁇ 21 of the phase components ⁇ 12 and ⁇ 21 of the transmission coefficients S 12 and S 21 between the probes becomes an extreme value is determined as the Y position.
  • the position where the inductances L 1 , L 2 , L 3 , and L 4 are balanced in the equivalent circuit shown in the right diagram of FIG. 8 is the center between a pair of opposing probes, and this point is the electrical center.
  • the X, Y, and Z positions thus determined serve as the reference position of the probe in the sample, and the analysis value of the S parameter at this position can be used as the calibration value.
  • the position of the tip of the pair of probes can be marked by pushing the probe in the Z direction by a predetermined amount from the contact position, and evaluation with high reproducibility is possible. In this way, the probe position in the XYZ triaxial directions can be accurately determined with high reproducibility.
  • 5 to 7 show an example in which a THRU standard, a SHORT standard, and a LOAD standard that are different from those at the time of calibration are evaluated after the calibration of the present invention, and a standard that is different from that at the time of calibration is evaluated after calibration by the conventional method.
  • the standard deviation of the result of the comparative example is shown.
  • Figure 5 shows the amplitude standard deviation of S 11 coefficients in LOAD reference unit
  • Figure 6 shows the standard deviation of the S 11 coefficients of the amplitude and the phase component theta 11 in SHORT datum
  • S in FIG. 7 THRU datum 11 shows the amplitude of the S 21 coefficient and the standard deviation of the phase components ⁇ 11 and ⁇ 21.
  • the symbol “normal” in each figure represents Comparative Example 1 of the evaluation after calibration performed by the conventional manual
  • the symbol “WincalXE” in each figure has been calibrated based on manual reference alignment.
  • a comparative example 2 of evaluation performed by controlling the probe position with calibration software operating on a PC is shown.
  • the reference alignment is a geometric neutral plane, it is not ideal in the calibration theory.
  • the reference alignment of the present invention is a measuring device (VNA) in which a pair of high-frequency probes facing each other are connected. An ideal calibration that is electrically symmetric with respect to each of the ports is realized.
  • Each figure shows the amplitude of the LOAD reflection coefficient S 11 in FIG. 5, the phase of the SHORT reflection coefficient S 11 in FIG. 6, and the amplitude of the THRU reflection coefficient S 11 and the phase of the transmission coefficient S 21 in FIG. It can also be seen that the standard deviation of the example was small. In this way, calibration with higher accuracy can be realized by utilizing the present technology.
  • the X-axis direction is a method for determining a reference position different from that in Embodiment 1, and is added to the determination method for the contact position in the Z-axis direction and the determination method for the electrical center position in the Y-axis direction in Embodiment 1.
  • the X, Y and Z coordinates can be determined with high accuracy.
  • FIG. 15 shows the procedure. First, a pair of probes (the opposite probe is not shown in the figure) is arranged on a THRU reference device, and the contact position is detected by the method of the first embodiment. Thereafter, the center position in the Y direction is determined by the method of the first embodiment.
  • the contact position is detected while gradually changing the position of the probe toward the outside of the reference device with respect to the X direction.
  • the end of the reference device is reached, there is no electrode directly under the probe, so that a sharp change in the reflection coefficient is not recognized.
  • the absolute values of the reflection coefficients S 11 and S 22 remain unchanged at about 1. Therefore, the reference position in the X direction can be determined with the end of the reference device.
  • the probe reference position can be determined with high reproducibility, so that the calibration reproducibility can be improved.
  • the X, Y, and Z coordinates can be determined with high accuracy by applying the Z-direction contact position determination method described in the first embodiment and using the positioning pattern.
  • the positioning pattern has a comb shape as shown in FIG. 16, and the X, Y, and Z positions can be determined with high accuracy by using the convex portions.
  • FIG. 17 shows the procedure.
  • positioning can be performed using only a single probe.
  • a probe is arranged almost immediately above the convex portion of the positioning pattern, and the contact position is detected by the method of the first embodiment.
  • the contact position is detected while gradually changing the position of the probe toward the outside of the pattern with respect to the Y direction.
  • the end of the pattern is reached, there is no electrode directly under the probe, so that a sharp change in the reflection coefficient is not recognized.
  • the absolute value of the reflection coefficient S 11 (or S 22 ) remains substantially 1 and does not change. Therefore, the Y coordinate of the end portion of the pattern can be determined.
  • the Y coordinates of both ends of the convex portion of the pattern can be determined, so that the center coordinates can be defined as Y reference coordinates.
  • the probe reference position can be determined with high reproducibility, so that the calibration reproducibility can be improved.
  • the positioning pattern used in Example 3 has a comb shape, and has a feature that is used by directly contacting the probe on the pattern.
  • Non-Patent Document 3 there are existing comb-shaped positioning patterns, but these patterns are used as marks, and are not used in direct contact with a probe. Therefore, in order to avoid contact with the probe, there is no convex portion at the center position in the Y direction of the pattern.
  • the positioning pattern used in this embodiment since it is assumed to be in direct contact, it has a convex portion at the center position in the Y direction as shown in FIG.
  • the convex portion has a line-symmetrical structure with respect to the central axis in the Y direction so that all the tips of the GSG probe can be contacted, and has a convex portion at a position in contact with the ground (G) terminal of the probe.
  • the convex parts are all short-circuited.
  • the distance is about 100 ⁇ m, 150 ⁇ m, or 250 ⁇ m. Since it is necessary to dispose the probe roughly directly above the convex portion as viewed from the microscope, the size of each side of the convex portion of the probe needs to be 5 ⁇ m or more, and more preferably 10 ⁇ m or more.
  • each side is smaller than the pitch of the probe, there is no problem in practical use. However, if it is extremely large, it is electrically coupled to other patterns and may affect the calibration result. It is desirable that Further, it is desirable that the distance between the reference device and the positioning pattern is about 1500 ⁇ m.

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Abstract

従来高周波特性検査で行われる位置の校正における高周波プローブ位置決めは、基準位置合わせのための所定の基準パターンを利用して、顕微鏡によって、人の目でプローブ位置を決定していたが、測定には高周波プローブとＤＵＴのコンタクト位置のばらつき、ＤＵＴへの押し付け量のばらつき、空間中に拡がる電磁界の影響があり個々の測定作業依存性が高く、精度はせいぜい１０μｍであり測定結果の信頼性や測定の再現性に問題があった。 所定の基準器に対して高周波プローブ位置をＺ方向、Ｘ方向、Ｙ方向に各微動させながら高周波を放出して測定したＳパラメータのフィードバック測定値を解析して各方向でのプローブ位置を決定し、２μｍ以下の精度で平面回路の電気的中心位置となるプローブ位置を校正する。

Description

高周波プローブ位置補正技術
　本発明は所定の電気的検査を実行するための高周波プローブを備えた高周波特性検査装置において試料の電気的中点を校正するための位置補正に関する。
　ミリ波帯における平面回路の評価に高周波特性検査装置が利用されている。
　高周波インピーダンス測定等の高周波検査において使用される高周波特性検査装置には、測定部材として、その先端に測定信号をＤＵＴ（被試験装置、被測定回路網）に入力、或いはＤＵＴから出力するシグナル端子（Ｓ）および接地されたグランド端子（Ｇ）が離間し並行して配設された高周波プローブ（Ｓ－Ｇタイプ、またはＧ－Ｓタイプ）や、その先端にシグナル端子（Ｓ）を挟むように２本のグランド端子（Ｇ，Ｇ）が各離間し並行して配設された高周波プローブ（Ｇ－Ｓ－Ｇタイプ）などが使用されている（特許文献３）。
　高周波特性検査装置は、図１３に示すように、一般的にＤＵＴを載置してＸ、Ｙ、Ｚ軸に移動可能な水平面を備えた可動ステージと、その載置されたＤＵＴに接触して電気的特性を測定する対向した一対の高周波プローブ、その一対の高周波プローブを所定の間隔で装置に固定し得るプローブ取り付け部、ＤＵＴ測定のための高周波を生成する周波数拡張ユニット、およびシステムを制御してＤＵＴからの反射波・透過波を測定・解析するベクトルネットワークアナライザー（ＶＮＡ）等から構成されている（特許文献１、特許文献２）。
　この高周波プローブを用いてＤＵＴの所定の電気的検査を実行する前には検査値に含まれるその機器固有の誤差等を測定評価するための校正を行うのが一般的である。
　校正は検査用の所定の基準パターンを用意し、たとえば、図１４に示す基準器を用いてＺ軸方向の調整（プローブ押付け量）を行なった後、所定の基準器（例えば、ＴＨＲＵ，ＳＨＯＲＴ，ＬＯＡＤ基準器）に移動して、目視（図１２、比較例１）、或いは、ＰＣ制御等により予め決められた量プローブを平行移動させる（図１２、比較例２）事によって高周波プローブのＸＹ位置を決めてから行うのが一般的である。
　Ｚ軸方向の調整は、図１４に示すように、ＧＳＧプローブの中心がＡ位置に合うように調整し、プローブ先端がＢ位置からＣ位置まで滑るようにプローブを押付けてＺ軸の位置を調整する。
　次に対向する他方のプローブ先端についても同様にＺ軸の位置を調整して一対の対向する高周波プローブを用意して基準パターンによる校正を行う。
　しかし、従来の方法では校正のための測定には高周波プローブとＤＵＴの検査用パターンとのコンタクト位置のばらつき、その押し付け量のばらつき、空間中に拡がる電磁界の影響があり個々の測定作業依存性が高く、従来手法により決定された位置での校正を経た高周波プローブによる測定結果の信頼性や測定の再現性には問題があった。
特開平８－２８８３４２号公報 特開平１１－２６５２６号公報 特開２００２－３５７６３０号公報
WinCalXE（商標）校正ソフトウェア（https://www.cascademicrotech.com/jp/products/wincal/wincalxe） 坂巻亮、堀部雅弘、電気情報通信学会２０１６年春季講演大会予稿集、Ｃ－２－８３ CascadeMicrotech社　インピーダンス基準基板101-190　公開図面、http://www.cmicro.com/files/iss_map_101-190.pdf
　表１（非特許文献２の表１を転載）に従来手法による高周波プローブの平面回路とのコンタクト位置のばらつき等の誤差要因が測定結果に与える影響度の分析結果（反射係数の不確かさ評価結果）を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１の不確かさ項目をみると明らかなように、プローブ位置（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）の決定が影響度において主要因であることを示している。
　この表１の環境条件による不安定性項目を見ると平面回路の顕微鏡手法によるプローブ位置の制御精度は、せいぜい１０μｍ程度であり、実体顕微鏡を利用する場合の顕微鏡解像度の限界に近い。
　そのため、この限界を超えるプローブ位置の制御手法が望まれていた。
　本発明は、顕微鏡手法に依らず、高周波プローブを平面回路の仮決めの位置から高周波を放出して測定したＳパラメータの測定値をフィードバックしながらＸ，Ｙ，Ｚ軸に沿って移動させて電気的測定に最適なプローブ位置を探索し基準位置を決定する手段を提供できる。
　一般的に、実体顕微鏡を用いた時の解像度（せいぜい１０μｍ程度）よりもプローブの微動精度（０.１～１μｍ程度）の方が高いことが知られている。
　たとえば、プローブ位置を１μｍ変化しただけで計測器の感度（１０-7）以上に変化する。
　また、上記測定値を所定の手法で得る反射特性値（反射・透過係数および位相特性）を解析してみると、電気的中心位置にて、極値となることがわかった。
　本発明では、図１に示すように、平面回路の所定の基準器に対してプローブ位置をＺ方向、Ｘ方向、Ｙ方向に各微動させながら高周波を放出して測定したＳパラメータのフィードバック測定値を得て、それを解析して各方向でのプローブ位置を決定することで、２μｍ以下の精度で平面回路の電気的中心位置となるプローブ位置を決定する手段を提供することができる。
　本発明の基準位置合わせにより、対向する一対の高周波プローブが接続された計測装置（ＶＮＡ）の各ポートに関して電気的に対称であると言う理想の校正理論に沿った校正が可能となる。
　本発明によるプローブ位置に起因する測定の誤差は２＊１０-3（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の二乗平方和）であり、非特許文献２の表１から算出される値（１.２＊１０-2）より一桁改善したことがわかった。
　顕微鏡の解像度や人の作業能力に依存せず、可動ステージやデバイス（ＤＵＴ）の平面度やアライメントの影響を除去し、２μｍ以下の精度でプローブ位置を決定する事が可能となり、平面回路を評価する際の測定のばらつきを抑制することができるようになった。
　また、本発明では測定に際してＳ端子（ポート）間の電気的な中立点を得るため、より校正理論と合致した校正を実現できる。
本発明の実施例の態様を表した図である。 ＴＨＲＵ基準器の形状例を表した図である。 ＳＨＯＲＴ基準器の形状例を表した図である。 ＬＯＡＤ基準器の形状例を表した図である。 実施例１におけるＬＯＡＤ基準器のＳ11反射特性を評価した結果を表した図である。 実施例１におけるＳＨＯＲＴ基準器を評価した結果を表した図である。図６（ａ）はＳ11反射特性、図６（ｂ）はその位相特性を表すグラフである。 実施例１におけるＴＨＲＵ基準器を評価した結果を表した図である。図７（ａ）はＳ11反射特性、図７（ｂ）はその位相特性、図７（ｃ）は透過特性、図７（ｄ）はその位相特性を表すグラフである。 実施例１の原理図である。 実施例１の位置決定手法を表す概略図である。 システムの概略図である。 制御処理を表すフローチャート図である。 従来のプローブ位置の決定手法を表す図である。 本発明に使用した高周波特性検査装置の概略構成を表す図である。 従来のプローブ位置のＺ軸の決定手法を表す図である。 実施例２のＹ軸とＸ軸の基準位置を決定する方法を説明する工程図である。 実施例３の位置決め用パターンの一例を表す図である。 実施例３のＹ軸とＸ軸の基準位置を決定する方法を説明する工程図である。 実施例３の位置決め用パターンをＴＨＲＵ基準器、ＳＨＯＲＴ基準器、およびＬＯＡＤ基準器に各配置した図である。
（ＴＨＲＵ基準器を利用した位置決定）
　図２に本実施例で使用するＴＨＲＵ基準器の形状例を示す。
　ＴＨＲＵ基準器とは、ＴＨＲＵ試験測定用に用いられ平面回路等の被試験装置を測定する際の位置決めに予め使用する被試験装置の一部と同一の大きさと形状を有した試験片であり、一般的には図３に示したＳＨＯＲＴ基準器や図４に示したＬＯＡＤ基準器など他のパターンが合わせて配置された試料（サンプル）の一部である。
　より詳しくは、ＴＨＲＵ基準器とは、対になるプローブのシグナル間とグランド間をそれぞれ接続させる基準器であってシグナル端子を直接接続するシグナル領域を中央にその両側にグランド端子を直接接続する離間して絶縁されたグランド領域を配したパターンである。
　ＬＯＡＤ基準器とは、各プローブのシグナルとグランド端子間に特性インピーダンスと等しい抵抗体を配することによって、無反射に近しい特性を実現した基準器である。
　ＳＨＯＲＴ基準器とは、各プローブのシグナルとグランド端子間を短絡させたほぼ全反射である基準器である。
　図１３は、本発明に使用する高周波特性検査装置（サンプルの校正規準としてCascade社製ISS:101-109、可動ステージにCascade社のSummit12000、プローブに同社のGSG-Infinity-150pitch（登録商標）、ＶＮＡにKeysight社のE8361Aを使用した。制御装置として使用したパーソナルコンピュータは含まない）を撮影した写真画像であり、図１０はそれらを簡略化したシステム構成図である。
　以下、簡略化した図１０の構成のシステムによって、図２に示すＴＨＲＵ基準器を用いて、可動ステージに載置されたサンプル上のプローブ位置を決定する手法を説明する。
　本発明でＸ、Ｙ、Ｚ位置と言う場合は対向する一対の高周波プローブの配置された場所を言い、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標と言う時は、当該装置の所定の原点から対向するプローブ先端間の中点への各距離としてきめてよく、あるいは対向する一対の一方のプローブの先端への距離として決めてよく、また仮決めの位置や、可動ステージの平面上の中心を原点とした距離として適宜決めてよい。
　まず、図８に示すように、所定の間隔で対向する一対の高周波プローブをサンプルステージに載置されたＴＨＲＵ基準器の直上に一対の高周波プローブの先端を結ぶ対向軸がＸ軸と平行になるように配する。
　この目的のために、高周波特性検査装置はサンプルを載置した可動ステージを回転させるステージ回転機構を備えてもよい。
　この時、直上に配する位置はおおまかな位置でかまわないが、一対の対向する高周波プローブの先端が可動ステージ上のＴＨＲＵ基準器の信号領域に接触してＸ，Ｙ方向に移動し得る始点となるように仮決めの位置を決めるのが望ましい。
　その後、制御装置からの指示によってステージコントローラを介してサンプルステージをＺ軸に沿って少しずつ上昇させてサンプルに接近させる。
　本実施例では、図１０における制御装置としてパーソナルコンピュータを用いてＺ軸移動量を計算してステージコントローラに入力した。
　サンプルステージを上昇させながら測定装置を介して両プローブにおける反射係数Ｓ11、Ｓ22を読み取る。
　サンプルがプローブ片方にコンタクトすると、反射係数（Ｓ11、Ｓ22）が大きく減少する。
　例えば、反射係数が０.７以下、或いは位相が９０～１８０℃となるように設定すれば、一対のプローブのコンタクト有無の判定が可能である。
　以降、両プローブのコンタクトが検出された時のサンプルステージとプローブ先端の位置関係をＺ位置（コンタクト位置）として決定する（図示せず）。
　サンプルステージを稼動して、次に一対の対向するプローブを、Ｘ方向に所定の距離を移動しながら測定を行なう。
　移動量は、例えば±１０μｍの範囲で１μｍずつ移動しながら各位置における両プローブの反射係数を測定する。
　そして、両プローブ間の反射係数Ｓ11、Ｓ22の位相成分θ11、θ22の差｜θ11－θ22｜が極値となるプローブ位置をＸ位置として決定する。
　好適には、その差がゼロの同一位相、すなわち、θ11＝θ22、となる位置である。
　更に、サンプルステージを稼動して、一対の対向するプローブを、Ｙ方向に所定の距離を移動しながら測定を行なう。
　移動量は、例えば±１０μｍの範囲で２μｍずつ移動しながら各位置における両プローブの透過係数Ｓ12、Ｓ21を測定する。
　そして、両プローブ間の透過係数Ｓ12、Ｓ21の位相成分θ12、θ21の積θ12×θ21が極値となるプローブ位置をＹ位置として決定する。
　この場合、図８右図に示した等価回路においてインダクタンスＬ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4がバランスする位置が一対の対向するプローブ間の中心であり、この点が電気的中心である。
　そうして決定されたＸ，Ｙ，Ｚ位置が当該サンプルにおけるプローブの基準位置となり、この位置でのＳパラメータの解析値を校正値とすることができる。
　ＸとＹ方向位置を決定する時は、コンタクト位置から予め決められた量だけＺ方向にプローブを押込むことで一対のプローブの先端の位置をマークし再現性の高い評価が可能である。
　このようにして、ＸＹＺ三軸方向のプローブ位置を高い再現性で精密に決めることができる。
　サンプル上の他の基準器の校正を行なう時は、予めサンプル上のＴＨＲＵ基準器に対するＳＨＯＲＴ、ＬＯＡＤ基準器の距離を測定し、その量だけＴＨＲＵ基準器からプローブの位置を移動することによって、高い再現性の校正を実現できる。
　図５～図７は、本発明の校正後に校正時とは異なるＴＨＲＵ基準器、ＳＨＯＲＴ基準器、ＬＯＡＤ基準器を評価した実施例と、従来手法で校正後、校正時とは異なる基準器を評価した比較例の結果の標準偏差を示している。
　図５はＬＯＡＤ基準器におけるＳ11係数の振幅の標準偏差を示し、図６はＳＨＯＲＴ基準器におけるＳ11係数の振幅とその位相成分θ11の標準偏差を示し、図７はＴＨＲＵ基準器におけるＳ11、Ｓ21係数の振幅とその位相成分θ11、θ21の標準偏差を示している。
　また、各図の符号「通常」は、従来の手動により行う校正後の評価の比較例１を表し、また、各図の符号「ＷｉｎｃａｌＸＥ」は手動の基準位置合わせに基づいて校正をしてからＰＣで作動する校正用ソフトウェアでプローブ位置を制御して行う評価の比較例２をあらわしている。
　比較例は、基準位置合わせが幾何学的な中立面であるため校正理論上理想的と言えないところ、本発明の基準位置合わせは対向する一対の高周波プローブが接続された計測装置（ＶＮＡ）の各ポートに関して電気的に対称であると言う理想的な校正を実現している。
　各図をみると、図５においてＬＯＡＤ反射係数Ｓ11の振幅、図６においてＳＨＯＲＴ反射係数Ｓ11の位相、図７においてＴＨＲＵ反射係数Ｓ11の振幅及び透過係数Ｓ21の位相において、比較例よりも実施例は標準偏差が小さくなったことがわかる。
　このように、本技術を活かすことでより高い精度での校正が実現できる。
　本実施例では、Ｘ軸方向は実施例１と異なる基準位置の決定方法とし、実施例１におけるＺ軸方向のコンタクト位置の決定手法およびＹ軸方向の電気的中心位置の決定手法に追加することでＸ、Ｙ及びＺ座標を高精度に決定する事ができる。
　図１５にその手順を示す。まず対のプローブ（図では反対側プローブを図示せず）をＴＨＲＵ基準器上に配し、実施例１の手法によって、コンタクト位置を検出する。
その後、実施例１の手法でＹ方向の中心位置を決定する。
　そして、プローブをＸ方向に対して基準器の外側に向かうように少しずつ位置を変えながらコンタクト位置を検出する。
　基準器の端部に達すると、プローブ直下に電極がないため、反射係数の急峻な変化は認められなくなる。例えば、反射係数Ｓ11やＳ22の絶対値はほぼ１のまま不変となる。
　そのため、基準器の端部をもってＸ方向の基準位置を決定する事ができる。
　このように、実施例１を応用することでプローブ基準位置を再現性高く決定する事ができるため、校正再現性を高めることが可能である。
　本実施例によれば、実施例１に記載されているＺ方向のコンタクト位置の決定手法を応用し、かつ位置決め用パターンを用いる事でＸ、Ｙ及びＺ座標を高精度に決定する事ができる。
　位置決め用パターンは図１６に示したような櫛型形状であり、凸部を利用してＸ、Ｙ及びＺ位置を高精度に決定する事ができる。
　図１７にその手順を示す。
　本実施例では、単一のプローブのみを用いて位置決めが可能である。
　まず、プローブを位置決め用パターンの凸部のおおよそ直上に配し、実施例１の手法によってコンタクト位置を検出する。
　次に、プローブをＹ方向に対してパターンの外側に向かうように少しずつ位置を変えながらコンタクト位置を検出する。
　パターンの端部に達すると、プローブ直下に電極がないため、反射係数の急峻な変化は認められなくなる。例えば、反射係数Ｓ11（またはＳ22）の絶対値はほぼ１のまま不変となる。
　そのため、パターンの端部のＹ座標を決定する事ができる。
　同様の操作をＹ軸の逆方向についても行なうことによって、パターンの凸部の両端部のＹ座標が決定できるため、それらの中心座標をＹ基準座標と定義することができる。
　次に、Ｘ方向についても同様にパターンの外側に向かうように少しずつ位置を変えながらコンタクト検出を行ないパターンの端部を検出する。
　その端部をもってＸ方向の基準座標を定義する事ができる。
　このように、実施例１を応用することでプローブ基準位置を再現性高く決定する事ができるため、校正再現性を高めることが可能である。
　図１６および図１８に示すように、実施例３で利用する位置決め用パターンは櫛形形状をしており、そのパターン上に直接プローブを接触させて利用される特徴を有する。
　非特許文献３に示されるとおり、櫛形形状の位置決め用パターンは既存であるが、これらのパターンは目印としての利用するものであって、プローブを直接接触させて使用するものではない。
　そのため、プローブとのコンタクトを避けるため、パターンのＹ方向の中心位置には凸部が存在していない。
　一方、本実施例で使用する位置決め用パターンは直接接触させてしようする事を前提とするため、図１６に示されたようにＹ方向中心位置に凸部を有している。
　また、凸部はＧＳＧプローブの先端がすべてコンタクトできるようにＹ方向中心軸にたいして線対称な構造であり、プローブのグランド（Ｇ）端子と接する位置にも凸部を有している。
　凸部は全て短絡した構造になっている。
　Ｇ部とＳ部がコンタクトする凸部の間の距離は、使用するプローブのピッチによって変える必要があるが、例えば１００μｍや１５０μｍ、２５０μｍ程度といった間隔になる。
　顕微鏡からの目視でプローブをおおまかに凸部の直上に配する必要があるため、プローブの凸部の各辺の大きさは５μｍ以上である必要があり、更には１０μｍ以上であることが望ましい。
　また、各辺の大きさはプローブのピッチより小さければ実利用上問題がないが、極端に大きいと他のパターンと電気的に結合し、校正結果に影響を及ぼす懸念がある事から、５０μｍ以下であるのが望ましい。
　さらに基準器と位置決め用パターン距離が１５００μｍ程度離れている事が望ましい。
　また、上述の位置決め用パターンはＴＨＲＵ基準器で説明したが、同様にＬＯＡＤ基準器、ＳＨＯＲＴ基準器、ＯＰＥＮ基準器とともに用いることができる。
１、１ａ、１ｂ　プローブ（高周波プローブ）
２　可動ステージ（サンプルステージ、ステージ）
３　ＶＮＡ（計測装置）
４　周波数拡張ユニット
５　抵抗体
６　ステージコントローラ
７　制御装置
８　高周波特性検査装置
９　ＴＨＲＵ基準器
１０　ＬＯＡＤ基準器
１１　ＳＨＯＲＴ基準器
１２　シグナル領域（信号領域）
１３　グランド領域
１４ａ、１４ｂ　シグナル端子（Ｓ）
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ　グランド端子（Ｇ）

Claims (14)

  1. 　離間して形成されたシグナル領域およびグランド領域を有する平面回路の電気的特性をその先端を前記平面回路の表面に押し当てて高周波を放出して得たＳパラメータにより検査する一対の高周波プローブと計測装置を備えた高周波特性検査装置であって、
    　前記高周波プローブはその先端に前記グランド領域に接触するグランド端子と前記シグナル領域に前記グランド端子と同時に接触するシグナル端子とを備え、
    　前記一対の高周波プローブは所定の間隔で対向して前記平面回路の表面に同時に接触するように構成されており、
    　前記平面回路の前記シグナル領域における前記一対の高周波プローブの基準位置の校正を、前記対向する一対の前記高周波プローブの各シグナル端子が前記シグナル領域において前記接触して前記高周波を放出して前記計測装置で測定した各Ｓパラメータの反射・透過特性と位相特性に基づいて決定する電気的中点において行うことを特徴とする高周波特性検査装置。
  2. 　さらに、前記平面回路を載置する可動ステージ、その可動ステージのＸ、Ｙ、Ｚ軸の稼動を制御するステージコントローラを備え、
    　前記平面回路の前記シグナル領域において長手方向をＸ軸方向、短手方向をＹ軸方向、垂直方向をＺ軸方向とした場合、
    　前記ステージコントローラを制御し前記平面回路を載置する可動ステージをＺ軸方向に稼動して前記対向する一対の前記高周波プローブの各先端と前記シグナル領域とを接触させ、
    　コンタクト位置（Ｚ軸方向の深さ）を前記接触して前記高周波を放出して測定したＳ11，Ｓ22パラメータの反射特性に基づいて決定する事を特徴とする請求項１に記載の高周波特性検査装置。
  3. 　前記決定されたコンタクト位置のＺ軸方向の深さにおいて、前記対向する一対の前記高周波プローブの各シグナル端子が前記シグナル領域において前記高周波を放出して計測するＳ11，Ｓ22パラメータの位相特性をθ11、θ22した場合、
    　前記ステージコントローラを制御し前記平面回路を載置する可動ステージを稼動して前記対向する一対の前記高周波プローブをＸ軸方向に稼動して、
    　前記高周波を放出して測定した、｜θ11－θ22｜が極値となるように前記一対の前記高周波プローブのＸ軸の基準位置を決定することを特徴とする請求項２に記載の高周波特性検査装置。
  4. 　前記決定されたコンタクト位置（Ｚ軸方向の深さ）と前記Ｘ軸の位置において、前記対向する一対の前記高周波プローブの各シグナル端子が前記シグナル領域において前記高周波を放出して計測するＳ12，Ｓ21パラメータの位相特性をθ12、θ21とした場合に、
    　前記ステージコントローラを制御し前記平面回路を載置する可動ステージを稼動して前記対向する一対の前記高周波プローブをＹ軸方向に移動して、
    　前記高周波を放出して測定した、θ12ｘθ21が極値となるようにＹ軸の位置を決定し、
    　前記決定されたＹ軸の位置における前記対向する一対の前記高周波プローブの中点を前記平面回路のシグナル領域の電気的中点の基準位置として校正することを特徴とする請求項３に記載の高周波特性検査装置。
  5. 　前記平面回路はＴＨＲＵ基準器であることを特徴とする請求項４に記載の高周波特性検査装置。
  6. 　さらに前記ステージコントローラと前記計測装置を制御する制御装置を備えた請求項５に記載の高周波特性検査装置において、前記平面回路のシグナル領域の電気的中点の基準位置を前記校正することを特徴とする高周波特性検査装置の校正方法。
  7. 　請求項６に記載の校正方法を実行する事を特徴とするプログラムおよびプログラムを記録した記憶媒体。
  8. 　離間して形成されたシグナル領域およびグランド領域を有する平面回路の電気的特性をその先端を前記平面回路の表面に押し当てて高周波を放出して得たＳパラメータにより検査する一対の高周波プローブと計測装置を備えた高周波特性検査装置であって、
    　前記高周波プローブはその先端に前記グランド領域に接触するグランド端子と前記シグナル領域に前記グランド端子と同時に接触するシグナル端子とを備え、
    　前記一対の高周波プローブは所定の間隔で対向して前記平面回路の表面に同時に接触するように構成されており、
    　前記平面回路の前記シグナル領域における前記一対の高周波プローブの基準位置の校正を、前記対向する一対の前記高周波プローブの各シグナル端子が前記シグナル領域において前記接触して前記高周波を放出して前記計測装置で測定した各Ｓパラメータの反射・透過特性と位相特性に基づいて行うことを特徴とする高周波特性検査装置であって、
    　前記平面回路を載置する可動ステージ、その可動ステージのＸ、Ｙ、Ｚ軸の稼動を制御するステージコントローラを備え、
    　前記平面回路の前記シグナル領域において長手方向をＸ軸方向、短手方向をＹ軸方向、垂直方向をＺ軸方向とした場合、
    　前記ステージコントローラを制御し前記平面回路を載置する可動ステージをＺ軸方向に稼動して前記対向する一対の前記高周波プローブの各先端と前記シグナル領域とを接触させ、
    　コンタクト位置（Ｚ軸方向の深さ）を前記接触して前記高周波を放出して測定したＳ11，Ｓ22パラメータの反射特性に基づいて決定し、
    前記決定されたコンタクト位置（Ｚ軸方向の深さ）において、前記対向する一対の前記高周波プローブの各シグナル端子が前記シグナル領域において前記高周波を放出して計測するＳ11，Ｓ22パラメータの位相特性をθ12、θ21とした場合に、
    　前記ステージコントローラを制御し前記平面回路を載置する可動ステージを稼動して前記対向する一対の前記高周波プローブをＹ軸方向に移動して、
    　前記高周波を放出して測定した、θ12×θ21が極値となるようにＹ軸の位置を決定し、
    　前記決定されたＹ軸の位置における前記対向する一対の前記高周波プローブの中点を前記平面回路のシグナル領域の電気的中点の基準位置として決定することを特徴とする高周波特性検査装置。
  9. 　さらに、前記ステージコントローラを制御し前記平面回路を載置する可動ステージを稼動して前記対向する一対の前記高周波プローブをＸ軸方向に稼動して、
    　前記高周波を放出して測定したＳ11，Ｓ22パラメータの反射特性に基づいて決定した前記平面回路のＸ軸方向の両端部において前記一対の前記高周波プローブのＸ軸の基準位置を決定することを特徴とする請求項８に記載の高周波特性検査装置。
  10. 　離間して形成されたシグナル領域およびグランド領域を有する平面回路の電気的特性をその先端を前記平面回路の表面に押し当てて高周波を放出して得たＳパラメータにより検査する一の高周波プローブと計測装置を備えた高周波特性検査装置であって、
    　前記高周波プローブはその先端に前記グランド領域に接触するグランド端子と前記シグナル領域に前記グランド端子と同時に接触するシグナル端子とを備え、
    　前記一の高周波プローブは前記平面回路の表面に同時に接触するように構成されており、
    　前記平面回路の前記シグナル領域における前記一の高周波プローブの基準位置の校正を、前記一の前記高周波プローブの各シグナル端子が前記シグナル領域において前記接触して前記高周波を放出して計測装置で測定した各Ｓパラメータの反射・透過特性と位相特性に基づいて行うことを特徴とする高周波特性検査装置であって、
    　前記平面回路を載置する可動ステージ、その可動ステージのＸ、Ｙ、Ｚ軸の稼動を制御するステージコントローラを備え、
    前記平面回路の前記シグナル領域において長手方向をＸ軸方向、短手方向をＹ軸方向、垂直方向をＺ軸方向とした場合、
    さらに前記平面回路と前記Ｚ軸方向に同一の高さを有しその長手方向と所定の間隔で平行に対峙する櫛形形状の位置決め用パターンを前記可動ステージに載置し、
    前記櫛形形状の位置決め用パターンはＹ方向（当該位置決め用パターンの長手方向）の中心位置に前記Ｙ方向に垂直なＸ方向に突出する凸部（櫛の歯）を有し、前記Ｙ方向の中心軸にたいして線対称な構造であって、前記高周波プローブのグランド（Ｇ）端子と対応する位置に凸部を有して、前記凸部は全て短絡しており、
    前記ステージコントローラを制御し前記平面回路を載置する可動ステージをＺ軸方向に稼動して前記一の前記高周波プローブの各先端と前記位置決め用パターンとを接触させ、
    　前記接触して前記高周波を放出して測定したＳ11パラメータの反射特性に基づいてコンタクト位置（Ｚ軸方向の深さ）を決定し、
    　前記ステージコントローラを制御し前記平面回路を載置する可動ステージを稼動して前記一の前記高周波プローブをＹ軸方向に稼動して、前記高周波を放出して推定した前記位置決め用パターンのＹ軸方向の両端部の中点において前記一の前記高周波プローブのＹ軸の基準位置を決定し、
    次に前記ステージコントローラを制御し前記平面回路を載置する可動ステージを稼動して前記一の前記高周波プローブをＸ軸方向に稼動して、前記高周波を放出して測定したＳ11パラメータの反射特性に基づいて決定した前記位置決め用パターンのＸ軸方向の一端部において前記一の前記高周波プローブのＸ軸の基準位置を決定し、
    前記決定された前記コンタクト位置、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸の基準位置から前記所定の間隔を平行移動した前記平面回路の基準位置において校正をすることを特徴とする高周波特性検査装置。
  11. 　前記平面回路はＴＨＲＵ基準器であることを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載の高周波特性検査装置。
  12. 　さらに前記ステージコントローラと前記計測装置を制御する制御装置を備えた請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載の高周波特性検査装置において、前記平面回路のシグナル領域の基準位置を前記校正することを特徴とする高周波特性検査装置の校正方法。
  13. 　前記高周波特性検査装置において請求項１２に記載の校正方法を実行する事を特徴とするプログラムおよびプログラムを記録した記憶媒体。
  14. 　請求項１０に記載の高周波特性検査装置において前記櫛形形状の位置決め用パターンを備えたことを特徴とするＴＨＲＵ基準器、またはＬＯＡＤ基準器、またはＳＨＯＲＴ基準器、またはＯＰＥＮ基準器。
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