行波电极测试系统中的共面微波探针研究

路 宇，戴春华

(1.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001;2.海军驻扬州七二三所军事代表室，江苏 扬州 225001)

行波电极测试系统中的共面微波探针研究

路 宇1，戴春华2

(1.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001;2.海军驻扬州七二三所军事代表室，江苏 扬州 225001)

微波探针是测量系统与芯片之间传输信号的媒介，是实现半导体芯片的在片检测和筛选的重要工具之一。研究了一种用于测试行波电极的G-S-G型共面微波探针，通过理论仿真得到了优化的微波探针参数，并进行了微波探针的制备实验。最后通过矢量网络分析仪对探针进行性能测试。测试结果表明微波探针具有10 GHz左右的3 dB带宽。在13 GHz频率范围内，微波探针具有较低的插入损耗。该探针性能优良，成本低，工艺简单，对于促进电光调制技术与光电器件的发展具有重要意义。

微波探针；在片检测；特性阻抗；S参数

0 引 言

随着信息技术的进步，半导体器件不断朝着小体积、高密度、高频的方向发展。然而如何及时准确地测试这些高频器件的性能却成为一个难题。传统的测试方法是将器件进行封装，然后利用夹具对其进行测试。这种测试方法不仅会引入额外的影响因素使测试结果不准确，而且效率低下，容易造成封装工序的浪费，严重制约了半导体工业的进一步发展，因此亟待一种新的方法实现更加高效准确的测量。在这种背景下诞生出了专门用于在片检测高频半导体器件的微波探针测试系统。

微波探针测试系统包含微波探针、探针支架、电缆、载片台等组成部分。作为其中的核心部件，微波探针实现了引导高频信号在器件芯片与测试系统之间传输的作用。利用微波探针可以在器件封装之前直接对其进行高频特性测试，实现在片筛选，这对于器件芯片生产效率的提高和微波器件的发展都具有积极意义[1]。

本文主要研究了一种用于测试行波电极的共面微波探针。行波电极是一种广泛采用的电极结构。作为电光调制器的核心部分，行波电极的性能对整个电光调制器的性能具有重要影响，因此需要及时准确的测量。由于行波电极的工作频率通常达到GHz范围，普通探针无法对其性能进行测试，所以需要采用自行设计的微波探针。

本文提出了一种G-S-G型共面微波探针结构，重点研究了结构参数以及材料参数对探针的传输性能(包括特性阻抗和S参数)的影响，进而获得优化的探针参数。利用该参数制备出微波探针，并最终对其性能进行了测试。测试结果表明该探针具有良好的3 dB带宽和S参数，验证了前面的仿真结果。该探针可以用于在片检测电光调制器中的行波电极，其优良的性能、较低的成本以及简单的制备工艺对于增加器件测量的可靠性，提高行波电极生产效率和促进电光调制技术的发展具有重要意义。

1 微波探针结构设计

1.1 探针结构

共面微波探针结构采用G-S-G型，如图1(a)所示。该结构实现了共面波导尺寸到同轴传输线尺寸之间的平缓过渡，使微波信号在探针与同轴电缆之间的传输匹配。对于一般的微波传输线，为了尽量降低器件的回波损耗，设计时要满足通用的 50 Ω阻抗匹配[2]，因而需要对探针的电极宽度、厚度以及电极间距进行优化设计。利用共面微波探针搭建的行波电极测试系统如图1(b)所示。微波探针的尖端与待测芯片接触，探针上的SMA接头连接到同轴传输线，实现行波电极上电信号的提取[3-4]。

1.2 仿真建模

利用HFSS软件对共面微波探针的缓变结构进行仿真。HFSS是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件。HFSS使用有限元(FEM)，集成了实体模型输入、自动设置网络、精确仿真和图形化后处理等功能，可用于计算S参数、谐振频率和场，能够快速、准确地得到三维电磁问题的解，可以满足微波探针的仿真需求[5]。通过HFSS搭建的探针模型如图2所示。

2 微波探针参数优化

对于微波探针来说，宽频带、低反射和低损耗是设计的目标，其主要性能指标包括特性阻抗和S参数等。在共面微波探针中，信号电极的宽度(W)、电极间距(G)、电极厚度(T)以及衬底的介电常数都会对特性阻抗和S参数有影响[6-9]。需要注意的是由于共面微波探针两端的尺寸不同，因此需要对两端的电极间距和信号电极宽度分别加以研究。将靠近共面波导一端称为端口1，对应的信号电极宽度称为W1，对应的电极间距称为G1，将靠近同轴传输线一端称为端口2，对应的信号电极宽度称为W2，对应的电极间距称为G2，如图1(a)所示。下面将分别对各个参数进行优化设计。

2.1 信号电极宽度

在研究信号电极宽度对探针性能的影响时，选取的参数分别为：电极间距G1=0.01 mm，G2=0.1 mm，电极厚度T=3 μm，材料为金，探针长度L=15 mm。衬底采用介电常数为4.3的聚酰亚胺，频率选择为20 GHz。在研究W1对探针性能影响时，固定W2=1 mm，得到最优化的W1之后，固定W1的值，再研究W2对探针性能的影响。

(1) 特性阻抗

图3(a)显示了W1对两端口特性阻抗的影响。从图中可以看出，随着W1的增大，对应端口1的特性阻抗逐渐减小，而端口2的特性阻抗变化不大。固定W1=0.1 mm，进而研究W2对其的影响，此时端口1的特性阻抗接近50 Ω。图3(b)显示了W2对两端口特性阻抗的影响，随着W2的增大，对应的端口2特性阻抗也减小，而端口1的特性阻抗变化无明显规律。当W2=0.9 mm时，两端口的特性阻抗最接近50 Ω。

从图3可以总结出规律：某一端的信号电极宽度只会影响该端的特性阻抗，其变化成反比关系，对另一端的特性阻抗几乎没有影响。

(2)S参数

图4(a)、(b)分别显示了信号电极宽度W1、W2对S参数(插入损耗S21、回波损耗S11)的影响。观察可以发现，信号电极宽度的变化对S参数的影响无明显规律。分析原因可能是由于不对称的探针结构会产生比较严重的反射，其影响远大过信号电极宽度对探针损耗的影响。

根据以上仿真结果，最终确定信号电极宽度W1=0.1 mm，W2=0.9 mm。在该条件下，微波探针具有匹配的特性阻抗和较好的S参数。

2.2 电极间距

在确定了信号电极宽度之后，研究电极间距对探针性能的影响。首先固定G2=0.3 mm，研究G1对探针各性能指标的影响。在得到最优化的G1之后，固定G1的值，再研究G2对其影响。其余的参数与前面保持不变。

(1) 特性阻抗

图5(a)显示了G1对两端口特性阻抗的影响。从图中可以发现，随着G1的增大，对应端口1的特性阻抗逐渐增大，而端口2的特性阻抗基本保持不变。当G1=0.01 mm，端口1的特性阻抗为50 Ω，我们固定G1=0.01 mm，继续优化G2。图5(b)显示了G2对两端口特性阻抗的影响，随着G2的增大，对应的端口2特性阻抗也增大，而端口1的特性阻抗变化很小。当G2=0.1 mm时，两端口的特性阻抗最接近50 Ω。

从图5可以得出同前面类似的规律：某一端的电极间距只会影响该端的特性阻抗，其变化成正比关系，对另一端的特性阻抗几乎没有影响。

(2)S参数

图6(a)显示了G1对S参数的影响。从图中可以看出，随着G1的增大，插入损耗S21增大而回波损耗S11减小。S21越大表明传输到目的端的能量越多，S11越小则表明反射回源端的能量越少，因此在阻抗匹配的条件下，G1取值越大越好。图6(b)显示了G2对S参数的影响。随着G2的增大，插入损耗S21增大，而回波损耗S11则是先减小后增大。因此需要综合考虑插入损耗和回波损耗，以确定最优化的G2参数。

根据以上仿真结果，我们最终确定电极间距G1=0.01 mm，G2=0.1 mm。在该条件下，微波探针具有匹配的特性阻抗和较好的S参数。

2.3 衬底介电常数

衬底的不同也会对探针性能产生影响，因此需要对其加以研究。在前面确定的参数基础上，仿真了衬底介电常数的变化对特性阻抗和S参数的影响。图7(a)、(b)分别显示了衬底介电常数的变化对特性阻抗和S参数的影响。

从图7(a)可以看出，衬底介电常数的变化对两端口的特性阻抗均有相同影响，其变化成反比关系。当介电常数为4.3时，两端口的特性阻抗最接近50 Ω。

图7(b)则表明，衬底介电常数增大，回波损耗S11减小，而插入损耗S21波动下降。

根据以上仿真结果，最终选用聚酰亚胺作为衬底材料，该材料的介电常数为4.3。

2.4 电极厚度

电极厚度(T)对特性阻抗和S参数的影响如图8所示。

从图8(a)可以看出，电极厚度的增大使得端口1的特性阻抗减小，而端口2的特性阻抗整体变化不大，仅略微减小。图8(b)中则表明S参数(回波损耗S21、插入损耗S11)随电极厚度的变化无确定规律。由分析知，当电极厚度增大时，S11理论上应当增大，S21理论上应当减小，此处未出现这种变化原因可能是不对称的探针结构引入了较大的反射损耗，导致规律变化不明显。

根据上面的仿真结果，最终选择电极厚度为4 μm。

综合前面的结论，得到优化后的微波探针参数如表1所示。

表1 微波探针优化参数

3 微波探针的制备与测试

采用聚酰亚胺覆铜板作为材料。下面首先讨论共面微波探针的制备工艺流程，进而对所制备的微波探针进行初步的性能测试。

3.1 制备

利用覆铜板制备微波探针的工艺步骤主要包括：衬底清洗、旋涂光刻胶、前烘、光刻、显影、坚膜以及湿法刻蚀，最终通过裁剪组装即可得到所需的微波探针。图9为微波探针的制备工艺流程图。

具体的工艺步骤为：

(1) 使用乙醇清洗微波覆铜板，将清洗后的覆铜板放在加热台上烘干，温度为110 ℃。

(2) 将BP212光刻胶滴涂在清洗后的覆铜板上，使用旋涂机进行旋涂，转速为3 000 rpm，时间为25 s。

(3) 将旋涂后的覆铜板放在加热台上进行前烘，温度为90 ℃，时间为15 min。

(4) 使用光刻机进行光刻，然后将光刻后的覆铜板放在显影液中进行显影，待覆铜板上出现清晰的图案之后，用去离子水进行冲洗，然后将其放在加热台上进行后烘，温度为100 ℃，时间为30 min。

(5) 用4 g FeCl3和50 ml去离子水配制FeCl3溶液，采用水浴加热法，用配置好的FeCl3溶液去除光刻胶未覆盖部分的铜箔。

(6) 采用丙酮溶液去除BP212光刻胶。

(7) 将覆铜板进行裁剪与组装，将其固定到支架上。

3.2 测试

实验制备的微波探针具有一定的损耗，在用于测试行波电极系统之前，首先要对探针的性能进行测试。这里主要关注S21参数，使用矢量网络分析仪(VNA)进行测试。

在使用VNA之前，必须注意由于VNA和探针之间连接的线缆和接头会使测得的数据含有误差，因此需要将线缆和接头带来的误差进行排除。这里将该误差等效为1个误差盒。VNA测量二端口器件示意图如图10所示。

采用10项误差模型(如图11所示)，建立散射参数测量值S′与准确值S的关系式，通过直通校准、反射校准与传输校准得到准确值S的表达式如下[10]：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：

(5)

将测量校准件的S参数与准确的S参数带入上式，即可计算出各误差参数。在排除了线缆和接头的误差基础上，进一步测试微波探针的S参数。在显微镜下将2个微波探针对接起来(如图12所示)，然后采用VNA对探针性能进行测试与分析。在获得探针的S参数之后，即可利用该探针对行波电极进行测试，其连接示意图如图13所示。

VNA对探针的测试结果如图14所示。需要注意的是测试中用到了2个微波探针，因此测试结果是2个微波探针对接后的性能参数，对于单个微波探针而言，需要将测试结果相应地取半。根据VNA的测试结果，制备的单个微波探针具有10 GHz左右的3 dB带宽。在13 GHz频率范围内，微波探针具有较低的插入损耗。这表明了所制备的微波探针具有较好的性能，可以满足行波电极测试系统需求。

4 结束语

共面微波探针是测量系统与芯片之间传输信号的媒介，可以在芯片封装之前，直接对其进行在片检测和筛选，对于提高器件芯片生产效率和促进微波器件发展具有重要意义。本文研究了一种G-S-G型共面微波探针结构，通过理论仿真得到了优化的微波探针参数，并在此基础上进行了微波探针的制备实验。最后通过矢量网络分析仪对探针进行性能测试。测试结果表明微波探针具有10 GHz左右的3 dB带宽。在13 GHz频率范围内，微波探针具有较低的插入损耗。该探针可以用于在片检测电光调制器中的行波电极，其优良的性能，较低的成本以及简单的制备工艺对于增加器件测量的可靠性，提高行波电极生产效率和促进电光调制技术的发展具有重要意义。

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ResearchintoCoplanarMicrowaveProbeinTravelling-waveElectrodeTestSystem

LU Yu1,DAI Chun-hua2

(1.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001，China;2.Naval Representative Office Based in The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

The microwave probe is a medium of signal transmission between measurement system and the wafer and is one of important tools realizing on-wafer measurement and filtration of semiconductor.This paper studies a coplanar microwave probe of type G-S-G for testing travelling-wave electrode,through theory simulation,obtains the optimized microwave probe parameters,and performs preparation experiment of microwavve probe,finally performs the performance test to the probe through vector network analyzer.The test results show that the microwave probe has 3 dB bandwidth of about 10 GHz.The microwave probe has lower insertion loss below 13 GHz.The microwave probe has eminent performance,low cost and simple technic,which are significant in promoting the development of electro-optic modulation technology and photoelectric device.

microwave probe;on-wafer measurement;characteristic impedance;Sparameter;

TN454

：A

：CN32-1413(2017)04-0110-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.04.028

2017-03-22