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从射频到太赫兹：国内外晶圆上S参数测量技术的进展

通过探测站在矢量网络分析仪（VNA）和晶圆之间建立信号连接通道，可实现晶圆上S参数测量。2010年以前，中国在晶圆S参数测量技术方面的发展相对缓慢，长期沿用国外现有技术。近10年来，中国在这一领域奋起直追，不断缩小与世界其他国家的差距。中国已逐步完成从射频到太赫兹的校准方法、晶圆探针和晶圆上校准标准的国产化，发展晶圆上S参数测量设备的计量能力。本文介绍了该领域国内外相关技术的发展情况，为后续发展提供指导。

随着半导体技术的发展，MMIC不断向更高频段演进，对性能的要求也越来越高。因此，对测量精度的要求也越来越严格，新的高精度校准方法不断涌现。2020年以前，S参数测量所需的所有元件都要进口。近年来，随着中国国内半导体产业的快速发展，中国与国外同行在晶圆S参数测量技术和能力上的差距逐渐缩小，相关技术也取得了突破性进展。晶圆上测量的关键部件也越来越多地由中国自主研发。

中国以外的技术

通常，晶圆上S参数测量系统由VNA和频率扩展模块、探测站、微波探头、晶圆上校准标准和一些辅助元件组成，如图1所示。晶圆上S参数测量系统需要在测量前进行校准。

图1：晶圆上S参数测量系统图。

关于从射频到太赫兹的晶圆上S参数校准，美国国家标准与技术研究院（NIST）一直处于领先地位。¹自2013年以来，有关射频到太赫兹范围内晶圆上S参数校准技术的研究一直没有停止，校准频段也从之前的110GHz和325GHz提高到了目前的1.1THz。在美国国防部高级研究计划局（DARPA）的资助下，NIST提出了优化的多线TRL²，这是一种在太赫兹频段精确校准晶圆上S参数的新方法。他们还开发了相应的晶圆上校准标准。这种校准方法在325GHz以下频率范围的晶体管建模中取得了良好的效果，并能进行连续测量，从而获得更高的精度。图2a显示了NIST建立的晶圆上S参数测量系统的照片，图2b显示了耦合校正前后的对比结果。

图2：(a) NIST晶圆上S参数校准系统。(b)串扰校正前后最大稳定增益的比较结果。

2022年8月，美国政府提出了《CHIPS与科学法案》，通过立法为国内半导体产业提供财政支持和税收优惠。与此同时，NIST根据该法案发布了《美国半导体制造业的战略机遇-通过测量和标准的进步促进美国的领导力和竞争力》。该文件概述了美国半导体行业面临的七大挑战，作为未来五年的优先发展方向。其中包括"半导体材料、设计和元件的建模和仿真"，涉及太赫兹频率下半导体芯片精确建模的重要性和挑战性。2023年10月，NIST重新启动了太赫兹计量和测量技术研究。

欧盟支持包括英国NPL、德国PTB和瑞士MEATS以及荷兰VSL在内的12家机构开展欧盟资助的"平面电路和元件的微波测量"项目。欧盟计量局建立了一个覆盖110至约325GHz的晶圆上S参数校准系统，并开展了相关领域的校准技术研究。在校准算法方面，考虑到太赫兹频段晶圆上S参数测量系统存在新的误差源，欧盟计量技术机构建议采用16项误差模型校准³，以减少太赫兹频段晶圆上S参数测量的误差，提高测量精度。从2019年到2024年，欧洲国家计量机构协会对100GHz到1.1THz范围内的晶圆上S参数进行了溯源和验证工作。^4,5图3a显示了NPL的晶圆上S参数校准系统，图3b显示了基于PTB开发的16项误差模型的晶圆校准标准。

图3：(a) NPL的晶圆上S参数校准系统。(b)基于PTB开发的16项误差模型的晶圆上校准标准。

国内校准方法

对于67GHz以下的频率，中国的晶圆上校准方法已经成熟并得到广泛应用。这些方法包括短开路-直通（SOLT）、⁶短开路-反向负载（SOLR）、⁷线路-反射-反射匹配（LRRM）⁸和直通-反射线路（TRL）⁹。此外，还针对特定应用开发了一些专门的晶圆上校准方法，如串联电阻器校准方法。多线TRL校准方法最早由Marks¹⁰提出，用于解决波导系统的可追溯性问题，现在已应用于晶圆S参数测量。

然而，前面提到的传统校准方法的精度会随着频率的提高而降低。主要原因是校准方法中使用的误差模型无法表征探头端口之间的泄漏，即串扰。发生串扰的原因有多种：可能是被测设备（DUT）的电磁能量辐射、探头端口之间的能量泄漏以及基底之间的能量泄漏。为解决这一问题，一种技术方法是使用带有串扰误差的16项误差模型校准方法，如图4所示，以及从16项误差模型衍生出的其他新校准方法。另一种方法是使用具有明显物理意义的平行串扰误差法，结合传统的波导端口校准和微波探针提取两步校准法，该方法已应用于晶圆上系统。

图4：包括串扰误差在内的16项误差模型。

增强型SOLR（eSOLR）校准方法¹¹使用8项误差模型，如图5所示，包括e₀₀、e₁₁、e₀₁、e₁₀、e₂₂、e₃₃、e₂₃和e₃₂。在实际校准过程中，只需解决8个系统误差模型中的7个即可完成校准。eSOLR校准算法有两个求解过程。第一步是求解6项误差模型，第二步是求解比例系数。

图5：8项误差模型及其简化的ABCD误差网络。

为便于计算，八个基本误差项由等效ABCD传递矩阵表示。误差网络E₁相当于由e₀₀、e₁₁、e₀₁和e₁₀组成的误差网络，误差网络E₂相当于由e₂₂、e₃₃、e₂₃和e₃₂组成的误差网络。E₁和E₂包含DUT接触点的寄生参数。eSOLR校准方法结合了无需定义的直通传输线标准、两对反射标准（开路标准和短路标准）以及一对精确定义的负载标准，为太赫兹测量奠定了基础，从而实现了太赫兹晶圆校准。

使用多线TRL、SOLT、LRRM和eSOLR校准方法对失配衰减器进行了测试。S₂₁的幅度和相位结果分别如图6a和图6b所示。从图6a中可以看出，使用SOLT、LRRM和eSOLR校准方法测得的S₂₁幅值结果与多线TRL校准方法的结果接近，但由于所使用的单端口负载模型不完善，与多线TRL校准方法的结果存在一定差异。在图6b中，使用四种校准方法得出的S₂₁相位结果是一致的，eSOLR校准方法与多线TRL校准方法的一致性更好。

图6：(a)不同校准方法的S₂₁幅值比较。(b)不同校准方法的S₂₁相位比较。

使用10项误差模型的新SOLT校准方法

基于16项误差模型，使用10项误差模型¹²的新SOLT校准方法删除了VNA接收器的串扰误差e₃₀和e₀₃，以及接收器至探头端口的误差e₂₀、e₃₁、e₀₂和e₁₃。去除这六个串扰误差后，误差项从16个减少到10个，这样就可以使用与SOLT校准方法相同的校准标准（即短路、开路、负载和直通）进行校准。图7显示了使用不同方法校准的10dB衰减器的测量结果对比。此外，图7还给出了仿真结果作为参考值。从图中可以看出，使用10项误差模型的新SOLT校准方法的测量结果更接近仿真结果，并且随着频率的增加而更加平滑，这表明串扰校正达到了预期的效果。

图7：使用不同校准方法的测量结果。

即时校准法

即时校准方法¹³基于传统的8项误差模型，并在8项误差模型的基础上扩展了四个串扰误差项。由于串扰发生在两个探头之间，因此可将扩展的四个误差项视为在两个探头之间与DUT并联的虚拟双端口器件。这个双端口器件具有不同的S参数，因此电磁波在这个虚拟双端口器件中的传输与其DUT的反射有关，这与将串扰项视为常数的传统16项误差模型不同。带有串扰项的12项误差模型如图8所示，其中虚拟双端口器件的S参数表示为S_CT。

图8：即时校准方法的误差模型。

图9显示了即时校准法与传统的SOLT 16项10dB校准法之间的比较。180GHz时的测量结果差别不大。随着频率的增加，使用即时校准法测量的S₂₁值明显低于SOLT校准法。在220GHz时，S₂₁测量结果比传统SOLT测量结果低约1dB，更接近仿真结果。飞行校准方法会影响串扰级数的校准。

图9：不同校准方法的测量结果对比。

探头和校准标准的国内外发展趋势

2020年之前，大多数探头和晶圆上校准标准来自美国、日本和台湾省。美国FormFactor公司和GGB公司的探针最高频率可达1.1THz，并且具有多种不同的尺寸。图10a显示的是GGB的微同轴探头。图10b是FormFactor公司的空气共面探头(ACP)。图10c是FormFactor的MEMS Z探头，图10d是FormFactor的薄膜Infinity探头。

图10：使用不同工艺的探头。

自2022年以来，中国大陆开发并完善了ACP微波探头工艺。中国电子科技集团第十三研究所（CETC-13）等公司在此工艺基础上开发出了110GHz微波探头，其性能可与其他国家的最佳产品媲美。中国推出的探头产品达到了110GHz。随着半导体芯片对频率的要求越来越高，微波探头也将发展到更高的测试频率和更长的使用寿命。

作为这些开发活动的一个实例，美国俄亥俄州立大学的一个团队利用新型非接触式测量探针技术¹⁴实现了140至220GHz无源毫米波晶圆测量。这种非接触式探针测量方法可对微波、毫米波和太赫兹集成电路进行快速、可重复、低成本和无磨损的评估。这种新方法适用于从毫米波到太赫兹（60GHz到3THz）的宽频率范围。美国弗吉尼亚大学的一个研究小组使用硅基绝缘体工艺制造了一个微机械工艺探头¹⁵，可以扩展到太赫兹频率。目前，这种微机械共面波导探针已用于WR-1.0波段（0.75至1.1THz），以实现共面器件的晶圆测量。未来，这种技术还可能应用于更高的频率。

商用晶圆校准部件，也称为阻抗标准基板（ISS），通常由陶瓷基板制成。目前，中国以外的商用晶圆校准部件的适用频率范围达到325GHz。对于更高频率的晶圆上测量要求，需要在被测晶圆上制作特殊的晶圆上校准件。¹⁶ 在中国推出微波探头的同时，各种商用晶圆上校准件也相继推出，频率覆盖110GHz。目前，CETC-13在其商用校准标准的探头电阻变化方面具有最佳性能。

中国的计量学

自2012年以来，CETC-13已完成了多项研究计划，涉及MMIC自动测试系统、晶圆上S参数、负载牵引和噪声参数等主题。他们还负责为晶圆上测量和探针站编制若干校准规范。CETC-13在中国建立了独一无二的CNAS（中国国家认可标准）晶圆S参数、晶圆负载牵引和噪声测试系统校准能力。

在国家市场监管总局的组织下，CETC-13于2022年牵头开展了全国晶圆上S参数测量比对项目。通过测量比对，对加入实验室的晶圆上S参数测量进行了验证，确保了晶圆上S参数测量的准确性和传输的可靠性，更重要的是统一了晶圆上S参数测量的主要不确定度来源。同时，测量比对计划也为业界提供了一个晶圆上S参数测量一致性的比对平台。

结论

本文综述了从射频到太赫兹的晶圆上S参数校准方法、微波探头、晶圆上校准标准以及中国晶圆上计量建设的发展现状。经过多年的追赶，中国在这一领域已经达到了一个新的水平。然而，在太赫兹频段，中国在微波探头、晶圆校准标准和计量技术方面与世界其他国家仍有差距。

参考文献

见：www.microwavejournal.com/articles/43640