关于太赫兹测试系统的介绍和说明

随着诸如无创光谱检测、安保监控、近距车载雷达和5G通信等新兴的太赫兹（THz）应用的迅速发展，准确、可靠和可重复的测量是非常关键的。尤其是对于器件的研发、集成电路和满足太赫兹应用需求的新产品模块来说至关重要。

本文讨论了太赫兹频率晶圆级校准和测量的解决方案。对于测量仪器的选择、频繁的系统重新设置问题、影响校准的准确性和可重复性的操作技巧和计量分析测试数据的需求等提出了解决方案。

测试集成

次太赫兹频率的测量为了切换频段通常需要重复和繁琐的系统重新设置。例如，探头系统和矢量网络分析仪（VNA）需要重新设置和重新校准6次才能测量到750GHz（图1）。对待测器件（DUT）进行宽频测量已经成为极其耗时的工作。将次太赫兹VNA频率拓展组件集成到探头系统上的传统方法需要抬起夹具和显微镜，这会降低系统机械稳定性。同时，提高测试频率需要极其精准地将射频探头定位在待测器件和标准校准件的焊盘上。因此系统校准的准确性和可重复性随频率的升高呈指数型下降，待测器件的测定成为一项非常有挑战性的工作。

图1：使用MSG测量太赫兹晶体管，实现95%置信精度；测量频率达到750GHz需要重置六次系统。数据由NIST的Dylan Williams提供。

如MPI公司TS150-THZ手动测试系统集成了许多功能，以便解决太赫兹频率晶圆级测量遇到的挑战。这些功能包括无缝集成任何种类、任何频点的VNA频率拓展组件，以提供最大的测量动态范围和测量可重复性（图2a）。这可通过直接在低剖面Z平面稳定夹具表面安装加脊探头台板的方法实现。这个方法可以使太赫兹射频晶圆探头直接安装在VNA频率拓展组件的波导输出口（图2b），以最大化测量动态范围。一个专用的楔形VNA拓展组件固定平台用于方便更替这些组件（图2c）。不必将固定平台从拓展组件上拆卸下来：由于其底部扁平，固定平台和VNA拓展组件可以作为一个整体处理，放在实验室架子上或在柜子里供以后使用。

图2：MPI公司TS150-THZ可测试330GHz的集成探头系统和R&S公司ZVA系列VNA (a)。直接贴合在毫米波ZVA转换器输出端口的GGB波导探头(b)。R&S ZVA-Z75的楔型接口和R&S ZVA-Z220频率变换器(c)。图片由罗德与施瓦茨公司提供。

为什么选择多线TRL方法

美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的多线直通-反射-传输线（TRL）射频校准方法已经成为专注于晶圆级别射频测量的计量学和工业界实验室的标准方法。和其它校准方法相比，其关键优势是校准参考阻抗的计算，即ZREF，是通过测量沿校准标准微带线传播的行波得出的。行波是由传输线种类和设计决定的纯物理现象，和射频探头的形状与设计无关。多线TRL算法可以准确提取校准传输线的传输系数γ。因此多线TRL可以将测试参考平面精确地设置到任何一点。多线TRL校准件可以使用和待测器件相同的设计和半导体处理制造工艺。在晶圆上定制的多线TRL校准件可以免去从器件接触焊盘的寄生阻抗中剥离待测器件测试结果的麻烦。由于这些优势，多线TRL是110GHz以上唯一能得到可信校准结果的校准方法。

为了覆盖较宽的频率范围，校准时需要用三根或更多根不同长度的传输线。算上直通标准件和反射标准件，多线校准工具箱包括多于五个元件。为了实现可重复性测量，使用这种校准工具箱需要重复调整测微定位器和重复地将探头放在接触焊盘上。通常在毫米波段依靠手动探头系统难以获得准确且可重复的多线TRL校准，尤其是由几个经验水平不同的用户操作。TS150-THZ系统提供了集成数字测微尺的方案，可以简化校准过程。TRL算法通常将标准直通件视为0长度传输线。每个其它的传输线的有效长度，∆l，根据标准传输件的长度进行定义（图3a）。操作者在标准直通件上最初调整好探头后，简单地将数字测微尺置零（图3b）。下一步，射频探头之间的距离被重新设置为需要的∆l值（表1），其精度误差小于1 µm。因此，此系统提升了校准的准确性和可重复性的同时降低了设置的时间，甚至可以由没有经验的操作者使用。

图3：标准传输线∆l的TRL定义(a)。MP80-DX测微定位器和X轴上的数字测微计(b)。

表1：使用CS15氧化铝校准基材的共面波导传输线
标准类型	物理长度（µm）	有效长度（µm）	∆l（µm）
直通	175	150	0
传输线1（L2）	250	225	75
传输线2（L3）	355	330	180
传输线3（L4）	575	550	400
传输线4（L5）	1025	1000	850
传输线5（#10）	6600	6575	6425

StatistiCAL Plus是NIST开发的软件包，用于实现传统的多线TRL测量和基于正交距离回归的校准。此算法由NIST和德国联邦物理技术研究院（PTB）共同开发。此算法的独特之处是能够估计由随机误差导致的自身测试结果的不确定性。StatistiCAL Plus算法的特点是具有高度的健壮性，即使根据较差的最初估计也能得出计算结果。NIST微波不确定性框架在StatistiCAL Plus软件基础上进行了扩展，增加了根据不同模型计算和传输相关数据等后处理功能。此框架包括的后处理模块，可以将测量得到的S参数中的不确定性传播到晶体管增益、功率、材料参数和其它导出的测量结果和指标中。公司为计量学家和微波测试专家开发了两种软件包，用于离线后处理测试数据，即无需连接VNA、探头系统和器件测试软件。他们将典型的工业界或学术界测量实验室的应用，集成为一个通用的自动化测量流程，需要大量的编程和丰富的微波计量的经验。

目前，StatistiCAL Plus软件中NIST的多线TRL计量VNA校准方法可以通过MPI公司的QAlibria软件获得。两种软件包联手处理系统校准和数据流分析的工作（图4）：QAlibria负责和VNA、探头系统和操作者交互。与此同时StatistiCAL Plus在后台运行，计算校准误差和不确定性。通过QAlibria的多点触摸和多语言用户图像交互界面，设置错误的可能被降至最低，即使无经验的用户也能获得准确的校准结果。

图4：系统校准数据流图。

计算多线TRL误差需要关于校准标准件的初始信息，例如标准反射件的种类（即开路、短路或强反射）、标准传输线的物理长度和有效介电常数的初始估计。StatistiCAL算法需要最初的误差估计和一些NIST ODRPACK计算引擎的特殊设置。

这些定义由QAlibria自动完成，并作为StatistiCAL Plus的校准目录文件QAlibriaMenuNIST.scm存储在本地件夹中：MPIQAlibriaDataStatistiCAL。这个文件夹也包含由QAlibria测得的标准件原始数据(在\_input目录下)和由StatistiCAL计算出的校准矢量结果，自动存储为\_output目录下Solution.txt文件。等StatistiCAL Plus完成计算，QAlibria调用矢量结果，并且将误差值发送给VNA。此系统无需用户操作便可完成全部校准工作。

重复性和可复现性

目前市场上MPI手动系统的共同之处包括：一个空气轴承平台，一个由三个分立定位仪支撑的高可重复性平台，和自动接触的功能。后者的功能对于改进待测器件测量数据的接触可重复性和可复现性来说尤为重要，且和操作者的专业性无关。图5是使用GGB工业公司CS15商业氧化铝校准基材和波导射频探头，进行集总传输线-反射-匹配（LRM）校准的重复性和多线TRL校准的重复性对比。LRM方法由同一个经验丰富的操作者连续校准两次。使用校准比较方法计算这两次校准的区别。因为这两次校准是连续进行的，系统漂移被降到了最低，校准比较方法给出的结果主要是反映了LRM校准的重复性误差。下一步，进行四次多线TRL校准，两次是由有经验的操作者校准，另外两次由无经验的操作者校准。每次数字测微尺都被用于测定表1中每条校准线的∆l。由两个操作者进行的多线TRL校准最大可重复性误差明显小于由一个操作者进行的LRM校准误差。

图5：集总LRM校准可重复性和在TS150-THZ搭配MP80-DX组件进行多线TRL校准的操作误差对比。

多线TRL可以准确提取校准传输线的传播系数γ，也易于计算有效介电常数εeff。NIST的StatistiCAL Plus可以将每条传输线的εeff实部和虚部绘成图表并计算其平均值（图6）。这个功能对于迅速确认和调试校准结果非常有帮助。如有需要，校准数据可以图表或数据的方式导出，以便进一步分析。另外一种迅速检查校准是否成功的方法是对校准所用的标准传输线和标准反射件的修正后的S参数进行确认（图7和8）。

图6：StatistiCAL Plus（调试模式）计算和显示的有效介电常数εeff的实部和虚部。

图7：CS15校准基材上的标准共面波导，探头由GGB工业公司提供。直通(a)、短路(b)、传输线2 (c)和传输线3 (d)。

图8：CS15共面波导标准传输线(a)和标准短路件(b)修正后结果。

在需要对待测器件的测试数据、校准和测试不确定性误差进行进一步分析时，StatistiCAL Plus矢量解法可以直接安装到NIST不确定性框架的Calibrate DUT Plus工具里面（图9）。可以用于计算待测器件的参数，包括95%置信精度的标准不确定性。校准不确定性协方差矩阵也可以由StatistiCAL Plus菜单栏导出（图10）。

图9：NIST不确定性框架包提供的Calibrate DUT Plus工具

图10：从StatistiCAL Plus中导出校准残余误差协方差矩阵。

结论

为了证明此系统的能力，测量了夫琅禾费研究所应用固态物理学实验室开发的一个四级325GHz毫米波单片集成低噪声放大器（MMIC LNA）（图11）。|S21|参数的测量结果具有±95%置信精度。晶圆级别频率高达太赫兹的测量对系统集成、校准、操作和数据分析提出了新的需求。由底层设计的晶圆探针系统整合了许多新功能，以便简化系统操作和重新设置系统，并且可以最大化测量动态范围和可复现性。

图11：夫琅和费研究所325GHz四级单片微波集成电路低噪声放大器(a)和±95%置信精度的S21测试结果(b)。

通过集成NIST的StatistiCAL Plus软件和NIST的不确定性框架，首次实现了高精度计量系统的校准简化、器件测量和数据分析。模块化的热力和非热力夹具、高级射频配件（例如射频测微定位器、射频线缆、校准基材和射频探头）、新的校准技术和近距离将VNA集成到探针系统，组成了一个完整的测试解决方案，满足了太赫兹探索中复杂性和准确性的需求。