隨著諸如無創(chuàng)光譜檢測、安保監(jiān)控、近距車載雷達和5G通信等新興的太赫茲（THz）應用的迅速發(fā)展，準確、可靠和可重復的測量是非常關鍵的。尤其是對于器件的研發(fā)、集成電路和滿足太赫茲應用需求的新產(chǎn)品模塊來說至關重要。

本文討論了太赫茲頻率晶圓級校準和測量的解決方案。對于測量儀器的選擇、頻繁的系統(tǒng)重新設置問題、影響校準的準確性和可重復性的操作技巧和計量分析測試數(shù)據(jù)的需求等提出了解決方案。

測試集成

次太赫茲頻率的測量為了切換頻段通常需要重復和繁瑣的系統(tǒng)重新設置。例如，探頭系統(tǒng)和矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA）需要重新設置和重新校準6次才能測量到750GHz（圖1）。對待測器件（DUT）進行寬頻測量已經(jīng)成為極其耗時的工作。將次太赫茲VNA頻率拓展組件集成到探頭系統(tǒng)上的傳統(tǒng)方法需要抬起夾具和顯微鏡，這會降低系統(tǒng)機械穩(wěn)定性。同時，提高測試頻率需要極其精準地將射頻探頭定位在待測器件和標準校準件的焊盤上。因此系統(tǒng)校準的準確性和可重復性隨頻率的升高呈指數(shù)型下降，待測器件的測定成為一項非常有挑戰(zhàn)性的工作。

圖1：使用MSG測量太赫茲晶體管，實現(xiàn)95%置信精度；測量頻率達到750GHz需要重置六次系統(tǒng)。數(shù)據(jù)由NIST的Dylan Williams提供。

如MPI公司TS150-THZ手動測試系統(tǒng)集成了許多功能，以便解決太赫茲頻率晶圓級測量遇到的挑戰(zhàn)。這些功能包括無縫集成任何種類、任何頻點的VNA頻率拓展組件，以提供最大的測量動態(tài)范圍和測量可重復性（圖2a）。這可通過直接在低剖面Z平面穩(wěn)定夾具表面安裝加脊探頭臺板的方法實現(xiàn)。這個方法可以使太赫茲射頻晶圓探頭直接安裝在VNA頻率拓展組件的波導輸出口（圖2b），以最大化測量動態(tài)范圍。一個專用的楔形VNA拓展組件固定平臺用于方便更替這些組件（圖2c）。不必將固定平臺從拓展組件上拆卸下來：由于其底部扁平，固定平臺和VNA拓展組件可以作為一個整體處理，放在實驗室架子上或在柜子里供以后使用。

圖2：MPI公司TS150-THZ可測試330GHz的集成探頭系統(tǒng)和R&S公司ZVA系列VNA (a)。直接貼合在毫米波ZVA轉(zhuǎn)換器輸出端口的GGB波導探頭(b)。R&S ZVA-Z75的楔型接口和R&S ZVA-Z220頻率變換器(c)。圖片由羅德與施瓦茨公司提供。

為什么選擇多線TRL方法

美國國家標準與技術研究院(NIST)開發(fā)的多線直通-反射-傳輸線（TRL）射頻校準方法已經(jīng)成為專注于晶圓級別射頻測量的計量學和工業(yè)界實驗室的標準方法。和其它校準方法相比，其關鍵優(yōu)勢是校準參考阻抗的計算，即ZREF，是通過測量沿校準標準微帶線傳播的行波得出的。行波是由傳輸線種類和設計決定的純物理現(xiàn)象，和射頻探頭的形狀與設計無關。多線TRL算法可以準確提取校準傳輸線的傳輸系數(shù)γ。因此多線TRL可以將測試參考平面精確地設置到任何一點。多線TRL校準件可以使用和待測器件相同的設計和半導體處理制造工藝。在晶圓上定制的多線TRL校準件可以免去從器件接觸焊盤的寄生阻抗中剝離待測器件測試結(jié)果的麻煩。由于這些優(yōu)勢，多線TRL是110GHz以上唯一能得到可信校準結(jié)果的校準方法。

為了覆蓋較寬的頻率范圍，校準時需要用三根或更多根不同長度的傳輸線。算上直通標準件和反射標準件，多線校準工具箱包括多于五個元件。為了實現(xiàn)可重復性測量，使用這種校準工具箱需要重復調(diào)整測微定位器和重復地將探頭放在接觸焊盤上。通常在毫米波段依靠手動探頭系統(tǒng)難以獲得準確且可重復的多線TRL校準，尤其是由幾個經(jīng)驗水平不同的用戶操作。TS150-THZ系統(tǒng)提供了集成數(shù)字測微尺的方案，可以簡化校準過程。TRL算法通常將標準直通件視為0長度傳輸線。每個其它的傳輸線的有效長度，?l，根據(jù)標準傳輸件的長度進行定義（圖3a）。操作者在標準直通件上最初調(diào)整好探頭后，簡單地將數(shù)字測微尺置零（圖3b）。下一步，射頻探頭之間的距離被重新設置為需要的?l值（表1），其精度誤差小于1 μm。因此，此系統(tǒng)提升了校準的準確性和可重復性的同時降低了設置的時間，甚至可以由沒有經(jīng)驗的操作者使用。

圖3：標準傳輸線?l的TRL定義(a)。MP80-DX測微定位器和X軸上的數(shù)字測微計(b)。

StatistiCAL Plus是NIST開發(fā)的軟件包，用于實現(xiàn)傳統(tǒng)的多線TRL測量和基于正交距離回歸的校準。此算法由NIST和德國聯(lián)邦物理技術研究院（PTB）共同開發(fā)。此算法的獨特之處是能夠估計由隨機誤差導致的自身測試結(jié)果的不確定性。StatistiCAL Plus算法的特點是具有高度的健壯性，即使根據(jù)較差的最初估計也能得出計算結(jié)果。NIST微波不確定性框架在StatistiCAL Plus軟件基礎上進行了擴展，增加了根據(jù)不同模型計算和傳輸相關數(shù)據(jù)等后處理功能。此框架包括的后處理模塊，可以將測量得到的S參數(shù)中的不確定性傳播到晶體管增益、功率、材料參數(shù)和其它導出的測量結(jié)果和指標中。公司為計量學家和微波測試專家開發(fā)了兩種軟件包，用于離線后處理測試數(shù)據(jù)，即無需連接VNA、探頭系統(tǒng)和器件測試軟件。他們將典型的工業(yè)界或?qū)W術界測量實驗室的應用，集成為一個通用的自動化測量流程，需要大量的編程和豐富的微波計量的經(jīng)驗。

目前，StatistiCAL Plus軟件中NIST的多線TRL計量VNA校準方法可以通過MPI公司的QAlibria軟件獲得。兩種軟件包聯(lián)手處理系統(tǒng)校準和數(shù)據(jù)流分析的工作（圖4）：QAlibria負責和VNA、探頭系統(tǒng)和操作者交互。與此同時StatistiCAL Plus在后臺運行，計算校準誤差和不確定性。通過QAlibria的多點觸摸和多語言用戶圖像交互界面，設置錯誤的可能被降至最低，即使無經(jīng)驗的用戶也能獲得準確的校準結(jié)果。

圖4：系統(tǒng)校準數(shù)據(jù)流圖。

計算多線TRL誤差需要關于校準標準件的初始信息，例如標準反射件的種類（即開路、短路或強反射）、標準傳輸線的物理長度和有效介電常數(shù)的初始估計。StatistiCAL算法需要最初的誤差估計和一些NIST ODRPACK計算引擎的特殊設置。

這些定義由QAlibria自動完成，并作為StatistiCAL Plus的校準目錄文件QAlibriaMenuNIST.scm存儲在本地件夾中：MPIQAlibriaDataStatistiCAL。這個文件夾也包含由QAlibria測得的標準件原始數(shù)據(jù)(在\_input目錄下)和由StatistiCAL計算出的校準矢量結(jié)果，自動存儲為\_output目錄下Solution.txt文件。等StatistiCAL Plus完成計算，QAlibria調(diào)用矢量結(jié)果，并且將誤差值發(fā)送給VNA。此系統(tǒng)無需用戶操作便可完成全部校準工作。

重復性和可復現(xiàn)性

目前市場上MPI手動系統(tǒng)的共同之處包括：一個空氣軸承平臺，一個由三個分立定位儀支撐的高可重復性平臺，和自動接觸的功能。后者的功能對于改進待測器件測量數(shù)據(jù)的接觸可重復性和可復現(xiàn)性來說尤為重要，且和操作者的專業(yè)性無關。圖5是使用GGB工業(yè)公司CS15商業(yè)氧化鋁校準基材和波導射頻探頭，進行集總傳輸線-反射-匹配（LRM）校準的重復性和多線TRL校準的重復性對比。LRM方法由同一個經(jīng)驗豐富的操作者連續(xù)校準兩次。使用校準比較方法計算這兩次校準的區(qū)別。因為這兩次校準是連續(xù)進行的，系統(tǒng)漂移被降到了最低，校準比較方法給出的結(jié)果主要是反映了LRM校準的重復性誤差。下一步，進行四次多線TRL校準，兩次是由有經(jīng)驗的操作者校準，另外兩次由無經(jīng)驗的操作者校準。每次數(shù)字測微尺都被用于測定表1中每條校準線的?l。由兩個操作者進行的多線TRL校準最大可重復性誤差明顯小于由一個操作者進行的LRM校準誤差。

圖5：集總LRM校準可重復性和在TS150-THZ搭配MP80-DX組件進行多線TRL校準的操作誤差對比。

多線TRL可以準確提取校準傳輸線的傳播系數(shù)γ，也易于計算有效介電常數(shù)εeff。NIST的StatistiCAL Plus可以將每條傳輸線的εeff實部和虛部繪成圖表并計算其平均值（圖6）。這個功能對于迅速確認和調(diào)試校準結(jié)果非常有幫助。如有需要，校準數(shù)據(jù)可以圖表或數(shù)據(jù)的方式導出，以便進一步分析。另外一種迅速檢查校準是否成功的方法是對校準所用的標準傳輸線和標準反射件的修正后的S參數(shù)進行確認（圖7和8）。

圖6：StatistiCAL Plus（調(diào)試模式）計算和顯示的有效介電常數(shù)εeff的實部和虛部。

圖7：CS15校準基材上的標準共面波導，探頭由GGB工業(yè)公司提供。直通(a)、短路(b)、傳輸線2 (c)和傳輸線3 (d)。

圖8：CS15共面波導標準傳輸線(a)和標準短路件(b)修正后結(jié)果。

在需要對待測器件的測試數(shù)據(jù)、校準和測試不確定性誤差進行進一步分析時，StatistiCAL Plus矢量解法可以直接安裝到NIST不確定性框架的Calibrate DUT Plus工具里面（圖9）?？梢杂糜谟嬎愦郎y器件的參數(shù)，包括95%置信精度的標準不確定性。校準不確定性協(xié)方差矩陣也可以由StatistiCAL Plus菜單欄導出（圖10）。

圖9：NIST不確定性框架包提供的Calibrate DUT Plus工具

圖10：從StatistiCAL Plus中導出校準殘余誤差協(xié)方差矩陣。

結(jié)論

為了證明此系統(tǒng)的能力，測量了夫瑯禾費研究所應用固態(tài)物理學實驗室開發(fā)的一個四級325GHz毫米波單片集成低噪聲放大器（MMIC LNA）（圖11）。|S21|參數(shù)的測量結(jié)果具有±95%置信精度。晶圓級別頻率高達太赫茲的測量對系統(tǒng)集成、校準、操作和數(shù)據(jù)分析提出了新的需求。由底層設計的晶圓探針系統(tǒng)整合了許多新功能，以便簡化系統(tǒng)操作和重新設置系統(tǒng)，并且可以最大化測量動態(tài)范圍和可復現(xiàn)性。

圖11：夫瑯和費研究所325GHz四級單片微波集成電路低噪聲放大器(a)和±95%置信精度的S21測試結(jié)果(b)。

通過集成NIST的StatistiCAL Plus軟件和NIST的不確定性框架，首次實現(xiàn)了高精度計量系統(tǒng)的校準簡化、器件測量和數(shù)據(jù)分析。模塊化的熱力和非熱力夾具、高級射頻配件（例如射頻測微定位器、射頻線纜、校準基材和射頻探頭）、新的校準技術和近距離將VNA集成到探針系統(tǒng)，組成了一個完整的測試解決方案，滿足了太赫茲探索中復雜性和準確性的需求。