DE102012205943A1 - Calibration arrangement for calibrating network analog for calibrated measurement of e.g. microwave circuit, has shield portion for shielding linking dot on opposite side of calibration standard and in extended plane of standard - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kalibrieren einer Messeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement for calibrating a measuring device according to the preamble of
Bei elektronischen Bauelementen bzw. -komponenten, wie beispielsweise Millimeterwellenschaltungen (MMICs) oder Mikrowellenschaltungen, die auf Halbleiterscheiben, den sogenannten Wafern, hergestellt werden, ist es sinnvoll, diese nach der Herstellung elektrisch zu vermessen. Sofern eine Zerteilung des Wafers erfolgt, kann die Messung auch vor der Zerteilung („on chip”) durchgeführt werden.In the case of electronic components or components, such as MMICs or microwave circuits, which are produced on semiconductor wafers, the so-called wafers, it is expedient to measure them electrically after production. If a division of the wafer takes place, the measurement can also be carried out before the on-chip.
Die elektrischen Eigenschaften von Mikrowellenbauelementen und -komponenten werden unter anderem durch Streuparameter (SP, S-Parameter) – also Transmission und Reflexion der Mikrowellenbauelemente – beschrieben, welche das Kleinsignalverhalten, insbesondere das Netzwerkverhalten der zu vermessenden Objekte charakterisieren. Diese Streuparameter können mittels einer Netzwerkanalyse ermittelt werden, wobei im Stand der Technik hierzu beispielsweise eine On-Wafer-Messung mittels eines Netzwerkanalysators (NWA) durchgeführt wird. Dabei wird das zu vermessende Objekt, d. h. beispielsweise ein MMIC, an mindestens einem seiner Eingänge durch eine an einem Einkoppelbereich eingekoppelte, monofrequente Leistungswelle angeregt, während die übrigen Anschlüsse (Tore) durch geeignete Lasten reflexionsfrei abgeschlossen sind, wobei die Leistungsanteile (in Betrag und Phase), welche zu den anderen Toren transmittiert werden bzw. der Anteil, der am Eingang des zu vermessenden Objekts reflektiert wird, gemessen werden.The electrical properties of microwave components and components are described inter alia by scattering parameters (SP, S parameters) - ie transmission and reflection of the microwave components - which characterize the small-signal behavior, in particular the network behavior of the objects to be measured. These scattering parameters can be determined by means of a network analysis, wherein in the prior art, for example, an on-wafer measurement is carried out by means of a network analyzer (NWA). In this case, the object to be measured, d. H. For example, an MMIC excited at at least one of its inputs by a coupled to a coupling region, monofrequente power wave, while the other ports (gates) are completed by suitable loads reflection, the power components (in magnitude and phase), which transmits to the other gates or the proportion which is reflected at the entrance of the object to be measured, be measured.
Diese Messung wird am gesamten System, welches die Anschlussleitungen und die Prüfsonden, aber auch unerwünschte Kopplungen umfasst, mit dem oben genannten NWA durchgeführt.This measurement is performed on the entire system, which includes the connecting lines and the probes, but also unwanted couplings, with the above-mentioned NWA.
Jedoch ist für diese Netzwerkanalyse, insbesondere bei der sogenannten vektoriellen Netzwerkanalyse, notwendig, eine Systemfehlerkorrektur vor der eigentlichen Messung der elektronischen Bauelemente durchzuführen, um präzise Messergebnisse zu erhalten. Daher wird vor der Messung eine Kalibrierung des NWA anhand sogenannter Kalibrierstandards durchgeführt, deren elektrische Kenngrößen bekannt sind. Aufgrund der Kenntnis der elektrischen Kenngrößen der Kalibrierstandards können sogenannte Fehlerterme als Element einer systemcharakteristischen Transformationsmatrix bestimmt werden. Die so bestimmten Fehlerterme werden dann als Korrekturdaten bei der Auswertung der Daten der anschließenden Messung der zu vermessenden elektronischen Bauelemente berücksichtigt.However, for this network analysis, especially in the so-called vectorial network analysis, it is necessary to perform a system error correction before the actual measurement of the electronic components in order to obtain precise measurement results. Therefore, before the measurement, a calibration of the NWA is carried out on the basis of so-called calibration standards whose electrical parameters are known. Due to the knowledge of the electrical parameters of the calibration standards so-called error terms can be determined as an element of a system-characteristic transformation matrix. The error terms thus determined are then taken into account as correction data in the evaluation of the data of the subsequent measurement of the electronic components to be measured.
Um eine möglichst genaue Auswertung der Messungen zu ermöglichen, werden hohe Anforderungen an die Kalibrierstandards gestellt. Beispielsweise muss ihr frequenzabhängiges Kleinsignalverhalten sehr genau bekannt sein und sie müssen mit hoher Reproduzierbarkeit gemessen werden können. Weiterhin müssen sie einen vollständigen Satz von Bestimmungsgleichungen liefern und eine analytische Lösung der Gleichungen ermöglichen. Schließlich müssen die Kalibrierstandards auch noch im Falle von On-Wafer-Messungen für die Prüfsonden auf möglichst einfache Weise zugänglich sein.In order to allow the most accurate evaluation of the measurements, high demands are placed on the calibration standards. For example, their frequency-dependent small-signal behavior must be known very accurately and they must be able to be measured with high reproducibility. Furthermore, they must provide a complete set of equations of fit and allow an analytic solution of the equations. Finally, the calibration standards must also be accessible in the simplest possible way for on-wafer measurements for the test probes.
Insbesondere im Hinblick auf die letztgenannte Anforderung ist es im Stand der Technik bekannt, Kalibrierstandards zu verwenden, die auf einem Substrat angeordnet sind. Alternativ kann jedoch auch eine in-situ Kalibrierung von direkt auf dem Wafer, welcher die zu vermessenden Objekte enthält, vorgesehenen Kalibrierstandards vorgenommen werden. Gängige Kalibrationsverfahren basieren auf den Standards „SHORT”, „OFEN”, „LOAD” als Eintor-Elemente und Transmissionsleitungen „THRU” beziehungsweise „LINE” von beispielsweise unterschiedlicher Länge als Zweitor-Elemente. Die Prüfspitzen des Netzwerkanalysators sind u. a. für eine koplanare Umgebung ausgelegt. Das Signal wird von den Prüfspitzen über koplanare Transmissionsleitungen auf die Kalibrierstandards an Einkoppelbereichen eingekoppelt. Die Einkoppelbereiche sind somit elektrisch mit dem Kalibrierstandard verbunden. Die Gesamtheit von Kalibrierstandard und allen diesem Kalibrierstandard zugeordneten Einkoppelbereichen wird auch als Kalibrierstruktur bezeichnet. Der Ort, an welchem die Prüfspitze zur Kontaktierung eines Innenleiters des Kalibrierstandards auf den Einkoppelbereich aufgesetzt wird, wird hierbei und im Folgenden als Einkoppelpunkt bezeichnet.In particular, in view of the latter requirement, it is known in the art to use calibration standards arranged on a substrate. Alternatively, however, an in-situ calibration of calibration standards provided directly on the wafer containing the objects to be measured can also be undertaken. Common calibration methods are based on the standards "SHORT", "OVEN", "LOAD" as single-gate elements and transmission lines "THRU" or "LINE" of, for example, different lengths as two-port elements. The probes of the network analyzer are u. a. designed for a coplanar environment. The signal is coupled from the test probes via coplanar transmission lines to the calibration standards at coupling-in areas. The coupling-in areas are thus electrically connected to the calibration standard. The entirety of the calibration standard and all coupling regions assigned to this calibration standard is also referred to as the calibration structure. The location at which the probe is placed on the coupling region for contacting an inner conductor of the calibration standard is referred to here and hereinafter as Einkoppelpunkt.
Problematisch bei einer derartigen Konfiguration ist jedoch, dass sich insbesondere bei höheren Frequenzen, beispielsweise bei Frequenzen oberhalb von 110 GHz (Gigahertz), parasitäre Wellenmoden über das offene Ende der Transmissionsleitung im Kalibriersubstrat ausbreiten können. Die durch derartige parasitäre Wellenmoden bedingten Einflüsse sind u. a. von der Umgebung des Kalibrierstandards abhängig, beispielsweise davon, ob und welche weiteren Komponenten, wie z. B. weitere Kalibrierstandards, zu dem gerade vermessenen Kalibrierstandard angeordnet sind und in welchem Abstand sich diese weiteren Komponenten zu dem Kalibrierstandard befinden. Der oben beschriebene Effekt führt dazu, dass das bei der Kalibration tatsächlich gemessene Signal nicht nur von dem angenommenen Kalibrierstandard herrührt, sondern zusätzliche Signalbeiträge enthält.The problem with such a configuration, however, is that especially at higher frequencies, for example at frequencies above 110 GHz (gigahertz), parasitic wave modes can propagate across the open end of the transmission line in the calibration substrate. The influences caused by such parasitic wave modes are u. a. depending on the environment of the calibration standards, for example, whether and which other components, such. As further calibration standards are arranged to the calibration standard just measured and at which distance these other components are to the calibration standard. The effect described above means that the signal actually measured during the calibration does not only derive from the assumed calibration standard, but contains additional signal contributions.
Bei höheren Frequenzen entstehen hierdurch substantielle Messfehler. Da die Kalibrationsdaten im Allgemeinen keine redundante Information enthalten, ist der entstandene Fehler auch nicht ersichtlich. Zudem kann sich der Fehler noch vergrößern, wenn sich die dielektrischen Eigenschaften des Substrats bei der Kalibration – typischerweise Keramik – und bei der Messung – typischerweise ein Verbindungshalbleiter wie GaAs – unterscheiden.At higher frequencies, this results in substantial measurement errors. Since the calibration data is in In general, contain no redundant information, the resulting error is not apparent. In addition, the error may increase if the dielectric properties of the substrate differ during calibration - typically ceramic - and during measurement - typically a compound semiconductor such as GaAs.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zum Kalibrieren einer Messeinrichtung, insbesondere eines Netzwerkanalysators zur Messung von elektronischen Bauelementen, bereitzustellen, welche eine hochpräzise Kalibrierung der Messeinrichtung ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide an arrangement for calibrating a measuring device, in particular a network analyzer for measuring electronic components, which enables a high-precision calibration of the measuring device.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zum Kalibrieren einer Messeinrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen 2 bis 15.This object is achieved by an arrangement for calibrating a measuring device having the features according to
Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zum Kalibrieren einer Messeinrichtung, insbesondere eines Netzwerkanalysators zur kalibrierten Messung von elektronischen Bauelementen, bereitgestellt, welche Anordnung zumindest einen auf einem Träger angeordneten Kalibrierstandard umfasst, welcher Kalibrierstandard zumindest einen Einkoppelbereich mit mindestens einem Einkoppelpunkt zum Einkoppeln einer Welle umfasst. Wesentlich ist, dass der Einkoppelbereich zumindest eine Abschirmung aufweist, welche Abschirmung den Einkoppelpunkt zumindest auf der dem Kalibrierstandard abgewandten Seite und zumindest in der Ebene, in welcher sich der Kalibrierstandard erstreckt, umgibt. Der Einkoppelpunkt wird somit zumindest in der vorgenannten Ebene und zumindest an der dem Kalibrierstandard abgewandten Seite gegenüber äußeren Einflüssen abgeschirmt und/oder eine Wechselwirkung mit Elementen außerhalb der Abschirmung vermieden oder zumindest verringert.According to the invention, an arrangement is provided for calibrating a measuring device, in particular a network analyzer for the calibrated measurement of electronic components, which arrangement comprises at least one calibration standard arranged on a support, which calibration standard comprises at least one coupling-in region with at least one coupling-in point for coupling in a shaft. It is essential that the coupling-in region has at least one shield, which shield surrounds the coupling-in point at least on the side facing away from the calibration standard and at least in the plane in which the calibration standard extends. The coupling point is thus shielded from external influences at least in the aforementioned plane and at least on the side facing away from the calibration standard and / or prevents or at least reduces an interaction with elements outside the shield.
Aufgrund der Abschirmung werden durch parasitäre Wellenmoden erzeugte Fehlerquellen ausgeschaltet oder zumindest deren Einfluss erheblich verringert, und es kann ein präzises Messergebnis erhalten werden. Die erfindungsgemäße Anordnung zum Kalibrieren ist besonders relevant bei Frequenzen oberhalb von 110 GHz. Gerade bei diesen hohen Frequenzen kann durch die erfindungsgemäße Konfiguration eine deutliche Verbesserung der Kalibrierung und somit des Messergebnisses erzielt werden.Due to the shielding, sources of error generated by parasitic wave modes are eliminated or at least greatly reduced in their influence, and a precise measurement result can be obtained. The calibration arrangement according to the invention is particularly relevant at frequencies above 110 GHz. Especially at these high frequencies can be achieved by the configuration according to the invention a significant improvement in the calibration and thus the measurement result.
Hierbei ist die Erfindung in der Erkenntnis begründet, dass bei vorbekannten Anordnungen zum Kalibrieren einer Messeinrichtung insbesondere an den Einkoppelbereichen aufgrund äußerer Einflüsse, insbesondere undefinierter oder sich ändernder Randbedingungen hinsichtlich der eingekoppelten Welle Fehler begründet sein können, welche zu einer ungenauen Kalibrierung und somit zu einer fehlerhaften Messung führen. Die Abschirmung erfüllt somit die Funktion, eine Interaktion der während des Messvorgangs an dem Kalibrierstandard erzeugten Wellen mit der Umgebung außerhalb der Abschirmung zu vermeiden oder zumindest erheblich zu verringern, so dass das Messergebnis unabhängig oder zumindest verglichen mit dem Stand der Technik erheblich weniger beeinflusst von der Umgebung des Kalibrierstandards außerhalb der Abschirmung ist.In this case, the invention is based on the recognition that with known arrangements for calibrating a measuring device, in particular at the coupling regions due to external influences, in particular undefined or changing boundary conditions with respect to the coupled shaft errors may be due to an inaccurate calibration and thus to a faulty Lead measurement. The shield thus fulfills the function of avoiding or at least significantly reducing the interaction of the waves generated during the measurement process with the environment outside the shield, so that the measurement result is independently or at least significantly less affected than in the prior art Environment of the calibration standard outside the shield.
Die Abschirmung kann hierbei hinsichtlich der erzeugten Wellen spiegelnd oder absorbierend ausgebildet sein, wobei es im Rahmen der Erfindung liegt, dass Teile der Abschirmung spiegelnd und andere Teile absorbierend ausgebildet sind.In this case, the shielding can be designed to be reflective or absorbing with regard to the waves generated, it being within the scope of the invention for parts of the shield to be reflective and other parts to be absorbent.
Wie vorangehend beschrieben ist die Abschirmung insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 110 GHz relevant. Die Abschirmung ist daher vorzugsweise spiegelnd und/oder absorbierend für Frequenzen oberhalb von 110 GHz ausgebildet, insbesondere für eine vorgegebene, für das zu prüfende elektronische Bauteil relevante Frequenz oder einen relevanten Frequenzbereich.As described above, the shielding is particularly relevant at frequencies above 110 GHz. The shield is therefore preferably mirroring and / or absorbing for frequencies above 110 GHz, in particular for a given frequency relevant to the electronic component to be tested or a relevant frequency range.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform sind sämtliche Elemente der Abschirmung spiegelnd ausgebildet. Insbesondere bei Ausbildung des Trägers mit einer Dicke kleiner 400 μm, bevorzugt kleiner 200 μm, weiter bevorzugt kleiner 100 μm, insbesondere im Bereich von 200 μm bis 25 μm ist es vorteilhaft, an der dem Kalibrierstandard abgewandten Rückseite des Trägers eine spiegelnde Abschirmung vorzusehen, insbesondere eine ganzflächige Metallisierung.In a preferred embodiment, all elements of the shield are formed mirroring. In particular, when the carrier is formed with a thickness of less than 400 .mu.m, preferably less than 200 .mu.m, more preferably less than 100 .mu.m, in particular in the range of 200 .mu.m to 25 .mu.m, it is advantageous to provide a reflective shield on the rear side of the carrier facing away from the calibration standard, in particular a full-surface metallization.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist zumindest an der dem Kalibrierstandard abgewandten Rückseite des Trägers eine absorbierende Abschirmung angeordnet. Hierbei kann die absorbierende Abschirmung vorteilhafterweise aus einem im relevanten Wellenlängenbereich dämpfenden Material ausgebildet sein, bevorzugt Kohlenstoffpartikeln und/oder einen elektrisch leitfähigen Schaumstoff umfassend. Die Anordnung eines Absorbers zumindest an der Rückseite des Trägers ist insbesondere in Kombination mit einem Träger, welcher aus Keramik ausgebildet ist, vorteilhaft.In a further preferred embodiment, an absorbent shield is arranged at least on the rear side of the carrier facing away from the calibration standard. In this case, the absorbent shield can advantageously be formed from a material which attenuates in the relevant wavelength range, preferably comprising carbon particles and / or an electrically conductive foam. The arrangement of an absorber at least on the back of the carrier is particularly advantageous in combination with a carrier which is formed of ceramic.
Typische Kalibrierstandards für Zweitor-S-Parameter weisen neben einem Mittelleiter mindestens einen Außenleiter auf. Vorzugsweise ist die Abschirmung des Einkoppelbereiches elektrisch leitend mit dem Außenleiter des Kalibrierstandards verbunden. Hierdurch liegen Außenleiter und Abschirmung auf dem gleichen Potential.Typical calibration standards for two-port S parameters have at least one outer conductor in addition to a center conductor. The shielding of the coupling-in region is preferably connected in an electrically conductive manner to the outer conductor of the calibration standard. As a result, the outer conductor and the shield are at the same potential.
Typische Kalibrierstandards weisen zumindest zwei, meist genau zwei Außenleiter auf, wobei hinsichtlich einer Längserstreckung des Innenleiters des Kalibrierstandards auf jeder Seite jeweils ein Außenleiter angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Abschirmung mit allen Außenleitern des Kalibrierstandards elektrisch leitend verbunden. In dieser vorteilhaften Ausführungsform verbindet die Abschirmung die Außenleiter somit elektrisch. Insbesondere ist die Abschirmung vorzugsweise als metallische Schicht ausgebildet, welche sich zumindest auf der Oberfläche des Trägers ausgehend von dem einen Außenleiter um den Einkoppelpunkt herum bis zu dem zweiten Außenleiter erstreckt.Typical calibration standards have at least two, usually exactly two outer conductors, wherein with respect to a longitudinal extension of the inner conductor of the calibration standard on each side an outer conductor is arranged in each case. The shield is preferably electrically conductively connected to all outer conductors of the calibration standard. In this advantageous embodiment, the shield thus electrically connects the outer conductors. In particular, the shield is preferably formed as a metallic layer, which extends at least on the surface of the carrier, starting from the one outer conductor around the coupling point around to the second outer conductor.
Die Abschirmung ist vorzugsweise den Einkoppelpunkt des Kalibrierstandards derart umgebend angeordnet, dass der Kalibrierstandard zumindest in der Ebene, in welcher sich der Kalibrierstandard erstreckt, gegenüber weiteren Kalibrierstandards des Trägers und/oder weiteren Mikrowellenbaulementen abgeschirmt ist. Insbesondere ist innerhalb der Abschirmung vorzugsweise lediglich der Einkoppelpunkt und gegebenenfalls ein Innenleiter des Kalibrierstandards als Mikrowellenbauelement angeordnet. Hierdurch wird eine Wechselwirkung mit weiteren Mikrowellenbauelementen während der Messung vermieden oder zumindest verringert.The shield is preferably arranged surrounding the coupling point of the calibration standard such that the calibration standard is shielded from other calibration standards of the carrier and / or further microwave components at least in the plane in which the calibration standard extends. In particular, only the coupling-in point and optionally an inner conductor of the calibration standard is preferably arranged within the shield as a microwave component. As a result, an interaction with further microwave components during the measurement is avoided or at least reduced.
Die Abstand zwischen Einkoppelpunkt und Abschirmung ist vorzugsweise kleiner ¼ der bei der Messung relevanten Wellenlänge, beispielsweise zumindest kleiner ¼ der Wellenlänge von 110 GHz, insbesondere zumindest kleiner 700 μm, weiter bevorzugt ¼ der Wellenlänge unter Berücksichtigung des Verkürzungsfaktors für das Trägermaterial. Beispielsweise ist der vorgenannte Abstand bei Verwendung eines GaAs-Trägers ausgehend von 110 GHz bevorzugt kleiner 300 μm, insbesondere 278 μm.The distance between coupling point and shielding is preferably less than ¼ of the wavelength relevant to the measurement, for example at least ¼ of the wavelength of 110 GHz, in particular at least less than 700 μm, more preferably ¼ of the wavelength, taking into account the shortening factor for the carrier material. For example, when using a GaAs support starting from 110 GHz, the aforementioned distance is preferably less than 300 μm, in particular 278 μm.
In dieser vorzugsweisen Ausführungsform ist somit in der Trägerebene der Punkt, an welchem der Einkoppelpunkt mit einer Messnadel kontaktiert wird, maximal um den genannten Abstand von dem nächstliegenden Bereich der Abschirmung, bzw. einer nächstliegenden Teilkomponente der Abschirmung entfernt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sich am Einkoppelpunkt keine stehenden Wellen durch Reflektion an der Abschirmung ausbilden können.In this preferred embodiment, the point at which the coupling-in point is contacted with a measuring needle is therefore at a maximum distance from the nearest region of the shielding or a closest sub-component of the shielding in the carrier plane. This results in the advantage that no standing waves can form at the coupling point by reflection on the shield.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform erstreckt sich die Abschirmung zusätzlich in das Trägervolumen, so dass zumindest der Einkoppelpunkt des Einkoppelbereiches auch im Trägervolumen mittels der Abschirmung von der Umgebung abgeschirmt ist. Dies kann durch eine umlaufende, spiegelnde oder abschirmende Wand realisiert sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Abschirmung eine Vielzahl von metallischen Durchkontaktierungen auf, welche jeweils sich von der Vorderseite zu der Rückseite des Trägers erstrecken und vorzugsweise den Einkoppelpunkt umgeben, insbesondere einen „Käfig” in der Trägerebene um den Einkoppelpunkt bilden. Die Durchkontaktierungen umgeben den Einkoppelpunkt somit und bilden in der Trägerebene eine Art abschirmenden „Käfig” hinsichtlich der Wellenausbreitung, so dass eine weitgehend fehlereinflussfreie Messung des Kalibrierstandards ermöglicht wird. Eine einfache Ausgestaltung wird erzielt, wenn sich die Durchkontaktierungen jeweils in etwa senkrecht zur Vorderseite von der Vorder- zur Rückseite erstrecken.In a preferred embodiment, the shield additionally extends into the carrier volume, so that at least the coupling-in point of the coupling-in region is also shielded from the environment in the carrier volume by means of the shielding. This can be realized by a circumferential, reflective or shielding wall. According to a preferred embodiment, the shield has a multiplicity of metallic plated-through holes, each of which extends from the front side to the back side of the carrier and preferably surround the coupling-in point, in particular form a "cage" in the carrier plane around the coupling-in point. The plated-through holes thus surround the coupling-in point and form a kind of shielding "cage" with respect to wave propagation in the carrier plane, so that a measurement of the calibration standard which is largely error-free is made possible. A simple embodiment is achieved when the vias each extend approximately perpendicular to the front of the front to the back.
Insbesondere ist die Abschirmung vorzugsweise auch im Trägervolumen den Innenleiter des Kalibrierstandards umgebend ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform ist es insbesondere vorteilhaft, wenn zusätzlich ausgehend von einem Außenleiter, vorzugsweise von allen Außenleitern des Kalibrierstandards sich eine Abschirmung in das Trägervolumen erstreckt, insbesondere, dass, bei Ausbildung einer spiegelnden Abschirmung, diese Abschirmung elektrisch leitend mit dem jeweils darüber liegenden Außenleiter verbunden ist.In particular, the shield is preferably also formed in the carrier volume surrounding the inner conductor of Kalibrierstandards. In this embodiment, it is particularly advantageous if in addition starting from an outer conductor, preferably of all outer conductors of Kalibrierstandards a shield extends into the carrier volume, in particular, that, when forming a reflective shield, this shield electrically connected to the respective outer conductor lying above is.
Auch bei der vorgenannten Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die Abschirmung als metallische Durchkontaktierungen ausgebildet ist, so dass Einkoppelpunkt und Innenleiter des Kalibrierstandards von den Durchkontaktierungen nach Art eines abschirmenden Käfigs im Trägervolumen umgeben sind.Also in the aforementioned embodiment, it is advantageous if the shield is formed as a metallic plated-through holes, so that Einkoppelpunkt and inner conductor of the calibration standard of the vias in the manner of a shielding cage in the carrier volume are surrounded.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die Durchkontaktierungen absorbierend und insbesondere nichtmetallisch auszubilden.Likewise, it is within the scope of the invention to form the plated-through holes in an absorbing and, in particular, non-metallic manner.
Die Durchkontaktierungen können beliebige Formen aufweisen, beispielsweise Zylinder- oder Quaderform. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die Durchkontaktierungen derart auszugestalten, dass lediglich eine Mantelfläche der Durchkontaktierung metallisiert ist, beispielsweise in Ausgestaltung der Durchkontaktierung als metallischer Hohlzylinder.The plated-through holes can have any shape, for example cylinder or cuboid shape. Likewise, it is within the scope of the invention to design the plated-through holes in such a way that only one lateral surface of the plated through-hole is metallized, for example in the embodiment of the plated-through hole as a metallic hollow cylinder.
Gemäß einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist die Rückseite des Trägers metallisiert, insbesondere ganzflächig metallisiert. Die metallisierte Rückseite des Trägers schafft auf vorteilhafte Weise eine definierte Situation hinsichtlich der Wellenausbreitung auf der Rückseite des Trägers, weil sie einen definierten Spiegel hinsichtlich der Wellenausbreitung darstellt. Diese Ausführungsform ist besonders einfach realisierbar. Insbesondere ist es vorteilhaft, die vorbeschriebene Abschirmung im Trägervolumen mit einer metallisierten Rückseite zu kombinieren. Eine besonders einfach realisierbar Ausgestaltung ergibt sich hierbei, indem die Abschirmung im Trägervolumen wie vorbeschrieben als metallische Durchkontaktierungen ausgebildet ist, welche Durchkontaktierungen elektrisch leitend mit der metallisierten Rückseite verbunden sind.According to a further preferred embodiment, the rear side of the carrier is metallized, in particular metallized over the entire surface. The metallized backside of the carrier advantageously provides a defined wave propagation situation on the back of the carrier because it represents a defined mirror with respect to wave propagation. This embodiment is particularly easy to implement. In particular, it is advantageous to combine the above-described shield in the carrier volume with a metallized back. An embodiment that can be realized in a particularly simple manner results here from the shield in the carrier volume being designed as metallic plated-through holes as described above, which plated-through holes are electrically conductively connected to the metallized rear side.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn die Vorderseite des Trägers metallisiert, insbesondere flächig zumindest den Einkoppelpunkt umgebend, jedoch von diesen elektrisch isoliert, metallisiert ist. Hierdurch wird auf der Vorderseite im Kontaktierungsbereich des Kalibrierstandards in einfacher weise eine Abschirmung erreicht. Durch die metallisierte Vorderseite des Trägers werden eventuell vorhandene und störende Einflüsse vermieden, beispielsweise aufgrund von einer Messnadel, mit welcher der Standard bzw. der Einkopplungsbereich kontaktiert wird, ausgehenden Wellen.Moreover, it is preferred if the front side of the carrier metallized, in particular flat at least surrounding the Einkoppelpunkt, but is electrically isolated from these metallized. As a result, shielding is achieved in a simple manner on the front side in the contacting region of the calibration standard. The metalized front side of the carrier avoids any existing and interfering influences, for example due to a measuring needle with which the standard or the coupling-in area is contacted, outgoing waves.
Die Abschirmung kann aus mehreren Teilkomponenten bestehen, insbesondere die vorgenannten Durchkontaktierungen umfassen. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass Teilkomponenten der Abschirmung zueinander elektrisch isoliert ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Komponenten der Abschirmung jedoch miteinander elektrisch leitend verbunden, so dass sie ein einheitliches elektrisches Potential aufweisen. Insbesondere sind die Komponenten der Abschirmung vorzugsweise mit dem Außenleiter des Kalibrierstandards, bevorzugt mit allen Außenleitern aller auf dem Träger angeordneter Kalibrierstandards, elektrisch leitend verbunden.The shield may consist of several subcomponents, in particular comprising the aforementioned vias. It is within the scope of the invention that subcomponents of the shield are designed to be electrically insulated from one another. Preferably, however, the components of the shield are electrically conductively connected to one another so that they have a uniform electrical potential. In particular, the components of the shield are preferably electrically conductively connected to the outer conductor of the calibration standard, preferably to all outer conductors of all calibration standards arranged on the carrier.
Alternativ zu einer spiegelnden Abschirmung ist der Rückseite kann in einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform auf der Rückseite zumindest ein Absorber vorgesehen. Das Vorsehen eines Absorbers schafft ebenfalls eine definierte Situation an der Rückseite in Bezug auf die Wellenausbreitung.As an alternative to a reflective shielding, in a further preferred embodiment, at least one absorber is provided on the rear side of the rear side. The provision of an absorber also creates a defined situation at the rear with respect to wave propagation.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Abstand zwischen den jeweiligen Durchkontaktierungen jeweils kleiner als eine halbe Wellenlänge der höchsten Messfrequenz, vorzugsweise unter Berücksichtigung eines für das Trägermaterial spezifischen Verkürzungsfaktors, insbesondere kleiner als 500 μm, vorzugsweise kleiner 200 μm ist, bevorzugt ungefähr 80 μm beträgt. Dies ist im Hinblick auf die abschirmende Wirkung besonders vorteilhaft.According to a further preferred embodiment, a distance between the respective plated-through holes is in each case less than half the wavelength of the highest measuring frequency, preferably taking into account a shortening factor specific for the carrier material, in particular less than 500 μm, preferably less than 200 μm, preferably approximately 80 μm. This is particularly advantageous in view of the shielding effect.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Träger eine Dicke auf, welche kleiner als 200 μm, bevorzugt kleiner 100 μm, vorzugsweise kleiner als 75 μm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 50 μm ist. Hierdurch wird bei der Wellenausbreitung eine Mischform zwischen einer koplanaren Wellenausbreitung und einer Mikrostreifenwellenausbreitung erzielt, so dass durch den oben erwähnten abschirmenden Käfig hinsichtlich der Wellenausbreitung ausreichend standardisierte Bedingungen bei jedem Kalibrierstandard gegeben sind. insbesondere GaAs-Träger weisen bevorzugt eine Dicke von etwa 50 μm auf. Bei SiC-Trägern beträgt eine bevorzugte Dicke etwa 100 μm.According to yet another preferred embodiment, the carrier has a thickness which is less than 200 microns, preferably less than 100 microns, preferably less than 75 microns, more preferably less than or equal to 50 microns. As a result, in wave propagation, a hybrid between coplanar wave propagation and microstrip wave propagation is achieved so that sufficiently standardized conditions for each calibration standard are provided by the above-mentioned shielding cage for wave propagation. in particular GaAs carrier preferably have a thickness of about 50 microns. For SiC supports, a preferred thickness is about 100 μm.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Anordnung eine Vielzahl von Kalibrierstandards umfasst, vorzugsweise zumindest drei Kalibrierstandards. Insbesondere ist es vorteilhaft, eine Anzahl von Kalibrierstandards eine Anzahl von Kalibrierstandards umfasst, welche größer ist, als für eine analytische Bestimmung der durch die Kalibrierung ermittelbaren Fehlerterme notwendig ist. Die überzähligen Kalibrierstandards erlauben eine Konsistenzprüfung und eine Beurteilung der Qualität der Kalibrierung.It is particularly preferred if the arrangement comprises a plurality of calibration standards, preferably at least three calibration standards. In particular, it is advantageous for a number of calibration standards to comprise a number of calibration standards that is greater than necessary for an analytical determination of the error terms that can be determined by the calibration. The extra calibration standards allow a consistency check and an assessment of the quality of the calibration.
Vorzugsweise umfasst die Vielzahl von Kalibrierstandards symmetrisch angeordnete Eintor-Elemente und/oder Zweitor-Elemente und/oder zur Erhöhung der Redundanz asymmetrisch angeordnete Zweitor-Elemente. Besonders bevorzugt ist es, wenn die verschiedenen Kalibrierstandards kombiniert werden. Die Elemente sind dabei durch wenige physikalische Parameter festgelegt und unterscheiden sich im Wesentlichen nur durch geometrische Variationen. Wegen der hohen Redundanz des Kalibrationssatzes lassen sich Unsicherheiten der physikalischen Parameter dann unabhängig von den Fehlertermen korrigieren.The plurality of calibration standards preferably comprises symmetrically arranged one-port elements and / or two-port elements and / or two-port elements arranged asymmetrically to increase redundancy. It is particularly preferred if the different calibration standards are combined. The elements are defined by a few physical parameters and differ essentially only by geometric variations. Because of the high redundancy of the calibration set, uncertainties of the physical parameters can then be corrected independently of the error terms.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Messung eine on-Wafer-Messung, wobei die zu vermessenden elektronischen Bauelemente Millimeterwellenschaltungen (MMICs) sind.According to a further preferred embodiment, the measurement is an on-wafer measurement, wherein the electronic components to be measured are millimeter wave circuits (MMICs).
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Träger, auf welchem der zumindest eine Kalibrierstandard angeordnet ist, ein Kalibriersubstrat.According to yet another preferred embodiment, the carrier on which the at least one calibration standard is arranged is a calibration substrate.
Alternativ kann gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform der Träger, auf welchem der zumindest eine Kalibrierstandard angeordnet ist, ein Wafer mit einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen sein, so dass eine in-situ-Kalibrierung auf dem Wafer vorgenommen werden kann, auf dem dann anschließend die elektronischen Bauelemente vermessen werden.Alternatively, according to yet a preferred embodiment, the carrier on which the at least one calibration standard is arranged may be a wafer with a plurality of electronic components, so that an in-situ calibration can be performed on the wafer, on which then the electronic Components are measured.
Vorzugsweise weisen alle auf dem Träger angeordneten Kalibrierstrukturen einen Kalibrierstandard und mindestens zwei Einkoppelbereiche auf. Hierbei es vorteilhaft, wenn alle Kalibrierstrukturen gleiche Abstände zwischen den Einkoppelpunkten der Einkoppelbereiche aufweisen, so dass – im Vergleich zwischen zwei beliebigen Kalibrierstrukturen – abstandsabhängige Wechselwirkungen zwischen den beiden Messspitzen bei der Kalibrierung keine Rolle spielen.Preferably, all calibration structures arranged on the carrier have a calibration standard and at least two coupling-in areas. In this case, it is advantageous if all calibration structures have the same distances between the coupling-in points of the coupling-in regions, so that-in comparison between two arbitrary calibration structures-distance-dependent interactions between the two measuring tips do not play a role in the calibration.
Es liegt insbesondere im Rahmen der Erfindung, die Kalibrierstrukturen in an sich bekannter Weise als 1-Tor, 2-Tor, 3-Tor oder 4-Tor Kalibrierstrukturen mit einer entsprechenden Anzahl von Einkoppelbereichen und Einkoppelpunkten auszubilden.In particular, within the scope of the invention, the calibration structures are known per se Form as a 1-port, 2-port, 3-port or 4-port calibration structures with a corresponding number of coupling areas and Einkoppelpunkten.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft – wie bereits beschrieben – das Vermeiden von störenden Einflüssen im Einkoppelbereich mittels der Abschirmung. Typischerweise weist eine Anordnung zum Kalibrieren mehrere Einkoppelbereiche auf, da eine Kalbrierstruktur mehr als einen, typischerweise zwei Einkoppelbereiche umfasst und/oder da mehrere Kalibriersttrukturen auf dem Träger angeordnet sind. Es ist daher vorteilhaft, wenn verschiedene Einkoppelbereiche gleiche Bedingungen hinsichtlich der bei der Messung eingekoppelten Welle aufweisen.An essential aspect of the present invention concerns - as already described - the avoidance of disturbing influences in the coupling-in region by means of the shielding. Typically, an arrangement for calibrating has a plurality of coupling-in regions, since a calbrating structure comprises more than one, typically two coupling-in regions and / or since a plurality of calibration structures are arranged on the carrier. It is therefore advantageous if different coupling-in regions have the same conditions with regard to the shaft coupled in during the measurement.
In einer vorteilhaften Ausführungsform, bei welcher die Kalibrierstruktur einen Kalibrierstandard und mindestens zwei Einkoppelbereiche aufweist, welche Einkoppelbereiche jeweils mindestens einen Einkoppelpunkt und mindestens eine Abschirmung aufweisen, sind daher die beiden Einkoppelbereiche hinsichtlich der Abschirmung gleich ausgebildet, vorzugsweise sind die Einkoppelbereiche identisch oder symmetrisch zueinander ausgebildet. Hierdurch ist gewährleistet, dass bei beiden Einkoppelbereichen gleiche Bedingungen beim Einkoppeln der Welle vorliegen und somit ein etwaiger Einfluss auf die eingekoppelte Welle und damit auf die Kalibrierung zumindest gleich ist bei den beiden Einkoppelbereichen.In an advantageous embodiment, in which the calibration structure has a calibration standard and at least two coupling regions, which coupling regions each have at least one coupling point and at least one shield, the two coupling regions are therefore identical in terms of shielding; preferably, the coupling regions are identical or symmetrical to one another. In this way, it is ensured that the same conditions for coupling in the shaft are present in both coupling regions, and thus any influence on the coupled-in shaft and therefore on the calibration is at least equal in the two coupling-in regions.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, bei welcher die Anordnung eine Mehrzahl von Kalibrierstrukturen mit jeweils einem Kalibrierstandard und mindestens einem Einkoppelbereich mit mindestens einem Einkoppelpunkt und mindestens einer Abschirmung aufweist, sind alle Einkoppelbereiche hinsichtlich der Abschirmung gleich ausgebildet, vorzugsweise sind alle Einkoppelbereiche identisch oder symmetrisch zueinander ausgebildet. Auch hier liegen somit an den Einkoppelbereichen gleiche Bedingungen hinsichtlich der eingekoppelten Welle vor und somit ist ein etwaiger Einfluss auf die eingekoppelte Welle und damit auf die Kalibrierung zumindest gleich bei den Einkoppelbereichen.In a further advantageous embodiment, in which the arrangement has a plurality of calibration structures, each with a calibration standard and at least one coupling-in area with at least one coupling-in point and at least one shielding, all coupling-in areas are identical in terms of shielding; preferably, all coupling-in areas are identical or symmetrical to one another , Here, too, there are the same conditions with regard to the coupled-in shaft at the coupling-in areas, and thus any influence on the coupled-in shaft and thus on the calibration is at least equal to the coupling-in areas.
Hinsichtlich einer symmetrischen Ausbildung zweier oder mehrerer Einkoppelbereiche zueinander liegen beliebige Symmetrien im Rahmen der Erfindung, insbesondere Punkt-, Flächen- oder Rotationssymmetrie. Insbesondere ist bei gegenüberliegend an einem Kalibrierstandard angeordneten Einkoppelbereichen eine flächensymmetrische Ausbildung der Einkoppelbereiche vorteilhaft.With regard to a symmetrical design of two or more coupling regions to each other are any symmetries in the invention, in particular point, surface or rotational symmetry. In particular, in the case of coupling regions arranged opposite each other on a calibration standard, a surface-symmetrical design of the coupling-in regions is advantageous.
Typischerweise wird gedanklich der Einkoppelbereich einer Kalibrierstruktur durch eine Referenzebene, welche senkrecht zu einer Längserstreckung des Kalibrierstandards und somit senkrecht zu dem Träger steht, von dem Kalibrierstandard getrennt. Vorzugsweise sind daher bei den vorgenannten vorzugsweisen Ausführungsformen die Einkoppelbereiche bis zu der jeweiligen Referenzebene gleich ausgebildet, bevorzugt identisch oder symmetrisch zu der Referenzebene.Theoretically, the coupling-in region of a calibration structure is separated from the calibration standard by a reference plane which is perpendicular to a longitudinal extent of the calibration standard and thus perpendicular to the carrier. Preferably, therefore, in the aforementioned preferred embodiments, the coupling-in areas are identical up to the respective reference plane, preferably identical or symmetrical to the reference plane.
Eine typische Anordnung zum Kalibrieren einer Messeinrichtung umfasst mehrere Kalibrierstrukturen, welche hinsichtlich ihrer Längserstreckung parallel nebeneinander angeordnet sind. Vorzugsweise weisen bei allen Kalibrierstrukturen die Einkoppelbereiche in Richtung der Längserstreckung einen identischen Abstand auf. Auch hierdurch wird erreicht, dass jeweils zwei Kalibrierstandards zumindest gleiche Bedingungen hinsichtlich potentieller Störeinflüsse aufweisen.A typical arrangement for calibrating a measuring device comprises a plurality of calibration structures, which are arranged parallel to each other in terms of their longitudinal extent. Preferably, in all calibration structures, the coupling-in areas have an identical spacing in the direction of the longitudinal extent. This also ensures that in each case two calibration standards have at least the same conditions with regard to potential interference.
Der Einkoppelpunkt des Einkoppelbereiches dient wie zuvor beschrieben zur Kontaktierung mittels einer der Messnadeln des Netzwerkanalysators. In der praktischen Ausgestaltung ist der Einkoppelpunkt somit als metallische Fläche und nicht etwa als mathematischer Punkt ausgebildet. Hierbei liegt die Ausgestaltung des Einkoppelpunktes in beliebigen Formen im Rahmen der Erfindung; besonders zweckmäßig ist eine rechteckige und insbesondere quadratische Ausgestaltung. Um bei den Messungen vordefinierte und insbesondere auch bei mehreren Messungen gleiche Bedingungen zu schaffen ist es vorteilhaft, wenn der Einkoppelpunkt eine Markierung umfasst, welche den Ort markiert, an welchem die Spitze der Messnadel auf den Einkoppelpunkt auftreffen soll. Hierdurch werden Fehler aufgrund unterschiedlicher Kontaktierungsorte vermieden beziehungsweise verringert.The coupling point of the coupling region serves as described above for contacting by means of one of the measuring needles of the network analyzer. In the practical embodiment of the coupling point is thus formed as a metallic surface and not as a mathematical point. Here, the embodiment of Einkoppelpunktes in any forms in the context of the invention; Particularly useful is a rectangular and in particular square design. In order to create predefined conditions in the measurements and in particular also in the case of several measurements, it is advantageous if the coupling-in point comprises a marking which marks the location at which the tip of the measuring needle is to hit the coupling point. As a result, errors due to different contacting locations are avoided or reduced.
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. It shows:
Bei den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente. In den
Die Anordnung
Jeder Kalibrierstandard
Der Abstand der Einkoppelbereiche zueinander in der Waagerechten gemäß Darstellung in
Jeder der Kalibrierstandards
Wie in der hier dargestellten Draufsicht auf die Vorderseite
Wie in der hier dargestellten Draufsicht auf den Träger
Es ist somit für jede Kalibrierstruktur, d. h. für jeden Kalibrierstandard
Die Einkoppelpunkte
Jeder Einkoppelbereich umfasst weiterhin eine Abschirmung, welche an der Oberfläche des Trägers
Mittels der durch die Bereiche
Wie weiterhin in
Hierdurch wird eine zusätzliche Abschirmung im Trägervolumen durch die Vielzahl metallischer Durchkontaktierungen
Wie in dieser Schnittansicht gemäß
Aufgrund der so durch die Durchkontaktierungen
Die Kalibrierstruktur umfasst einen Kalibrierstandard mit einem Innenleiter
The calibration structure comprises a calibration standard with an inner conductor
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Trägercarrier
- 22
- Anordnung zum KalibrierenArrangement for calibration
- 3a–3o3a-3o
- Kalibrierstandardscalibration Standards
- 3a', 3c', 3o'3a ', 3c', 3o '
- Innenleiterinner conductor
- 44
-
Vorderseite des Trägers mit Metallisierung
4a Front of the carrier with metallization4a - 55
- Durchkontaktierungvia
- 66
- Strukturierung der VorderseitenmetallisierungStructuring of the front side metallization
- 7, 7'7, 7 '
- Einkoppelpunktecoupling points
- 9, 9'9, 9 '
- Goldschichtgold layer
- 1010
- metallisierte Rückseite des Trägersmetallized back of the vehicle
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