干貨分享 | 數(shù)字源表SMU和探針臺(tái)線(xiàn)路連接指南及測(cè)試案例
01 前言
在半導(dǎo)體和集成電路工藝中，材料、晶圓、芯片的測(cè)試是必不可少的環(huán)節(jié)。隨著半導(dǎo)體測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字源表SMU結(jié)合探針臺(tái)的系統(tǒng)組合已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于材料/微小器件的電學(xué)特性驗(yàn)證中。數(shù)字源表SMU具備源測(cè)功能，可以產(chǎn)生電流-電壓(I-V)特性曲線(xiàn)，是半導(dǎo)體材料、器件電性能表征測(cè)量的核心；探針臺(tái)有手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)三種，根據(jù)測(cè)試需要選擇配套的產(chǎn)品即可。在選用時(shí)需要注意探針的材質(zhì)以及針尖的直徑與形狀，探針材質(zhì)不同，其阻抗也不相同；此外，探針尖磨損和污染也會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。
在測(cè)試時(shí)，通過(guò)數(shù)字源表提供激勵(lì)并對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采集。***先將電流或電壓輸入被測(cè)器件（DUT），測(cè)量該器件對(duì)此輸入信號(hào)的響應(yīng)；這些信號(hào)的路徑為：源表的輸出端接入電纜，電纜和探針連接，電流或電壓信號(hào)通過(guò)探針至芯片。
下文中，我們將探討數(shù)字源表SMU和探針臺(tái)的連接注意事項(xiàng)，以及不同材料/器件的測(cè)試應(yīng)用案例。02
數(shù)字源表SMU與探針臺(tái)的連接 探針臺(tái)與源表的連接常見(jiàn)有兩種，***種使用同軸線(xiàn)連接，另***種使用三同軸線(xiàn)連接。當(dāng)測(cè)量小電流(nA、pA)時(shí)，應(yīng)使用三同軸轉(zhuǎn)接模塊和三同軸線(xiàn)纜。在接入源表保護(hù)端的測(cè)試電路中，由于三同軸的保護(hù)層與內(nèi)芯之間是等電位，不會(huì)有漏電流產(chǎn)生，能夠提高小電流測(cè)試精度。 - 兩同軸連接 使用香蕉頭轉(zhuǎn)BNC母頭的轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行連接； - 三同軸連接 三同軸連接器與普通兩芯連接器有所不同，可同時(shí)接駁信號(hào)、接地和屏蔽層，屏蔽效果好。和多芯線(xiàn)纜相比，三同軸線(xiàn)纜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；和兩芯同軸線(xiàn)纜相比，具有更高的屏蔽性能和小信號(hào)的傳輸能力。三同軸線(xiàn)纜的連接方式使用了GUARD信號(hào)，起到了屏蔽作用，更有利于小信號(hào)的測(cè)量。 P系列脈沖源表 - 兩同軸連接 使用杜邦線(xiàn)轉(zhuǎn)BNC母頭進(jìn)行連接； - 三同軸連接 使用三同軸轉(zhuǎn)接模塊進(jìn)行連接。 E系列高壓源表 - E100(1200V) 直接使用三同軸線(xiàn)進(jìn)行連接； - E200(2200V)/E300(3500V) 將普通的三同軸更換為高壓專(zhuān)用三同軸線(xiàn)； 高壓三同軸接頭的耐壓能力較強(qiáng)，普賽斯使用的高壓三同軸接頭可以耐壓3500V。 圖：左-高壓三同軸、右-普通三同軸 HCPL 100大電流源表 大電流測(cè)量時(shí)，單根探針容許的電流有限，電流過(guò)大可能會(huì)引起燒針現(xiàn)象，影響測(cè)試結(jié)果，因此需要使用多探針并聯(lián)。 圖：多探針并聯(lián)示意 03 探針臺(tái)與器件的連接 在不同的材料測(cè)試中可能會(huì)遇到共面電極或異面電極的材料。共面電極指陽(yáng)極和陰極在同***平面；異面電極指陽(yáng)極和陰極不在同***平面，常見(jiàn)為正反面。 圖：共面電極連接示意 圖：異面電極連接示意 04 測(cè)試注意事項(xiàng) 探針臺(tái)接地 探針臺(tái)結(jié)構(gòu)上有很多金屬，在帶電的環(huán)境下會(huì)存在很強(qiáng)的靜電，***般探針臺(tái)會(huì)自帶大地連接線(xiàn)，使用中將探針臺(tái)接大地，避免釋放靜電給測(cè)試帶來(lái)影響。 ***般地線(xiàn)分為兩類(lèi)：***種是工作接地，另***種是安全性接地。工作接地是把金屬導(dǎo)體銅塊埋在土壤里， 再通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)引出地面，將導(dǎo)線(xiàn)接入設(shè)備的接地端口，形成接地回路。 安全性接地是指使用探針臺(tái)金屬外殼自帶的接地線(xiàn)進(jìn)行接地，當(dāng)探針臺(tái)金屬外殼發(fā)生絕緣損壞，外殼帶電時(shí)，電流沿著其外殼自帶的接地線(xiàn)接入大地，以達(dá)到安全的目的。 連接線(xiàn)接地 探針臺(tái)的連接線(xiàn)為同軸線(xiàn)，兩根同軸線(xiàn)的內(nèi)芯是信號(hào)線(xiàn)，從而導(dǎo)致兩根同軸線(xiàn)的外屏蔽層懸空，未起到屏蔽的作用，在磁場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜的情況下會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生較大的干擾。因此，為了獲得較好的測(cè)試效果，需要將同軸線(xiàn)纜的外屏蔽層接入工作地線(xiàn)。 關(guān)閉光源 很多器件和材料對(duì)光源敏感，測(cè)試中如果不關(guān)閉光源會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，所以測(cè)試時(shí)盡量在無(wú)光源影響的環(huán)境中進(jìn)行。 小電流測(cè)試時(shí)加屏蔽罩 如果測(cè)試電流為pA***別，需要給探針臺(tái)增加屏蔽罩。 異面電極材料連接 異面電極材料連接時(shí)通常會(huì)使用探針臺(tái)Chuck盤(pán)做電極，但是Chuck盤(pán)的平整度會(huì)對(duì)材料的接觸面有影響，那么此時(shí)就需要使用引電極。 05 測(cè)試案例 MPD晶圓測(cè)試 測(cè)試設(shè)備：脈沖源表P300+探針臺(tái) 異常現(xiàn)象：測(cè)試中存在***個(gè)3nA左右的漏電流 圖：異常測(cè)試曲線(xiàn)圖 異常原因：測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的連接線(xiàn)屏蔽層接地不達(dá)標(biāo)，外界電磁環(huán)境的作用下使設(shè)備對(duì)大地的電位發(fā)生變化，造成設(shè)備工作不穩(wěn)定 優(yōu)化措施：將屏蔽層接地 圖：優(yōu)化后測(cè)試曲線(xiàn)圖 三極管測(cè)試 測(cè)試設(shè)備：2臺(tái)直流源表S300+探針臺(tái) 異常現(xiàn)象：源表輸出0-3V的電壓掃描，當(dāng)輸出的電壓小于0.5V時(shí)，源表回讀的電壓值為-0.5V 圖：異常測(cè)試結(jié)果 異常原因：探針臺(tái)沒(méi)有接地，探針臺(tái)結(jié)構(gòu)上存在金屬，在帶電的環(huán)境下會(huì)存在靜電，從而對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來(lái)影響 優(yōu)化措施：將探針臺(tái)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)接入大地 芯片測(cè)試 測(cè)試設(shè)備：直流源表S300+探針臺(tái) 異常現(xiàn)象：源表未輸出，探針冒火花圖：三同軸線(xiàn)纜等效電路圖
圖：異常測(cè)試-探針冒火花
異常原因：三同軸線(xiàn)纜GUARD信號(hào)懸空。GUARD信號(hào)如連接正確，其電勢(shì)與信號(hào)層基本***致，所以漏電很小，從而對(duì)信號(hào)起到了***定的保護(hù)作用；但是GUARD信號(hào)懸空，其與信號(hào)層的電勢(shì)差較大，這樣漏電較大，對(duì)信號(hào)的影響很大 優(yōu)化措施：將GUARD信號(hào)接入源表，使GUARD信號(hào)起到保護(hù)作用 PD測(cè)試 測(cè)試設(shè)備：直流源表S300+探針臺(tái) 異常現(xiàn)象：源表在100nA的量程下，輸出-2V電壓，實(shí)際顯示-2.69V
圖：異常測(cè)試結(jié)果
異常原因：客戶(hù)使用的同軸線(xiàn)接觸不良，探針臺(tái)沒(méi)有接地 優(yōu)化措施：更換新的同軸線(xiàn)，將探針臺(tái)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)接入大地 圖：優(yōu)化后測(cè)試結(jié)果 結(jié)語(yǔ) 半導(dǎo)體新材料和新工藝的開(kāi)發(fā)，伴隨著測(cè)試儀器及高效的測(cè)試方法得到普及。深耕半導(dǎo)體測(cè)試產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈，不斷精進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)與服務(wù)體系，以豐富的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)幫助用戶(hù)克服測(cè)試過(guò)程中的痛點(diǎn)，以更高質(zhì)量的產(chǎn)品和更低的成本得到廣泛的市場(chǎng)驗(yàn)證及認(rèn)可。
(文章來(lái)源于儀器網(wǎng))
