技术资料：《ON-WAFER CHARACTERIZATION AT sub-THz FREQUENCIES》

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日期：2025-01-20

本文介绍了在亚太赫兹（sub-THz）频段进行晶圆级（on-wafer）特性测试的技术挑战和解决方案，重点在于支持6G通信和传感技术的发展。

研究背景

· 研究问题：随着6G通信和传感技术的发展，对亚太赫兹频段（D波段及以上）的信号传播需求日益增长。为了实现这些应用，需要开发新的半导体技术和工艺。由于晶体管在这些高频下的物理限制，输出功率大幅下降，因此对半导体组件在高频应用下的射频（RF）行为有深入理解变得至关重要。为了推动这些应用，创建准确的半导体设备模型在不同操作条件下和宽频率范围内变得至关重要。
· 研究难点：在亚太赫兹频段进行晶圆级测量面临诸多挑战，包括需要在尽可能宽的动态范围内对毫米波设备进行特性测试，以及需要对新半导体组件进行完整的负载牵引（load-pull）特性测试。此外，现有的半导体技术虽然可以达到这些频率范围，但成本和大规模可用性仍然是需要解决的问题。
· 文献综述：文章提到了在亚太赫兹频段对半导体技术的射频能力进行研究的现有方法，这些方法直接在晶圆级别上使用适当的晶圆探针系统进行。S参数被广泛用于表征组件，而负载牵引方法则用于控制和设置呈现给设备的阻抗，以完成对有源组件的完整表征。

新型半导体技术与工艺

· 6G通信与传感技术：随着6G通信和传感技术的发展，对亚太赫兹（sub-THz）频段的需求日益增长，特别是在D波段及更远的频段。这些技术需要新的半导体技术和工艺来支持。
· 功率和效率需求：在使用更高频率进行信号传播时，由于各种限制，对功率和效率的高吞吐量需求变得非常迫切。毫米波（mmWave）或太赫兹（THz）电路的性能受限于晶体管和其他有源器件的性能。
· 半导体器件建模：为了推动应用，创建在不同操作条件下和宽频率范围内准确的新型半导体器件模型变得至关重要。

射频特性测试与负载牵引

· 矢量网络分析仪：MPI公司提供的晶圆级测量系统，配合矢量网络分析仪进行射频特性测试，是进行毫米波设备特性测试的首选。
· 负载牵引：负载牵引技术用于完成新半导体组件的特性测试，确保在宽动态范围内对mmWave设备进行尽可能准确的特性测试。

Rohde & Schwarz与合作伙伴的解决方案

· 合作伙伴：Rohde & Schwarz与MPI Corporation和Focus Microwaves合作，提供完整的亚太赫兹和太赫兹晶圆级负载牵引系统。
· 矢量网络分析仪：R&S®ZNA矢量网络分析仪是核心测试仪器，能够执行标准S参数特性测试以及功率放大器（PA）或混频器的专用测量。
· 频率转换器：R&S®ZCxxx毫米波转换器扩展频率范围至1.1 THz，支持4端口应用。

晶圆级测量系统与探针站

· MPI探针系统平台：MPI Corporation的探针系统平台AIT专为150 mm、200 mm和300 mm晶圆设计，满足亚太赫兹频率测量的挑战性要求。
· 频率扩展器适配器（FEAD）：独特的探针台设计确保了从扩展器端口到待测器件（DUT）之间的最短距离，最大化输入和输出测量的动态范围。
· QAlibria®校准软件：与NIST StatistiCAL软件包链接，实现行业标准和先进的校准方法。

负载牵引与阻抗变换

· 设备特性测试：负载牵引和源牵引对于完整设备特性测试是必需的，允许在定义的阻抗下测试半导体器件，并在不同的源和负载匹配下对器件进行特性测试。
· 阻抗匹配：由于晶圆级的有源器件与典型的50欧姆测试环境相差甚远，因此通常使用阻抗调谐器进行阻抗匹配。

应用与系统集成

· 系统集成：Rohde & Schwarz、MPI Corporation和Focus Microwaves的合作提供了一个完整的亚太赫兹和太赫兹晶圆级测量解决方案，包括矢量网络分析仪、探针系统和阻抗调谐器。

· 频率覆盖：该系统支持从毫米波到太赫兹频率的测量，覆盖了6G活动所必需的D波段以及高达330 GHz的频率范围。

在文档中，关于“Effect of loss on tuning range：Conventional tuner structure versus Focus Delta tuner with direct RF probe connection”的对比描述，可以总结如下：

传统调谐器结构与Focus Delta调谐器相比，后者通过直接连接RF探针，消除了从设备到调谐器之间的所有可能插入损耗，从而显著提高了调谐范围。
Focus Delta调谐器的设计允许工程师实现最佳的调谐范围，其占用空间和重量都有显著减少。
Focus Microwaves开发的Delta阻抗谐波调谐器系列，覆盖从1.8 GHz到110 GHz的频率范围。
结合Delta调谐器技术和小尺寸调谐器的微米级精度和重复性，Focus Microwaves开发了新的波导调谐器系列，用于超过110 GHz的频率。这些小型化波导调谐器和先进的在片集成技术允许直接连接到THz波导探针，提供最大的调谐范围。
通过内置反射计进行输入和输出行波（a1, b1, a2, b2）测量，并结合R&S®ZRXxxxL接收器，这些THz调谐器可用于完全校准的矢量负载拉伸测量。这种方法还允许轻松适应通常用于增加被动负载拉伸系统调谐范围的混合技术。

总体结论

· 技术进步与应用拓展：随着通信和传感技术的进步，亚太赫兹频率范围的应用需求不断增长，这推动了对优化半导体材料的需求。Rohde & Schwarz、MPI Corporation和Focus Microwaves的合作为亚太赫兹和太赫兹晶圆级测量提供了完整的解决方案，加速了创新技术的发展，为高频通信和传感领域开辟了新的可能性。

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