Neue Technologien und Anwendungen wie 6G-Kommunikation und -Sensorik nutzen Sub-THz-Frequenzen im D-Band und darüber hinaus. Um diese Entwicklungen zu unterstützen, müssen neue Halbleitertechnologien und -prozesse zur Marktreife geführt werden.
On-Wafer-Station mit integrierten Frequenzumsetzern ermöglicht Messung mit THz-Frequenzen
Angesichts der besonderen Anforderungen von 6G an die Funk-Performance und der erschwerten Signalausbreitung bei höheren Frequenzen erscheint ein höherer Durchsatz in Bezug auf Leistung und Effizienz für die Millimeterwellen- oder THz-Schaltungen äußerst wünschenswert. Die Performance dieser HF-Schaltungen wird durch die Performance von Transistoren und anderen aktiven Bauteilen begrenzt. Aufgrund der physikalischen Grenzen, denen Transistoren bei diesen Frequenzen unterworfen sind, verringert sich die maximal verfügbare Ausgangsleistung drastisch. Ein gutes Verständnis des HF-Verhaltens von Halbleiterkomponenten bei Anwendungen mit höheren Frequenzen ist deswegen von entscheidender Bedeutung. Die Erstellung genauer Modelle der neuen Halbleiterbauelemente unter verschiedenen Betriebsbedingungen und in einem weiten Frequenzbereich ist unerlässlich, um realen Anwendungen den Weg zu bereiten.
Die von unserem Partner MPI Corporation angebotenen Wafer-Level-Messsysteme mit HF-Eigenschaftstests durch einen Vektornetzwerkanalysator sind die erste Wahl, wenn ein möglichst großer Dynamikbereich zur Charakterisierung von Millimeterwellenbauteilen erforderlich ist. Zusätzliche Load-Pull-Tests komplettieren die Charakterisierung neuer Halbleiterkomponenten.
Neue Kommunikationsstandards und -technologien nutzen immer höhere Frequenzbereiche, da die im HF-Bereich noch freien Spektren rar sind. Nachfolgende Generationen von Radarsensoren oder zukünftige Mobilfunksysteme wie 6G werden voraussichtlich Frequenzen jenseits von 100 GHz verwenden – den sog. Sub-THz-Bereich. Da diese Bänder bei kommerziellen Anwendungen ein Novum darstellen, müssen zunächst neue Halbleitertechnologien entwickelt werden, um kosteneffizienten, massenproduzierbaren Halbleitern den Weg zu bereiten. Für die unterschiedlichen Anwendungen im Hochfrequenzbereich werden bestehende oder völlig neue Halbleitertechnologien erforscht und optimiert. Es stehen uns heute zwar bereits Halbleitertechnologien zur Verfügung, die auf diese Frequenzbereiche zugreifen können. Die Kosten und Massenverfügbarkeit sind aber immer noch ein Problem, das angegangen werden muss.
Forscher und Ingenieure untersuchen die HF-Fähigkeiten von Halbleitertechnologien im Sub-THz-Bereich. Hierfür stehen heute bewährte und stabile Verfahren zur Verfügung. Diese werden mit entsprechenden Wafer-Prober-Systemen direkt auf Wafer-Ebene durchgeführt. Zur Charakterisierung von Komponenten werden häufig S-Parameter verwendet. Für eine vollständige Charakterisierung aktiver Komponenten muss die am Bauteil anliegende Impedanz mit Hilfe von Load-Pull-Methoden kontrolliert und eingestellt werden.
Der R&S®ZNA Vektornetzwerkanalysator mit dem R&S®ZC330 Millimeterwellenkonverter für den Frequenzbereich von 220 GHz bis 330 GHz.
Um eine schlüsselfertige Komplettlösung zu schaffen, kooperiert Rohde & Schwarz mit den Branchenführern MPI Corporation und Focus Microwaves. Jedes Unternehmen trägt seine Kernkompetenz bei:
Vektornetzwerkanalysator (VNA) als zentrales Messgerät
Im Testaufbau ist der R&S®ZNA Vektornetzwerkanalysator das zentrale Gerät zur Durchführung der HF-Messungen. Er ist in der Lage, Standard-S-Parameter-Charakterisierungen sowie viele Messungen speziell für Leistungsverstärker (PA) oder Mischer wie die Bestimmung der Verstärkungskompression, Intermodulation und Gruppenlaufzeit durchzuführen. Das Grundgerät R&S®ZNA deckt Frequenzen bis 67 GHz mit bis zu 4 Messtoren ab. Die R&S®ZCxxx Millimeterwellenkonverter erweitern das Frequenzband bis 1,1 THz und unterstützen 4-Tor-Anwendungen. Der R&S®ZNA steuert die Frequenzumsetzer vollständig und ermöglicht einen unkomplizierten manuellen oder automatisierten Betrieb.
3-Tor-On-Wafer-Test mit kompakter Integration von Rohde & Schwarz Frequenzumsetzern auf der MPI Probe Station.
(©MPI Corporation)
Probesystem zur Verbindung mit dem Wafer
Um den anspruchsvollen Anforderungen von On-Wafer-Messungen bei Sub-THz-Frequenzen gerecht zu werden, nutzt die gemeinsame Lösung die spezialisierte Probesystem-Plattform AIT der MPI Corporation. Sie wurde für Messungen an 150-mm-, 200-mm- und 300-mm-Wafern entwickelt, ohne Kompromisse bei den Instrumentierungseigenschaften, der Messgenauigkeit und der Einfachheit der Bedienung einzugehen. Die Lösung deckt einen Frequenzbereich bis 1 THz und darüber hinaus ab und umfasst die Übertemperaturcharakterisierung.
Die spezielle Frequency Extender Adaptation (FEAD) und das einzigartige Design des Probentischs – der Platen – ermöglichen den kürzesten Abstand zwischen dem Extender-Port und dem Prüfling (DUT). Die Halterungen positionieren die Frequenzumsetzer sehr nahe am Wafer, um die in das Gerät fließende Leistung zu maximieren und einen extrem großen Dynamikbereich für Messungen an seinem Ein- und Ausgang zu gewährleisten. Die innovative QAlibria®Kalibriersoftware und verifizierte Kalibriersubstrate unterstützen branchentypische und fortgeschrittene Kalibrierverfahren sowie durch Verknüpfung mit dem NIST StatistiCAL Softwarepaket die NIST Multiline Through-Reflect-Line-(TLR)-Kalibrierung für metrologische Präzision.
Das manuelle Probesystem MPI TS200-THZ basiert auf denselben Grundprinzipien wie sein automatisiertes Gegenstück, das MPI TS2000-IFE THZ-Selection. Beide Systeme verfügen über Präzisionspositionierer und eine speziell entwickelte Platen, um eine optimale Performance bei On-Wafer-Messungen zu gewährleisten. Die manuelle Version ermöglicht eine präzise Wafer-Positionierung und große Nähe zu den Frequenzumsetzern. So ist eine genaue Ausrichtung und Kontaktierung des Prüflings gewährleistet. Dieses Design minimiert Signalverluste, reduziert mechanische Konflikte und verbessert die Leistungsübertragung an den Prüfling. Es eignet sich damit optimal für Sub-THz-Anwendungen, einschließlich Load-Pull-Tests.
In ähnlicher Weise umfasst das automatisierte System MPI TS2000-IFE THZ-Selection eine spezielle Platen sowie Präzisionspositionierer und folgt dabei dem gleichen Ansatz wie die manuelle Version. Das automatisierte System sorgt für stabile und kontrollierte Messbedingungen, was für zuverlässige und wiederholbare Sub-THz-Messungen von entscheidender Bedeutung ist. Unter Einsatz von MPIs innovativem Design zur Integration von Frequenzkonvertern gewährleistet dieses automatisierte System eine unterbrechungsfreie Signalübertragung und unterstützt HF-, Millimeterwellen- und THz-Messungen mit herausragender Genauigkeit.
Sowohl die manuelle als auch die automatisierte Version sind für unterschiedliche Wafergrößen, einschließlich bis 300 mm, ausgelegt und stellen somit vielseitige Lösungen für verschiedenste Halbleiteranwendungen dar. Diese fortschrittlichen Systeme ermöglichen Forschern und Ingenieuren die Untersuchung von Halbleitertechnologien im Hochfrequenzbereich und bieten bei der On-Wafer-Charakterisierung eine hervorragende Genauigkeit und Wiederholbarkeit.
Die Unterstützung von 3-Tor-Messungen bis in den THz-Bereich ist ein weiteres einzigartiges Merkmal der MPI Systeme. So können subharmonische Breitbandmischer durch gleichzeitige Kopplung von Millimeterwellen- und Lokaloszillator-Ports (LO) getestet werden.
Auswirkung von Verlusten auf den Abstimmbereich
Herkömmliche Tunerstruktur im Vergleich zu Focus Delta Tuner mit direkter HF-Probe-Verbindung
Load-Pull-Tests und Impedanztransformation
Für eine vollständige Charakterisierung des Bauteils ist Load- und Source-Pulling erforderlich. Dadurch kann das zu testende Halbleiterbauelement definierten Impedanzen ausgesetzt werden und der Prüfling für verschiedene Quellen- und Lastanpassungen charakterisiert werden. Die Bauteilmodellierung ist eine wichtige Anwendung für das Load-Pull-Verfahren. Die Ermittlung des Effizienzverhaltens eines aktiven Bauteils wie eines Leistungsverstärkers ist eine weitere Anwendung des Load-Pull-Verfahrens. Das Verhalten der aktiven Komponente hinsichtlich maximaler Ausgangsleistung bzw. Leistungswirkungsgrad hängt stark von den verwendeten Impedanzen ab. Weiterhin sind die Testgeräte typischerweise für eine 50-Ω-Umgebung konzipiert. Von diesem Wert sind aktive Bauelemente auf Wafer-Ebene weit entfernt. Für Tests auf Wafer-Ebene wird die Impedanzanpassung häufig mit Hilfe von Impedanztunern durchgeführt.
Um eine Komplettlösung zu schaffen, arbeitet Rohde & Schwarz mit Focus Microwaves zusammen und nutzt deren Delta-Tuner. Die neuen elektromechanischen Tuner der Delta-Serie von Focus Microwaves wurden speziell für Hochfrequenz-On-Wafer-Messungen entwickelt. Aufgrund seines niedrigen Profils kann der Tuner innerhalb des Wafer-Umfangs platziert werden, was eine direkte Verbindung zwischen der Prüfspitze und dem Tuner ermöglicht. Somit tritt keinerlei Einfügedämpfung zwischen dem Prüfling und dem Tuner auf. Dieses revolutionäre neue Tuner-Design ermöglicht es dem Ingenieur, einen optimalen Abstimmbereich zu erreichen – mit einem Tuner, dessen Formfaktor und Gewicht drastisch reduziert wurden. Focus Microwaves bietet mit der Delta-Serie eine große Auswahl an harmonischen Impedanz-Tunern an, die Frequenzen von 1,8 GHz bis 110 GHz abdecken.
Focus hat durch Kombination der Technologie der Delta-Tuner mit der mikrometrischen Präzision sowie der hohen Wiederholgenauigkeit der kompakten Tuner eine neue Reihe von Hohlleiter-Tunern entwickelt. Diese sind für den Einsatz in Frequenzbereichen über 110 GHz konzipiert. Die kompakten Hohlleiter-Tuner von Focus Microwaves und die innovative On-Wafer-Integration ermöglichen den direkten Anschluss an Sub-THz-Hohlleiter-Probes und bieten so einen maximalen Abstimmbereich. Durch den Einsatz integrierter Reflektometer für Messungen der ein- und ausgehenden Wanderwellenformen (a1,2, b1,2) in Kombination mit den R&S®ZRXxxxL Empfängern lassen sich die Sub-THz-Tuner für vollständig kalibrierte Vektor-Load-Pull-Messungen verwenden. Dieser Ansatz ermöglicht auch eine einfache Anpassung an Hybridtechniken, die häufig zur Erweiterung des Abstimmbereichs passiver Load-Pull-Systeme eingesetzt werden.
Das kombinierte Basissystem, bestehend aus VNA und Probe Station, ermöglicht On-Wafer-Messungen von HF-Bauteilen. MPI Corporation bietet eine breite Palette an Probern an, darunter massebezogene Prober, die bis zu 110 GHz erreichen, sowie Multikontakt-Prober für fortgeschrittene Biasing-Anwendungen.
Durch die Integration von HF-Konvertern und speziellen Hohlleiter-Probern von MPI können Forscher ihre Messungen auf höhere Frequenzen ausweiten und so das gesamte THz-Spektrum abdecken. Dazu gehört die Erforschung des vieldiskutierten D-Bands, das für 6G eine entscheidende Rolle spielt, sowie die Untersuchung von Frequenzen bis 330 GHz, die auch für 6G-Anwendungen relevant sind. Diese umfassende Frequenzabdeckung ermöglicht Forschern und Ingenieuren die genaue Charakterisierung von Halbleiterbauelementen und ebnet so den Weg für die nächste Generation der Kommunikationstechnologie.
Wie bei jeder VNA-Messung ist die Kalibrierung des Systems wichtig und erfolgt für das gesamte System in zwei Schritten:
1. Kalibrierung des On-Wafer-Systems nur mit dem VNA und seinen Konvertern unter Verwendung von MPI-Kalibrierungslösungen und der zugehörigen Software. Einzelheiten finden Sie in der Application Note „Simplifying the Art of Terahertz Measurements“ von MPI (www.mpi-corporation.com/wp-content/uploads/ASTPDF/MPI-Simplifying-the-Art-of-Terahertz-Measurements.pdf).
2. Kalibrierung der Load-Pull-Tuner im System. Dies wird mit der Focus Microwaves Software erreicht.
Sobald die Kalibrierung abgeschlossen ist, fungiert die Focus Microwaves Software als Systemsoftware. Sie steuert die angelegte Impedanz mit Hilfe der Tuner sowie des R&S®ZNA, um die HF-Messungen zur Bauteilcharakterisierung durchzuführen.
Der MPI Prober sorgt für stabile Testbedingungen bei der Positionierung. Darüber hinaus wird die Kühlung des Prüflings im Betrieb durch die Verwendung der Kühlplatte und eines kontrollierten, integrierten Luftstroms innerhalb der Prober-Station um den Wafer-Prüfling erreicht.
Neue Entwicklungen in der Kommunikations- und Sensortechnologie haben den THz-Frequenzbereich in den Fokus gerückt und machen optimierte Halbleitermaterialien notwendig. Rohde & Schwarz, MPI Corporation und Focus Microwaves haben in Zusammenarbeit Lösungen für Sub-THz- und THz-On-Wafer-Messungen entwickelt. Im Rahmen der Partnerschaft werden Vektornetzwerkanalysatoren, Probesysteme und Impedanztuner kombiniert, um eine zuverlässige und präzise Charakterisierung von Halbleiterbauteilen bei THz-Frequenzen zu ermöglichen. Die drei Branchenführer treiben gemeinsam die Entwicklung innovativer Technologien voran und erschließen neue Anwendungen in der Hochfrequenzkommunikation und -sensorik.
Detailliertes Blockdiagramm und erreichbarer Impedanz-Abstimmbereich im Smith-Diagramm
Die Abbildung zeigt den Vektor-Load-Pull-Aufbau für das D-Band, der die kompakten Hohlleiter-Tuner umfasst, die direkt mit der HF-Probe verbunden sind und optional mit integrierten bidirektionalen Kopplern erhältlich sind. Diese integrierten bidirektionalen Koppler ermöglichen den Anschluss externer Abwärtsmischer, um die vorwärts und rückwärts wandernden Wellen direkt am Ein- und Ausgang des Prüflings zu messen.
On-Wafer-Station mit integrierten Frequenzumsetzern ermöglicht Messung mit THz-Frequenzen
Angesichts der besonderen Anforderungen von 6G an die Funk-Performance und der erschwerten Signalausbreitung bei höheren Frequenzen erscheint ein höherer Durchsatz in Bezug auf Leistung und Effizienz für die Millimeterwellen- oder THz-Schaltungen äußerst wünschenswert. Die Performance dieser HF-Schaltungen wird durch die Performance von Transistoren und anderen aktiven Bauteilen begrenzt. Aufgrund der physikalischen Grenzen, denen Transistoren bei diesen Frequenzen unterworfen sind, verringert sich die maximal verfügbare Ausgangsleistung drastisch. Ein gutes Verständnis des HF-Verhaltens von Halbleiterkomponenten bei Anwendungen mit höheren Frequenzen ist deswegen von entscheidender Bedeutung. Die Erstellung genauer Modelle der neuen Halbleiterbauelemente unter verschiedenen Betriebsbedingungen und in einem weiten Frequenzbereich ist unerlässlich, um realen Anwendungen den Weg zu bereiten.
Die von unserem Partner MPI Corporation angebotenen Wafer-Level-Messsysteme mit HF-Eigenschaftstests durch einen Vektornetzwerkanalysator sind die erste Wahl, wenn ein möglichst großer Dynamikbereich zur Charakterisierung von Millimeterwellenbauteilen erforderlich ist. Zusätzliche Load-Pull-Tests komplettieren die Charakterisierung neuer Halbleiterkomponenten.
Impedanz-Abstimmbereich
Die Abbildung veranschaulicht den Impedanzabstimmbereich des Focus D-Band WR06 Tuners bei 170 GHz auf der Tuner-Referenzebene. Es zeigt sich, dass ein VSWR von 16:1 auf der Tuner-Ebene problemlos erreichbar ist. Die VSWR-Antwort dieses Tuners ist über das gesamte Band hinweg sehr flach.
(©Focus Microwaves)
Neue Kommunikationsstandards und -technologien nutzen immer höhere Frequenzbereiche, da die im HF-Bereich noch freien Spektren rar sind. Nachfolgende Generationen von Radarsensoren oder zukünftige Mobilfunksysteme wie 6G werden voraussichtlich Frequenzen jenseits von 100 GHz verwenden – den sog. Sub-THz-Bereich. Da diese Bänder bei kommerziellen Anwendungen ein Novum darstellen, müssen zunächst neue Halbleitertechnologien entwickelt werden, um kosteneffizienten, massenproduzierbaren Halbleitern den Weg zu bereiten. Für die unterschiedlichen Anwendungen im Hochfrequenzbereich werden bestehende oder völlig neue Halbleitertechnologien erforscht und optimiert. Es stehen uns heute zwar bereits Halbleitertechnologien zur Verfügung, die auf diese Frequenzbereiche zugreifen können. Die Kosten und Massenverfügbarkeit sind aber immer noch ein Problem, das angegangen werden muss.
Forscher und Ingenieure untersuchen die HF-Fähigkeiten von Halbleitertechnologien im Sub-THz-Bereich. Hierfür stehen heute bewährte und stabile Verfahren zur Verfügung. Diese werden mit entsprechenden Wafer-Prober-Systemen direkt auf Wafer-Ebene durchgeführt. Zur Charakterisierung von Komponenten werden häufig S-Parameter verwendet. Für eine vollständige Charakterisierung aktiver Komponenten muss die am Bauteil anliegende Impedanz mit Hilfe von Load-Pull-Methoden kontrolliert und eingestellt werden.
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