Modernste Messtechnik bis 500 GHz
Ausbreitungskonstante einer Microstrip-Leitung als Funktion der Frequenz
Die aktuelle Entwicklung der Halbleitertechnologien erschließt immer höhere Frequenzbereiche, um dem Bedarf nach mehr Bandbreite und Kapazität zur Datenübertragung gerecht zu werden. Elektronische Bauelemente und Schaltungen arbeiten bereits bei Betriebsfrequenzen um 250 GHz und darüber – im so genannten Terahertz-Bereich. Mit seiner modernen Ausstattung für Netzwerk- und Spektrumanalyse ist das FBH für die Herausforderung der Charakterisierung solcher Bauelemente gerüstet.
Das FBH verfügt über ein leistungsfähiges On-Wafer-Messsystem mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator und einer Wafer-Prober-Station. Um die Stabilität zu gewährleisten, ist dieses System in einem klimatisierten Labor untergebracht. Der Netzwerkanalysator deckt mit den zur Verfügung stehenden Extender-Modulen den Frequenzbereich bis 500 GHz nahezu vollständig ab. Das Messtechnik-Portfolio wird ergänzt durch einen Spektrumanalysator, der mit Mischern Messungen bis 750 GHz gestattet. Ein Leistungsmesser für die genannten Frequenzbereiche komplettiert die Ausstattung. In Abhängigkeit vom interessierenden Frequenzbereich kommen zur Kontaktierung auf dem Wafer entsprechende koplanar ausgelegte Messspitzen mit koaxialem oder Hohlleiter-Interface zum Einsatz. Der halbautomatische Wafer-Prober erlaubt eine Positioniergenauigkeit von 1 um – eine unabdingbare Voraussetzung für Messungen bei immer kürzeren Wellenlängen, die mit höchsten Frequenzen einhergehen. Sowohl die Lage des Messobjekts als auch der Abstand der Messspitzen untereinander ist mit dieser Genauigkeit einstellbar. Da Wellenleiterverbindungen in den oberen Frequenzbändern starke Verluste verursachen, wurde in Kooperation mit den Firmen Rohde & Schwarz und Radiometer Physics eine spezielle, geneigte Montage der Extender-Module entwickelt. Sie minimiert die Verluste im Messsystem durch kurze Verbindungen zwischen den Messspitzen und den Extender-Modulen.
Der Weg zu einer verlässlichen Messung führt über eine geeignete Kalibrierung und Fehlerkorrektur. Dabei dürfen Messsystem und Messobjekt nicht getrennt voneinander betrachtet werden. Die zur Bestimmung der Korrekturfaktoren benötigten Standards sollten sich in der gleichen Umgebung wie die später zu vermessenden Bauelemente befinden. Für die am FBH zu charakterisierenden Bauelemente werden zu diesem Zwecke Standards direkt auf dem Wafer untergebracht. Als Ergebnis dieses Ansatzes zeigt die Abbildung die Ausbreitungskonstante einer als Standard verwendeten Microstrip-Leitungsstruktur bis 325 GHz. Der frequenzabhängige Verlauf dieser Konstante liefert wichtige Anhaltspunkte für die ordnungsgemäße Funktion der Leitung und den Schaltungsentwurf. Der im oberen Frequenzbereich weitgehend ebene Kurvenverlauf der relativen Phasenkonstante z.B. belegt die guten Quasi-TEM-Eigenschaften bis über 300 GHz. Außerdem können anhand dieser Daten auch die Qualität der Kalibrierung und der Einfluss eventueller störender Effekte wie höherer Moden bestimmt werden.
FBH-Forschung: 08.05.2014