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干货分享 | 数字源表SMU和探针台线路连接指南及测试案例
发布:武汉普赛斯仪表有限公司浏览次数:4701
前言
在半导体和集成电路工艺中,材料、晶圆、芯片的测试是必不可少的环节。随着半导体测试技术的发展,数字源表SMU结合探针台的系统组合已经被广泛应用于材料/微小器件的电学特性验证中。数字源表SMU具备源测功能,可以产生电流-电压(I-V)特性曲线,是半导体材料、器件电性能表征测量的核心;探针台有手动、半自动和全自动三种,根据测试需要选择配套的产品即可。在选用时需要注意探针的材质以及针尖的直径与形状,探针材质不同,其阻抗也不相同;此外,探针尖磨损和污染也会对测试结果造成影响。
在测试时,通过数字源表提供激励并对测量信号进行采集。首先将电流或电压输入被测器件(DUT),测量该器件对此输入信号的响应;这些信号的路径为:源表的输出端接入电缆,电缆和探针连接,电流或电压信号通过探针至芯片。
图:SMU、探针、DUT连接示意 下文中,我们将探讨数字源表SMU和探针台的连接注意事项,以及不同材料/器件的测试应用案例。
02
数字源表SMU与探针台的连接
探针台与源表的连接常见有两种,一种使用同轴线连接,另一种使用三同轴线连接。当测量小电流(nA、pA)时,应使用三同轴转接模块和三同轴线缆。在接入源表保护端的测试电路中,由于三同轴的保护层与内芯之间是等电位,不会有漏电流产生,能够提高小电流测试精度。
图:三同轴线缆半剖图 (1导体;2绝缘;3内屏蔽层;4中间层;5外屏蔽层;6外护套) 图:三同轴线缆等效电路图
上图所示为三同轴线缆等效电路图,输出高端HI和Guard之间的电位差几乎为0,从而消除线缆自身的漏电流。 以下是使用普赛斯直流源表、脉冲源表、高压源表、大电流源表与探针台的接线说明:
S系列直流源表
- 两同轴连接
使用香蕉头转BNC母头的转接头进行连接;
- 三同轴连接
三同轴连接器与普通两芯连接器有所不同,可同时接驳信号、接地和屏蔽层,屏蔽效果好。和多芯线缆相比,三同轴线缆结构简单,可靠性高;和两芯同轴线缆相比,具有更高的屏蔽性能和小信号的传输能力。三同轴线缆的连接方式使用了GUARD信号,起到了屏蔽作用,更有利于小信号的测量。
P系列脉冲源表
- 两同轴连接
使用杜邦线转BNC母头进行连接;
- 三同轴连接
使用三同轴转接模块进行连接。
E系列高压源表
- E100(1200V)
直接使用三同轴线进行连接;
- E200(2200V)/E300(3500V)
将普通的三同轴更换为高压专用三同轴线;
高压三同轴接头的耐压能力较强,普赛斯使用的高压三同轴接头可以耐压3500V。
图:左-高压三同轴、右-普通三同轴
HCPL 100大电流源表
大电流测量时,单根探针容许的电流有限,电流过大可能会引起烧针现象,影响测试结果,因此需要使用多探针并联。
图:多探针并联示意
03
探针台与器件的连接
在不同的材料测试中可能会遇到共面电极或异面电极的材料。共面电极指阳极和阴极在同一平面;异面电极指阳极和阴极不在同一平面,常见为正反面。
图:共面电极连接示意
图:异面电极连接示意
04
测试注意事项
探针台接地
探针台结构上有很多金属,在带电的环境下会存在很强的静电,一般探针台会自带大地连接线,使用中将探针台接大地,避免释放静电给测试带来影响。
一般地线分为两类:一种是工作接地,另一种是安全性接地。工作接地是把金属导体铜块埋在土壤里, 再通过导线引出地面,将导线接入设备的接地端口,形成接地回路。
安全性接地是指使用探针台金属外壳自带的接地线进行接地,当探针台金属外壳发生绝缘损坏,外壳带电时,电流沿着其外壳自带的接地线接入大地,以达到安全的目的。
连接线接地
探针台的连接线为同轴线,两根同轴线的内芯是信号线,从而导致两根同轴线的外屏蔽层悬空,未起到屏蔽的作用,在磁场环境复杂的情况下会对测试产生较大的干扰。因此,为了获得较好的测试效果,需要将同轴线缆的外屏蔽层接入工作地线。
关闭光源
很多器件和材料对光源敏感,测试中如果不关闭光源会影响测试结果,所以测试时尽量在无光源影响的环境中进行。
小电流测试时加屏蔽罩
如果测试电流为pA级别,需要给探针台增加屏蔽罩。
异面电极材料连接
异面电极材料连接时通常会使用探针台Chuck盘做电极,但是Chuck盘的平整度会对材料的接触面有影响,那么此时就需要使用引电极。
05
测试案例
MPD晶圆测试
测试设备:脉冲源表P300+探针台
异常现象:测试中存在一个3nA左右的漏电流
图:异常测试曲线图
异常原因:测试现场的连接线屏蔽层接地不达标,外界电磁环境的作用下使设备对大地的电位发生变化,造成设备工作不稳定
优化措施:将屏蔽层接地
图:优化后测试曲线图
三极管测试
测试设备:2台直流源表S300+探针台
异常现象:源表输出0-3V的电压扫描,当输出的电压小于0.5V时,源表回读的电压值为-0.5V
图:异常测试结果
异常原因:探针台没有接地,探针台结构上存在金属,在带电的环境下会存在静电,从而对测试结果带来影响
优化措施:将探针台通过导线接入大地
图:优化后测试结果 芯片测试
测试设备:直流源表S300+探针台
异常现象:源表未输出,探针冒火花
图:异常测试-探针冒火花
异常原因:三同轴线缆GUARD信号悬空。GUARD信号如连接正确,其电势与信号层基本一致,所以漏电很小,从而对信号起到了一定的保护作用;但是GUARD信号悬空,其与信号层的电势差较大,这样漏电较大,对信号的影响很大
优化措施:将GUARD信号接入源表,使GUARD信号起到保护作用
PD测试
测试设备:直流源表S300+探针台
异常现象:源表在100nA的量程下,输出-2V电压,实际显示-2.69V
图:异常测试结果
异常原因:客户使用的同轴线接触不良,探针台没有接地
优化措施:更换新的同轴线,将探针台通过导线接入大地
图:优化后测试结果
结语
半导体新材料和新工艺的开发,伴随着测试仪器及高效的测试方法得到普及。深耕半导体测试产业价值链,不断精进产品技术与服务体系,以丰富的测试经验帮助用户克服测试过程中的痛点,以更高质量的产品和更低的成本得到广泛的市场验证及认可。
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