干貨分享 | 數(shù)字源表SMU和探針臺線路連接指南及測試案例
01 前言
在半導(dǎo)體和集成電路工藝中，材料、晶圓、芯片的測試是必不可少的環(huán)節(jié)。隨著半導(dǎo)體測試技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字源表SMU結(jié)合探針臺的系統(tǒng)組合已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于材料/微小器件的電學(xué)特性驗證中。數(shù)字源表SMU具備源測功能，可以產(chǎn)生電流-電壓(I-V)特性曲線，是半導(dǎo)體材料、器件電性能表征測量的核心；探針臺有手動、半自動和全自動三種，根據(jù)測試需要選擇配套的產(chǎn)品即可。在選用時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對測試結(jié)果造成影響。
在測試時，通過數(shù)字源表提供激勵并對測量信號進行采集。***先將電流或電壓輸入被測器件（DUT），測量該器件對此輸入信號的響應(yīng)；這些信號的路徑為：源表的輸出端接入電纜，電纜和探針連接，電流或電壓信號通過探針至芯片。
下文中，我們將探討數(shù)字源表SMU和探針臺的連接注意事項，以及不同材料/器件的測試應(yīng)用案例。02
數(shù)字源表SMU與探針臺的連接 探針臺與源表的連接常見有兩種，***種使用同軸線連接，另***種使用三同軸線連接。當(dāng)測量小電流(nA、pA)時，應(yīng)使用三同軸轉(zhuǎn)接模塊和三同軸線纜。在接入源表保護端的測試電路中，由于三同軸的保護層與內(nèi)芯之間是等電位，不會有漏電流產(chǎn)生，能夠提高小電流測試精度。 - 兩同軸連接 使用香蕉頭轉(zhuǎn)BNC母頭的轉(zhuǎn)接頭進行連接； - 三同軸連接 三同軸連接器與普通兩芯連接器有所不同，可同時接駁信號、接地和屏蔽層，屏蔽效果好。和多芯線纜相比，三同軸線纜結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；和兩芯同軸線纜相比，具有更高的屏蔽性能和小信號的傳輸能力。三同軸線纜的連接方式使用了GUARD信號，起到了屏蔽作用，更有利于小信號的測量。 P系列脈沖源表 - 兩同軸連接 使用杜邦線轉(zhuǎn)BNC母頭進行連接； - 三同軸連接 使用三同軸轉(zhuǎn)接模塊進行連接。 E系列高壓源表 - E100(1200V) 直接使用三同軸線進行連接； - E200(2200V)/E300(3500V) 將普通的三同軸更換為高壓專用三同軸線； 高壓三同軸接頭的耐壓能力較強，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 大電流測量時，單根探針容許的電流有限，電流過大可能會引起燒針現(xiàn)象，影響測試結(jié)果，因此需要使用多探針并聯(lián)。 圖：多探針并聯(lián)示意 03 探針臺與器件的連接 在不同的材料測試中可能會遇到共面電極或異面電極的材料。共面電極指陽極和陰極在同***平面；異面電極指陽極和陰極不在同***平面，常見為正反面。 圖：共面電極連接示意 圖：異面電極連接示意 04 測試注意事項 探針臺接地 探針臺結(jié)構(gòu)上有很多金屬，在帶電的環(huán)境下會存在很強的靜電，***般探針臺會自帶大地連接線，使用中將探針臺接大地，避免釋放靜電給測試帶來影響。 ***般地線分為兩類：***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， 再通過導(dǎo)線引出地面，將導(dǎo)線接入設(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金屬外殼自帶的接地線進行接地，當(dāng)探針臺金屬外殼發(fā)生絕緣損壞，外殼帶電時，電流沿著其外殼自帶的接地線接入大地，以達到安全的目的。 連接線接地 探針臺的連接線為同軸線，兩根同軸線的內(nèi)芯是信號線，從而導(dǎo)致兩根同軸線的外屏蔽層懸空，未起到屏蔽的作用，在磁場環(huán)境復(fù)雜的情況下會對測試產(chǎn)生較大的干擾。因此，為了獲得較好的測試效果，需要將同軸線纜的外屏蔽層接入工作地線。 關(guān)閉光源 很多器件和材料對光源敏感，測試中如果不關(guān)閉光源會影響測試結(jié)果，所以測試時盡量在無光源影響的環(huán)境中進行。 小電流測試時加屏蔽罩 如果測試電流為pA***別，需要給探針臺增加屏蔽罩。 異面電極材料連接 異面電極材料連接時通常會使用探針臺Chuck盤做電極，但是Chuck盤的平整度會對材料的接觸面有影響，那么此時就需要使用引電極。 05 測試案例 MPD晶圓測試 測試設(shè)備：脈沖源表P300+探針臺 異?，F(xiàn)象：測試中存在***個3nA左右的漏電流 圖：異常測試曲線圖 異常原因：測試現(xiàn)場的連接線屏蔽層接地不達標(biāo)，外界電磁環(huán)境的作用下使設(shè)備對大地的電位發(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)化后測試曲線圖 三極管測試 測試設(shè)備：2臺直流源表S300+探針臺 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，源表回讀的電壓值為-0.5V 圖：異常測試結(jié)果 異常原因：探針臺沒有接地，探針臺結(jié)構(gòu)上存在金屬，在帶電的環(huán)境下會存在靜電，從而對測試結(jié)果帶來影響 優(yōu)化措施：將探針臺通過導(dǎo)線接入大地 芯片測試 測試設(shè)備：直流源表S300+探針臺 異?，F(xiàn)象：源表未輸出，探針冒火花圖：三同軸線纜等效電路圖
圖：異常測試-探針冒火花
異常原因：三同軸線纜GUARD信號懸空。GUARD信號如連接正確，其電勢與信號層基本***致，所以漏電很小，從而對信號起到了***定的保護作用；但是GUARD信號懸空，其與信號層的電勢差較大，這樣漏電較大，對信號的影響很大 優(yōu)化措施：將GUARD信號接入源表，使GUARD信號起到保護作用 PD測試 測試設(shè)備：直流源表S300+探針臺 異?，F(xiàn)象：源表在100nA的量程下，輸出-2V電壓，實際顯示-2.69V
圖：異常測試結(jié)果
異常原因：客戶使用的同軸線接觸不良，探針臺沒有接地 優(yōu)化措施：更換新的同軸線，將探針臺通過導(dǎo)線接入大地 圖：優(yōu)化后測試結(jié)果 結(jié)語 半導(dǎo)體新材料和新工藝的開發(fā)，伴隨著測試儀器及高效的測試方法得到普及。深耕半導(dǎo)體測試產(chǎn)業(yè)價值鏈，不斷精進產(chǎn)品技術(shù)與服務(wù)體系，以豐富的測試經(jīng)驗幫助用戶克服測試過程中的痛點，以更高質(zhì)量的產(chǎn)品和更低的成本得到廣泛的市場驗證及認可。
(文章來源于儀器網(wǎng))
