干货分享 | 数字源表SMU和探针台线路连接指南及测试案例
- 2024-02-21 09:41:20
01 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。***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。
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，***种使用同轴线连接，另***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。 - 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***平面；异面电极指阳极和阴极不在同***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，***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。 ***般地线分为两类：***种是工作接地，另***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***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***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 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：三同轴线缆等效电路图
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***致，所以漏电很小，从而对信号起到了***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。
(文章来源于仪器网)
