刘 洋，左 宁

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

随着5G技术的发展，云计算与人工智能逐步融入人们的日常生活，由于微波测试技术具有安全、可靠、实时准确等特点，广泛用于工业互联网、物联网、智能制造等领域，也将通过无线局域网、直播卫星系统、全球定位系统、本地多点分布服务系统和射频识别系统等改变人们传统的生活方式。随着微波器件的大量应用，微波信号测试的准确性越来越成为微波器件性能保障的关键[1]。

在晶圆微波测试时，通过测试探针移动、GSG探针与芯片被测焊盘接触，将矢网测试仪测试数据传输到工业控制计算机进行数据处理，通过数据通讯与分析完成测试过程，如图1所示。如何消除系统误差是保证微波测试S参数准确性的前提条件。

图1 微波测试示意图

1 S曲线测试原理

在低频电路的测试中采用集中参数电路分析的方式，即进行IV测试[2]。而在高频电路中，由电磁场理论可知，电路通过传输线时会产生分布参数，即产生分布电容、分布电感、分布电阻和分布漏电导，因此，集中参数电路分析的方式已经不适用于高频电路的分析。在微波信号测试过程中，很难测量电流或电压，需要测量S参数来表征微波器件的电性能[3]。高频电路分析基于麦克斯韦方程组化场为路分析的方式，其中S参数是描述电磁波高频特性的主要参数。S参数又称散射参数，是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，根据器件端口的反射信号S11、S12以及从该端口传向另一端口的信号S21、S22来描述电路网络，是评价微波器件性能的最为关键的参数之一，如图2所示。

图2 S参数信号传输示意图

S曲线的表征参数由S11、S12、S21、S22组成，其中S11为端口2匹配情况下端口1的输入反射系数，也就是输入回波损耗，用a1表示，如式(1)所示；S21为端口2匹配情况下的正向传输系数，也就是增益，用b2表示，如式(2)所示；S22为端口1匹配情况下的端口2的输出反射系数，也就是输出回波损耗，用a2表示，如式(3)所示；S12为端口1匹配情况下端口2反向传输系数，也就是隔离[4]，用b1表示，如式(4)所示。

2 OSLT片上校准技术

在S参数测试过程中存在方向性误差、源匹配误差、负载匹配误差、串扰误差、频率响应误差等系统测量误差，为了消除或减小测试误差，精确提取器件的参数，必须在测试前进行S参数的校准[5]。校准过程是一个矢量误差修正的过程，常用的矢量误差校准方法有OSL（open-short-load）校准、TSD（through-short-delay）校准、TRL-TSD校准 、LRL（line-reflect-line） 校 准 、OSLT（open-short-load-through）校准[6]。随着高频器件测试精度的提高，OSLT在片校准技术已经成为微波测试中最为常用的校准方法[7]。

OSLT校准方法是利用在线校准片上的开路、短路、负载、直通四种校准结构，结构示意图如图3所示。其中短路结构是连接测试仪的测针两端与校准片上的短路器两端连接，相当于两测针“短路”。开路结构是连接测试仪的测针两端悬空，相当于两测针“开路”。负载结构是连接测试仪的测针两端与校准片上的负载电路连接。直通结构是测试仪端口内部直接连接。

图3 四种校准结构

3 误差因子分析

OSLT法（开路-短路-负载-直通法，openshort-load-through）全二端口校准法是应用最为广泛的校准算法[8]。使用包括正向误差模型和反向误差模型需要的方向性误差、反射跟踪误差、传输跟踪误差、源失配误差、负载失配误差、隔离误差等12项误差因子[9-10]，具体如表1所示。

表1 调平算法对比

表1 12项误差因子列表

3.1 正向误差分析

当信号从端口1向端口2进行正向传输时，通过等效变换形成了反向误差模型，主要由前向方向性误差EDF、前向反射跟踪误差ERF、前向传输跟踪误差ETF、前向源失配误差ESF、前向负载失配误差ELF、前向隔离误差EXF6个正向误差因子组成，如图4所示。

图4 正向误差模型

根据OSLT法校准中的开路（Open）、短路（Short）、负载（Load）、直通（Through）四种结构，建立包含6个误差因子的6个方程，求出6个误差因子，具体计算过程如式(5)、式(6)、式(7)、式(8)、式(9)、式(10)所示。

（1）当端口1、端口2均为负载结构时，S11=S21=S12=S22=0，则测量端口1的输入反射系数M1为：

测量端口2的输入反射系数M2为：

（2）当端口1为短路结构、端口2为负载结构时，S11=-1、S12=S21=S22=0，则测量端口1的输入反射系数M3为：

测量端口2的输入反射系数M4为：

（3）当端口1、端口2分别为直通结构时，S11=S22=0、S21=S12=1，则

测量端口1的输入反射系数M5为：

测量端口2的输入反射系数M6为：

3.2 正向误差分析

当信号从端口2向端口1进行反向传输时，通过等效变换形成了反向误差模型，主要由反向方向性误差EDR、反向反射跟踪误差ERR、反向传输跟踪误差ETR、反向源失配误差ESR、反向负载失配误差ELR、反向隔离误差EXR6个反向误差因子组成，如图5所示。

图5 反向误差模型

根据OSLT法校准中的开路（Open）、短路（Short）、负载（Load）、直通（Through）四种结构，建立包含6个反向误差因子的6个方程，具体计算过程式(11)、式(12)、式(13)、式(14)、式(15)、式(16)所示。

（1）当端口1、端口2分别为负载结构时，S11’=S21’=S12’=S22’=0，则测量端口1的输入反射系数M7为：

测量端口2的输入反射系数M8为：

（2）当端口2为短路结构、端口1为负载结构时，S22’=-1、S12’=S21’=S11’=0，则测量端口1的输入反射系数M9为：

测量端口2的输入反射系数M10为：

（3）当端口1、端口2均为直通结构时，S11’=S22’=0、S21’=S12’=1，则测量端口1的输入反射系数M11为：

测量端口2的输入反射系数M12为：

4 测试过程中的应用

在进行晶圆测试的过程中，具体的S参数测试过程主要包括测试前利用校准片得出12项误差因子、正常测试中对实测数据进行误差修正以及测量数据的合成，如图6所示。

图6 产品封焊效果图

图6 测试数据校准示意图

首先在进行正常微波测试前进行校准片的测试，根据校准片上的开路、短路、负载、直通路等特殊结构电路，得出12项误差因子函数[11]；然后将被测微波器件晶圆置于承载台上进行测试，得出S11m、S12m、S21m、S22m的实测数据[12-13]，并根据校准模型式(17)、式(18)、式(19)、式(20)，得出修正后的S参数曲线所需的S11、S12、S21、S22，合成为S曲线显示在屏幕上，经过测试系统的综合比较，判断测试数据是否满足工艺要求。

5 结束语

S曲线测试是目前微波信号测试的首选方法，在进行片上校准的过程中，校准件的选择、测试探头的接触状态、信号传输的方式以及测试时的环境条件都会对测试结果产生一定的影响。因此，在具体校准过程中，除了进行12项误差因子的校准，还应通过大量试验在模型中加入扰动常数，确保S参数测试准确。