CN110470966A - 散射参数测量方法及器件校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种散射参数测量方法及器件校准方法，所述测量方法包括：制备N个标准结构件，标准结构件包括GSG PAD及长度为LN且互不相等的传输线；测量N个标准结构件的散射参数SN；将散射参数SN转化为ABCD参数；根据变量Z1和Y2构造标准结构件中GSG PAD的ABCD矩阵；根据变量γ和Z0构造标准结构件中长度为LN的传输线的ABCD矩阵；构造标准结构件的ABCD矩阵；求解变量Z1、Y2和/或变量γ、Z0；获取GSG PAD的ABCD参数和/或任意长度LX传输线的ABCD参数；将ABCD参数转化为散射参数S。本发明通过至少两根不同长度传输线的散射参数，即可实现任意长度传输线及GSG PAD散射参数测量，测量精度较高，大大提高了散射参数测量的灵活性，测量得到的散射参数能够广泛应用于器件的校准。
Description
技术领域
本发明属于射频及微波技术领域，具体涉及一种散射参数测量方法及器件校准方法。
背景技术
射频芯片被广泛应用于现代通信系统中，例如基站采用LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)或GaN(氮化镓)芯片来放大通讯信号，手机终端则采用GaAs(砷化镓)芯片等来进行无线信号的收发。每一代新的通信技术相比于上一代，通信容量都有巨大的提升，为了承载如此快速的数据传输，射频芯片工作的频率也需要不断地增加，这给芯片设计和封装带来了挑战。射频和毫米波芯片设计离不开EDA(电子设计自动化)软件，而有源和无源器件模型是实现EDA辅助设计的关键。半导体器件建模的本质是构建物理或数学算法来模拟这些器件在物理世界中的行为，模型需要不断地修正其参数直至其计算机仿真结果与器件测试数据一致，因此准确可信的测试数据是建模成功的第一步。
现有技术中，Through-Line-Reflect(直通-延迟线-反射，简称为TRL)是微波和射频领域常见一种校准算法，其优点是能够校准掉任何连接头和连接线，但TRL算法对频率范围有限制，无法覆盖全频段校准，并且对于低频应用，TRL的结构件Line(线)会很长，如果是片上校准，则会占用大量的晶圆面积，从而增加成本；OPEN-SHORT(开路和短路法，简称OS方法)是一种集总参数的校准算法，其原理是把开路和短路结构表征为集总参数等效模型，这种表征方法只在频率较低时成立，当频率较高，或者芯片的接触线很长时，这种方法的校准精度则不够理想；L-2L(传输线L与2L方法，简称L-2L)是一种常用于微波射频领域的校准算法，L-2L的缺点是需要提供长度分别为L和2L的传输线，对于其他长度的传输线，该方法则不适用。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种散射参数测量方法及器件校准方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种散射参数测量方法及器件校准方法，以实现散射参数的测量及器件校准。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种散射参数测量方法，所述测量方法包括：
制备N个标准结构件，标准结构件包括GSG PAD及长度为LN且互不相等的传输线，其中，N≥2；
测量N个标准结构件的散射参数SN；
将散射参数SN转化为ABCD参数
根据变量Z1和Y2构造标准结构件中GSG PAD的ABCD矩阵其中，Z1＝1/Y1，Y1和Y2为标准结构件等效模型中的导纳；
根据变量γ和Z0构造标准结构件中长度为LN的传输线的ABCD矩阵其中，γ为电磁波的传播常数，Z0为传输线的特征阻抗；
根据和构造标准结构件的ABCD矩阵
根据求解变量Z1、Y2和/或变量γ、Z0；
根据变量Z1、Y2获取GSG PAD的ABCD参数和/或根据变量γ、Z0获取任意长度LX传输线的ABCD参数；
将GSG PAD的ABCD参数和/或任意长度LX传输线的ABCD参数转化为散射参数S。
一实施例中，所述标准结构件中GSG PAD的ABCD矩阵解析表达式为：
所述标准结构件中长度为LN的传输线的ABCD矩阵解析表达式为：
一实施例中，所述标准结构件的ABCD矩阵解析表达式为：
一实施例中，所述测量方法中，“根据求解变量Z1、Y2和/或变量γ、Z0”具体为：
展开
构造非线性方程组：
其中，Q为A、B、C、D，M取值为1～N；
在每个频率点上求解非线性方程组，得到在每个频率点上变量Z1、Y2和/或变量γ、Z0的值。
一实施例中，所述非线性方程组的求解通过Matlab软件中的fsolve函数完成。
一实施例中，所述测量方法中，“根据变量Z1、Y2获取GSG PAD的ABCD参数”具体为：
将变量Z1、Y2的值代入得到GSG PAD的ABCD参数。
一实施例中，所述测量方法中，“根据变量γ、Z0获取任意长度LX传输线的ABCD参数”：
将变量γ、Z0的值代入得到任意长度LX传输线的ABCD参数。
一实施例中，所述标准结构件在晶圆上制备而得。
一实施例中，所述晶圆包括射频硅基衬底。
一实施例中，所述标准结构件的散射参数SN通过矢量网络分析仪测量得到。
一实施例中，所述标准结构件包括传输线长度为L1的第一标准结构件及传输线长度为L2的第二标准结构件，满足L1≠L2。
本发明另一实施例提供的技术方案如下：
一种器件校准方法，所述校准方法包括：
采用上述的散射参数测量方法，获取GSG PAD和任意长度LX传输线的散射参数S；
通过上述参数对GSG-传输线结构的器件进行校准。
一实施例中，所述器件为PCB板上器件或晶圆上器件。
与现有技术相比，本发明通过至少两根不同长度传输线的散射参数，即可实现任意长度传输线及GSG PAD散射参数测量，测量精度较高，大大提高了散射参数测量的灵活性，测量得到的散射参数能够广泛应用于器件的校准。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中片上测试DUT的结构示意图；
图2为本发明中传输线长L1的标准结构件的结构示意图；
图3为本发明中传输线长L2的标准结构件的结构示意图；
图4为本发明中传输线长LN的标准结构件的结构示意图；
图5为本发明中传输线长L1的标准结构件的结构划分示意图；
图6为本发明中GSG PAD部分的结构示意图；
图7为本发明中长为L1的传输线部分的结构示意图；
图8为本发明中标准结构件的等效模型图；
图9为本发明中散射参数测量方法的流程示意图；
图10为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为100μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中输入反射系数S11的幅度对比图；
图11为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为100μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中输入反射系数S11的相位对比图；
图12为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为100μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中反向传输系数S12的幅度对比图；
图13为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为100μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中反向传输系数S12的相位对比图；
图14为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为100μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中正向传输系数S21的幅度对比图；
图15为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为100μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中正向传输系数S21的相位对比图；
图16为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为100μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中输出反射系数S22的幅度对比图；
图17为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为100μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中输出反射系数S22的相位对比图；
图18为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为300μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中输入反射系数S11的幅度对比图；
图19为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为300μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中输入反射系数S11的相位对比图；
图20为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为300μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中反向传输系数S12的幅度对比图；
图21为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为300μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中反向传输系数S12的相位对比图；
图22为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为300μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中正向传输系数S21的幅度对比图；
图23为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为300μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中正向传输系数S21的相位对比图；
图24为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为300μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中输出反射系数S22的幅度对比图；
图25为本发明一具体实施例中去嵌GSG PAD后长度为300μm的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S中输出反射系数S22的相位对比图；
图26为本发明一具体实施例中测试的特征阻抗Z0和仿真的特征阻抗Z0实部对比图；
图27为本发明一具体实施例中测试的特征阻抗Z0和仿真的特征阻抗Z0虚部对比图；
图28为本发明一具体实施例中测试的传播常数γ和仿真的传播常数γ实部对比图；
图29为本发明一具体实施例中测试的传播常数γ和仿真的传播常数γ虚部对比图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一标准结构件可以被称为第二标准结构件，并且类似地第二标准结构件也可以被称为第一标准结构件，这并不背离本申请的保护范围。
参图1所示为本发明片上测试DUT的结构示意图，GSG结构是为了兼容片上探针测试系统，G代表Ground(系统地)，S代表Signal(信号)。DUT(Device under test)是待测结构，测试校准的目的是去嵌掉GSG和DUT前面的一段用于接触的传输线(即接触线)。
结合图2至图4所示为本发明中测试校准所需的标准结构件，图2中的标准结构件包括GSG PAD及长度为L1的传输线，图3中的标准结构件包括GSG PAD及长度为L2的传输线，图4中的标准结构件包括GSG PAD及长度为LN的传输线，L1、L2…LN互不相等，其中，N≥2。
本发明只需要至少两根不同长度的传输线的测试的S(散射)参数，即可实现任意长度传输线散射参数的测量及器件的校准，以下对本发明的原理进行详细说明。
图5所示中的标准结构件包括两部分：图6所示的GSG PAD和图7所示的长度为L1的传输线。由于GSG PAD结构具有对称性，可以用π型结构拓扑来表征，结合图8所示，该标准结构件的等效模型的ABCD参数为：
其中，Y1和Y2为导纳，都是复数，其中Z1＝1/Y1，定义Z1的目的是精简矩阵。
长为L1的纯传输线的ABCD参数可以表征为：
同理，长为L2的纯传输线的ABCD参数可以表征为：
长为LN的纯传输线的ABCD参数可以表征为：
其中γ为电磁波的传播常数，L1、L2、LN为传输线的长度，Z0为传输线的特征阻抗。γ和Z0都是复数。
根据ABCD参数的级联特性，图2中标准结构件的ABCD参数可以表征为：
上述矩阵展开，可以写为：
同理，图3中标准结构件的ABCD参数可以表征为：
其中，
同理，图4中标准结构件的ABCD参数可以表征为：
其中，
可以发现，上述N组(1，2，…，N)传输线标准结构件的ABCD矩阵参数一共有4个变量需要确定，它们为Z1,Y2,Z0和γ，而每个变量都是复数。假设图2到图4所示的标准结构件测试的ABCD参数分别为：
对于ABCD矩阵中的A项，误差方程组为：
对于ABCD矩阵中的B项，误差方程组为：
对于ABCD矩阵中的C项，误差方程组为：
对于ABCD矩阵中的D项，误差方程组为：
上述非线性方程组可以一般性地表示为：
其中，Q代表A、B、C、D，m取值为1…N。上述非线性方程组的目的是求解出Z1,Y2,Z0和γ这4个变量。而非线性方程组的求解已经有比较成熟的解决方案，比如Matlab软件中的fsolve函数，具体的求解方法此处不再进行赘述。
一旦Z1,Y2,Z0和γ这4个变量被求解出，那么GSG PAD和纯传输线的ABCD参数也得到了，这些信息可以用于后续的GSG结构的芯片校准。
结合图9所示，本发明中散射参数测量方法，包括以下步骤：
1、制备N个标准结构件，标准结构件包括GSG PAD及长度为LN且互不相等的传输线，其中，N≥2。
具体地，标准结构件在晶圆上制备而得，晶圆包括射频硅基衬底等。
2、测量N个标准结构件的散射参数SN。
散射参数SN可以2使用测试设备如矢量网络分析仪(VNA)来测量。
3、将散射参数SN转化为ABCD参数ABCD参数定义为：
4、定义优化变量Z1和Y2，根据变量Z1和Y2构造标准结构件中GSG PAD的ABCD矩阵其中，Z1＝1/Y1，Y1和Y2为标准结构件等效模型中的导纳。
GSG PAD的ABCD矩阵解析表达式为：
5、定义优化变量γ和Z0，根据变量γ和Z0构造标准结构件中长度为LN的传输线的ABCD矩阵其中，γ为电磁波的传播常数，Z0为传输线的特征阻抗。
长度为LN的传输线的ABCD矩阵解析表达式为：
6、根据和构造标准结构件的ABCD矩阵
标准结构件的ABCD矩阵解析表达式为：
7、根据求解变量Z1、Y2和变量γ、Z0。
展开
构造非线性方程组：
其中，Q为A、B、C、D，M取值为1～N；
在每个频率点上求解非线性方程组，得到在每个频率点上变量Z1、Y2和/或变量γ、Z0的值。
上述非线性方程组展开为：
优选地，非线性方程组的求解通过Matlab软件中的fsolve函数完成。
8、根据变量Z1、Y2获取GSG PAD的ABCD参数和/或根据变量γ、Z0获取任意长度LX传输线的ABCD参数。
将变量Z1、Y2的值代入即可得到GSGPAD的ABCD参数；
将变量γ、Z0的值代入即可得到任意长度LX传输线的ABCD参数。
9、将GSG PAD的ABCD参数转化为散射参数S，即可得到PAD的误差S参数，此参数可以用于后续的任何GSG PAD的去嵌，由于此去嵌方法是业界常规的操作，在此不赘述。
将任意长度LX传输线的ABCD参数转化为散射参数S，即可得到任意长度LX传输线的ABCD参数转化为S参数。
本发明中测量及校准的器件针对GSG PAD结构的器件，由于器件的测试结构由GSGPAD和一段长度可变的传输线构成，利用上述方法分别得到的这两个结构的S参数，可以用于后续的带有GSG PAD和传输线的其他结构件(如无源片上电感、晶体管等)的去嵌。
本发明的一具体实施例中以两个标准结构件为例进行说明，散射参数测量方法，包括以下步骤：
1、在晶圆上制备图2所示的第一标准结构件和图3所示的第二标准结构件，第一标准结构件包括GSG PAD及长度为L1的传输线，第二标准结构件包括GSG PAD及长度为L2的传输线，满足L1≠L2。如本实施例中L1为100μm，L2为300μm，晶圆为射频硅基衬底。
2、使用测试设备如矢量网络分析仪(VNA)测量第一标准结构件和第二标准结构件的散射参数S1和S2。
3、将散射参数S1和S2转化为ABCD参数和ABCD参数定义为：
4、定义优化变量Z1和Y2，根据变量Z1和Y2构造标准结构件中GSG PAD的ABCD矩阵其中，Z1＝1/Y1，Y1和Y2为标准结构件等效模型中的导纳。
GSG PAD的ABCD矩阵解析表达式为：
5、定义优化变量γ和Z0，根据变量γ和Z0构造标准结构件中长度为L1和L2的传输线的ABCD矩阵和其中，γ为电磁波的传播常数，Z0为传输线的特征阻抗。
长度为L1的传输线的ABCD矩阵解析表达式为：
长度为L2的传输线的ABCD矩阵解析表达式为：
6、根据和构造第一标准结构件的ABCD矩阵
根据和构造第二标准结构件的ABCD矩阵
7、根据和求解变量Z1、Y2和变量γ、Z0。
展开可得：
展开可得：
构造非线性方程组：
其中，Q为A、B、C、D，M取值为1～N。
即：
在每个频率点上通过Matlab软件中的fsolve函数求解非线性方程组，得到在每个频率点上变量Z1、Y2和变量γ、Z0的值。
8、根据变量Z1、Y2即可获取GSG PAD的ABCD参数：
根据变量γ、Z0即可获取任意长度LX传输线的ABCD参数：
9、将GSG PAD的ABCD参数转化为散射参数S，即可得到PAD的误差S参数，此参数可以用于后续的任何GSG PAD的去嵌，由于此去嵌方法是业界常规的操作，在此不赘述。
将任意长度LX传输线的ABCD参数转化为散射参数S，即可得到任意长度LX传输线的ABCD参数转化为S参数。
利用上述方法分别得到的这两个结构的S参数，可以用于后续的带有GSG PAD和传输线的其他结构件(如无源片上电感、晶体管等)的去嵌。
图10至图17为去嵌GSG PAD后长度为L1(100μm)的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S(包括反向传输系数S12、正向传输系数S21、输入反射系数S11和输出反射系数S22)幅度及相位的对比图。
图18至图25为去嵌GSG PAD后长度为L2(300μm)的纯传输线和仿真的纯传输线的散射参数S(包括反向传输系数S12、正向传输系数S21、输入反射系数S11和输出反射系数S22)幅度及相位的对比图。
图26、图27分别为本实施例中测试的特征阻抗Z0和仿真的特征阻抗Z0实部和虚部对比图，图28、图29分别为本实施例中测试的传播常数γ和仿真的传播常数γ实部和虚部对比图。
通过测试和仿真的对比可发现，本发明能够实现任意长度传输线散射参数的精确测量。
另外，本发明还公开了一种器件校准方法，包括：
采用上述的散射参数测量方法，获取GSG PAD和任意长度LX传输线的散射参数S；
通过上述参数对GSG-传输线结构的器件进行校准。
本发明适用的器件包括PCB板上器件或晶圆上器件，器件可以为射频和微波芯片等。
与现有技术相比，本发明中的测量及校准方法不需要提前获取传输线的特征阻抗，反而这些未知量会在校准结束后被确定。因此本发明不仅可以用于印刷电路板(PCB)和晶圆级别射频/微波芯片的校准，还可以提取传输线的特性参数，为TRL校准算法提供准确的特征阻抗；
另外，本发明去嵌得到的不同长度的纯传输线的测试数据可以用于PCB或者晶圆的衬底参数校准；
此外，硅工艺往往有大量的层级，而层级之间的互通由通孔完成，这些通孔使得校准结构的维度由平面的二维升级为立体的三维结构，这使得常见的开路短路校准方法不可用，但本发明适用于三维结构的校准，具有较好的实用价值。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明通过至少两根不同长度传输线的散射参数，即可实现任意长度传输线及GSG PAD散射参数测量，测量精度较高，大大提高了散射参数测量的灵活性，测量得到的散射参数能够广泛应用于器件的校准。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (13)
1.一种散射参数测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：
制备N个标准结构件，标准结构件包括GSG PAD及长度为LN且互不相等的传输线，其中，N≥2；
测量N个标准结构件的散射参数SN；
将散射参数SN转化为ABCD参数
根据变量Z1和Y2构造标准结构件中GSG PAD的ABCD矩阵其中，Z1＝1/Y1，Y1和Y2为标准结构件等效模型中的导纳；
根据变量γ和Z0构造标准结构件中长度为LN的传输线的ABCD矩阵其中，γ为电磁波的传播常数，Z0为传输线的特征阻抗；
根据和构造标准结构件的ABCD矩阵
根据求解变量Z1、Y2和/或变量γ、Z0；
根据变量Z1、Y2获取GSG PAD的ABCD参数和/或根据变量γ、Z0获取任意长度LX传输线的ABCD参数；
将GSG PAD的ABCD参数和/或任意长度LX传输线的ABCD参数转化为散射参数S。
2.根据权利要求1所述的散射参数测量方法，其特征在于，所述标准结构件中GSG PAD的ABCD矩阵解析表达式为：
所述标准结构件中长度为LN的传输线的ABCD矩阵解析表达式为：
3.根据权利要求2所述的散射参数测量方法，其特征在于，所述标准结构件的ABCD矩阵解析表达式为：
4.根据权利要求3所述的散射参数测量方法，其特征在于，所述测量方法中，“根据求解变量Z1、Y2和/或变量γ、Z0”具体为：
展开
构造非线性方程组：
其中，Q为A、B、C、D，M取值为1～N；
在每个频率点上求解非线性方程组，得到在每个频率点上变量Z1、Y2和/或变量γ、Z0的值。
5.根据权利要求4所述的散射参数测量方法，其特征在于，所述非线性方程组的求解通过Matlab软件中的fsolve函数完成。
6.根据权利要求2所述的散射参数测量方法，其特征在于，所述测量方法中，“根据变量Z1、Y2获取GSG PAD的ABCD参数”具体为：
将变量Z1、Y2的值代入得到GSG PAD的ABCD参数。
7.根据权利要求2所述的散射参数测量方法，其特征在于，所述测量方法中，“根据变量γ、Z0获取任意长度LX传输线的ABCD参数”：
将变量γ、Z0的值代入得到任意长度LX传输线的ABCD参数。
8.根据权利要求1所述的散射参数测量方法，其特征在于，所述标准结构件在晶圆上制备而得。
9.根据权利要求8所述的散射参数测量方法，其特征在于，所述晶圆包括射频硅基衬底。
10.根据权利要求1所述的散射参数测量方法，其特征在于，所述标准结构件的散射参数SN通过矢量网络分析仪测量得到。
11.根据权利要求1所述的散射参数测量方法，其特征在于，所述标准结构件包括传输线长度为L1的第一标准结构件及传输线长度为L2的第二标准结构件，满足L1≠L2。
12.一种器件校准方法，其特征在于，所述校准方法包括：
采用权利要求1～11中任一项所述的散射参数测量方法，获取GSG PAD和任意长度LX传输线的散射参数S；
通过上述参数对GSG-传输线结构的器件进行校准。
13.根据权利要求1所述的器件校准方法，其特征在于，所述器件为PCB板上器件或晶圆上器件。
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