ЗОНДОВАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛОВ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области полупроводникового машиностроения, в частности к устройствам зондового измерения полупроводниковых структур.

При создании гибридно-интегральных СВЧ схем, в которых транзисторы используются без корпуса, необходимо точно знать значения параметров кристалла.

Применение бескорпусных транзисторов позволяет расширить полосу усиливаемых частот, увеличить коэффициент усиления, уменьшить коэффициент шума интегральной схемы.

Низкочастотные параметры кристаллов (S-крутизна, напряжения и т.д.) в настоящее время успешно измеряются, однако является проблемой измерение СВЧ параметров кристаллов (выходной мощности, коэффициента передачи по мощности, коэффициента шума, полного сопротивления и т.д.).

Измерение СВЧ параметров производится лишь для корпусированных кристаллов. Опыт разработки транзисторов показывает, что кристаллы имеют большой разброс параметров. Так как интегральная схема СВЧ, в которую устанавливается кристалл, по стоимости равна стоимости кристалла, поэтому установленный в схему кристалл должен быть заведомо годным и иметь требуемые параметры.

Для измерения низкочастотных параметров кристаллов создано большое количество зондовых головок. Основным их недостатком является ограниченный диапазон рабочих частот менее 100 ГГц, обусловленный большими паразитными параметрами (R,L и С): R-сопротивление, L индуктивность, С емкость) зондов. Паразитные параметры не вносят существенных погрешностей при измерениях на низких частотах, но не позволяют измерять параметры кристаллов на СВЧ.

Любая зондовая головка обладает зондами конечных размеров.

На СВЧ эквивалентная схема зонда представляется в виде распределенных R, L и С (R сопротивление, L индуктивность, С емкость).

Для подключения транзистора используются три зонда. Эквивалентная схема транзистора с зондами приведена на фиг. 1. Паразитные параметры зондов предполагаются одинаковыми.

Особенность измерений параметров на СВЧ необходимость малости паразитных параметров зондов. Особенно жесткие требования предъявляются к заземленному зонду, т. к. он обеспечивает развязку между входом и выходом. Важно, чтобы паразитные параметры заземляющего зонда были предельно малы.

Известно зондовое устройство по а. с. N 317.133, кл. Н 01 L 7/68, от 07.10.71. Оно представляет собой оптически прозрачное диэлектрическое основание с нанесенными на его поверхность металлическими контактами с выступами. Выступы выращиваются гальваническим путем и покрываются вольфрамом или молибденом для придания жесткости. Выступы располагаются планарно, согласно геометрии испытуемого кристалла.

Кристалл с помощью прижимного устройства прижимается к выступам контактов.

За счет прижимного усилия контактные площадки кристалла деформируются, что обеспечивает их надежный контакт с выступами.

Недостатком такого зондового устройства является трудность создания выступов, вершины которых лежат в одной плоскости. Неравновеликость выступов требует значительных деформаций контактных площадок для создания надежного контакта.

В отличие от низкочастотных приборов, имеющих толстые контактные площадки, все СВЧ транзисторы имеют тонкие контактные площадки, деформация которых недопустима. В связи с этим, при контактировании СВЧ транзисторов этим устройством, контакт получается ненадежным. Кроме того, длина замедляющих контактов получается сравнительно большой, а прижимное устройство находится близко от контактов. Большая длина контактов и емкостное влияние прижимного устройства обуславливают большую паразитную индуктивность и емкость зондов, что делает невозможным измерение СВЧ параметров кристаллов.

Известен патент США N 3.508.151, кл. 324-158 от 02.11.79, в котором описана зондовая головка, представляющая собой патрон с двумя прозрачными торцами. В полость патрона подается сжатый воздух под давлением. Верхний торец патрона выполнен из стекла и служит смотровым окном. Нижний торец гибкая диэлектрическая пленка с нанесенными на нее коммутационными металлическими дорожками, на концах которых закреплены рабочие зонды.

Планарное расположение зондов соответствует расположению контактных площадок на кристалле. В исходном состоянии междупленкой и кристаллом имеется зазор. При подаче сжатого воздуха в патрон пленка прогибается и зонды опускаются на контактные площадки кристалла.

Недостатком зондовой головки является плохое качество создаваемого контакта при малом давлении в патроне. Для создания надежного контакта требуется подавать в патрон очень высокое давление, что, как правило, ведет к разрыву пленки. Кроме того, большая длина заземляющих контактов и влияние прижимного устройства обуславливают большую паразитную индуктивность и емкость зондов, что делает невозможным применение этого устройства для измерения СВЧ параметров кристаллов.

Прототипом предполагаемого изобретения является а.с. СССР 560.372, кл. Н 05 К 1/04 (53), 1975, в котором описана зондовая головка для устройств контроля.

Головка состоит из эластичного основания, на одной стороне которого размещены контакты и механизм прижима, а с другой, под соответствующими контактами, размещены упоры, взаимодействующие с механизмом прижима.

Головка работает следующим образом. На механизм прижима устанавливается кристалл. С помощью механизма прижима кристалл подается в плоскость контактирования, при этом его контактные площадки строго ориентируются против контактов. На упоры подается строго дозированное прижимающее усилие, которое передается на контакты через гибкое основание, обеспечивая надежность контактирования.

Недостатками зондовой головки являются трудность индивидуального нагружения зондов при малых расстояниях между ними, т.к.величина удельного давления, передаваемого через эластичное основание чрезвычайно велика и упоры пропалывают основание, кроме того, значительная длина заземляющих контактов, обусловленная их планарным расположением и малое расстояние от механизма прижима приводят к большим паразитным индуктивностям и емкостям зондов, что делает невозможным измерение СВЧ параметров кристаллов.

Цель изобретения обеспечение возможности измерения СВЧ параметров кристаллов (выходной мощности, коэффициента передачи по мощности, коэффициента шума и полного сопротивления).

Поставленная цель достигается тем, что в известно устройстве, содержащем основание, на одной стороне которого размещены контакты, механизм прижима и упоры, расположенные над соответствующими контактами с возможностью взаимодействия с механизмом прижима, обратная сторона основания полностью металлизирована и в нем выполнено отверстие, размеры которого больше диаметра измеряемого кристалла, причем металлизация заземлена, а к ней присоединены заземляющие контакты.

Металлизированная сторона основания заземлена и к ней присоединены заземляющие контакты, обеспечивающие кратчайшее заземление контактных площадок кристалла и механизм прижима. Заземление механизма прижима через металлизацию исключает его влияние на измеряемые параметры кристаллов. Кратчайшая длина заземляющих контактов и заземление механизма прижима позволяют получить наименьшие паразитные параметры (RL и С) контактов и обеспечить измерение СВЧ параметров кристаллов с большой точностью.

Предлагаемая зондовая головка приведена на фиг. 2, где: механизм прижима 1; диэлектрическое основание 2; упоры 3; контакты сигнальные 4; заземленная металлизация 5;кристалл 6; контактные площадки кристалла 7; контакты заземляющие 8; отверстие в металлизации и диэлектрическом основании 9.

Головка работает следующим образом. На механизм прижима 1 устанавливается кристалл 6 контактными площадками кристалла 7 вверх.

Механизмом прижима 1 кристалл 6 подается через отверстие 9 в основании 5 в плоскость контактирования и ориентируется контактными площадками кристалла 7 против сигнальных контактов и заземляющих контактов 8, которые присоединены к заземленной металлизации 5 основания 2, и приводится в соприкосновение.

Заземляющие контакты 8 обеспечивают кратчайшее соединение заземленной металлизации 5 с контактными площадками кристалла 7 и механизмом прижима 1. Для ограничения хода механизма прижима 1 диэлектрическое основание 2 выполнено жестким.

Упорами 3, расположенными над соответствующими контактами 4 и 8, к которым приложена строго дозированное давление, обеспечивается надежное контактирование с контактными площадками кристалла 7.

На сигнальные контакты 4 подается сигнал и измеряются СВЧ параметры кристалла 6.

Пример реализации.

На механизм прижима 1, поверхность которого полирована и покрыта золотом толщиной 6 мкм для создания теплового контакта с кристаллом 6, устанавливают кристалл 6 полевого транзистора на галлий-арсенид размерами 0,5 х 0,5 х 0,1 мм, контактными площадками кристалла 7, выполненными из золота, вверх.

Механизмом прижима 1 кристалл 6 подается через отверстие 90, конусной формы в основании 5, в плоскость контактирования и ориентируются контактными площадками кристалла 7 против зольных сигнальных контактов 4 и заземляющих контактов 8, которые приварены к заземленной металлизации 5, из хром-медь-золота, основания 2, выполненного из керамики А-995 и приводится в соприкосновение.

Заземляющие контакты 8 обеспечивают кратчайшее соединение заземленной металлизации 5 с контактными площадками кристалла 7 и механизмом прижима 1.

Для ограничения хода механизма прижима диэлектрическое основание выполнено жестким.

Упорами 3, выполненными из сапфира, расположенными над соответствующими контактами 4 и 8, к которым прикладывается давление 5 грамм, обеспечивают надежное контактирование с контактными площадками кристалла 7.

На сильные контакты 4 подается сигнал и измеряются СВЧ параметры кристалла 6.

Металлизация основания заземляется, что обеспечивает кратчайшее присоединение контактных площадок кристалла к земле и заземление механизм прижима. Заземление механизма прижима исключает его влияние на измеряемые параметры кристаллы.

Длина заземляющих контактов получается предельно малой и соизмерима с высотой кристалла. Практически при высоте кристалла 0,1 мм длина заземляющих контактов <0,2 мм, что соответствует их паразитной индуктивности L 0,1 нГ.

По сравнению с прототипом, где длина заземляющих контактов составляет в лучшем случае несколько десятков миллиметров, выигрыш в уменьшении паразитной индуктивности заземляющих контактов составляют более 100 раз.

Изготовлен лабораторный макет зондовой головки, на которой измеряются коэффициенты передачи по мощности и шума СВЧ полевых транзисторов в диапазоне 1-12 ГГц.

Использование: изобретение относится к области полупроводникового машиностроения, в частности к устройствам зондового измерения полупроводниковых структур. Сущность: обратная сторона основания полностью металлизирована и заземлена, а к ней присоединены заземляющие контакты головки. В основании выполнено отверстие, размеры которого больше размеров измеряемого кристалла. 2 ил.

Зондовая головка для измерения параметров кристаллов, содержащая основание, на одной стороне которого размещены контакты, механизм прижима и упоры, расположенные над контактами с возможностью взаимодействия с механизмом прижима, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения возможности измерения СВЧ параметров, обратная сторона основания полностью металлизирована, причем металлизация заземлена, а к ней присоединены заземляющие контакты головки, и в основании выполнено отверстие, размеры которого больше размеров измеряемого кристалла.