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Kommerzielle Kalibriersubstrate als Transferstandards für On-Wafer-Referenzkalibrierungen

06.12.2019

Die PTB hat den Nachweis erbracht, dass sich auf kommerziellen Substraten gefertigte Kalibriernormale als Transferstandards für Multiline-Referenzkalibrierungen verwenden lassen. Damit wird für planare Streuparametermessungen erstmalig eine Anbindung an industrielle Anwendungen ermöglicht.

 

 

Multiline-TRL („TRL“ steht für Thru-Reflect-Line) ist weltweit als eine der genauesten On-Wafer-Kalibrierungen für planare Streuparametermessungen anerkannt. Für industrielle Anwendungen mit hohem Durchsatz (z.B. mit automatisierten Wafer-Probern) werden hingegen Kalibriermethoden mit einer gleichbleibenden Distanz der Prüfspitzen wie z.B. SOLT, LRM, LRRM, LRM+ bevorzugt. Die Abkürzungen SOLT, LRM usw. stehen für die in der jeweiligen Methode verwendeten Kalibriernormale. Dabei kommen in der Regel handelsübliche Kalibriersubstrate (Impedance Standard Substrate, ISS) zum Einsatz, wobei die Kalibrierdaten vom Hersteller unabhängig vom Messobjekt spezifiziert werden.

Im europäischen Projekt „PlanarCal“ hat die PTB rückführbare Referenzkalibrierungen auf der Basis von Multiline-TRL für koplanare Wellenleiter (Coplanar Waveguides, CPWs) beispielhaft auf Quarzglas-Substraten entwickelt. Für Messobjekte auf Quarzglas-Substraten können diese Referenzkalibrierungen dazu verwendet werden, Transferstandards auf kommerziellen ISS-Substraten zu charakterisieren.

Messergebnisse für zwei typische Messobjekte auf Quarzglas sind in den Bildern 1 und 2 dargestellt. Während für Frequenzen bis mindestens 110 GHz die Ergebnisse einer SOLT-Kalibrierung mit charakterisierten Standards mit den Multiline-Referenzergebnissen nahezu vollständig übereinstimmen, ergeben sich bei Verwendung der Herstellerspezifikationen zum Teil erhebliche Abweichungen. Die Messunsicherheiten bei Verwendung von SOLT mit charakterisierten Standards sind im Vergleich zur Referenzkalibrierung nur geringfügig erhöht.

Die auf Quarzglas für CPWs verifizierte Methodik ist grundsätzlich auch auf andere Substratmaterialien und Wellenleitertypen übertragbar. Voraussetzung dafür ist eine zu der Anwendung passende Multiline-TRL-Kalibrierung, die die Bedingungen einer rückführbaren Referenzkalibrierung erfüllt. Da die Entwicklung einer rückführbaren Multiline-TRL-Kalibrierung für die jeweilige Anwendung eine sehr komplexe Aufgabe sein kann, bietet die PTB in solchen Fällen Unterstützung im Rahmen von Forschungskooperationen an.

Die Verwendung korrekt charakterisierter ISS-Standards in Verbindung mit einfachen Kalibrieralgorithmen wie z.B. SOLT ermöglicht es dem Endanwender nicht nur, Multiline-TRL-ähnliche Ergebnisse zu erhalten, sondern auch die Referenzebene der Kalibrierung passend zum Messobjekt zu verschieben. Zusätzlich wird der Verschleiß der anwendungsspezifischen Referenzkalibriernormale minimiert, da diese nur für die Charakterisierung der Transferstandards benötigt werden.
Die PTB bietet die Charakterisierung von Transfer-ISS-Standards als Kalibrierdienst unter Einhaltung von DIN/EN ISO 17025 an. Die Ergebnisse der Charakterisierung aus dem Kalibrierzertifikat der Transfernormale können in den meisten modernen Vektornetzwerkanalysatoren als datenbankbasierte Kalibriernormale verwendet werden.

 

Diagramm Reflexion (Phase) eines Dämpfungsglieds

Bild 1: Reflexion (Phase) eines Dämpfungsglieds

 

Diagramm Transmission (Betrag) einer fehlangepassten Leitung

Bild 2: Transmission (Betrag) einer fehlangepassten Leitung

 

 

Veröffentlichung:
U. Arz et al., "Best Practice Guide for Planar S-Parameter Measurements using Vector Network Analysers" September 2018.