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Rückführbarkeit für On-Wafer-Streuparametermessungen auf industriellen Substraten

20.11.2018

Im Rahmen des von der EU geförderten Projekts PlanarCal ist es erstmalig gelungen, eine vollständige Messunsicherheitsbilanz für planare Streuparametermessungen auf industriellen Substraten im Frequenzbereich 1 bis 110 GHz aufzustellen. Die Methodik zur Aufstellung der Unsicherheitsbilanz wurde auf Quarzglas verifiziert und ist grundsätzlich auch auf andere Materialien übertragbar.

 

 

 

Zum Nachweis der Rückführbarkeit planarer Streuparametermessungen sind im Vergleich zur koaxialen und Hohlleitermesstechnik viele zusätzliche Schwierigkeiten zu meistern. Planare Bauteile und Kalibrierstandards werden in unterschiedlichsten Technologien auf diversen Substratmaterialien gefertigt, und weder Art und Geometrie der verwendeten planaren Wellenleiter noch die eingesetzten Mikrowellenprüfspitzen sind genormt.


Im Rahmen des EU-Projekts PlanarCal wurden die bei höheren Frequenzen verstärkt auftretenden parasitären Effekte in planaren Wellenleitern wie Abstrahlung, Dispersion und Oberflächenrauheit gemeinsam mit den Einflüssen der Prüfspitzen und der layoutbedingten Nachbarstrukturen untersucht. Als Ergebnis umfangreicher numerischer Feldsimulationen und messtechnischer Verifikationen wurde ein Satz von Richtlinien entwickelt, mit deren Hilfe die erwähnten parasitären Einflüsse auf ein Minimum reduziert werden können.


Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Untersuchungen ist der Nachweis, dass verlässliche Messunsicherheiten für planare Streuparametermessungen nur für genau festgelegte Kombinationen aus Substratmaterial, planarem Wellenleiter und Mikrowellenprüfspitzen unter Beachtung der vorliegenden elektromagnetischen Randbedingungen angegeben werden können. Unter Einhaltung dieser Voraussetzungen wurde letztes Jahr erstmalig Rückführbarkeit für koplanare Streuparametermessungen in Membrantechnologie nachgewiesen. Die Aufgabe wurde im Vergleich zu industriell verwendeten Substraten dadurch vereinfacht, dass der Einfluss der dielektrischen Eigenschaften des Membranmaterials auf die Wellenleitereigenschaften deutlich geringer ist.


Bei industriell verwendeten Substraten wie z.B. Quarzglas oder Aluminiumkeramik müssen dagegen die dielektrischen Eigenschaften (relative Permittivität und Verlustfaktor) hinreichend genau bekannt sein. Für die Lösung dieses Problems auf Quarzglas wurden neben Herstellerangaben bei tiefen Frequenzen rückgeführte Messungen mit einem Split-Cylinder-Resonator von 10 bis 30 GHz sowie auf On-Wafer-Messungen basierende breitbandige Extraktionsverfahren benutzt. Die resultierenden Unsicherheiten im Frequenzbereich 1 bis 110 GHz wurden sehr konservativ abgeschätzt.


Zur Untersuchung der Rückführbarkeit auf Quarzglas wurden koplanare Teststrukturen vom industriellen Projektpartner Rohde & Schwarz, München hergestellt. Numerische Simulationen des Prüfspitzeneinflusses und des Layouts wurden am Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin, durchgeführt.


Zur Bestimmung der dimensionellen Unsicherheiten im Querschnitt der verwendeten koplanaren Wellenleiter wurden hochpräzise AFM-Messungen eingesetzt. Die erweiterte Messunsicherheit (Erweiterungsfaktor k=2) beträgt für die Signalleiterbreite 0.6 µm und für die Spaltbreite 0.2 µm. Für die Oberflächenrauheit wurde ein Wert von 4 nm bestimmt, so dass Rauheitseinflüsse im gesamten betrachteten Frequenzbereich vernachlässigt werden können.


Bild 1 zeigt beispielhaft die erweiterte Messunsicherheit (95%-Konfidenzintervalle) für den Betrag des Streuparameters S11 (Reflexion) an drei sehr unterschiedlichen planaren Bauteilen: Dämpfungsglied, fehlangepasste Leitung und Leerlauf. Die zugrunde liegende Unsicherheitsbilanz umfasst neben den Instrumentenfehlern des Messaufbaus (Netzwerkanalysator, Kabel usw.) die Unsicherheiten in den Kalibrierstandards und die Wiederholbarkeit des Aufsetzvorgangs der Prüfspitzen.

 

Streuparameter-Diagramm

Bild 1: Erweiterte Messunsicherheiten (95%-Konfidenz-Intervalle) des Streuparameters S11 für drei verschiedene planare Hochfrequenzbauteile auf Quarzglas-Substrat.