Scanning-probe based measurement concepts for high resolution RF voltage sensing

Abstract

Die steigende Nachfrage nach leistungsfähigeren Kommunikations- und Sensorsystemen erfordert die Entwicklung immer komplexerer integrierter Hochfrequenz (HF)-Schaltungen. Dies erfordert die kontinuierliche Innovation von Messmethoden, da die detaillierte Charakterisierung und Überprüfung ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung und Fertigung von integrierten HF-Schaltungen ist. Die Fähigkeiten konventioneller, kontaktbasierter Messmethoden zur Charakterisierung miniaturisierter Schaltkreise sind durch die erforderlichen, relativ großen Kontakt-Pads begrenzt. Um die Einschränkungen vorhandener Methoden zu überwinden, werden Konzepte aus der Rasterkraftmikroskopie mit kontaktlosen HF-Messmethoden kombiniert. Die entwickelten Messkonzepte können Informationen über zuvor unzugängliche Schaltkreiseigenschaften liefern und somit zu einer effizienteren Entwicklung von integrierten HF-Schaltungen beitragen. Eine miniaturisierte Cantilever-Sonde mit einer scharfen Spitze wird als kapazitiv gekoppelte Messsonde verwendet, um kontaktlose Spannungsmessungen innerhalb von HF-Schaltungen bei Frequenzen von zunächst bis zu 13 GHz zu ermöglichen. Die präzise Messung der Cantilever-Auslenkung ermöglicht es dem System, die HF-Spannung in einem kontinuierlichen Bereich von Entfernungen zwischen der Sondenspitze und der Schaltkreisoberfläche aufzuzeichnen. Ein analytisches Modell der Kopplungskapazität wird verwendet, um die lokale HF-Spannung an einer bestimmten Schaltungsposition vom Übersprechen anderer Schaltungsteile in größerer Entfernung von der Spitze zu trennen. Dieser Ansatz ermöglicht die Erfassung von HF-Spannungen innerhalb von Geräten mit einer räumlichen Auflösung von einzelnen Mikrometern. Das modellbasierte Verfahren ermöglicht die Reduzierung von Übersprechen, ohne die Empfindlichkeit der Messung zu beeinträchtigen. Im Gegensatz zu bestehenden Methoden mit einer vergleichbaren räumlichen Auflösung führt das entwickelte Verfahren zu einer um den Faktor 4.9 verbesserten Empfindlichkeit. Die Limitierungen des entwickelten Messkonzepts werden durch eine Kombination aus elektrostatischen Simulationen und HF-Messungen an Teststrukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Abmessungen analysiert. Es zeigt sich, dass die isolierende Passivierungsschicht, die auf den analysierten integrierten HF-Schaltungen aufgebracht ist, die erreichbare räumliche Auflösung auf etwa das Doppelte der Schichtdicke begrenzt. An einer Teststruktur mit interdigitalen Elektroden und einer Fingerbreite von 2 μm, auf die eine 1 μm dicke Passivierungsschicht aufgebracht ist, ermöglicht das entwickelte Messsystem eine präzise HF-Spannungsmessung, wobei Messfehler durch Übersprechen auf unter < 1 % reduziert werden. Die Empfindlichkeit des Messsystems beträgt 6.3 mV/ √Hz bei einer Messfrequenz von 26.5 GHz. Eine breitbandige Messsonde wird entwickelt, um HF-Spannungsmessungen bei Frequenzen von 1 GHz bis zu 26.5 GHz zu ermöglichen. Die Implementierung der Sonde ist so gestaltet, dass ausreichend Platz besteht um die Sondenspitze nahe an einer Kontakt-Spitze zu platzieren, welche das HF-Signal in den untersuchten Schaltkreis einspeist. Der begrenzte verfügbare Platz stellt eine bedeutende Herausforderungen für die Integration neuartiger Messkonzepte in übliche Wafer-Probing-Systeme dar. Als Schritt hin zu einer kompakteren Implementierung von HF-Spannungsmessungen auf Basis von Rasterkraftmikroskopen werden Cantilever-Sonden mit integrierten Auslenkungssensoren als Alternative zur konventionellen optischen Messung der Auslenkung betrachtet. Speziell wird eine neuartige mechatronische Demodulationsmethode zur Bestimmung von Cantilever-Oszillationen entwickelt. Zwei piezoresistive Elemente an der Basis des Cantilevers sind in AC-Brückenschaltungen verbunden, die mit in-Phase- und Quadratur-Sinus-Signalen versorgt werden. Die Methode integriert somit die Lock-in-Methode direkt in die Elektronik zur Auslenkungsmessung und ermöglicht eine effiziente Erfassung von Cantilever Oszillationen, ohne dass ein externer Demodulator erforderlich ist.

The escalating demand for faster communication and sensor systems necessitatesthe development of increasingly complex radio frequency (RF) integrated circuits. This requires a continuous innovation of measurement tools since the detailed characterization and verification is an essential part of the development and manufacturing of RF integrated circuits. The capabilities of conventional, contact-based probing methods for the characterization of miniaturized devices are inherently limited by the relatively large size of the required contact pads. To overcome the limitations of existing measurement tools, concepts from scanning-probe microscopy are integrated with contactless RF sensing methods. The developed measurement concepts can provide information about previously inaccessible circuit properties and thus contribute to a more efficient development of RF integrated circuits. A micromachined cantilever with a sharp is used as capacitively coupled probe to enable contactless voltage measurements within RF devices at frequencies of initially up to 13 GHz. The precise measurement of the cantilever deflection allows the system to record the RF voltage at a continuous range of distances between the probe tip and the device surface. An analytic model of the coupling capacitance is utilized to separate the local RF voltage at a given device location from cross-talk contributions of other circuit parts at a larger distance from the tip. This approach enables RF voltage sensing within devices with micrometer spatial resolution. The model-based procedure allows the reduction of cross-talk without sacrificing the sensitivity of the measurement. In contrast to previously reported methods with a similar spatial resolution, the developed procedure leads to an improvement of the sensitivity by a factor of 4.9. The limitations of the developed measurement concept are analysed in detail by a combination of electrostatic simulations and RF sensing experiments on test structures with different properties and dimensions. It is found that the insulating passivation layer covering the analysed RF integrated circuits limits the achievable spatial resolution to about twice the layer thickness. On an interdigital electrode test structure with a finger width of 2 μm, covered by a 1 μm thick passivation layer, the developed measurement system enables accurate RF voltage sensing, achieving a cross-talk induced error < 1 %. The achieved measurement sensitivity equals 6.3 mV/√Hz at a measurement frequency of 26.5 GHz. A wide-bandwidth voltage probe is developed to enable RF voltage sensing at frequencies from 1 GHz up to 26.5 GHz. The probe is implemented with sufficient clearance such that the probe tip can be placed close to a contact-probe which applies the RF signal to the investigated circuit. Clearance and limited available space are significant challenges for the integration of novel measurement concepts into common wafer probing systems. In a step towards a more compact implementation of scanning-probe based RF voltage sensing methods, cantilever probes with integrated deflection sensors are considered as alternative to the conventional optical deflection sensing concept. Specifically, a novel mechatronic demodulation method for determining cantilever oscillations is developed. Two piezoresistive elements at the base of the cantileverare connected in AC bridge circuits, which supplied by in-phase and quadrature sinusoidal signals. The method thus integrates the lock-in method directly into the deflection sensing electronics and enables an efficient detection of cantilever oscillations without the need for an external demodulator.