VSL heeft een grensverleggende oplossing ontwikkeld om superkleine hoogfrequente componenten op de wafer te kunnen karakteriseren. Het Nederlands metrologisch instituut legt uit welke obstakels het daarbij heeft overwonnen.
Vector network analyzers (vna’s) zijn sleutelinstrumenten in het rf- en millimetergolfdomein. De chipindustrie zet ze in om hoogfrequente componenten en circuits al op de wafer, vlak na de productie, te testen. Dit om te verifiëren of ze functioneren zoals verwacht, alvorens ze in te bouwen in bijvoorbeeld mobiele telefoons. Bij VSL gebruiken we vna’s om tot 50 GHz de zogeheten scattering-parameters (S-parameters) van coaxiale componenten te bepalen. Aan de hand daarvan kunnen we nauwkeurig het hoogfrequente elektrische gedrag van de componenten beschrijven.
Met de toenemende miniaturisering wordt het echter steeds moeilijker om de hoogfrequent-karakterisatie correct uit te voeren. Een eerste probleem vormen de huidige commerciële meetstations waarmee vna’s on-wafer worden gecombineerd: door de gebruikte optische microscoop voor visualisatie van de te testen componenten zijn die beperkt in resolutie. Ten tweede hebben de manipulatoren voor het maken van het elektrische contact mechanische beperkingen. Ten derde geven vna’s bij nanostructuren significante ruis. Om dergelijke structuren toch on-wafer te kunnen karakteriseren, hebben we bij VSL een nieuw meetstation ontwikkeld.
Technische uitdagingen
De oplossing van elk van de drie problemen had zijn eigen technische uitdagingen. Voor de visualisatie was het nodig een techniek te vinden die kleinere structuren met voldoende resolutie zichtbaar maakt. Vooral moest er meer dieptezicht komen dan de huidige ‘bovenaanzicht’-microscopen geven. Dat dieptezicht is cruciaal om de manipulatoren met meetkop veilig op de nanostructuren te kunnen laten landen.
Bij de manipulatoren zelf moest de mechanische aansturing sterk verbeteren: de huidige aansturing op het niveau van vele micrometers is te grof om de meetkop voldoende goed uit te lijnen met het wafervlak en vervolgens contact te laten maken met de nanostructuren zonder ze te beschadigen. Omdat er geen hoogfrequent-meetkoppen met submicron-tipgroottes beschikbaar zijn, moesten we bovendien speciale overgangsstructuren ontwerpen om de brug te slaan tussen de tip en de nanostructuren.
Device lifecycle management for fleets of IoT devices
Microchip gives insight on device management, what exactly is it, how to implement it and how to roll over the device management during the roll out phase when the products are in the field. Read more. .
De ruis bleek een fundamenteel probleem. Vna’s zijn ontworpen voor nauwkeurige metingen aan componenten met een karakteristieke impedantie van 50 Ω. Hoe verder hiervanaf, hoe slechter de meetnauwkeurigheid. Bij nanostructuren, met een typische impedantie van ongeveer 10 kΩ, is de ‘mismatch’ al zo groot dat de vna meer dan drie orden van grootte minder nauwkeurig meet.
Stabiliteit en nauwkeurigheid
Als eerste hebben we het laatste probleem aangepakt. Om de ruis in de vna-metingen te verminderen, hebben we gekeken naar interferometrische ruisonderdrukking. Impedantiemismatch leidt tot een gereflecteerde hoogfrequente golf in de meetkabels, die de meetnauwkeurigheid ernstig aantast. Het idee van interferometrische ruisonderdrukking is om deze golf te compenseren door een tweede golf in het meetcircuit te injecteren met 180 graden verschil in fase. Deze aanpak is vergelijkbaar met die in ‘noise cancelling’ koptelefoons, maar dan toegepast in het hoogfrequentgebied. Zodra we de gereflecteerde golf perfect compenseren, heeft de vna in zijn meting van de 10 kΩ nanostructuur dezelfde nauwkeurigheid als bij ‘normale’ 50 Ω componenten. In tests hebben we met onze nieuwe techniek inderdaad een verbetering van ongeveer drie orden van grootte gevonden.
De andere twee problemen hebben we opgelost in samenwerking met de TU Delft en het Franse instituut voor micro- en nanotechnologie IEMN, binnen het gezamenlijke Europese onderzoeksproject Planarcal. IEMN heeft een meetstation ontwikkeld met een scanning elektronenmicroscoop (sem) voor samplevisualisatie en een platform met submicron-verplaatsingsmogelijkheden voor positionering van de hoogfrequent-meetkop. Dit station heeft als nadeel dat de sem wel een uitstekende resolutie heeft, maar nog steeds geen goed dieptezicht geeft. Verder laat de vacuümkamer te weinig ruimte over voor optimale implementatie van de interferometrische ruisonderdrukking.
De oplossing die we bij VSL hebben ontwikkeld, visualiseert de nanostructuur met een dubbele optische microscoop, gemonteerd onder twee verschillende hoeken. De resolutie is voldoende om de overgangsstructuren te zien waar de hoogfrequent-meetkop contact mee moet maken. De twee microscopen geven een uitstekend dieptezicht en maken het mogelijk de kop zeer betrouwbaar uit te lijnen en op de overgangsstructuren terecht te laten komen.
Voor het positioneren van de meetkop hebben we een speciale translatieconstructie gemaakt, uitgerust met zeer nauwkeurige nanomanipulatoren met 20 nm verplaatsingsresolutie en 0,02 graden resolutie in tilthoek. Hierdoor kunnen we de kop zeer goed uitlijnen met het wafervlak en hem volledig geautomatiseerd zachtjes laten ‘landen’ op de elektrische contacten van de overgangsstructuren. De translatieconstructie is groot genoeg om de cruciale componenten van de interferometrische ruisonderdrukking te kunnen plaatsen, wat de stabiliteit en nauwkeurigheid van de vna-metingen zeer ten goede komt. Door het geheel op een luchtgeveerde optische tafel te zetten, hebben we een superieure trillingsonderdrukking verkregen.