1、前言

在半導(dǎo)體和集成電路工藝中，材料、晶圓、芯片的測(cè)試是必不可少的環(huán)節(jié)。隨著半導(dǎo)體測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字源表SMU結(jié)合探針臺(tái)的系統(tǒng)組合已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于材料/微小器件的電學(xué)特性驗(yàn)證中。數(shù)字源表SMU具備源測(cè)功能，可以產(chǎn)生電流-電壓(I-V)特性曲線，是半導(dǎo)體材料、器件電性能表征測(cè)量的核心；探針臺(tái)有手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)三種，根據(jù)測(cè)試需要選擇配套的產(chǎn)品即可。在選用時(shí)需要注意探針的材質(zhì)以及針尖的直徑與形狀，探針材質(zhì)不同，其阻抗也不相同；此外，探針尖磨損和污染也會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。

在測(cè)試時(shí)，通過數(shù)字源表提供激勵(lì)并對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采集。首先將電流或電壓輸入被測(cè)器件（DUT），測(cè)量該器件對(duì)此輸入信號(hào)的響應(yīng)；這些信號(hào)的路徑為：源表的輸出端接入電纜，電纜和探針連接，電流或電壓信號(hào)通過探針至芯片。

圖：SMU、探針、DUT連接示意

下文中，我們將探討數(shù)字源表SMU和探針臺(tái)的連接注意事項(xiàng)，以及不同材料/器件的測(cè)試應(yīng)用案例。

2、數(shù)字源表SMU與探針臺(tái)的連接

探針臺(tái)與源表的連接常見有兩種，一種使用同軸線連接，另一種使用三同軸線連接。當(dāng)測(cè)量小電流(nA、pA)時(shí)，應(yīng)使用三同軸轉(zhuǎn)接模塊和三同軸線纜。在接入源表保護(hù)端的測(cè)試電路中，由于三同軸的保護(hù)層與內(nèi)芯之間是等電位，不會(huì)有漏電流產(chǎn)生，能夠提高小電流測(cè)試精度。

圖：三同軸線纜半剖圖（1導(dǎo)體；2絕緣；3內(nèi)屏蔽層；4中間層；5外屏蔽層；6外護(hù)套）

圖：三同軸線纜等效電路圖

上圖所示為三同軸線纜等效電路圖，輸出高端HI和Guard之間的電位差幾乎為0，從而消除線纜自身的漏電流。

以下是使用普賽斯直流源表、脈沖源表、高壓源表、大電流源表與探針臺(tái)的接線說明：

S系列直流源表

- 兩同軸連接 -

使用香蕉頭轉(zhuǎn)BNC母頭的轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行連接；

- 三同軸連接 -

三同軸連接器與普通兩芯連接器有所不同，可同時(shí)接駁信號(hào)、接地和屏蔽層，屏蔽效果好。和多芯線纜相比，三同軸線纜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；和兩芯同軸線纜相比，具有更高的屏蔽性能和小信號(hào)的傳輸能力。三同軸線纜的連接方式使用了GUARD信號(hào)，起到了屏蔽作用，更有利于小信號(hào)的測(cè)量。

P系列脈沖源表

- 兩同軸連接 -

使用杜邦線轉(zhuǎn)BNC母頭進(jìn)行連接；

- 三同軸連接 -

使用三同軸轉(zhuǎn)接模塊進(jìn)行連接。

E系列高壓源表

- E100(1200V) -

直接使用三同軸線進(jìn)行連接；

- E200(2200V)/E300(3500V) -

將普通的三同軸更換為高壓專用三同軸線；

高壓三同軸接頭的耐壓能力較強(qiáng)，普賽斯使用的高壓三同軸接頭可以耐壓3500V。

圖：左-高壓三同軸、右-普通三同軸

HCPL 100大電流源表

大電流測(cè)量時(shí)，單根探針容許的電流有限，電流過大可能會(huì)引起燒針現(xiàn)象，影響測(cè)試結(jié)果，因此需要使用多探針并聯(lián)。

圖：多探針并聯(lián)示意

3、探針臺(tái)與器件的連接

在不同的材料測(cè)試中可能會(huì)遇到共面電極或異面電極的材料。共面電極指陽極和陰極在同一平面；異面電極指陽極和陰極不在同一平面，常見為正反面。

圖：共面電極連接示意

圖：異面電極連接示意

4、測(cè)試注意事項(xiàng)

-探針臺(tái)接地：探針臺(tái)結(jié)構(gòu)上有很多金屬，在帶電的環(huán)境下會(huì)存在很強(qiáng)的靜電，一般探針臺(tái)會(huì)自帶大地連接線，使用中將探針臺(tái)接大地，避免釋放靜電給測(cè)試帶來影響。一般地線分為兩類：一種是工作接地，另一種是安全性接地。工作接地是把金屬導(dǎo)體銅塊埋在土壤里， 再通過導(dǎo)線引出地面，將導(dǎo)線接入設(shè)備的接地端口，形成接地回路。安全性接地是指使用探針臺(tái)金屬外殼自帶的接地線進(jìn)行接地，當(dāng)探針臺(tái)金屬外殼發(fā)生絕緣損壞，外殼帶電時(shí)，電流沿著其外殼自帶的接地線接入大地，以達(dá)到安全的目的。

-連接線接地：探針臺(tái)的連接線為同軸線，兩根同軸線的內(nèi)芯是信號(hào)線，從而導(dǎo)致兩根同軸線的外屏蔽層懸空，未起到屏蔽的作用，在磁場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜的情況下會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生較大的干擾。因此，為了獲得較好的測(cè)試效果，需要將同軸線纜的外屏蔽層接入工作地線。

-關(guān)閉光源：很多器件和材料對(duì)光源敏感，測(cè)試中如果不關(guān)閉光源會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，所以測(cè)試時(shí)盡量在無光源影響的環(huán)境中進(jìn)行。

-小電流測(cè)試時(shí)加屏蔽罩：如果測(cè)試電流為pA級(jí)別，需要給探針臺(tái)增加屏蔽罩。

-異面電極材料連接：異面電極材料連接時(shí)通常會(huì)使用探針臺(tái)Chuck盤做電極，但是Chuck盤的平整度會(huì)對(duì)材料的接觸面有影響，那么此時(shí)就需要使用引電極。

審核編輯 黃宇