Development of a Nano-robotics and Automated Microwave On-Wafer Probe Station
Développement d’une station de mesure hyperfréquence sous pointes nano-robotisée et automatisée
Résumé
In the general context of the European nanoelectronics industry, it is necessary to develop new on-wafer characterisation techniques and instruments for precise and fine validation of circuits designed for high-frequency (HF) applications. To advance the miniaturisation of HF devices, new metrological issues related to dimensional and electrical characterization must be addressed. A universal instrument for the characterization of RF devices consists of a vector network analyzer (VNA), a measurement station equipped with a pair of ground-signal-ground (GSG) microwave probes aligned manually or automatically using a microscope or a camera system on calibration substrates and devices under test (DUT). Conventional RF test structures require to adapt to the probe tip geometry. The positioning of the probe on the CPW test structure generates misalignment measurement errors that affect the reproducibility of the measurement. In addition, nanodevices have extreme impedances compared to the VNA's reference impedance of 50 Ω, resulting in poor measurement sensitivity and accuracy.To meet this challenge, a new fully automated and robotic on-wafer probing station was designed and built from scratch. The measurement probes as well as the chuck hosting the device under test are mounted on SmarAct® piezoelectric nanopositioners. The vision of the probe-to-DUT contact is provided by a high-resolution microscope camera. A Keysight® Streamline vector network analyzer was integrated into the station to obtain a compact solution close to the probes and thus reduce the non-systematic errors inherent in environmental variations. Finally, a program for driving the probes and chuck based on image recognition was developed with the LabVIEWTM software.
Dans le contexte général de l'industrie européenne de la nanoélectronique, il est nécessaire de développer de nouvelles techniques et de nouveaux instruments de caractérisation sous pointes pour la validation précise et fine de circuits destinés à des applications haute fréquence (HF). Pour faire progresser la miniaturisation des dispositifs à haute fréquence, de nouvelles questions métrologiques liées à la caractérisation dimensionnelle et électrique doivent être abordées. Un instrument universel de caractérisation des dispositifs à radiofréquences (RF) consiste en un analyseur de réseau vectoriel (VNA), une station de mesure équipée d'une paire de sondes micro-ondes Ground-Signal-Ground (GSG) alignées manuellement ou automatiquement au moyen d'un microscope ou d'un système de caméra sur des substrats d'étalonnage et des dispositifs sous test (DUT). Les structures de test RF conventionnelles nécessitent des tampons (structures de contact) spécifiques pour s'adapter à la géométrie de la pointe de la sonde. Le positionnement de la sonde sur la structure de test CPW génère des erreurs de mesure de désalignement qui affectent la reproductibilité de la mesure. En outre, les dispositifs présentent des impédances extrêmes par rapport à l'impédance de référence 50 Ω du VNA, ce qui se traduit par une sensibilité et une précision de mesure médiocres.Pour relever ce défi, une nouvelle station de mesure sous pointe entièrement automatisée et robotisée a été conçue et construite à partir de zéro. Les sondes de mesure ainsi que le porte échantillon accueillant le dispositif sous test sont montés sur des nano-positionneurs piézoélectriques du constructeur SmarAct®. La vision du contact sondes - au - composant sous test est assurée par une caméra microscope haute résolution. Un analyseur de réseau vectoriel Streamline Keysight® a été intégré à la station afin d'obtenir une solution compacte au plus près des sondes et réduire ainsi les erreurs non systématiques inhérentes aux variations de l'environnement. Enfin, un programme de pilotage des sondes et du porte échantillon automatique basé sur la reconnaissance d'image a été développé avec le logiciel LabVIEWTM.
Origine : Version validée par le jury (STAR)