Nuove tecnologie e applicazioni come le comunicazioni 6G e il rilevamento si estendono alle frequenze sub-THz nella banda D e oltre. Per sostenere questi sforzi è necessario commercializzare nuove tecnologie e processi per la fabbricazione dei semiconduttori.
La stazione su wafer con convertitori di frequenza integrati consente di effettuare misure a frequenze THz
Confrontando i requisiti del 6G in termini di prestazioni radio rispetto a tutte le limitazioni che derivano dall'uso di frequenze più elevate per la propagazione del segnale, un throughput più elevato in termini di potenza ed efficienza è molto auspicabile per i circuiti a onde millimetriche (mmWave) o THz. Le prestazioni di questi circuiti RF sono limitate dalle prestazioni dei transistor e di altri dispositivi attivi. A causa delle limitazioni fisiche dei transistor a queste frequenze, la potenza d'uscita massima disponibile si riduce drasticamente. Per questo motivo, è essenziale un'eccellente comprensione del comportamento RF dei componenti a semiconduttore nelle applicazioni a frequenza più elevata. La creazione di modelli accurati dei nuovi dispositivi a semiconduttore in diverse condizioni di funzionamento e in un'ampia gamma di frequenze diventa fondamentale per lo sviluppo di nuove applicazioni .
I sistemi di misura a livello di wafer offerti dal nostro partner MPI Corporation con test delle caratteristiche RF mediante un analizzatore di reti vettoriali sono la prima scelta quando è richiesta la più ampia gamma dinamica possibile per la caratterizzazione dei dispositivi a onde millimetriche. L'aggiunta del metodo load-pull (variazione controllata dell'impedenza del carico) completa la soluzione per la caratterizzazione dei nuovi componenti a semiconduttore.
I nuovi standard e le nuove tecnologie di comunicazione utilizzano gamme di frequenza sempre più elevate per trovare dello spazio ancora libero nello spettro RF. Si prevede che le generazioni successive di sensori radar o i futuri sistemi wireless, come il 6G, vadano oltre i 100 GHz, la cosiddetta gamma sub-THz. Poiché queste bande sono nuove per le applicazioni commerciali, è necessario sviluppare nuove tecnologie per i semiconduttori che consentano di ottenere semiconduttori efficienti dal punto di vista dei costi e producibili in massa. Le tecnologie dei semiconduttori, esistenti o completamente nuove, vengono studiate e ottimizzate per le diverse applicazioni nelle gamme ad alta frequenza. Oggi sono già disponibili tecnologie di fabbricazione dei semiconduttori in grado di accedere a queste gamme di frequenza, ma il costo e la disponibilità di massa sono ancora un problema da affrontare.
Ricercatori e progettisti stanno studiando le capacità RF delle tecnologie dei semiconduttori nella regione sub-THz. A questo scopo sono oggi disponibili metodi stabili e collaudati. I necessari test vengono eseguiti direttamente a livello di wafer utilizzando sistemi di prober appropriati. I parametri S sono ampiamente utilizzati per caratterizzare i componenti. Per una caratterizzazione completa dei componenti attivi, l'impedenza presentata al dispositivo deve essere controllata e impostata mediante la metodologia load-pull.
L'analizzatore di reti vettoriali R&S®ZNA con il convertitore di onde millimetriche R&S®ZC330 per la gamma di frequenze da 220 GHz a 330 GHz.
Per fornire una soluzione completa chiavi in mano, Rohde & Schwarz collabora con i leader del settore MPI Corporation e Focus Microwaves. Ogni azienda mette a disposizione il proprio know-how di base:
Analizzatore di reti vettoriali (VNA) come strumento di misura principale
Nel sistema descritto, l'analizzatore di reti vettoriali R&S®ZNA è lo strumento principale per effettuare le misure RF. È in grado di eseguire la caratterizzazione standard dei parametri S, oltre a molte misure sugli amplificatori di potenza (PA) o sui mixer, come la compressione del guadagno, l'intermodulazione e il ritardo di gruppo. L'unità di base R&S®ZNA copre frequenze fino a 67 GHz con un massimo di 4 porte. I convertitori a onde millimetriche R&S®ZCxxx estendono la banda di frequenza fino a 1,1 THz, con la possibilità di effettuare prove a 4 porte. L'analizzatore R&S®ZNA controlla completamente i convertitori di frequenza e si utilizza facilmente in modalità manuale o automatica.
Test su wafer a 3 porte con integrazione compatta di convertitori di frequenza Rohde & Schwarz su stazione sonda MPI.
(©MPI Corporation)
Sistema di sonde per il collegamento al wafer
Per soddisfare gli impegnativi requisiti delle misure su wafer a frequenze sub-THz, la soluzione congiunta utilizza la piattaforma per sonde AIT di MPI Corporation. La soluzione è stata sviluppata per effettuare misure su wafer da 150 mm, 200 mm e 300 mm senza compromettere le caratteristiche della strumentazione, l'accuratezza delle misure e la semplicità di funzionamento. La soluzione copre la gamma di frequenze fino a 1 THz e oltre e comprende la caratterizzazione per sovratemperatura.
L'adattatore dedicato dell'estensore di frequenza (FEAD) e il design unico della piastra della sonda consentono di ridurre al minimo la distanza tra la porta dell'estensore e il dispositivo in prova (DUT). Le fixture posizionano i convertitori di frequenza molto vicino al wafer per massimizzare la potenza del dispositivo e garantire una gamma dinamica estremamente ampia per le misure in ingresso e in uscita. Il software pionieristico di calibrazione QAlibria®e i substrati di calibrazione verificati realizzano metodi di calibrazione avanzati e standard del settore, nonché la calibrazione multilinea NIST Through‑Reflect-Line (TRL) di livello metrologico, collegandosi al pacchetto software NIST StatistiCAL.
Il sistema per sonde manuali MPI TS200-THZ condivide gli stessi principi fondamentali della sua controparte automatizzata, il modello MPI TS2000-IFE THZ-Selection. Entrambi i sistemi incorporano posizionatori di precisione e una piastra ingegnerizzata per assicurare prestazioni ottimali durante le misure su wafer. La versione manuale consente di posizionare con precisione il wafer e di avvicinarlo ai convertitori di frequenza, permettendo un allineamento e un contatto accurati con il dispositivo in prova. Questo design minimizza la perdita di segnale, riduce i conflitti meccanici e aumenta la potenza erogata al dispositivo in prova (DUT), il che lo rende una caratteristica essenziale per le applicazioni sub-THz, compreso il metodo load-pull.
Allo stesso modo, il sistema automatizzato MPI TS2000-IFE THZ-Selection integra piastre avanzate ingegnerizzate e posizionatori di precisione, seguendo lo stesso approccio della versione manuale. Il sistema automatizzato mantiene condizioni di misura stabili e controllate, un aspetto fondamentale per ottenere misure sub-THz affidabili e ripetibili. Sfruttando l'innovativo progetto di integrazione dell'estensore di frequenza di MPI, questo sistema automatizzato assicura una trasmissione ininterrotta del segnale, supportando misure RF alle onde millimetriche e THz con un'accuratezza eccezionale.
Sia la versione manuale che quella automatizzata sono progettate per soddisfare diverse dimensioni di wafer, fino a 300 mm, rendendole soluzioni versatili per un'ampia gamma di applicazioni di verifica dei semiconduttori. Questi sistemi avanzati consentono a ricercatori e progettisti di esplorare le tecnologie dei semiconduttori nel dominio delle alte frequenze, offrendo livelli eccellenti di accuratezza e ripetibilità nella caratterizzazione su wafer.
Il supporto di misure a 3 porte, che si estendono nella gamma dei THz, è un'altra capacità unica dei sistemi MPI. Ciò consente di caratterizzare i mixer subarmonici a banda larga accoppiando simultaneamente le porte a onde millimetriche e dell'oscillatore locale (LO).
Effetto della perdita sul campo di sintonia
Struttura convenzionale del sintonizzatore rispetto al sintonizzatore Focus Delta con connessione diretta alla sonda RF
Variazione dell'impedenza con metodo load-pull
Per una caratterizzazione completa del dispositivo, è necessaria variare l'impedenza del carico (load pull) e della sorgente (source pull). Questa tecnica consente di sottoporre il dispositivo a semiconduttore in prova a impedenze definite e di caratterizzare il DUT con vari livelli di adattamento dell'impedenza di sorgente e carico. La modellazione dei dispositivi è un'importante applicazione del metodo load-pull. La ricerca del punto di lavoro a massima efficienza di un dispositivo attivo, come un amplificatore di potenza, è un'altra applicazione della trazione del metodo load-pull. Il comportamento del componente attivo in termini di potenza massima d'uscita o di efficienza della potenza aggiunta dipende fortemente dalle impedenze applicate. Infine, ma non meno importante, la strumentazione di misura è tipicamente progettata per un ambiente a 50 Ω. I componenti attivi a livello di wafer sono molto lontani da questo valore. L'adattamento d'impedenza viene spesso applicato utilizzando sintonizzatori di impedenza per i test a livello di wafer.
Per creare una soluzione completa, Rohde & Schwarz collabora con Focus Microwaves utilizzando i suoi sintonizzatori Delta. La nuova serie di sintonizzatori elettromeccanici Delta di Focus Microwaves è progettata specificamente per le misure ad alta frequenza su wafer. Il basso profilo del sintonizzatore consente di posizionarlo all'interno del perimetro del wafer, permettendo il collegamento diretto tra la punta della sonda e il sintonizzatore ed eliminando così tutte le possibili perdite d'inserzione tra il DUT e il sintonizzatore. Questo nuovo e rivoluzionario design del sintonizzatore consente di ottenere una gamma di sintonizzazione ottimale, con un sintonizzatore il cui ingombro e peso sono stati drasticamente ridotti. Focus Microwaves offre un'ampia gamma di sintonizzatori di armoniche a impedenza Delta che coprono frequenze da 1,8 GHz a 110 GHz.
Sfruttando la tecnologia dei sintonizzatori Delta e combinandola con l'accuratezza micrometrica e la ripetibilità dei sintonizzatori a ingombro ridotto, Focus ha sviluppato una nuova famiglia di sintonizzatori a guida d'onda progettati per frequenze superiori a 110 GHz. I sintonizzatori a guida d'onda a ingombro ridotto e l'integrazione su wafer all'avanguardia di Focus Microwaves consentono il collegamento diretto alle sonde a guida d'onda sub-THz, offrendo la massima gamma di sintonizzazione. Utilizzando i riflettometri integrati per le misurazioni delle forme d'onda viaggianti in ingresso e in uscita (a1,2, b1,2) in combinazione con i ricevitori R&S®ZRXxxxL, i sintonizzatori sub-THz possono essere utilizzati per misure vettoriali load-pull completamente calibrate. Questo approccio consente anche un facile adattamento alle tecniche ibride spesso utilizzate per aumentare il campo di sintonizzazione dei sistemi load-pull passivi.
Il sistema di base combinato, comprendente il VNA e la stazione sonda, consente di effettuare misure su wafer di dispositivi RF. MPI Corporation offre un'ampia gamma di sonde, tra cui sonde single-ended in grado di raggiungere i 110 GHz e sonde multi-contatto per la polarizzazione avanzata.
Con l'integrazione di convertitori RF e sonde a guida d'onda MPI dedicate, i ricercatori possono estendere le loro misure a frequenze più elevate, coprendo l'intero spettro THz. Le misure possibili includono l'esplorazione della ricercatissima banda D, essenziale per le attività 6G, nonché lo studio di frequenze fino a 330 GHz, anch'esse rilevanti per le applicazioni 6G. Questa copertura completa delle frequenze consente a ricercatori e sviluppatori di caratterizzare accuratamente i dispositivi a semiconduttore, aprendo la strada ai progressi della prossima generazione di tecnologie di comunicazione.
Come per ogni misura VNA, la calibrazione del sistema è importante e viene eseguita in due fasi per il sistema completo:
1. Calibrazione del sistema su wafer con il solo VNA e i suoi convertitori utilizzando le soluzioni di calibrazione MPI e il relativo software. Per maggiori dettagli, consultare la nota applicativa MPI "Simplifying the Art of Terahertz Measurements" (www.mpi-corporation.com/wp-content/uploads/ASTPDF/MPI-Simplifying-the-Art-of-Terahertz-Measurements.pdf).
2. Calibrazione dei sintonizzatori load-pull nel sistema. A tal fine si utilizza il software Focus Microwaves.
Una volta completata la calibrazione, il software Focus Microwaves funge da software di sistema. Controlla l'impedenza applicata utilizzando i sintonizzatori e R&S®ZNA per eseguire le misure RF per la caratterizzazione dei dispositivi.
Il prober MPI assicura condizioni di prova stabili nel posizionamento. Inoltre, il raffreddamento del DUT in funzione si ottiene utilizzando la piastra fredda e un flusso d'aria controllato e integrato all'interno della stazione prober intorno al wafer DUT.
I progressi nelle comunicazioni e nel rilevamento si sono estesi alla gamma di frequenze THz, determinando la necessità di materiali a semiconduttori ottimizzati. Grazie a una collaborazione, Rohde & Schwarz, MPI Corporation e Focus Microwaves offrono soluzioni congiunte per le misure su wafer sub-THz e THz. Questa partnership combina analizzatori di reti vettoriali, sistemi di sonde e sintonizzatori di impedenza, consentendo di effettuare una caratterizzazione robusta e accurata dei dispositivi a semiconduttore alle frequenze THz. Insieme, i tre leader del settore accelerano lo sviluppo di tecnologie innovative, rendendo possibili nuova applicazione nel campo del rilevamento e delle comunicazioni ad alta frequenza.
Schema a blocchi dettagliato e intervallo di sintonizzazione dell'impedenza raggiungibile nella carta di Smith
La figura mostra il sistema con load-pull vettoriale del carico in banda D, che comprende i sintonizzatori a guida d'onda a ingombro ridotto, collegati direttamente alla sonda RF e disponibili con accoppiatori bidirezionali integrati opzionali. Questi accoppiatori bidirezionali integrati consentono di collegare i downconverter esterni per misurare le onde viaggianti avanti e indietro direttamente all'ingresso e all'uscita del dispositivo in prova.
La stazione su wafer con convertitori di frequenza integrati consente di effettuare misure a frequenze THz
Confrontando i requisiti del 6G in termini di prestazioni radio rispetto a tutte le limitazioni che derivano dall'uso di frequenze più elevate per la propagazione del segnale, un throughput più elevato in termini di potenza ed efficienza è molto auspicabile per i circuiti a onde millimetriche (mmWave) o THz. Le prestazioni di questi circuiti RF sono limitate dalle prestazioni dei transistor e di altri dispositivi attivi. A causa delle limitazioni fisiche dei transistor a queste frequenze, la potenza d'uscita massima disponibile si riduce drasticamente. Per questo motivo, è essenziale un'eccellente comprensione del comportamento RF dei componenti a semiconduttore nelle applicazioni a frequenza più elevata. La creazione di modelli accurati dei nuovi dispositivi a semiconduttore in diverse condizioni di funzionamento e in un'ampia gamma di frequenze diventa fondamentale per lo sviluppo di nuove applicazioni .
I sistemi di misura a livello di wafer offerti dal nostro partner MPI Corporation con test delle caratteristiche RF mediante un analizzatore di reti vettoriali sono la prima scelta quando è richiesta la più ampia gamma dinamica possibile per la caratterizzazione dei dispositivi a onde millimetriche. L'aggiunta del metodo load-pull (variazione controllata dell'impedenza del carico) completa la soluzione per la caratterizzazione dei nuovi componenti a semiconduttore.
Intervallo di sintonizzazione dell'impedenza
La figura visualizza l'intervallo di sintonizzazione dell'impedenza del sintonizzatore WR06 in banda D di Focus a 170 GHz sul piano di riferimento del sintonizzatore. Mostra che un ROS (VSWR) di 16:1 è facilmente raggiungibile sul piano del sintonizzatore. Il ROS (VSWR) di questo sintonizzatore è molto piatto su tutta la banda.
(©Focus Microwaves)
I nuovi standard e le nuove tecnologie di comunicazione utilizzano gamme di frequenza sempre più elevate per trovare dello spazio ancora libero nello spettro RF. Si prevede che le generazioni successive di sensori radar o i futuri sistemi wireless, come il 6G, vadano oltre i 100 GHz, la cosiddetta gamma sub-THz. Poiché queste bande sono nuove per le applicazioni commerciali, è necessario sviluppare nuove tecnologie per i semiconduttori che consentano di ottenere semiconduttori efficienti dal punto di vista dei costi e producibili in massa. Le tecnologie dei semiconduttori, esistenti o completamente nuove, vengono studiate e ottimizzate per le diverse applicazioni nelle gamme ad alta frequenza. Oggi sono già disponibili tecnologie di fabbricazione dei semiconduttori in grado di accedere a queste gamme di frequenza, ma il costo e la disponibilità di massa sono ancora un problema da affrontare.
Ricercatori e progettisti stanno studiando le capacità RF delle tecnologie dei semiconduttori nella regione sub-THz. A questo scopo sono oggi disponibili metodi stabili e collaudati. I necessari test vengono eseguiti direttamente a livello di wafer utilizzando sistemi di prober appropriati. I parametri S sono ampiamente utilizzati per caratterizzare i componenti. Per una caratterizzazione completa dei componenti attivi, l'impedenza presentata al dispositivo deve essere controllata e impostata mediante la metodologia load-pull.
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