DE102006026229A1

DE102006026229A1 - Hochfrequenz-Messfühler

Info

Publication number: DE102006026229A1
Application number: DE102006026229A
Authority: DE
Inventors: Richard L. Portland Campbell; Michael Hillsboro Andrews; Lynh Tigard Bui
Original assignee: Cascade Microtech Inc
Current assignee: FormFactor Beaverton Inc
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2006-12-28
Also published as: JP2006343334A; US20060279299A1; US20090079451A1; US7449899B2

Abstract

Ein Hochfrequenz-Messfühler weist Kontaktspitzen auf, die innerhalb des Umfangs eines Anschlussabschnitts eines Koaxialkabels angeordnet sind und durch einen Masseleiter des Koaxialkabels abgeschirmt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Messfühlermesssysteme zum Messen der elektrischen Eigenschaften integrierter Schaltungen und anderer bei hohen Frequenzen betriebener elektrischer Vorrichtungen.

Es gibt viele Arten von Messanordnungen, die entwickelt wurden, um die Eigenschaften integrierter Schaltungen und anderer Formen mikroelektronischer Vorrichtungen zu bestimmen. Eine repräsentative Art einer Anordnung verwendet eine Schaltkreiskarte, an deren Oberseite längliche leitende Bahnen ausgebildet sind, die als Signal- und Masseleitungen dienen. In der Karte ist eine zentrale Öffnung ausgebildet und eine nadelartige Messspitze ist an dem Ende jeder Signalbahn nahe der Öffnung angebracht, so dass durch die Anordnung eine sich radial erstreckende Anordnung von nach unten konvergierenden nadelartigen Spitzen zum selektiven Verbinden mit den eng beieinander liegenden Feldern der zu testenden mikroelektronischen Vorrichtung geboten wird. Eine Messfühleranordnung dieser Art ist zum Beispiel im U.S. Pat. Nr. 3,445,770 an Harmon gezeigt. Diese Art von Messfühler zeigt keine resistiven Eigenschaften über einen breiten Frequenzbereich. Bei höheren Frequenzen, inklusive Mikrowellen-Frequenzen im Gigahertz-Bereich, wirken die nadelartigen Spitzen als induktive Elemente und der Induktivität wird nicht durch einen kapazitiven Effekt benachbarter Elemente entgegengewirkt. Dementsprechend ist eine Testanordnung dieser Art aufgrund der hohen Signalreflektionsniveaus und beträchtlicher induktiver Verluste, die an den nadelartigen Fühlerspitzen auftreten, zum Verwenden bei Mikrowellenfrequenzen ungeeignet.

Um Vorrichtungsmessungen bei etwas höheren Frequenzen zu erhalten, als sie mit dem oben beschriebenen einfachen Messkartensystem möglich sind, sind verschiedene verwandte Messsysteme entwickelt worden. Derartige Systeme sind zum Beispiel in Evans, U.S. Pat. Nr. 3,849,728; Kikuchi, japanische Veröffentlichung Nr. 1-209,380; Sang et al., U.S. Pat. Nr. 4,749,942; Lao et al., U.S. Pat. Nr. 4,593,243; und Shahriary, U.S. Pat. Nr. 4,727,319 gezeigt. Ein weiteres verwandtes System wird in Kawanabe, japanische Veröffentlichung Nr. 60-223,138 gezeigt, die eine Messfühleranordnung mit nadelartigen Spitzen beschreibt, bei der die Spitzen sich von einer koaxialen kabelähnlichen Struktur statt einer Messfühlerkarte erstrecken. Ein gemeinsames Merkmal jedes dieser Systeme steht darin, dass die Länge des isolierten Bereichs jeder nadelartigen Messfühlerspitze auf den Bereich beschränkt ist, der die zu testende Vorrichtung unmittelbar umgibt, um den Bereich der Diskontinuität und die Menge induktiven Verlustes zu minimieren. Dieses Vorgehen führte jedoch zu einer nur begrenzten Verbesserung der Leistung bei höherer Frequenz aufgrund verschiedener praktischer Beschränkungen bei der Konstruktion dieser Arten von Messfühlern. Zum Beispiel wird in Lao et al. die Länge jeder nadelartigen Spitze minimiert, indem eine breite leitende Klinge verwendet wird, um den Abstand zwischen jeder Spitze und der tragenden Messfühlerkarte zu überspannen, und diese Klingen wiederum sind dazu ausgelegt, um relativ zueinander derart angeordnet zu werden, dass sie trennlinienartige Transmissionsleitungsstrukturen bilden. Aus praktischen Gründen jedoch ist es schwierig, die dünne vertikale Kante jeder Klinge mit der entsprechenden Bahn auf der Karte zu verbinden, und gleichzeitig den genauen gegenüberliegenden Abstand zwischen den Klingen und die korrekte Neigung zwischen den Enden der nadelartigen Messfühlerspitzen aufrechtzuerhalten.

Eine Art von Messanordnung, die geeignet ist, einen Verlustpfad mit kontrollierter Impedanz zwischen seinem Eingangsanschluss und den Messfühlerspitzen zu bieten wird in Lockwood et al., U.S. Pat. Nr. 4,697,143 gezeigt. In Lockwood et al. wird eine Masse-Signal-Masse-Anordnung von streifenförmigen leitenden Bahnen an der Unterseite eines Aluminoxydsubstrats gebildet, um eine koplanare Transmissionsleitung auf dem Substrat auszubilden. An einem Ende wird jedes einander zugeordnete Paar von Massebahnen und die entsprechende dazwischenliegende Signalbahn jeweils mit dem äußeren Leiter und dem mittleren Leiter eines koaxialen Kabelverbinders verbunden. An dem anderen Ende dieser Bahnen sind Bereiche aus abnutzungsresistenten leitenden Materialien bereitgestellt, um zuverlässig eine elektrische Verbindung mit den zugehörigen Feldern der zu testenden Vorrichtung einzurichten. Um das Substrat sind Schichten mikrowellenabsorbierenden Materials angebracht, das typischerweise Ferrit enthält, um störende Mikrowellenenergie über einen großen Bereich der Länge jedes Masse-Signal-Masse-Bahnmusters zu absorbieren. Gemäß dieser Art von Bauweise kann der getesteten Vorrichtung eine kontrollierte Hochfrequenzimpedanz (z.B. 50 Ohm) an den Messfühlerspitzen geboten werden. Breitbandsignale in dem Bereich von zum Beispiel Gleichstrom bis 18 Gigahertz (GHz) können von einem Ende der Messfühleranordnung zu einem anderen entlang der von jedem Masse-Signal-Masse-Bahnmuster gebildeten koplanaren Transmissionsleitung mit geringem Verlust voranschreiten. Die in Lockwood et al. gezeigte Messanordnung kann bei höheren Mikrowellenfrequenzen kein befriedigendes elektrisches Verhalten bieten und in der Mikrowellenmesstechnologie besteht ein Bedarf zum Erfüllen der Anpassung an unregelmäßige Messfelder.

Verschiedene Hochfrequenz-Messanordnungen sind für verbesserte räumliche Anpassung zwischen den Spitzenleitern des Messfühlers und einer Anordnung unebener Messfelder oder Oberflächen entwickelt worden. Derartige Anordnungen werden zum Beispiel in Drake et al., U.S. Pat. Nr. 4,894,612; Coberly et al., U.S. Pat. Nr. 4,116,523; und Boll et al., U.S. Pat. Nr. 4,871,964 beschrieben. Die Messanordnung aus Drake et al. umfasst ein Substrat, an dessen Unterseite eine Mehrzahl leitender Bahnen ausgebildet sind, die kollektiv eine koplanare Transmissionsleitung bilden. In einer Drake et al. gezeigten Ausführungsform jedoch ist das Spitzenende des Substrats gekerbt, so dass jede Bahn sich zu dem Ende eines separaten Zahns erstreckt und das Substrat ist aus mäßig flexiblem nicht-keramischen Material hergestellt. Das mäßig flexible Substrat erlaubt ein beschränkt unabhängiges Biegen jedes Zahns relativ zu den anderen Zähnen, um die räumliche Anpassung der Bahnenden zu leicht unebenen Kontaktoberflächen auf einer einem zu testenden Vorrichtung zu ermöglichen. Die Messanordnung aus Drake et al. weist jedoch bei hohen Frequenzen eine nicht ausreichende Leistungsfähigkeit auf.

In Bezug auf die in Boll et al., wie oben zitiert, gezeigte Messanordnung, umfassen die Masseleiter ein Paar von Blattfederelementen, deren hintere Bereiche in diametral gegenüberliegenden Schlitzen aufgenommen sind, die an den Enden eines Miniatur-Koaxialkabels ausgebildet sind und die mit dem zylindrischen äußeren Leiter dieses Kabels elektrisch verbunden sind. Der mittlere Leiter des Kabels erstreckt sich über das Ende des Kabels hinaus (d.h. wie es durch die Enden des äußeren Leiters und des inneren Dielektrikums definiert ist) und verringert sich schrittweise, um ein stiftähnliches Element mit einer abgerundeten Spitze zu bilden. Gemäß dieser Bauweise ist die stiftähnliche Verlängerung des mittleren Leiters in einer auseinanderliegend angeordneten, im Allgemeinen mittleren Position zwischen den jeweiligen vorderen Bereichen der Blattfederelemente angeordnet und bildet dadurch zusammen mit diesen Blattfederelementen eine grobe Annäherung an eine Masse-Signal-Masse koplanare Transmissionsleitungsstruktur. Der Vorteil dieser speziellen Bauweise besteht darin, dass die stiftähnliche Verlängerung des mittleren Leiters des Kabels und die jeweiligen vorderen Bereiche der Blattfederelemente alle unabhängig voneinander bewegbar sind, so dass die Enden dieser zugehörigen Elemente einen räumlich angepassten Kontakt mit jeder nicht-ebenen Kontaktfläche auf einer zu testenden Vorrichtung herstellen können. Andererseits wird die Querbeabstandung zwischen dem stiftähnlichen Element und den zugehörigen Blattfederelementen sich verändern, abhängig davon, wie kraftvoll die Enden dieser Elemente gegen die Kontaktfelder der einem Test unterzogenen Vorrichtung gedrängt werden. Mit anderen Worten wird die Transmissionseigenschaft dieser Messstruktur, die von der Beabstandung zwischen den jeweiligen Spitzen-Elementen abhängt, in einer ungenau bestimmten Weise während jedes Messzyklus variieren, insbesondere bei hohen Mikrowellenfrequenzen.

Burr et al., U.S. Pat. Nr. 5,565,788 offenbart einen Mikrowellenmessfühler, der einen unterstützenden Bereich eines Koaxialkabels umfasst, das einen inneren Leiter umfasst, der koaxial von einem äußeren Leiter umgeben wird. Ein Bereich einer Spitze des Mikrowellenmessfühlers umfasst einen mittleren Signalleiter und einen oder mehrere Masseleiter, die allgemein in einer parallelen Beziehung zueinander entlang einer gemeinsamen Ebene mit dem mittleren Signalleiter angeordnet sind, um eine Struktur mit kontrollierter Impedanz zu bilden. Der Signalleiter ist mit dem inneren Leiter elektrisch verbunden und die Masseleiter sind mit dem äußeren Leiter des Koaxialkabels elektrisch verbunden. Ein Abschirmelement ist mit den Masseleitern verbunden und deckt mindestens einen Bereich des Signalleiters auf der Unterseite des Bereichs der Spitze ab. Das Abschirmelement verjüngt sich in Richtung der Spitzen mit einer Öffnung für die Spitzen der leitenden Finger. Ein Endbereich sowohl des Signalleiters als auch der Masseleiter erstreckt sich über das Abschirmelement hinaus und, trotz der Anwesenheit des Abschirmelementes, können sich die Endabschnitte nachgiebig relativ zueinander und aus ihrer gemeinsamen Ebene heraus biegen, um Messen von Vorrichtungen mit nicht-ebenen Oberflächen zu erlauben.

In einer anderen Ausführungsform offenbaren Burr et al. einen Mikrowellenmessfühler, der einen tragenden Bereich eines Koaxialkabels umfasst, das einen inneren Leiter umfasst, der koaxial von einem äußeren Leiter umgeben ist. Ein Bereich der Spitze des Mikrowellenmessfühlers umfasst eine Signalleitung, die sich entlang der oberen Seite eines dielektrischen Substrates erstreckt, die einen Messfühlerfinger mit dem inneren Leiter verbindet. Eine metallische Abschirmung kann an der Unterseite des dielektrischen Substrates befestigt sein und ist mit dem äußeren metallischen Leiter elektrisch gekoppelt. Geerdete Finger werden nahe der Signalleitungsleiter angeordnet und sind mit der metallischen Abschirmung durch Durchleitungen durch das dielektrische Substrat verbunden. Der Signalleiter ist elektrisch mit dem inneren Leiter verbunden und die Masseungsebene ist elektrisch mit dem äußeren Leiter verbunden. Jeweils ein Endabschnitt sowohl des Signalleiters als auch der Masseleiterfinger (mit der Abschirmung durch Durchleitungen verbunden) erstreckt sich über das Abschirmelement hinaus und die Endabschnitte sind trotz der Anwesenheit des Abschirmungselements in der Lage, sich nachgiebig relativ zueinander und aus der gemeinsamen Ebene heraus zu biegen, um zuzulassen, dass Vorrichtungen mit unebenen Oberflächen untersucht werden. Obwohl die durch Burr et al. offenbarten Strukturen dazu vorgesehen sind, gleichmäßige Ergebnisse über einen weiten Frequenzbereich zu liefern, tendieren sie leider dazu, ungleichmäßige Antwortcharakteristiken bei hohen Mikrowellenfrequenzen aufzuweisen.

Gleason et al., U.S. Pat. Nr. 6,815,963 B2 offenbaren einen Messfühler, der ein dielektrisches Substrat umfasst, das an einem in die Unterseite eines koaxialen Kabels geschnittenen Absatz befestigt ist. Das Substrat erstreckt sich über das Ende des Kabels in die Richtung der longitudinalen Achse des Kabels hinaus. Eine Signalbahn zum Leiten eines Testsignals zwischen dem mittleren Leiter des koaxialen Kabels und einem Mess- oder Kontaktfeld auf der zu testenden Vorrichtung ist an der oberen Seite des Substrates ausgebildet. Am distalen Ende der Signalbahn, nahe der distalen Kante des Substrates, verbindet eine das Substrat durchquerende Durchleitung die Signalbahn leitend mit einem Kontakthöcker oder einer Spitze, der oder die mit dem Kontaktfeld der zu testenden Vorrichtung während des Untersuchens in Kontakt gebracht werden wird. Eine leitende Abschirmung, die bevorzugt ebener Natur ist, ist an der unteren Fläche des Substrates angebracht und elektrisch mit dem äußeren Leiter des koaxialen Kabels verbunden. Die leitende Abschirmung ist üblicherweise flächengleich mit der unteren Oberfläche des Substrates, mit Ausnahme einer die Kontaktspitze für die Signalbahn umgebenden Öffnung. Es können außerdem Kontaktspitzen zum Kontaktieren von Massekontaktfeldern vorgesehen sein, die an einer von beiden Seiten des Signaltestfeldes auf der zu testenden Vorrichtung angeordnet sind. Verglichen mit Messfühlern des koplanaren Typs bietet diese Messfühlerspitze eine bessere Beschränkung des elektromagnetischen Feldes und reduziert unerwünschtes Koppeln oder Nebensignaleffekte zwischen den Spitzen des Messfühlers und mit benachbarten Vorrichtungen. Bei hohen Frequenzen jedoch, etwa bei 220 GHz und größer, wird die Länge der leitenden Verbindung zwischen der Messfühlerspitze und der Koaxialkabelverbindung zu einem beträchtlichen Anteil der Wellenlänge des Signals und die Verbindung wirkt zunehmend als eine Antenne, die zunehmend stärkere elektromagnetische Felder emittiert, die nicht wünschenswerte Kopplungspfade zu benachbarten Vorrichtungen erzeugen. Darüber hinaus umfasst die leitende Verbindung eine einzige Metallschicht, die auf dem dielektrischen Substrat abgelagert ist, und der relativ schmale Querschnitt der leitenden Verbindung beschränkt die Stromführfähigkeit des Messfühlers.

Erwünscht ist daher eine Messfühlerspitze für einen Messfühler auf der Halbleiterscheibe, die ein Messen bei höheren Frequenzen ermöglicht, elektromagnetische Streufelder in der Nähe der Probenspitze verringert, um Nebensignaleffekte mit be nachbarten Vorrichtungen zu verringern, und die geeignet ist, einen beträchtlichen Strom zu führen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Teilansicht einer Messfühlerstation, die einen Hochfrequenz-Messfühler und eine zu testende Halbleiterscheibe (Wafer) umfasst.
2 ist ein Aufriss eines beispielhaften Messfühlerspitzenabschnitts eines Hochfrequenz-Messfühlers.
3 ist eine untere Ansicht der Messfühlerspitze aus 2.
4 ist eine Schnittansicht der Messfühlerspitze aus 3 entlang A-A.
5 ist eine Schnittansicht der Messfühlerspitze aus 3 entlang B-B.
6 ist eine Schnittansicht der Messfühlerspitze aus 3 entlang C-C.
7 ist eine Schnittansicht der Messfühlerspitze aus 2 entlang D-D.
8 ist eine Schnittansicht der Messfühlerspitze aus 2 entlang E-E.
9 ist eine Schnittansicht der Messfühlerspitze aus 2 entlang F-F.
10 ist eine graphische Darstellung von Nebensignaleffekten zwischen einem Paar Hochfrequenz-Messfühlern mit auf einer Teststruktur kurzgeschlossenen Spitzen.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die Erfinder betrachteten den durch Gleason et al.; U.S. Patent Nr. 6,815,963 B2, hier durch Bezugnahme eingefügt, offenbarten Messfühler; und schlossen, dass, während der Messfühler eine überlegene Leistungsfähigkeit bietet, die Hochfrequenzleistungsfähigkeit der Messfühler durch die Länge der Leiter beschränkt ist, die die Messfühlerspitzen und das Koaxialkabel des Messfühlers verbinden. In einem zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feld wirkt ein Leiter wie eine Antenne, die elekt romagnetische Energie abstrahlt. Für eine Antenne, die kürzer ist als eine Wellenlänge eines Signals, ist die abgestrahlte Leistung grob gesehen proportional zu der Länge der Antenne. Die durch die leitende Verbindung abgestrahlte Energie erhöht sich mit dem Vergrößern der Frequenz des Signals und damit, dass die feste Länge des verbindenden Leiters einen zunehmend großen Anteil der sich verringernden Wellenlänge des Signals darstellt. In der Luft beträgt die Wellenlänge eines 220 Gigahertz (GHz)-Signals 1,3 Millimeter (mm). Die Länge der leitenden Verbindung des durch Gleason et al. offenbarten Messfühlers ist ein beträchtlicher Bruchteil dieses Abstands und es wurden beträchtliche elektromagnetische Felder entlang der Kanten der dielektrischen Membran in der Nähe der Kontaktspitzen bestätigt.
Wenn mehrere Messfühler zum Untersuchen in einem beschränkten Bereich verwendet werden, wie bei den Kontaktfeldern einer einzelnen Vorrichtung auf einer Halbleiterscheibe, kommen die Messfühlerspitzen in große Nähe zueinander und die durch die Messfühler abgestrahlte Energie erzeugt eine kapazitive Kopplung der Messfühler, was normalerweise als Nebensignaleffekt (Übersprechen) bezeichnet wird. Die Nebensignaleffekte vergrößern sich mit zunehmender Frequenz des Signals, da die durch den Messfühler abgestrahlte Energie sich vergrößert. Die Erfinder schlossen, dass das Verringern der Länge der leitenden Elemente in der Messfühlerspitze die von dem Bereich der Kontaktspitze des Messfühlers ausgehenden elektromagnetischen Felder reduzieren würde, was Nebensignaleffekte mit benachbarten Vorrichtungen verringert, und die Frequenz, bei der der Messfühler nützlich wäre, erhöht.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen ähnliche Teile des Messfühlers durch gleiche Bezugszeichen identifiziert sind, und insbesondere auf 1, 2 und 3, ist ein Hochfrequenz-Messfühler 20 dazu ausgelegt, auf einem Messfühler tragenden Element 22 einer Messfühlerstation angebracht zu werden, um an eine Stelle bewegbar zu sein, die zum Untersuchen einer zu testenden Vorrichtung, wie einer einzelnen Komponente auf einer Halbleiterscheibe 24, geeignet ist. Bei dieser Art von Anwendung ist die Halbleiterscheibe typischerweise auf der oberen Fläche eines Halters 26 gehalten, der Teil der gleichen Messfühlerstation ist. Die obere Fläche des Halters umfasst üblicherweise eine Mehrzahl von Öffnungen, die wahlweise mit einer Vakuumquelle verbindbar sind. Wenn ein Vakuum mit den Öffnungen verbunden ist, hält der Luftdruck auf eine Halbleiterscheibe, die auf der oberen Fläche des Halters liegt, die Halbleiterscheibe an der Oberfläche des Halters. Gewöhnlich ist ein X-Y-Z Positioniermechanismus wie ein Mikrometer-Drehknopf dazu vorgesehen, eine Bewegung zwischen dem Trageelement 22 und dem Halter 26 hervorzurufen, so dass die Kontaktspitzen 28 des Messfühlers in Druckeingriff mit Kontakt- oder Messfeldern 30 auf der Halbleiterscheibe gebracht werden können. Die Kontaktfelder umfassen typischerweise ein Signalkontaktfeld und mindestens ein Massekontaktfeld für eine bestimmte Komponente 32, die eine Messung erfordert. Eine gewöhnliche Kontaktfeldanordnung umfasst ein zentral angeordnetes Signalkontaktfeld, an das ein Paar von Massekontaktfeldern angrenzen, was auch als GSG (ground-signal-ground, deutsch: Masse-Signal-Masse) Messkonfiguration bezeichnet wird.
Der beispielhafte Hochfrequenz-Messfühler 20 weist einen Anschluss auf, der in der abgebildeten bevorzugten Ausführungsform einen Wellenleiter 34 mit einem Flanschverbinder 36 umfasst. Der Flanschverbinder ermöglicht wahlweises Verbinden, durch einen Anschlussflanschverbinder 38, mit einem externen Wellenleiter 40, der den Messfühler mit dem Messinstrument verbindet. Der Wellenleiter ist mit einem Hauptträgerblock 42 des Messfühlers verbunden, der in der gezeigten bevorzugten Ausführungsform aus Messing besteht und für eine Verbindung mit dem messfühlertragenden Element 22 geeignet konstruiert ist. Um eine Verbindung mit dem messfühlertragenden Element zu bewirken, wird eine auf dem Block ausgebildete runde Öffnung 44 enganliegend und gleitfähig auf einem Ausrichtungsstift (nicht gezeigt) angebracht, der von dem messfühlertragenden Element nach oben vorsteht. In jede eines Paars gegeneinander versenkter Öffnungen 48, die in dem Block vorgesehen sind, wird eine Schraube 46 eingefügt. Die Schrauben greifen in entsprechende Gewindeöffnungen in dem messfühlertragenden Element ein, um den Messfühler an dem Tragelement zu sichern.
Ein halbsteifes koaxiales Kabel 50 ist in dem Haupttrageblock 42 gehalten und ist innerhalb des Blocks mit dem Wellenleiter 34 durch einen Koaxialkabel-Wellenleiter-Übergang verbunden; wie in dem durch Martin, U.S. Patent Nr. 6,549,106 B2, auf dessen Inhalt hiermit explizit verwiesen wird, offenbarten verstellbaren Backshort-Element. In der bevorzugten Ausführungsform weist das halbsteife Koaxialkabel 50 einen nominalen äußeren Durchmesser von 0,584 mm (0,023 Inches) auf und umfasst einen sich axial erstreckenden silberüberzogenen kupfernen Mittelleiter 70 und einen koaxialen kupfernen äußeren Leiter 72, der von dem Mittelleiter durch ein luftgeschäumtes Teflon^TM Dielektrikum 74 getrennt ist. Eine geeignete Kabelart ist zum Beispiel von Micro-coax Components Inc. aus Pottstown, PA unter der Modellnummer UT-020 erhältlich.
Der von dem Trageblock vorstehende Endbereich des Kabels 50 bleibt frei aufgehängt und dient in diesem Zustand als ein beweglicher Träger für die Kontaktspitzen 28 des Messfühlers. Ein von dem Haupttrageblock vorstehender Abschnitt des Kabels ist nach unten gebogen und durch einen schrägen Anschlussabschnitt 74 abgeschlossen, der durch Schneiden des Koaxialkabels in einem schrägen Winkel gebildet wird. Obwohl der schräge Winkel jeder genehme Winkel sein kann, beträgt der Winkel üblicherweise das Winkelkomplement des nach unten neigenden Teils des Koaxialkabels, so dass der im Wesentlichen ebene schräge Anschlussabschnitt 74 im Wesentlichen parallel zu der oberen Fläche des Halters 26 ausgerichtet sein wird, wenn der Messfühler in einer Messfühlerstation installiert ist.
Die Erfinder schlossen, dass um die elektrischen ("E-Fields") und magnetischen Streufelder ("H-Fields") in der Nähe der Messfühlerspitze zu verringern, der Abstand zwischen den Enden der Kontaktspitzen und der Leiter des Koaxialkabels minimiert werden sollte und die Kontaktspitzen in einem Bereich angeordnet sein sollten, der durch den äußeren Leiter des koaxialen Kabels abgeschirmt ist. Die Kontaktfelder von gewöhnlicherweise in Messfühlerstationen getesteten Vorrichtungen sind üblicherweise in Reihen mit einem zentral angeordneten Signalkontaktfeld angeordnet, das durch ein Paar von Massekontaktfeldern flankiert ist, einer GSG (Masse-Signal-Masse) Anordnung. Die drei Kontaktspitzen 76, 78, 80 des beispielhaften Messfühlers 20 entsprechen einer GSG-Anordnung für Kontaktfelder, wobei die zentrale Kontaktspitze 80 des beispielhaften Messfühlers, die Signalspitze der GSG-Anordnung, leitend mit dem mittleren Leiter 70 des Koaxialkabels 50 verbunden ist und die flankierenden Kontaktspitzen 76, 80, auf einer der Seiten der zentralen Kontaktspitze, leitend mit dem äußeren Leiter 72 des Koaxialkabels verbunden sind, der mit einer Erdung verbunden ist. Es können jedoch andere Anordnungen von Kontaktspitzen, die anderen Anordnungen von Kontaktfeldern entsprechen, verwendet werden, zum Beispiel eine GSSG (Masse-Signal-Signal-Masse) Anordnung, eine SGS (Signal-Masse-Signal) Anordnung oder eine SGGS (Signal-Masse-Masse-Signal) Anordnung. Um die Abschirmung zu verbessern und die Längen der leitenden Verbindungen zu dem koaxialen Kabel zu verringern, sind die Kontaktspitzen des Hochfrequenz-Messfühlers 20 innerhalb des Umfangs des Koaxialkabels angeordnet und genauer gesagt, innerhalb des Umfangs des schrägen Anschlussabschnitts 74 des Koaxialkabels.
Wenn er die Kontaktspitzen eines Messfühlers in einer Messfühlerstation positioniert, beobachtet der Benutzer typischerweise die Kontaktspitzen des Messfühlers und die Kontaktfelder des DUT durch ein Mikroskop, das oberhalb des DUT angeordnet ist. Um die Leiterlänge zu minimieren, bei Ermöglichen einer visuellen Beobachtung der Kontaktspitzen, umfasst der Endbereich des Koaxialkabels ferner einen zweiten schrägen Abschnitt 82, der durch Schneiden des Koaxialkabels in einem zweiten schrägen Winkel produziert wird, typischerweise normal zu dem schrägen Anschluss abschnitt 74. Der zweite schräge Abschnitt 82 schneidet den schrägen Anschlussabschnitt 74 nahe der Kante der Kontaktspitzen 76, 78, 80 was es dem Benutzer ermöglicht, die Kanten der Kontaktspitzen von oben zu sehen.
In Bezug auf 4, 5, 6, 7, 8 und 9 umfassen die Spitzenbereiche des Messfühlers 20 ferner ein ebenes oberes dielektrisches Substrat 84, das an dem Koaxialkabel 50 befestigt ist und eine obere Fläche aufweist, die an dem schrägen Anschlussabschnitt 74 des Kabels anliegt. Das obere dielektrische Substrat kann an dem Koaxialkabel befestigt sein durch zum Beispiel ein Epoxidklebemittel, das auf der Oberfläche des Substrats entlang des Umfangs des Kabels angewendet wird, und Lötmittel, das metallische Durchleitungen 102, 104, 106, 108 in dem Substrat mit dem metallischen äußeren Leiter 72 des Kabels verbindet. Das obere dielektrische Substrat 84 weist eine untere Fläche auf, die durch Metallüberzug oder auf andere Art an eine obere Fläche einer oberen leitenden Schicht 86 gebunden ist, die drei üblicherweise metallische, miteinander nicht leitend verbundene Bereiche 130, 132, 134 umfasst. Die untere Fläche der oberen leitenden Schicht 86 wiederum ist an eine obere Fläche einer unteren dielektrischen Schicht 88 gebunden und eine untere leitende Schicht 90 ist an eine untere Fläche der unteren dielektrischen Schicht gebunden. Die Kontaktspitzen 76, 78, 80, die metallische Höcker oder Knöpfe umfassen, sind auf oder leitend befestigt an den unteren Flächen der zugehörigen Bereiche der unteren leitenden Schicht 90 ausgebildet.
Die untere leitende Schicht 90 umfasst drei leitende, typischerweise metallische, Bereiche 92, 94, 96, die nicht leitend miteinander verbunden sind. Ein erster Abschnitt 92 umfasst einen Bereich, der zumindest teilweise räumlich mit der zentralen Kontaktspitze 80, die die Signalkontaktspitze der GSG-Messfühler-Anordnung ist, zusammenfällt und mit ihr leitend verbunden ist. Die zweiten 94 und dritten 96 Bereiche der unteren metallischen Schicht sind jeweils leitend mit einer Kontaktspitze 76, 78 verbunden, die sich auf einer der Seiten der zentralen Spitze befinden. Die zweiten 94 und dritten 96 Bereiche der unteren leitenden Schicht 90 sind leitend mit dem äußeren Leiter 72 des Koaxialkabels 50 verbunden, das in der typischen GSG-Untersuchungsanordnung mit einer Erdung verbunden ist. Die zweiten 92 und dritten 94 Bereiche der unteren leitenden Schicht dehnen effektiv den äußeren Leitern des Koaxialkabels bis zu der unmittelbaren Nachbarschaft der Signalkontaktspitze aus, wodurch eine leitende Abschirmung ausgebildet wird, die sich über einen Bereich des Anschlussabschnitts des Kabels erstreckt, der wesentlich größer ist als der Bereich der Massekontaktspitzen und nahe an der Signalkontaktspitze 80 liegt. Die leitende Abschirmung beschränkt elektromagnetische Strahlung in den unmittelbaren Bereich der Kontaktspitzen.
Die zentrale Kontaktspitze 80 ist leitend mit dem zentralen Leiter 70 des Koaxialkabels durch Leiter verbunden, die innerhalb des Umfangs des Anschlussabschnitts des Koaxialkabels angeordnet sind und sich durch die oberen und unteren dielektrischen Schichten und die obere leitende Schicht erstrecken.
Eine leitende Durchleitung 120 in der unteren dielektrischen Schicht 88, die zumindest teilweise räumlich mit der ersten Region 92 der unteren leitenden Schicht 90 zusammenfällt und mit ihr leitend verbunden ist, verbindet den ersten Bereich der unteren leitenden Schicht mit einem ersten Bereich 130 der oberen leitenden Schicht 86. Eine leitende Durchleitung 110 in dem oberen dielektrischen Substrat 84, die zumindest teilweise räumlich mit dem ersten Bereich 130 der oberen leitenden Schicht 86 zusammenfällt und mit ihr leitend verbunden ist, verbindet den ersten Bereich der oberen leitenden Schicht und die zentrale Kontaktspitze 80 leitend mit dem mittleren Leiter 70 des Koaxialkabels 80. Die Querschnitte der leitenden Verbindung der zentralen Kontaktspitze 80 und des Koaxialkabels sind wesentlich größer als die eines eine einzelne auf einem Substrat abgelagerte Metallschicht umfassenden Leiters, was es erlaubt, dass durch die Kontaktspitzen ein höherer Strom übertragen wird.
Ähnlich sind die flankierenden Kontaktspitzen 76, 78 leitend mit dem äußeren Leiter des Koaxialkabels 50 durch zugehörige leitende Durchleitungen 124, 126 in der unteren dielektrischen Schicht 88 verbunden, die jeweils mit zweiten 94 und dritten 96 Bereichen der unteren leitenden Schicht 90 und mit den entsprechenden zweiten 132 und dritten 134 Bereichen der oberen leitenden Schicht 86 leitend verbunden sind. Leitende Durchleitungen 102, 104 und 106, 108 in der oberen dielektrischen Schicht 84 bieten eine leitende Verbindung zwischen den zweiten 132 und dritten 134 Bereichen der oberen leitenden Schicht 84 und des äußeren Leiters 72 des Koaxialkabels 50. Die leitenden Verbindungen von den flankierenden Kontaktspitzen zu dem äußeren Leiter des Koaxialkabels sind im Wesentlichen mit dem Umfang des Anschlussabschnitts des Kabels angeordnet, was es ermöglicht, eine Mehrzahl von Messfühlern zum Untersuchen von Flächen zu Verwenden.
Elektrische Streufelder in dem Bereich der Messfühlerspitze erzeugen eine kapazitive Kopplung oder Nebensignaleffekte mit benachbarten Vorrichtungen bei Frequenzen, die deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz der Messfühlerspitze sind. Die Neben signaleffekte verschlechtern sich mit zunehmender Signalfrequenz und die Streufelder verstärken sich. Bei einer bestimmten Frequenz tritt der schlimmste Fall von Nebensignaleffekten auf, wenn benachbarte Messfühler mit Kurzschlüssen auf einem Testsubstrat terminiert sind. 10 stellt graphisch Spitze-zu-Spitze-Nebensignaleffekte bei Signalfrequenzen bis hinauf zu 40 GHz zwischen einem Paar von Hochfrequenz-Messfühlern dar, die durch die durch den Hochfrequenz-Messfühler 20 beispielhaft gegeben sind. 10 beschreibt Spitze-zu-Spitze-Nebensignaleffekte für zwei Hochfrequenz-Messfühler mit Messfühlerspitzen, die durch 150 Mikrometer (μm) auf einer durchgehenden Erdungsstruktur getrennt sind. Beispielhafte Werte der Spitze-zu-Spitze-Nebensignaleffekte für die Hochfrequenz-Messfühler sind –58 dB bei 15 GHz und etwa –51 dB bei 30 GHz. Über den Frequenzbereich von 5 bis 40 GHz betragen die Spitze-zu-Spitze-Nebensignaleffekte der Hochfrequenz-Messfühler etwa 10 dB weniger als bei Probenspitzen des durch Gleason et al. offenbarten Typs.
Die leitenden Verbindungen zwischen den Kontaktspitzen und den Leitern des Koaxialkabels des Hochfrequenzmessfühlers sind wesentlich kürzer als die leitenden Verbindungen von vorhergehenden Messfühlern, was das Länge-zu-Wellenlänge Verhältnis des Leiters und die durch die Leiter des Messfühlers abgestrahlte Leistung verringert, wenn Hochfrequenzsignale angelegt werden. Darüber hinaus umfasst der Hochfrequenz-Messfühler eine Abschirmung für die Kontaktspitzen, um aus dem Bereich der Messfühlerspitze abgestrahlte Energie zu beschränken. Der verwendbare Frequenzbereich des Messfühlers wird ausgedehnt und Nebensignaleffekte bei benachbarten Messfühlern werden wesentlich durch die Verringerung von aus der Nähe der Probenspitzen abgestrahlter Energie und ihrer Beschränkung verringert. Darüber hinaus sind die Querschnitte der leitenden Verbindungen von den Kontaktspitzen zu dem Koaxialkabel wesentlich größer als die Querschnitte der leitenden Verbindungen mit einer einzelnen Schicht von bisherigen Messfühlern, was die Stromführungskapazität des Messfühlers wesentlich erhöht.
Die obige detaillierte Beschreibung gibt eine Vielzahl spezifischer Details an, um ein tiefgehendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu bieten. Ein Fachmann jedoch wird erkennen, dass die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden kann. In anderen Fällen wurden gut bekannte Verfahren, Prozeduren, Komponenten und Schaltkreise nicht im Detail beschrieben, um ein Verschleiern der vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
Die in der vorhergehenden Beschreibung verwendeten Bezeichnungen und Ausdrücke sind als Ausdrücke der Beschreibung und nicht der Beschränkung verwendet worden, und es besteht keine Absicht durch Verwenden derartiger Bezeichnungen und Ausdrücke, Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, da erkannt wird, dass der Rahmen der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche definiert und beschränkt ist.

Claims

Messfühler, umfassend: (a) ein Koaxialkabel mit einem sich axial erstreckenden ersten Leiter, einem koaxialen zweiten Leiter und einem Dielektrikum, wobei das Koaxialkabel in einem schrägen Anschlussabschnitt endet; (b) ein an dem Koaxialkabel befestigtes dielektrisches Substrat mit einer ersten Seite nahe an dem Anschlussabschnitt und einer zweiten Seite, die von dem Anschlussabschnitt entfernt ist, (c) ein erstes leitendes Element, das den ersten Leiter mit einem ersten Kontakt leitend verbindet, der auf der zweiten Seite des dielektrischen Substrats und im Wesentlichen innerhalb eines Umfangs des Anschlussabschnitts angeordnet ist, wobei der erste Kontakt mit einer zu testenden Vorrichtung in Eingriff gelangen kann; und (d) ein zweites leitendes Element, das den zweiten Leiter mit einem zweiten Kontakt leitend verbindet, der auf der zweiten Seite des dielektrischen Substrates und im Wesentlichen innerhalb des Umfangs des Anschlussabschnitts angeordnet ist.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste leitende Element im Wesentlichen innerhalb des Umfangs des Anschlussabschnitts angeordnet ist.
Messfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite leitende Element im Wesentlichen innerhalb des Umfangs des Anschlussabschnitts angeordnet ist.
Messfühler nach Anspruch 1, ferner umfassend einen dritten Kontakt, der mit dem zweiten Leiter leitend verbunden ist und im Wesentlichen innerhalb des Umfangs des Anschlussabschnitts auf der zweiten Seite des dielektrischen Substrates angeordnet ist.
Messfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Verbindung des dritten Kontakts mit dem zweiten Leiter im Wesentlichen innerhalb des Umfangs des Anschlussabschnitts angeordnet ist.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der schräge Anschlussabschnitt umfasst: (a) einen ersten schrägen im Wesentlichen ebenen Abschnitt des Koaxialkabels; und (b) einen kreuzenden zweiten schrägen Abschnitt des Koaxialkabels.
Messfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite schräge Abschnitt den ersten schrägen ebenen Abschnitt nahe dem ersten Kontakt kreuzt.
Messfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite schräge Abschnitt im Wesentlichen normal zu dem ersten schrägen ebenen Abschnitt ist.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite leitende Element ferner einen ebenen Bereich nahe bei, aber ohne leitende Verbindung mit, dem ersten Kontakt umfasst.
Messfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite leitende Element leitend mit einer Erdung verbunden ist.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Substrat umfasst: (a) eine erste dielektrische Schicht mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite; (b) eine leitende Schicht mit einer ersten Seite, die in Kontakt mit der zweiten Seite der ersten dielektrischen Schicht steht, und einer zweiten Seite; und (c) eine zweite dielektrische Schicht mit einer ersten Seite, die in Kontakt mit der zweiten Seite der leitenden Schicht steht, und einer zweiten Seite.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste oder zweite leitende Element umfasst: (a) eine Kontaktspitze; und (b) eine im Wesentlichen ebene leitende Abschirmung, die mit der Kontaktspitze leitend verbunden ist und elektrisch von dem anderen des ersten oder zweiten leitenden Elements isoliert ist, wobei die leitende Abschirmung flächengleich mit einer größeren Fläche des Anschlussabschnitts ist, die größer als eine Fläche der Kontaktspitze ist.
Messfühler, umfassend: (a) ein Koaxialkabel mit einem sich axial erstreckenden ersten Leiter und einem koaxialen zweiten Leiter (b) einer mit dem ersten Leiter leitend verbundenen ersten Kontaktspitze; und (c) einer leitend mit dem zweiten Leiter verbundenen zweiten Kontaktspitze, wobei die Nebensignaleffekte zwischen der zweiten Kontaktspitze des Messfühlers und einer Kontaktspitze eines im Wesentlichen ähnlichen Messfühlers, der 150 μm entfernt von dem zweiten Kontakt auf einer Erdungsstruktur angeordnet ist, weniger als –42 dB für eine angelegte Signalfrequenz von 30 GHz betragen.
Messfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebensignaleffekte weniger als –47 dB für die angelegte Signalfrequenz von 30 GHz betragen.
Messfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebensignaleffekte weniger als –50 dB für die angewendete Signalfrequenz von 30 GHz betragen.
Messfühler umfassend: (a) ein Koaxialkabel mit einem sich axial erstreckenden ersten Leiter, einem leitend mit einer Erdung verbundenen zweiten Leiter und einem Dielektrikum, wobei das Koaxialkabel in einem schrägen Anschlussabschnitt endet; (b) einen ersten Kontakt, der im Wesentlichen innerhalb eines Umfangs des Anschlussabschnitts angeordnet ist, und leitend mit dem ersten Leiter verbunden ist, wobei der erste Kontakt mit einer zu testenden Vorrichtung in Eingriff gelangen kann; und (c) ein leitendes Element, das den zweiten Leiter mit einem zweiten Kontakt leitend verbindet, der im Wesentlichen innerhalb des Umfangs des Anschlussabschnitts angeordnet ist, wobei das leitende Element einen im Wesentlichen ebenen Leiter umfasst, der nahe dem ersten Kontakt angeordnet ist, aber nicht leitend mit diesem verbunden ist.
Messfühler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Element im Wesentlichen innerhalb des Umfangs des Anschlussabschnitts angeordnet ist.
Messfühler nach Anspruch 16, ferner umfassend ein zweites leitendes Element, dass den zweiten Leiter mit einem dritten Kontakt leitend verbindet, der im Wesentlichen innerhalb des Umfangs des Anschlussabschnitts angeordnet ist, wobei das zweite leitende Element einen im Wesentlichen ebenen Leiter umfasst, der nahe dem ersten Kontakt angeordnet ist, aber mit diesem nicht leitend verbunden ist.
Messfühler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der schräge Anschlussabschnitt einen schrägen im Wesentlichen ebenen ersten Abschnitt des Koaxialkabels umfasst, der durch einen zweiten schrägen Abschnitt des Koaxialkabels gekreuzt wird.
Messfühler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite schräge Abschnitt den ersten Abschnitt nahe dem ersten Kontakt kreuzt.