SMU数字源表与探针台连接示意图及注意事项

1、前言

   在半导体和集成电路工艺中，材料、晶圆、芯片的测试是必不可少的环节。随着半导体测试技术的发展，数字源表SMU结合探针台的系统组合已经被广泛应用于材料/微小器件的电学特性验证中。数字源表SMU具备源测功能，可以产生电流-电压(I-V)特性曲线，是半导体材料、器件电性能表征测量的核心；探针台有手动、半自动和全自动三种，根据测试需要选择配套的产品即可。在选用时需要注意探针的材质以及针尖的直径与形状，探针材质不同，其阻抗也不相同；此外，探针尖磨损和污染也会对测试结果造成影响。

   在测试时，通过数字源表提供激励并对测量信号进行采集。首先将电流或电压输入被测器件（DUT），测量该器件对此输入信号的响应；这些信号的路径为：源表的输出端接入电缆，电缆和探针连接，电流或电压信号通过探针至芯片。

图：SMU、探针、DUT连接示意

   下文中，我们将探讨数字源表SMU和探针台的连接注意事项，以及不同材料/器件的测试应用案例。

2、数字源表SMU与探针台的连接

   探针台与源表的连接常见有两种，一种使用同轴线连接，另一种使用三同轴线连接。当测量小电流(nA、pA)时，应使用三同轴转接模块和三同轴线缆。在接入源表保护端的测试电路中，由于三同轴的保护层与内芯之间是等电位，不会有漏电流产生，能够提高小电流测试精度。

图：三同轴线缆半剖图（1导体；2绝缘；3内屏蔽层；4中间层；5外屏蔽层；6外护套）

图：三同轴线缆等效电路图   

上图所示为三同轴线缆等效电路图，输出高端HI和Guard之间的电位差几乎为0，从而消除线缆自身的漏电流。

以下是使用普赛斯直流源表、脉冲源表、高压源表、大电流源表与探针台的接线说明：

S系列直流源表

- 两同轴连接 -

使用香蕉头转BNC母头的转接头进行连接；

- 三同轴连接 -

    三同轴连接器与普通两芯连接器有所不同，可同时接驳信号、接地和屏蔽层，屏蔽效果好。和多芯线缆相比，三同轴线缆结构简单，可靠性高；和两芯同轴线缆相比，具有更高的屏蔽性能和小信号的传输能力。三同轴线缆的连接方式使用了GUARD信号，起到了屏蔽作用，更有利于小信号的测量。

P系列脉冲源表

- 两同轴连接 -

使用杜邦线转BNC母头进行连接；

- 三同轴连接 -

使用三同轴转接模块进行连接。

E系列高压源表

- E100(1200V) -

直接使用三同轴线进行连接；

- E200(2200V)/E300(3500V)    -

将普通的三同轴更换为高压专用三同轴线；

高压三同轴接头的耐压能力较强，普赛斯使用的高压三同轴接头可以耐压3500V。

图：左-高压三同轴、右-普通三同轴

HCPL   100大电流源表

 大电流测量时，单根探针容许的电流有限，电流过大可能会引起烧针现象，影响测试结果，因此需要使用多探针并联。

图：多探针并联示意

3、探针台与器件的连接

 在不同的材料测试中可能会遇到共面电极或异面电极的材料。共面电极指阳极和阴极在同一平面；异面电极指阳极和阴极不在同一平面，常见为正反面。

图：共面电极连接示意

图：异面电极连接示意

4、测试注意事项

-探针台接地：探针台结构上有很多金属，在带电的环境下会存在很强的静电，一般探针台会自带大地连接线，使用中将探针台接大地，避免释放静电给测试带来影响。一般地线分为两类：一种是工作接地，另一种是安全性接地。工作接地是把金属导体铜块埋在土壤里，   再通过导线引出地面，将导线接入设备的接地端口，形成接地回路。 安全性接地是指使用探针台金属外壳自带的接地线进行接地，当探针台金属外壳发生绝缘损坏，外壳带电时，电流沿着其外壳自带的接地线接入大地，以达到安全的目的。

-连接线接地：探针台的连接线为同轴线，两根同轴线的内芯是信号线，从而导致两根同轴线的外屏蔽层悬空，未起到屏蔽的作用，在磁场环境复杂的情况下会对测试产生较大的干扰。因此，为了获得较好的测试效果，需要将同轴线缆的外屏蔽层接入工作地线。

-关闭光源：很多器件和材料对光源敏感，测试中如果不关闭光源会影响测试结果，所以测试时尽量在无光源影响的环境中进行。

-小电流测试时加屏蔽罩：如果测试电流为pA级别，需要给探针台增加屏蔽罩。

-异面电极材料连接：异面电极材料连接时通常会使用探针台Chuck盘做电极，但是Chuck盘的平整度会对材料的接触面有影响，那么此时就需要使用引电极。