引言：為什么毫米波片上測量如此關鍵

隨著5G毫米波通信、車載雷達（77 GHz/79 GHz）、6G太赫茲通信以及高速互連等應用的迅猛發(fā)展，先進硅基半導體器件（CMOS、BiCMOS中的MOSFET和HBT）正被推向越來越高的工作頻率。當頻率進入毫米波（30–300 GHz）甚至亞毫米波波段時，器件特性的精確表征直接決定了電路設計模型的準確性，進而影響整個芯片和系統(tǒng)的性能。

片上測量（on-wafer measurement）中的校準（calibration）和去嵌入（de-embedding）技術，是從探針尖端的原始測量數(shù)據(jù)中準確提取被測器件（DUT）本征參數(shù)的關鍵環(huán)節(jié)。這項技術看似是"測量方法"層面的事情，實際上直接關系到晶體管小信號模型、噪聲參數(shù)提取的精度，是模擬/射頻集成電路設計的工程基石。

本文圍繞先進硅工藝器件毫米波頻段片上S參數(shù)測量，系統(tǒng)闡述校準與去嵌入的原理、工程實踐要點、毫米波特有的耦合難題以及噪聲校準方法，為從事射頻/毫米波芯片設計和測量的工程技術人員提供系統(tǒng)性的參考。

一、片上測量校準的基本框架：兩級參考面的建立

1.1 校準的核心目標——精確定義參考面

片上S參數(shù)測量的根本目標，是將矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA）的測量參考面從儀器端口準確移動到被測器件的端口（即參考面BB'）。這是所有后續(xù)參數(shù)提取工作的前提。

在實際操作中，被測器件的嵌入式接入傳輸線必須與探針在幾何尺寸上兼容，通常需要GSG（Ground-Signal-Ground）三接觸焊盤結構來實現(xiàn)共面波導（CPW）模式的穩(wěn)定激勵。

圖注：片上測量校準參考面的層級關系。AA'為探針尖端參考面（通過片外校準建立），BB'為器件端口參考面（通過片上去嵌入建立）。

1.2 兩種校準策略的對比

工程上存在兩種主要的校準路徑：

方法一：直接片上校準法。將標準件（Line、Open、Short、Load等）直接嵌入到參考面BB'中，在芯片上制作，一步到位地將參考面定義到器件端口。這種方法在理論上最為理想，例如使用LRL（Line-Reflect-Line）或多線LRL方法，直接在BB'之間插入精確定義的傳輸線標準件即可。

然而，這種方法在實際工程中面臨三大困難：

器件內(nèi)部連接的尺寸和電磁特性很難與標準傳輸線兼容

先進硅工藝中傳輸線的電磁特性復雜，毫米波頻段建模困難

標準件需直接在晶圓上制作，占用不可忽視的芯片面積

方法二：兩步法（片外校準 + 片上去嵌入）。這是當前工業(yè)界和學術界最廣泛使用的方法。第一步通過阻抗標準基板（ISS）在探針尖端建立參考面AA'；第二步通過去嵌入技術，利用專用的dummy結構（啞元結構），將參考面從AA'數(shù)學移動到BB'。

這種方法雖然會累積兩步的誤差，但操作靈活、適用性廣，在60–70 GHz以下頻段表現(xiàn)非常出色。主要挑戰(zhàn)在更高頻率出現(xiàn)。

二、片外校準的工程實踐：探針、標準件與實驗方法

2.1 毫米波探針技術與性能邊界

毫米波探針本質(zhì)上是一個導波結構和模式濾波器，其設計目標是在特定頻率范圍內(nèi)高效激勵和耦合電磁能量到單一傳輸模式上。

一根探針由三個核心部分組成：

連接器端：同軸連接器（最高支持至110 GHz的1 mm標準）或波導（WR15到WR1.5法蘭，最高可達750 GHz）

微型傳輸結構：小型同軸線、共面波導（CPW）或微帶線

GSG接觸針尖：金屬球、微型金屬刀片或金屬針等不同形態(tài)

圖注：不同頻段商用波導型毫米波探針的插入損耗和回波損耗典型值?？梢钥吹?，500 GHz以上頻段探針插入損耗急劇增加到6–8 dB，回波損耗也從15 dB惡化到10 dB，這是毫米波測量精度的硬約束。

工程上一個經(jīng)常被忽視但非常關鍵的細節(jié)是：基于波導的探針通常集成了偏置T（bias tee）網(wǎng)絡。這個偏置網(wǎng)絡對有源器件測量不可或缺——它提供低電阻直流通路（可支持高達1.5 A的直流電流），同時在波導截止頻率以下呈現(xiàn)阻性阻抗，避免有源DUT因波導低截止頻率以下的強電抗阻抗而產(chǎn)生不穩(wěn)定振蕩。工程實踐中，建議在偏置T的直流輸出端額外連接一個寬帶50 Ω終端的外置偏置T，以徹底抑制低頻不穩(wěn)定性。

2.2 阻抗標準基板（ISS）的結構與精度

阻抗標準基板是片外校準的物理載體，上面集成了Open、Short、Load和CPW傳輸線等標準件，制作在高品質(zhì)介電基板（通常是氧化鋁陶瓷）上。

關于標準件的關鍵工程參數(shù)：

Thru（直通）標準：定義為理想無耗傳輸線，由特性阻抗和延遲（0.5–1 ps）表征。值得注意的是，在低損耗介質(zhì)上制作的CPW線在200 GHz處的損耗約為1 dB/mm，因此一個150 μm長的Thru標準會產(chǎn)生0.1–0.2 dB的插入損耗，在高精度場景下已經(jīng)不可忽視。

Load（負載）標準：建模為電阻串聯(lián)電感。這個電感的物理成因復雜，用戶唯一可控的參數(shù)是針尖在焊盤上的放置位置。每偏移10 μm的接觸位置，電感值變化約1到1.5 pH（在200 GHz下對應約j1.25到j2 Ω的阻抗）。Load標準由兩個并聯(lián)的100 Ω NiCr電阻組成，經(jīng)過激光微調(diào)到50 Ω ± 1%的精度。這個標準是LRM、LRRM和SOLT校準方法的關鍵基準元件，因為它直接確定了參考阻抗。

Open（開路）標準：建模為純電容或含頻率色散效應的等效電容。

Short（短路）標準：建模為等效頻率相關電感。

圖注：阻抗標準基板（ISS）上四種基本標準件的結構示意及關鍵參數(shù)。標準件之間保持約500 μm間距以降低耦合效應。

一個關鍵認知：與TEM 7 mm同軸系統(tǒng)或精密波導標準件不同，ISS上的平面標準件并不直接溯源到計量學一級標準。其高頻特性依賴于等效電路模型描述（即所謂的"cal-kit"），而這些模型參數(shù)值又與探針技術（傳播結構類型、針尖形狀、探針間距）以及探針在焊盤上接觸時的電磁環(huán)境有關。

2.3 校準方法的工程選擇建議

面對眾多標準件不確定性，特別是在毫米波頻段，校準方法的選擇策略至關重要：

計量級應用：多線LRL方法最為適合，因為它對標準件定義的依賴最?。ㄗ孕侍匦裕枰罅刻结樈佑|操作，ISS和探針成本高昂

工業(yè)環(huán)境量產(chǎn)測試：LRM或LRRM方法是性能與操作便利性之間的最佳平衡

50–60 GHz以下頻段：SOLT與自校準方法的性能差異不大，只要遵循良好的操作規(guī)范

2.4 實驗操作的關鍵細節(jié)

高質(zhì)量的設備和校準方法并不足夠，實驗操作中的"know-how"同樣決定性地影響測量質(zhì)量。以下是幾個核心要點：

探針接觸質(zhì)量控制："最佳接觸"意味著形態(tài)均勻性和最優(yōu)的直流/高頻電氣性能。每次測量前，必須目視檢查探針針尖（磨損痕跡、變形、灰塵）和焊盤表面（探針印記是否均勻）。

平面度調(diào)整：由于GSG探針至少有三個接觸點，接觸指的平面必須與DUT焊盤底面嚴格平行。不良的接地接觸會產(chǎn)生寄生效應，導致S參數(shù)頻率響應中出現(xiàn)不受控的諧振。建議使用專用的平面度校準基板進行精細調(diào)整。

接觸電阻與滑移控制：接觸面積僅約10×10 μm2甚至更小，接觸機制涉及彈性接觸和動態(tài)庫侖摩擦。最佳針尖重疊（滑移量）為15–30 μm。在100 GHz頻段，短路連接后S??的幅度和相位變化分別保持在 ±0.05 dB和 ±0.5°以內(nèi)，且持續(xù)數(shù)分鐘無變化，可以認為接觸質(zhì)量合格。

接觸材料匹配：ISS上焊盤金屬為金（幾微米厚），與BeCu、W或Ni針尖的接觸電阻在10?2到10?1 Ω之間。而硅片上測試焊盤通常為鋁，此時應選用鎢或鎳基針尖以確保低接觸電阻。

三、片上去嵌入：原理、方法與毫米波頻段的特殊挑戰(zhàn)

3.1 去嵌入的本質(zhì)——參考面的數(shù)學移動

片上去嵌入的核心操作，是將S參數(shù)的復數(shù)參考面從探針尖端數(shù)學移動到DUT端口。這通過測量一組假定與DUT接入線具有相同電氣行為的dummy（啞元）結構，利用等效電路模型計算出接入線的寄生效應，然后從總體測量中減去這些寄生效應。

必須強調(diào)一個經(jīng)常被混淆的概念：參考面的"移動"是基于電學測量的復數(shù)平面變換，而不是簡單的幾何位置標記。對于毫米波頻段的納米尺度器件，這種電學參考面與物理幾何面的對應關系變得越來越不可靠。

3.2 硅工藝去嵌入面臨的雙重困難

先進硅工藝（CMOS、BiCMOS）的去嵌入是所有毫米波技術中最復雜的情形，其困難程度遠超III-V族器件（如GaAs HEMT）。原因有二：

襯底電阻率差異巨大：硅是半導體材料，電阻率通常只有幾個Ω·cm甚至更低；而GaAs是半絕緣材料，電阻率比硅高出六個數(shù)量級。這意味著硅襯底天然不適合作為高頻傳播結構的基板。

后端工藝（BEOL）復雜度差異極大：先進硅CMOS/BiCMOS工藝在數(shù)微米厚度內(nèi)包含至少七層金屬層，中間由氮化硅或氧化硅薄層隔開；而GaAs MMIC工藝通常只有2–3層金屬層。硅工藝復雜的BEOL帶來大量復雜的電寄生效應——導線和通孔的電阻/電感效應、焊盤/導線/襯底之間的電容耦合——這些都需要在去嵌入過程中被精確提取或建模。

圖注：先進硅工藝與III-V族GaAs工藝的后端結構對比。硅工藝的多層金屬和低電阻率襯底共同導致了毫米波去嵌入的極端復雜性。

實測數(shù)據(jù)清晰地展現(xiàn)了這種差異的后果：對于70 nm變形HEMT，去嵌入只需簡單移除每個CPW接入端約0.9 ps的理想線延遲，S??的測量值與基于寬帶小信號等效電路的仿真值在整個W波段和G波段都能良好吻合。而對于65 nm n-MOSFET，即使采用了包含pad-short、pad-open、complete-short和complete-open四種dummy結構的復雜去嵌入方法，在W波段和G波段仍然出現(xiàn)了明顯的諧振現(xiàn)象。

3.3 去嵌入方法的數(shù)學框架

典型的四dummy結構去嵌入方法（pad-open-short-short法）基于如下等效電路模型：將DUT接入結構分解為并聯(lián)導納元件（主要為容性，代表焊盤和襯底耦合）和串聯(lián)阻抗元件（主要為感性，代表金屬連接和通孔）。

該方法需要四種dummy結構：

Pad-Open：僅有焊盤，開路終端

Complete-Open：焊盤 + 傳輸線 + 上下通孔 + 梳狀結構（開路）

Pad-Short：焊盤 + 傳輸線 + 通孔（線端短路到地）

Complete-Short：焊盤 + 傳輸線 + 通孔（梳狀結構兩側短路到地）

核心數(shù)學運算分三步進行：

第一步，提取串聯(lián)寄生阻抗矩陣[Z_S]：利用Pad-Short和Pad-Open測量的Y矩陣差異，再結合Complete-Short和Pad-Open的信息，計算出金屬連接條的串聯(lián)寄生參數(shù)。公式中的因子3考慮了連接到晶體管的金屬條上串聯(lián)寄生的分布效應。

第二步，提取通孔導納矩陣[Y_via]：利用Complete-Open和Pad-Open的差異，減去已提取的串聯(lián)寄生，得到晶體管附近上下通孔的貢獻。

第三步，提取DUT本征參數(shù)[Z_DUT]：從總測量中依次減去焊盤并聯(lián)寄生、串聯(lián)寄生和通孔寄生，最終得到器件本征阻抗矩陣。

圖注：基于四種dummy結構的去嵌入方法三步流程。關鍵驗證標準：提取的晶體管本征參數(shù)應當與頻率無關。

實測數(shù)據(jù)驗證了不同去嵌入方法在頻率升高后的差異：僅使用簡單的pad-open去嵌入提取的65 nm n-MOSFET跨導gm，在60 GHz以上出現(xiàn)了劇烈的諧振和波動（gm值飆升到200 mS以上）；使用pad-open/pad-short兩種dummy結構的方法有所改善但仍有明顯波動；只有使用四種dummy結構的完整方法，才能在整個0–110 GHz范圍內(nèi)獲得相對平坦的gm值（約60 mS左右）。

3.4 集總與分布參數(shù)模型的頻率邊界

去嵌入方法的適用頻率上限，由接入線的電長度決定。關鍵判據(jù)是λg/20準則：

毫米波硅晶體管典型接入線總長度（焊盤 + 傳輸線）：50–100 μm

薄膜微帶線（TFMS）的傳播時延：約6–7 ps/mm

當接入線長度為50 μm時，λg/20極限約在150 GHz

因此，100–150 GHz以上必須采用分布參數(shù)電路的去嵌入方法。隨著先進硅晶體管（CMOS和HBT）截止頻率按照國際半導體技術路線圖逐步逼近1 THz，接入結構的尺寸需要大幅縮減。例如，32 nm InP HEMT在700 GHz頻段的表征已經(jīng)采用了25 μm間距的焊盤。

然而，焊盤尺寸的縮減與現(xiàn)有的探測儀器（prober）能力之間存在根本矛盾。按照路線圖規(guī)劃，即使到8 nm節(jié)點，用于探針接觸的射頻焊盤面積仍將維持在約650 μm2左右，這與納米尺度器件之間形成了巨大的尺寸和電氣失配。將焊盤面積縮減一到兩個數(shù)量級在工藝上是直接可行的，但在儀器（探測臺）層面則是革命性的挑戰(zhàn)——目前亞10 μm間距的探針根本不存在。

四、毫米波片上測量中的寄生耦合問題

4.1 探針與環(huán)境的耦合效應

在毫米波頻段，一個容易被忽視但影響重大的現(xiàn)象是：探針、測試結構和相鄰結構之間存在寄生耦合路徑。這些耦合路徑在測量DUT和測量dummy結構時是不同的，因為被測結構附近的電磁環(huán)境不同，這直接導致了去嵌入誤差。

一個直觀的實驗很好地證明了這一點：將一個pad-open測試結構從晶圓上切割下來，放置到純介電支撐體的邊緣（使探針背面朝向空氣）。對比切割前后的S??頻率響應，可以清楚看到：切割后探針背面朝向空氣的配置顯著衰減了60 GHz和90 GHz附近的諧振現(xiàn)象。

圖注：將pad-open結構從晶圓切割分離后，探針背面環(huán)境從復雜的硅/金屬化變?yōu)榭諝猓?0 GHz和90 GHz附近的諧振效應明顯減弱。這證實了探針背面環(huán)境耦合是毫米波諧振的主要成因之一。

4.2 三維電磁仿真揭示的耦合機理

通過基于SEM掃描電鏡照片重建的探針近似拓撲進行三維電磁仿真，可以系統(tǒng)地揭示耦合機理。仿真模型中，一個相鄰器件以10 μm的間距放置在探針下方。

研究的核心結論是：毫米波頻段諧振現(xiàn)象的主要成因之一是探針背面的電磁環(huán)境變化。這種耦合在兩個階段都產(chǎn)生影響：

片外校準階段：探針背面是氧化鋁（ISS上相鄰標準件間距足夠大）

片上測量階段：探針背面是復雜的硅和金屬化結構，頻率響應被顯著改變

4.3 應對耦合的版圖設計建議

降低寄生耦合效應的工程措施包括：

增大相鄰測試結構之間的間距

采用交錯（quincunx）排列方式布置測試結構

盡量減少測試結構數(shù)量以控制占用的硅面積

這些措施需要在硅面積成本和測量精度之間進行權衡。

五、噪聲校準與去嵌入

5.1 噪聲相關矩陣方法

毫米波噪聲表征中，最常用的技術是基于噪聲相關矩陣（noise correlation matrix）的概念。該方法將整個噪聲測量鏈路中的每個部分（輸入網(wǎng)絡、DUT、輸出網(wǎng)絡）視為二端口，通過鏈式形式的噪聲相關矩陣進行級聯(lián)運算，從總體測量中提取DUT的噪聲相關矩陣，進而得到四個噪聲參數(shù)（NF_min、R_n和Y_opt）。

上面的關鍵數(shù)學表達式描述了DUT噪聲相關矩陣的提取過程：從系統(tǒng)總噪聲相關矩陣中減去輸入網(wǎng)絡和經(jīng)DUT傳播后的輸出網(wǎng)絡的噪聲貢獻，通過輸入網(wǎng)絡鏈矩陣的逆矩陣和轉置共軛矩陣進行坐標變換。

5.2 實際操作中的簡化方法

在毫米波頻段（W波段以上），使用外部調(diào)諧器的多阻抗技術雖然可行，但在片上測量中受到限制。實際工程中更常用的簡化流程是：

首先用標定噪聲源校準噪聲接收機

然后利用去嵌入后的S參數(shù)和物理溫度計算每個無源二端口的噪聲系數(shù)

最后使用Friis方程從測量中推導出DUT的噪聲系數(shù)或輸出噪聲功率

這種方法簡單易行，適合毫米波片上噪聲測量，但必須充分考慮鏈路各部分之間的失配效應，否則噪聲校準精度將受到顯著影響。

在G波段（140–220 GHz）的噪聲測量中，需要使用液氮冷/熱負載系統(tǒng)和WR-5波導定向喇叭天線來產(chǎn)生已知溫度的噪聲源。毫米波吸波材料的使用也是減少環(huán)境反射對噪聲測量干擾的關鍵措施。

六、W波段和D波段噪聲接收機性能

從噪聲接收機的實測數(shù)據(jù)來看：

W波段（75–110 GHz）：總噪聲系數(shù)在5–8 dB之間波動，在100 GHz以上有輕微上升

D波段（130–170 GHz）：總噪聲系數(shù)約3–6 dB，整體較為平坦

圖注：W波段和D波段噪聲接收機的總噪聲系數(shù)頻率響應。D波段接收機在整體性能上優(yōu)于W波段，主要得益于混頻器和低噪聲放大器技術的進步。

七、對國內(nèi)相關行業(yè)的技術啟示與發(fā)展建議

7.1 國內(nèi)毫米波測量能力現(xiàn)狀

國內(nèi)多家高校和研究院所（如東南大學、中科院微電子所等）已具備W波段甚至D波段的片上測量能力，部分企業(yè)在毫米波探針和探測臺方面也有一定的國產(chǎn)化進展。但與國際先進水平相比，在以下方面仍存在差距：

200 GHz以上頻段的探針和校準基板基本依賴進口

去嵌入方法在毫米波頻段的系統(tǒng)性研究相對不足

探針背面耦合等環(huán)境效應在國內(nèi)測試實踐中往往被忽視

7.2 關鍵工程實踐建議

測試結構版圖設計：在設計毫米波硅器件的高頻測試結構時，必須預留充足的dummy結構（至少四種），并采用交錯排列、增大間距的方式減少探針環(huán)境耦合。這在版圖評審環(huán)節(jié)就應該明確要求。

校準方法選擇：對于60 GHz以上的毫米波測量，強烈建議采用LRM/LRRM校準方法而非傳統(tǒng)SOLT。對于計量級研究，多線LRL方法雖然耗時但不可替代。

接觸質(zhì)量管控：建立系統(tǒng)化的探針接觸質(zhì)量檢查流程——包括平面度校準、短路反射系數(shù)的寬帶頻率響應一致性檢查、接觸電阻的定期監(jiān)測。

去嵌入驗證：養(yǎng)成驗證去嵌入結果的習慣——提取的本征參數(shù)（如gm、Ri等）應與頻率無關。如出現(xiàn)頻率依賴性，說明去嵌入模型不夠充分，需要增加dummy結構或改用分布參數(shù)模型。

7.3 技術投資與創(chuàng)業(yè)方向

毫米波/太赫茲探針國產(chǎn)化：目前全球市場主要被FormFactor（Cascade Microtech）等少數(shù)公司壟斷，國產(chǎn)替代空間巨大

AI輔助的自適應去嵌入算法：利用機器學習技術從大量測試數(shù)據(jù)中自動優(yōu)化去嵌入模型參數(shù)，降低對經(jīng)驗的依賴

片上自測試（BIST）技術：將測試結構的寄生效應巧妙利用為匹配網(wǎng)絡，直接測量簡單放大器而非裸晶體管，是突破亞毫米波測量瓶頸的創(chuàng)新思路

亞太赫茲頻段（300 GHz–1 THz）硅器件表征平臺建設：隨著6G通信推進，這一頻段的精確表征需求將爆發(fā)式增長

總結性結論

毫米波頻段硅基器件的片上測量校準與去嵌入，遠不是簡單的"先校準再減寄生"的操作流程。它是一套涉及電磁理論、微納制造、精密儀器和工程經(jīng)驗深度耦合的系統(tǒng)工程。

本文所闡述的技術體系揭示了幾個值得關注的事實：第一，先進硅工藝相比III-V族工藝在去嵌入方面面臨量級上更大的挑戰(zhàn)，這主要源于硅襯底的低電阻率和BEOL的高度復雜性。第二，當測量頻率突破100 GHz后，傳統(tǒng)集總參數(shù)去嵌入模型逐步失效，分布參數(shù)方法成為剛需。第三，探針與片上環(huán)境的耦合效應是毫米波測量中諧振偽影的重要成因，但這個問題在工程實踐中經(jīng)常被忽視。第四，隨著頻率向亞毫米波和太赫茲方向推進，測試焊盤尺寸與納米器件之間的巨大尺寸失配將成為根本性瓶頸，可能需要從BIST等全新測量理念層面尋找突破口。

對于國內(nèi)從事毫米波芯片設計和表征的團隊而言，深入理解這些校準與去嵌入技術的物理本質(zhì)和工程細節(jié)，避免在高頻段"黑盒式"地使用測量設備和軟件，是確保器件模型準確、電路設計成功的基本功。測量精度的每一個dB，都可能直接轉化為系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。在這個領域，沒有捷徑可走，只有扎實的工程實踐和持續(xù)的技術積累。