With increasing frequency up to the THz frequency range and the desire to optimize performance of modern applications, precise knowledge of the dielectric material parameters of a substrate being used in a planar application is crucial: High performance of the desired device or circuit can often be achieved only by properly designing it, using specific values for the material properties. Especially the integration of planar devices for very broadband applications at high frequencies often demands specific dielectric properties such as a low permittivity, dispersion and loss, assuring a predictable performance over a broad frequency range. Therefore, material characterization at these frequencies is of interest to the developing THz community, although not a lot of methods suitable in terms of frequency range and measurement setup exist yet.
In this work, a comprehensive method for dielectric material parameter determination from S-Parameter measurements of unloaded and loaded planar transmission lines up to THz frequencies is developed. A measurement setup and methodology based on wafer prober measurements is established, which allows for characterization of planar substrates and bulk material samples alike. In comparison with most existing methods, no specialized measurement cell or cumbersome micro-machining of material samples is necessary.
The required theory is developed, including a discussion of effective parameter extraction methods from measurement, identification of and correction for undesired transmission line effects such as higher order modes, internal inductance and surface roughness, as well as mapping and modelling procedures based on physical permittivity models and electromagnetic simulations. Due to the general approach and modular structure of the developed method, new models to cover additional aspects or enhance its performance even further are easily implementable.
Measurement results from 100 MHz to 500 GHz for planar substrates and from 100 MHz to 220 GHz for bulk material samples emphasize the general applicability of the developed method. It is inherently broadband, while the upper frequency limit is only subject to the fabrication capabilities of modern planar technology (i.e. minimum planar dimensions of transmission lines and height of substrate) and thus is easily extendable to higher frequencies. Furthermore, the developed method is not bound to a specific measurement setup and applicable with other measurement setups as well, as is exemplary presented for a free-space setup using antennas, enabling measurement of large, flat material samples not fitting on the wafer prober.
Several substrate and bulk material samples covering a wide range of permittivities and material classes are characterized and compared with reference values from literature and own comparison measurements. The uncertainties for both planar substrate as well as bulk material sample measurements are estimated with a single-digit percentage. For all measurements, the order of magnitude of the dielectric loss tangent can be determined, while the lower resolution boundary for bulk material sample measurements is estimated to 0.01.
Concerning measurements in the wafer prober environment, fixture-related issues are a main cause of measurement uncertainty. This topic is discussed as well as the design of on-wafer probe pads and custom calibration standards required for broadband operation at THz frequencies. / Mit zunehmender Erschließung des THz-Frequenzbereichs und der zugehörigen Optimierung moderner Anwendungen ist eine genaue Kenntnis der dielektrischen Materialparameter verwendeter planarer Substrate unabdingbar: Eine hohe Performance angestrebter Bauteile oder Schaltungen kann nur durch einen präzisen Entwurf sichergestellt werden, wofür spezifische Werte für die Materialeigenschaften bekannt sein müssen. Insbesondere die Integration planarer Bauelemente für sehr breitbandige Anwendungen bei hohen Frequenzen bedingt spezifische dielektrische Materialeigenschaften, wie bspw. geringe Permittivität, Dispersion und Verluste, sodass eine vorhersagbare Performance über einen breiten Frequenzbereich sichergestellt werden kann. Materialcharakterisierung bei diesen Frequenzen ist folglich von Interesse für die sich entwickelnde THz-Forschungslandschaft, wenngleich derzeit kaum Verfahren existieren, die geeignet in Bezug auf den Frequenzbereich oder Messaufbau sind.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein umfassendes Verfahren zur Bestimmung der dielektrischen Materialparameter aus S-Parameter-Messungen unbelasteter und belasteter planarer Leitungen bis in den THz-Bereich entwickelt. Ein Messaufbau mitsamt Messmethodik basierend auf Wafer Prober-Messungen wird entworfen, welcher die Charakterisierung von planaren Substraten und losen Materialproben ermöglicht. Im Vergleich zu existierenden Verfahren ist weder eine spezielle Messzelle noch eine umständliche Mikrobearbeitung der Materialproben notwendig.
Die Entwicklung der hierfür notwendigen Theorie beinhaltet eine Diskussion von Methoden zur Extraktion effektiver Parameter aus Messungen, die Identifikation und Korrektur unerwünschter Leitungseffekte wie bspw. höherer Moden, interner Induktivität und Oberflächenrauhigkeit sowie Zuordnungs- und Modellierungsverfahren basierend auf physikalischen Permittivitätsmodellen und elektromagnetischen Simulationen. Durch den allgemeinen, modularen Ansatz des entwickelten Verfahrens lassen sich neue Modelle zur Berücksichtigung zusätzlicher Effekte oder weiteren Verbesserung der Performance einfach einarbeiten.
Messergebnisse von 100 MHz bis 500 GHz für planare Substrate und von 100 MHz bis 220 GHz für lose Materialproben unterstreichen die allgemeine Anwendbarkeit des entwickelten Verfahrens. Es ist inhärent breitbandig, wobei eine obere Frequenzgrenze nur durch die Fertigungstoleranzen moderner planarer Technologien gegeben ist (minimale Leitungsdimensionen und Substrathöhe), sodass es einfach zu höheren Frequenzen hin erweiterbar ist. Weiterhin ist das entwickelte Verfahren nicht an einen bestimmten Messaufbau gebunden und auch mit weiteren Aufbauten anwendbar, wie beispielhaft an einem Freiraum-Aufbau mit Antennen präsentiert wird.
Eine Vielzahl planarer Substrate und loser Materialproben, die ein weites Spektrum an Permittivitäten und Materialklassen abdecken, werden charakterisiert und mit Referenzdaten aus der Literatur sowie eigenen Messungen verglichen. Die Messunsicherheiten der Permittivitätsmessungen werden im einstelligen Prozentbereich abgeschätzt und der dielektrische Verlustwinkel kann in seiner Größenordnung bestimmt werden.
Aufbaubezogene Einflüsse als eine Hauptursache für Messunsicherheiten am Wafer Prober werden adressiert, ebenso wie der Entwurf von On-Wafer Probe Pads und selbsterstellter Kalibrierstandards, die notwendig sind für den Einsatz bei THz-Frequenzen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:33934 |
| Date | 07 May 2019 |
| Creators | Seiler, Patrick Sascha |
| Contributors | Plettemeier, Dirk, Hamran, Svein-Erik, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0024 seconds