Программное обеспечение для хранения результатов измерений СВЧ МИС и статистического анализа в составе системы indesys-ms

УДК 681.5.08

А.С. Сальников, И.М. Добуш, Е.П. Каратаев

Программное обеспечение для хранения результатов измерений СВЧ МИС и статистического анализа в составе системы INDESYS-MS

Описываются программы, обеспечивающие хранение и анализ данных в системе автоматизации измерений СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) INDESYS-MS. Спроектированная база данных служит для систематизации процесса хранения результатов измерений. Программа MS Database реализует взаимодействие системы INDESYS-MS с базой данных. Программа Statistics позволяет на основе сохранённых результатов измерений проводить статистический анализ с использованием таких инструментов, как гистограмма, контрольная карта Шухарта и визуализация пространственного распределения контролируемых параметров МИС по подложке.

Ключевые слова: СВЧ, монолитные интегральные схемы, измерения, программное обеспечение, база данных, статистический анализ.

Проблема сбора и систематизации результатов измерений различных параметров СВЧ монолитных интегральных схем (МИС), включая электрофизические параметры материалов, параметры технологического процесса, параметры схем и элементов при постоянном токе и в режиме СВЧ-сигнала, является весьма важной для различных специалистов. Инженеры-технологи используют эти сведения для контроля параметров технологического процесса и готовых устройств; разработчики математических моделей элементов МИС используют результаты измерений в качестве исходных данных; инженеры-проектировщики получают информацию о параметрах элементов и возможностях технологии. После измерения параметров МИС или элементов требуется их интерпретация, которая может включать оценку разброса параметров, в том числе по пластине, определение типовых значений параметров, отбраковку устройств и т.д. При выполнении большого объема измерений МИС на разных подложках, изготовленных по различным технологическим процессам, либо при вариации технологических операций и т.д. важной задачей становится также организация хранения результатов с целью систематизации и долгосрочного анализа.

В Лаборатории интеллектуальных компьютерных систем (ЛИКС) ТУСУРа на базе среды INDESYS [1] разрабатывается расширяемая система INDESYS-MS (Intelligent Design System - Measurement Suite) [2], предназначенная для автоматизации измерений (в том числе зондовых) СВЧ-устройств и элементов. В частности, она осуществляет автоматический поиск и идентификацию измерительных приборов, управление процессом измерений, обработку и отображение результатов измерений, поддержку скриптов для реализации алгоритмов различной степени сложности по управлению приборами и обработке данных непосредственно на участке измерений.

В настоящей статье рассматриваются программы в составе системы INDESYS-MS, обеспечивающие хранение и статистический анализ результатов измерений СВЧ МИС. Программы разработаны для измерительного оборудования, имеющегося в Научно-образовательном центре «Нанотехнологии» ТУСУРа, однако могут быть легко адаптированы к другому оборудованию.

База данных для хранения результатов измерений. Обычно при организации лабораторных испытаний результаты измерений параметров СВЧ МИС и элементов хранятся на сервере в виде файлов специальных форматов (s2p, ivd и др.). Хранение файлов с измерениями может осуществляться на специальном файловом сервере, который может быть совмещен с сервером БД, что дает дополнительные возможности резервного копирования и бесперебойной работы.

Отметим, что такие файлы содержат только результаты измерений. Хранение и систематизация любой дополнительной информации, включая данные о производителе, типе и особенностях измеряемого устройства, условиях проведения измерения и т. д., становятся трудновыполнимой задачей. Оптимальное решение для хранения большого объёма связанной между собой информации - использование специализированной БД.

Для систематизации хранения результатов измерений СВЧ МИС была разработана база данных для СУБД MySQL [3]. Логическая структура БД состоит из 11 таблиц, которые условно можно разбить на три группы по их назначению:

1. Информация о технологии («Производитель», «Технологический процесс» и «Подложка»).

2. Результаты проведенных измерений («Измерения параметров рассеяния», «Измерения ВАХ», «Измерения PCM»).

3. Вспомогательные таблицы (названия элементов, технологические допуски и др.).

БД разворачивается на специальном сервере. Ввод новых данных, как и анализ уже имеющихся, проводится пользователем через программную систему INDESYS-MS.

Программа MS Database для управления базой данных. Разработанная программа MS Database предназначена для взаимодействия с разработанной БД, в которой хранится информация о проведённых измерениях СВЧ МИС. Программа может как сохранять полученные от приборов результаты в БД, так и получать результаты проведённых ранее измерений из базы для дальнейшей обработки. Разработанный модуль MS Database является посредником между программной системой INDESYS-MS и базой данных, содержащей результаты измерения.

При проектировании программы использовались специальные классы, называемые адаптерами таблиц [4]. Данные классы играют роль посредника между СУБД и прикладной программой, работающей с БД. Адаптер подключается к БД, выполняет запросы или хранимые процедуры; в результате работы он возвращает новую таблицу, заполненную требуемыми данными. Адаптеры таблиц также используются для отправки обновленных данных из приложения в БД.

Для удобства пользователя все таблицы БД могут быть представлены непосредственно в виде форм в системе INDESYS-MS с возможностью просмотра, добавления и редактирования таблиц. Кроме того, имеется возможность резервного копирования и восстановления измеренных данных. Таким образом, для работы с базой данных не требуется дополнительного программного обеспечения.

При нажатии кнопки «Add Data...» вызывается интерактивная форма для добавления новых данных к уже имеющимся файлам с результатами измерений; в этом случае требуется вручную указать производителя, технологический процесс и номер подложки и вручную загрузить файлы. Однако более удобной является реализованная возможность внесения всех необходимых данных непосредственно в процессе измерения. При проведении измерения оператор измерительного оборудования выбирает производителя, технологический процесс, номер подложки и тип элемента из имеющихся в БД. Если такая информация отсутствует, она может быть легко внесена оператором с помощью специальных форм, вызываемых по нажатии на кнопку «+».

Разработанный интерфейс программы позволяет быстро заполнить необходимые данные об измеряемом устройстве и провести измерения с сохранением результатов в БД.

Программа Statistics для проведения статистического анализа. Статистический анализ является важным средством для контроля технологического процесса, оценки изготовленных устройств и отбраковки изделий [5].

Программа Statistics предназначена для проведения статистического анализа результатов СВЧ-измерений, находящихся в БД. В качестве контролируемых величин пользователь может выбрать параметры, рассчитанные на основе СВЧ-измерений (S-, H-, Z- параметры, граничные частоты усиления по мощности fmax и по току f, максимальный коэффициент усиления по мощности Gma), параметры, полученные из вольт-амперных характеристик (ток насыщения Idss, напряжение отсечки ^pmchoff), и параметры, найденные из измерений тестовых модулей для контроля технологического процесса. По выбранным пользователем параметрам может быть проведён статистический анализ: построена гистограмма распределения, визуализирован разброс параметров по подложке, проведена отбраковка по одному или нескольким параметрам. Кроме этого, на основе специальных тестовых модулей может быть построена контрольная карта Шухарта для всех подложек, выполненных по одному технологическому процессу. Для визуализации результатов анализа в программе используются три вида графиков: гистограмма, «подложка» и контрольная карта Шухарта.

Интерфейс программы, позволяющий создать новый график со статистической информацией, приведён на рис. 1. В данном диалоге пользователь программы может выбрать подложку и вид элемента (транзистор, резистор и т.п.), для которого будет проводиться статистический анализ. Затем пользователь выбирает одну или несколько характеристик, которые будут рассчитаны и отображены на графике. Здесь важно заметить, что разработанная программная архитектура позволяет пользова-

телю добавлять новые характеристики без изменения самой программы с помощью программирования в скриптовой среде.

Add Statistics

*1

Statistic settings -

Statistics Name: |statl

Add ttstogram Graph Add Wafer Graph Add Schewhart Chart

[-Graphs-----------------

Wafer 1 I

Graph Title: [waferl

jJj-U

Foundry: |LICS

•>| Process: I test

Wafer: jtestOl *| Element Type: ¡Transistor Sub Type: ¡TestOl

I Preset ^ Save j Save As.. | Delete |

Measurement Type:

Port Parameters

S H

IV curve

Measurement options:

To port index: I z—\

From port index: I j

#*

Characterization

I {- Ft .♦j Linear

Frequency:

W

Scattering Coefficient (S Parameters).

Complex Modifier----------------------------

(“ Real I mag. (• Mag. C Angle

C" Complex C Conjugate

[GHz]

dB option-------

W dB

Measurements on Graph

I Ft, testOl, Transistor, TestOl GMax @10 GHz, testOl, Transistor, Те

OB(|S[2,ll|) @10 GHz, testOl, Transisi

I QK I ¿arxel |

Рис. 1. Диалог формирования задания на статистический анализ

Пример: статистический анализ результатов измерений GaAs-pHEMT-транзисторов. В качестве примера подемонстрируем совместное применение программ Measurement [2], MS Database и Statistics для выполнения измерений параметров СВЧ-транзисторов на подложке, сохранения в БД и статистического анализа результатов. Испытание программ проводились в НОЦ «Нанотехнологии» ТУСУРа на базе специализированного стенда для зондовых измерений СВЧ МИС.

Задача состояла в измерении и анализе параметров опытных гетероструктурных СВЧ полевых транзисторов Т150-1 с шириной затвора 150 мкм, изготовленных по отечественной 0,35 мкм GaAspHEMT-технологии. Приборы располагались на пластине диаметром 75 мм. Всего было измерено 56 транзисторов в одной и той же рабочей точке иЗИ = -0,55 В; иСИ = 3 В.

Для проведения измерений с сохранением результатов в БД требуется заполнить всю необходимую информацию в диалоговом окне. В этом же окне указывается набор рабочих точек, в которых будут проводиться измерения. По нажатию на кнопку «Measure» будут проведены измерения параметров рассеяния в указанных рабочих точках, результаты автоматически сохранятся в БД. Для измерения следующего транзистора необходимо изменить его индекс внутри пластины и вновь нажать на «Measure».

После сохранения результатов измерения можно провести статистический анализ полученных данных. Для вывода диаграммы пространственного распределения в диалоговом окне на рис. 1 нужно нажать кнопку «Add Wafer Graph», а потом указать контролируемую характеристику, в данном случае это граничная частота fT. После этого будет произведен расчет значения fT для всех измеренных транзисторов, соответствующих заданным идентификационным параметрам (производитель, техпроцесс, подложка), и выведен график «подложка» (рис. 2). Величину fT для каждого транзистора можно примерно оценить с помощью цветовой шкалы в правой части графика, а определить точное ее значение - путем наведения маркера на выбранный транзистор.

Эту же диаграмму можно использовать для определения устройств, удовлетворяющих заданным ограничениям на одну или несколько контролируемых характеристик. Например, необходимо

определить, какие из транзисторов имеют коэффициент передачи |521| более 4 дБ в полосе частот 8-12 ГГц. В этом случае построим пространственную диаграмму для параметра |521| (см. рис. 2, а), вызовем диалог отбраковки и укажем ограничения на величину |521|. В результате получим диаграмму на рис. 2, б. Видно, что отображаемых цветом элементов стало теперь меньше - те из них, которые не удовлетворяют поставленным требованиям, стали затененными.

Д S21 wafer example

£ S21 wafer cxampl«

Нан-94Є8»Sa** ИЛ’Ю іюмі, rr*»—w. ті» і" -viаил

'4Н<КТІУТ І П7* И> 7ПтД -штллур

а б

Рис. 2. Отбраковка транзисторов по параметру |S21|: а - до отбраковки; б - после отбраковки

Для построения гистограммы следует в форме на рис. 1 нажать на кнопку «Add histogram». В примере была построена гистограмма для граничной частоты транзисторов fT. На графике также отмечается среднее значение величины fT, сплошной линией показано теоретическое нормальное распределение этого параметра. С применением данного инструмента было показано, что распределение отличается от нормального.

В программе реализована возможность проведения статистического анализа технологического процесса с использованием контрольных карт Шухарта. Анализ процесса выполняется на основе результатов измерений параметров специальных тестовых модулей (Process Control Monitor - структуры контроля процесса). Такие модули специально помещаются на полупроводниковой подложке и могут использоваться для измерений как различных электрофизических параметров подложки и материалов (например, поверхностного сопротивления RS), так и параметров элементов МИС (например, тока насыщения транзистора Idss).

Измеренные параметры записываются в БД в таблицу PCM_MEAS.

Для построения контрольной карты результаты измерений параметров тестовых модулей на пластине усредняются. Усреднённые данные откладываются по оси ординат, а по оси абсцисс откладываются номера пластин (предполагается, что пластины изготовлены с использованием одного и того же технологического процесса, но в разное время).

Вид диалога для построения карты Шу-харта представлен на рис. 3. Здесь пользователь может указать условия, при которых отображаемая точка на карте будет сигнализировать об ошибке в технологическом процессе. Флажок возле изображения с трендом указывает, будет ли учитываться соответствующий тренд при анализе. При обнаружении ошибки в технологическом процессе точка на графике будет выделена ярким цветом, при наведении на неё будет отображаться информация о том, в какой из трен- п „ „ „ ,,,

^ ^ v Рис. 3. Диалог настроики контрольной карты Шухарта

дов попала точка. Поле Trend (справа от изображения) содержит краткие пояснения к каждому тренду, например: «Одна из точек не попала в зону А» (One point out of zone A).

После заполнения данных в диалоге появляется контрольная карта для выбранных контролируемого параметра и технологического процесса. В примере в связи с недостаточным количеством реальных данных по величине Idss транзисторов на разных пластинах для нее были взяты случайные значения; последняя точка умышленно задана выпадающей за границы трех среднеквадратичных отклонений. Построенная в результате карта Шухарта приведёна на рис. 4. Можно видеть, что выпадающая точка привела к сообщению об ошибке процесса, которое выражается в изменении цвета маркера. При наведении на точку указывается причина - выпадение параметра за границы зоны А (зоны трех среднеквадратичных отклонений). На карте выведены также значения коэффициентов пригодности процесса Cp и Cpk [5].

CMIM Control chart Cp = 0.634162598085047 Cpk = 0.552182669496234

А

9

Number

- UCL

B above mean C above mean

- Mean

C below mean B below mean

- LCL

- Max spec

- Nominal spec

- Min spec

- Shewhart

Рис. 4. Контрольная карта Шухарта для параметра I

dss

Рассмотренные примеры показывают возможности проведения статистического анализа результатов измерений СВЧ МИС в программе Statistics.

Заключение. Разработано программное обеспечение, позволяющее решать две связанные задачи: систематизация хранения результатов измерений СВЧ МИС (БД, программа MS Database) и проведение статистического анализа этих данных (программа Statistics). В программе Statistics реализованы три основных инструмента статистического анализа: гистограмма, визуализация

пространственного распределения параметра по подложке и контрольные карты Шухарта. Программное обеспечение может использоваться для хранения и анализа результатов измерений СВЧ МИС в исследовательских лабораториях, а также на опытном производстве МИС для отладки технологических операций.

Работа выполнялась в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлениям «Создание электронной компонентной базы» (14.740.11.1261), «Микроэлектроника» (П669, П499, 16.740.11.0092, 14.740.11.1136) и «Проведение исследований коллективами НОЦ по направлению «Микроэлектроника» (14.740.11.0135).

Литература

1. Программное обеспечение для автоматизации измерений, деэмбеддинга и построения линейных моделей СВЧ полевых транзисторов / И.М. Добуш, А.В. Степачева, А.А. Коколов и др. // в наст, сборнике. С. 99-105.

2. Интеллектуальная система автоматизированного проектирования СВЧ-устройств INDESYS / М.А. Песков, С.Ю. Дорофеев, А.С. Барышников и др. // Ежемесячный теоретический и прикладной научно-технический журнал «Информационные технологии» - 2010. - № 2. - С. 42-48.

3. Официальный сайт компании MySQL [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

http://www.mysql.com, свободный (дата обращения: 01.02.2011).

4. TableAdapter Overview [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://msdn.microsoft.com/ru-ru/library/bz9tthwx(v=vs.80).aspx, свободный (дата обращения: 15.02.2011).

5. Электронный учебник компании StatSoft : Контроль качества [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.statsoft.ru/home/textbook/default.htm, свободный (дата обращения:

14.04.2011).

Сальников Андрей Сергеевич

Аспирант каф. компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа

Тел.: 8 (382-2) 41-47-17

Эл. почта: ansalnikov@gmail.com

Добуш Игорь Мирославович

Аспирант каф. КСУП ТУСУРа

Тел.: 8 (382-2) 41-47-17

Эл. почта: igadobush@gmail.com

Каратаев Евгений Павлович

Студент, каф. КСУП ТУСУРа

Эл. почта: Karataev.Evgeny@gmail.com

Salnikov A.S., Dobush I.M., Karataev E.P.

Software for data storage and statistical analysis in MMIC measurement automation system INDESYS-MS

The software for data storage and analysis in MMIC measurement automation system INDESYS-MS is described. Special database is designed for organizing MMIC measurement results storage. The software MS Database provides interaction between automation system INDESYS-MS and database. The software Statistics performs statistical analysis of stored measurement results. It uses such statistical tools as a histogram, visualization of controlled parameter distribution along the wafer, and control Shewhart charts.

Keywords: MMIC, measurement, software, database, statistical analysis.