AT511058A4

AT511058A4 - Verfahren und vorrichtung zum prüfen von drucksensoren

Info

Publication number: AT511058A4
Application number: AT3722011A
Authority: AT
Inventors: Rainer Dr Gaggl
Original assignee: Rainer Dr Gaggl
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-09-15
Also published as: AT511058B1

Abstract

Zum elektrischen und pneumatischen Prüfen von Drucksensorchips (1) wird der Drucksensorchip (1) elektrisch kontaktiert und mit Hilfe einer Druckkammer (7) unter definierten Überdruck gesetzt, wobei der in der Druckkammer (7) herrschende Druck durch einen Referenzdrucksensor erfasst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, Drucksensorchips(1) einer Halbleiterscheibe unter definierten Bestimmungen zu prüfen, wobei das Prüfen nicht nur bei einem definierten Druck sondern auch bei im akustischen Bereich liegenden Druckschwankungen möglich ist.

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrischen und pneumatischen Prüfen von Drucksensoren.

Das Herstellen von Drucksensoren erfolgt oft durch Mikrostrukturieren von Halbleiterscheiben. Fortgeschrittene Fertigungstechniken integrieren häufig das Herstellen der drucksensitiven Bereiche - in der Regel Membranstrukturen -mit einer elektronischen Auswerteschaltung. Auf diese Art hergestellt Sensoren werden auch als MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) bezeichnet. Diese Art der

Fertigungstechnik erlaubt es auf einer Halbleiterscheibe sehr viele (identische) Drucksensoren gleichzeitig anzufertigen. Elektrische Drucksensoren können auch in Dünnschichttechnik hergestellt werden.

Das Prüfen der MEMS Drucksensoren erfolgt bisher (''Scheibenprüfung") dadurch, dass die sich noch auf der Halbleiterscheibe befindlichen Sensoren ("Chips") unter Verwendung einer sogenannten Nadelkarte ("probe card") nur elektrisch geprüft werden, ohne die für die Druckmessung verwendeten Membranstrukturen durch Druckbeaufschlagen anzuregen. Das Druckprüfen und Kalibrieren der Drucksensoren erfolgt erst nach dem Vereinzeln der Chips und deren Einbau in ein Gehäuse. Dies birgt den Nachteil in sich, dass Sensoren mit defekten Membranen erst nach dem Einbau ins Gehäuse erkannt werden und so im Falle von Ausfällen der Drucksensor-Chip mitsamt dem Gehäuse verworfen werden müssen.

Eine verbesserte Prüfmethode vereint das elektrische Prüfen des Drucksensors mit dem mechanischen Prüfen der Membranstrukturen durch elektrisches Kontaktieren des Drucksensors und gleichzeitiges Druckbeaufschlagen.

Im Stand der Technik sind mehrere Verfahren bekannt, das Druckbeaufschlagen mit dem elektrischen Prüfen zu kombinieren. Eine Methode nutzt die Kombination einer zum elektrischen

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Kontaktieren verwendeten Nadelkarte mit einer nahe an die Sensormembranen herangeführten Düse. Ein Nachteil dabei ist, dass der Druck des aus der Düse austretenden Luftstroms am Ort der Sensormembranen nicht gut bekannt ist und der Druck über den Querschnitt des Luftstromes nicht konstant ist. Dies bedeutet Einschränkungen in Bezug auf die Nutzung der Methode zum genauen Kalibrieren der Drucksensoren im Zuge der Scheibenprüfung.

In einem anderen bekannten Verfahren wird der komplette Messaufbau mit Nadelkarte und Halbleiterscheibe sowie die zum Positionieren der Halbleiterscheibe benötigte Mechanik in eine Druckkammer eingebaut. Hiermit sind zwar ein genaues Druckkalibrieren möglich, ein Nachteil ist jedoch die relativ lange Zeit, die benötigt wird, um mehrere Halbleiterscheiben zu prüfen. Dazu muss die Druckkammer jedes Mal entlüftet und geöffnet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein vereinfachtes Verfahren und eine vereinfachte Vorrichtung der eingangs genannten Gattung vorzuschlagen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit dem Merkmal von Anspruch 1 bzw. mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen, auf die Vorrichtung gerichteten Anspruchs.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung (Verfahren/Vorrichtung) sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung bedient sich eines Druckkammer-Bauteils, der auf die Oberfläche der Halbleiterscheibe zugeordnet, beispielsweise aufgesetzt, wird und der an eine Druckgasversorgung angeschlossen ist, mit welcher der zu messende Chip unter Überdruck gesetzt werden. Der Druckkammer-Bauteil ist zur Chipoberfläche hin offen. Nach dem Annähern • fr fr > · · · fr · · * • * * * · fr fr fr · * fr fr* fr · fr »»«fr fr • ••fr fr «fr* fr fr· »»fr« fr fr« «fr 3 (Aufsetzen) des Druckkammer-Bauteils auf die Halbleiterscheibe bildet die Oberfläche der Halbleiterscheibe eine Wand der Druckkammer, so dass deren Innenraum geschlossen ist. Dadurch kann sich über die Druckgaszuführung über dem Chip ein Überdruck aufbauen.

Die Vorrichtung kann mit der Anordnung der Prüfkontakte (der so genannten Prüf- oder Nadelkarte) kombiniert sein. Durch das Aufsetzen der Anordnung auf die Oberfläche der Halbleiterscheibe wird die Chipvorderseite gleichzeitig elektrisch kontaktiert und die Druckkammer geschlossen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Druckkammer so gestaltet, dass diese aus wenigstens einem mit der Nadelkarte verbundenen, feststehenden Teil sowie aus wenigstens einem in vertikaler Richtung (senkrecht zur Nadelkarte bzw. der Halbleiterscheibe) beweglichen Teil - im weiteren"Ringdichtung genannt - besteht, der den Relativ-Bewegungen zwischen der Halbleiterscheibe und der Druckkammer beim Kontaktzustellen folgen kann. Diese Ringdichtung kann Änderungen in der Kontaktzustellung folgen und auch Kontaktverschleiß der Prüfnadeln ausgleichen.

Eine Ausführungsform dieser Ringdichtung kann beispielsweise durch wenigstens eine Feder mit geringer Kraft leicht auf die Halbleiterscheibe angedrückt werden und damit die Dichtigkeit der Druckkammer hersteilen. Durch entsprechend schwache Auslegung der Feder kann hier das Risiko einer Beschädigung der Halbleiterscheibe durch Partikel verringert werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht in der Abdichtung der Druckkammer durch eine mittels Luftlagern über der Oberfläche der Halbleiterscheibe (Wafer) schwebend gehaltenen Ringdichtung. Luftlager haben die Eigenschaft, bei enger werdendem Luftspalt sehr hohe Lagerkräfte auszubauen und damit einer Verengung des Lagerspaltes entgegenzuwirken. Damit können Berührungen der Ringdichtung mit der Waferoberfläche und das Risiko von Beschädigungen mit Partikeln mit großer Zuverlässigkeit vermieden werden.

Zum Kalibrieren von Drucksensor-Chips im Zuge der Scheibenmessung ist eine genaue Kenntnis des über den Sensormembranen lastenden Druck nötig. Hierzu kann zusätzlich zur Gaszuführung eine weitere Leitung an den Druckkammer-Bauteil angeschlossen sein, die zu einem als Eichreferenz dienenden Drucksensor (mit hoher Genauigkeit) ("Referenzdrucksensor") führt. Ein solcher Referenzdrucksensor kann in miniaturisierter Form auch in die Druckkammer selbst integriert werden.

Eine Ausführungsform von in MEMS Technologie hergestellten Drucksensoren wird zum Messen schneller, im akustischen Bereich liegender Druckschwankungen verwendet. Solche Sensoren werden beispielsweise als Mikrofon in miniaturisierten Anwendungen, beispielsweise Mobiltelefonen, verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungemäße Vorrichtung kann auch zum Prüfen von solchen Mikrofonen benutzt werden. Hierbei wird die Druckgaszuführung mit einer Quelle zum Erzeugen schneller Druckschwankungen verbunden, also beispielsweise durch einen Lautsprecher. Die Quelle zum Erzeugen schneller Druckschankungen (Lautsprecher) kann auch in der Druckkammer selbst integriert sein.

Ein Vorteil (wenigstens) einer in eine Nadelkarte integrierten Druckkammer ist deren im Vergleich zu akustischen Wellenlängen sehr kleine Dimension. Ein in der Druckkammer erzeugtes Schallfeld wird also weitgehend frei von stehenden Wellen und Resonanzen sein. D.ie genaue Kenntnis über die Amplitude der Druckschwankungen zum Kalibrieren des zu prüfenden Mikrofons kann beispielsweise durch ein in die Druckkammer eingebautes oder in Analogie zum in der statischen Druckprüfung Φ * · ♦ · · φ Φ Φ · · Φ 4 Φ · ΦΦ # · ·

Φ I 1 * I · 4 11« I I «I * I · « · « *· »· ΦΦΦΦ Φ #« * « 5 verwendeten Referenzdrucksensor angeschlossenes Referenzmikrofon erfolgen.

Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise/Vorrichtung können Drucksensoren, die elektrische Signale abgeben, die den Druck auf den Sensor proportional senden, ebenso geprüft werden wie Drucksensoren, die ab einer Schaltschwelle ein elektrisches Signal abgeben.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, in der auf die schematischen Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zum elektrischen und pneumatischen Prüfen von Drucksensoren.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist eine Halbleiterscheibe 5 vorgesehen, in der mehrere

Drucksensorchips 1 mit druckempfindlichen Membranen vorgesehen sind, die aus der Halbleiterscheibe 5 noch nicht entfernt {herausgebrochen) sind. Dem Drucksensor-Chip 1 ist eine Kontaktfläche 2 zugeordnet, der im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Prüfnadel 3 zum elektrischen Kontaktieren auf der Chipvorderseite zugeordnet ist.

In Fig. 1 ist gezeigt, dass auf die Halbleiterscheibe 5 mit den Drucksensorchips 1 eine Druckkammer 7 (Druckkammer-Bauteil) aufgesetzt ist und zwar derart, dass die Halbleiterscheibe 5 den Innenraum 9 der nach einer Seite offenen Druckkammer 7 abdichtet. So kann im Innenraum 9 der Druckkammer 7 über die Gaszuführung 8 ein definierter Überdruck aufgebaut werden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist der Druckkammer 7 ein Referenzdrucksensor zugeordnet, der in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Anschluss 4 mit dem Innenraum der Druckkammer 9 in Verbindung steht. So kann der im Innenraum 9 der Druckkammer 7 herrschende Überdruck erfasst werden.

Wie bereits weiter oben erwähnt, kann im Rahmen der Erfindung der Referenzdrucksensor auch im Innenraum 9 der Druckkammer 7 angeordnet sein, sodass die gesonderte Abschlussleitung 4 für den Referenzdrucksensor entfallen kann.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist eine abgeänderte Ausführungsform der Druckkammer 7 vorgesehen.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform besteht die Druckkammer 7 aus zwei mit der Nadelkarte 12 verbundenen Teilen 11 und 11', wobei die Teile 11, 11' an einander gegenüberliegenden Seiten der Nadelkarte 12 angeordnet sind.

In dem Teil 11 der Druckkammer 7, der auf der von der zu prüfenden Halbleiterscheibe 5 abgekehrten Seite der Nadelkarte 12 angeordnet ist, ist eine Gaszuführung 8 für die Druckkammer 7, die in den Innenraum 9 der Druckkammer 7 mündet, vorgesehen. Der an der der Halbleiterscheibe 5 zugekehrten Seite der Nadelkarte 12 angeordnete Teil 11' der Druckkammer 7 ist mit der Nadelkarte 12 über einen Ring 15 aus elektrisch isolierendem Werkstoff befestigt. Durch diesen Ring 15 aus elektrisch isolierendem Werkstoff sind die Prüfnadeln 3, 3' zum elektrischen Kontaktieren des Drucksensorchip 1, der im gezeigten Ausführungsbeispiel noch in der Halbleiterscheibe 5 integriert ist, also aus dieser nicht herausgebrochen ist, geführt.

Die Druckkammer 7 in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform besitzt weiters (wenigstens) einen ringförmigen Teil 13, der gegenüber dem mit der Nadelkarte 12 verbundenen Teil 11' der • · • · * * * ♦ ♦ · 9 + • · * · » · * * · · · *···· » · » « *· Μ«« · · · ·· 7

Druckkammer 7 in Richtung des Doppelpfeiles 16, also im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Nadelkarte 12 bzw. der Halbleiterscheibe 5 verstellbar ist.

Zwischen dem Teil 11' der Druckkammer 7, der auf der der Halbleiterscheibe 5 zugekehrten Seite der Nadelkarte 12 angeordnet ist und dem beweglichen Teil 13 der Druckkammer 7 kann eine nicht gezeigte Feder vorgesehen sein, die den als Ringdichtung ausgebildeten Teil 13 der Druckkammer 7 in Richtung auf die Halbleiterscheibe 5 hin belastet.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird der bewegliche Teil 13 von einem Luftlager im Spalt 14 zwischen dem Teil 13 und der Halbleiterschreibe 5 in geringem Abstand von der Halbleiterscheibe 5 gehalten. Das Luftlager im Spalt 14 wird dadurch gebildet, dass Druckluft durch den Spalt 14 zwischen dem beweglichen Teil 13 und der Oberseite der Halbleiterscheibe 5 austritt. Durch das Luftlager im Spalt 14 wird erreicht, dass der ringförmige Teil 13 dichtend aber im Abstand von der Oberseite der Halbleiterscheibe 5 gehalten wird.

Das Luftlager im Spalt 14 wird über einen ringförmigen Kanal 19 (radial nach innen offene Nut im Teil 13) und achsparallele Kanäle 18 mit Druckluft beaufschlagt. Die Kanäle 18 münden in Vertiefungen in der der Halbleiterscheibe 5 zugewendeten, kreisringförmigen Stirnfläche des beweglichen Teils 13. Die Vertiefungen sind beispielsweise über die Stirnfläche des Teils 13 gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Druckluft kann dem Innenraum 9 der Druckkammer 7 entnommen oder über gesonderte (nicht gezeigte Leitungen) dem Kanal 19 zugeführt werden.

Auch bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dem Innenraum 9 der Druckkammer 7 ein Referenzdrucksensor zugeordnet, der über * * · · * · t ♦ · ♦ • b » » · ····* • I · I * ♦ * » * » 0 • · · « * « « « « • · · ♦ 9··· * I· 8 eine Leitung 4 mit dem Innenraum 9 der Druckkammer 7 verbunden ist.

Der Referenzdrucksensor kann bei der Ausführungsform von Fig. 1 und der von Fig. 2 auch der Gaszuführung 8 zugeordnet oder im Innenraum 9 der Druckkammer 7 angeordnet sein. Wesentlich ist, dass der Referenzdrucksensor den Druck im Innenraum 9 der Druckkammer 7 erfasst.

Im Rahmen der Erfindung ist auch eine Ausführungsform der Vorrichtung in Betracht gezogen, bei der an einer Nadelkarte 12 mehr als eine Druckkammer 7 mit beweglichem Teil 13 (Ringdichtung) angeordnet sind.

Mit der erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich einen einzelnen Drucksensorchip 1 oder zugleich zwei oder mehrere Drucksensorchips 1 einer elektrischen oder pneumatischen Prüfung zu unterziehen.

Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt beschrieben werden.

Zum elektrischen und pneumatischen Prüfen von Drucksensorchips 1 wird der Drucksensorchip 1 elektrisch kontaktiert und mit Hilfe einer Druckkammer 7 unter definierten Überdruck gesetzt, wobei der in der Druckkammer 7 herrschende Druck durch einen Referenzdrucksensor erfasst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, Drucksensorchips 1 einer Halbleiterscheibe 5 unter definierten Bestimmungen zu prüfen, wobei das Prüfen nicht nur bei einem definierten Druck sondern auch bei im akustischen Bereich liegenden Druckschwankungen möglich ist.

Claims

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• fr » · * • · * * · • « * t · * * * * * * · · 9 Patentansprüche: 1. Verfahren zum elektrischen und pneumatischen Prüfen von einem, zwei oder mehreren Drucksensoren, insbesondere Drucksensorchips, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor elektrisch kontaktiert wird, dass der Drucksensor unter einen definierten Überdruck gesetzt wird und dass der den Drucksensor belastende Überdruck durch einen Referenzdrucksensor erfasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck über einem aufgebaut wird, indem eine zu prüfenden Drucksensor hin offene Druckkammer mit ihrer offenen Seite hin voran auf den Drucksensor, insbesondere einen in einer Halbleiterscheibe enthaltenen Drucksensor angelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck nach und nach erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbeaufschlagen analog von im akustischen Bereich liegenden Druckschwankungen aufgebaut wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein in MEMS Technologie hergestellter Drucksensor geprüft wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrofon geprüft wird.
7. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine einseitig offene Druckkammer (7) durch eine der Druckkammer (7) zugeordnete Leitung (8) zum Zuführen von * « • Μ · « * * ·«· « · • I · · · · · · * «« *4 t« ·* * ·· · * 10 Druckgas und durch einen der Druckkammer (7) zugeordneten Referenzdrucksensor.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzdrucksensor über einen Anschluss (4) mit dem Innenraum (9) der Druckkammer (7) in Verbindung steht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzdrucksensor im Innenraum (9) der Druckkammer (7) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzdrucksensor ein Referenzmikrofon vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (7) an einer Nadelkarte (12) mit Prüfnadeln (3) angeordnet ist, und dass die Druckkammer (7) einen Teil (13) aufweist, der relativ zur Nadelkarte (12) beweglich ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil (13) als Ringdichtung ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil (13) der Druckkammer (7) im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Nadelkarte (12) bzw. des zu prüfenden Halbleiterbauelementes (5) beweglich ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Nadelkarte (12) verbundene Teil der Druckkammer (7) zwei Teile (11 und 11') aufweist, die auf einander gegenüberliegenden Seiten der Nadelkarte (12) angeordnet sind. • * • * • * 11
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der an der dem zu prüfenden Drucksensorchip (1) zugewendeten Seite der Nadelkarte (12) angeordnete Teil (11’) der Druckkammer (7) an der Nadelkarte (12) über einen Ring (15) aus elektrisch isolierendem Werkstoff angeordnet ist, und dass die Prüfnadeln (3) der Nadelkarte (12) durch den Ring (15) geführt sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mit der Nadelkarte (12) verbundenem Teil dl') der Druckkammer (7) und dem beweglichen Teil (13) der Druckkammer (7) wenigstens eine Feder vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der der Halbleiterscheibe (5) zugekehrten Stirnfläche des beweglichen Teils (13) der Druckkammer (7) und der Halbleiterscheibe (5) ein Luftlager (14) ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkammer (7) eine Einrichtung zum Erzeugen von aufeinander folgenden Druckschwankungen im Innenraum (9) der Druckkammer (7) zugeordnet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung ein Lautsprecher ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzdrucksensor ein Referenzmikrofon ist.