CN104254782B - 可变压力四点涂覆探针装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变压力探针装置，所述可变压力探针装置包含：壳体，其带有具有第一纵向轴的通道；探头，其至少部分地安置于所述通道中且包含经配置以测量导电层的性质的多个探针；及流体压力系统，其经配置以将经加压流体供应到所述通道以控制所述探头在所述通道内的位置。所述壳体或所述探头是可位移的，以使得所述多个探针接触所述导电层。

Description

可变压力四点涂覆探针装置及方法

相关申请案交叉参考

本申请案依据35U.S.C.§119(e)主张2012年3月1日提出申请的第61/605,612号美国临时专利申请案的权益，所述申请案以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种其中通过经加压流体控制探头的横向位置的可变压力探针装置。此外，本发明涉及一种其中用于探头的多个探针中的每一探针涂覆有电绝缘材料且其中通过经加压流体控制探头的纵向位移的可变压力探针装置。

背景技术

举例来说，在半导体应用中，四点探针装置用以测量导电层的薄片电阻。用于已知四点探针装置的探针通过具有单独轴承的钻孔或通过微定位控制及气隙(通常称作微操纵器)而彼此隔离。第4,383,217号美国专利教示安置于保持条带中的钻孔中的四个探针。单独轴承方法由于探针直径、轴承厚度及孔分离距离而限制探针之间的最小间隙。微操纵器臂方法为昂贵的且不允许制造具有多个触点的完整探测头组合件。第6,815,959号共同拥有的美国专利教示具有由安置于探针之间的单独绝缘材料薄片制成的间隔件的探针装置中的四个探针。间隔件使得组装困难且间隔件的厚度起作用而限制可将探针之间的间隙最小化到的程度。已知配置也妨碍替换探针装置中的个别探针或使得难以替换探针装置中的个别探针。

已知出于测量薄片电阻的目的而使用弹簧来朝向导电层推动四点探针装置且将其推动到导电层中。然而，除非弹簧确切地居中于探针装置的一或多个适当部分上，否则来自弹簧的力可使探针装置相对于导电层从所要定向偏斜。此外，弹簧的有用寿命通常限制为介于100到1,000次触地之间。此外，为了使弹簧压力变化，需要例如调整螺杆等额外组件或者必须移除弹簧并用具有所要特性的另一弹簧替换所述弹簧。

发明内容

根据本文中所图解说明的方面，提供一种可变压力探针装置，其包含：壳体，其带有具有第一纵向轴的通道；探头，其至少部分地安置于所述通道中且包含经配置以测量导电层的性质的多个探针；及流体压力系统，其经配置以将经加压流体供应到所述通道以控制所述探头在所述通道内的位置。所述壳体或所述探头是可位移的以使得所述多个探针接触所述导电层。

根据本文中所图解说明的方面，提供一种可变压力探针装置，其包含：壳体，其包含压力室及具有第一纵向轴的通道；探头，其至少部分地安置于所述通道中且包含经配置以测量导电层的性质的多个探针；及流体压力系统，其经配置以控制所述压力室中的流体压力以使所述探头沿平行于所述第一纵向轴的方向位移。

根据本文中所图解说明的方面，提供一种使用可变压力探针装置测量导电层的性质的方法，所述可变压力探针装置包含带有具有第一纵向轴的通道的壳体、流体压力系统及至少部分地安置于所述通道中且具有多个探针的探头，所述方法包含：使用所述流体压力系统将经加压流体供应到所述通道；借助所述经加压流体控制所述探头在所述通道内的位置；使所述壳体或所述探头位移以使得所述多个探针接触所述导电层；及测量所述导电层的性质。

附图说明

参考随附示意性图式仅以举例方式揭示各种实施例，在所述示意性图式中对应参考符号指示对应部分，其中：

图1是可变压力探针装置的示意图；

图2是大体上沿着图1中的线2-2的示意性横截面图；

图3是大体上沿着图2中的线3-3的示意性横截面图；

图4是图2中所展示的探针的细节；

图5是图1中的区域5的细节；

图6是图1中的区域5的端视图；

图7是可变压力探针装置的示意性横截面图；

图8是图1及7中所展示的控制系统的示意性框图；

图9是图解说明使用可变压力探针装置测量导电层的性质的方法的流程图；且，

图10是在安装装置中具有至少两个可变压力探针装置的系统的等角视图。

具体实施方式

在开始时，应了解，不同绘制视图上的相似绘制编号识别本发明的相同或功能上类似的结构元件。应理解，如所主张的本发明不限于所揭示的方面。

此外，应理解，本发明不限于所描述的特定方法、材料及修改且因此当然可发生变化。也应理解，本文中所使用的术语仅出于描述特定方面的目的且并非打算限制本发明的范围。

除非另外界定，否则本文中所使用的所有技术及科学术语均具有与所属领域的技术人员通常所理解相同的意义。应理解，与本文中所描述的那些方法、装置或材料类似或等效的任何方法、装置或材料均可用于实践或测试本发明。

图1是可变压力探针装置100的示意性横截面图。

图2是大体上沿着图1中的线2-2的示意性横截面图。应依据图1及2观看下文。装置100包含壳体102、探头104及流体压力系统106。壳体102包含具有纵向轴LA1的通道108。探头104至少部分地安置于通道108中且包含经配置以测量晶片113上的导电层112的性质的多个探针110。有利地，流体压力系统106经配置以将经加压流体供应到通道108以控制探头104及探针110在通道108内(举例来说)正交于轴LA1的位置，如下文进一步描述。壳体102及/或探头104是可(举例来说)沿方向AD1位移的，以使得多个探针110接触导电层112。在实例性实施例中，AD1平行于LA1且正交于层112。

导电层112可包含：半导体衬底的植入区(例如超浅结)；形成于半导体衬底上的层(例如金属化层)；或形成于半导体衬底上的特征(例如栅极电极)。导电层112也可形成于具有大于大约200mm的直径的半导体衬底上。导电层112也可包含形成于具有大约200mm到大约300mm的直径的玻璃衬底上的金属膜。然而，应理解，导电层112可包含此技术领域中已知的任何适当导电层。

图3是大体上沿着图2中的线3-3的示意性横截面图。应依据图1到3观看下文。在实例性实施例中，壳体102包含形成通道108的圆柱形壁114，且壁114包含多个开口116及多个开口118。流体压力系统106经配置以通过开口116供应经加压流体且通过开口118排出经加压流体。如下文进一步描述，经加压流体经布置以通过在探头104与壁114之间形成一层来分离探头104与圆柱形壁114。即，经加压流体使探头104相对于轴LA1定向，举例来说，使探头104的纵向轴LA2与轴LA1对准以实现轴LA2相对于层112的正交定向。换句话说，经加压流体控制探头104在通道108内正交于轴LA1的位置。此外，经加压流体使探头104在通道108中居中且提供流体缓冲/轴承以促进探头104沿方向AD1及AD2(与AD1相反)的位移且减小探头104的外圆周上的摩擦力。

在实例性实施例中，探针110包含沿圆周方向(举例来说，方向CD)围绕轴LA2对称地安置的探针110A、110B、110C及110D。“圆周方向”意指由围绕轴LA2旋转的半径的端部界定的方向。圆柱形壁114包含部分114A、114B、114C及114D。每一部分114A、114B、114C及114D沿径向方向RD1与探针110A、110B、110C或110D中的相应一者对准。举例来说，部分114A沿方向RD1与探针110A对准，且部分114B沿方向RD1与探针110B对准。“径向方向RD1”意指正交于轴LA2的方向。在实例性实施例中，每一部分114A、114B、114C及114D包含相同数目个相应开口116及相同数目个相应开口118。因此，进出通道108的流体流及通道108内的流体压力在探头104的外圆周周围得到平衡。

在实例性实施例中，壳体102包含用于从流体供应系统106接收经加压流体的至少一个输入端口120及将输入端口120连接到开口116的多个通道122。即，经加压流体经由端口120及通道122供应到通道108。在实例性实施例中，壳体102包含用于从壳体102排出经加压流体的至少一个输出端口124及将端口124连接到开口118的多个通道126。

图4是图2中所展示的探针的细节。

图5是图1中的区域5的细节。

图6是图1中的区域5的端视图。应依据图1到6观看下文。探针110A、110B、110C及110D中的每一者包含面向相应的邻接探针110A、110B、110C及110D的相应表面128A及128B。举例来说，探针110D包含分别面向探针110C及110A的表面128B及128A的表面128A及128B，且探针110B包含分别面向探针110A及110C的表面128B及128A的表面128A及128B。相应表面128A及128B覆盖有电绝缘涂层130且与相应邻接探针/涂层接触。举例来说，探针110C的表面128A及128B的涂层130分别与探针110B及110D的表面128B及128A的涂层130接触。在实例性实施例中，探针110A、110B、110C及110D中的每一者可相对于其余探针110A、110B、110C及110D独立地平行于轴LA2位移。即，每一探针110A、110B、110C及110D在通道108内“浮动“。在实例性实施例中，涂层130延伸到探针的相应外圆周表面128C。应注意，所述图未必是按比例绘制，且出于图解说明的目的可能夸大涂层130的厚度。

在实例性实施例中，每一探针110包含经布置以接触导电层112的在探针110的远端部分134上的相应平面远端表面132。在第6,815,959号共同拥有的美国专利中进一步描述探针装置的远端平面表面，所述专利全文并入本文中。

在实例性实施例中，壳体102包含压力室136且流体压力系统106经配置以经由端口137控制室136中的流体压力以使探头104沿方向AD1位移以接触层112。举例来说，室136中的增加的流体压力沿方向AD1推动探头104。随着室136中的流体压力减小，探头104的部分104A上的来自通道108中的流体的压力克服来自室134的流体压力而沿方向AD2推动探头104。

图7是可变压力探针装置200的示意性横截面图。除如所述外，关于装置100的论述适用于装置200。在实例性实施例中，装置200包含弹性元件202，弹性元件202与壳体102及探头104啮合以沿方向AD1推动探头104以接触层112。元件202可为此技术领域中已知的任何弹性元件，举例来说板片弹簧。如上文所述，通道108中的流体压力/流体流使探头104居中且使探头104与轴LA1对准。此居中及对准力通过弹性元件202抵消探头104的可能偏斜以使得实现及维持(举例来说)LA2相对于导电层112的所要正交定向。

在实例性实施例中，弹性元件202位于室136中以增大通过室136中的流体施加到探头104的压力以使探头104沿方向AD1位移。

下文提供关于装置100及200的进一步细节。下文的论述主要针对于装置100；然而，应理解，所述论述一股来说也适用于装置200。此技术领域中已知的任何流体(包含但不限于全氟乙醚)可用于流体压力系统106中。在实例性实施例中，此技术领域中已知的任何气体用于流体压力系统106中。气体包含但不限于空气、惰性气体(例如氮气及氩气)、惰性气体的混合物及惰性气体与其它气体的混合物。在实例性实施例中，涂层130为金刚石涂层或Si₃N₄以提供电隔离及耐磨性且最小化邻接探针110上的涂层130之间的摩擦力。在实例性实施例中，密封装置138(举例来说，O型环)相对于探头(特定来说，部分104A)来密封通道108且还提供通道108与室136之间的密封。装置138可由此技术领域中已知的任何材料制成。

如上文所述，探针110A、110B、110C及110D可相对于彼此位移。因此，有利地，探针可从探头104单独地且独立地安装及移除。举例来说，如果一个探针被损坏，那么可替换所述探针而将其余探针留在原处。以相似方式，可根据特定应用的所需参数将探针容易地替换掉。通道108中的流体压力朝向轴LA2推动探针110A、110B、110C及110D(即，朝向彼此)，从而维持探针110A、110B、110C及110D的所要接触及配置。

不同于上文所述的由安置于探针之间的单独绝缘材料薄片制成的间隔件，具有厚度140的涂层130不需要为自支撑的。因此，可有利地最小化邻接探针110之间的间隙或间隔142以在出于结构目的而不需要额外块体的情况下提供所要电隔离及摩擦力减小。因此，由于表面128A及128B的配置(平行于轴LA2且正交于相应平面远端表面132)、涂层130的相对薄度及通道108中的朝向轴LA2推动探针110A、110B、110C及110D的流体的径向向内压力，间隙142有利地减小到最小值。举例来说，间隙142实质上等于邻接探针110的涂层130的相应厚度140。在实例性实施例中，间隙142为10微米。此外，通道108中的流体压力通过迫使相对表面128A及128B的相应涂层130接触而减小探针110的间隔的变化。

由于表面132是平面的，因此可在不弱化远端部134的情况下最小化表面的面积。在实例性实施例中，表面132的面积为1平方微米。

通过控制室136中的流体压力，实现对探头104上沿方向AD1的力的简单、可预测且可重复控制(举例来说)以出于测量层的特性的目的而提供到层112中的所要穿透度。因此，沿方向AD1的力可适于层112的特定物理特性(例如硬度或厚度)及所要测量操作的参数(例如到层112中的穿透程度)。

在实例性实施例中，探头104包含具有电连接点144的部分104B。点144可为此技术领域中已知的任何类型的点，包含但不限于焊接点。点144经由界面148电连接到测量系统146，如此技术领域中已知。应注意，为清晰起见已省略例如布线等细节。

在实例性实施例中，装置100及系统146用以测量层112的薄片电阻及/或厚度。在实例性实施例中，装置100及系统146用以测量层112的电阻率(其为块体性质)。当层的厚度150显著大于探针间隔142时(举例来说，当厚度为间隔142的约5倍或5倍以上时)，电阻率适用于层112。有利地，探头104的间隔142的最小化使得能够测量比已知探头可能测量的更薄的层的电阻率，从而扩展装置100的效用。

图8是图1及7中所展示的控制系统146的示意性框图。在实例性实施例中，系统146包含用于至少一个计算机156的存储器单元152及处理器154。单元152经配置以存储计算机可读指令158。所述处理器经配置以执行计算机可读指令以视需要控制通道108的经加压流体、室136中的流体压力及壳体102的位移。所述处理器经配置以执行计算机可读指令以执行使用探头104执行测量操作所需的操作160(举例来说，经由所指定探针110施加所指定电流)及执行计算162以确定测量值164(举例来说，层112的薄片电阻、厚度及/或电阻率的值)。存储器单元152、处理器154及至少一个计算机156可为此技术领域中已知的任何存储器单元、处理器或计算机。

图9是图解说明使用可变压力探针装置(例如装置100或200)测量导电层的性质的方法的流程图，所述可变压力探针装置包含：壳体(例如壳体102)，其带有具有第一纵向轴(例如轴LA1)的通道(例如通道108)；流体压力系统(例如系统106)；及探头(例如探头104)，其至少部分地安置于所述通道中且具有经配置以测量导电层(例如层112)的性质的多个探针(例如探针110)。尽管为清晰起见将图8中的方法描绘为带编号步骤的序列，但除非明确陈述，否则不应依据编号推断次序。

所述方法在步骤300处开始。步骤302使用流体压力系统将经加压流体供应到通道。步骤306借助经加压流体控制探头在通道内正交于第一纵向轴的位置。步骤312使壳体或探头位移以使得多个探针接触导电层。步骤314借助探头测量导电层的性质。所述方法以步骤316结束。

在实例性实施例中，壳体包含压力室，例如室136。步骤308使用流体压力系统控制压力室中的流体压力。步骤310借助流体压力使探头沿平行于第一纵向轴的方向(例如方向AD1)位移。

在实例性实施例中：壳体包含形成通道的圆柱形壁(例如壁114)；圆柱形壁分别包含多个第一开口及多个第二开口(例如开口116及开口118)；探头包含第二纵向轴(例如轴LA2)；多个探针包含围绕第二纵向轴对称地安置的第一、第二、第三及第四探针(例如探针110A、110B、110C及110D)；且圆柱形壁包含四个部分，每一部分沿正交于第一纵向轴的方向与来自第一、第二、第三及第四探针当中的相应探针对准。步骤304通过多个第一开口供应经加压流体且通过多个第二开口排出流体。在实例性实施例中，所述每一部分包含来自多个第一开口的相同数目个相应开口及来自多个第二开口的相同数目个相应开口。

在实例性实施例中：探头包含第二纵向轴(例如轴LA2)；多个探针包含围绕第二纵向轴对称地安置的第一、第二、第三及第四探针(例如探针110A、110B、110C及110D)；第一、第二、第三及第四探针中的每一者包含面向来自第一、第二、第三及第四探针当中的相应邻接探针的相应第一及第二表面(例如表面128A及128B)；针对第一、第二、第三及第四探针中的所述每一者，相应第一及第二表面覆盖有电绝缘材料的涂层(例如涂层130)。在实例性实施例中，步骤306包含将探针(例如探针110A、110B、110C及110D)推动成彼此接触以使得第一、第二、第三及第四探针中的每一者与相应邻接探针非固定地啮合。

图10是在安装装置402中具有至少两个可变压力探针装置100或200的系统400的等角视图。应理解，仅装置100、仅装置200或装置100与装置200的组合可安装于装置402中。安装装置402经配置以旋转以使得装置402中的装置100或200中的一者的远端表面定位于导电层(例如层112)的上部表面上方。在第6,815,959号共同拥有的美国专利中提供关于系统400的进一步细节，所述专利全文并入本文中。

可将此技术领域中已知的任何流体用于所述流体，包含但不限于全氟乙醚。在实例性实施例中，可将此技术领域中已知的任何气体用于所述流体。

将了解，各种上文所揭示及其它特征及功能或其替代物可被可期望地组合到许多其它不同系统或应用中。可由所属领域的技术人员随后做出也打算由所附权利要求书囊括的其中各种目前无法预测或未预料到的替代、修改、变化或改进。

Claims (20)

1.一种可变压力探针装置，其包括：

壳体，其包含具有第一纵向轴的通道；

探头，其至少部分地安置于所述通道中，且包含经配置以测量导电层的性质的多个探针；以及，

流体压力系统，其经配置以将经加压流体供应到所述通道以控制所述探头在所述通道内的位置，其中：

所述壳体或所述探头是可位移的以使得所述多个探针接触所述导电层。

2.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述流体压力系统经配置以将所述经加压流体供应到所述通道，以控制所述探头在所述通道内正交于所述第一纵向轴的位置。

3.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述壳体包含形成所述通道且包含多个第一开口及多个第二开口的圆柱形壁；且，

所述流体压力系统经配置以：

通过所述多个第一开口供应所述经加压流体；且，

通过所述多个第二开口排出所述经加压流体。

4.根据权利要求3所述的装置，其中：

所述探头包含第二纵向轴；

所述多个探针包含沿圆周方向围绕所述第二纵向轴对称地安置的第一、第二、第三及第四探针；

所述圆柱形壁包含四个部分，每一部分沿正交于所述第一纵向轴的方向与所述第一、第二、第三或第四探针中的相应一者对准；且，

所述每一部分包含：

来自所述多个第一开口的相同数目个相应开口；以及，

来自所述多个第二开口的相同数目个相应开口。

5.根据权利要求3所述的装置，其中：

所述壳体包含：

用于从所述流体压力系统接收所述经加压流体的至少一个输入端口，及将所述至少一个输入端口连接到所述多个第一开口的多个第一通道；以及，

用于从所述壳体排出所述经加压流体的至少一个输出端口，及将所述至少一个输出端口连接到所述多个第二开口的多个第二通道。

6.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述探头包含第二纵向轴；

所述多个探针包含沿圆周方向围绕所述第二纵向轴对称地安置的第一、第二、第三及第四探针；

所述第一、第二、第三及第四探针中的每一者包含面向来自所述第一、第二、第三及第四探针当中的相应的邻接探针的相应第一及第二表面；

针对所述第一、第二、第三及第四探针中的所述每一者，所述相应第一及第二表面涂覆有电绝缘材料且与用于所述相应邻接探针的所述电绝缘材料接触；且，

所述第一、第二、第三及第四探针中的所述每一者可相对于其余第一、第二、第三及第四探针独立地平行于所述第二纵向轴位移。

7.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述壳体包含形成所述通道的圆柱形壁；且，

所述经加压流体经布置以分离所述探头与所述圆柱形壁。

8.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述多个探针包含四个探针；且，

每一探针包含经布置以接触所述导电层的相应平面远端表面。

9.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述壳体包含压力室；且，

所述流体压力系统经配置以控制所述压力室中的流体压力，以使所述探头沿平行于所述第一纵向轴的方向位移。

10.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括：

弹性装置，其与所述探头啮合且沿从弹簧朝向所述通道的第一方向推动所述探头。

11.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述流体包含气体。

12.一种可变压力探针装置，其包括：

壳体，其包含压力室及具有第一纵向轴的通道；

探头，其至少部分地安置于所述通道中，且包含经配置以测量导电层的性质的多个探针；以及，

流体压力系统，其经配置以控制所述压力室中的流体压力，以使所述探头沿平行于所述第一纵向轴的方向位移。

13.根据权利要求12所述的装置，其中：

所述流体压力系统经配置以将经加压流体供应到所述通道以控制所述探头在所述通道内正交于所述第一纵向轴的位置。

14.根据权利要求13所述的装置，其中：

所述探头包含第二纵向轴；

所述多个探针包含围绕所述第二纵向轴对称地安置的第一、第二、第三及第四探针；

所述第一、第二、第三及第四探针中的每一者包含：

相应第一表面，其涂覆有电绝缘材料，与来自所述第一、第二、第三或第四探针中的一者的相应邻接探针接触；以及，

相应第二表面，其涂覆有所述电绝缘材料，与来自所述第一、第二、第三或第四探针中的另一者的相应邻接探针接触；且，

所述经加压流体经布置以将所述第一、第二、第三及第四探针推动成彼此接触。

15.根据权利要求12所述的装置，其进一步包括：

弹性装置，其与所述探头啮合且沿从弹簧朝向所述通道的方向推动所述探头。

16.根据权利要求12所述的装置，其中：

所述流体包含气体。

17.一种使用可变压力探针装置测量导电层的性质的方法，所述可变压力探针装置包含带有具有第一纵向轴的通道的壳体、流体压力系统及至少部分地安置于所述通道中且具有多个探针的探头，所述方法包括：

使用所述流体压力系统将经加压流体供应到所述通道；

借助所述经加压流体控制所述探头在所述通道内的位置；

使所述壳体或所述探头位移以使得所述多个探针接触所述导电层；且，

借助所述探头测量所述导电层的性质。

18.根据权利要求17所述的方法，其中：

所述壳体包含压力室，所述方法进一步包括：

使用所述流体控制所述压力室中的流体；以及，

借助所述流体压力使所述探头沿平行于所述第一纵向轴的方向位移。

19.根据权利要求17所述的方法，其中：

所述探头包含第二纵向轴；

所述多个探针包含围绕所述第二纵向轴对称地安置的第一、第二、第三及第四探针；

所述第一、第二、第三及第四探针中的每一者包含面向来自所述第一、第二、第三及第四探针当中的相应邻接探针的相应第一及第二表面；且，

针对所述第一、第二、第三及第四探针中的所述每一者，所述相应第一及第二表面涂覆有电绝缘材料，所述方法进一步包括：

借助所述经加压流体将所述第一、第二、第三及第四探针推动成彼此接触。

20.根据权利要求17所述的方法，其中：

使用所述流体压力系统将经加压流体供应到所述通道包含：将经加压流体供应到所述通道；且，

借助所述经加压流体控制所述探头在所述通道内的所述位置包含：借助所述经加压流体控制所述探头的所述位置。