CN214474654U - 一种探针台温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体测试装置领域，具体涉及一种探针台温度控制系统。包括晶圆卡盘机构、冷水机、温控机、计算机和控制软件，晶圆卡盘机构包括晶圆卡盘、冷却盘机构和加热盘机构，晶圆卡盘用于固定待测试晶圆，晶圆卡盘内设置有若干温度传感器，冷水机为冷却盘机构提供循环冷媒介质实现制冷模式，温控机控制加热盘机构加热实现加热模式，计算机用于运行控制软件和采集温度传感器的数据、并分别与冷水机和温控机相互通讯；控制软件通过计算机驱动冷水机和温控机工作、并通过温度控制逻辑控制晶圆卡盘的温度。本实用新型集成度高，操作简单，通过硬件和控制软件，可提供精准的模拟温度。

Description

一种探针台温度控制系统

技术领域

本实用新型涉及半导体测试装置领域，具体涉及一种探针台温度控制系统。

背景技术

随着半导体测试的不断发展，基于成本和质量控制及工艺优化的考虑，在晶圆探针测试阶段引入高低温测试已成为必要课题，其包括高低温电性能测试以及老化和可靠性测试。大多数半导体器件的寿命在正常使用下可长达数年，但我们不能等到若干年后再研究器件，我们必须增加施加的应力(如温度等)来加快发现潜在的故障机制，并找出根本原因。这种加速测试大多数情况下不会改变故障的物理特性，只会缩短观察时间。

在探针台温度控制领域现有技术中，对于晶圆卡盘加热和制冷分别有不同的实现方式。能够同时兼容高温和低温要求的，主要有两种方式：其一以干燥压缩空气为热交换媒介，通过向卡盘内注入特定温度的压缩空气来实现对待测器件温度的控制。这种方式的不足在于对厂务压缩空气要求较高，需要源源不断提供高压气源，能源开销较大，设备成本较高，且由于空气的比热容较小，升降温的效率相比以液体为冷媒的方式偏低；其二是以半导体制冷片为加热制冷装置实现对待测器件的温度控制，其原理为珀耳帖效应，简单来说即在外加电场作用下，电子发生定向运动，将一部分内能带到电场另一端，但是其不可避免会产生焦耳热，导致这种方式能实现的极限低温下限有限，且由于自身功率限制及散热原因，其能达到的高温上限也有限。此外，该器件容易老化损坏，维修和更换起来都极为不便。

总体而言，现有方案都没有很好地将加热和制冷两方面结合起来，并通过集成软件进行统一的控制，导致控制精度和温度稳定性都不是很理想。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是提供一种将高低温控制集成在一个软硬件系统，升降温速率快，效率高的探针台温度控制系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种探针台温度控制系统，包括晶圆卡盘机构、冷水机、温控机、计算机和控制软件，所述晶圆卡盘机构包括晶圆卡盘、水冷盘机构和加热盘机构，所述晶圆卡盘用于固定待测试晶圆，所述晶圆卡盘内设置有若干温度传感器，所述冷水机为所述水冷盘机构提供循环冷媒介质实现制冷模式，所述温控机控制所述加热盘机构加热实现加热模式，所述计算机用于运行所述控制软件和采集所述温度传感器的数据、并分别与所述冷水机和所述温控机相互通讯；所述控制软件通过所述计算机驱动所述冷水机和所述温控机工作、并通过温度控制逻辑控制所述晶圆卡盘的温度。

进一步地，所述晶圆卡盘机构从上之下依次设置有晶圆卡盘、陶瓷板、所述水冷盘机构、所述加热盘机构、压合板、隔热板和气冷盘机构，所述水冷盘机构、所述加热盘机构、所述压合板、所述隔热板和所述气冷盘机构通过防护圈包裹。

进一步地，所述晶圆卡盘、所述陶瓷板、所述水冷盘机构、所述加热盘机构和所述压合板相互紧密贴合，所述隔热板和所述气冷盘机构紧密贴合，所述水冷盘机构通过若干隔热垫圈将所述加热盘机构与所述隔热板悬空隔离。

进一步地，所述若干隔热垫圈成环形布置在所述水冷盘机构下方，所述加热盘机构和所述压合板设置在所述若干隔热垫圈内侧。

进一步地，所述晶圆卡盘下表面开有若干同心圆环形真空管路，每个真空管路内均规则开有若干上下贯通的真空吸附孔，所述晶圆卡盘侧边开有若干真空孔，所述若干真空孔分别与若干环形真空管路导通，所述若干真空孔通过管路连接真空装置，所述真空装置通过动力抽气装置进行抽气，通过所述真空孔在所述环形真空管路内形成负压并通过所述若干真空吸附孔将放置在所述晶圆卡盘上表面的所述待测试晶圆吸附固定。

进一步地，所述水冷盘机构包括水冷盘，所述水冷盘内开有冷却管路，所述冷却管路分别通过进液接口和出液接口管路连接所述冷水机，所述冷水机为所述冷却管路提供循环冷媒介质。

进一步地，所述冷却管路通过纵横开孔在所述水冷盘内形成若干栅格冷却管路。

进一步地，所述气冷盘机构包括气冷盘底和气冷盘盖，所述气冷盘底上表面开有环形气冷流道，所述气冷流道通过所述气冷盘盖密封在所述气冷盘机构内，所述环形气冷流道分别通过进气孔和出气孔管路连接风机。

进一步地，所述晶圆卡盘通过若干限位片与所述防护圈限位固定。

进一步地，所述防护圈上设置有固定架，所述固定架用于所述温度传感器和所述加热盘机构导线的规整固定。

本实用新型的有益效果是：

1.集成度高，操作简便，通过在晶圆卡盘机构内集成水冷盘机构和加热盘机构，配合控制软件，可以实现升温和降温的操作在同一用户界面上完成，操作简单方便。软件采用线性拟合方式实现温度补偿，有效的提高待测晶圆所需要的温度，精度更高。

2.加热盘机构通过电阻加热的方式使能量无需多次转化和耗散，水冷盘机构的冷媒介质为液体而其比热容较大，共同决定了该系统升降温速率快、效率高的特点。

3.系统模块化设计，便于升级维修或更换，通过搭配不同的冷水机和加热盘可满足不同客户对于不同温区以及不同升降温速率的要求，并能满足150mm，200mm，300mm 不同尺寸晶圆的测试需求。

4.通过隔热板的隔热和气冷盘机构散热，有效避免高温加热模式下对探针台的影像，提高测试精度。

附图说明

图1为本实用新型系统原理图；

图2为图1中晶圆卡盘机构正剖视结构图；

图3为图2的立体结构图；

图4为图2中标记为1的仰视图；

图5为图2中标记为3的剖视结构图；

图6为图2中标记为7的俯视图；

图7为本实用新型制冷模式下的温度控制逻辑图；

图8为本实用新型控制软件示意图；

图中标记为：

1、晶圆卡盘，101、环形真空管路，102、真空吸附孔，103、真空孔；2、陶瓷板；3、水冷盘机构，301、水冷盘，302、冷却管路，303、密封螺栓，304、进液接口，305、出液接口；4、加热盘机构，5、压合板，6、隔热板；7、气冷盘机构， 701、气冷盘底，702、气冷盘盖，703、气冷流道，704、进气孔，705、出气孔； 8、隔热垫圈，9、防护圈，10、限位片，11、固定架。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一种探针台温度控制系统，如图1所示，包括晶圆卡盘机构、冷水机、温控机、计算机和控制软件，晶圆卡盘机构包括晶圆卡盘、水冷盘机构和加热盘机构，晶圆卡盘用于固定待测试晶圆，晶圆卡盘内设置有若干温度传感器，冷水机为水冷盘机构提供循环冷媒介质实现制冷模式，温控机控制加热盘机构加热实现加热模式，计算机用于运行控制软件和采集温度传感器的数据、并分别与冷水机和温控机相互通讯；控制软件通过计算机驱动冷水机和温控机工作、并通过温度控制逻辑控制晶圆卡盘的温度。

上述晶圆卡盘机构用于固定在探针台上，水冷盘机构用于对晶圆卡盘制冷对固定的待测试晶圆提供低温模拟环境，加热盘机构用于对晶圆卡盘加热对固定的待测试晶圆提供高温模拟环境。在本实施例中，计算机与冷水机通过网线通讯，计算机与温控机通过RS485串口通讯，通过控制软件对其进行控制，控制软件采用线性拟合方式进行温度补偿，包括温度设定、选择温度范围、实时监控升降温曲线等模块功能，控制软件包括单独温控模式和制冷温控模式。

本实用新型中，通过向水冷盘机构中提供循环冷媒介质对晶圆卡盘模拟低温环境，通过加热盘机构模拟高温环境，加热盘机构采用电阻加热，电阻加热的方式使能量无需多次转化和耗散，冷媒介质为液体、其比热容较大，共同决定了该系统升温和降温的速率高、效率高的特点。控制软件采用线性拟合的方式使得模拟温度的精度更高，从而提高晶圆的测试数据。

如图2-6所示，为上述晶圆卡盘机构的结构图，晶圆卡盘机构从上之下依次设置有晶圆卡盘1、陶瓷板2、水冷盘机构3、加热盘机构4、压合板5、隔热板6和气冷盘机构7，水冷盘机构3、加热盘机构4、压合板5、隔热板6和气冷盘机构7通过防护圈9包裹。

如图2所示，本实用新型中，晶圆卡盘1、陶瓷板2、水冷盘机构3、加热盘机构4和压合板5相互紧密贴合，隔热板6和气冷盘机构7紧密贴合，水冷盘机构3通过若干隔热垫圈 8将加热盘机构4与隔热板6悬空隔离。陶瓷板2采用氮化硼或氧化铝陶瓷板，具备良好的热传导性能，一方面用于将晶圆卡盘1与其他机构隔离开来，另外一方面用于热量的传导。压合板5将加热盘机构4与水冷盘机构3紧密压合，并通过螺丝将其固定在水冷盘机构3的下表面。在本实施例中，加热盘机构4与隔热板6悬空隔离，一方面可以有效的利用空气阻断隔热，另外一方面因为防护圈的包裹，在晶圆卡盘机构内部形成一个保温槽，热量不易辐射扩散，可以有效的节约能源。上述隔热板6用于在模拟加热环境时进行隔热，隔热板6下方是气冷盘机构7，气冷盘机构7通过风机传送冷风对晶圆卡盘机构进行进一步的冷却散热，通过隔热板6和气冷盘机构7的隔热和散热，有效防止高温传到探针台上影响位置精度。

在一实施例中，优选的，若干隔热垫圈8成环形布置在水冷盘机构3下方，加热盘机构 4和压合板5设置在若干隔热垫圈8内侧。环形隔热垫圈一方面作为固定座，其上下开有螺孔，通过螺丝插入其中将水冷盘机构3与气冷盘机构7进行固定；另外一方面可以将加热盘机构4与防护圈9隔离，避免加热模式下加热盘机构4将热量直接传导至防护圈9上造成烫伤。

如图4所示，为晶圆卡盘1的仰视图，晶圆卡盘1下表面开有若干同心圆环形真空管路 101，每个真空管路101内均规则开有若干上下贯通的真空吸附孔102，晶圆卡盘1侧边开有若干真空孔103，若干真空孔103分别与若干环形真空管路101导通，若干真空孔103通过管路连接真空装置，真空装置通过动力抽气装置进行抽气，通过真空孔103在环形真空管路101内形成负压并通过若干真空吸附孔102将放置在晶圆卡盘1上表面的待测试晶圆吸附固定。本实施中，环形真空管路101为同心圆槽，通过陶瓷板2进行密封。在使用中，通过计算机软件和机械手控制，可进行晶圆的自动上料测试。

如图5所示，为水冷盘机构3的前视向下剖视图，水冷盘机构3包括水冷盘301，水冷盘301内开有冷却管路302，冷却管路302分别通过进液接口304和出液接口305管路连接冷水机，冷水机为冷却管路302提供循环冷媒介质。本实施例中，冷却管路302通过纵横开孔在水冷盘301内形成若干栅格冷却管路，栅格冷却管路均匀布置在水冷盘301内。因为加热盘机构4设置在水冷盘机构3下方，在加热模式下，为了提高加热盘机构4的热量更好的传导至晶圆卡盘1上，水冷盘机构3采用一体式设计，冷却管路302通过从水冷盘301侧边进行纵横打孔形成矩形的栅格冷却管路，然后在通过密封螺栓303将纵横排布的冷却管路302 进行密封。通过栅格冷却管路可以实现均匀的冷却，而且采用一体式设计在加热模式下可以降低热量的损耗，同时在生产加工时，方便加工。

如图6所示，为气冷盘机构7的俯视图，气冷盘机构7包括气冷盘底701和气冷盘盖702，气冷盘底701上表面开有环形气冷流道703，气冷流道703通过气冷盘盖702密封在气冷盘机构7内，环形气冷流道703分别通过进气孔704和出气孔705管路连接风机，通过风机进行往气冷盘机构7内输入冷风进行散热。通过采用环形冷却流道703，可以有效的增加冷风在气冷盘机构7内的行程，提高散热效率。

如图2所示，晶圆卡盘1通过若干限位片10与防护圈9限位固定，而且防护圈9上设置有固定架11，固定架11用于温度传感器和加热盘机构导线的规整固定。同时晶圆卡盘机构整机上设置有若干安装孔，后期使用时通过安装孔和螺丝将晶圆卡盘机构固定在探针台上。

在本实用新型中，加热模式下，直接通过温控机、继电器和温度传感器实现对温度精准的 PID控制，降温时依靠冷水机为水冷盘机构提供冷媒介质进行循环制冷。如图7所示，为制冷模式下的温度控制逻辑图，启动硬件和软件系统后，打开控制软件，硬件系统开始采集晶圆卡盘1的实时温度，晶圆卡盘实时温度为TR，输入待测试晶圆所需要的冷却温度来模拟低温环境，设置温度为TS，发送TS至温控仪RD400，比较TR和TS是否相等，如果相等结束制冷或加热模式，如果不等，确定TS是否30≤TS≤200，如果TS小于30，开启冷水机，冷水机水温温度为TL，将冷水机的水温TL也设置为TS，冷水机开始工作对冷媒介质进行冷却，将温度降低到TS，同时将温度为TS的冷媒介质通过管路输入到水冷盘机构3中对晶圆卡盘1进行冷却，继续对比TR和TS是否相等，如果相等关闭冷水机结束制冷模式，如果不等继续确定TS是否30≤TS≤200，以此循环将晶圆卡盘温度降低到TL；如果否30≤TS≤ 200，计算TR-TS＞5？如果小于5关闭冷水机，继续对比TR＝TS？以此循环将晶圆卡盘温度降低到TS，如果TR-TS大于5，则继续保持冷水机开启，将水温TL设为20℃，继续计算 TR-TS＞5，以此循环将晶圆卡盘温度降低到TS。

如图8所示，为本实施例的控制软件操作界面，包括设置模拟温度功能，实时温度检测功能，冷水机水温控制功能，温度范围调节功能，实时监控升降温曲线功能等。顶栏为功能设置区，软件左侧为数据显示区，软件右侧为升降温曲线区。数据显示区下侧提供温度设置按钮和启动按钮。如图所示，通过上述的温度控制逻辑和线性拟合方式，待测试晶圆所需要的模拟温度精度最高可达0.01℃。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种探针台温度控制系统，其特征在于：包括晶圆卡盘机构、冷水机、温控机、计算机和控制软件，所述晶圆卡盘机构包括晶圆卡盘、水冷盘机构和加热盘机构，所述晶圆卡盘用于固定待测试晶圆，所述晶圆卡盘内设置有若干温度传感器，所述冷水机为所述水冷盘机构提供循环冷媒介质实现制冷模式，所述温控机控制所述加热盘机构加热实现加热模式，所述计算机用于运行所述控制软件和采集所述温度传感器的数据、并分别与所述冷水机和所述温控机相互通讯；所述控制软件通过所述计算机驱动所述冷水机和所述温控机工作、并通过温度控制逻辑控制所述晶圆卡盘的温度。

2.如权利要求1所述的一种探针台温度控制系统，其特征在于：所述晶圆卡盘机构从上之下依次设置有晶圆卡盘(1)、陶瓷板(2)、所述水冷盘机构(3)、所述加热盘机构(4)、压合板(5)、隔热板(6)和气冷盘机构(7)，所述水冷盘机构(3)、所述加热盘机构(4)、所述压合板(5)、所述隔热板(6)和所述气冷盘机构(7)通过防护圈(9)包裹。

3.如权利要求2所述的一种探针台温度控制系统，其特征在于：所述晶圆卡盘(1)、所述陶瓷板(2)、所述水冷盘机构(3)、所述加热盘机构(4)和所述压合板(5)相互紧密贴合，所述隔热板(6)和所述气冷盘机构(7)紧密贴合，所述水冷盘机构(3)通过若干隔热垫圈(8)将所述加热盘机构(4)与所述隔热板(6)悬空隔离。

4.如权利要求3所述的一种探针台温度控制系统，其特征在于：所述若干隔热垫圈(8)成环形布置在所述水冷盘机构(3)下方，所述加热盘机构(4)和所述压合板(5)设置在所述若干隔热垫圈(8)内侧。

5.如权利要求2所述的一种探针台温度控制系统，其特征在于：所述晶圆卡盘(1)下表面开有若干同心圆环形真空管路(101)，每个真空管路(101)内均规则开有若干上下贯通的真空吸附孔(102)，所述晶圆卡盘(1)侧边开有若干真空孔(103)，所述若干真空孔(103)分别与若干环形真空管路(101)导通，所述若干真空孔(103)通过管路连接真空装置，所述真空装置通过动力抽气装置进行抽气，通过所述真空孔(103)在所述环形真空管路(101)内形成负压并通过所述若干真空吸附孔(102)将放置在所述晶圆卡盘(1)上表面的所述待测试晶圆吸附固定。

6.如权利要求2所述的一种探针台温度控制系统，其特征在于：所述水冷盘机构(3)包括水冷盘(301)，所述水冷盘(301)内开有冷却管路(302)，所述冷却管路(302)分别通过进液接口(304)和出液接口(305)管路连接所述冷水机，所述冷水机为所述冷却管路(302)提供循环冷媒介质。

7.如权利要求6所述的一种探针台温度控制系统，其特征在于：所述冷却管路(302)通过纵横开孔在所述水冷盘(301)内形成若干栅格冷却管路。

8.如权利要求2所述的一种探针台温度控制系统，其特征在于：所述气冷盘机构(7)包括气冷盘底(701)和气冷盘盖(702)，所述气冷盘底(701)上表面开有环形气冷流道(703)，所述气冷流道703通过所述气冷盘盖(702)密封在所述气冷盘机构(7)内，所述环形气冷流道(703)分别通过进气孔(704)和出气孔(705)管路连接风机。

9.如权利要求2-8任一权利要求所述的一种探针台温度控制系统，其特征在于：所述晶圆卡盘(1)通过若干限位片(10)与所述防护圈(9)限位固定。

10.如权利要求9所述的一种探针台温度控制系统，其特征在于：所述防护圈(9)上设置有固定架(11)，所述固定架(11)用于所述温度传感器和所述加热盘机构导线的规整固定。

Images