DE10122036A1

DE10122036A1 - Substrathaltevorrichtung für Prober zum Testen von Schaltungsanordnungen auf scheibenförmigen Substraten

Info

Publication number: DE10122036A1
Application number: DE10122036A
Authority: DE
Inventors: Joerg Kiesewetter; Michael Teich; Stefan Schneidewind; Claus Dietrich
Original assignee: Karl Suss Dresden GmbH
Current assignee: FormFactor Beaverton Inc
Priority date: 2001-05-07
Filing date: 2001-05-07
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2021-05-08
Also published as: US6864676B2; US20020163350A1; DE10122036B4

Abstract

Der Erfindung, die eine Substrathaltevorrichtung für Prober zum Testen von Schaltungsanordnungen auf scheibenförmigen Substraten betrifft, eine Oberfläche zur Aufnahme eines zu testenden Substrates aufweist und mit Mitteln zum Halten des Substrates versehen ist, liegt die Aufgabe zugrunde, die Homogenität der Wärmeleitung zu dem Substrat zu verbessern und die Messgenauigkeit zu erhöhen. Gemäß der Erfindung wird diese dadurch gelöst, dass die Substrathaltevorrichtung als einstückiger Keramikkörper mit unterschiedlich stark dotierten Schichten ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Substrathaltevorrichtung für Pro ber zum Testen von Schaltungsanordnungen auf scheibenförmigen Substraten. Diese Substrathaltevorrichtung weist eine Ober fläche zur Aufnahme eines zu testenden Substrates auf und ist mit Mitteln zum Halten des Substrates versehen.

Eine Substrathalterung der eingangs genannten Art ist in der US 5,457,398 beschrieben. Diese weist erste und zweite Elemen te auf, die elektrisch voneinander isoliert sind, wobei das erste Element der Substrathalterung eine obere Oberfläche zur horizontalen Aufnahme einer Testschaltung zum Testen durch eine elektrische Sonde aufweist. Die Substrathalterung ist von einer Umhüllung umgeben. Diese Anordnung ist für einen tria xialen Aufbau vorgesehen. Hierzu weist das zweite Element obere und untere Teile auf, von denen jedes aus leitfähigem Material besteht. Weiterhin wird hierzu eine erste von Null verschiedene Potenzialdifferenz zwischen dem ersten Element der Spannvorrichtung und der äußeren Umhüllung und eine zweite von Null verschiedene Potenzialdifferenz, die grundsätzlich gleich der ersten von Null verschiedenen Potenzialdifferenz ist, zwischen dem zweiten Element der Spannvorrichtung und der äußeren Umhüllung angelegt. Damit führt das erste Element Force-Potenzial, das zweite Element Guard-Potenzial und die Umhüllung Shield-Potenzial.

Die wachsende Zahl von Applikationen im Bereich der Messung niedriger Ströme im Femtoamperebereich (10^-15 A)und im Attoampe rebereich (10^-18 A) macht die Entwicklung immer empfindlicherer Messeinrichtungen notwendig. Die wachsende Zahl von Störquel len (z. B. der stärker werdenden drahtlosen Nachrichtenüber tragung) macht eine immer bessere Abschirmung oder andere Mess- und Kompensationsverfahren erforderlich. Hinzu kommen während des Messprozesses zusätzliche Parameter (z. B. die Temperatur des Substrates, die hochgenau räumlich und zeitlich konstant gehalten werden müssen. Zum Erreichen der räumlichen Konstanz der entsprechend spezifizierten Parameter sind sehr durchdachte Anordnungen mit einer sorgfältigen Materialauswahl erforderlich. Eine präzise und zuverlässige Regelungstechnik sorgt für eine entsprechende zeitliche Parameterkonstanz.

Die Messung kleiner Ströme bei schnellen Signalanstiegszeiten erfordert eine Messanordnung mit geringen parasitären Kapazi täten im Signalweg und hohen Isolationswiderständen über den gesamten Temperaturbereich. Zur Einhaltung des Parameters Temperatur ist eine gute Wärmeankopplung des Substrates not wendig. Neben der gesamten anderen Messanordnung (z. B. Mess kammer, Probeheads und Probenadeln) kommt der Substrathalte rungsanordnung eine sehr große Bedeutung zu.

Aus der US 5,610,529 ist ein Aufbau einer Substrathalterung bekannt, der eine elektrisch leitfähige Halteplatte aufweist. Dieser Halteplatte schließt sich eine Isolierplatte an. Unter der Isolierplatte ist ein sogenannter Thermochuck vorgesehen, der der Zu- oder Abfuhr von Energie zu oder von dem Substrat, je nachdem ob dies bei hohen oder niedrigen Temperaturen gete stet werden soll.

Die Zu- oder Abfuhr von Wärmeenergie kann hierbei konventio nell oder auch durch außerhalb geregelte und durch den Thermo chuck geführte Gase oder Flüssigkeiten erfolgen, wie dies in den US 4,426,619 und 4,734,872 beschrieben ist.

Bei dieser Anordnung führt die Halteplatte Force- und der Thermochuck Guard-Potenzial.

Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Anordnung Inhomogeni täten in der Wärmeleitung zu dem Substrat erzeugt. Auch lässt sich hierbei ein reibungselektrischer Effekt, der zu einer Störung der Messung führt, nicht vermieden werden kann.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, die Homogenität der Wärme leitung zu dem Substrat zu verbessern und die Messgenauigkeit zu erhöhen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Substrathaltevorrichtung als einstückiger Keramikkörper mit unterschiedlich stark dotierten Schichten ausgebildet ist. Durch die Einstückigkeit des Keramikkörpers werden einander gegenüberstehende Flächen, wie sie bei dem mehrteiligen Aufbau nach dem Stand der Technik vorhanden sind, vermieden. Dies bewirkt ein Zurückdrängen des Einflusses des tribolektrischen Effektes. Außerdem können die Materialeigenschaften so einge stellt werden, dass sie den technischen Anforderungen genügen. Beispielsweise ist der Wellenwiderstand der Anordnung somit sozusagen einstellbar.

In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine die Oberfläche zumindest teilweise einschließende erste Schicht eine hohe elektrische Leitfähigkeit kleiner 10^-1 bis 10^-13 Ωcm, eine unter der ersten Schicht befindliche zweite Schicht einen großen Isolationswiderstand größer 10¹⁰ bis 10¹²Ω und eine darunter befindliche dritte Schicht wieder eine hohe elektrische Leitfähigkeit kleiner 10^-1 bis 10^-3 Ωcm auf weist und die erste Schicht mit einem äußeren Kontaktanschluss zum Anschluss eines Force-Potenzials und die dritte Schicht mit einem äußeren Kontaktanschluss zum Anschluss an Guard- Potenzial versehen sind.

Damit ist die Möglichkeit eines triaxialen Aufbaues geschaf fen. Hier ist das Substrat auf die erste Schicht, die eine leitfähige Schicht aufweist, auflegbar. Diese erste Schicht dient der Führung von Force-Potenzial.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vor gesehen, dass eine die Oberfläche zumindest teilweise ein schließende erste Isolationsschicht einen großen Isolations widerstand größer 10¹⁰ bis 10¹² Ω, eine unter der ersten - Isolationsschicht befindliche Absorptionsschicht eine hohe elektrische Leitfähigkeit kleiner 10^-1 bis 10^-3 Ωcm und eine darunter befindliche zweite Isolationsschicht wieder einen großen Isolationswiderstand größer 10¹⁰ bis 10¹² Ω aufweist.

Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, HF-Messungen an Sub straten vorzunehmen. Dabei ergibt die erste Isolationsschicht mit der Absorptionsschicht einen Wellenwiderstand, der ent sprechend der Isolations- oder dielektrischen Eigenschaften der ersten Isolationsschicht und der Leitfähigkeit der Absorp tionsschicht einstellbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Substrathaltevorrichtung unter der dritten Schicht eine vierte Schicht mit einem großen Isolationswiderstand aufweist.

Diese vierte Schicht dient der Isolation der dritten Schicht nach unten. Dies kann zweckmäßig sein, um unter der dritten Schicht weitere Schichten anzuordnen oder um die Anordnung auf einen leitfähigen Körper aufzulegen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Substrathaltevorrichtung auf einen Thermochuck auflegbar ist.

Ein derartiger Thermochuck ist normalerweise selbst zum Halten von Substraten konzipiert. Er weist zusätzlich Mittel zum Temperieren des Substrates auf. In dieser Ausgestaltung wird der Thermochuck nun nicht direkt mit dem Substrat beauflagt. Vielmehr wird zwischen den Thermochuck und das Substrat die erfindungsgemäße Substrathaltevorrichtung angeordnet. Damit kann einerseits die zielgerichtete thermische Beeinflussung des Substrats über den Thermochuck erfolgen. Andererseits kann unter Verwendung eines normalen Chucks mit Hilfe der erfin dungsgemäßen Substrathaltevorrichtung eine Substrathalterung nach dem triaxialen Prinzip ohne die Nachteile des Standes der Technik erfolgen.

Hierbei ist es möglich, den Thermochuck mit Shield-Potenzial zu beaufschlagen. Damit würde die Substrathaltevorrichtung als relativ dünne add-on-Platte durch den Thermochuck selbst geschirmt.

Eine andere Möglichkeit zur Realisierung einer Temperierung des Substrates ist dadurch möglich, dass die Substrathaltevor richtung in dem Bereich der vierten Schicht mit einer aus dotierten Schichtbereichen bestehenden elektrischen Heizung versehen ist. Damit wird also die Heizung zur Temperierung des Substrates im Inneren der einstückigen Substrathaltevorrich tung durch Leitbahnen als Widerstandsbahnen im Inneren dersel ben realisiert.

Zur Gewährleistung einer hohen Flächenhomogenität der Heizung ist es zweckmäßig, dass die Schichtbereiche der Heizung in der Draufsicht wendel- oder mäanderförmig ausgebildet sind und äußere Kontaktanschlüsse aufweisen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Schicht unter Freilassung eines Randbereiches auf der Oberfläche in der Mitte der Oberfläche eingebracht ist. Die zweite Schicht tritt in dem Randbereich der Ober fläche hervor. Die dritte Schicht ist topfförmig ausgebildet, umschließt die erste Schicht in dem Randbereich und ragt bis an die Oberfläche.

Damit kann gewährleistet werden, dass die Guard-Potenzial führende dritte Schicht die erste Schicht umschließt, so dass auch an den Seiten der ersten Schicht keine Störwirkungen eintreten können.

Zur Realisierung einer Shield-Potenzial führenden Schicht gibt es zwei Möglichkeiten. Zum einen besteht die Möglichkeit, dass eine fünfte Schicht mit hoher elektrischer Leitfähigkeit unter der vierten Schicht vorgesehen ist, die mit Shield-Potenzial beaufschlagt wird.

Hierzu ist es zweckmäßig, dass die fünfte Schicht an der Au ßenseite unter Freilassung der Oberfläche angeordnet ist. Damit umgibt die fünfte Schicht die gesamte übrige Substrat haltevorrichtung und schirmt diese von außen ab.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand dreier Ausführungsbei spiele näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch eine erfindungsgemäße triaxiale Substrathalte vorrichtung als add-on-Platte ausgeführt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch eine erfindungsgemäße triaxiale Substrathalte vorrichtung mit einer integrierten Heizung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch eine erfindungsgemäße triaxiale Substrathalte vorrichtung mit einer topfförmigen dritten Schicht und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch eine erfindungsgemäße Substrathalterung für eine HF-Messung.

In den Figuren sind Substrathaltevorrichtung 1 für Prober zum Testen von Schaltungsanordnungen auf scheibenförmigen Sub straten 2, in drei verschiedenen Ausführungsformen dar gestellt.

Als scheibenförmige Substrate 2 finden hier Halbleiterscheiben Anwendung, die in Chips strukturiert sind. Die Chips beinhal ten die zu testende Schaltungsanordnung und liegen im vollständigen Scheibenverband vor.

Die dargestellten Substrathaltevorrichtungen 1 weisen eine Oberfläche 3 zur Aufnahme eines zu testenden Substrates 2 auf. Sie weisen weiterhin nicht näher dargestellte Mittel zum Hal ten des Substrates 2 auf. Diese Mittel bestehen üblicherweise aus nutartigen Vertiefungen in der Oberfläche 3, die mit einer Vakuumquelle verbunden sind. Diese nutartigen Vertiefungen werden durch das Auflegen des Substrates 2 verschlossen, wo durch sich in den Vertiefungen ein Vakuum aufbauen kann, wel ches dann die Unterseite des Substrates 2 auf die Oberfläche 3 saugt.

Es sind aber auch andere Mittel zum Halten des Substrats 2 einsetzbar, etwa Spannvorrichtungen, die das Substrat 2 mecha nisch auf die Oberfläche 3 spannen. Dies kann dann erforder lich werden, wenn die Substrathaltevorrichtung 1 im Vakuum eingesetzt werden soll, wo Vakuumhaltemittel in ihrer Funktion versagen würden.

Wie in den Zeichnungen weiterhin dargestellt, ist die Sub strathaltevorrichtung 1 als einstückiger Keramikkörper mit unterschiedlich stark dotierten Schichten 4, 5, 6 und/oder 7 ausgebildet und zwar mit einer elektrisch leitfähigen ersten Schicht 4, einer elektrisch isolierenden zweiten Schicht 5, einer elektrisch leitfähigen dritten Schicht 6 und einer elek trisch isolierenden vierten Schicht 7.

Die erste Schicht 4 weist einen nicht näher dargestellten Anschluss für Force-Potenzial auf. Die dritte Schicht 6 ist mit einem ebenfalls nicht näher dargestellten Anschluss für Guard-Potenzial versehen.

Wie in Fig. 1 dargestellt, schließt die erste Schicht 4 die gesamte Oberfläche 3 ein. Parallel dazu sind die zweite 5, dritte 6 und die vierte Schicht 7 angeordnet. Die vierte Schicht 7 dient als untere äußere Schutzschicht, mit der die Substrathaltevorrichtung 1 auf einen Chuck 9 auflegbar ist.

Der Chuck 9 ist mit Shield-Potenzial beaufschlagt.

Damit wird es möglich, einen herkömmlichen Chuck 9 für einen triaxialen Aufbau funktionell zu erweitern.

Grundsätzlich ist es möglich, den Chuck 9 als Thermochuck auszuführen, um das Substrat 2 auf eine bestimmte Temperatur zu bringen, in der die Messvorgänge stattfinden sollen. Hier bei ist sowohl ein Heizen als auch ein Kühlen möglich.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist jedoch in der vierten Schicht 7 eine Heizung 8 vorgesehen. Diese Heizung 8 besteht ebenfalls aus dotierten Schichtbereichen innerhalb des einen Keramikkör pers, so dass dessen Homogenität durch die Anordnung der Hei zung 8 nicht gestört werden muss. Dabei sind die Schicht bereiche in der nicht näher dargestellten Draufsicht wendel- oder mäanderförmig ausgebildet und weisen äußere Kontaktan schlüsse zur Versorgung mit elektrischer Energie auf.

Mit der Anordnung der Heizung 8 in der vierten Schicht 7 wird es auch möglich, diese Substrathaltevorrichtung 1 mit einem Thermochuck 9 zu kombineren, wobei der Thermochuck 9 dann die Kühlvorgänge übernimmt, sofern das Substrat 2 beim Messen in tieferen Temperaturbereichen liegen muss. Ein Messen bei hö heren Temperaturen wird durch die integrierte Heizung 8 er reicht. Damit wird die Einsatzvielfalt einer solchen Kombina tion erheblich erhöht.

Eine derartige Heizung 8 ist auch in den Anordnungen nach Fig. 2 und Fig. 3 vorgesehen.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist die erste Schicht 4 unter Frei lassung eines Randbereiches auf der Oberfläche 3 in der Mitte der Oberfläche 3 eingebracht. Die zweite Schicht 5 tritt in dem Randbereich der Oberfläche 3 hervor. Die dritte Schicht 6 schließlich ist topfförmig ausgebildet und umschließt die erste Schicht 4, indem sie im Randbereich bis an die Ober fläche 3 ragt.

Im Gegensatz zu der Anordnung gemäß Fig. 1, in der die Shield- Funktion durch den Chuck 9 übernommen wird, ist in den Aus führungsbeispielen nach Fig. 2 und Fig. 3 eine elektrisch leitende fünfte Schicht 10 vorgesehen, die mit Shield-Potenzi al beaufschlagt ist.

Gemäß Fig. 3 ist die fünfte Schicht 10 an der gesamten Außen seite der Substrathaltevorrichtung 1 unter Freilassung der Oberfläche 3 angeordnet.

Gemäß Fig. 2 ist die fünfte Schicht 10 parallel zu der ersten 4 bis vierten Schicht 7 angeordnet.

In Fig. 4 ist eine Substrathaltevorrichtung 1 für die HF-Mes sung dargestellt. Diese weist eine erste Isolationsschicht 11 auf, die einen Isolationswiderstand größer 10¹⁰ bis 10¹² Ω hat. Die erste Isolationsschicht 11 schließt, wie die erste Schicht 4 in den anderen Darstellungen auch, die Oberfläche 3 zumin dest teilweise ein. Unter der ersten Isolationsschicht 11 ist eine Absorptionsschicht 12 mit einer hohen elektrische Leit fähigkeit kleiner 10^-1 bis 10^-3 Ωcm angeordnet. Schließlich weist eine unter Absorptionsschicht 12 befindliche zweite Isolationsschicht 13 wieder einen großen Isolationswiderstand größer 10¹⁰ bis 10¹² Ω auf. Damit zeigt der Aufbau nach Fig. 4 eine in der Leitfähigkeit oder im Isolationswiderstand umge kehrte Folge von Schichten.

Bezugszeichenliste

1

Substrathaltevorrichtung

2

Substrat

3

Oberfläche

4

erste Schicht

5

zweite Schicht

6

dritte Schicht

7

vierte Schicht

8

Heizung

9

Chuck

10

fünfte Schicht

11

erste Isolationsschicht

12

Absorptionsschicht

13

zweite Isolationsschicht

Claims

1. Substrathaltevorrichtung für Prober zum Testen von Schal tungsanordnungen auf scheibenförmigen Substraten, die mit einer Oberfläche zur Aufnahme eines zu testenden Substra tes und mit Mitteln zum Halten des Substrates versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrathaltevorrichtung (1) als einstückiger Keramikkör per mit unterschiedlich stark dotierten Schichten (4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 13) ausgebildet ist.

2. Substrathaltevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Oberfläche (3) zumindest teilweise einschließende erste Schicht (4) eine hohe elektrische Leitfähigkeit kleiner 10^-1 bis 10^-3 Ωcm, eine unter der ersten Schicht (4) befindliche zweite Schicht (5) einen großen Isolationswiderstand größer 10¹⁰ bis 10¹² Ω und eine darunter befindliche dritte Schicht (6) wieder eine hohe elektrische Leitfähigkeit kleiner 10^-1 bis 10^-3 Ωcm aufweist und die erste Schicht (4) mit einem äuße ren Kontaktanschluss zum Anschluss eines Force-Potenzials und die dritte Schicht (6) mit einem äußeren Kontaktanschluss zum Anschluss an Guard-Potenzial versehen sind.

3. Substrathaltevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Oberfläche (3) zumindest teilweise einschließende erste Isolationsschicht (11) einen großen Isolationswiderstand größer 10¹⁰ bis 10¹²Ω, eine unter der ersten Isolationsschicht (11) befindli che Absorptionsschicht (12) eine hohe elektrische Leit fähigkeit kleiner 10^-1 bis 10^-3 Ωcm und eine darunter be findliche zweite Isolationsschicht (13) wieder einen gro ßen Isolationswiderstand größer 10¹⁰ bis 10¹² Ω aufweist.

4. Substrathaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrathaltevorrichtung (1) unter der dritten Schicht (6) oder unter der zweiten Isolationsschicht (13) eine vierte Schicht (7) mit einem großen Isolationswiderstand auf weist.

5. Substrathaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrathaltevorrichtung (1) auf einen Thermochuck (9) auflegbar ist.

6. Substrathaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrathaltevorrichtung (1) in dem Bereich der vierten Schicht (7) mit einer aus dotierten Schichtbereichen be stehenden elektrischen Heizung (8) versehen ist.

7. Substrathaltevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtbereiche der elektrischen Heizung (8) in der Draufsicht wendel- oder mäanderförmig ausgebildet sind und äußere Kontaktanschlüs se aufweisen.

8. Substrathaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (4) unter Freilassung eines Rand bereiches auf der Oberfläche (3) in der Mitte der Oberfläche (3) eingebracht ist, dass die zweite Schicht (5) in dem Randbereich der Oberfläche (3) hervortritt, dass die dritte Schicht (6) topfförmig ausgebildet ist und die erste Schicht (4) umschließt, in den Randbereich bis an die Oberfläche (3) ragt.

9. Substrathaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine fünfte Schicht (10) mit hoher elektrischer Leit fähigkeit unter der vierten Schicht (7) vorgesehen ist, die mit Shield-Potenzial beaufschlagt wird.

10. Substrathaltevorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Schicht (10) an der Außenseite unter Freilassung der Oberfläche (3) angeordnet ist.