-
Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum Testen von Substraten unter
Belastung mit einem Prober, zumindest bestehend aus einem Chuck,
einem Chuckantrieb, Steuerelektronik, Sonden- oder Sondenkartenaufnahmemittel,
und mit Belastungsmitteln zur Beaufschlagung des Substrates mit
einer thermischen, mechanischen, elektrischen oder einer anderen
physikalischen oder chemischen Belastung.
-
Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Testen von Substraten
unter Belastung, wobei das Substrat einer thermischen, mechanischen,
elektrischen oder einer anderen physikalischen oder chemischen Belastung
ausgesetzt und die Eigenschaften desselben mittels eines Probers
gemessen werden.
-
Es
ist erforderlich, Substrate mit elektrischen oder elektromechanischen
Eigenschaften, wie Halbleiterscheiben, integrierte Schaltungen,
Multichipmodule, gedruckte Leiterplatten, Flachdisplays und dergleichen,
während
der Herstellung zu testen. Hierzu werden Vorrichtungen zum Testen
eingesetzt, die die Substrate über
Sonden kontaktieren. Diese Sonden dienen der Beaufschlagung der
Substrate mit Testsignalen und/oder der Messung einer Reaktion des Substrates
auf die Testsignale.
-
Insbesondere
werden solche Vorrichtungen zum Testen von Substraten auf dem Gebiet
der Halbleiterherstellung eingesetzt. Hier finden sie die Bezeichnung "Prober". Dabei werden in
aller Regel integrierte Halbleiterchips in ihrem Verband auf einer Halbleiterscheibe,
so genannte Wafer, getestet. Wafer bestehen aus verschiedenen Materialien,
wie Silizium, GaAs, InPh oder vergleichbaren Materialien und haben
einen Durchmesser von vorzugsweise 2'' bis
12'' und eine Dicke in
der Größenordnung
von 90 bis 500 μm.
Nach einer Strukturierung der Wafer werden die dadurch hergestellten
Halbleiterchips getestet und danach die Halbleiterchips vereinzelt
und anschließend
zu fertigen Bauelementen endmontiert.
-
Zur
Sicherung der Qualität
der fertigen integrierten Schaltkreise müssen diese mit geeigneten Probern
individuell getestet werden. Die dabei gemessenen Reaktionen auf
die Testsignale liefern eine Aussage über die Qualität eines
jeden einzelnen Schaltkreises durch einen Vergleich mit vorher festgelegten
Standards.
-
Das
Testen im Scheibenverband, also vor dem Vereinzeln ist deshalb von
Vorteil, da nach dem Vereinzeln die einzelnen Chips für das Testen
schwer zu handhaben wären
und zweckmäßiger Weise
ein Testen dann erst wieder nach der Endmontage erfolgen könnte. Dies
würde allerdings
bedeuten, dass man eine nicht unerhebliche Anzahl von Chips endmontieren
würde,
die nicht die Qualitätsanforderungen
erfüllen.
-
Typischer
Weise werden die Halbleiterscheiben in Scheibenmagazinen gelagert
und transportiert. Dabei werden in der Regel bis zu 25 Halbleiterscheiben
in einem vertikalen Abstand zueinander in dem Scheibenmagazin gehalten.
-
Die
Empfindlichkeit der Halbleiterscheiben hinsichtlich Bruch und jeder
Art von Verunreinigung verbieten jede Berührung mit der menschlichen Hand,
weshalb zumeist Handlingroboter eingesetzt werden, die die Halbleiterscheibe
von einer Bearbeitungsstation zu einer anderen transportieren oder
in oder aus einem Scheibenmagazin transportieren.
-
Ein
solcher Handlingroboter besteht aus einem Roboterarm der an einem
Roboterantrieb angelenkt ist und dadurch in einem senkrechten Freiheitsgrad
(z) und zwei waagerechten Freiheitsgraden (x, y) bewegbar und um
eine vertikale Drehachse schwenkbar ist. An der freien Vorderseite
des Roboterarmes ist eine Scheibenaufnahme angeordnet, die Aufnahmearme
aufweist, welche mit Vakuumansaughaltern versehen ist. Diese Aufnahmearme
können
die Halbleiterscheibe greifen und in oder aus einer Bearbeitungsstation
oder einem Scheibenmagazin bewegen, indem der Roboterarm durch den Roboterantrieb
seine Scheibenaufnahme direkt unter die Unterseite oder Rückseite
der Halbleiterscheibe positioniert und in Kontakt bringt. Danach
werden die Aufnahmearme mit Vakuum beaufschlagt, so dass die Halbleiterscheibe über die
Vakuumöffnungen
auf der Oberseite der Scheibenaufnahme gehalten wird und von einer
Position zu einer anderen transportiert werden kann.
-
Vollautomatische
Testsysteme erlauben es dem Operator oder Techniker, einige Scheibenmagazine
einzugeben und mit einmal vorgenommener Anfangseinstellung so lange
zu arbeiten, bis alle Halbleiterscheiben getestet sind. Ein derartiges
vollautomatische Testsystem beinhaltet neben der eigentlichen Testanordnung,
die im Wesentlichen aus Chuck, Chuckantrieb, Steuerelektronik, Sonden- oder
Sondenkarte und entsprechenden Aufnahme- und Verbindungsmitteln
besteht, ein Mustererkennungssystem zur Scheibenselbstjustage, CCD-Kamera
oder Mikroskop zu Beobachtung des Testsubstrates, Monitor, Handlingsystem,
Scheibenmagazinstation und Ausrichtstation.
-
Prober
werden auch eingesetzt, um Substrate unter Belastungsbedingungen
zu testen. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, den Chuck zu heizen oder
zu kühlen,
um somit das Verhalten der Substrate, insbesondere der Halbleiterscheiben
im Hoch- oder Niedertemperaturbereich zu messen.
-
Werden
Belastungsmessungen erforderlich, die die Einwirkungen der Belastung über einen
Belastungszeitraum hinweg berücksichtigen
sollen, ist während
einer solchen Belastungsmessung dann der Prober für andere
Tätigkeiten
blockiert. Damit sinkt die Produktivität eines solchen Probers. Eine
Möglichkeit
zur Kompensation der verringerten Produktivität bei Belastungsmessungen über einen
Belastungszeitraum hinweg stellt der Einsatz einer Vielzahl von
Probern dar, was jedoch einen kostenintensiven Flächenbedarf
in den Fabs und den Kostennachteil der Vielzahl von Geräten nach
sich zieht.
-
Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Testen von Substraten
unter Belastung und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, mittels
dem die Produktivität
eines Probers voll ausgenutzt werden kann.
-
Die
Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass das Belastungsmittel
als separate Baugruppe von dem Prober getrennt angeordnet und darin
mit diesem über
ein Handlingsystem verbunden ist. Somit kann in dem Belastungsmittel
das Substrat besonderen physikalischen oder chemischen Zuständen ausgesetzt
und das Testen des Substrates zu einem geeigneten Zeitpunkt nach
der Einwirkung der Belastung vorgenommen werden. Somit wird der Prober
während
der Belastungsbeaufschlagung nicht blockiert. Den Transport des
Substrats von dem Belastungsmittel zu dem Prober übernimmt
dabei das Handlingsystem, d. h. es entnimmt dem Belastungsmittel
das Substrat, legt es auf den Chuck des Probers ab und entnimmt
es nach dem Testvorgang wieder dem Prober, um es entweder wieder
in dem Belastungsmittel abzulegen oder aus der Anordnung auszugeben.
-
Sehr
häufig
kommt es darauf an, das Substrat entsprechend einer Solllage präzise ausgerichtet auf
dem Chuck zu positionieren.
-
Der
Chuck weist zwar einige Verstellmöglichkeiten in x-, y- und θ- Richtung
auf, mit denen eine Kompensation einer Fehllage vorgenommen werden kann,
allerdings sind den Verstellmöglichkeiten
einerseits Grenzen gesetzt und andererseits kostet eine Fehlerkorrektur
Zeit, so dass in einer günstigen
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung
diese eine Ausrichtstation zur definierten Ausrichtung des Substrates
aufweist.
-
Da
das Handling zwischen Belastungsmittel und Prober weitgehend automatisch
erfolgen kann, ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die
Anordnung eine Substratmagazinstation aufweist. In diese Substratmagazinstation
kann dann ein Substratmagazin eingesetzt werden, das der Ein- und
Ausgabe von Substraten dient. Dabei entnimmt das Handlingsystem
das Substrat dem Substratmagazin, um es entweder dem Belastungsmittel
oder dem Prober zuzuführen
und am Ende des Testvorganges wieder dem Substratmagazin zuzuführen.
-
In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Belastungsmittel
als Temperierstation ausgebildet ist. In dieser Temperierstation kann
das Substrat entweder einer gegenüber Raumtemperatur erhöhten Temperatur
oder einer Tieftemperatur einer Belastung ausgesetzt werden. Dabei kann
das Substrat während
einer Belastungszeit in der Temperierstation verweilen, um somit
beispielsweise den Langzeiteinfluss einer hohen Temperatur auf die
Funktionsfähigkeit
des Substrates festzustellen. Dabei ist es auch möglich, dass
die Temperatur von einem Testprogramm gesteuert einen Temperaturverlauf
einnimmt, um somit beispielsweise Temperaturwechsel als Belastung
zu simulieren. Während der
Belastungszeit kann dann das Substrat in regelmäßigen Abständen auf dem Prober getestet
werden. Damit wird der Prober nur während dieser Testzeiten belegt
und nicht während
der gesamten Belastungszeit.
-
Während des
Testens selbst kann dann ebenfalls eine Temperaturbeaufschlagung
des Substrates am Prober erfolgen, wenn beispielsweise in bekannter
Weise der Chuck temperierbar ausgeführt ist.
-
Günstig ist
es, wenn die Temperierstation eine Temperierkammer umfasst, in der
Aufnahmemittel für
mehrere Substrate vorgesehen sind. Damit können eine größere Anzahl
von Substraten der Belastung ausgesetzt werden, wodurch sich große Belastungszeiten
ohne einen großen
gerätetechnischen Mehraufwand
ergeben.
-
Insbesondere
zur Beaufschlagung des Substrates mit einer hohen Temperatur ist
es zweckmäßig, dass
die Kammer im Wesentlichen gasdicht verschließbar und mit einer Inertgasquelle
verbindbar ist. Somit kann innerhalb der Kammer eine Inertgasatmosphäre geschaffen
werden, die thermische Reaktion des Substrates mit seiner Umgebung
verhindert, beispielsweise damit Oxidationsprozesse vermieden werden.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Prober und das Belastungsmittel jeweils in einem Modul angeordnet
sind. Durch einen derartigen Modulaufbau ist es möglich, die
Anordnung in einfacher Weise um weitere Module zu erweitern, beispielsweise
mehrere Belastungsmittel einzusetzen.
-
Die
einzelnen Module können
auch in einem Cluster angeordnet werden, was eine Ausführung der
Erfindung erleichtert, in der jedes Modul gleiche Rastergrundmaße aufweist
und jedes Modul mit jedem verbindbar ist.
-
Eine
leichte Anpassung des Aufbaues des Clusters an die Einsatzbedingungen
wird dadurch erreicht, dass ein Modul verfahrbar und in seiner Aufstellposition
arretierbar ausgeführt
ist.
-
In
bevorzugter Weise ist die erfindungsgemäße Anordnung dadurch ausgestaltet,
dass das Belastungsmittel und/oder der Prober mehrfach vorgesehen
sind, die miteinander über
ein und dasselbe Handlingsystem in Wirkungsverbindung stehen. Dies kann
einerseits dem Zweck dienen, den oder die Prober bei einer langen
Belastungszeit gut auszulasten, andererseits aber auch ermöglichen,
Belastungsstationen mit zueinander verschiedenen Belastungsarten
vorzusehen, um beispielsweise extremen Temperaturwechsel zu simulieren
oder den Einfluss physikalischer und chemischer Umgebungsparameter
zu testen.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
ein gemeinsames Gehäuse
vorgesehen ist, in dem der oder die Prober, der oder die Belastungsmittel,
das Handlingsystem und gegebenenfalls die Substratmagazinstation
und die Ausrichtstation eingebracht sind. Ein derartiges Gehäuse unterstützt den
Aufbau in Form eines Clusters. Damit ist vorteilhaft verbunden,
dass einerseits innerhalb des Gehäuses eine separate Konditionierung der
Atmosphäre
vorgenommen werden kann. Werden nämlich beispielsweise mehrere
Temperierstationen innerhalb eines Clusters eingesetzt, entsteht unter
Umständen
eine erhebliche Abwärme,
die in dem Gehäuse
separat abgeführt
werden kann und somit nicht in die Umgebung gelangen muss, aus der sie
dann unter Umständen
mit erheblichen klimatechnischem Aufwand entsorgt werden muss.
-
Andererseits
kann das gemeinsame Gehäuse
zu einer einfachen Befestigung der einzelnen Module genutzt werden.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
jedes Modul auf einer vibrationsisolierenden, vorzugsweise lagegeregelten Plattform
angeordnet ist. Damit werden weder Schwingungen aus der Umgebung
auf die Module noch Schwingungen von den Modulen (etwa bei mechanischen
Belastungsmodulen) auf die Umgebung übertragen.
-
Zur
weiteren Entkopplung der einzelnen Module untereinander ist diese
Lösung
dadurch weitergebildet, dass jedes Modul auf einer von den anderen Modulen
separaten Plattform angeordnet ist.
-
Zur
Schaffung eines Bewegungsraumes für das Handlingsystem, der der
Optimierung der Bewegungslängen
des Handlingsystemes dient, ist es zweckmäßig, dass alle Module einen
in der Draufsicht mittleren Freiraum bildend angeordnet sind und das
Handlingsystem und/oder die Ausrichtstation in dem mittleren Freiraum
angeordnet sind.
-
In
zahlreichen Fällen
ist es erforderlich, Halbleiterscheiben einem Belastungstest zu
unterziehen, weshalb die erfindungsgemäße Anordnung dadurch ausgestaltet
sein kann, dass diese zum Testen von Halbleiterscheiben als Substrate
ausgebildet ist, d. h. alle Bauteile in der Anordnung sind zum Handling, der
Ausrichtung oder der Aufnahme von Halbleiterscheiben ausgebildet.
-
Verfahrensseitig
wird die Aufgabe dadurch gelöst,
dass das Substrat mit einem Belastungsmittel in Wirkungsverbindung
gebracht wird, in diesem Belastungsmittel der Belastung ausgesetzt
wird, anschließend
dem Belastungsmittel entnommen und in seinen Funktionen getestet
wird. Im Gegensatz zu dem Stand der Technik, nach dem es nur vorgesehen ist,
die Substrate einer Belastung während
des Messens auszusetzen, erlaubt dieses Verfahren zum einen ein
Testen des Einflusses von Belastungen vielfältiger Art und über einen
längeren
Zeitraum. Andererseits wird der Prober durch die Beaufschlagung mit
einer Belastung nicht blockiert.
-
Zur
besonders strengen Belastungsprüfung oder
zur Abbildung realer Lastverhalten ist es zweckmäßig, dass bei der Belastung
ein Belastungsprogramm durchlaufen wird, in dem die Belastungsgrößen während eines
Belastungszeitraumes variieren.
-
In
einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen,
dass das Substrat während
des Belastungszeitraumes in Zeitabständen mehrfach dem Belastungsmittel
entnommen und getestet werden. Damit wird es beispielsweise möglich, Parameter
des Substrates zu messen, die in Folge der Belastung eine Zeitvarianz
besitzen.
-
Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigt
-
1 eine Draufsicht auf eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Testen von Halbleiterscheiben mit einem Prober und einer Temperierstation,
-
2 eine Draufsicht auf eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Testen von Halbleiterscheiben mit einem Prober und drei Temperierstationen,
-
3 eine Draufsicht auf eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Testen von Halbleiterscheiben mit zwei Probern und vier Temperierstationen und
-
4 eine Draufsicht auf eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Testen von Halbleiterscheiben in einer Produktionsumgebung
-
Wie
in 1 dargestellt, ist
eine erster Prober 1 und eine erste Temperierstation 2 vorgesehen, die
jeweils derart modular aufgebaut sind, dass ihre Außenmaße einem
gleichen Rastermaß unterliegen und
im vorliegende Ausführungsbeispiel
einander gleich sind. Damit wird es möglich, das Modul des Probers 1 und
das Modul der ersten Temperierstation 2 dicht nebeneinander
zu stellen und miteinander zu verbinden.
-
Seitlich
neben der Reihe von erstem Prober 1 und erster Temperierstation 2 ist
ein Handlingsystem 3 angeordnet. Das Handlingsystem 3 beinhaltet einen
Roboterarm 4, der an einem Roboterantrieb 5 angelenkt
ist. An der freien Vorderseite des Roboterarmes 4 ist eine
Scheibenaufnahme 6 angeordnet, durch die eine Unterseite
einer nicht näher
dargestellten Halbleiterscheibe aufgenommen und mittels Vakuum angesaugt
werden kann.
-
Weiterhin
ist eine Scheibenmagazinstation 7 vorgesehen, in die ein
Eingabe-Scheibenmagazin 8 und ein Ausgabe-Scheibenmagazin 9 einsetzbar sind.
-
Zwischen
der Scheibenmagazinstation 7 und dem Handlingsystem 3 ist
eine Ausrichtstation 10 vorgesehen.
-
Die
erste Temperierstation weist an seiner Vorderseite 11 eine
Türe 12 auf,
die einen Heizraum 13 dicht verschließt, auf. In dem Heizraum 13 sind übereinander
nicht näher
dargestellte Fächer
vorgesehen, in die Halbleiterscheiben 14 übereinander
gestapelt werden können.
Der Heizraum 13 ist mit einem Inertgasanschluss 15 versehen.
-
Die
Funktion der Vorrichtung ist nun darin zu sehen, dass mittels der
Scheibenaufnahme 6 eine Halbleiterscheibe aus dem Eingabe-Scheibenmagazin 8 entnommen
und in die erste Temperierstation 2 bei geöffneter
Türe 12 eingeschoben
wird. Auf diese Weise kann die Temperierstation 2 gefüllt werden.
-
Ist
diese mit einem Stapel von Halbleiterscheiben 14 gefüllt, wird
die Türe 12 verschlossen und über den
Inertgasanschluss 15 Inertgas in den Heizraum eingelassen,
wodurch Oxidationsprozesse in Folge der Wärmeeinwirkung auf den Halbleiterscheiben 14 vermieden
werden können.
Hierbei besteht aber auch die Möglichkeit,
dass über
den Inertgasanschluss 15 auch anderes Gas eingelassen wird,
mit welchem beispielsweise eine chemische oder eine andere physikalische
Belastung realisiert wird, eingeleitet wird.
-
Anschließend wird
der Heizraum 13 über nicht
näher dargestellte
Heizelemente auf eine Temperatur, die eine Belastung der Halbleiterscheiben 14 darstellt,
gebracht. Über
ebenfalls nicht näher
dargestellte Steuereinrichtungen wird dabei ein Temperaturprofil über die
Zeit eingehalten.
-
Zum
Testen wird dann nach einer Belastungszeit, in der die Halbleiterscheibe 14 der
Wärme ausgesetzt
war, die Halbleiterscheibe 14 auf der Ausrichtstation 10 zwischendurch
abgelegt. In dieser Ausrichtstation 10 erfolgt eine Einstellung
der Lage der Halbleiterscheibe, damit diese dann beim Einsatz im
Prober 1 eine richtige Lageorientierung aufweist und in
dem Prober 1 beim Testen nur noch fein justiert werden
muss. Anschließend
erfolgt dann von dem Roboterarm 4 und dem Roboterantrieb
gesteuert eine Übergabe
der Halbleiterscheibe 14 wahlweise in die erste Temperierstation 2 zurück, wenn
nur eine Zwischentestung erfolgt, oder in das Ausgabe-Scheibenmagazin 9,
wenn der Belastungstest oder ein Einbrennen (burn in) abgeschlossen
ist. Welche der Möglichkeiten
gewählt
wird, wird über
ein Steuerprogramm bestimmt.
-
Wie
in 2 dargestellt, sind
eine zweite Temperierstation 16 und eine dritte Temperierstation 17 vorgesehen,
die symmetrisch zur Mitte der Vorrichtung angeordnet sind. Damit
befinden sich das Handlingsystem 3, die Ausrichtstation 10 und
die Scheibenmagazinstation 7 in dem in der Draufsicht sichtbaren
mittleren Freiraum 18 der Vorrichtung.
-
Wie
in 3 dargestellt, ist,
ist eine vierte Temperierstation 19 und ein zweiter Prober 20 vorgesehen.
Alle Module 1, 2, 16, 17, 19 und 20 sind
dabei so angeordnet, dass der mittlere Freiraum 18 für die Anordnung
des Handlingsystem 3 und die Ausrichtstation 10 verfügbar bleibt.
-
Bei
dieser Anordnung ist auch noch Raum für ein Erweiterungsmodul 21 vorgesehen,
wo wahlweise eine andere Teststation oder ein anderes Modul, beispielsweise
ein Zwischenablagemodul oder eine zweite Scheibenmagazinstation
angeordnet werden können.
-
In 4 ist eine Vorrichtung mit
Probern 1 und 20 und mit Temperierstationen 2, 16, 17, 19 und 20 dargestellt.
Die gesamte Vorrichtung weist ein gemeinsames Gehäuse 22 auf
welches nur auf der Seite der Scheibenmagazinstation 7 mit
einer Gehäusetür 23 versehen
ist. Durch diese Gehäusetür können die
Scheibenmagazine 8 und 9, die in 4 nicht näher dargestellt sind bedient
werden. Lediglich für
diese Bedienung ist ein Bedienergang 24 vorzusehen. Die
anderen freien Bereiche 25 sind nicht notwendig, so dass
der ohnehin geringe Flächenbedarf
noch weiter verringert werden könnte.
-
Je
nach Anwendungsfall und Einsatzgebiet können alle Prober 1 und 20 gleiche
oder andere Funktionen, wie das Testen und Temperatureinfluss, Hochgeschwindigkeitstesten,
hochgenaues Testen oder Testen unter besonderen Umgebungsbedingungen
und die Temperierstationen 2, 16, 17, 19 und 20 gleiche
oder verschiedene Belastungsprogramme realisieren.
-
- 1
- erster
Prober
- 2
- erste
Temperierstation
- 3
- Handlingsystem
- 4
- Roboterarm
- 5
- Roboterantrieb
- 6
- Scheibenaufnahme
- 7
- Scheibenmagazinstation
- 8
- Eingabe-Scheibenmagazin
- 9
- Ausgabe-Scheibenmagazin
- 10
- Ausrichtstation
- 11
- Vorderseite
- 12
- Türe
- 13
- Heizraum
- 14
- Halbleiterscheibe
- 15
- Inertgasanschluss
- 16
- zweite
Temperierstation
- 17
- dritte
Temperierstation
- 18
- mittlerer
Freiraum
- 19
- vierte
Temperierstation
- 20
- zweiter
Prober
- 21
- Erweiterungsmodul
- 22
- Gehäuse
- 23
- Gehäusetür
- 24
- Bedienergang
- 25
- freier
Bereich