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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bonden eines Halbleiterelementes,
bei dem nacheinander durch eine Bondeinrichtung verschiedene Kontaktflächen des
Halbleiterelementes mit Anschlussflächen mittels Bonddrahtelementen
verbunden werden, sowie eine Vorrichtung und ein System zur Durchführung des Verfahrens.
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Logikschaltungen
und Speicherbausteine werden mit steigender Integrationsdichte immer
kleiner und enthalten zunehmend mehr elektrische Anschlüsse auf
engem Raum. Üblicherweise
wird ein Halbleiterelement auf ein Substrat gesetzt und dieses trägt Anschlussflächen, die
mit Kontaktflächen
des Halbleiterelementes über
Bonddrähte
verbunden sind. Bei der Kontaktierung derartiger Bonddrahtstücke mit
Anschlussflächen und
Kontaktflächen
ist eine hohe Präzision
gefordert, da wenig Platz zur Verfügung steht. Dabei werden für das Dünndrahtbonden
Drähte
mit einem Durchmesser zwischen 17 und 100 μm, beim Dickdrahtbonden zwischen
100 und 500 μm
eingesetzt. Die entsprechenden Anschlussflächen sind metallisierte Flächen beispielsweise
aus Gold, Kupfer oder Aluminium. Die Bonddrähte können ebenfalls aus einem dieser
Materialien bestehen und werden durch mehrfaches Ziehen durch Diamantziehsteine
auf den gewünschten
Querschnitt gebracht.
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Zum
automatischen Bonden werden vorwiegend das Thermokompressions-,
das Ultraschall- und das Thermosonicverfahren eingesetzt. Die genannten
drei Verfahren sind beispielsweise in einem Manuskript der TU Cottbus
beschrieben, das im Internet unter "www.tu-cottbus.de/MST/lehre/scripte/UES-Bonden.pdf" mit dem Titel „Elektrische
Kontaktierungen in Mikrosystemen – Drahtbonden" verfügbar ist.
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Beim
Thermokompressionsverfahren, auch Ballheadbonden oder Nailheadbonden
genannt, findet das Fügen
des Bonddrahtes mit der Anschlussfläche durch Wärmeeinwirkung zusammen mit
einer Kompressionskraft statt. Die geschaffene Verbindung ist radial
symmetrisch.
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Beim
Ultraschallbonden wird mit einem Werkzeug (wedge) zunächst ein
Bonddraht auf eine Anschlussfläche
gedrückt
und dann Ultraschall in das Bondwerkzeug eingeleitet, so dass der
Bonddraht sich mit einer Frequenz von etwa 40 kHz bis 150 kHz reibend über die
Anschlussfläche
bewegt.
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Dabei
wird in einer ersten Phase des Bondprozesses durch die Reibung zwischen
den Fügepartnern jede
Art von störenden
Stoffen weggerieben. In der zweiten Phase, in der die zu verbindenden
Stoffe rein aneinander anliegen, erhöht sich durch Reibung die Temperatur,
bis dass die Fügeflächen praktisch
abstandfrei aneinander anliegen und durch die erhöhte Temperatur
Diffusionseffekte eintreten. In dieser Phase haften die Fügepartner
aneinander und das Fügewerkzeug
löst sich
vom Bonddraht und streicht über
dessen Oberfläche, was
zu einem weiteren Wärmeeintrag
führt,
der die Verbindung ausheizt und das Entstehen von Sprödstellen verhindert.
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Von
modernen Bondgeräten
wird während
des Bondprozesses als Messgröße einerseits
die reflektierte Ultraschallleistung, andererseits die Verformung
des Bonddrahtes, der sich auf die Anschlussfläche senkt, zur Verfügung gestellt.
Entsprechend gemessene Parameter zeigen einen typischen über die
Bondzeit reproduzierbaren Verlauf.
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Moderne
Bondgeräte
arbeiten automatisiert und sind programmierbar, so dass das Bonden
eines Halbleiterelementes mit Bondraten von etwa 10 Anschlüssen pro
Sekunde geschehen kann. Bei diesem Prozess treten immer wieder Fehler
auf, die sich in nicht funktionierenden oder nicht ausreichend zuverlässig funktionierenden
Modulen äußern.
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Es
sind verschiedene Methoden bekannt, um zu versuchen, Ausfallraten
beim automatisierten Bondprozess zu senken.
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Beispielsweise
ist das sogenannte Motionblitzsystem bekannt, bei dem mit einer
Hochgeschwindigkeitskamera während
des Bondvorgangs das Werkzeug aufgenommen wird, um Fehlbewegungen
des Werkzeugs, aber auch der Einspannung des Werkstücks durch
eine nachfolgende Analyse erkennen und durch eine Optimierung des
Prozesses beseitigen zu können.
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Außerdem ist
der Internetseite "www.Semikonduktorfoptech.com" ein System „Wirebonding
process control" der
Firma F & K Delwotech
GmbH zu entnehmen, bei dem während
des Bondprozesses laufend die Bonddrahtdeformation und die reflektierte
Ultraschallleistung des Ultraschallbonders gemessen wird. An dem Verlauf
der Deformation und der Ultraschallleistung kann erkannt werden,
ob der Bondvorgang den typischen Verlauf mit einem guten Ergebnis
aufweist, oder ob ein Sonderfall, beispielsweise durch Verschmutzung
einer Substratoberfläche
oder ähnliches
auftritt. Die Messwerte werden dem jeweils vermessenen Halbleiterelement oder
-modul zugeordnet und in einer Speichereinrichtung gespeichert,
so dass beim nachfolgenden Test einem ausgefallenen Teil im nachhinein
noch die Messwerte des Bondvorgangs zugeordnet werden können. Es
kann dann herausgefunden werden, ob der Ausfall durch eine Unregelmäßigkeit
im Bondprozess hervorgerufen worden und ein eventuelles Nachjustieren
des Prozesses erforderlich ist.
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Auch
ein unmittelbares Abbrechen des Bondprozesses wird als Möglichkeit
angeführt,
falls während des
Bondprozesses selbst sich durch Analyse der gemessenen Daten herausstellt,
dass ein Fehler vorliegt.
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Das
beschriebene Verfahren erlaubt in engen Grenzen, den Bondprozess
anhand der erfassten Messgrößen mitzuverfolgen.
Jedoch werden nur Fehler entdeckt, die speziell mit dem me chanischen
Vorgang des Ultraschallbondens und hierbei auftretenden Fehlern
zusammenhängen.
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Es
wäre jedoch
wünschenswert,
eine umfassendere Fehleranalyse zu erlauben, die dennoch eine Zuordnung
von Messgrößen zu dem
jeweils einzelnen Halbleiterelement sowohl während des Bondvorgangs als auch
im nachhinein erlaubt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dies unter Vermeidung
der Nachteile des Standes der Technik zu erreichen.
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Erreicht
wird dies mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1, 17
und 19. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens
sind in Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Bisher
war es üblich,
während
des Bondvorganges die durch die Bondeinrichtung bestimmbaren mechanischen
Parameter nur teilweise auch zeitaufgelöst zu speichern.
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Die
elektrischen Eigenschaften des gebondeten Halbleiterelementes wurden
jeweils erst statisch nach dem Bondvorgang vermessen. Zu diesem
Zeitpunkt lässt
sich im Herstellungsprozess jedoch nur noch entscheiden, ob das
Bauteil brauchbar ist oder nicht. Es ist praktisch unmöglich, auseinander
zu halten, ob das Halbleiterelement vor dem Bondvorgang schon defekt
war oder ob eventuelle Fehler durch das Halbleiterelement selbst
und nicht durch den Bondvorgang bedingt sind.
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Daher
ist es sinnvoll, eine das Halbleiterelement charakterisierende elektrische
Größe während des Bondvorgangs
ständig
zu erfassen und zu speichern. Es kann zum Beispiel zuerst ein Gatedraht
gebonded werden, der ein Gate des Halbleiterelementes mit einer
Anschlussfläche
verbindet. Dieser Anschluss kann dann einen Pol einer elektrischen
Messschaltung bilden während
die Bondeinrichtung den anderen Pol darstellt. Auf diese Weise ist
beispielsweise bei Anlegen einer Gleichspannung durch eine Widerstandsmessung ein
Kurzschluss zwischen einem Gate und beispielsweise Emitteranschlüssen des
Halbleiterelementes zu messen, der jeweils eine Schädigung des
Halbleiterelementes anzeigt. Mit dieser Messung ist es möglich, einen
Defekt des Halbleiterelementes unmittelbar bei seinem Auftreten
auch während
des Bondvorgangs zu detektieren oder zumindest im nachhinein einen
schon früher
aufgetretenen Fehler zeitlich einzuordnen.
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Es
ist selbstverständlich
auch möglich,
vor dem Bondvorgang das Halbleiterelement noch einmal auf seine
Intaktheit zu prüfen.
Wird ein Fehler erkannt, so kann falls er vor dem Bonden auftritt,
das Halbleiterelement ausgesondert werden. Tritt ein Fehler während des
Bondvorgangs auf, so kann durch die zeitaufgelöste Erfassung und Speicherung
erkannt werden, durch welchen Schritt des Bondprozesses der Fehler
bedingt war und dieser Schritt kann im Prozessdesign beziehungsweise
im Steuerungsprogramm der Bondeinrichtung überprüft und nötigenfalls korrigiert werden.
Auf diese Weise kann der Bondprozess laufend optimiert werden, um
die Ausfallrate zu senken.
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Die
Messung kann auch berührungslos
erfolgen, dadurch dass eine Wechselspannung, beispielsweise als
Sinusspannung oder Dreiecksspannung, an die Bondeinrichtung einerseits
und einem zur Bondeinrichtung isolierten Teil, beispielsweise einer
Gummiauflage, andererseits angelegt wird. Das zur Bondeinrichtung isolierte
Teil befindet sich in unmittelbarer Nähe zu dem Halbleiterelement
und ist an dieses kapazitiv durch eine leitende Fläche angekoppelt. Änderungen
in der Gate-Emitter-Strecke,
insbesondere ein Leckstrom oder ein Kurzschluss, machen sich durch
eine Änderung,
beispielsweise des Verlaufs der Impedanz oder der IV-Kennlinie,
bemerkbar, die gemessen und dargestellt werden kann.
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Wird
gleichzeitig beobachtet, an welchem Punkt der Bondprozess angelangt
ist, so kann der auftretende Fehler mit be stimmten Schritten des
Bondprozesses identifiziert werden. Dadurch ist insbesondere eine ortsaufgelöste Erfassung
von Fehlern beim Bondprozess möglich.
Wird beispielsweise ein Halbleiterbauelement mit mehreren parallel
geschalteten Kontaktdrähten
gebondet, kann direkt während
des Bondprozesses festgestellt werden, ob jeder einzelne Kontakt
fehlerfrei hergestellt werden und bei Auftreten eines Fehlers einerseits
der Bondprozess sofort abgebrochen werden, was Zeit und Materialkosten
spart, und andererseits der Fehler einer bestimmten Kontaktstelle
und somit einem bestimmten Schritt des Bondprozesses zugeordnet werden.
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Die
Messung der Impedanz wird typischerweise durch Anlegen einer Wechselspannung
zwischen 100 Hz und einigen kHz und Vermessung des kapazitiven Widerstandes
durchgeführt.
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Um
das Auftreten eines Fehlers möglichst
genau den einzelnen Schritten des Bondvorganges zuordnen zu können, werden
vorteilhaft die reflektierte Ultraschallleistung, falls es sich
um ein Ultraschallbondgerät handelt,
und/oder die Deformation des Bonddrahtes laufend erfasst und gleichzeitig
mit der erfassten elektrischen Größe gespeichert.
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Dies
kann beispielsweise in einem Dreikanalspeicheroszilloskop erfolgen,
was jedoch im wesentlichen für
den Laborbetrieb sinnvoll ist, während
für eine
industrielle Herstellung entsprechende Daten in einer Datenbank
gespeichert werden sollten. Auf diese Weise kann nach dem Abschluss
des Bondprozesses einerseits gezeigt werden, dass alle Schritte
vorschriftsmäßig durchlaufen
wurden, ohne dass Unregelmäßigkeiten
aufgetreten sind, so dass das entstehende Bauteil zertifiziert werden
kann.
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Andererseits
kann beim Auftreten von Fehlern analysiert werden, in welchem Schritt
des Bondprozesses diese aufgetreten sind und es können die
entsprechenden Schritte korrigiert und verbessert werden.
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Wenn
gleichzeitig jedem vermessenen Halbleiterelement eine Identifikationsnummer
zugeordnet wird, dann können
auch im nach hinein noch ganzen Chargen von Halbleiterelementen
bestimmte Messwerte zugeordnet werden. Dadurch können beispielsweise schadhafte
Teile auch nach der Auslieferung noch zurückgerufen werden. Außerdem ist
bei später
auftretenden Fehlern nachweisbar, dass die Bauteile beim Verlassen der
Produktionsstätte
einwandfrei waren, wodurch die Haftungssituation beim Produzenten
nachhaltig verbessert werden kann.
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Werden
gewisse Abweichungen von geforderten Parametern während der
Messung detektiert, die aber noch zulässig sind, so kann das Bauteil
auch als akzeptabel und zweitklassig zertifiziert werden.
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Um
jederzeit den zeitaufgelöst
erfassten Messwerten der elektrischen Größe, beispielsweise der Kapazität bzw. der
Impedanz, des Leckstroms oder der IV-Kennlinie, einen Schritt des
Bondprozesses zuordnen zu können,
kann es auch vorteilhaft sein, ein bestimmtes Triggersignal der
Bondeinrichtung zur Grundlage der Zeitmessung und Abspeicherung
der Messdaten zu machen.
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Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist eine Bondeinrichtung typischerweise einen Generator für eine Wechselspannung
auf, die entsprechend den obigen Ausführungen angelegt wird sowie
eine Einrichtung zur Messung der elektrischen Größe, insbesondere des Verlaufs
der Impedanz, und eine Datenerfassungseinrichtung, die Messwerte
der elektrischen Größe und anderer
Parameter, die die Bondeinrichtung liefert, zeitaufgelöst speichert.
Es kann nach Abschluss des Bondprozesses eine Auswertung der Daten
mittels einer Auswerteeinrichtung erfolgen, jedoch auch schon während des
Bondprozesses, indem zumindest die elektrische Messgröße mit Sollwerten
verglichen wird, die entweder fest vorgegeben werden oder aber auch
zeitlich von dem gerade durchlaufenen Abschnitt des Bondprozesses
abhängen.
Somit können
bestimmte Messwertverläufe
mit Sollwertverläufen
verglichen werden. Wird die Abweichung von einem Sollmesswert oder
Sollmesswertverlauf zu groß,
so weist die Auswerteeinrichtung auf die Abweichung hin, speichert
entsprechende Vermerke in der Datenbank der Datenerfassungseinrichtung
und gibt ein Signal aus, mittels dessen beispielsweise die Bondeinrichtung
gestoppt werden kann, das einzelne Bauteil ausgesondert werden und auch
im Wiederholfall des Aussonderns eine ganze Charge von Halbleiterelementen
verworfen werden kann. Das ganze, aus der Bondeinrichtung, der Datenerfassungseinrichtung
und einer Steuereinrichtung bestehende System ist zur vollautomatischen
Steuerung des Bondprozesses mit gleichzeitigem Monitoring der Qualität der Produkte
geeignet. Wenn Fehler auftreten, können diese entweder durch Analyse
der Messwerte durch einen Laboranten dadurch abgestellt werden,
dass der Bondprozess geändert
wird, oder es können
bei bestimmten Abweichungen auch Bondparameter automatisiert nachgestellt
werden, um eine gleichbleibende Qualität zu erreichen.
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Die
Erfindung erlaubt somit einerseits das schnelle Abbrechen eines
einzelnen Bondvorganges nach Detektion eines Fehlers oder das Abbrechen
einer Serie, wenn bemerkt wird, dass wiederkehrende Fehler bei einer
Charge auftreten sowie das Optimieren des Bondprozesses zwischen
verschiedenen Fertigungsserien oder auch laufend während einer
Fertigungsserie.
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Fehler
können
Bondvorgängen
einzelner Bonddrahtelemente zugeordnet werden, indem diese beispielsweise
durch eine falsche Steuerung nicht an die richtige Stelle des Substrats
gelangen oder nicht optimale Bondparameter angewendet werden. So
wird eine ortsaufgelöste
Erfassung von Fehlern während
des Bondprozesses ermöglicht.
Insbesondere können
mit diesem Verfahren Bondpositionen an einem Halbleiterelement,
die grundsätzlich
schlechter zu bonden und damit fehleranfälliger sind, ermittelt werden.
Auch Bedingungen des Halbleiterelementes, die das Funktionieren
eines Standardbondprozesses erschweren, werden aufgedeckt und es
lassen sich Fehler, die von den Halbleiterelementen abhängen, von
solchen, die vom Bondprozess abhängen,
leicht trennen. Entsprechende Prüfungen
der Bauteile durch Zugversuche und Scherversuche der Bonddrahtverbindungen
können
damit auf ein Minimum reduziert werden. Dies erscheint insbesondere
deshalb wertvoll, da durch das Auftreten von Fehlern, die sich bei
derartigen Zerstörungsprüfungen zeigen,
kaum auf die genaue Fehlerursache geschlossen werden kann.
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Zusätzlich zu
der elektrischen Größe können selbstverständlich auch
die ohne weiteres von der Bondeinrichtung zur Verfügung gestellten
Messwerte für
sich sinnvoll ausgewertet werden, um beispielsweise anhand der zeitaufgelösten Ultraschallreflexion
den zeitlichen Abstand zwischen zwei Bondvorgängen ein und desselben Bonddrahtelementes
zu verfolgen und daraus bei bekannten Bewegungsparametern des Bondkopfes
auf die Länge
des Bonddrahtelementes zu schließen. Hierdurch kann einerseits
auf die Bonddrahtlänge und
andererseits auf die Höhe
des durch dieses geschaffenen Loops geschlossen werden. Es ist wichtig,
dass die Bonddrahtlängen
bei einem Halbleiterelement an allen Anschlüssen einerseits reproduzierbar,
andererseits möglichst
gleich lang sind, da bei ungeplanten Unregelmäßigkeiten Widerstandserhöhungen auftreten, die
zu partiellen Erhitzungen führen,
die weitere Schädigungen
nach sich ziehen und damit das ganze Halbleiterelement zerstören können. Entsprechend
können
beispielsweise auch Messungen der Deformation des Bonddrahtes ausgewertet
werden.
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Wird
das reflektierte Ultraschallsignal genauer analysiert, so kann aus
diesem beziehungsweise seinem zeitlichen Verlauf, wie auch aus der
Messung der elektrischen Größe, auch
auf Schwingungen der Aufspannung des Halbleiterelementes geschlossen
werden, die die Qualität
der Bondung stark gefährden,
da eine Schwingung des Substrates mit der für das Ultraschallschweißen notwendigen
Schwingungsbewegung des ultraschallbeaufschlagten Bonddrahtendes
interferieren und die ge naue Positionierung der Bondverbindung gefährden kann.
Auch derartige Fehlaufspannungen lassen sich durch Analyse der Ultraschallreflexion
oder auch der gemessenen elektrischen Größe herausfinden und dann gezielt
abstellen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren der Zeichnung
gezeigten Ausführungsbeispieles
näherbeschrieben.
Die Erfindung bezieht sich dabei einerseits auf ein Verfahren, andererseits
auf eine Bondvorrichtung und auch ein umfassenderes System, das
die Bondeinrichtung enthält.
Dabei zeigt
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1 schematisch
ein Halbleiterelement auf einem Substrat in dreidimensionaler Ansicht,
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2 schematisch
die Funktionsweise eines Bondgerätes,
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3 einen
Ultraschallbondkopf,
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4 eine
Bondeinrichtung mit einer Messeinrichtung für eine elektrische Größe,
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5 eine
Messkurve der Bonddrahtdeformation während des Bondvorgangs in zwei
Varianten,
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6 eine
erste Messkurve des Spannungsverlaufs während eines ersten Bondprozesses,
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7 eine
zweite Messkurve des Spannungsverlaufs während eines zweiten Bondprozesses,
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8 eine
dritte Messkurve des Spannungsverlaufs während eines dritten Bondprozesses,
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9 einen
Verlauf der Impedanz während
eines Bondprozesses,
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10 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Bonder,
einer Messschaltung, einem zu bondenden und zu vermessenden Bauteil,
einer Auswerteeinrichtung sowie einer Datenerfassungseinrichtung,
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11 einen
Verlauf eines Bondprozesses bei Zerstörung des dritten Bonds,
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12 einen
Verlauf eines Bondprozesses bei bereits erfolgter Zerstörung der
Halbleiterstruktur durch einen vorherigen Bondprozess,
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13 einen
Verlauf eines Bondprozesses mit vier Bondungen mit gutem Bondverlauf,
und
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14 einen
Verlauf eines Bondprozesses mit vier Bondungen mit schlechtem Bondverlauf
der ersten Bondung.
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Die 1 zeigt
ein Substrat 1 beispielsweise aus einer Keramik, das Leiterbahnen
trägt,
die in Anschlussflächen 2, 3 enden,
welche in unmittelbarer Nachbarschaft eines Halbleiterelementes 4 liegen.
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Das
Halbleiterelement 4 weist Kontaktflächen 5 auf, die über Bonddrähte mit
den Anschlussflächen 2, 3 verbunden
werden. Derartige Bonddrähte
können
beispielsweise aus Gold, Kupfer oder Aluminium bestehen und sind
zwischen einigen 10 und wenigen 100 μm dick. Besonders günstig sind
Verbindungen zwischen Bonddrähten
und Anschlussflächen
dann, wenn diese aus demselben Material bestehen. Bei unterschiedlichen
Materialien können
Diffusionseffekte, die von einem Metall in das andere in unterschiedlicher
Geschwindigkeit vor sich gehen als umgekehrt, Störungen in der Metallmatrix
hervorrufen, die zu einer Schädigung
des Kontaktes führen
können.
Dies können
aber zwischengelagerte Metallschichten aus entsprechend geeigneten dritten
Werkstoffen verhindern.
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Die
eigentliche Bondverbindung zwischen einem Bonddraht 6,
der in 2 dargestellt ist und einer Anschlussfläche 7 beziehungsweise
einer Kontaktfläche 8,
die in der 2 nur schematisch dargestellt
sind, wird mittels einer Bondeinrichtung, beispielsweise durch Ultraschallbonden
hergestellt. Dies zeigt schematisch die 2. Es ist
ein Ultraschallbondwerkzeug 9 dargestellt, das an seiner
unteren Spitze eine sogenannte wedge aufweist, die in der 3 vergrößert dargestellt
und mit 10 bezeichnet ist. Dieses Werkzeug weist eine Wulst 11 auf,
die den Bonddraht 12 auf eine Anschlussfläche 13 drückt und
in Richtung des Pfeils 14 mit der eingespeisten Ultraschallfrequenz
parallel zur Oberfläche
der Anschlussfläche 13 alternierend
bewegt. In einer ersten Phase führt
dies zu einer Reinigung der aneinandergeriebenen Fläche zwischen
dem Bonddraht und der Anschlussfläche 13, in der zweiten
Phase zu einer Verformung des Materials mit nachfolgendem Ineinanderfließen der
Flächen
und in der dritten Phase zu einem Erstarren der Verbindung. In der
dritten Phase ist der Bonddraht bereits an der Anschlussfläche befestigt
und die wedge 11 reibt mit der Ultraschallfrequenz am stehenden
Bonddraht entlang.
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Die
mit diesem Vorgang einhergehende Deformation des Bonddrahtes senkrecht
zur Anschlussfläche 13 wird
mittels eines Deformationsmessgerätes 15, wie in der 2 dargestellt,
gemessen und eine typische Messkurve ist in der 5 in
zwei Varianten 16, 17 dargestellt. Auf der y-Achse
ist die Deformation aufgetragen, während auf der x-Achse die Zeit
dargestellt ist. Die Kurve 16 zeigt einen Bondvorgang,
bei dem in der ersten Phase bis zum Zeitpunkt t1 im
wesentlichen eine Reinigung der Oberflächen stattgefunden hat, in
der zweiten Phase bis t2 der eigentliche
Kontakt hergestellt und dann etwa bis zur Zeit t3 der
Kontakt erstarrt. Gemäß der Kurve 17 läuft der
gesamte Bondvorgang zeitlich verzögert ab. Die entsprechenden
Zeiten sind mit t1', t2' bezeichnet. Zu Beginn
des Bondvorgangs tritt offensichtlich dort eine Verzö gerung auf.
Dies ist ein Anzeichen dafür,
dass die Oberflächen
des Bonddrahtes oder der Anschlussflächen nicht in der erwartet
sauberen Form vorliegen. Eine solche Feststellung kann beispielsweise
dazu führen,
dass der Bonddraht gewechselt oder eine Charge von Halbleiterelementen
vor dem Fortfahren mit dem Bondprozess gereinigt werden.
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Die 2 zeigt
unter anderem eine Steuerungs- und Antriebseinrichtung 18 für das Bondwerkzeug, die
dieses zu dem Punkt des Substrats bringt, wo ein Bondkontakt herzustellen
ist. Es kann zusätzlich
auch eine Einrichtung zur Bewegung und Drehung des Substrats 1 vorgesehen
sein. Die Steuerungs- und
Antriebseinrichtung 18 steuert das Bondwerkzeug in xy-Richtung über die
Oberfläche
des Substrats und zusätzlich
in z-Richtung, um den Bonddraht in Kontakt mit einer Anschlussfläche zu bringen.
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Der
Bonddraht ist, wie in 3 dargestellt, durch eine Öse des Bondwerkzeugs
oder durch eine Drahtführungskapillare
hinter dem Bondwerkzeug geführt,
so dass mit dem Bondwerkzeug auch ein freies Ende des Bonddrahtes
jeweils mitbewegt wird. Der Bonddraht 12 ist dabei auf
einer Spindel 19 aufgewickelt, die über einen Winkelmesser 20 verfügt, durch
den sich feststellen lässt,
wie viel von dem Bonddraht jeweils abgewickelt wurde. Während das
Bondwerkzeug mit Hilfe der wedge 11 eine Bondverbindung
herstellt, steht die Spindel 19 fest, um danach, wenn das
Bondwerkzeug zur nächsten
Bondstelle fährt,
weiter abgewickelt zu werden. Zwischen zwei Haltepunkten der Spindel 19 kann
dann mittels des Winkelmessers 20, jedoch auch durch die bis
zum nächsten
Bond verstreichende Zeit, ermittelt werden, welche Länge des
Bonddrahtes abgewickelt und für
eine Bondverbindung verwendet wurde. Die so gemessene Bonddrahtlänge kann
bis auf 1/10 mm genau bestimmt werden.
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Die
Bondeinrichtung verfügt über einen
Ultraschallantrieb 21, der mit dem Bondwerkzeug 9 verbunden ist
und dies in Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats 1 mit
einer alternie renden Bewegung mit Ultraschallfrequenz, beispielsweise
in der Größenordnung
von etwa 40 kHz bis 150 kHz beaufschlagt. Gleichzeitig wird mittels
des Messgerätes 22 die
reflektierte Ultraschallleistung gemessen und an eine Speichereinrichtung 23 gegeben,
die gleichzeitig auch die mit dem Deformationsmessgerät 15 erfasste
Deformation des Bonddrahtes in z-Richtung
aufnimmt. Zu den jeweiligen Messwerten in zwei Kanälen wird
als dritter Kanal die jeweilige Messzeit gespeichert, so dass sich
der Verlauf beider erfassten Messgrößen zeitaufgelöst darstellen
lässt.
Beispielsweise werden die Messungen mit dem ersten Touchdown, das
heißt
der Berührung
des Bonddrahtes auf einer Anschlussfläche begonnen oder mit einem
anderweitig in der Bondeinrichtung erzeugten Triggersignal. Während des
Bondens oder auch später
lässt sich
durch Analyse der Messkurven in der Speichereinrichtung 23 die
Qualität
einer einzelnen Bondverbindung beurteilen. Die entsprechenden Messkurven
werden beispielsweise nummeriert und sind den einzelnen Bondverbindungen
auch im nachhinein zuordenbar. Ganze Sets von Messungen sind dann
einem einzelnen Substrat zugeordnet.
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4 zeigt
eine Messeinrichtung, die im wesentlichen über alle Einrichtungen verfügt, wie
sie in der 2 dargestellt sind. Zusätzlich weist
die Bondeinrichtung ein Impedanzmessgerät 24 auf, das an einer Wechselspannungsquelle 25 angeschlossen
ist, welche ihrerseits mit zwei voneinander isolierten Teilen der Bondeinrichtung
oder des Halbleiterelementes verbindbar ist.
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In
der 4 sind verschiedene Varianten dargestellt, von
denen jedoch auch nur eine einzige bei einer Bondeinrichtung verwirklicht
sein kann. Die Wechselspannung 25 steht an den Anschlüssen 26, 27 zur
Verfügung.
Einerseits kann ein Pol 26 mit einem Anschluss 28 der
Bondeinrichtung verbunden sein, während der andere Anschluss 27 mit
einem Anschluss 29 einer isolierten Unterlage 30 für das Substrat 1 verbunden
wird. Die Unterlage 30 besteht aus einer unteren Gummischicht 31 und
einer oberen Metallisierung 32. Wichtig ist, dass die Unterlage 30 gegenüber der
Bondeinrichtung mit dem Bondwerkzeug 9 elektrisch isoliert
ist. Es besteht damit eine Kapazität zwischen der Unterlage 30 und
der Bondeinrichtung, die sich durch das Vorhandensein des Substrats 1 beziehungsweise
des Halbleiterelementes 4 ändert. Die Änderung der Impedanz ist unter
anderem auch davon abhängig,
wie die einzelnen Anschlüsse
des Halbleiterelementes 4 mit Anschlussflächen 2 auf
dem Substrat 1 verbunden sind. Das Substrat ist quasi kapazitiv
an den zwischen der Unterlage 30 und der Bondeinrichtung
gebildeten Kondensator angekoppelt. Es ergibt sich eine Gesamtkapazität, die durchaus
unterschiedlich ist je nachdem ob die Bonddrahtverbindungen zwischen
dem Halbleiterelement 4 und entsprechenden Anschlussflächen 2, 3 wunschgemäß und vollleitend
hergestellt sind oder nicht. Außerdem
ist die Impedanz beispielsweise vom Sperrvermögen einer Gate-Emitter-Strecke in dem Halbleiterelement
abhängig.
Ist eine solche Verbindung defekt, so zeigt sich dies an der entsprechenden
Messung im Messgerät 24 und
der Bondvorgang kann wegen des Schadens abgebrochen werden.
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Es
muss somit nicht gewartet werden, bis das Halbleiterelement 4 vollständig gebondet
ist, um dieses elektrisch zu untersuchen. Hierdurch wird Zeit beim
Bondprozess gespart. Außerdem
kann, während
die anderen Messungen wie beispielsweise der reflektierte Ultraschallleistung
und der Deformation durchgeführt werden,
gleichzeitig auch die elektrische Größe gemessen werden. Zeigt sich
während
des Bondprozesses, dass eine außerplanmäßige Veränderung
der Impedanz eintritt, so kann auf eine fehlerhafte Veränderung
des Halbleiterelementes durch den Bondprozess geschlossen werden.
Es kann dann das Bondprogramm an dem Punkt, an dem die schadhafte
Veränderung
festgestellt wurde, gezielt geändert
werden. Auf diese Weise wird der Ausschuss in einer Serie drastisch
gesenkt.
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Anhand
der 6 bis 9 und 11 bis 14,
welche unterschiedliche Ergebnisse von Messungen einer elektrischen
Größe wäh rend eines
Bondprozesses zeigen, soll die elektrische Messmethode und deren
Vorteile erläutert
werden.
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Die
in den 6 bis 9 und 11 bis 14 dargestellten
Messsignale wurden mit einer Vorrichtung erzeugt, bei welcher zunächst ein
Gate eines Halbleiterelements gebondet wurde, welches den ersten Pol
der Spannungsmessung bildet. Anschließend wird der Emitter des Halbleiterelements,
entweder ein einzelner Kontakt oder mehrere parallel geschaltete
Kontakte, gebondet. Die Bondeinrichtung ist dabei geerdet und bildet
den zweiten Pol zur Spannungsmessung. Zur Messung wird dabei eine
Gleichspannung angelegt.
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6 zeigt
in Kurve 1 den zeitlichen Verlauf der reflektierten Ultraschallleistung.
Bei Kontakt der Bondeinrichtung steigt das Signal im Punkt 1a der
Kurve 1 stark an, um anschließend im Verlauf 1b der
Kurve 1 bei Ausbildung des Bonds wieder abzufallen. Die
Kurve 2 zeigt das Messsignal der gemessenen elektrischen
Größe, vorliegend
der Spannung zwischen dem Gate und dem Emitter während des Bondprozesses. Der
starke Einbruch der Spannung der Kurve 2 im Punkt 2a zeigt
deutlich den beim Bonden erzeugten Kurzschluss zwischen dem Gate
und dem Emitter. Anhand eines derartigen Verlaufs der gemessenen
elektrischen Größe ist sofort
erkennbar, zu welchem Zeitpunkt und bei welchem Schritt des Bondprozesses,
somit bei welchem Bond, ein Fehler aufgetreten ist, so dass das
vorliegende Halbleiterelement aussortiert werden kann.
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In 7 sind
drei aufeinander folgende Bondprozesse eines Halbleiterelements
dargestellt. Die Kurve 1 zeigt wiederum den zeitlichen
Verlauf der reflektierten Ultraschallleistung, wobei an den Punkten 1a, 1b und 1c der
jeweilige Bondprozess durchgeführt
wird. Die Kurve 2 stellt wiederum die gemessene elektrische
Größe, vorliegend
die Spannung zwischen dem zuerst gebondeten Gate und den nachfolgend
gebondeten Emittern, dar. Das Signal zeigt keine Einbrüche, sondern
verläuft
im wesentlichen konstant, so dass sofort ersichtlich ist, dass während des
Bondprozesses keine Schädigungen
des Bauelements aufgetreten sind. Erkennbar sind jedoch die Schwankungen
in den Höhen
der Signale während
der einzelnen Bondprozesses 1a, 1b und 1c.
Aus dem unterschiedlichen Verlauf der Signale der Bondprozesse kann
auf eine unterschiedliche Qualität der
verschiedenen Bonds geschlossen werden. Im Idealfall sollten die
Signale der einzelnen Bondprozesse 1a, 1b und 1c identisch
verlaufen.
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8 zeigt
ein weiteres Beispiel eines vermessenen Bondprozesses mit zwei Bondschritten.
In der Kurve 1 ist der zeitliche Verlauf der reflektierten
Ultraschallleistung dargestellt, welche an den Punkten 1a und 1b jeweils
einen Bondprozess zeigt. Die Kurve 2 zeigt wiederum den
zeitlichen Verlauf der Spannung zwischen einem zuerst gebondeten
Gate und den nachfolgend gebondeten Emittern. Zwischen den beiden
Bondschritten 1a und 1b zeigt sich im Punkt 2a ein
Spannungseinbruch in der Kurve 2. Dieser weist auf einen
Defekt der Halbleiterstruktur hin, der nicht durch das Bonden verursacht
worden ist. Bei dem Spannungseinbruch an Punkt 2a handelt
es sich um den Touchdown, also das Aufsetzen des Bondwerkzeugs auf
der Halbleiteroberfläche
ohne Einwirkung von Ultraschallleistung. Die Spannungserhöhung zwischen
dem Touchdown und dem eigentlichen Bondvorgang (ab Punkt 2b)
macht dies deutlich, da hier der Draht nochmals von der Oberfläche entfernt
wird. Dieser Effekt ist nur bei dem ersten Emitterbond zu beobachten
und somit eine Kontrolle der Chipbeschaffenheit.
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Wichtig
für die
Prozesssicherheit beim Bonden ist es, Fehler, die nicht durch den
Bondprozess verursacht werden, diesem auch nicht zuzuordnen, wie
es bei dem beschriebenen Verlauf der Fall ist. Bei einem Bonddefekt
bleibt der Spannungseinbruch vom ersten Kontakt mit der zu bondenden
Oberfläche
bis zum Abschneiden bestehen, wie dies in 11 gezeigt
ist. Die nachfolgenden Bondverbindungen zeigen diesen Spannungsabfall
bereits bei der Kontaktierung der ersten gemeinsamen Oberfläche, wie
in 12 dargestellt.
-
In
den 13 und 14 sind
zwei Bondverläufe
dargestellt, die sich in ihrer Bondqualität des ersten Bonds signifikant
unterscheiden, ohne dass die Funktionsfähigkeit eingeschränkt wäre.
-
In 13 liegt
der Punkt 1 geringfügig
erhöht
zu den anderen Endpunkten der Bondverläufe (Punkt 2, 3 und 4).
In 14 liegt der Punkt 1 jedoch deutlich
höher als
die Punkte 2, 3 und 4, was bedeutet,
dass in die Bondung zu Punkt 1 erheblich weniger Energie
eingeprägt
wurde und somit die Qualität
der Bondung schlechter ist als bei Punkt 1 in 13.
Durch diese Auswertung ist es möglich,
solche qualitativ schlechteren Bonds zu ermitteln und ggf. als 1b-Ware
zu deklarieren bzw. auszusortieren.
-
9 zeigt
den zeitlichen Verlauf einer Impedanz während eines Bondprozesses,
bei welchem zwischen der Unterseite eines Substrats und der Bondeinrichtung
eine Wechselspannung gemäß der in 4 dargestellten
Bondeinrichtung angelegt wird. Während
des Bondprozesses wird somit die elektrische Größe, vorliegend die Impedanz
zwischen dem Substrat und dem gerade zu bondenden Emitter, zeitlich
in Abhängigkeit
von der angelegten Wechselspannung erfasst. Liegt eine kurzgeschlossene
Verbindung zwischen dem Gate und dem zu bondenden Emitter vor, ist
der zeitliche Verlauf der Impedanz in Abhängigkeit von dem Verlauf der
Wechselspannung im wesentlichen ellipsenförmig (s. Kurve 3a in 9).
Treten während
des Bondprozesses keine Schädigungen
auf, zeigt sich in dem zeitlichen Verlauf der Impedanz eine unregelmäßige Ausbuchtung
in dem ansonsten im wesentlichen ellipsenförmigen Verlauf (s. Kurve 3b in 9).
Auch bei einer Messung mit Wechselspannung lässt sich somit während des
Bondprozesses erkennen, ob eine Schädigung des Bauelements vorliegt.
-
Zur
Vermessung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterelementes
beziehungsweise des Substrates mit der in 4 dargestellten
Messeinrichtung können
die Anschlüsse 26, 27 auch
direkt mit Anschlüssen 33, 34 von
Anschlussflächen 2, 35 verbunden
werden. Diese Verbindung ist zwar während des sehr schnell durchgeführten Bondprozesses
schwierig herzustellen, jedoch erlaubt sie eine noch präzisere Messung
der elektrischen Eigenschaften des Substrats beziehungsweise des
Halbleiterelementes. Es kann auch auf der einen Seite ein Gateanschluss
mit einem Ausgang der Wechselspannung verbunden werden und auf der
anderen Seite die leitende Unterlage 30 oder die Bondeinrichtung
mit dem anderen Anschluss der Wechselspannung um einen aussagekräftigen elektrischen
Messwert zu erhalten. Die Messwerte der gemessenen Kapazität werden
von dem Messgerät 24 direkt
an eine Speichereinheit 36 zur Speicherung gegeben. Diese kann
den Messwerten einen Zeitstempel geben, dadurch dass eine Zeiterfassung 42 durch
die Bondeinrichtung oder eine Messeinrichtung für die Deformation oder die
reflektierte Ultraschallleistung getriggert wird.
-
Dadurch,
dass die verschiedenen Messgrößen zeitlich
aufgelöst
gemessen und gespeichert werden, lässt sich sowohl online als
auch im nachhinein bei der Analyse eines Bondvorganges genau sagen,
aufgrund welcher Vorgänge
sich eine elektrische Eigenschaft des Halbleiterelementes oder des
Substrats geändert
hat und ob dies wünschenswert
war oder nicht.
-
10 zeigt
ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Bonder
50,
einer Messschaltung
51, einem zu bondenden und zu vermessenden
Bauteil
52, einer Auswerteeinrichtung
53 sowie
einer Datenerfassungseinrichtung
54, anhand dessen die
unterschiedlichen Signalflüsse
und Speichermöglichkeiten
von ermittelten Daten erläutert
werden. Dazu gibt zunächst
die folgende Tabelle eine Übersicht, welche
Elemente der Vorrichtung untereinander welche Art von Daten oder
Signalen austauschen.
-
Der
Bonder 50 gibt zunächst
ein Triggersignal an die Messchaltung 51, um die jeweilige
Messung zu starten. Durch die Messschaltung 51 wird ein
Messsignal an das Bauteil 52 angelegt. Dies kann auch,
wie anhand der 4 beschrieben, kontaktlos erfolgen.
Von dem Bauteil 52 wird das durch das Bauteil 52 geänderte Messsignal
als Messwert an die Messschaltung 51 zurückgegeben.
Durch die Messschaltung 52 werden die aufbereiteten Messwerte
an die Auswerteeinrichtung 53 übergeben.
-
Der
Bonder 50 gibt zusätzlich
weitere Signale wie beispielsweise die reflektierte Ultraschallleistung oder
den Verformungsverlauf direkt an die Auswerteeinrichtung 53.
Schließlich
kommuniziert der Bonder 50 auch mit der Datenerfassungseinrichtung 54 und
stellt dieser sämtliche
Bondparameter zur Verfügung,
damit nach Abschluss des Bondprozesses jedem Bauteil 52 die
Bondparameter zugeordnet werden können. Insbesondere werden die
Bondparameter dabei zeitaufgelöst
hinterlegt, damit die unterschiedlichen Bondparameter den unterschiedlichen
Schritten des Bondprozesses und den dabei entstehenden Bondkontakten
zugeordnet werden können,
wodurch wiederum bei Kenntnis der Reihenfolge der Erstellung der
einzelnen Bondkontakten eine ortsaufgelöste Hinterlegung ermöglicht wird.
-
Der
Auswerteeinheit 53 werden von der Datenerfassungseinrichtung 54 die
entsprechenden Sollverläufe
der Signale vorgegeben. Hat die Auswerteeinheit 53 sämtliche
Bondparameter von dem Bonder 50 und die Messergebnisse
von der Messschaltung 51 erhalten, wird die Auswertung
der erhaltenen Daten durchgeführt.
Je nach Auswerteergebnis werden folgende Daten von der Auswerteeinheit 53 an
den Bonder 50 übermittelt:
Die Auswerteeinheit 53 liefert nach Vergleich der Istverläufe mit
den Sollverläufen
der gemessenen Signale ein Signal, ob der Bondprozess des vorliegenden
Bauteils 52 vollständig
gestoppt oder zumindest der nachfolgende Bondprozess gestoppt werden
soll und vor dem nächsten
Bondschritt eine Änderung
in der von dem Bonder 50 bereitgestellten Ultraschallleistung,
der Bondkraft, der Bondzeit, der Anstiegszeiten der Bondkraft oder
der Bondposition vorgenommen werden müssen. Somit kann während des
Bondprozesses eine Optimierung des Bondprozesses durchgeführt werden,
wodurch Schädigungen
von Bauteilen vermieden und Verluste gesenkt werden können.
-
Die
Auswerteeinrichtung 53 sendet weiterhin an die Datenerfassungseinrichtung 54 Information über die
entsprechenden Istverläufe
der Signale für
die einzelnen Bauteile 52 oder für ganze Chargen, über die Qualität der Bauteile
und ob ein Bauteil 52 auszusondern ist, und weitere Daten
beispielsweise zur Verformung des Bonddrahtes oder dem Zustand des
Bondstempels.
-
Die
Datenerfassungseinrichtung 54 erfasst sämtliche erhaltenen Daten und
ordnet sie bestimmten Bauteilen 52 oder ganzen Chargen
zeit- und ortsaufgelöst
zu. Weiterhin sind in der Datenerfassungseinrichtung einerseits
die für
die Auswerteeinrichtung 53 zur Verfügung zu stellenden Sollverläufe einschließlich der erlaubten
Schwankungsbreiten der zu erwartenden Signale und andererseits die
für den
Bonder 50 zur Verfügung
zu stellenden Bondparameter, insbesondere die erlaubten Schwankungsbreiten
der Bondparameter, oder eventuelle Änderungen der Bondparameter
gespeichert. Die Datenerfassungseinrichtung 54 leitet einen Abbruch
des Bondprozesses durch Signal an den Bonder 50 ein, falls
beispielsweise der Zustand des Bondstempels nicht mehr den vorgegebenen
Anforderungen genügt.
-
Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
können
Fehler auf Halbleiterelementen genauer als bisher vermessen werden
und es kann insbesondere festgestellt werden, ob diese vor dem Bond prozess
schon vorhanden waren oder erst durch das Bonden herbeigeführt worden
sind und wenn dies der Fall ist, durch welchen Schritt des Bondverfahrens.
Dadurch kann das Bondverfahren weiter optimiert werden und Verluste
können
gesenkt werden beziehungsweise fehlerhafte Chargen von Halbleiterelementen
können
zurückgewiesen werden.
Dabei kann die Erfindung ebenso beim Nailheadbonden wie bei anderen
Formen des Bondens angewendet werden. Eine entsprechende Messeinrichtung
für eine
elektrische Größe, beispielsweise
eine zu messende elektrische Kapazität, kann relativ einfach auch
bei bestehenden Bondeinrichtungen nachgerüstet werden. Entsprechende
Speichereinrichtungen zur Hinterlegung von zeitaufgelösten Messwerten
stehen oft schon zur Verfügung,
beispielsweise in Produktionssteuersystemen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren,
eine entsprechende Bondvorrichtung und ein entsprechendes System
leisten somit einen Beitrag zur Verbesserung der Produktionsbedingungen
für Halbleiterelemente.
-
- 1
- Substrat
- 2,
3
- Anschlussflächen
- 4
- Halbleiterelement
- 5,
8
- Kontaktfläche
- 6
- Bonddraht
- 7,
13
- Anschlussfläche
- 9
- Ultraschallbondwerkzeug
- 10
- Wedge
- 11
- Wulst
- 12
- Bonddraht
- 14
- Pfeil
- 15
- Deformationsmessgerät
- 16,
17
- Variante
- 18
- Antriebseinrichtung
- 19
- Spindel
- 20
- Winkelmesser
- 23
- Speichereinrichtung
- 24
- Impedanzmessgerät
- 26
- Anschluss/Pol
- 27–29
- Anschluss
- 30
- isolierte
Unterlage
- 31
- Gummischicht
- 32
- Obere
Metallisierung
- 33,
34
- Anschluss
- 35
- Anschlussfläche
- 36
- Speichereinheit
- 42
- Zeiterfassung
- 50
- Bonder
- 51
- Messschaltung
- 52
- Bauteil
- 53
- Auswerteeinrichtung
- 54
- Datenerfassung