DE102005015334A1 - Prober for testing substrate of e.g. semiconductor chip, has chuck with retaining surface to retain and cool substrate and fixed on carrier such that it is thermally uncoupled from another chuck and connected to cold head by connecting unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Prober zum Testen von Substraten bei Temperaturen im Bereich der Siedetemperatur von Helium mit einem Chuck, wobei der Chuck mittels eines Chuckantriebes zwischen einem Aufnahme- und einem Arbeitsbereich im Prober verfahrbar und thermisch von dem Chuckantrieb entkoppelt ist und Haltemittel zur Fixierung eines ein Testsubstrat aufnehmenden Substratträgers aufweist.The This invention relates to a sampler for testing substrates at temperatures in the range of the boiling temperature of helium with a chuck, whereby the Chuck by means of a Chuck drive between a recording and a working area in the prober and thermally moved by the Chuck drive is decoupled and holding means for fixing a comprising a test substrate receiving substrate carrier.
Die Prüfung von elektronischen Bauelementen, wie Halbleiterchips, Hybridbauelementen, mikromechanischen Bauelementen oder dergleichen, auf ihre Funktionssicherheit erfolgt in Probern vornehmlich unter den Umgebungsbedingungen, welche den Einsatzbedingungen des jeweiligen Bauelements entsprechen, oder unter solchen Umgebungsbedingungen, welche die geringste Störung des Signalverhaltens während der Prüfung verursachen. Einen Schwerpunkt stellt dabei die Messung von Bauelementen bei tiefen Temperaturen, insbesondere im Bereich der Siedetemperatur von Stickstoff und darunter dar. So erfolgt beispielsweise die Funktionsprüfung von hochsensiblen optischen Sensoren oder von supraleitenden Transistoren bei Tiefsttemperaturen, das heißt bis zur Größenordnung von nur einigen Kelvin, dem Bereich der Siedetemperatur von Helium.The exam of electronic components, such as semiconductor chips, hybrid components, Micromechanical components or the like, on their reliability takes place in Probern primarily under the environmental conditions, which correspond to the conditions of use of the respective component, or under such environmental conditions, which has the least disturbance of the Signal behavior during The examination cause. One focus is the measurement of components at low temperatures, especially in the boiling temperature range of nitrogen and below. For example, the functional test of highly sensitive optical sensors or superconducting transistors at lows, that is up to the order of magnitude of only a few Kelvin, the range of the boiling point of helium.
In der deutschen Offenlegungsschrift 102 46 282 wird ein Prober beschrieben, der zum Testen von verschiedensten Bauelementen bei tiefen Temperaturen verwendet wird. Die zu testenden Bauelemente (Testsubstrat) werden in diesem Prober unter Vakuumbedingungen gekühlt, indem sie mit einer Substrataufnahme, einem Chuck, in guten Wärmekontakt gebracht werden und der Chuck direkt gekühlt wird. Zur Kühlung des Chucks wird dieser von einem Kühlmittel durchflossen und gleichzeitig von der Umgebung und den angrenzenden Bauteilen durch ein ebenfalls direkt gekühltes Wärmestrahlungsschild und durch entsprechende Materialauswahl für die Teile, die einen Wärmeübergang darstellen, thermisch entkoppelt.In German Offenlegungsschrift 102 46 282 a Prober is described, the for testing of various components at low temperatures is used. The components to be tested (test substrate) are cooled in this sampler under vacuum conditions by working with a substrate receptacle, a chuck, brought into good thermal contact and the chuck cooled directly becomes. For cooling of the chuck it is traversed by a coolant and at the same time from the environment and the adjacent components by a likewise directly cooled Heat radiation shield and by appropriate material selection for the parts, which a heat transfer represent, thermally decoupled.
Zur Aufnahme eines Testsubstrates wird außerdem der Chuck von einem Arbeitsbereich in einen Aufnahmebereich verfahren, so dass sowohl die verschiedensten Arten von Testsubstraten aufnehmbar, das heißt die Zuführungen nicht auf in Magazinen gelagerten, gleichartige Testsubstrate beschränkt sind und dennoch der Prober zum Substratwechsel nicht vollständig geöffnet werden muss, was viel Kühlzeit und Energie spart.to Recording a test substrate will also be the chuck of one Work area moved into a receiving area, so that both a variety of types of test substrates are receivable, that is, the feeds not limited to magazines stored, similar test substrates are limited and Nevertheless, the Prober for substrate change are not fully opened has to, what a lot of cooling time and Energy saves.
Die mit diesem Prober erreichbare tiefe Temperatur ist durch das Kühlmittel begrenzt, welches zur Kühlung des Chucks verwendet wird. Da der Chuck zum Bewegen in den Arbeitsbereich des Probers nach der Aufnahme eines Testsubstrates und zur Positionierung des Bauelements relativ zu den Sondennadeln, mit denen die Beaufschlagung und der Abgriff der Signale am Bauelement erfolgt, in einem relativ großen Bereich verfahrbar sein muss, ist für seine Kühlung ein relativ großer Kühlmittelkreislauf mit möglichst flexiblen Kühlmittelleitungen erforderlich.The Achievable with this Prober low temperature is due to the coolant limited, which for cooling the chuck is used. Because the chuck is moving in the workspace of the prober after recording a test substrate and for positioning of the device relative to the probe needles with which the loading and the tapping of the signals on the device takes place in a relative huge Area must be movable, is for its cooling a relatively large coolant circuit with as possible flexible coolant lines required.
Insbesondere aufgrund dieses großen Kühlkreislaufes ist die Verwendung von flüssigem Helium als Kühlmittel jedoch ausgeschlossen, so dass der beschriebene Prober zur Verwendung bei Tiefsttemperaturen nicht einsetzbar ist. Der Grund dafür liegt zum einen in der großen Verdunstungsmenge des Heliums, die aus dem großen Kreislauf und der Größe sowie Anzahl der damit zu kühlenden Bauteile resultiert. Zum anderen ist aus Kostengründen und wegen der begrenzten Verfügbarkeit von Helium die Herstellung eines geschlossenen Heliumkreislaufes erforderlich, was wiederum bei solch einem großen Kühlkreislauf einen hohen anlagentechnischen Aufwand und dazu eine deutliche Einschränkung der Beweglichkeit des Chucks mit sich bringt.Especially because of this great Cooling circuit is the use of liquid Helium as a coolant however excluded so that the described prober is for use at cryogenic temperatures can not be used. The reason for this is to one in the big one Evaporation amount of helium from the big circle and the size as well Number of cooling with it Components results. On the other hand, for cost reasons and because of limited availability helium requires the creation of a closed helium cycle, which in turn with such a large refrigeration cycle a high technical equipment Effort and to a significant restriction of the mobility of the Chucks brings.
Darüber hinaus ist aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen einem auf Heliumtemperatur gekühlten Chuck und den minimal auf Stickstofftemperatur kühlbaren umgebenden Bauteilen sowie aufgrund der relativ großen Flächen dieses Chucks der Wärmeeintrag durch Wärmestrahlung so groß, dass das Testsubstrat nicht auf die Siedetemperatur des Heliums kühlbar ist, sondern sich eine Gleichgewichtstemperatur deutlich über 4 Kelvin einstellt. Eine Einbeziehung des Wärmestrahlungsschildes in den Kühlkreislauf des Heliums zur Verringerung des Wärmeeintrages von den umgebenden ist jedoch wegen der damit einhergehenden enormen Vergrößerung des Kreislaufs ausgeschlossen.Furthermore is due to the temperature difference between one at helium temperature cooled Chuck and the minimum at nitrogen temperature coolable surrounding components as well as due to the relatively large surfaces this chuck the heat entry by heat radiation so big that the test substrate is not on the boiling point of helium cooled but is an equilibrium temperature well above 4 Kelvin established. An inclusion of the heat radiation shield in the Cooling circuit of helium to reduce the heat input from the surrounding However, because of the associated enormous increase in the Circulatory excluded.
Auch die Flexibilität der Kühlmittelleitungen ist bei Tiefsttemperaturen so verringert, dass die Verfahrbarkeit des Chucks deutlich eingeschränkt ist. Doch gerade in diesem Temperaturbereich ist das Verfahren des Chucks von einem Aufnahme- in einen Arbeitsbereich besonders Kosten sparend, da mit sinkender Temperatur wesentlich längere Kühlzeiten und mehr Energie zur Kühlung erforderlich sind und deshalb die bei einem Wechsel des Testsubstrats der warmen Umgebung ausgesetzten Bauteile minimiert werden sollten.Also the flexibility the coolant lines is at cryogenic temperatures so reduced that the mobility of the Chucks clearly limited is. But just in this temperature range is the method of Chucks from a receptionist to a workspace especially cost saving, as with decreasing temperature significantly longer cooling times and more energy for cooling are required and therefore the case of a change of the test substrate components exposed to warm environment should be minimized.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, einen Prober darzustellen, mit welchem bei minimalem Kühlmittelbedarf insbesondere des Heliums die universelle Prüfung der verschiedensten Testsubstrate bis zu einer Temperatur im Bereich der Siedetemperatur von Helium und gleichzeitig die Verfahrbarkeit der Substrataufnahme von einem Aufnahme- in einen Arbeitsbereich möglich ist.Thus, the invention has the object to represent a Prober, with which with minimum coolant requirements in particular Helium is the universal testing of a variety of test substrates up to a temperature in the range of the boiling point of helium and at the same time the mobility of the substrate recording from a recording into a working area is possible.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Prober eine Kältemaschine (Refrigerator) mit einem Kaltkopf (Cold Heat) aufweist, dass auf dem Substratträger ein zweiter Chuck mit einer zweiten Aufnahmefläche zur Aufnahme und zur Kühlung eines Testsubstrats derart fixiert ist, dass der zweite Chuck thermisch von dem ersten Chuck entkoppelt ist und dass der zweite Chuck über gut wärmeleitende Verbindungsmittel mit dem Kaltkopf verbunden ist.According to the invention Task solved by that the Prober a chiller (Refrigerator) with a cold head (cold heat) that has on the substrate carrier a second chuck with a second receiving surface for receiving and cooling a Test substrate is fixed such that the second chuck thermally is decoupled from the first chuck and that the second chuck over well thermally conductive Connecting means is connected to the cold head.
Die Verwendung eines zweiten Chucks, welcher zwischen dem Substratträger und dem sonst üblicherweise direkt auf dem Substratträger fixierten Testsubstrat eingefügt wird, gemeinsam mit der Verwendung eines Refrigerators, welche ihren Kaltkopf bis auf wenige Kelvin kühlen kann, und der mittels der gut wärmeleitenden Verbindungsmittel, beispielsweise aus Kupfer, hergestellten, guten thermischen Verbindung des Kaltkopfes nur mit dem zweiten und nicht mit dem ersten Chuck, gestattet die Minimierung des Energie- und des Kühlmittelaufwandes bei Beibehaltung der Verfahrbarkeit des ersten Chucks mittels seines Chuckantriebes, insbesondere für das Verfahren des ersten und somit auch des zweiten Chucks zwischen der Arbeitsposition, wo die eigentliche Messung erfolgt und der Aufnahmeposition, wo der Wechsel oder die Bestückung des ersten Chucks mit dem, zweiten Chuck und Testsubstrat aufweisenden, Substratträger erfolgen kann.The Using a second chuck, which between the substrate carrier and otherwise usually directly on the substrate carrier inserted fixed test substrate is, together with the use of a refrigerator, which their Cool the cold head to a few Kelvin can, and by means of the good heat-conducting Connecting means, for example, made of copper, good thermal connection of the cold head only with the second and not with the first chuck, allowing the minimization of energy and the coolant expense while maintaining the mobility of the first chuck by means of his Chuck drive, especially for the process of the first and thus also the second chuck between the working position where the actual measurement takes place and the Recording position, where the change or placement of the first chuck with the second chuck and test substrate having, substrate carrier carried out can.
Infolge der thermischen Entkopplung des zweiten Chucks von dem ersten Chuck ist nur der zweite Chuck und keine weiteres Bauteil auf die genaue Prüftemperatur zu kühlen und diese Temperatur zu stabilisieren, so dass die Stabilität und die Reproduzierbarkeit der Prüftemperatur deutlich verbessert sind. Darüber hinaus kann der zweite Chuck in seiner Größe und Form sehr flexibel dem jeweiligen Testsubstrat angepasst werden, ohne Rücksicht auf die am ersten Chuck vorhandenen mechanischen und thermischen Nahtstellen. Die Adaption des zweiten Chucks an diese Nahtstellen erfolgt mittels eines wechselnd zu gestaltenden Substratträgers. Zur Realisierung der thermischen Entkopplung ist der Substratträger vorzugsweise aus einem schlecht wärmeleitenden Kunststoff hergestellt, so dass er ein sehr preisgünstiges und hauptsächlich variabel zu gestaltendes Bauteil darstellt.As a result the thermal decoupling of the second chuck from the first chuck is only the second chuck and no further component on the exact Test temperature to cool and to stabilize this temperature, so that the stability and the Reproducibility of the test temperature are significantly improved. About that In addition, the second chuck can be very flexible in its size and shape respective test substrate to be adjusted, without regard to the first chuck existing mechanical and thermal interfaces. The adaptation the second chuck to these seams by means of a changing to be designed substrate carrier. To realize the thermal decoupling, the substrate carrier is preferably from a bad heat-conducting Made of plastic, making it a very reasonably priced and mainly represents variable to be designed component.
Sofern entsprechend einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der zweite Chuck lösbar auf dem Substratträger fixiert ist, wird die Optimierung von Form und Größe des zweiten Chucks in Bezug auf das Testsubstrat weiter verbessert und somit die Zeit und Energie bis zur Einstellung der Prüftemperatur sowie der Kühlmittelbedarf weiter verringert. Darüber hinaus kann ein Substratträger so ausgestattet sein, dass er verschiedenartige, zweite Chucks aufnehmen kann, so dass gegebenenfalls nur der zweite Chuck und nicht mehr der gesamte Substratträger bei einem Wechsel des Testsubstrats getauscht werden muss.Provided according to a further, particularly advantageous embodiment the invention of the second Chuck solvable on the substrate carrier is fixed, the optimization of the shape and size of the second Chucks further improved with respect to the test substrate and thus the time and energy required to set the test temperature and the coolant requirement further reduced. About that In addition, a substrate carrier be equipped to record different, second chucks can, if necessary, only the second chuck and not more of the entire substrate carrier must be exchanged when changing the test substrate.
Aufgrund der Aufgabenstellung, die Substrataufnahme verfahrbar zu gestalten, ist es erforderlich die Verbindungsmittel zwischen Kaltkopf und zweitem Chuck derart zu gestalten, dass sie der Bewegung des zweiten Chucks folgen können. Das kann beispielsweise durch die Verwendung von in mehrere Abschnitte unterteilte Verbindungsmittel realisiert sein, wobei die einzelnen Abschnitte mit Gelenken oder vergleichbaren, beweglichen Zwischengliedern miteinander verbunden sind.by virtue of the task of making the substrate holder movable, it is necessary the connecting means between cold head and second Chuck to shape the movement of the second chuck can follow. This can be done, for example, by using it in several sections subdivided connecting means be realized, wherein the individual Sections with joints or comparable, movable pontics connected to each other.
Bezüglich der Bewegungsfreiheit des zweiten Chucks hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Verbindungsmittel flexibel und/oder lösbar mit dem zweiten Chuck verbunden sind. Sind sie flexibel, beispielsweise aus Drähten oder Bändern, können sie unmittelbar der Bewegung des Chucks folgen, wobei deren Länge und Anordnung variabel dem auszuführenden Verfahrweg bis in die präzise Messposition anzupassen sind. Sind die Verbindungsmittel lösbar mit dem zweiten Chuck verbunden, kann die Substrataufnahme wie erforderlich verfahren und positioniert werden und anschließend erfolgt erst die Herstellung der Verbindung mit dem zweiten Chuck zwecks dessen Kühlung. Selbstverständlich ist auch die Kombination beider Gestaltungsmöglichkeiten ausführbar, so dass beispielsweise die größeren Distanzen zur Vorpositionierung bei getrennter Verbindung zwischen Verbindungsmittel und zweitem Chuck überwunden werden und anschließend die Feinpositionierung bei hergestellter Verbindung erfolgt.Regarding the Freedom of movement of the second chuck, it has to be particularly advantageous proved that the connecting means flexible and / or detachable with connected to the second chuck. Are they flexible, for example from wires or ribbons, can they follow immediately the movement of the chuck, whereby their length and Arrangement variable to be carried out Travel to the precise Measuring position are to be adjusted. Are the connecting means detachable with connected to the second chuck, the substrate holder can proceed as required and are positioned and then carried out only the production the connection with the second chuck for the purpose of cooling it. Of course it is also the combination of both design options executable, so that, for example, the larger distances for pre-positioning with separate connection between connecting means and second Chuck overcome and then the fine positioning takes place when the connection is made.
Sofern die Verbindungsmittel vom Chuck lösbar sind, gestattet die erfindungsgemäße Anordnung eines zweiten, das Testsubstrat aufnehmenden Chucks auf dem Substratträger, dass auf dem Substratträger zumindest noch ein dritter Chuck, der in der Form des zweiten Chucks ausgeführt ist, fixierbar ist. Auf diese Weise kann der Substratträger in einem Ablauf mit mehreren Testsubstraten bestückt werden, die nacheinander nach dem Lösen der Verbindungsmittel mittels des Chuckantriebes in ihre jeweilige Messposition gefahren, dort mit dem Kaltkopf des Refrigerators thermisch verbunden und nach der Temperatureinstellung geprüft werden können.Provided the connecting means are detachable from the chuck, the inventive arrangement allows a second, the test substrate receiving Chucks on the substrate carrier, that on the substrate carrier at least a third chuck in the shape of the second chuck accomplished is, is fixable. In this way, the substrate carrier in a sequence equipped with several test substrates be successively after loosening the connecting means means drove the Chuck drive in their respective measurement position, there thermally connected to the cold head of the refrigerator and after the temperature setting checked can be.
Desgleichen erweist es sich als dienlich, dass die Verbindungsmittel neben ihrer lösbaren Verbindung am zweiten Chuck auch lösbar mit dem Kaltkopf verbunden sind. Dies ermöglicht den Wechsel der Verbindungsmittel, beispielsweise wegen wechselnder Anforderungen hinsichtlich Flexibilität oder Länge, und ebenso deren Demontage zu Reparatur- und Reinigungszwecken. Sofern der Prober bei solchen Temperaturen betrieben werden soll, für welche der Refrigerator nicht erforderlich ist, kann es ebenso von Vorteil sein, die Verbindungsmittel zu entfernen.Likewise, it proves to be useful that the connecting means in addition to their detachable connection on the second chuck also releasable with the cold head are connected. This allows the change of the connecting means, for example because of changing requirements in terms of flexibility or length, and also their disassembly for repair and cleaning purposes. If the prober is to be operated at temperatures for which the refrigerator is not required, it may also be advantageous to remove the connecting means.
Entsprechend einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist die Kontaktierung des Testsubstrats für die Signalbeaufschlagung und/oder den Signalabgriff anstelle mit Kontaktnadeln mittels Drahtbrücken ausgeführt. Die Drahtbrücken sind in der Lage, Schwingungen, welche von dem Refrigerator auf die Prüfanordnung übertragen werden, oder Verschiebungen wegen unterschiedlichem Ausdehnungsverhalten der verschiedenen Materialien während des Abkühlungsprozesses auszugleichen. Die Ausführung der Drahtbrücken kann wegen der lösbaren Fixierung des Substratträgers auf dem ersten Chuck und der Anordnung des Testsubstrats mittels des zweiten Chucks auf dem Substratträger in besonders günstiger Weise auch außerhalb des Probers erfolgen, ohne dass eine vollständige Öffnung des Prüfraumes erforderlich ist.Corresponding a particularly favorable embodiment the invention is the contacting of the test substrate for the signal application and / or the signal tap instead of using contact pins by wire bridges. The jumpers are able to absorb vibrations from the refrigerator the test arrangement are transmitted or displacements due to different expansion behavior of different materials during the cooling process compensate. Execution the wire bridges can because of the detachable Fixation of the substrate carrier on the first chuck and the arrangement of the test substrate by means of the second chuck on the substrate carrier in particularly favorable Way also outside of Probers done without requiring a full opening of the test room is required.
Wegen der beschriebenen Reduzierung der auf Tiefsttemperaturen zu kühlenden Bauteile und Optimierung deren Volumina, gestattet der erfindungsgemäße Prober eine gezielte und deshalb besonders effektive Abschirmung dieser Bauteile vor der Wärmestrahlung der Umgebung. Deshalb sieht eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung vor, dass die Verbindungsmittel zwischen Kaltkopf und dem zweiten Chuck thermisch abgeschirmt sind, indem die gesamte Verbindung von einem ersten Wärmestrahlungsschild umgeben ist. Dafür ist das Wärmestrahlungsschild so auszubilden, dass sowohl die die Verbindungsmittel selbst, unabhängig von ihrer Gestaltung, als auch die Kotakte am Kaltkopf und am zweiten Chuck von dem Wärmestrahlungsschild gegenüber der wärmeren Umgebung abgeschirmt sind. Günstigerweise kann auch der Kaltkopf von dem ersten Wärmestrahlungsschild umgeben ist, was zu einer deutlichen Verringerung des durch den Refrigerator aufzubringenden Kühlaufwandes führt.Because of the described reduction of cooling to cryogenic temperatures Components and optimization of their volumes, allows the prober invention a targeted and therefore particularly effective shielding of this Components before heat radiation the environment. Therefore, an advantageous embodiment of the Invention that the connecting means between the cold head and the second chuck are thermally shielded by the entire Connection from a first heat radiation shield is surrounded. Therefore is the heat radiation shield in such a way that both the connection means themselves, regardless of their design, as well as the Kotakte the cold head and the second Chuck from the heat radiation shield across from the warmer Environment are shielded. conveniently, also the cold head can be surrounded by the first heat radiation shield is, resulting in a significant reduction of the refrigerator applied cooling effort leads.
Sofern ein zweites Wärmestrahlungsschild zumindest um den Bereich des zweiten Chucks angeordnet ist, das den Wärmeeintrag in den zweiten Chuck und somit in das Testsubstrat durch Wärmestrahlung minimiert, kann die Effektivität der Kühlung weiter verbessert werden. Bei einer guten thermischen Entkopplung des zweiten Chucks vom ersten Chuck ist solch ein kleines, nur den zweiten Chuck umgebendes zweites Wärmestrahlungsschild ausreichend, sollen jedoch mehrere zweite Chucks auf dem Substratträger angeordnet werden oder werden weitere Bauteile am Substratträger gekühlt, kann dieses Wärmestrahlungsschild auch den gesamten Substratträger, einschließlich des ersten Chucks abschirmen.Provided a second heat radiation shield at least arranged around the area of the second chuck, which is the heat input in the second chuck and thus in the test substrate by thermal radiation minimized, can the effectiveness the cooling continues be improved. With a good thermal decoupling of the second Chuck from the first chuck is such a small one, just surrounding the second chuck second heat radiation shield sufficient, however, several second chucks are arranged on the substrate carrier be or other components are cooled on the substrate carrier can this heat radiation shield also the entire substrate carrier, including shield the first chuck.
Den gleichen, energiesparenden Effekt hat jene Ausgestaltung der Erfindung, in welcher der Refrigerator von einem dritten Wärmestrahlungsschild umgeben ist. Zum einen wird die Erwärmung der kalten Bauteile der zweiten, auf Heliumtemperatur kühlenden Stufe des Refrigerators durch die Umgebungsstrahlung vermindert. Zum anderen wird auch die Strahlung der dem gegenüber deutlich wärmeren Teile der ersten Stufe der Kältemaschine abgeschirmt, in welcher vorzugsweise flüssiger Stickstoff als Kältemittel dient.The same, energy-saving effect has that embodiment of the invention, in which the refrigerator surrounded by a third heat radiation shield is. First, the warming the cold components of the second, cooling on helium temperature Stage of the refrigerator reduced by the ambient radiation. On the other hand, the radiation of the opposite is clear warmer parts the first stage of the chiller shielded, in which preferably liquid nitrogen as the refrigerant serves.
Indem entsprechend weiterer Ausgestaltungen der Erfindung eines, zwei oder alle drei Wärmestrahlungsschilder zumindest für einen Anfangszeitraum der Kühlung direkt gekühlt werden und gegebenenfalls zumindest die Kühlung des ersten und des zweiten Wärmestrahlungsschildes mittels vom Refrigerator unabhängiger Kältequelle erfolgt, ist das Erreichen der Prüftemperatur deutlich schneller möglich. Die direkte Kühlung erfolgt dabei vorzugsweise mittels Durch- oder Umströmens der Schilde mit einem Kühlmittel bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Schild die Kühlmitteltemperatur erreicht hat. Erfolgt die Prüfung des Testsubstrats bei einer Temperatur, welche im Bereich der Kühlmitteltemperatur liegt, beispielsweise der des flüssigen Stickstoffs, kann eine dauerhafte Kühlung der Schilde erfolgen. Sind aber Temperaturen unterhalb der Kühlmitteltemperatur einzustellen, insbesondere von einigen Kelvin, würde eine weitere Kühlung der Schilde genau das Gegenteil bewirken und die Schilde würden als fortlaufende Wärmequelle gegenüber dem kälteren Testsubstrat und den anderen kälteren Bauteilen wirken.By doing according to further embodiments of the invention one, two or all three heat shields at least for an initial period of cooling directly cooled and optionally at least the cooling of the first and the second Thermal radiation shield by means of the refrigerator independent cold source takes place, reaching the test temperature is much faster possible. The direct cooling takes place preferably by means of flow or flow around the Shields with a coolant until the time the shield reaches the coolant temperature Has. The exam is done of the test substrate at a temperature which is in the range of the coolant temperature is, for example, the liquid Nitrogen, a permanent cooling of the shields can be done. But if temperatures are to be set below the coolant temperature, in particular, of some Kelvin, would further cooling the Shields do exactly the opposite, and the shields are called continuous heat source across from the colder Test substrate and the other colder Act components.
Eine thermische Verbindung des ersten mit dem zweiten Wärmestrahlungsschild bewirkt ein einheitliches Temperaturregime für die Schilde der Verbindungsmittel und des zweiten Chucks und führt somit zur Stabilisierung und Beschleunigung des Kühlprozesses. Diese Wirkung tritt insbesondere dann ein, wenn darüber hinaus auch das erste und das dritte Wärmestrahlungsschild thermisch verbunden sind, da in diesem Fall das in der Regel vom Refrigerator mit gekühlte dritte Wärmestrahlungsschild von den anderen Schilden mit gekühlt wird.A thermal connection of the first with the second heat radiation shield causes a uniform temperature regime for the shields of the connecting means and the second chuck and leads thus stabilizing and accelerating the cooling process. This effect occurs in particular when, moreover also the first and the third heat radiation shield thermally connected, since in this case the usually of Refrigerator with refrigerated third heat radiation shield from the other shields with cooled becomes.
Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der erste Chuck kühlbar und/oder heizbar ist. Auf diese Weise ist eine Umrüstung des Probers auf den Prüfbetrieb bei höheren, das heißt durch direkte Kühlung mittels eines Kühlmittels erreichbaren Temperaturen sehr schnell und problemlos möglich. Zu diesem Zweck kann auf dem Substratträger in der bekannten Weise ein Testsubstrat so angeordnet sein, dass es in gutem Wärmekontakt zu dem ersten Chuck steht und durch diesen gekühlt wird. Der zweite Chuck wird, ebenso wie der Refrigerator, in diesem Fall nicht benötigt oder, sofern er lösbar montiert ist, nicht auf dem Substratträger angeordnet. Auf diese Weise kann die Anwendungsbreite des erfindungsgemäßen Probers in Abhängigkeit vom verwendeten Kühlmittel zur Kühlung des ersten Chucks wesentlich erweitert werden, praktisch bis zu Raumtemperaturen, ohne dass besondere Umbauten erforderlich sind. Mittels der Heizung des ersten Chucks können darüber hinaus jede Temperatur, unabhängig von der Kühlmitteltemperatur eingestellt und auch der Aufheizprozess des gekühlten Chucks zum Beispiel für einen Wechsel der Prüfanordnung beschleunigt werden.A further, particularly advantageous embodiment of the invention provides that the first chuck is coolable and / or heatable. In this way, a conversion of the Probers on the test operation at higher, that is achievable by direct cooling by means of a coolant temperatures very quickly and easily possible. For this purpose, a test substrate may be arranged on the substrate carrier in the known manner so that it is in good heat Mekontakt to the first chuck is and is cooled by this. The second chuck is, like the refrigerator, not needed in this case or, if it is detachably mounted, not arranged on the substrate carrier. In this way, the range of application of the tester according to the invention, depending on the coolant used for cooling the first chuck can be significantly expanded, practically up to room temperatures, without any special modifications are required. In addition, by means of the heating of the first chuck, any temperature, irrespective of the coolant temperature, can be set and also the heating process of the cooled chuck can be accelerated, for example, for a change of the test arrangement.
Indem in einer besonderen Ausführung der Erfindung die unmittelbar und mittelbar gekühlten Teile beider Chucks, der Refrigerator, der Verbindungsmittel sowie der Wärmestrahlungsschilde aus gut wärmeleitfähigem Material bestehen und die gekühlten Teile der Chucks hoch reflektierende Oberflächen aufweisen, wird der Wärmeaustausch mit den umgebenden Bauteilen durch Wärmestrahlung minimiert sowie mit den zu kühlenden Teilen durch Wärmeleitung optimiert.By doing in a special version the invention the directly and indirectly cooled parts of both chucks, the refrigerator, the connecting means and the heat radiation shields made of good thermally conductive material exist and the cooled Parts of the Chucks have highly reflective surfaces, the heat exchange with the surrounding components minimized by heat radiation as well with the to be cooled Split by heat conduction optimized.
Darüber hinaus ist es dienlich, wenn der Substratträger symmetrisch, bezogen auf zumindest eine Symmetrieachse, ausgeführt ist. Mit dieser, beispielsweise rotationssymmetrischen Ausführung können zum einen thermische Spannungen während der Kühlung und zum anderen bei zentraler Halterung des Substratträgers dessen Kippen infolge der aus nur einem zweiten Chuck resultierenden ungleichmäßigen Belastung verhindert werden.Furthermore it is useful if the substrate carrier is symmetrical, based on at least one axis of symmetry is executed. With this, for example rotationally symmetric Execution can for a thermal stress during the cooling and on the other hand with central support of the substrate carrier Tilting due to uneven loading resulting from only a second chuck be prevented.
Eine Verringerung der Kühlleistung kann auch durch solch eine Ausgestaltung erzielt werden, dass der Substratträger seine Masse reduzierende Ausnehmungen aufweist, seine Wärmekapazität somit verringert wird, wobei lediglich die Stabilität des Substratträgers und gegebenenfalls seine Symmetrie zu berücksichtigen sind.A Reduction of cooling capacity can also be achieved by such an embodiment that the substrate carrier its mass reducing recesses, thus its heat capacity is reduced, with only the stability of the substrate carrier and if necessary, its symmetry must be taken into account.
Aufgrund des Arbeitsprinzips des Refrigerators als Kompressor erweist es sich von besonderem Vorteil, wenn der Refrigerator auf einer Aufnahme montiert ist, welche die Schwingungsentkopplung des Refrigerators zu dem Prober verwirklicht. Die Schwingungsentkopplung gewährleistet die Einhaltung der erforderlichen Toleranzen in der Prüfgeometrie, die wegen der Größenordnungen der Kontaktierungen der Testsubstrate sehr gering sind. Dies trifft insbesondere bei der Verwendung von Kontaktnadeln zu, wo keine feste Verbindung zwischen der Nadelspitze und dem Testsubstrat hergestellt wird.by virtue of the working principle of the refrigerator as a compressor proves it particularly advantageous when the refrigerator is mounted on a receptacle which is the vibration isolation of the refrigerator to the Prober realized. The vibration decoupling ensured compliance with the required tolerances in the test geometry, because of the orders of magnitude the contacts of the test substrates are very low. This is especially true when using contact pins too, where no firm connection between the needle tip and the test substrate.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt inThe Invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. The associated Drawing shows in
Wie
in
Der
zylinderförmige
erste Chuck
Auf
die ebene und glatte, auf der Oberseite des ersten Chucks
Durch
die flächige
Auflage des Testsubstrats
Der,
bezogen auf den ersten Chuck
Ein
an der Unterseite des zweiten Chucks
Der
Refrigerator
Über dem
Substratträger
Das
erfindungsgemäße erste
Wärmestrahlungsschild
Über eine
nicht näher
dargestellte Mess- und Regelungseinheit wird die zur Prüfung des
Testsubstrats
Der
in
Der
zweite Chuck
Der
Kaltkopf
- 11
- Kammergehäusechamber housing
- 22
- Beladeöffnungloading opening
- 33
- Klappeflap
- 44
- Revisionsöffnunginspection opening
- 55
- erster Chuckfirst Chuck
- 66
- zweiter Chucksecond Chuck
- 77
- ChuckantriebChuck drive
- 88th
- KühlmittelleitungCoolant line
- 99
- Kanülenneedles
- 1010
- ChuckheizungChuck Heating
- 1111
- Zwischenstückconnecting piece
- 1212
- erste Aufnahmeflächefirst receiving surface
- 1313
- Substratträgersubstrate carrier
- 1414
- Basiselementbase element
- 1515
- Isolierelementinsulating
- 1616
- erste Ausnehmungenfirst recesses
- 1717
- zweite Aufnahmeflächesecond receiving surface
- 1818
- Testsubstrattest substrate
- 1919
- Drahtbrückenjumpers
- 2020
- Mikroskopiereinheitmicroscopy purity
- 2121
- Kontaktelementcontact element
- 2222
- Verbindungsmittelconnecting means
- 2323
- Kaltkopfcold head
- 2424
- Refrigeratorrefrigerator
- 2525
- erste Kältestufefirst cold stage
- 2626
- zweite Kältestufesecond cold stage
- 2727
- Montageelementmounting element
- 2828
- Kompressoreinheitcompressor unit
- 2929
- erstes Wärmestrahlungsschildfirst Thermal radiation shield
- 3030
- zweites Wärmestrahlungsschildsecond Thermal radiation shield
- 3131
- drittes Wärmestrahlungsschildthird Thermal radiation shield
- 3232
- zusätzliches Wärmestrahlungsschildadditional Thermal radiation shield
- 3333
- KühlmitteltankCoolant tank
- 3434
- zweite Ausnehmungsecond recess
- 3535
- Kupferbändercopper strips
- 3636
- Gabelfork
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