DE102005035031A1

DE102005035031A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Prüfen von integrierten Halbleiterschaltkreisen auf Wafern

Info

Publication number: DE102005035031A1
Application number: DE200510035031
Authority: DE
Inventors: Klaus Rittberger; Heinrich Wieczorek
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-02-01

Abstract

Vorrichtung zum Prüfen einer Vielzahl von integrierten Halbleiterschaltkreisen auf Wafern (3) mit einer Tragevorrichtung (7) zur Aufnahme und Temperieren, insbesondere zum Aufheizen oder Herunterkühlen, des Wafers (3), einer Messkarte (4) mit elektronischen Schaltungsanlagen zur Funktionskontrolle der auf den Wafern (3) angeordneten integrierten Halbleiterschaltkreisen (6), einem mit der Messkarte (4) verbundenen Testkopf (1) mit Kontaktnadeln (2), der einen elektrischen Kontakt zwischen der Messkarte (4) und den integrierten Halbleiterschaltkreisen (6) herstellt, und wenigstens einer Düse (9, 11) zur Einleitung eines Spülgases auf die Waferoberfläche, wobei die Vorrichtung (12) ohne abschließende Hülle vorgesehen ist und dass Tragevorrichtung (7), Messkarte (4), Wafer (3), Testkopf (1) und Düse (9, 11) dem Gasgemisch der Atmosphäre ausgesetzt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Prüfen von integrierten Halbleiterschaltkreisen auf Wafern, gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 8.
Nach der Fertigstellung von integrierten Halbleiterschaltkreisen werden diese in einem Testschritt einer Funktionskontrolle unterzogen, während sie noch im Wafer integriert sind, also vor ihrer Vereinzelung. Das Verhältnis von brauchbaren zur Gesamtzahl aller auf einem Wafer vorhandenen elektronischen Bauelemente wird als „Die Yield" bezeichnet und ist eine wichtige Kennzahl zur Beurteilung des Fertigungsprozesses und der Wirtschaftlichkeit einer Produktionslinie.
Eine Vorrichtung zum Testen der Wafer umfasst eine verschiebliche Tragvorrichtung, einen so genanten Chuck, auf dem der Wafer aufgelagert, mittels einer Vakuumpumpe angesaugt, fixiert und in x-, y- und z- Richtung verschoben werden kann. Weiterhin enthält die Vorrichtung eine Messkarte, auf der elektronische Schaltungen angeordnet sind, mittels derer die Funktionsfähigkeit der integrierten Halbleiterschaltkreise auf dem Wafer überprüft werden können. Auf der Unterseite der Messkarte und über einen Haltemechanismus mit dieser elektrisch leitend verbunden ist jeweils ein Testkopf mit federnden, haardünnen Kontaktnadeln angeordnet, welcher den elektrischen Kontakt zwischen Messkarte und den integrierten Halbleiterschaltkreisen auf dem Wafer herstellt. Dabei sind Messkarte und Testkopf mit einer Öffnung versehen, in die die Kontaktnadeln hineinragen. Diese sind ihrer Zahl und Anordnung nach jeweils an die zu testenden Halbleiterschaltkreise und den dadurch festgelegten Kontaktflächen angepasst. Wenn der Wafer mit Hilfe der verschieblichen Tragevorrichtung unterhalb der Kontaktnadeln des Testkopfes an der Stelle positioniert worden ist, wo die Kontaktflächen liegen, wird die Tragevorrichtung nach oben gefahren (z-Position) und die Kontaktflächen der Halbleiterschaltkreise werden mit einem speziellen Anpressdruck gegen die Kontaktnadelspitzen gedrückt. Während der Kontaktierung senden die elektronischen Schaltungen auf der Messkarte Testsignale aus und werten die Antwortsignale, die von den einzelnen auf dem Wafer angeordneten integrierten Halbleiterschaltkreisen zurückkommen, aus. Weiterhin werden im Zuge der Funktionskontrolle Spannung und Stromfluss in den Halbleiterschaltkreisen geprüft.
Nach Überprüfung der Funktion eines integrierten Halbleiterschaltkreises wird die Tragevorrichtung mit dem Wafer jeweils zum nächsten Bauelement weiter verschoben und dieser erneut kontaktiert.
Typischerweise bestehen die Kontaktflächen eines elektronischen Bauelements auf einem Wafer aus metallischem Material, wie beispielsweise Aluminium, welches an Luft eine Oxidschicht an seiner Oberfläche bildet. Beim Andrücken der Kontaktnadeln an die Kontaktfläche muss diese Metalloxidschicht, die eine Dicke von mehreren um aufweist, überwunden werden, dabei werden besonders die Kontaktnadelspitzen mechanisch beansprucht und unterliegen daher einem Verschleiß, der ihre Lebensdauer begrenzt. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Spitzen der Kontaktnadeln nach einigen Prüfvorgängen oxidieren oder Deformationen aufweisen und insbesondere Ablagerungen an den Kontaktnadelspitzen den Übergangswiderstand erhöhen. Dadurch wird die Standzeit der Kontaktnadeln bzw. des gesamten Testkopfes erheblich verringert.

Aus der JP 2001007164A ist eine Vorrichtung zum Prüfen von Eigenschaften einer an der Oberfläche einen Schaltkreis aufweisenden Probe bekannt, die mit einem Spülgaszufuhrsystem versehen ist, das ein Spülgas auf die Probenoberfläche leitet, um die Probenoberfläche unter eine hochkonzentrierte Spülgasatmosphäre zu versetzen. Die gesamte Vorrichtung befindet sich in einem Spülkasten, in dem eine Spülgasatmosphäre vorherrscht und welcher aus einem Abschirmgehäuse zur Aufnahme der Vorrichtung und einer zusätzlichen Schleuse besteht. Dabei herrscht im Abschirmgehäuse ein höherer Innendruck als in der Schleuse. Mit Hilfe der Vorrichtung soll die Probe unter einer stabilen hoch-konzentrierten Spülgasatmosphäre gehalten werden, um die Oxidation und Kondensation auf der zu prüfenden Oberfläche der Probe zu verhindern.

Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass die Proben bei jedem Wechsel zuerst in die Schleuse eingestellt werden müssen, um dort die Spülgaskonzentration an die im Abschirmgehäuse vorherrschende Konzentration anzupassen, und erst in einem weiteren Arbeitsgang unter Berücksichtigung der Druckverhältnisse im Abschirmgehäuse positioniert werden können. Dadurch wird das Prüfverfahren sehr aufwändig und teuer, da sich die Messzeiten insgesamt erheblich verlängern.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung vorgenanter Nachteile die Standzeit der Kontaktnadeln und die Messsicherheit der Prüfvorrichtung zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Günstige Ausgestaltungsformen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Demnach besteht das Wesen der Erfindung darin, dass eine Vorrichtung zum Prüfen einer Vielzahl von integrierten Halbleiterschaltkreisen auf Wafern mit einer Tragevorrichtung zur Aufnahme und Temperieren, insbesondere Aufheizen oder Herunterkühlen, des Wafers, einer Messkarte mit elektroni schen Schaltungsanlagen zur Funktionskontrolle der auf den Wafern angeordneten integrierten Halbleiterschaltkreise, einem mit dem Messkarte verbundenen Testkopf mit Kontaktnadeln, der einen elektrischen Kontakt zwischen der Messkarte und den integrierten Halbleiterschaltkreisen herstellt, und wenigstens einer Düse zur Einleitung eines Spülgases auf die Waferoberfläche, ohne abschließende Hülle vorgesehen ist und dass Tragevorrichtung, Messkarte, Wafer, Testkopf und Düse dem Gasgemisch der Atmosphäre ausgesetzt sind. Untersuchungen der Anmelderin haben hierbei gezeigt, dass mit Hilfe der vorgenannten Vorrichtung eine weitgehende Verdrängung der Luft im Bereich des Wafers stattfindet, auch wenn die Vorrichtung insgesamt den Einflüssen der Normalatmosphäre, insbesondere denen des reaktionsfreudigen Sauerstoffs, ausgesetzt ist. Somit kann sowohl auf das Gehäuse als auch auf Mess- und Regelinstrumente zur Steuerung des Innendrucks des Spülgases verzichtet werden, was eine erhebliche Kosten- und Materialeinsparung mit sich bringt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Einleitung ein inertes Gas, vorzugsweise Stickstoff vorgesehen. Durch die Verdrängung der Luft um den Prüfbereich des Wafers, ergeben sich bei der Funktionskontrolle mehrere Vorteile gleichzeitig. Zum einen ist der Kontaktwiderstand an den Kontaktflächen der integrierten Halbleiterschaltkreise geringer, da die Oxidation der Kontaktflächen im Bereich der Kontaktierung wesentlich reduziert wird. Weiterhin befinden sich durch den Zustrom des Gases nur sehr wenige Ionen und polare Moleküle (H₂O) im Bereich der Kontaktflächen, was sich vorteilhaft auf die Isolationseigenschaften der Oberfläche zwischen den Kontaktflächen auswirkt. Grundsätzlich ergibt sich wegen der vorhandenen Restleitfähigkeit der Oberfläche eine Parallelschaltung von Widerständen bei der Funktionskontrolle, wobei diese aus dem Widerstand an der Oberfläche zwischen den zu messenden Kontaktflächen und dem Widerstand der zu messenden Schaltungsteile im Substrat des Wafers besteht. Tatsächlich sollen jedoch nur die elektrischen Eigenschaften der Schaltungsteile im Substrat des Wafers analysiert werden. Je höher daher der Widerstand zwischen den zu messenden Kontaktflächen ist, umso eher kann der Einfluss der Leitfähigkeit der Oberfläche vernachlässigt werden und hierdurch auch bei hochohmigen Messungen die elektrischen Eigenschaften der zu messenden Schaltungsteile beurteilt werden.

Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass auch mit dem Einsatz von Edelgasen anstelle von Stickstoff vorgenannte Effekte erzielt werden können.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Einleitung des Spülgases parallel zur Waferoberfläche. Diese Einleitung des Spülgases verbunden mit einer parallelen Anordnung der Düse zur Waferoberfläche ist besonders vorteilhaft, wenn die Funktionskontrolle der Halbleiterschaltkreise bei hohen Temperaturen stattfindet. Das Spülgas wirkt zusätzlich als Kühlmittel und verdrängt die warme Umgebungsluft von der Waferoberfläche.

Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass die Einleitung des Spülgases senkrecht zur Waferoberfläche erfolgt. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass die Einleitung des Spülgases senkrecht zur Waferoberfläche besonders geeignet ist, Ablagerungen an den Kontaktnadelspitzen zu vermeiden. Weiterhin schafft die Einleitung senkrecht zum Wafer eine besonders hohe Spülgaskonzentration auf der Waferoberfläche.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung bei der die Einleitung des Spülgases senkrecht und parallel zur Waferoberfläche erfolgt.

Dabei hat es sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn das Gas die Kontaktnadeln des Testkopfes während der Funktionskontrolle laminar umströmt. Hierdurch werden Verwirbelungen zwischen dem inerten Gas und der Normalatmosphäre, die die Testergebnisse verfälschen können, vermieden.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der mit der Messkarte verbundene Testkopf und die Messkarte eine Öffnung aufweisen, durch die die Düse zur Einleitung des Spülgases hindurchgeführt ist. Bei dieser Anordnung der Düse ist gewährleistet, dass im Bereich der Kontaktflächen und der Kontaktnadelspitzen eine sehr hohe Spülgaskonzentration erreicht wird. Zusätzlich werden die Kontaktnadeln von oben zu den Spitzen hin von Spülgas umströmt, so dass Ablagerungen vermieden werden.

Besonders vorteilhaft hat sich dabei eine Ausgestaltung erwiesen, bei der die Öffnung an der Messkarte durch die Düse zur Einleitung des Spülgases verschließbar ist, wobei eine formschlüssige Verbindung zwischen Düsenaußenwand und Messkarte vorgesehen ist. Aufgrund dieser Anordnung der Düse bilden Messkarte und Düse eine Sperre gegenüber dem Bereich oberhalb der Messkarte, der der Luft ausgesetzt ist. Da das zuströmende Spülgas nicht nach oben entweichen kann und auch durch die Tragevorrichtung eine Absperrung nach unten gegeben ist, bildet sich unterhalb der Messkarte im Bereich der Kontaktflächen der zu prüfenden Halbleiterschaltkreise und Kontaktnadeln eine besonders hochkonzentrierte Spülgasatmosphäre.

Das Verfahren zum Prüfen einer Vielzahl von integrierten Halbleiterschaltkreisen auf Wafern, wird dabei in den folgenden Schritten ausgeführt. Zuerst wird ein Wafer relativ zu einem Testkopf und Kontaktnadeln positioniert, indem er auf eine Tragevorrichtung aufgelegt und dort mittels einer Vakuumpumpe angesaugt und fixiert wird. In einem zweiten Schritt werden die integrierten Halbleiterschaltkreise mittels der Kontaktnadeln kontaktiert und somit eine elektrische Verbindung zwischen Wafer und einer Messkarte hergestellt. Nach der Kontrolle eines ersten elektronischen Bauelements wird der Wafer in einem dritten Schritt um ein Rastermaß mit Hilfe, der Tragevorrichtung verschoben. Dabei ist das Rastermaß jeweils von der Größe der zu prüfenden Halbleiterschaltkreise abhängig. Nachfolgend werden die Schritte „Kontaktieren der Halbleiterschaltkreise" und „Verschieben des Wafers" solange wiederholt, bis die Funktionskontrolle aller elektronischen Bauelemente des Wafers abgeschlossen ist. Danach wird der Wafer wieder aus der Prüfvorrichtung entfernt. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass sich das Prüfverfahren besonders effektiv und Kosten sparend ausführen läst, wenn auf die Oberfläche des Wafers ein Spülgas durch wenigstens eine Düse an der Vorrichtung eingeleitet wird, wobei auf eine abschließende Hülle um die Vorrichtung verzichtet wird.

Es hat sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, das Spülgas hierbei senkrecht zur Waferoberfläche einzuleiten, da auf diese Weise mit einer sehr geringen Spülgasmenge eine hohe Spülgaskonzentration mit den bereits genannten positiven Auswirkungen erzielt wird.

Von Vorteil ist auch, das Spülgas bereits vor dem Kontaktieren der Halbleiterschaltkreise auf die Waferoberfiäche einzuleiten oder den Wafer vor dem Kontaktieren mittels einer heizbaren Tragevorrichtung, einem so genannten Hotchuck, zu erhitzen. Hierbei wird die Adhäsion polarer Moleküle an der Waferoberfläche auf ein Minimum beschränkt und störende Moleküle werden vor dem Kontaktieren durch das Spülgas entfernt.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher beschrieben werden.
1 zeigt einen Schnitt durch einen Testkopf mit Kontaktnadeln beim Abtasten eines Wafers
2 zeigt eine Draufsicht auf einen Testkopf mit Kontaktnadeln beim Abtasten eines Wafers
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Testkopfes mit Kontaktnadeln beim Abtasten eines Wafers
4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Prüfen von integrierten Halbleiterschaltkreisen auf Wafern.
1 zeigt einen Schnitt durch einen Testkopf 1 mit Kontaktnadeln 2 beim Abtasten eines Wafers 3, der auf einer Tragevorrichtung 7 aufliegt. Der Testkopf 1 ist an der Unterseite einer Messkarte 4, welche nur schematisch dargestellt ist, befestigt und mit dieser elektrisch leitend verbunden. Die Messkarte 4 besitzt eine kreisrunde Öffnung 5, die den Blick von oben auf den Bereich der Kontaktnadeln 2 freigibt.
Die Draufsicht auf den Testkopf 1 in 2 und dessen perspektivische Darstellung 3 zeigen schematisch mehrere Bauelemente integrierter Halbleiterschaltkreise 6 auf dem Wafer 3 und die Anordnung von Kontaktflächen 8, die von den Kontaktnadeln 2 abgetastet werden. Die Anordnung und Anzahl der Kontaktnadeln 2, sowie die zugehörige Schaltungsanordnung auf der Messkarte und die Ausformung der Messkarte 4 selbst sind hierbei jeweils von den zu testenden elektronischen Bauelementen abhängig.
4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Prüfvorrichtung 12. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung wird der Wafer 3 während der Funktionskontrolle mittels einer heizbaren Tragevorrichtung 7, eines so genannten Hotchucks erhitzt, wodurch die Adhäsion von Wasser auf der Oberfläche des Wafers 3 verringert wird. Anschließend wird der Bereich zwischen Messkarte 4 und Tragevorrichtung 7 mit Hilfe wenigstens einer Düse 11, deren Austrittsöffnung parallel zur Waferoberfläche angeordnet ist, mit einem inerten Gas durchströmt. Dadurch wird die Luft und mit dieser der reaktionsfreudige Sauerstoff aus der Vorrichtung 12 verdrängt. Weiterhin ist eine Düse 9 an der Vorrichtung 12 angeordnet, die die Messkarte 4 durchdringt und das inerte Gas senkrecht zur Waferoberfläche konzentriert in Bereich des Testkopfes 1 oberhalb der Kontaktnadelspitzen einleitet. Dabei ist an der Düse 9 ein Zwischenstück 10 angeordnet, das die Öffnung 5 an der Messkarte 4 überdeckt und diese gleichzeitig aufgrund der formschlüssigen Passung zwischen Zwischenstück 10 und Messkarte 4 abdichtet. Somit entsteht zwischen Messkarte 4 und Tragevorrichtung 7 ein nach oben und unten abge schlossener Raum, in dem eine hochkonzentrierte Spülgasatmosphäre vorherrscht. Die Mess- und Regelinstrumente, die zur Steuerung der Spülgaszufuhr in Abhängigkeit von Temperatur oder Druck vorgesehen sind, sind in der 4 nicht dargestellt, erlauben jedoch eine von einander unabhängige Kontrolle der einzelnen Düsen 9, 11. Die Spülung des Bereichs um den Testkopf 1 mit einem inerten Gas mit Hilfe der Düsen 9, 11 trägt zu einer hohen Messsicherheit bei und trägt zur Vermeidung von Ablagerungen an den Kontaktnadelspitzen bei.
Gerade bei Funktionskontrollen, die bei hohen Temperaturen erfolgen, wirkt sich der Kühleffekt, der durch die Spülung mit einem Gas erzielt wird, besonders vorteilhaft auch auf die übrigen Bauteile der Vorrichtung 12 und vor allem auf die elektronischen Schaltungen auf der Messkarte 4 aus. Auch hierbei wirkt sich der Verzicht auf eine Umhüllung der Vorrichtung 12 sehr positiv aus, da die warme Luft ungehindert entweichen kann.

1: Testkopf
2: Kontaktnadeln
3: Wafer
4: Messkarte
5: Öffnung
6: Integrierte Halbleiterschaltkreise, Elektronische Bauelemente
7: Tragevorrichtung, Hotchuck
8: Kontaktfläche
9: Düse senkrecht zur Waferoberfläche
10: Zwischenstück
11: Düse parallel zur Waferoberfläche
12: Vorrichtung–Proben

Claims

Vorrichtung zum Prüfen einer Vielzahl von integrierten Halbleiterschaltkreisen auf Wafern mit • einer Tragevorrichtung (7) zur Aufnahme und Temperieren, insbesondere zum Aufheizen oder Herunterkühlen, des Wafers (3) • einer Messkarte (4) mit elektronischen Schaltungsanlagen zur Funktionskontrolle der auf den Wafern (3) angeordneten integrierten Halbleiterschaltkreisen (6) • einem mit der Messkarte (4) verbundenen Testkopf (1) mit Kontaktnadeln (2), der einen elektrischen Kontakt zwischen der Messkarte (4) und den integrierten Halbleiterschaltkreisen (6) herstellt, und • wenigstens einer Düse (9, 11) zur Einleitung eines Spülgases auf die Waferoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass • die Vorrichtung ohne abschließende Hülle vorgesehen ist und dass insbesondere Tragevorrichtung (7), Messkarte (4), Wafer (3), Testkopf (1) und Düse (9, 11) dem Gasgemisch der Atmosphäre ausgesetzt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Spülgas ein inertes Gas, vorzugsweise Stickstoff, vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des Spülgases parallel zur Waferoberfläche erfolgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des Spülgases senkrecht zur Waferoberfläche erfolgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des Spülgases senkrecht und parallel zur Waferoberfläche erfolgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Messkarte (4) verbundene Testkopf (1) und die Messkarte (4) eine Öffnung (5) aufweisen, durch die die Düse (9) zur Einleitung des Spülgases hindurchgeführt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (5) an der Messkarte (4) durch die Düse (9) zur Einleitung des Spülgases verschließbar ist, wobei eine formschlüssige Verbindung zwischen Düsenaußenwand und Messkarte (4) vorgesehen ist.
Verfahren zum Prüfen einer Vielzahl von integrierten Halbleiterschaltkreisen auf Wafern, mit den Schritten: • Positionieren eines Wafers (3) relativ zu einem Testkopf (1) und Kontaktnadeln (2); • Kontaktieren der integrierten Halbleiterschaltkreise (6) und Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Wafer (3) und einer Messkarte (4); • Verschieben des Wafers (3) um ein Rastermaß in Abhängigkeit von der Größe der zu prüfenden Halbleiterschaltkreise mittels einer Tragevorrichtung (7); • Wiederholung der Schritte „Kontaktieren" und „Verschieben"; und • Entfernen des Wafers (3) aus einer Vorrichtung (12), dadurch gekennzeichnet, dass unter Verzicht einer abschließenden Hülle um die Vorrichtung auf die Oberfläche des Wafers (3) ein Spülgas durch wenigstens eine Düse (9, 11) an der Vorrichtung (12) eingeleitet wird.
Verfahren zum Prüfen einer Vielzahl von integrierten Halbleiterschaltkreisen auf Wafern gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgas senkrecht zur Waferoberfläche eingeleitet wird.
Verfahren zum Prüfen einer Vielzahl von integrierten Halbleiterschaltkreisen auf Wafern gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgas vor dem Kontaktieren eingeleitet wird.
Verfahren zum Prüfen einer Vielzahl von integrierten Halbleiterschaltkreisen auf Wafern gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer (3) vor dem Kontaktieren der integrierten Halbleiterschaltkreise mittels einer heizbaren Tragevorrichtung (7) erhitzt wird.