DE102008013978B4 - Chuck mit triaxialem Aufbau - Google Patents

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Abstract

Chuck mit triaxialem Aufbau mit einer Aufnahmefläche für ein Testsubstrat (10), wobei unter der Aufnahmefläche ein elektrisch leitfähiges erstes Flächenelement (6), auf Force-Potential liegend, ein davon elektrisch isoliertes und elektrisch leitfähiges zweites Flächenelement (4), auf Guard-Potential liegend, (4) und ein davon elektrisch isoliertes und elektrisch leitfähiges drittes Flächenelement (4a; 11) als Shield, welches mit Masse verbunden oder floatend ausgeführt ist, angeordnet ist und zwischen dem ersten (6) und dem zweiten Flächenelement (4) ein erstes Isolationselement (5) angeordnet ist und zwischen dem zweiten (4) und dem dritten Flächenelement (4a; 11) ein zweites Isolationselement (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der elektrisch leitfähigen Flächenelemente (4; 4a; 6) mit mindestens einem Isolationselement (5) mechanisch verbunden ist und eine aus Unterschieden in unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten resultierende Ausdehnungsdifferenz zwischen dem jeweiligen Flächenelement(4; 4a; 6) und dem angrenzenden Isolationselement (5) kompensierende Elastizität aufweist, wobei eine elektrisch isolierende Grundplatte (1) vorgesehen ist, die teilweise als zweites Isolationselement ausgebildet und die mit Vakuumspannöffnungen (3) versehen ist, die mit einer Vakuumquelle verbunden sind, wobei das dritte Flächenelement (11) innerhalb der Grundplatte (1) angeordnet ist und das zweite Flächenelement (4) auf die Oberseite der Grundplatte (1) aufgelegt und mittels Vakuum (2) an der Grundplatte (1) befestigt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Chuck mit triaxialem Aufbau mit einer Aufnahmefläche für ein Testsubstrat, wobei unter der Aufnahmefläche ein elektrisch leitfähiges erstes Flächenelement (force) ein davon elektrisch isoliertes und elektrisch leitfähiges zweites Flächenelement (guard) und ein davon elektrisch isoliertes und elektrisch leitfähiges drittes Flächenelement (shield) und zwischen dem ersten und dem zweiten Flächenelement ein erstes Isolationselement und zwischen dem zweiten und dem dritten Flächenelement ein zweites Isolationselement angeordnet ist.
  • Zum Testen von Halbleiterchips oder ähnlichen Substraten werden Kontaktinseln auf der Substratoberfläche mittels Nadeln kontaktiert und darüber elektrisch mit Testeinrichtungen verbunden mittels derer die Eigenschaften der Substrate gemessen werden. Hierfür werden sogenannte Prober eingesetzt, die einen Spanntisch zum Festhalten der Substrate, einen so genannten Chuck, aufweisen. Ein solcher Chuck ist zumeist auch mit Vakuumspannmitteln zum Festhalten der Substrate auf der Substratoberfläche versehen.
  • Beim Testen kann es auch erforderlich werden, Niedrigststrommessungen durchzuführen. Da bei diesen Niedrigststrommessungen geringste Leckströme zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen, werden die mit dem Messvorgang zumindest mittelbar in Verbindung stehenden Bauteile, wie Leitungen, der Chuck o.ä., mit einem triaxialen Aufbau versehen. Dies bedeutet, dass die Bauteile, die auf Messpotential (force) liegen, nicht nur eine Schirmung (shield), die mit Masse verbunden oder floatend ausgeführt ist, aufweisen, sondern zwischen force und shield auch ein zusätzliche Schirmung, ein so genanntes guard, angeordnet ist, die mit einem Potential beaufschlagt ist, das zumindest näherungsweise dem force-Potential entspricht, von diesem aber entkoppelt ist.
  • Dem entsprechend ist für Niedrigststrommessungen auch der Chuck triaxial aufgebaut. Er weist eine Oberseite auf, auf der das Substrat aufliegt und die mit force-Potential beaufschlagt ist. Unter der Oberseite erstreckt sich das guard, das von der Oberseite durch eine isolierende Schicht getrennt ist. Unter dem guard befindet sich dann - ebenfalls von dem guard elektrisch isoliert - das shield.
  • Dieser Aufbau kann in Form verschieden leitfähiger Schichtung eines Keramikchucks realisiert werden. Hierfür eignet sich als Keramikmaterial beispielsweise A1N. Hier zeigt sich, dass diese Schichten nach außen schlecht zu kontaktieren sind. Dies trifft auch für aufgesputterte oder aufgedampfte Schichten oder Zwischenschichten zu.
  • Außerdem kann hierbei oft nicht der erforderliche Isolationswiderstand erreicht werden. Andere Keramikmaterialen, die einen hinreichenden Isolationswiderstand aufweisen, wie beispielsweise BN (Bornitrid) lassen sich wiederum nicht oder nur schlecht mit leitfähigen Schichten versehen.
  • Es ist auch möglich, einen triaxialen Aufbau durch voneinander isolierte Metallplatten zu realisieren. Bei derartig aufgebauten Chucks ist die thermische Masse unnötig hoch. Auch treten Schwierigkeiten bei der Herstellung einer Grundebenheit und der Erhaltung dieser Ebenheit unter Temperaturbelastung auf. Ein Thermochuck mit der Wärmesenke als Sield und einer zusätzlichen elektrisch leitenden und von den beiden benachbarten elektrisch leitenden Platte isolierten Platte unterhalb der auf Signalpotential (Force) liegenden Aufnahmefläche des Chucks ist in der US 6,583,638 B2 beschrieben. Um hier Unterschiede im thermischen Ausdehnungsverhalten der dielektrischen und metallischen Platten des triaxialen Aufbaus auszugleichen wurden die Platten derart miteinander verbunden, dass Bewegungen gegeneinander möglich sind. Neben der hohen thermischen Masse ist der hohe technische und Montageaufwand nachteilig.
  • Bei allen Lösungen muss neben der Wirksamkeit des triaxialen Aufbaues auch ein negativer Einfluss des tribolektrischen Effektes vermieden werden. Dabei wird durch Reibung zwischen Schichten mit unterschiedlichen Dielektriziätskonstanten, beispielsweise Metall und Keramik, durch eine Reibungselektrizität eine Ladung generiert, die schließlich das Messergebnis verfälschen kann.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Chuck für Niedrigststrommessungen anzugeben, mit dem das Auftreten von Leckströmen und eine triboelektrische Ladung verhindert werden kann und der herstellungsgünstig gestaltet ist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Chuck mit den Merkmalen des Anspruches 1 beziehungsweise des Anspruches 7 gelöst. Die untergeordneten Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
    • 1 einen erfindungsgemäßen Chuck mit einem im Thermochuck eingelegten dritten Flächenelement und
    • 2 einen erfindungsgemäßen Chuck mit drei übereinander gestapelten Flächenelementen.
  • Wie in 1 dargestellt, ist auf eine Grundplatte in Form eines Thermochuck 1 eine zweites Flächenelement in Form einer perforierten Leiterfolie 4 aufgelegt und ist mit Guard-Potential verbunden. Das dritte Flächenelement (shield) ist in Form einer Schirmschicht 11 im Thermochuck 1 angeordnet und mit Messground-Potential 12 beaufschlagt. In sofern wirkt der Thermochuck 1 als zweites Isolationselement zwischen dem dritten Flächenelement und dem zweiten Flächenelement.
  • Innerhalb des Thermochuck 1 ist eine Vakuumverteilung 3 angeordnet, die permanent mit Chuckvakuum 2 beaufschlagt wird, wodurch die Leiterfolie 4 angesaugt und gehalten wird. Dieses Vakuum setzt sich in dem ersten Isolationselement in Form einer porösen Isolationskeramik 5 fort und saugt damit auch das erste Flächenelement, das in Form einer nicht perforierten Leiterfolie 6 ausgebildet ist, die mit Force kontaktiert ist, an und hält sie fest.
  • Auf dieser Leiterfolie 6 ist eine Metallplatte 7 zum Halten des Substrates 10 angeordnet. Diese Metallplatte 7 wird einerseits durch ein eigenes schaltbares Metallplattenvakuum 9 auf der Metallfolie 4 gehalten und ist andererseits mit einem Substratvakuum 8 zum Halten des Substrates 10 versehen, welches selbstständig schaltbar ist.
  • In 2 ist das dritte Flächenelement als perforierte Leiterfolie 4a ausgebildet, die mit Messground 12 verbunden ist und über der das zweite Isolationselement in form einer porösen Isolationskeramik 5 angeordnet ist. Das Chuckvakuum setzt sich hier über die Leiterfolie 4a, das darüber befindliche zweite Isolationselement in Form der Isolationskeramik 5, die Leiterfolie 4 und das darüber befindliche erste Isolationselement in Form der Isolationskeramik 5 bis zu der Leiterfolie 6 fort. Alle Leiterfolien werden somit durch Ansprengen gehalten. Durch ihre Dicke (5 bis 10µm) und der möglichen Wahl des Materiales haben sie eine solches Elastizität, dass sie Ausdehnungen der Isolationskeramik in Folge der Verbindungskraft aufnehmen und somit Bewegungen der einzelnen Elemente zueinander und damit ein triboelektrischer Effekt vermieden werden.
  • Die Kontaktierungen der einzelnen Folien kann durch Löten, Klemmen oder Laserschweißen erfolgen.
  • Durch den Einsatz der Folien werden geringste Dickentoleranzen, niedrigste Parallelitäts- und Ebenentoleranzen und geringste thermische Massen erzielt.
  • Die Materialen der Folien können neben dem Gesichtspunkt der Elastizität auch hinsichtlich der chemischen Verträglichkeit oder der thermischen Belastbarkeit ausgewählt werden. Hier sind Materialen wie Gold, Nickel, Aluminium, Kupfer u.a. einsetzbar.
  • Bornitrid eignet sich beispielsweise als Isolationskeramik 5.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Thermochuck
    2
    Chuckvakuum zur Ansaugung des Chuck(-stapels) permanent
    3
    Vakuumverteilung im Thermochuck
    4
    perforierte Leiterfolie mit Guardkontakt
    4a
    perforierte Leiterfolie mit Messgroundkontakt
    5
    poröse Isolationskeramik
    6
    nichtperforierte Leiterfolie mit Forcekontakt
    7
    Metallplatte zum Substrathalten
    8
    Substratvakuum (schaltbar)
    9
    Metallplattenvakuum (schaltbar)
    10
    Substrat
    11
    Schirmschicht im Thermochuck
    12
    Messground

Claims (20)

  1. Chuck mit triaxialem Aufbau mit einer Aufnahmefläche für ein Testsubstrat (10), wobei unter der Aufnahmefläche ein elektrisch leitfähiges erstes Flächenelement (6), auf Force-Potential liegend, ein davon elektrisch isoliertes und elektrisch leitfähiges zweites Flächenelement (4), auf Guard-Potential liegend, (4) und ein davon elektrisch isoliertes und elektrisch leitfähiges drittes Flächenelement (4a; 11) als Shield, welches mit Masse verbunden oder floatend ausgeführt ist, angeordnet ist und zwischen dem ersten (6) und dem zweiten Flächenelement (4) ein erstes Isolationselement (5) angeordnet ist und zwischen dem zweiten (4) und dem dritten Flächenelement (4a; 11) ein zweites Isolationselement (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der elektrisch leitfähigen Flächenelemente (4; 4a; 6) mit mindestens einem Isolationselement (5) mechanisch verbunden ist und eine aus Unterschieden in unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten resultierende Ausdehnungsdifferenz zwischen dem jeweiligen Flächenelement(4; 4a; 6) und dem angrenzenden Isolationselement (5) kompensierende Elastizität aufweist, wobei eine elektrisch isolierende Grundplatte (1) vorgesehen ist, die teilweise als zweites Isolationselement ausgebildet und die mit Vakuumspannöffnungen (3) versehen ist, die mit einer Vakuumquelle verbunden sind, wobei das dritte Flächenelement (11) innerhalb der Grundplatte (1) angeordnet ist und das zweite Flächenelement (4) auf die Oberseite der Grundplatte (1) aufgelegt und mittels Vakuum (2) an der Grundplatte (1) befestigt ist.
  2. Chuck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumquelle mit den Vakuumspannöffnungen (3) permanent verbunden ist.
  3. Chuck nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Flächenelement (4) mit Durchgangsöffnungen versehen ist und das erste Isolationselement (5) aus porösem Isolationsmaterial besteht und das erste Flächenelement (6) auf das zweite Isolationselement (5) aufgelegt ist.
  4. Chuck nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Flächenelement (4) als perforierte Folie ausgebildet ist.
  5. Chuck nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , dass das Isolationsmaterial (5) aus Keramik besteht.
  6. Chuck nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial (5) aus Bornitrid besteht.
  7. Chuck mit triaxialem Aufbau mit einer Aufnahmefläche für ein Testsubstrat (10), wobei unter der Aufnahmefläche ein elektrisch leitfähiges erstes Flächenelement (6), auf Force-Potential liegend, ein davon elektrisch isoliertes und elektrisch leitfähiges zweites Flächenelement, (4), auf Guard-Potential liegend, (4) und ein davon elektrisch isoliertes und elektrisch leitfähiges drittes Flächenelement (4a; 11) als Shield, welches mit Masse verbunden oder floatend ausgeführt ist, angeordnet ist und zwischen dem ersten (6) und dem zweiten Flächenelement (4) ein erstes Isolationselement (5) angeordnet ist und zwischen dem zweiten (4) und dem dritten Flächenelement (4a; 11) ein zweites Isolationselement (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der elektrisch leitfähigen Flächenelemente (4; 4a; 6) mit mindestens einem Isolationselement (5) mechanisch verbunden ist und eine aus Unterschieden in unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten resultierende Ausdehnungsdifferenz zwischen dem jeweiligen Flächenelement(4; 4a; 6) und dem angrenzenden Isolationselement (5) kompensierende Elastizität aufweist und dass eine elektrisch isolierende Grundplatte (1) vorgesehen ist, die mit Vakuumspannöffnungen (3) versehen ist, die mit einer Vakuumquelle verbunden sind, und dass das dritte Flächenelement (4a) auf die Oberseite der Grundplatte (1) aufgelegt und mittels Vakuum (2) an der Grundplatte (1) befestigt ist.
  8. Chuck nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumquelle mit den Vakuumspannöffnungen (3) permanent verbunden ist.
  9. Chuck nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Flächenelement (4a) mit Durchgangsöffnungen versehen ist und das zweite Isolationselement (5) aus porösem Isolationsmaterial besteht und das zweite Flächenelement (4) auf das erste Isolationselement (5) aufgelegt ist.
  10. Chuck nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Flächenelement (4) mit Durchgangsöffnungen versehen ist und das erste Isolationselement (5) aus porösem Isolationsmaterial besteht und das erste Flächenelement (6) auf das zweite Isolationselement (5) aufgelegt ist.
  11. Chuck nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der elektrisch leitfähigen Flächenelemente (4; 4a; 6) als Folie ausgebildet ist.
  12. Chuck nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie eine Dicke von 5 bis 10 µm aufweist.
  13. Chuck nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte als selbstständiger Thermochuck (1) ausgebildet ist, auf den die Anordnung aus Flächen- und Isolationselementen auflegbar ist.
  14. Chuck nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite des ersten Flächenelementes (6) als Substrataufnahme ausgebildet ist.
  15. Chuck nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite des ersten Flächenelementes (6) mit einer Metallplatte (7) versehen ist, deren Oberseite als Substrataufnahme ausgebildet ist.
  16. Chuck nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (7) mit zweiten (8) und dritten Vakuumspannöffnungen (9) versehen ist.
  17. Chuck nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Flächenelement mit Durchgangsöffnungen versehen ist.
  18. Chuck nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , dass das dritte und/oder zweite Flächenelement als perforierte Folie (4; 4a) ausgebildet ist.
  19. Chuck nach Anspruch 9, 10 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial (5) aus Keramik besteht.
  20. Chuck nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial (5) aus Bornitrid besteht.
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