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Technisches Feld
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Die Erfindung betrifft allgemein Prober, die der Ermittlung elektrischer Eigenschaften von elektronischen Bauelementen, im Folgenden allgemein als Testsubstrat bezeichnet, dienen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Chuck, welcher der Aufnahme und Halterung eines Testsubstrats und darüber hinaus eines Kalibriersubstrats dient. Der Chuck umfasst eine erste Aufnahmefläche zur Aufnahme eines Testsubstrats und eine zweite, zur ersten seitlich versetzte Aufnahmefläche zur Aufnahme eines Kalibriersubstrats, wobei unterhalb des Kalibriersubstrats zumindest im Bereich der Kalibrierstandards dielektrisches Material oder Luft angeordnet ist und das Kalibriersubstrat planare Kalibrierstandards zur Kalibrierung einer Messeinheit des Probers aufweist.
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Stand der Technik
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Chucks sind spezielle, zur Aufnahme und Halterung von Testsubstraten und Kalibriersubstraten geeignete Haltevorrichtungen, die eine oder mehr ebene Aufnahmeflächen zur direkten oder durch Haltemittel realisierten indirekten Aufnahme der verschiedenen genannten Substrate umfassen. Ein Chuck kann neben weiteren Komponenten auch eine Positionierungseinheit umfassen, welche der Bewegung der Aufnahmefläche dient. Er ist Bestandteil einer Prüfstation, eines so genannten Probers, die der Prüfung und Testung der elektronischen Bauelemente dienen.
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Ein Prober weist darüber hinaus Prüfspitzen auf, die von einer Sondenhalterung gehalten werden und zu denen die Aufnahmefläche und somit ein darauf angeordnetes Substrat zustellbar ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen einem Substrat und den Prüfspitzen herzustellen, wobei es im Verlauf eines Messablaufs notwendig sein kann, zwischen der Kontaktierung von Testsubstrat und Kalibriersubstrat zu wechseln. Ein Prober umfasst des Weiteren eine Kontrolleinheit zur Steuerung der Messablaufs, der Kontrolle und Regelung der Messbedingungen, zur Hinterlegung ermittelter oder benötigter Daten in einer Datenbank und/oder weiterer Aufgaben. Da auch temperaturabhängige Messungen in einem größeren Temperaturbereich vorgenommen werden, sind häufig Temperiervorrichtungen integriert, die der Heizung oder Kühlung des Testsubstrats dienen. Zur Einstellung einer von der Umgebung abweichenden Messatmosphäre und/oder zur Begrenzung parasitärer elektromagnetischer Einflüsse weisen Prober meist auch ein schirmendes Gehäuse auf.
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Zur Messung eines Test- oder Kalibriersubstrats werden geeignete Messstellen auf dem Substrat mittels Prüfspitzen kontaktiert, elektrische Signale eingespeist und/oder abgegriffen und mittels dieser oder weiterer, wie z.B. optischer oder mechanischer Signale die physikalischen Eigenschaften, insbesondere die elektrischen Eigenschaften, des kontaktierten Bauteils ermittelt.
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Auf diese Weise werden die verschiedensten elektronischen Bauelemente geprüft und charakterisiert, auch optische oder mikromechanische oder andere, die in verschiedenen Herstellungsstadien vorliegen. So werden sowohl eine Vielzahl, noch im Waferverbund vorliegende oder auch vereinzelte, teil oder endgefertige Bauelemente in den Probern verschiedenen Prüfungen und Tests unter verschiedenen Umgebungs- und Messbedingungen unterworfen. Allgemein werden diese verschiedenartigen Prüf- oder Testobjekte als Device Under Test (Device Under Test) oder auch als Testsubstrat bezeichnet, wobei letzteres von dem Trägersubstrat zu unterscheiden ist, auf welchem ein Bauelement angeordnet sein kann.
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An die Prüfvorrichtungen werden je nach zu messendem elektronischen Bauelement und insbesondere je nach dem für das Bauelement relevantem Frequenzbereich, d.h. dem Hoch- oder Niederfrequenzbereich, sehr verschiedene Anforderungen gestellt.
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Im Hochfrequenz- (HF-) Bereich, dessen untere Grenze sich mit der Entwicklung der elektronischen Bauelemente stetig zu höheren Frequenzen verschiebt und die derzeit bei Frequenzen ab ca. 6 GHZ liegt, umfasst die Prüfvorrichtung einen vektoriellen Netzwerkanalysator (VNA) als Messeinheit. Vektorielle Netzwerkanalysatoren dienen der präzisen Vermessung verschiedener elektronischer Bauteile und Komponenten sowie aktiven und passiven Hochfrequenzschaltungen und Hochfrequenzbaugruppen bis hin zu Antennen.
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In den Netzwerkanalysatoren werden die Streuparameter (auch S-Parameter) der Testsubstrate ermittelt, die in der Hochfrequenztechnik übliche Beschreibungsform des elektrischen Verhaltens von elektronischen Bauteilen und Komponenten. Diese Beschreibungsform verknüpft nicht Ströme und Spannungen miteinander, sondern Wellengrößen, was den physikalischen Gegebenheiten besonders angepasst ist. Eine so genannte Systemfehlerkorrektur sorgt dafür, dass präzise Messungen der Streuparameter der Bauteile und Komponenten mit vektoriellen Netzwerkanalysatoren überhaupt durchführbar sind. Diese Systemfehlerkorrektur setzt eine präzise Kalibriermessung von Standards voraus, deren elektronisches Verhalten bekannt oder im Rahmen der Systemfehlerkorrektur bestimmbar ist.
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Im NF-Frequenzbereich, in dem mit zunehmender Skalierung der Bauelemente und kleiner werdenden Leistungsaufnahme Signale bis in Bereiche von 3 GHz, derzeit maximal 6 GHz verwendet werden, kommen Messverfahren zur Anwendung, die auf Messungen von Kapazitäten, Spannungen und Induktionen in diesem Frequenzbereich beruhen. So werden zur Charakterisierung elektronischer Bauelemente z.B. deren Strom-Spannungs-Kennlinie mittels Impuls I/V-Messung oder Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie (CV-Messungen) zur Bestimmung von Ladungsträgerprofilen ermittelt.
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Bei diesen Messungen werden deutlich leistungsärmere Messsignale verwendet, als für die noch vor wenigen Jahren üblichen Messungen, da selbst eine kleine Leistung zur Zerstörung des Bauteils oder zu unbrauchbaren Messwerten führen kann. So erfolgen gepulste Widerstands- und gepulste I/V-Messungen mit Impulsen von nur 50 Mikrosekunden, sogar bei niedrigen Strömen, denn kurze Impulse bedeuten, dass weniger Leistung vom elektronischen Bauelement aufgenommen wird. Auch die Ermittlung des niederfrequenten Rauschverhaltens (Low Frequency Noise - LFN) z.B. mittels 1/f-Messung dient der Charakterisierung der Bauelemente und erfolgt bei kleinsten Messsignalen in dem oben genannten Frequenzband. Als Messeinheit eines Probers können hier verschiedene der für die jeweilige Messung bekannten Vorrichtungen zur Anwendung kommen.
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So können zur Messung von Kalibrierstandards und Testsubstraten beispielsweise so genannte Source Monitor Units (SMUs), auch als Source Measurement Units bezeichnet, verwendet werden, die programmierbar sein können. Eine SMU ist ein präzises Netzteil, das Spannungsversorgung und -messung mit einer Auflösung von 1 mV oder weniger sowie Stromversorgung und -messung mit einer Auflösung von 1 µA oder weniger gestattet. Diese können auch mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator in einem Prober miteinander kombiniert werden. So ist in einer Prüfanordnung, die einen vektoriellen Netzwerkanalysator aufweist, mittels einer ergänzenden SMU eine präzise Widerstandsmessung laufend möglich und es können mit einem Prober Kalibrierungen und Messungen von Testsubstraten über den gesamten Frequenzbereich und den interessierenden Temperaturbereich durchgeführt werden, wenn die HF- und NF-Kalibrierstandards gemeinsam auf dem Chuck bereitgestellt werden.
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Die Art der verwendbaren Kalibrierstandards hängt insbesondere von den Messverfahren ab. Für CV-Messungen beispielsweise werden Impedanzen mit verschiedenen Abschlüssen, einen Wellenabschluss von 50 Ω oder einem Kurzschluss oder Leerlauf ähnelnd, verwendet. Darüber hinaus wird ein verlustarmer Kondensator verwendet. Letzterer kann z.B. durch einen langen koplanaren Wellenleiter gebildet sein oder komplexere Strukturen aufweisen, z.B. zwei sich gegenüber liegende Kammstrukturen um eine höhere Präzision in der eingestellten Kapazität des Kalibrierstandards zu erzielen.
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Für die I/V-Messungen sind verschiedene Widerstände als Kalibrierstandards erforderlich. Zur Kalibrierung für LFN-Messungen werden häufig Kalibrierstandards, wie die oben zur CV-Messung beschriebenen Impedanzen oder aus der Ermittlung der Streuparameter von elektronischen Bauelementen bekannte Standards oder Dünn-Film-Widerstände verwendet.
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Wesentlichen Einfluss auf das Kalibrierverfahren haben zum einen die Messumgebung, wie z.B. das Substrat, auf welchem Kalibrierstandards und Bauelemente realisiert sind, das Design der Bauelemente, die konkret verwendeten Materialien der Metallisierungen auf dem Wafer und andere. Zur Kalibrierung von Messeinheiten von Probern insbesondere für Messungen im Waferverbund, den so genannten On-Wafer-Messungen, haben sich Kalibrierstandards als zweckmäßig erwiesen, die in planarer, z.B. koplanarer Leitungstechnik auf einem Kalibriersubstrat ausgebildet sind.
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Als Kalibriersubstrat sollen im Folgenden sowohl ein separates Trägersubstrat verstanden sein, das aus verschiedenen Materialien bestehen kann, als auch ein Wafer mit elektronischen Bauelementen, auf denen ein oder mehr Kalibrierstandards ausgebildet sind.
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Als planare Leitungen werden allgemein verschiedene Ausgestaltungen der Anordnung von Ground- und Signalleitungen beschrieben. Eine Ausgestaltung planarer Leitungen sind die koplanaren Leitungen. Bei diesen liegen die Ground- und Signalleitungen in der Ebene. Hingegen liegen bei so genannten Microstrip- oder Mixed Anordnungen die Ground- und Signalleitungen in zwei elektrisch voneinander isolierten Ebenen übereinander.
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Günstigerweise sind die elektrischen Eigenschaften der Kalibrierstandards bekannt, um die Kalibrierung der Messanordnung vornehmen zu können. Andernfalls müssen die unbekannten Standards rechnerisch ermittelt werden, was einen deutlich größeren Mess- und Rechenumfang erfordert und nur unter definierten Konstellationen verschiedener bekannter und unbekannter Standards möglich ist. Die bekannten oder ermittelten elektrischen Eigenschaften der Kalibrierstandards sind jedoch mit der jeweiligen Messumgebung, insbesondere mit der Temperatur, bei der gemessen wurde, und mit dem Substrat verknüpft, auf dem der Standard ausgebildet ist. Änderungen in der Messumgebung bewirken Änderungen der elektrischen Eigenschaften in unbekanntem Umfang.
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Um den insbesondere bei höheren Frequenzen im GHz-Bereich nicht mehr zu vernachlässigenden Einfluss der meist metallischen Aufnahmeplatte des Chucks auf den Kalibrierstandard zu vermindern, wurde in der
DE 196 39 515 A1 zwischen dem Kalibriersubstrat und der Aufnahmeplatte ein Abstand eingestellt, der mit Luft oder einem anderen dielektrischen Fluid gefüllt ist. Mit der dielektrischen Zwischenschicht soll gewährleistet werden, dass sich bei in der HF-Technik meist verwendeten koplanaren Kalibrierstandards ein reiner und gut berechenbarer koplanarer Leitungstyp ausbildet. Denn Untersuchungen haben gezeigt, dass sich bei höheren Frequenzen längs der koplanaren Leitungen der Kalibrierstandards infolge einer metallische Aufnahmeplatte die Feldverteilung von der eines koplanaren Leitungstyps zur Feldverteilung einer Mikrostreifenleitung verändert. Dieser als Quasi-Microstrip-Mode bekannte Effekt bewirkt eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Kalibrierstandards und so Fehler in der Systemfehlerkorrektur des Netzwerkanalysators. Jedoch hat sich gezeigt, dass auch durch die Verwendung von nichtmetallischen Aufnahmeplatten für das Kalibriersubstrat oder durch das Zwischenlegen eines speziellen, den Quasi-Microstrip-Mode vermindernden Absorbers der Verlust über der Leitung eines Kalibrierstandards nicht auf das erforderliche Maß zu reduzieren ist.
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Zum anderen ist es häufig erforderlich für die Charakterisierung der Testsubstrate die mitunter auch extremen klimatischen Bedingungen einzustellen, unter denen die Bauelemente später zum Einsatz kommen. Zu diesem Zweck werden in verschieden gestalteten Prüfstationen die elektronischen Bauelemente durch thermischen Kontakt mit einem temperierbaren Chuck (
DE 10 2005 015 334 A1 ) oder durch eine auf das Bauelement gerichtete, temperierte Fluidströmung (
DE 10 2006 038 457 A1 ,
DE 10 2006 015 365 A1 ) auf eine von der Raumtemperatur abweichende Messtemperatur eingestellt.
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Um eine Kalibrierung vornehmen zu können, werden gegenwärtige Kalibriermessungen mit Kalibrierstandards durchgeführt, die ausschließlich unter Raumtemperatur vermessen werden, um die Genauigkeit der Kalibriermessungen zu gewährleisten. Dazu ist es erforderlich, die Kalibrierstandards von dem im unmittelbar zeitlichen und räumlichen Zusammenhang zu messenden Bauelement thermisch zu entkoppeln (J.E. Pence, R. Anholt „Calibration and measurement considerations for deriving accurate temperature dependent equivalent circuits“ ARFTG Microwave Measurements Conference-Spring, 41st, 1993, pp. 85-92). Damit können zwar Kalibrierstandards verwendet werden, deren elektrisches Verhalten bekannt ist, aber eine Berücksichtigung der tatsächlichen thermischen Verhältnisse am Testsubstrat ist nicht möglich.
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Darüber hinaus kann eine thermische Entkopplung des Testsubstrats und des Kalibriersubstrats unter anderem wegen der aufeinanderfolgenden Kontaktierung durch dieselben Prüfspitzen nicht gewährleistet werden. So wirkt jede Prüfspitze, die zunächst mit einem beispielsweise 200°C warmen Testsubstrat in mechanischem und folglich auch thermischem Kontakt steht und danach ein Kalibrierstandard kontaktiert, als Wärmeüberträger zwischen beiden Substraten.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Es wird vorgeschlagen, entgegen der bisherigen Verfahrensweise mittels des nachfolgend beschriebenen Chucks das Testsubstrat und das Kalibriersubstrat miteinander thermisch zu verknüpfen, so dass der thermische Einfluss der Messbedingungen, unter denen das Testsubstrat gemessen wird, auf das elektrische Verhalten von bekannten und unbekannten Kalibrierstandards berücksichtigt wird. Dies erfolgt sowohl für separate Kalibriersubstrate als auch für Kalibrierstandards, die auf demselben elektrischen System ausgebildet sind, auf dem auch die zu messenden Bauelemente vorliegen.
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Die Einstellung der Temperatur des Kalibriersubstrats mittels der das Kalibriersubstrat aufnehmenden Aufnahmefläche auf eine definierte Temperatur, ermöglicht es, die klimatischen Verhältnisse von Testsubstrat und Kalibriersubstrat einander anzugleichen und so die damit verknüpften Änderungen der elektrischen Eigenschaften der Kalibrierstandards in das Kalibrierverfahren einzubeziehen. Infolge der Angleichung der thermischen Verhältnisse von Testsubstrat und Kalibriersubstrat ist auch eine Beeinflussung durch die Prüfspitzen zu vermeiden, die in den bekannten, thermisch entkoppelten Verfahren in nicht zu vernachlässigendem Umfang als Wärmeträger zwischen Bauelement und Kalibrierstandard wirken würden.
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Infolge der Temperierung, d.h. Heizung oder Kühlung des Kalibriersubstrats auf eine definierte Temperatur, meist die des Testsubstrats, über die Aufnahmefläche werden auch die mit einer Temperaturänderung einhergehenden und mit höheren Frequenzen zunehmenden Änderungen des Messsystems, insbesondere auch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der dielektrischen Kalibriersubstrate berücksichtigt. Denn dessen Eigenschaften haben unmittelbar Einfluss auf die elektrische Länge eines darauf ausgebildeten Kalibrierstandards.
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Die Einstellung der Temperatur der Aufnahmefläche für das Kalibriersubstrat kann auf verschiedene Weise erfolgen. So ist ein Nachführen der Temperatur über eine thermische Kopplung zwei getrennter, die beiden Aufnahmeflächen bildender Aufnahmeplatten mittels Wärmeleiter ebenso möglich, wie die Ausführung von erster und zweiter Aufnahmefläche in einer gemeinsamen, einstückigen Aufnahmeplatte. Welche Ausgestaltung des Chucks zur Anwendung kommt, hängt z.B. von der Temperiervorrichtung der ersten, das Testsubstrat aufnehmenden Aufnahmefläche und dem Temperaturbereich der Messung ab. Auch die Wärmeleiteigenschaften des Materials der die erste Aufnahmefläche bildenden ersten Aufnahmeplatte, welches wiederum von den einzustellenden elektrischen und magnetischen Eigenschaften in einem relevanten Frequenzbereich abhängt, sind für die Ausgestaltung der thermischen Kopplung zu berücksichtigen.
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So ermöglicht die Verwendung von Wärmeleitern den Einsatz unterschiedlicher Materialien für beide die Aufnahmeflächen bildenden Aufnahmeplatten, wobei als Wärmeleiter Verbinder zwischen beiden Aufnahmeplatten mit für den relevanten Temperaturbereich solchen Wärmeleitungseigenschaften verstanden wird, dass ein Ausgleich der Temperatur innerhalb einer bestimmten Zeit herstellbar ist. Auch in diesem Fall sind neben den verwendeten Materialien wiederum die Massenverhältnisse beider Aufnahmeplatten zu berücksichtigen. Allgemein ist es erforderlich, dass die erste Aufnahmeplatte, die das Testsubstrat aufnimmt, thermisch stabil ist, dass die Temperaturänderung im Verlauf eines Messablaufs beispielsweise kleiner oder gleich 0,5 % beträgt. Eine im Vergleich zur ersten relativ große zweite Aufnahmeplatte würde dieser Forderung entgegen stehen oder es sind lange Wartezeiten erforderlich bis zur Einstellung des thermischen Gleichgewichts.
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Da neben Kohlenstoff Metalle gute Wärmeleiter sind, ist eine Ausgestaltung mit metallischen Aufnahmeplatten oder Verbindern insbesondere auf Anwendungsfälle mit solchen Frequenzen ausgerichtet, bei denen der Einfluss der metallischen oder metallische Bestandteile enthaltenden Aufnahmeplatten auf das elektrische Verhalten gering ist. Alternativ ist auch ein besonderer, z.B. mehrschichtiger Aufbau der Aufnahmeplatte möglich, in Verbindung mit einem solchen Messregime, welches die Einstellung des gewünschten thermischen Gleichgewichts zwischen beiden Platten ermöglicht.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung sind separate Vorrichtungen zur Einstellung der Temperatur beider Aufnahmeflächen integriert. In dieser Ausgestaltung verliert die Wärmeleitung an Bedeutung, so dass auch andere, weniger gut wärmeleitende Materialien verwendet werden können, z.B. wenn die eine oder zwei Aufnahmeplatten von einem Heiz- oder Kühlmittel durchströmt wird. Mittels separater Vorrichtungen zum Heizen oder Kühlen der Aufnahmeplatten sind darüber hinaus getrennte Temperaturregimes beider Aufnahmeplatten zu fahren, wofür auch eine aufeinander abgestimmte Regelung verwendet werden kann.
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Aufgrund der sehr präzise einstellbaren thermischen und dielektrischen Eigenschaften können für die verschiedenen beschriebenen Ausgestaltungen und dabei entweder für die gemeinsame oder die erste und/oder die zweite Aufnahmeplatte keramische Materialien verwendet werden.
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Die thermische Kopplung schließt des Weiteren ein, dass für eine oder beide Aufnahmeplatten solche Ausgestaltungen verwendet werden können, bei denen zumindest unterhalb des Kalibriersubstrats eine Ausnehmung angeordnet ist. Diese Ausnehmung kann mit einem dielektrischen Material, z.B. ebenfalls einem keramischen oder einem anderen geeigneten Material ausgefüllt sein oder leer bleiben und eine Luftkammer unter dem jeweiligen Substrat bilden. In beiden Fällen wird eine Minimierung des Einflusses der Aufnahmeplatte auf die Kalibrierung und gegebenenfalls auch die Messung des Testsubstrats erzielt. Ein vergleichbarer Effekt wird durch eine zweite Aufnahmeplatte erreicht, die in einer Ausnehmung der ersten Aufnahmeplatte angeordnet ist, wobei auch hier die zweite Aufnahmeplatte die Ausnehmung vollständig ausfüllen oder lediglich nach oben hin begrenzen kann. Letztere Ausführungsform kann zum Beispiel verwendet werden, wenn die Stabilität des Kalibriersubstrats durch die zweite Aufnahmeplatte verbessert werden soll.
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Verbleibt in einer oder gegebenenfalls in zwei Ausnehmungen jeweils eine Luftkammer kann diese zur Temperierung des Kalibriersubstrats und/oder des Testsubstrats von einem geeignetem Kühl- oder Heizfluid durchflossen werden. Sowohl mittels der Wahl des Materials eines flüssigen oder gasförmigen Fluids als auch mittels der Gestaltung der Luftkammer mit Fluidzufluss und Fluidabfluss und so mittels der Durchströmung der Luftkammer können die Aufnahmeplatten verschiedenen Anwendungsfällen hinsichtlich der elektrischen und der thermischen Anforderungen angepasst werden. So kann in verschiedenen Ausgestaltungen eine Strömung entlang oder in Richtung der Rückseite eines Substrats erfolgen oder eine auf das Kalibriersubstrat gerichtete Strömung vermieden werden, z.B. indem der Fluidzufluss und Abfluss entfernt vom und ohne Richtungskomponente zum Kalibriersubstrat erfolgt oder indem die Luftkammer mit einem dünnen Dielektrikum verschlossen ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Kalibriersubstrat mittels geeigneter Haltemittel über der zum Kalibriersubstrat hin offenen Luftkammer gehalten, so dass das Fluid direkt am Kalibriersubstrat anliegt.
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Mittels eines durch die Luftkammer strömenden Fluids ist sowohl bei zum Substrat hin geschlossener als auch offener Luftkammer die Messtemperatur des Substrats und so des Kalibrierstandards sowie des elektronischen Bauelements reproduzierbar und sehr schnell einstellbar, da über die Wahl des Fluids, über dessen Vorlauftemperatur, d.h. der Differenz zwischen der Temperatur des Fluids und der einzustellenden Temperatur des Bauelements, und über die zeitnah regelbaren Parameter der Strömungsgeschwindigkeit und Einwirkzeit der Wärmeaustausch sehr gut zu definieren und zu regeln ist. Zum anderen ist es möglich durch eine definierte Strömungsrichtung und -geschwindigkeit einen guten Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und dem Kalibriersubstrat zu realisieren. Auch die erforderliche Einstellzeit ist zu verringern, da im Wesentlichen nur das Kalibriersubstrat temperiert wird.
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Die Wahl des Fluids hängt neben der Messaufgabe, die beispielsweise auch eine aktive Kühlung während Messung vorsehen kann, vom Bauelement, der Einspeisung und dem Abgriff der Signale und der weiteren Messumgebung ab. So wird in vielen Anwendungsfällen wegen seines einfachen Handlings Luft eingesetzt werden. Aber auch Flüssigkeit ist verwendbar, wenn die elektrischen Kontakte räumlich getrennt von der Fluidströmung sind. Die Flüssigkeit hat den Vorteil, dass sie eine höhere Wärmekapazität aufweist, wodurch geringere Fluidmengen für die gleiche Temperaturdifferenz erforderlich sind.
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Figurenliste
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
- 1 eine schematische und vergrößerter Darstellung des Teils eines Chucks, welcher ein Kalibriersubstrat aufnimmt, mit einer von einem gasförmigen Fluid durchströmten Luftkammer unter dem Kalibriersubstrat;
- 2 eine schematische und vergrößerter Darstellung der zweiten Aufnahmefläche eines Chucks, welche ein Kalibriersubstrat aufnimmt und durch eine separate Aufnahmeplatte gebildet ist, die in thermischen Kontakt mit der ersten Aufnahmeplatte steht;
- 3 eine schematische und vergrößerter Darstellung des Teils eines Chucks, welcher ein Kalibriersubstrat aufnimmt, mit einer ersten und einer zweiten Aufnahmeplatte und einer dielektrisch gefüllten Ausnehmung in der zweiten Aufnahmeplatte unter dem Kalibriersubstrat;
- 4 eine schematische Darstellung eines Chucks mit zwei Aufnahmeplatten die zwei Luftkammern in einer Hauptplatte verschließen und eine erste und zweite Aufnahmefläche bilden;
- 5 eine schematische Darstellung eines Chucks mit einer gemeinsamen Aufnahmeplatten, die eine erste und zweite Aufnahmefläche bildet und mit einem Dielektrikum ausgefüllte Ausnehmung aufweist; und
- 6 eine Prüfstation mit einem Chuck gemäß 1.
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Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen sollen eine beispielhafte und keinesfalls eine beschränkende Darstellung der Erfindung sein. Insofern in den verschiedenen Figuren übereinstimmende strukturelle Komponenten dargestellt wurden, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Der Chuck gemäß 1 umfasst eine Bewegungseinrichtung 1, mit welcher Testsubstrat 10 und Kalibriersubstrat 8 gemeinsam relativ zu über den Substraten angebrachten Prüfspitzen (nicht dargestellt) bewegt werden können, um die Kontaktierung durch die Prüfspitzen vorzunehmen. Eine Bewegung des Chucks erfolgt, in Abhängigkeit von den möglichen Bewegungen der Prüfspitzen zumindest in X- und in Y-Richtung, häufig auch zusätzlich in Z-Richtung sowie um eine senkrechte Drehachse, als Drehbewegung ϕ bezeichnet. Die Bewegungseinrichtung 1 bewegt eine Grundplatte 2, auf der eine erste Aufnahmeplatte 4 und daneben eine zweite Aufnahmeplatte 6 angeordnet sind. Der obere Abschluss der ersten Aufnahmeplatte 4 bildet die erste Aufnahmefläche 3 und der obere Abschluss der zweiten Aufnahmeplatte 6 die zweite Aufnahmefläche 5.
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Auf der ersten Aufnahmefläche 3 wird z.B. mittels Vakuumansaugung ein Testsubstrat 10 gehalten. Die zweite Aufnahmeplatte 6 hält ein Kalibriersubstrat 8 auf der zweiten Aufnahmefläche 5. Beide Aufnahmeplatten 4, 6 bestehen aus einem metallischen Werkstoff. Alternativ können sie auch aus einem dielektrischen Material, z.B. Keramik bestehen. Sie sind so ausgebildet und auf der Grundplatte 2 angeordnet, dass die oberen Flächen des Testsubstrats 10 und des Kalibriersubstrats 8 auf gleicher Höhe (Z-Richtung) liegen. Der Höhenausgleich kann z.B. über höhenvariable Distanzstücke 12 unter der zweiten Aufnahmeplatte 6 realisiert werden, die gleichzeitig eine Austauschbarkeit der zweiten Aufnahmeplatte 6 ermöglichen. Alternativ oder ergänzend kann auch die erste Aufnahmeplatte 4 höhenverstellbar sein.
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Die zweite Aufnahmeplatte 6 weist eine zentrale Ausnehmung 13, im dargestellten Ausführungsbeispiel als Durchgang ausgeführt, die eine Luftkammer 14 in der zweiten Aufnahmeplatte 6 bildet. Über der oberen Öffnung der Luftkammer 14 wird mittels einer Substrathalterung 16 das Kalibriersubstrat 8 gehalten, indem die Substrathalterung 16 das Kalibriersubstrat 8 ringsum umfasst und im Randbereich der Ausnehmung 13 auf der zweiten Aufnahmeplatte 6 aufliegt. Die Ausnehmung 13 ist in Gestalt und Fläche geringfügig größer als das Kalibriersubstrat 8, so dass die Ausnehmung 13 durch das Kalibriersubstrat 8 und die Substrathalterung 16 nach oben verschlossen ist. Die Substrathalterung 16 kann als Adapter dienen, um verschiedene Größen von Kalibriersubstraten 8 der Fläche der Ausnehmung 13 anzupassen und kann auch so gestaltet sein, dass es die Luftkammer 14 nach oben nicht vollständig schließt. In vergleichbarer Weise können auch mehr als ein Kalibriersubstrat mittels einer oder mehr Substrathalterungen 16 über einer oder mehr Ausnehmungen 13 angeordnet sein oder eine Substrathalterung 16 ganz entfallen, wenn das Kalibriersubstrat 8 direkt auf den Randbereich der Ausnehmung 13 aufliegen kann.
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Die im dargestellten Ausführungsbeispiel verwendete zweite Aufnahmeplatte 6 gestattet aufgrund der sich vollflächig unterhalb des Kalibriersubstrats 8 ausdehnenden Luftkammer 14 zum einen nahezu ideale Verhältnisse zur Ausbildung und Berechnung eines koplanaren Leitungstyps und gleichzeitig die Möglichkeit der Temperierung des Kalibriersubstrats 8 durch die vollflächige Unterspülung mittels eines auf eine definierte Temperatur eingestellten Fluids. Das Fluid (durch Pfeile dargestellt) wird durch den Zwischenraum 18 zwischen der zweiten Aufnahmeplatte 6 und der Grundplatte 2 in die Luftkammer 14 geleitet, umspült die Unterseite des Kalibriersubstrats 8 vollflächig und entweicht durch den Zwischenraum 18 wieder in die Umgebung. Aufgrund dieser über den Zwischenraum 18 zur Umgebung hin offenen Ausgestaltung dient temperierte Luft oder ein anderes Arbeitsgas als Fluid.
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Alternativ kann die Luftkammer 14 nach oben und/oder nach unten geschlossen sein und einen oder mehr Zuflüsse sowie Abflüsse für das Fluid aufweisen mit entsprechenden Zu- und Ableitungen. Dabei gewährleisten insbesondere der obere Verschluss eine gute Wärmeübertragung vom Fluid in der Luftkammer 14 zum Kalibriersubstrat 8. Zur Einstellung einer einheitlichen Temperatur von Kalibrier- und Testsubstrat 8, 10 können in einer Ausgestaltung auch beide Aufnahmeplatten 4, 6 von einem temperierten Fluid durchflossen werden.
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Das Kalibriersubstrat 8 ist dem Testsubstrat 10 in Material und Dicke angepasst, im Ausführungsbeispiel ein Silizium-Wafer. Auf dem Kalibriersubstrat 8 sind Kalibrierstandards 9 in koplanarer Leitungstechnik ausgebildet, zum einen Kalibrierstandards 9 mit Transmissionspfad (Leitungsstandard) und zum anderen ohne Transmissionspfad (Reflexionsstandards). Alternativ können auch Widerstands- und/oder Kapazitätsstrukturen ausgebildet sein, die der Kalibrierung im niederfrequenten Bereich dienen. Art, Lage und Anzahl der jeweiligen Kalibrierstandards 9 wird, wie oben beschrieben, durch das verwendete Kalibrierverfahren bestimmt. Durch die Lage der Kalibrierstandards 9 auf dem Kalibriersubstrat 8 und ergänzend durch die Halterung durch einen Substrathalterung 16 besteht ein genügend großer seitlicher Abstand zwischen einem auf dem Kalibriersubstrat 8 ausgebildeten Kalibrierstandard 9 zur zweiten Aufnahmeplatte 6.
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Der Chuck in 2 weist den gleichen grundlegenden Aufbau aus Grundplatte 2 und zwei Aufnahmeplatten 4, 6 auf, wie jener in 1, so dass bezüglich der übereinstimmenden Konstruktion auf 1 verwiesen wird. Er unterscheidet sich von dem in 1 durch eine massive Gestaltung der zweiten Aufnahmeplatte 6 ohne Ausnehmung. Beide Aufnahmeplatten 4, 6 sind über jeweils ein großflächiges Distanzstück 12 mit der Grundplatte 2 verbunden. Die Distanzstücke 12 stellen gleichzeitig eine thermische Verbindung zur Grundplatte 2 dar, die über eine geeignete Temperiervorrichtung (nicht dargestellt) verfügt, um beide Aufnahmeplatten 4, 6 durch Heizung und/oder Kühlung auf eine übereinstimmende Temperatur einzustellen. Beide Aufnahmeplatten 4, 6 bestehen aus einer Keramik, deren Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit entsprechend des Temperaturbereichs der Messung und der elektromagnetische Anforderungen der Messanordnung durch eine geeignete Materialzusammensetzung abgestimmt sind.
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Ein Kalibriersubstrat 8 mit mehreren koplanaren Kalibrierstandards 9, z.B. Widerständen und Kapazitäten, ist flächig auf der zweiten Aufnahmeplatte 6 angeordnet und wird über den Flächenkontakt ebenso temperiert, wie das Testsubstrat 10, welches auf der ersten Aufnahmeplatte 4 liegt.
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3 stellt eine weitere alternative Ausgestaltung der zweiten Aufnahmeplatte 6 gemäß 1 dar. Im Gegensatz zu 1 ist in 3 die Ausnehmung 13 mit einem dielektrischen Material gefüllt. In 3 erstreckt sich die Ausnehmung 13 und deren Einlage 15 über die gesamte Dicke der zweiten Aufnahmeplatte 6. Auch hier kann die Ausnehmung 13 und/oder die Einlage 15 nur einen Teil der Dicke der zweiten Aufnahmeplatte 6 einnehmen.
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In der Einlage 15 sind im oberen, dem Kalibriersubstrat 8 zugewandten Bereich Leitungen 20 eingelassen, die durch Kühl- oder Heizmittel durchflossen werden zur Temperierung des Kalibriersubstrats 8. Das Kalibriersubstrat liegt flächig auf der Einlage 15 auf und wird durch eine Substrathalterung 16 fixiert. Bezüglich der weiteren, zum Chuck gemäß 1 übereinstimmenden Ausgestaltungen wird auf die obigen Darlegungen verwiesen.
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4 stellt einen Chuck dar, dessen erste und zweite Aufnahmefläche 3, 5 durch eine gemeinsame Aufnahmeplatte 7 gebildet wird. Diese ist mittels einer Bewegungseinrichtung 1 beweglich, um die Positionierung der Substrate 8, 10 zu Prüfspitzen (nicht dargestellt) wie zu 1 beschrieben auszuführen.
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In der gemeinsamen Aufnahmeplatte 7 sind in den Bereichen einer ersten Aufnahmefläche 3 und einer zweiten Aufnahmefläche 5, Ausnehmungen 13 eingebracht, die beide durch Einlagen 15 nach oben abgedeckt sind. Die Einlagen 15 weisen ein im Vergleich zur gemeinsamen Aufnahmeplatte 7 geringe Dicke auf und liegen in einer Nut auf, so dass die Ausnehmungen vollständig verschlossen sind. Die Dicke der Einlagen 15 ist in Abhängigkeit von der Festigkeit ihres Materials so gewählt, dass sie der Kraft, die bei der Kontaktierung der Substrate mit einer Mehrzahl von Prüfspitzen (nicht dargestellt) auf die Einlagen 15 ausgeübt wird, sicher widerstehen. Auf den Einlagen 15 sind das Testsubstrat 10 und das Kalibriersubstrat 8 angeordnet.
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Die beiden Ausnehmungen 13 unter der ersten und der zweiten Aufnahmefläche 3, 5 erstrecken sich nicht durch die gesamte gemeinsame Aufnahmeplatte 7, so dass Hohlräume, hier ebenfalls wieder Luftkammern 14 gebildet sind. Die Luftkammern 14 sind durch Leitungen 20 miteinander verbunden, so dass ein in einen Zulauf 23 eingespeistes, temperiertes Fluid (durch Pfeile dargestellt) beide Luftkammern 14 durchströmt, infolge dessen beide Substrate 8, 10 temperiert und durch einen Ablauf 24 wieder austritt. Alternativ ist auch eine Trennung beider Luftkammern 14 mit getrenntem Fluidfluss möglich.
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Auch der Chuck gemäß 5 weist eine gemeinsame Aufnahmeplatte 7 auf, die mittels einer Bewegungseinrichtung 1 beweglich ist. Die gemeinsame Aufnahmeplatte 7 weist eine Ausnehmung 13 auf, die sich von der Oberseite der gemeinsamen Aufnahmeplatte 7 beispielhaft etwa bis in die Mitte der Plattendicke erstreckt und mit einer dielektrischen Einlage 15 gefüllt ist. Auf der Unterseite der gemeinsamen Aufnahmeplatte 7 ist eine Heizung 26 angeordnet zur Einstellung der Temperatur der gemeinsamen Aufnahmeplatte 7 und damit eines Test- und Kalibriersubstrats 10, 8.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kalibrierstandards (nicht näher dargestellt) auf dem Wafer angeordnet, auf dem auch die zu prüfenden elektronischen Bauelemente ausgebildet sind, so dass der Wafer gleichzeitig Test- und Kalibriersubstrat 10, 8 ist.
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Der Wafer liegt auf der Einlage 15 vollflächig auf, welche in dieser Ausgestaltung erste und zweite Aufnahmefläche 3, 5 bildet, wobei die Lage der jeweiligen Aufnahmefläche durch die Position der Kalibrierstandards und der elektronischen Bauelemente auf dem Wafer definiert ist und von Fall zu Fall variieren kann. In 5 sind erste Aufnahmefläche 3 und zweite Aufnahmefläche 5 lediglich zur Verdeutlichung und beispielhaft dargestellt.
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Bei den oben genannten alternativen Ausgestaltungen der ersten und/oder zweiten Aufnahmeplatte 4, 6 können anstelle der beschriebenen auch andere oder soweit nicht beschrieben bekannte Möglichkeiten zur Halterung des Kalibriersubstrats 8 verwendet werden. Die Substrathalterung sollte wenn möglich so gestaltet sein, dass für alle für ein Kalibrierverfahren verwendete Kalibrierstandards unterhalb des Kalibrierstandards vergleichbare dielektrische Verhältnisse hergestellt werden können, insbesondere das Material von Standard zu Standard gleich bleibt.
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Eine Prüfung eines Testsubstrats mit Kalibrierung kann unter Verwendung eines der zuvor beschriebenen Chucks in einer Prüfstation erfolgen, deren grundsätzlicher Aufbau beispielhaft in 6 dargestellt ist.
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Eine solche Prüfstation umfasst einen Chuck, z.B. einen gemäß 1, der eine erste und eine zweite Aufnahmeplatte 4, 6 aufweist, die auf einer Grundplatte 2 montiert sind und das Testsubstrat 10 und das Kalibriersubstrat aufnehmen können. Zur konkreten Ausgestaltung des Chucks wird auf die Darlegungen zu 1 verwiesen, wobei die gleichen Strukturkomponenten mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
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Die Prüfstation umfasst des Weiteren Prüfspitzen 34, die von einer Sondenhalterung 28 über den Aufnahmeplatten 4, 6 des Chucks gehalten werden. Sie sind mittels Kabel 36, im Ausführungsbeispiel über eine optionale Signalvorverarbeitungseinheit 30, mit einer Signaleinheit (nicht dargestellt) verbunden. Die Prüfspitzen sind der jeweiligen Messung angepasst, insbesondere in ihrer Ausgestaltung als HF- oder NF-Prüfspitzen. Sie sind mit einer Messeinheit 44, z.B. einem Netzwerkanalysator oder einer SMU verbunden.
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Im Ausführungsbeispiel umfasst der Chuck als Bewegungseinrichtung 1 z.B. einen motorisch oder manuell angetriebenen X-Y-Kreuztisch, einen Z-Hub und eine Drehvorrichtung zum Drehen des Chucks um eine senkrecht zur Aufnahmefläche stehende Drehachse. Damit sind eine Positionierung der Substrate 8, 10 genau unter einer Anordnung von Prüfspitzen 34 in der X-Y-Ebene sowie die Winkelausrichtung von beiden zueinander und nachfolgend eine Zustellbewegung zwischen den Substraten 8, 10 und den Prüfspitzen 34 in Z-Richtung bis zur Herstellung des Kontakts möglich. Alternativ kann zumindest die Zustellbewegung in Z-Richtung oder eine Feinausrichtung zueinander auch durch eine ergänzende Positionierungsvorrichtung der Sondenhalterung 28 ausgeführt werden.
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Ein den Chuck und die Substrate 8, 10 sowie die Prüfspitzen 34 umgebendes Gehäuse 32 aus einem elektrisch leitfähigen Material, das auf Groundpotential gelegt wird, realisiert eine thermische Abschirmung gegenüber der Umgebung zur Einstellung und zur Stabilisierung der eingestellten Temperaturen sowie eine EMV-Abschirmung, sofern für die betreffende Messung erforderlich. Im Zusammenhang mit einer speziellen Gestaltung der Grundplatte oder ersten und/oder zweiten Aufnahmeplatte 4, 6 des Chucks, z.B. mit einem mehrlagigen Aufbau aus wechselnden elektrisch leitfähigen und dielektrischen Schichten und der Schaltung gezielter Potentiale an den leitfähigen Schichten ist auch ein triaxialer Messaufbau realisierbar, so dass selbst kleinste Signale oder Signalmodulationen messbar sind. Ein technisch gleichwertiger triaxialer Aufbau ist auch für die Prüfspitzen 20 und deren Halterungen anwendbar.
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Zur Temperierung der Aufnahmeplatten 4, 6 mittels einer Fluidströmung ist im Ausführungsbeispiel seitlich der Aufnahmeplatten eine Gaszufuhr 40 angeordnet, die mit einer Gasquelle verbunden ist, welche das erforderliche Gasgemisch mit der gewünschten Temperatur bereitstellt. Das zwischen der Aufnahmeplatten 4, 6 und der Grundplatte 2 sowie durch die Luftkammern in beiden Platten (nicht dargestellt) durchströmende Gas wird danach durch eine Gasabsaugung 42 aufgenommen, konditioniert und wieder zur Verfügung gestellt. Mittels eines gasdichten Gehäuses 32 sind auch verschiedene Drücke einstellbar.
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Mittels einer mikroskopischen Beobachtungseinheit 38 ist die Kontaktierung der Substrate 8, 10 und die Messung zu beobachten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bewegungseinrichtung
- 2
- Grundplatte
- 3
- erste Aufnahmefläche
- 4
- erste Aufnahmeplatte
- 5
- zweite Aufnahmefläche
- 6
- zweite Aufnahmeplatte
- 7
- gemeinsame Aufnahmeplatte
- 8
- Kalibriersubstrat
- 9
- Kalibrierstandard
- 10
- Testsubstrat
- 12
- Distanzstück
- 13
- Ausnehmung,
- 14
- Luftkammer
- 15
- Einlage
- 16
- Substrathalterung, Haltemittel
- 18
- Zwischenraum
- 20
- Leitung
- 23
- Zulauf
- 24
- Ablauf
- 26
- Heizung
- 28
- Sondenhalterung
- 30
- Signalvorverarbeitungseinheit
- 32
- Gehäuse
- 34
- Prüfspitzen
- 36
- Kabel
- 38
- Beobachtungseinheit
- 40
- Gaszufuhr
- 42
- Gasabsaugung
- 44
- Messeinheit
