DE102018121911A1

DE102018121911A1 - Verfahren zur Positionierung von Testsubstrat, Sonden und Inspektionseinheit relativ zueinander und Prober zu dessen Ausführung

Info

Publication number: DE102018121911A1
Application number: DE102018121911.3A
Authority: DE
Inventors: Anthony James Lord; Peter Douglas Andrews; Frank Thiele; Jens Klattenhoff; Gavin Fisher; Ralf Keller; Peter Schneider; Enrico Herz; Hans-Jürgen Fleischer; Jörg Kiesewetter
Original assignee: FormFactor GmbH
Current assignee: FormFactor GmbH
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2020-03-12
Also published as: EP3847466A1; WO2020048567A1; KR20210055708A; CN112585485B; TW202027227A; CN112585485A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Prober 1 zur Positionierung von Testsubstrat 5, Sonden 6 und Inspektionseinheit 9 relativ zueinander, bei welchem das Testsubstrat 5 und die Sonden 6 zumindest in der X-Y-Ebene in eine gewünschten Relativposition zueinander ausgerichtet werden und die Inspektionseinheit 9 in eine solchen Z-Position über Relativposition verfahren wird, in welcher der Fokus der Inspektionseinheit 9 auf einen Beobachtungspunkt des Testsubstrats 5 eingestellt ist. Um das Nachführen der Inspektionseinheit 9 zu vereinfachen und beschleunigen, werden von dieser Ausgangsposition ausgehend das Testsubstrat 5 und die Inspektionseinheit 9 synchron derart in Z-Richtung bewegt, dass die Fokusebene beibehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Positionierung von Testsubstrat, Sonden und Inspektionseinheit relativ zueinander, bei welchem das Testsubstrat und die Sonden zumindest in der X-Y-Ebene in eine gewünschten Relativposition zueinander ausgerichtet werden und die Inspektionseinheit in eine solchen Z-Position über Relativposition verfahren wird, in welcher der Fokus der Inspektionseinheit auf einen Beobachtungspunkt des Testsubstrats eingestellt ist. Die Erfindung betrifft auch einen Prober zur Ausführung des Verfahrens
Bekanntermaßen werden die unterschiedlichsten elektronischen Bauelemente, allgemein als Testsubstrate bezeichnet, hinsichtlich verschiedener Eigenschaften geprüft oder speziellen Test unterzogen. Dabei können die Testsubstrate in verschiedenen Fertigungs- und Integrationsstufen vorliegen. So werden Tests von Halbleiterchips, Hybridbauelementen, mikromechanische sowie mikrooptischen Bauelementen und dergleichen durchgeführt, die sich noch im Waferverbund befinden oder vereinzelt oder bereits in mehr oder weniger komplexen Schaltungen integriert sind.
Zur Prüfung und Inspektion von Testsubstraten werden Prüfstationen, üblicherweise als Prober bezeichnet, verwendet, die einen Chuck mit einer Oberfläche zur Aufnahme von Testsubstraten umfassen. Der Chuck ist eine auf die Halterung des Testsubstrats, auf dessen Kontaktierung und auf die Prüfbedingungen abgestimmte Aufnahmevorrichtung und ist meist mittels einer Bewegungsvorrichtung in X-, Y- und Z-Richtung verfahrbar.
Der Prober umfasst weiter mehrere Sonden, die von einer Sondenhalterung gehalten werden. Als Sonden können je nach Testsubstrat und Teststatus Einzelsonden oder Sondenkarten mit einer Vielzahl von Sondenspitzen, so genannte Probe-Cards, verwendet werden. Die Sondenhalterung umfasst regelmäßig eine Sondenhalterplatte, welche über dem Chuck liegend angeordnet ist und die Einzelsonden, gehalten durch Sondenköpfe, oder die Sondenkarte trägt. Auch die Sondenhalterplatte und/oder die Sondenköpfe können über Bewegungsvorrichtungen verfügen, mittels welcher die Sonden gemeinsam oder einzeln zumindest in Z-Richtung verfahrbar sind.
Der Prober weist weiterhin eine Inspektionseinheit auf, der bildlichen Darstellung des Testsubstrats und der Sondenspitzen dient. Die Inspektionseinheit umfasst ein Mikroskop und/oder eine Kamera, mit welcher auf die zu Oberfläche des Testsubstrats geblickt werden kann. Auch die Inspektionseinheit verfügt über eine Bewegungsvorrichtung, um das Objektiv zur Inspektion in Z-Richtung an das Testsubstrat heranzuführen, so dass der Fokus der Inspektionseinheit auf einen bestimmten Beobachtungspunkt des Testsubstrats eingestellt ist, d. h. dieser Beobachtungspunkt scharf abbildbar ist, und um wieder einen ausreichenden Abstand herzustellen, beispielsweise wenn die Sonden auszuwechseln sind.
Die Fokussierung des Beobachtungspunktes muss im Verlauf eines Prüfablaufs, der eine wiederholte Kontaktierung eines oder mehrerer Punkte des Testsubstrats und damit die dafür notwendigen Zustellbewegungen in X-, Y- und Z-Richtung einschließt, mehrfach wiederholt werden. Aufgrund dessen erhöht sich der Zeitaufwand mit jeder neuen Zustellbewegung.
Zur Herstellung des elektrischen Kontaktes ist neben der Verfahrbarkeit in der X-Y-Ebene, die stets als die Ebene definiert ist, in welcher die Aufnahmefläche des Chucks liegt und meist durch die Bewegungsvorrichtung des Chucks realisiert wird, eine Zustellbewegung in Z-Richtung zwischen den Sonden und den Testsubstraten erforderlich.
Zunächst werden Sonden und das Testsubstrat mittels zumindest einer der Bewegungseinrichtungen relativ zueinander in der X-Y-Ebene positioniert, so dass sie mit einem Abstand übereinander stehen. In einer nachfolgenden Zustellbewegung in Z-Richtung wird der Kontakt hergestellt. Diese Z-Position wird als Kontaktposition bezeichnet. Nach Beendigung der Prüfung wird der Kontakt durch ein Verfahren in Z-Richtung gelöst und die nächste Kontaktposition in der X-Y-Ebene angefahren.
In verschiedenen Situationen hat sich das Anfahren einer Zwischenposition der Sondenspitzen in Z-Richtung über dem Testsubstrat als vorteilhaft erwiesen. In dieser Zwischenposition besteht ein ausreichend großer Abstand der Sondenspitzen zum Testsubstrat, so dass z. B. Korrekturen in der X-Y-Ebene möglich sind ohne die Gefahr, die Sondenspitzen zu beschädigen. Diese Zwischenposition gestattet aber gleichzeitig eine Kontrolle der X-Y-Positionen und eine zügige, auch manuelle Zustellung in die Kontaktposition.
Häufig ist die Zustellung in Z-Richtung durch den Chuck bevorzugt oder aufgrund der Gestaltung der Sondenhalterung nur damit möglich. Das führt jedoch dazu, dass die Inspektionseinheit nachgeführt werden muss, um die z. B. Kontaktflächen des Testsubstrats zu erkennen. Muss auch die Zwischenposition angefahren werden, summiert sich die dafür benötigte Zeit aufgrund notwendiger Zwischenkorrekturen an beiden Komponenten, Chuck und Inspektionseinheit, auf ein Maß, welches hinsichtlich der steten Forderung nach Kosteneffizienz und einer teil- oder vollautomatisierten Prüfung nicht mehr akzeptabel ist.
Es besteht daher ein Bedarf, die Zustellbewegungen in Z-Richtung einschließlich der Nachführung der Inspektionseinheit zu vereinfachen und zu beschleunigen, bei Beibehaltung der Zustellgenauigkeit in X-Y-Ebene.
Weiterhin soll auch die finale Zustellung zur Kontaktposition zumindest von der Zwischenposition ausgehend auch manuell erfolgen können.
Das Konzept zur Lösung der Aufgabenstellung sieht vor, jenen Effekt zu simulieren, welcher erzielt würde, wenn die Sondenhalterplatte mit den Sonden angehoben und abgesenkt würde. Dies wird dadurch realisiert, dass von einer Ausgangsposition, in welcher der Fokus der Inspektionseinheit auf einen Beobachtungspunkt des Testsubstrats eingestellt ist, ausgehend das Testsubstrat und die Inspektionseinheit synchron in Z-Richtung bewegt werden. Diese synchrone Bewegung erfolgt derart, dass die Fokusebene beibehalten bleibt. Das ist mit einer übereinstimmenden Bewegungslänge von Testsubstrat und Inspektionseinheit im Regelfall gegeben. Bei Verwendung von Objektiven mit einem variablen Arbeitsabstand und/oder einem variablen Bildfeld können auch ein anderes Verhältnis der Bewegungslängen als das von 1:1 realisiert werden. Eine solche Verfahrensweise kann als virtuelle Bewegung der Sondenhalterplatte angesehen werden und ist auch in solchen Anwendungen möglich, wo die Sondenhalterplatte unbeweglich ist oder deren Bewegung unverhältnismäßig in den Prüfablauf eingreift.
Nachfolgend werden zur Realisierung des Konzepts verwendete Merkmale beschrieben. Diese wird der Fachmann in verschiedenen Ausführungsformen verschieden miteinander kombinieren, soweit ihm das für einen Anwendungsfall sinnvoll und geeignet erscheint.
Die Richtungsangaben X, Y und Z entsprechen der üblichen Verwendung im hier vorliegenden Fachgebiet für die horizontalen X- und Y- Richtungen und die vertikale Z-Richtung.
Der Begriff „synchron“ bezeichnet zeitgleiche Bewegungen und schließt auch solche Verzögerungen ein, die mit der gegenwärtig üblichen Rechentechnik realisierbar sind, um mittels den gängigen Algorithmen ein Verschieben des Fokus automatisiert zu erkennen und eine motorisierte Ausgleichsbewegung auszulösen (Anspruch 5).
Sofern nachfolgend eine Bewegung des Chucks beschrieben wird, ist diese mit der Bewegung des Testsubstrats identische, da der Chuck auf seiner horizontalen Aufnahmefläche das Testsubstrat trägt.
Es wurde festgestellt, dass die Z-Achsen der synchron zu bewegenden Komponenten eines Probers, d. h. des Chucks mit dem darauf gehaltenen Testsubstrat und der Inspektionseinheit, nicht immer exakt parallel zueinander liegen. Entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Kompensation einer solchen Abweichung ermittelt die Inspektionseinheit während der Z-Bewegung von Testsubstrat und Inspektionseinheit Abweichungen von der anfänglichen X-Y-Relativposition zwischen Beobachtungspunkt des Testsubstrats und Fokus der Inspektionseinheit und gleicht diese mittels ihrer Bewegungseinrichtung aus. Zu diesem Zweck ist die Bewegungseinrichtung der Inspektionseinheit in der Lage neben Bewegungen in Z-Richtung auch Bewegungen in der X-Y-Ebene auszuführen.
Die Ermittlung der Abweichungen beruht auf dem während der Z-Bewegung noch bestehendem Abstand zwischen den beiden Kontaktpartnern, der bei nicht parallel verlaufenden Z-Bewegungen zu einer Verschiebung der Sondenspitze relativ zum Testsubstrat führt, welche in der Draufsicht erkennbar ist. Diese Verschiebung kann mittels bekannter Verfahren, z. B. Mustererkennungsverfahren ermittelt werden und durch gegensteuernde Bewegungen ausgeglichen werden. Diese Bewegung wird durch die Inspektionseinheit ausgeführt, so dass die Relativposition zwischen Testsubstrat und Sondenhalterung nicht beeinflusst wird. Ein dazu eingerichteter Prober umfasst eine geeignete Steuereinheit, die hardware- und softwareseitig dafür eingerichtet ist.
Sowohl die synchronen Bewegungen von Testsubstrat und Inspektionseinheit in Z-Richtung als auch die Ausgleichsbewegungen der Inspektionseinheit in X-Y-Richtung können manuell oder motorisiert aus einer Kombination von beidem erfolgen Entsprechend einer Ausgestaltung erfolgen sie motorisiert.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine Z-Bewegung von Testsubstrat und Inspektionseinheit manuell mittels zumindest eines Manipulators, welcher manuell betrieben wird. Der Begriff „eine“ Z-Bewegung umfasst sowohl den gesamten Bewegungsablauf, der auszuführen ist um eine Distanz in Z-Richtung zu überwinden, als auch einzelne Abschnitte davon. Ein solcher Abschnitt kann beispielsweise die finale Zustellung von oder zu der oben genannten Zwischenposition, sowohl zum Testsubstrat oder von diesem weg. Um die zu erreichende Position exakt zu erreichen weist der Manipulator einen oder mehrere Anschläge auf, mit welcher die Z-Bewegung begrenzt werden. Indem der Anschlag optional verstellbar ist, können verschiedene End- oder Zwischenpositionen auch manuell exakt angefahren werden. Die manuelle Bedienung des Manipulators schleißt ein, dass die eigentliche Bewegungen motorisiert ausgeführt werden können.
Zur Realisierung der synchronen Bewegung von Testsubstrat und Inspektionseinheit kann der Manipulator mit beiden Bewegungseinheiten gekoppelt sein, so dass bei motorisierter Bewegung der Manipulator die Antriebe beider Bewegungseinheiten steuert.
Alternativ kann der Manipulator mit nur einer der beiden Bewegungseinheiten in direktem Wirkzusammenhang stehen. In dieser Ausgestaltung führt die zweite Bewegungseinheit eine Ausgleichsbewegung, hier jedoch in Z-Richtung, aus, welche analog zur obigen Beschreibung auf der Basis der Ermittlung einer Änderung im Z-Abstand motorisiert erfolgt.
Ein solcher Manipulator kann beispielsweise mit einem Drehknopf ausgebildet sein. Dessen Anschläge können beispielsweise durch Stifte und konzentrische Führungselemente ausgebildet sein. Die Einstellbarkeit der Anschläge kann, wobei durch verschiedene Positionen der Stifte am Drehknopf realisiert sein. Alternative Ausführungen eines Manipulators oder der Anschläge sind möglich. Weist der Prober mehrere Manipulatoren mit unterschiedlichen Funktionen auf, kann über das Design eine haptische Unterscheidung unterstützt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in

1 einen Prober mit den für die Erfindung wesentlichen Bestandteilen und
2 einen Manipulator mit verstellbarem Anschlag.

Die Zeichnungen zeigen die Vorrichtung nur schematisch in dem Umfang, wie es zur Erläuterung der Erfindung erforderlich ist. Sie erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Maßstäblichkeit.
Der Prober 1 gemäß 1 umfasst einen Chuck 2 mit einer Bewegungseinheit 3 des Chucks. Der Chuck 2 ist in X-, Y- und Z-Richtung beweglich. Die Richtungen sind durch ein Koordinatensystem dargestellt. Auf der oberen, horizontalen Aufnahmefläche 4 ist ein Testsubstrat 5, beispielsweise ein Wafer, angeordnet. Der Wafer wird mittels Sonden 6, die von Sondenköpfen 7 gehalten werden, kontaktiert. Die Sondenköpfe sind auf einer Sondenhalterplatte 8 angeordnet.
Von oben, in Z-Richtung, blickt eine Inspektionseinheit 9 auf das Testsubstrat 5, und zwar auf den Kontaktpunkt, so dass dieser scharf abbildbar ist. Die Inspektionseinheit 9 verfügt ebenfalls über eine Bewegungseinheit 10, mit welcher die Inspektionseinheit 9 ebenfalls in X-, Y- und Z-Richtung beweglich ist.
In der Darstellung befindet sich die Sonde 6 in Kontaktposition K mit dem Testsubstrat 5. Soll der Kontakt gelöst werden, wird der Chuck 2 nach unten gefahren (dargestellt durch einen Pfeil). Synchron dazu wird auch die Inspektionseinheit 9 mit derselben Distanz in Z-Richtung (dargestellt durch die gleiche Pfeillänge) nach unten bewegt. Die Bewegung kann bis zu einer Zwischenposition Z (dargestellt durch eine gestrichelte Linie für die Aufnahmefläche 4' des Chucks) oder einer Endposition E (dargestellt durch eine Strich-Punkt-Linie für die Aufnahmefläche 4" des Chucks) erfolgen.
2 stellt einen Manipulator 20 dar, der mit einem Drehknopf 21 ausgebildet ist. Der Drehknopf ist um seine Achse 22 drehbar. Auf einem Teilumfang sind in seine seitliche Mantelfläche 23 drei radiale Aussparungen 24 angeordnet, in welche ein Stift 25 steckbar ist. Der Stift wird durch einen Führungsschlitz 27 eines konzentrisch zum Drehkopf 21 angeordneten Führungsbleches 26 in eine der Aussparungen 24 geführt und beschränkt auf dieser Weise die ausführbare Drehbewegung des Drehknopfs 21 auf die Länge des Führungsschlitzes 27. Wird einen andere Aussparung 24 verwendet, ist eine andere Drehbewegung ausführbar, wodurch die mittels der Bewegungseinheiten 3, 10 ausführbare Bewegungslänge modifiziert wird.
Bezugszeichenliste

1: Prober
2: Chuck
3: Bewegungsrichtung des Chucks
4 4', 4": Aufnahmefläche
5: Testsubstrat
6: Sonde
7: Sondenkopf
8: Sondenhalterplatte
9: Inspektionseinheit
10: Bewegungsrichtung der Inspektionseinheit
20: Manipulator
21: Drehknopf
22: Achse
23: Mantelfläche
24: Aussparung
25: Stift
26: Führungsblech
27: Führungsschlitz

Claims

Verfahren zur Positionierung von Testsubstrat (5), Sonden (6) und Inspektionseinheit (9) relativ zueinander, bei welchem das Testsubstrat (5) und die Sonden (6) zumindest in der X-Y-Ebene in eine gewünschten Relativposition zueinander ausgerichtet werden und die Inspektionseinheit (9) in eine solchen Z-Position über Relativposition verfahren wird, in welcher der Fokus der Inspektionseinheit (9) auf einen Beobachtungspunkt des Testsubstrats (5) eingestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass von dieser Ausgangsposition ausgehend das Testsubstrat (5) und die Inspektionseinheit (9) synchron derart in Z-Richtung bewegt werden, dass die Fokusebene beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Z-Bewegung von Testsubstrat (5) und Inspektionseinheit (9) die Inspektionseinheit (9) Abweichungen von der X-Y-Relativposition zwischen Beobachtungspunkt des Testsubstrats (5) und Fokus der Inspektionseinheit (9) ermittelt und ausgleicht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Z-Bewegung und/oder die Ausgleichsbewegung der Inspektionseinheit (9) in X-Y-Richtung motorisiert erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Z-Bewegung von Testsubstrat (5) und Inspektionseinheit (9) manuell mittels zumindest eines Manipulators (20) erfolgt, welcher zumindest einen Anschlag zur Begrenzung der Z-Bewegung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Z-Bewegung von Testsubstrat (5) oder Inspektionseinheit (9) manuell mittels eines Manipulators (20) erfolgt, welcher zumindest einen Anschlag zur Begrenzung der Z-Bewegung aufweist, und die zweite der beiden synchron zu bewegenden Komponenten mittels Ermittlung und Ausgleich einer Änderung im Z-Abstand motorisiert nachgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Anschlag für die zu überwindende Distanz eingestellt wird.
Prober zur Prüfung von Testsubstraten, welcher einen Chuck (2) zur Aufnahme und Halterung eines Testsubstrats (5), Sonden (6) zur Kontaktierung des Testsubstrats (5), eine Inspektionseinheit (9) zur fokussierten Abbildung eines Beobachtungspunktes des Testsubstrats (5) im Verlauf der Prüfung und eine Positionierungsvorrichtung zur Bewegung des Chucks (2) und der Inspektionseinheit (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsvorrichtung zumindest eine Bewegungseinrichtung (3, 10) aufweist, welche Bewegungen des Chucks (2) und der Inspektionseinheit (9) in X-, Y- und Z-Richtung ausführt.
Prober nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Prober (1) eine Steuereinheit umfasst, welche konfiguriert ist zur Ermittlung von Abweichungen von einer eingestellten X-Y-Relativposition und/oder einer eingestellten Z-Relativposition zwischen einem Beobachtungspunkt des Testsubstrat (5) und dem Fokus der Inspektionseinheit (9).
Prober nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungseinheit zumindest einen manuell bedienbaren Manipulator (20) umfasst, welcher zumindest einen Anschlag zur Begrenzung der Z-Bewegung aufweist.
Prober nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator (20) einen Drehknopf (21) aufweist.