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Hintergrund
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Technisches Gebiet
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Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf einen Prober für ein Prüfsystem zum Prüfen einer zu prüfenden Vorrichtung, ein Prüfsystem, und ein Verfahren zum Prüfen einer zu prüfenden Vorrichtung.
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Beschreibung des technischen Gebiets
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Am Ende einer Herstellung von Halbleiterchips oder Packages solcher Halbleiterchips werden solche Produkte in der Regel auf ihre Funktion geprüft. Zu diesem Zweck wird ein Prüfsystem aus einem Prober und einer elektrischen Prüfeinheit bereitgestellt, in dem diese Produkte als zu prüfende Vorrichtungen (device under test, DUT) geprüft werden.
Das Anlegen von Prüfsignalen an Halbleiterchips eines Wafers während des Prüfens kann jedoch eine beträchtliche Menge an Wärme erzeugen, was die zu prüfende Vorrichtung oder einen Teil davon verschlechtern oder sogar zerstören kann.
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Zusammenfassung
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Es könnte ein Bedürfnis zum Prüfen einer zu prüfenden Vorrichtung bestehen, ohne dass die Gefahr besteht, dass die zu prüfende Vorrichtung oder ein Teil davon während des Prüfens verschlechtert oder sogar zerstört wird.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist ein Prober für ein Prüfsystem zum Prüfen einer zu prüfenden Vorrichtung bereitgestellt, wobei der Prober einen Halter, der zum Tragen der zu prüfenden Vorrichtung konfiguriert ist, eine Transportschaltung zum Transportieren von elektrischen Signalen zu der und/oder weg von der zu prüfenden Vorrichtung, und eine Kühleinheit aufweist, die mit der zu prüfenden Vorrichtung direkt thermisch gekoppelt ist und zum Kühlen der zu prüfenden Vorrichtung an einer dem Halter zugewandten Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung konfiguriert ist.
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Gemäß einer anderen exemplarischen Ausführungsform ist ein Prüfsystem zum Prüfen einer zu prüfenden Vorrichtung bereitgestellt, wobei das Prüfsystem einen Prober mit den oben beschriebenen Merkmalen und eine elektrische Prüfeinheit aufweist, die mit der Transportschaltung des Probers zum Zuführen von elektrischen Stimulussignalen (insbesondere zum Zuführen von elektrischen Stimulussignalen zu der zu prüfenden Vorrichtung an dem Prober) zu dem Prober und zum Analysieren von elektrischen Reaktionssignalen von dem Prober (insbesondere zum Analysieren von elektrischen Reaktionssignalen von der zu prüfenden Vorrichtung an dem Prober) gekoppelt ist.
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Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Prüfen einer zu prüfenden Vorrichtung bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Tragen der zu prüfenden Vorrichtung mittels eines Halters, ein Transportieren von elektrischen Signalen zu der und/oder weg von der zu prüfenden Vorrichtung, und ein Kühlen der zu prüfenden Vorrichtung an einer Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung, die dem Halter zugewandt ist, mittels einer Kühleinheit aufweist, die mit der zu prüfenden Vorrichtung direkt thermisch gekoppelt ist.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist ein Prober für ein Prüfsystem für DUTs (zum Beispiel Halbleiterwafer) bereitgestellt, in dem eine Kühleinheit bereitgestellt ist, die mit dem DUT an der Hauptoberfläche des DUTs direkt thermisch gekoppelt ist, die in Richtung des den DUT tragenden Halters orientiert ist. So wird eine direkte (statt einer nur indirekten) thermische Wärmeableitung von dem DUT zu der Kühleinheit ausgebildet. Als Folge des beschriebenen direkten Kühlmechanismus ist die Wärmeübertragung von dem DUT auf die Kühleinheit hocheffizient und wird nicht durch einen schlecht thermisch leitfähigen Zwischenkörper zwischen DUT und Kühleinheit unterbrochen. Daher eignet sich der Prober sehr gut für Hochleistungsanwendungen, zum Beispiel für das Prüfen von Leistungshalbleiterchips eines Wafers als DUT. Im Rahmen einer solchen Prüfung kann es auch sehr wünschenswert sein, die Leistungshalbleiter-Chips (zum Beispiel Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) Chips und/oder Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Chips, oder Dioden oder größere Module) einzubrennen, um so eine unerwünschte Erhöhung des Ein-Widerstands während der eigentlichen Verwendung der Halbleiterchips zu vermeiden. Während einer solchen Einbrennprozedur kann eine hohe Menge an thermischer Energie erzeugt werden, die das DUT übermäßig erwärmen kann und die empfindlichen Halbleiterchips davon verschlechtern oder sogar beschädigen kann. Durch den direkten statt indirekten Wärmeableitungsmechanismus, der durch die Kühleinheit gemäß einer exemplarischen Ausführungsform bereitgestellt ist, können sogar enorme Wärmemengen von dem DUT entfernt werden. Dadurch kann eine hochgradig zuverlässige Prüfung in einer hochgradig parallelisierten Weise durchgeführt werden und kann auch eine Einbrennprozedur auf eine sichere Weise durchgeführt werden. Durch Kühlen der zu prüfenden Vorrichtung an einer dem Halter zugewandten Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung kann die gegenüberliegende andere Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung, die dem Halter gegenüberliegt (oder von diesem abgewandt ist), frei bleiben, um elektrisch mit Prüfnadeln oder dergleichen verbunden zu werden, um elektrische Signale frei an einen im Wesentlichen beliebigen Abschnitt der oberen Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung zuzuführen. Darüber hinaus kann das Kühlen an jener Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung erfolgen, zu der die elektrischen Signale nach dem vertikalen Fließen durch die zu prüfende Vorrichtung in einem DUT mit vertikalem Stromfluss propagiert sind. Dadurch kann eine Wärmeabfuhr auf eine hocheffiziente Weise durchgeführt werden.
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Beschreibung von weiteren exemplarischen Ausführungsformen
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Im Folgenden werden weitere exemplarische Ausführungsformen des Probers, des Prüfsystems und des Verfahrens erläutert.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „zu prüfende Vorrichtung“ (DUT) insbesondere eine elektronische Komponente, wie zum Beispiel einen Halbleiterwafer oder einen Halbleiterchip bezeichnen, die nach der Herstellung auf ihre gewünschte Funktionalität geprüft werden soll. Insbesondere kann es sich bei der zu prüfenden Vorrichtung um ein elektronisches Bauteil handeln, das als ein Leistungshalbleiterwafer oder -chip konfiguriert ist, zum Beispiel für Automobilanwendungen und in anderen technischen Gebieten.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Prober“ insbesondere eine Handhabungsvorrichtung für die Handhabung von zu prüfenden Vorrichtungen, insbesondere Halbleiterwafern, im Hinblick auf das Prüfen ihrer Funktionalität durch ein Prüfsystem bezeichnen. Ein Prober kann insbesondere der mechanische Teil eines Prüfsystems sein, der mit einer elektrischen Prüfeinheit als ein elektronisches Teil des Prüfsystems in Bezug auf das Prüfen von zu prüfenden Vorrichtungen zusammenarbeiten kann. Eine elektrische Prüfung von einer solchen zu prüfenden Vorrichtung kann das Anlegen von elektrischen Stimulussignalen an eine oder beide gegenüberliegende Hauptoberflächen der zu prüfenden Vorrichtung erfordern, zum Beispiel an Pads oder andere elektrisch leitfähige Teile von Chips eines Wafers. Die Prüfung kann auch die Detektion und Verarbeitung von elektrischen Reaktionssignalen als Reaktion auf das Anlegen der Stimulussignale erfordern, wobei die Reaktionssignale von einer oder beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen der zu prüfenden Vorrichtung detektiert werden können, abhängig von den Besonderheiten einer bestimmten Anwendung.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Halter“ („chuck“) einen starren Trägerkörper bezeichnen, an dem das DUT montiert werden kann, insbesondere indirekt über zumindest einen Teil der Kühleinheit, etc.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Transportschaltung“ insbesondere elektrische Schaltkreise bezeichnen, die einen elektrisch leitfähigen Pfad in dem Prober zum Führen von elektrischen Signalen (zum Beispiel in einer unidirektionalen oder vorzugsweise in einer bidirektionalen Weise) zwischen einer elektrischen Prüfeinheit des Prüfsystems und der zu prüfenden Vorrichtung bereitstellen.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Kühleinheit“ insbesondere einen Mechanismus oder eine Vorrichtung bezeichnen, der bzw. die zum Kühlen der zu prüfenden Vorrichtung während des Prüfens und/oder Einbrennens konfiguriert ist. Eine solche Kühleinheit kann eine aktive und/oder passive Kühlfunktion bereitstellen. Eine passive Kühlfunktion kann eine direkte thermisch leitfähige Kopplung zwischen der Kühleinheit und der zu prüfenden Vorrichtung sein, wodurch es ermöglicht wird, während der Prüfprozedur in der zu prüfenden Vorrichtung erzeugte Wärme durch Wärmeleitung zu entfernen. Es ist auch möglich, dass die Kühleinheit eine aktive Kühlung bereitgestellt, zum Beispiel durch aktive Förderung von Wärmeleitung durch ein Kühlfluid, wie zum Beispiel eine Kühlflüssigkeit.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „direkt thermisch gekoppelt“ insbesondere eine Konfiguration bezeichnen, bei der zumindest ein Teil der Kühleinheit (zum Beispiel eine Kühlplatte davon) zur Wärmeübertragung mit der zu prüfenden Vorrichtung ohne einen schwach thermisch leitfähigen Körper dazwischen thermisch gekoppelt ist. Insbesondere kann die direkte thermische Kopplung zwischen der Kühleinheit und der zu prüfenden Vorrichtung durch einen direkten physischen Kontakt zwischen einer Oberfläche der zu kühlenden zu prüfenden Vorrichtung und einer Kühlfläche der Kühleinheit ausgebildet werden. Darüber hinaus kann zumindest der Teil der Kühleinheit, der mit der zu prüfenden Vorrichtung direkt thermisch gekoppelt ist, selbst thermisch hochleitfähig sein, zum Beispiel eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/mK haben, vorzugsweise mindestens 80 W/mK.
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In einer Ausführungsform weist die Kühleinheit eine Kühlplatte auf, insbesondere eine kreisförmige Kühlplatte.
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Eine solche Kühlplatte kann ein planarer Trägerkörper sein, der die zu prüfende Vorrichtung direkt mit physischem Kontakt trägt. Mit dieser Maßnahme kann eine ordnungsgemäße thermische Kopplung ausgebildet werden.
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In einer Ausführungsform ist die Kühleinheit zum Kühlen der zu prüfenden Vorrichtung durch ein fluidisches Kühlmittel konfiguriert, das durch Kanäle der Kühleinheit führbar ist. Ein solches fluidisches Kühlmittel kann ein flüssiges Kühlmittel (wie zum Beispiel Wasser oder HFE 7500©, das bei der Firma 3M©/3M™ Novec™ 7500 Engineered Fluid erhältlich ist) oder ein gasförmiges Kühlmittel (wie zum Beispiel ein Luftstrom oder ein Sauerstoffstrom) sein. Ein solches Kühlmittel kann zum Beispiel durch Kanäle der Kühleinheit geführt werden.
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In einer Ausführungsform ist die Kühleinheit zum Kühlen der zu prüfenden Vorrichtung durch ein flüssiges Kühlmittel konfiguriert. Die Verwendung eines flüssigen Kühlmittels sorgt für eine besonders effiziente Kühlleistung, da eine Flüssigkeit in der Regel eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu einem Gas aufweist.
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In einer Ausführungsform ist die Kühleinheit zum Kühlen der zu prüfenden Vorrichtung durch das fluidische Kühlmittel konfiguriert, das durch Spiralkanäle in der Kühleinheit, insbesondere bifilare Spiralkühlröhrchen, führbar ist. Es hat sich als besonders effizient in Bezug auf das Kühlen erwiesen, bifilare Spiralkühlröhrchen in der Kühlplatte der Kühleinheit bereitzustellen. Eine solche Ausführungsform ist zum Beispiel in 2 dargestellt.
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In einer Ausführungsform weist der Prober einen elektrisch isolierenden Körper auf, der zwischen der Kühlplatte der Kühleinheit und dem Halter zwischengeordnet ist. Der erwähnte elektrisch isolierende Körper entkoppelt die zu prüfende Vorrichtung und ihre elektronische Umgebung elektrisch von dem (vorzugsweise geerdeten) Halter, um dadurch sicherzustellen, dass elektrische Signale, die während der Prüfprozedur auftreten, ordnungsgemäß an die zu prüfende Vorrichtung angelegt werden und/oder ordnungsgemäß an eine elektrische Prüfeinheit des Prüfsystems zurückgeführt werden.
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In einer Ausführungsform ist der elektrisch isolierende Körper eine elektrisch isolierende Platte, insbesondere eine Keramikplatte oder eine Kunststoffplatte. Insbesondere ein keramisches Material ist für den elektrisch isolierenden Körper sehr gut geeignet. Ein Anordnen des elektrisch isolierenden Körpers mit der Form einer Platte kann es ermöglichen, einen kompakten Prober mit einer zuverlässigen elektrischen Isolierung zu erhalten.
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In einer Ausführungsform weist die Kühleinheit eine elektrisch leitfähige Oberfläche auf, die mit der zu prüfenden Vorrichtung in Kontakt ist. Zum Beispiel kann eine obere Hauptoberfläche einer Kühlplatte der Kühleinheit in direktem elektrischen und in direktem thermischem Kontakt mit einer unteren Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung, zum Beispiel einem Halbleiterwafer, sein. Die elektrisch leitfähige Oberfläche kann im Wesentlichen eine gesamte durchgehende Hauptoberfläche der Kühlplatte bilden. Die elektrisch leitfähige Oberfläche kann jedoch auch in mehrere Inseln oder Pads separiert sein.
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In einer Ausführungsform ist die Transportschaltung elektrisch mit der Kühleinheit gekoppelt, um elektrische Signale über die Kühleinheit zu der und/oder weg von der zu prüfenden Vorrichtung zu transportieren. Dies kann insbesondere über eine Kühlplatte der Kühleinheit bewerkstelligt werden. Sehr vorteilhaft kann die Kühleinheit auch zum Transport von elektrischen Signalen zwischen der zu prüfenden Vorrichtung und der elektrischen Prüfeinheit beitragen. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, dass eine Kühlplatte der Kühleinheit elektrisch leitfähig ist, um freigelegte Pads an der Oberfläche der kühlenden zu prüfenden Vorrichtung direkt anzuschließen.
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Weiter alternativ kann die obere Hauptoberfläche der Kühlplatte auch elektrisch isolierend sein, zum Beispiel wenn an der unteren Hauptoberfläche des DUT keine elektrischen Kontakte vorhanden sind. Die in den beiden vorangehenden Absätzen beschriebenen Ausführungsformen können insbesondere dann von Vorteil sein, wenn Leistungshalbleiter, wie zum Beispiel MOSFETs, IGBTs und Dioden oder andere vertikale Vorrichtungen in der zu prüfenden Vorrichtung geprüft werden. Bei solchen elektronischen Chips fließt der Strom von einer Vorderseite des Wafers zu einer Rückseite des Wafers. Andere exemplarische Ausführungsformen können jedoch laterale Leistungshalbleiter verwenden, die von einer Unterseite her gekühlt werden können. Solche zu prüfenden Vorrichtungen haben möglicherweise keine elektrisch aktive Rückseite, da alle Anschlüsse an der Vorderseite gebildet werden können. In einer solchen Ausführungsform kann eine elektrisch leitfähige Oberfläche der Kühleinheit entbehrlich sein. Mit anderen Worten hat eine Kühlplatte einer Kühleinheit nicht notwendigerweise eine elektrisch leitfähige Oberfläche und ist nicht notwendigerweise elektrisch an eine Transportschaltung anzuschließen.
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In einer Ausführungsform weist die Kühleinheit einen ersten Kühlpfad auf, der ein erstes Kühlmittel durch eine Kühlplatte zirkuliert, die mit der zu prüfenden Vorrichtung in Kontakt ist. Darüber hinaus kann die Kühleinheit einen zweiten Kühlpfad mit einem zweiten Kühlmittel aufweisen (insbesondere unter Führung eines zweiten Kühlmittels von einer Quelle zu einem Abfluss oder unter Zirkulieren eines zweiten Kühlmittels). Zusätzlich kann ein Wärmetauscher zum thermischen Koppeln des ersten Kühlpfades mit dem zweiten Kühlpfad bereitgestellt werden, so dass Wärme von dem ersten Kühlmittel auf das zweite Kühlmittel übertragen werden kann. Bei einem solchen Konzept des Wärmeaustauschs zwischen dem ersten Kühlmittel (zum Beispiel HFE 7500©, erhältlich bei der Firma 3M©/3M™ Novec™ 7500 Engineered Fluid) und dem zweiten Kühlmittel (zum Beispiel Wasser) kann eine hocheffiziente Wärmeabfuhr von der zu prüfenden Vorrichtung bereitgestellt werden. Anschaulich ausgedrückt wird Wärme von der zu prüfenden Vorrichtung während des Prüfvorgangs zu dem ersten Kühlmittel geliefert, das zirkuliert und die aufgenommene Wärme auf das zweite Kühlmittel in dem Wärmetauscher überträgt. Das erwärmte zweite Kühlmittel kann dann einem Abfluss eines zweiten Kühlpfads eines offenen Kreis-Typs zugeführt werden oder innerhalb eines zweiten Kühlpfads eines geschlossenen Kreis-Typs zirkulieren. Neues oder gekühltes zurück zirkuliertes zweites Kühlmittel kann dann in dem Wärmetauscher in thermische Wechselwirkung mit dem ersten Kühlmittel gebracht werden, so dass ein kontinuierlicher Kühlzyklus ausgebildet werden kann. Es kann von Vorteil sein, dass insbesondere das erste Kühlmittel über einen Temperaturbereich temperaturstabil ist, auf den die zu prüfende Vorrichtung während eines Einbrennvorgangs erwärmt wird. Darüber hinaus sollte insbesondere das erste Kühlmittel auch korrosionsbeständig sein. So kann zum Beispiel HFE 7500©, erhältlich bei der Firma 3M©/3M™ Novec™ 7500 Engineered Fluid, mindestens bis 120°C temperaturstabil sein und somit vorzugsweise verwendet werden. Das zweite Kühlmittel kann aus dem gleichen Material wie das erste Kühlmittel (zum Beispiel HFE 7500© von der Firma 3M©/3M™ Novec™ 7500 Engineered Fluid) oder aus einem anderen Material (zum Beispiel Wasser) als das erste Kühlmittel hergestellt werden.
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Der zweite Kühlpfad kann ein Kühlpfad des offenen Kreis-Typs sein, der das zweite Kühlmittel von der Quelle zu dem Abfluss transportiert. Alternativ kann der zweite Kühlpfad aber auch als ein geschlossener Kühlkreislauf ausgebildet werden, der die aus dem ersten Kühlmittel erhaltene Wärme dissipiert, zum Beispiel mit Luftkühlung. Es ist auch möglich, dass das Wärmeübertragungsfluid in dem primären Kühlkreislauf direkt durch eine Luftkühlung gekühlt wird.
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In einer Ausführungsform weist die Transportschaltung eine Nadelkarte auf, die elektrisch leitfähige Kontaktelemente (wie zum Beispiel Nadeln) aufweist, die zum Kontaktieren der zu prüfenden Vorrichtung, insbesondere zum Kontaktieren der zu prüfenden Vorrichtung von einer Oberseite her, konfiguriert ist. Die besagte Oberseite kann die besagte Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung sein, die von dem Halter abgewandt ist. Insbesondere können die elektrisch leitfähigen Kontaktelemente Federkontakte sein, wie zum Beispiel Pogopins. Eine solche Nadelkarte kann die zu prüfende Vorrichtung von oben her kontaktieren und kann eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Nadeln (wie zum Beispiel Pogopins) in direkten elektrischen Kontakt mit freigelegten elektrisch leitfähigen Pads von elektronischen Chips einer zu prüfenden Vorrichtung eines Wafer-Typs bringen. Anschaulich können die elektrischen Prüfsignale von der Nadelkarte an die Pads angelegt werden, können vertikal durch die Halbleiterchips fließen und können dann an der unteren Hauptoberfläche aus der zu prüfenden Vorrichtung heraus fließen. Die Transportschaltung, welche die besagten elektrische Signale zuführt, kann dann fortfahren, die detektierten Signale von der Kühleinheit an die elektrische Prüfeinheit der Prüfvorrichtung zurückzuführen.
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In einer Ausführungsform ist die Kühleinheit zum Kühlen der zu prüfenden Vorrichtung mit einer thermischen Leistungsfähigkeit von mindestens 5 kW, insbesondere von mindestens 10 kW, konfiguriert. Bei einer Kühlleistung in der Größenordnung von 10 kW und höher kann es auch sein, dass eine zu prüfende Vorrichtung eines Wafer-Typs einer Einbrennprozedur, vorzugsweise auf eine massiv parallele Weise, unterzogen werden kann.
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In einer Ausführungsform weist das Verfahren die gleichzeitige Durchführung einer Einbrennprozedur für mehrere (insbesondere für mindestens 10, weiter insbesondere für mindestens 50, vorzugsweise für mindestens 100) Halbleiterchips einer zu prüfenden Vorrichtung eines Wafer-Typs auf. Mit der oben beschriebenen Kühlarchitektur kann es möglich werden, eine Einbrennprozedur mit einem hohem Durchsatz mit einer großen Anzahl von (insbesondere Leistungs- ) Halbleiterchips eines Wafers gleichzeitig durchzuführen, da die enorme Wärmemenge, die während einer solchen Prozedur entsteht, durch die oben beschriebene Kühlarchitektur effizient entfernt werden kann.
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In einer Ausführungsform ist die elektrische Prüfeinheit für das Zuführen von Einbrenn-Stimulussignalen an eine zu prüfende Vorrichtung eines Wafer-Typs konfiguriert, um bipolare Degradation der zu prüfenden Vorrichtung des Wafer-Typs zu bewirken. Insbesondere kann die elektrische Prüfeinheit für die parallele Zuführung der Einbrenn-Stimulussignale an mehrere, insbesondere alle, Halbleiterchips der zu prüfenden Vorrichtung des Wafer-Typs konfiguriert sein. Entsprechend kann das Verfahren ein Zuführen von Einbrenn-Stimulussignalen an eine zu prüfende Vorrichtung eines Wafer-Typs aufweisen, um bipolare Degradation der zu prüfenden Vorrichtung des Wafer-Typs zu bewirken, insbesondere gleichzeitig an mehrere oder alle Halbleiterchips der zu prüfenden Vorrichtung des Wafer-Typs. Das Verfahren kann insbesondere das Durchführen einer Einbrennprozedur aufweisen, um auf Waferebene bipolare Degradation an einer zu prüfenden Vorrichtung eines Wafer-Typs zu bewirken. Mit anderen Worten ist es möglich, mehrere Leistungshalbleiter-Chips der zu prüfenden Vorrichtung des Wafer-Typs zu prüfen und eine Einbrennprozedur für eine Gruppe von Leistungshalbleiterchips oder sogar für alle Halbleiterchips des Wafers gleichzeitig durchzuführen. Sehr vorteilhaft kann die Zufuhr von Einbrenn-Stimulussignalen zu der zu prüfenden Vorrichtung des Wafer-Typs ein Einbrennen von Materialeigenschaften ermöglichen, die den Ein-Widerstand in allen oder einigen elektronischen Chips des Wafers beeinflussen, so dass während des Betriebs keine unerwünschte Änderung der Leistungsfähigkeit der Halbleiterchips auftritt, sondern während der Produktion der Chips. Die Kühleinheit kann eine solche Einbrennprozedur unterstützen, indem sie eine hohe Kühlleistung bereitstellt, wodurch während der Einbrennprozedur erzeugte Wärme entfernt wird. Die Einbrennprozedur kann für mehrere elektronische Chips einer zu prüfenden Vorrichtung eines Wafer-Typs gleichzeitig, d.h. auf parallele Weise, durchgeführt werden.
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Insbesondere führt eine Ausführungsform eine Einbrennprozedur für alle Chips eines Wafers gleichzeitig durch. Eine andere exemplarische Ausführungsform kann allerdings eine Einbrennprozedur für eine Gruppe von zum Beispiel ein paar hundert Chips gleichzeitig durchführen (zum Beispiel von etwa 500 bis 5000 Chips pro Wafer, je nach Chiptyp). Die Chips, die einer gemeinsamen Einbrennprozedur unterzogen werden, können in paralleler Weise elektrisch kontaktiert und gekühlt werden. Es ist jedoch sehr vorteilhaft, wenn eine Gruppe von Chips, die gleichzeitig einer gemeinsamen Einbrennprozedur unterzogen werden (d.h. die besagten hundert oder mehr Chips), räumlich (vorzugsweise gleichmäßig) über die gesamte Waferoberfläche verteilt sind. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Wärme gleichmäßig über die gesamte Waferfläche hinweg erzeugt wird und dann von der Kühleinheit weg transportiert werden kann.
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In einer Ausführungsform kann ein Einbrennen zur Förderung von bipolarer Degradation durchgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass ein Einbrennen durchgeführt wird, um andere Effekte zu adressieren. Es ist auch möglich, dass eine Nicht-Einbrenn-Prüfung (d.h. ein normaler Funktionstest) durchgeführt wird, der so viel Wärme erzeugt, dass ein Kühlen vorteilhaft angewendet werden kann, wie hierin beschrieben.
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Zum Beispiel bewirkt eine Einbrennprozedur das Dissipieren von etwa 100 W pro Chip einer zu prüfenden Vorrichtung eines Wafer-Typs. Eine typische Zeitdauer einer Einbrennprozedur beträgt 15 Minuten. Darüber hinaus ist es wünschenswert, eine Einbrennprozedur gleichzeitig für mehrere Chips (zum Beispiel gleichzeitig für mindestens 50 Chips, vorzugsweise mindestens 100 Chips) durchzuführen, um den Herstellungsprozess in Bezug auf den Durchsatz effizient zu machen. Dies erfordert jedoch eine leistungsstarke Architektur der Wärmeabfuhr. Direkte Wärmeabfuhr von der dem Halter zugewandten Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung, wie sie durch exemplarische Ausführungsformen durchgeführt wird, ist für diesen Zweck sehr geeignet.
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In einer Ausführungsform weist das Verfahren ein Anbringen der zu prüfenden Vorrichtung auf, um an einer plattenförmigen Kühleinheit anzuliegen. Somit kann die Kühlplatte der Kühleinheit in direktem physischen Kontakt mit der unteren Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung stehen und an der Letzteren anliegen. Dies kann eine ordnungsgemäße thermische Kopplung ohne eine elektrische Verbindung zwischen Kühlquelle und DUT gewährleisten.
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In einer Ausführungsform weist das Verfahren ein Bereitstellen der zu prüfenden Vorrichtung und der Kühleinheit mit im Wesentlichen identischen gegenseitigen Kontaktflächen auf. Durch das Bereitstellen von im Wesentlichen den gleichen Flächen an der Oberseite der Kühlplatte und an der Unterseite der zu prüfenden Vorrichtung kann eine kompakte Konfiguration erreicht werden.
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In einer Ausführungsform ist der Prober als ein Wafer-Prober zum Prüfen von Chips (insbesondere Halbleiterchips) an einem Wafer als zu prüfende Vorrichtung konfiguriert. Daher kann der Prober für das Prüfen eines Wafers konfiguriert sein, insbesondere einer Mehrzahl von elektronischen Chips, die noch integral in dem Waferverbund verbunden sind. Der Wafer und seine elektronischen Chips können elektrisch leitfähige Pads und/oder andere elektrisch leitfähige Teile an einer oder beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen davon haben, die zu kontaktieren sind, um elektrische Prüfsignale anzulegen und elektrische Reaktionssignale für das Prüfen der Funktionalität der elektronischen Chips und des Wafers als Ganzes zu messen. Ein entsprechender Wafer-Prober kann dazu in der Lage sein, den Wafer über einer planaren Oberfläche eines Halters und an einer Kühlplatte mit elektrisch leitfähigen Abschnitten aufzunehmen, die mit elektrisch leitfähigen Pads an einer Hauptoberfläche des Wafers kontaktiert werden können. Zum Beispiel eine Nadelkarte mit einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Nadeln kann Pads an einer gegenüberliegenden anderen Hauptoberfläche des Wafers kontaktieren, der mit einer Kühlplatte dazwischen über dem Halter angeordnet ist.
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In einer Ausführungsform weist die Transportschaltung des Probers elektrisch leitfähige Kontaktelemente zum Anlegen eines elektrischen Stimulussignals an mindestens eine Seite der zu prüfenden Vorrichtung und/oder zum Detektieren eines elektrischen Reaktionssignals als Reaktion auf das angelegte elektrische Stimulussignal an mindestens einer Seite der zu prüfenden Vorrichtung auf. Die genannten elektrisch leitfähigen Elemente können Nadeln oder Pogopins (d.h. federbelastete elektrisch leitfähige Kontakte) sein, die Pads und/oder andere elektrisch leitfähige Teile an einer Hauptoberfläche des Wafers oder anderer zu prüfender Vorrichtungen kontaktieren. Andere Kontaktelemente können planare elektrisch leitfähige Bereiche an einer Oberfläche der Kühlplatte sein, an der die zu prüfende Vorrichtung direkt angeordnet werden kann. Wenn die zu prüfende Vorrichtung zwischen elektrisch leitfähigen Elementen an beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen zwischengeordnet ist, ist es möglich, elektrische Prüfungen durchzuführen, indem elektrische Stimulussignale angelegt und elektrische Reaktionssignale an jeweiligen der Pads und/oder anderen elektrisch leitfähigen Teilen über entsprechende der Kontaktelemente gemessen werden.
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In einer Ausführungsform weist das Verfahren ein Prüfen von integral verbundenen Dies oder Chips eines Wafers als die zu prüfende Vorrichtung auf, insbesondere eines Wafers mit einem Durchmesser von mindestens 150 mm, weiter insbesondere mindestens 300 mm. Insbesondere bei einem Halbleiterwafer mit großen Abmessungen bis zu 300 nm Durchmesser und mehr sind herkömmliche Prober- und Kühlkonzepte möglicherweise nicht mehr anwendbar und verfügbar.
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In einer Ausführungsform weist das Verfahren ein Prüfen eines Wafers, als die zu prüfende Vorrichtung, auf, der eine Mehrzahl von Halbleiterchips mit einem vertikalen Stromfluss zwischen zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen aufweist. Das Prüfen von Halbleiterchips mit einem vertikalen Stromfluss (zum Beispiel Transistorchips) kann Pads und/oder andere elektrisch leitfähige Teile an beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen des zu prüfenden Wafers implementieren.
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In einer Ausführungsform ist der elektronische Chip ein FET (Field Effect Transistor) Transistor-Chip mit einem Source-Pad, einem Drain-Pad und einem Gate-Pad oder kann ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Chip mit einem Kollektor-Pad, einem Emitter-Pad und einem Gate-Pad als der mindestens eine Pad sein. Insbesondere können das Source-Pad und das Gate-Pad an derselben Hauptoberfläche des elektronischen Chips gebildet sein und können jeweils mit einem entsprechenden Kontaktelement gekoppelt sein. Das Drain-Pad kann an einer gegenüberliegenden anderen Hauptoberfläche des elektronischen Chips gebildet sein. Ein solcher Transistorchip kann ein Chip sein, der die Funktion eines Transistors erfüllt, insbesondere eines Feldeffekttransistors. Ein solcher Transistorchip kann zum Beispiel für Halbleiterleistungsanwendungen verwendet werden.
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In einer Ausführungsform weist der mindestens eine elektronische Chip mindestens eine aus der Gruppe auf, die aus einer Steuerungsschaltung, einer Treiberschaltung und einer Leistungshalbleiterschaltung besteht. Alle diese Schaltungen können in einen Halbleiterchip oder separat in verschiedenen Chips integriert sein. Zum Beispiel kann eine entsprechende Leistungshalbleiter-Anwendung durch den Chip bzw. die Chips realisiert werden, wobei integrierte Schaltungselemente von solch einem Leistungshalbleiterchip mindestens einen Transistor (insbesondere ein FET, Field Effect Transistor, oder IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor), mindestens eine Diode, etc., aufweisen können. Insbesondere können Schaltkreise hergestellt werden, die eine Halbbrückenfunktion, eine Vollbrückenfunktion, etc., erfüllen.
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Als Substrat oder Wafer für die Halbleiterchips kann ein Halbleitersubstrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, verwendet werden. Alternativ kann ein Siliziumoxid oder ein anderes Isolatorsubstrat bereitgestellt werden. Es ist auch möglich, ein Germaniumsubstrat oder ein III-V-Halbleitermaterial zu implementieren. Exemplarische Ausführungsformen können zum Beispiel in GaN- oder SiC-Technologie implementiert werden.
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Die oben genannten und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile werden anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erkennbar werden, in denen gleiche Teile oder Elemente durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden.
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Figurenliste
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Die begleitenden Zeichnungen, die beigefügt sind, um ein weiteres Verständnis von exemplarischen Ausführungsformen zu vermitteln und einen Teil der Spezifikation bilden, veranschaulichen exemplarische Ausführungsformen.
In den Zeichnungen:
- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Prüfsystems, aufweisend eine elektrische Prüfeinheit und einen Prober mit einer direkten Kühleinheit gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.
- 2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Kühlplatte eines Probers gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.
- 3 zeigt eine Draufsicht einer Kühlplatte eines Probers gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung
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Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch und nicht maßgeblich.
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Bevor exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlicher beschrieben werden, werden einige allgemeine Überlegungen zusammengefasst, auf deren Grundlage exemplarische Ausführungsformen entwickelt wurden.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist ein Prober für ein Prüfsystem zum Prüfen von zu prüfenden Vorrichtungen bereitgestellt, der eine Kühleinheit mit einer (vorzugsweise flüssig) gekühlten Halter-Zusatzplatte aufweist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass hohe thermische Leistungsanforderungen in einem Wafer-Prober erfüllt werden. So können Ausführungsformen einen deutlich reduzierten thermischen Widerstand von dem Wärme dissipierenden Wafer zu der Kühlflüssigkeit bereitstellen und können somit hohe Kühlanforderungen einer massiv parallelen Einbrennprüfung von Leistungshalbleitern unterstützen.
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Es kann wünschenswert sein, eine besondere Art des Einbrennens von MOSFETs, das sogenannte Bipolar Stress Screening (BIPSS), auf Waferebene zu ermöglichen. Um dies mit vernünftigem Aufwand zu bewerkstelligen, sind vernünftig kurze Prüfungszeiten pro Wafer erwünscht. Dies führt direkt zu einer hohen Anzahl von Chips, die gleichzeitig geprüft werden sollten. Vorzugsweise kann die Parallelität der Prüfung höher als 100 sein.
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Während des Einbrennens kann jeder Halbleiterchip über eine Einbrennzeit von zum Beispiel mindestens 15 Minuten konstant bis zu 100 W elektrischer Leistung dissipieren. Dies kann sich auf eine gleichmäßige dissipierte Leistung von bis zu mehr als 10 kW für eine 100-fach parallele Prüfung summieren. Aufgrund der stetigen Natur der dissipierten Leistung kann die Pufferung thermischer Kapazitäten von keiner Relevanz sein. Dies bedeutet, dass die gesamte thermische Leistung sofort von dem Wafer weg transferiert werden kann, um eine maximal zulässige Temperatur nicht zu überschreiten.
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Der hauptsächliche Wärmeübertragungsmechanismus hierfür kann Wärmeleitung in Richtung der mechanischen Konstruktion sein, an welcher der Wafer anliegt und wo die Kühleinrichtungen implementiert werden.
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Da zusätzlich Leistungshalbleiterchips und Wafer vertikale Vorrichtungen mit elektrisch aktiver Rückseite sein können, sollte die Platte, an welcher der Wafer anliegt, elektrisch von dem Prober isoliert sein. Diese Isolierung kann mit einer dielektrischen Platte erfolgen, die andererseits einen unerwünschten thermischen Widerstand darstellt und somit den Wärmestrom einschränkt.
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Herkömmlich ist keine Lösung verfügbar, welche die erforderlichen Wärmeübertragungs- und Kühlfähigkeiten bietet. Insbesondere gibt es keine Lösung, die eine thermische Leistungsfähigkeit von 10 kW und mehr hat.
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Für Leistungshalbleiterprüfungen kann eine elektrisch isolierende Platte herkömmlich über dem Halter und unterhalb der sogenannten Zusatzplatte angeordnet werden, an welcher der Wafer anliegt. Dies stellt einen hohen thermischen Widerstand dar, der die Wärmeübertragung von dem Wafer zu dem gekühlten Halter einschränkt.
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Eine exemplarische Ausführungsform stellt einen Prober mit einer Kühleinheit bereit, welche die zu prüfende Vorrichtung direkt kontaktiert. Insbesondere kann eine mit einer Flüssigkeit gekühlte Zusatzplatte bereitgestellt werden, die in engem Kontakt mit dem Wafer oder einem anderen DUT steht. Dies kann den Nachteil von herkömmlichen Ansätzen eines hohen thermischen Widerstands einer zwischengeordneten dielektrischen Platte und ihrer Schnittstellen überwinden.
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Mit Ausführungsformen kann es möglich sein, dass der thermische Widerstand gegenüber herkömmlichen Ansätzen mit einer isolierenden Platte zwischen Wafer und kühlendem Halter deutlich verbessert wird.
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Ein Modell (das eine elektrothermische Analogie verwenden kann) des Wärmestroms und der Temperaturgradienten weist eine Komponente auf, die nicht nur aus der bloßen Theorie abgeleitet werden kann. Dies ist die Wärmeübertragung an der Schnittstelle von der Waferrückseite zu der Oberfläche der Zusatzplatte. Sie kann nicht genau berechnet werden, da die notwendigen Parameter von beiden Oberflächen (Rauheit, elastisches Verhalten, etc.) nicht gut genug bekannt sind. Dies wird in der gesamten Simulationsgemeinschaft akzeptiert, und eine Möglichkeit, diese Situation zu überwinden, besteht darin, den Temperaturunterschied in Experimenten zu messen, das Simulationsmodell mit dem Ergebnis zu füttern und dann Vorhersagen mit der Simulation für verschiedene Dimensionen, Geometrien, etc., durchzuführen.
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Um eine gute Abschätzung für die Temperaturdifferenz zu erhalten, wurde ein vereinfachtes Experiment durchgeführt. Ein Wafer von ähnlicher Dicke wie MOSFETs und mit einem integriertem Temperatursensor wurde einem Luftstrom von 125°C ausgesetzt. Der Halter wurde bei 25°C gehalten und die Temperatur des Wafers wurde als 31°C gemessen. Die Schnittstelle Wafer-Halter verursachte in diesem Aufbau eine Temperaturdifferenz von nur 6 K. Ein Aufbau für BIPSS gemäß einer exemplarischen Ausführungsform kann in Bezug auf den thermischen Widerstand wesentlich besser sein, da der Wafer direkt an eine gekühlte Zusatzplatte mittels in etwa 1000 Sonden mit in etwa 50 kg gedrückt werden kann. Die Abschätzung zeigt also, dass der Wärmestrom von 10 kW nur einen Temperaturunterschied von weniger als 10 K zwischen Wafer und Zusatzplatte verursachen kann.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Prüfsystems 102, das eine elektrische Prüfeinheit 130 und einen Prober 100 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform aufweist. Genauer gesagt ist der Prober 100 als ein Wafer-Prober 100 für das Prüfen von Chips an einem Wafer als prüfende Vorrichtung 104 konfiguriert. Das Prüfsystem 102 dient somit zum Prüfen der zu prüfenden Vorrichtung 104, bei der es sich hier um einen Halbleiterwafer handelt, der aus einer Mehrzahl von integral verbundenen Transistorchips gebildet ist.
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Der Prober 100 bildet den mechanischen Teil des Prüfsystems 102 und wird für die Handhabung der zu prüfenden Vorrichtung 104 verwendet. Die elektrische Prüfeinheit 130 ist mit dem Prober 100 gekoppelt und dient zum Zuführen von elektrischen Stimulussignalen an den Prober 100 und zum Analysieren von elektrischen Reaktionssignalen des Probers 100 in Hinblick auf die Prüfung. Der Prober 100 weist elektrisch leitfähige Kontaktelementen (die unten näher beschrieben werden) auf, um die elektrischen Stimulussignale an mindestens eine Seite der zu prüfenden Vorrichtung 104 anzulegen und um die elektrischen Reaktionssignale als Reaktion auf die angelegten elektrischen Stimulussignale an mindestens eine Seite der zu prüfenden Vorrichtung 104 zu detektieren.
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Der gezeigte Prober 100 weist einen Halter 106 auf, der für ein mechanisches Tragen oder Stützen der zu prüfenden Vorrichtung 104 konfiguriert ist. Darüber hinaus weist der Prober 100 eine elektrische Transportschaltung 108 zum Transportieren von elektrischen Signalen zu der und/oder weg von der zu prüfenden Vorrichtung 104 auf.
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Darüber hinaus weist der Prober 100 eine Kühleinheit 110 auf, die direkt thermisch und physisch mit der zu prüfenden Vorrichtung 104 gekoppelt ist und die zum Kühlen der zu prüfenden Vorrichtung 104 während des Betriebs des Prüfsystems 102 konfiguriert ist. Die elektrische Prüfeinheit 130 des Prüfsystems 102 ist mit der Transportschaltung 108 des Probers 100 zum Anlegen der elektrischen Stimulussignale an den Prober 100 und zum Analysieren der elektrischen Reaktionssignale des Probers 100 gekoppelt. Unter Bezugnahme auf 1 kann von der Prüfeinheit 130 ein elektrischer Strom Iforce bereitgestellt werden, der mittels der Transportschaltung 108 an die zu prüfende Vorrichtung 104 angelegt werden kann. Darüber hinaus kann eine Spannung Umeas zwischen einer Oberseite der zu prüfenden Vorrichtung 104 und einer Kühlplatte 112 der Kühleinheit 110, an der die zu prüfende Vorrichtung 104 anliegt, mittels der Prüfeinheit 130 gemessen werden.
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Genauer gesagt weist die Kühleinheit 110 eine kreisförmige Kühlplatte 112 auf, die der kreisförmigen Gestalt der zu prüfenden Vorrichtung 104 des Wafer-Typs entspricht. Die Kühleinheit 110 ist zum Kühlen der zu prüfenden Vorrichtung 104 von einer Unterseite davon konfiguriert, indem ein flüssiges Kühlmittel durch Kanäle 114 (siehe auch 3) der Kühleinheit 110 führbar ist. Wie in 1 dargestellt, erfolgt das Kühlen der zu prüfenden Vorrichtung 104 des Wafer-Typs an seiner unteren Hauptoberfläche, die dem Halter 106 gegenüberliegt. Infolgedessen bleibt die obere Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104, die dem Halter 106 gegenüberliegt (oder davon weg weist) frei von allen Elementen der Kühleinheit 110 freigelegt. Dadurch ist es möglich, die obere Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 durch mehrere elektrisch leitfähige Kontaktelemente 128 (zum Beispiel Federkontakte) einer Nadelanordnung 108 (die auch als volle Wafer-Sondenanordnung bezeichnet werden kann) zu kontaktieren.
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Die Chips der zu prüfenden Vorrichtung 104 des Wafers-Typs vollführen einen gemäß 1 vertikalen Stromfluss. Tritt gleichzeitig ein signifikanter Spannungsabfall zwischen der oberen und der unteren Hauptoberfläche auf, wird durch einen solchen Stromfluss in der zu prüfenden Vorrichtung 104 eine enorme Menge ohmscher Wärme erzeugt. Die Wärmeabfuhr durch eine aktive Kühlung an der unteren Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104, wie sie von der Kühleinheit 110 durchgeführt wird, die mit ihrer Kühlplatte 112 spezifisch und direkt an der unteren Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 betrieben wird, ist daher besonders effizient.
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Darüber hinaus weist der Prober 100 einen elektrisch isolierenden Körper 116 auf, der vertikal zwischen der Kühlplatte 112 der Kühleinheit 110 und dem Halter 106 angeordnet ist. Vorzugsweise ist der elektrisch isolierende Körper 116 eine elektrisch isolierende Platte (wie zum Beispiel eine Keramikplatte), welche die Kühlplatte 112 in Bezug auf den Halter 106 gegenseitig beabstandet. Der elektrisch isolierende Körper 116 entkoppelt somit den Halter 106 in Bezug auf die zu prüfende Vorrichtung 104 elektrisch.
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Wie 1 zu entnehmen ist, weist die Kühlplatte 112 eine elektrisch leitfähige Oberfläche 118 in direktem physischen Kontakt mit der unteren Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 auf. Mit dieser Maßnahme kann eine hocheffiziente thermische Kopplung zwischen der zu prüfenden Vorrichtung 104 und der Kühlplatte 112 sichergestellt werden.
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Genauer gesagt weist die Kühleinheit 110 einen ersten Kühlpfad 120 auf, der ein flüssiges erstes Kühlmittel durch die Kühlplatte 112 zirkuliert, die mit der zu prüfenden Vorrichtung 104 in Kontakt ist. Beim Erwärmen überträgt die zu prüfende Vorrichtung 104 Wärme an das zirkulierende erste Kühlmittel. Darüber hinaus kann die Kühleinheit 110 zusätzlich einen zweiten Kühlpfad 122 aufweisen, der ein flüssiges zweites Kühlmittel von einer Quelle 187 zu einem Abfluss 189 treibt. Ein Wärmetauscher 124 kann zum thermischen Koppeln des durch den ersten Kühlpfad 120 fließenden ersten Kühlmittels mit dem durch den zweiten Kühlpfad 122 fließenden zweiten Kühlmittel bereitgestellt sein. Dadurch wird in dem Wärmetauscher 124 Wärme von dem ersten Kühlmittel auf das zweite Kühlmittel übertragen. Infolgedessen wird das zuvor erwärmte erste Kühlmittel durch das zweite Kühlmittel gekühlt, so dass das gekühlte erste Kühlmittel dann wieder zurück zu der Kühlplatte 112 zirkuliert werden kann. Diese Prozedur kann kontinuierlich durchgeführt werden. Angesichts dieses hocheffizienten und direkten Kühlmechanismus kann die Kühleinheit 110 zur Kühlung der zu prüfenden Vorrichtung 104 mit einer thermischen Leistungsfähigkeit von zum Beispiel 10 kW oder mehr betrieben werden.
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Was die Übertragung von elektrischen Signalen und von elektrischer Energie innerhalb des Prüfsystems 102 betrifft, weist die Transportschaltung 108 des Probers 100 die Nadelkarte 126 mit ihren elektrisch leitfähigen Kontaktelementen 128 auf, die zum Kontaktieren der zu prüfenden Vorrichtung 104 von einer Oberseite her konfiguriert sind. Darüber hinaus weist die elektrisch leitfähige Oberfläche 118 an der Oberseite der Kühlplatte 112 ein oder mehrere elektrisch leitfähige Kontaktelemente auf, die zum Kontaktieren der zu prüfenden Vorrichtung 104 von einer Unterseite her konfiguriert sind. Wie 1 ebenfalls entnommen werden kann, ist die Transportschaltung 108 mit der Kühleinheit 110 elektrisch gekoppelt, um elektrische Signale über die Kühleinheit 110 zu der und/oder weg von der zu prüfenden Vorrichtung 104 zu transportieren. Daher trägt die Kühlplatte 112 auch zu der Übertragung von elektrischen Signalen zwischen der elektrischen Prüfeinheit 130 und der zu prüfenden Vorrichtung 104 bei.
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Vorteilhafterweise kann die elektrische Prüfeinheit 130 zum Zuführen von Einbrenn-Stimulussignalen an die zu prüfende Vorrichtung 104 des Wafer-Typs durch die elektrisch leitfähigen Kontaktelemente 128 und durch die elektrisch leitfähige Oberfläche 118 konfiguriert sein. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, können solche Einbrenn-Stimulussignale bereitgestellt werden, um bei den Chips der zu prüfenden Vorrichtung 100 des Wafer-Typs eine bipolare Degradation zu bewirken. Sehr vorteilhaft kann die elektrische Prüfeinheit 130 für eine parallele oder gleichzeitige Zuführung der Einbrenn-Stimulussignale an mehrere oder sogar alle Halbleiterchips der zu prüfenden Vorrichtung 104 des Wafer-Typs konfiguriert sein. Daher kann es möglich sein, die Einbrennprozedur durchzuführen, um die bipolare Degradation der zu prüfenden Vorrichtung 104 des Wafer-Typs auf Waferebene und zumindest für eine Untergruppe der Chips gleichzeitig zu bewirken.
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Zum Prüfen der zu prüfenden Vorrichtung 104 wird die zu prüfende Vorrichtung 104 direkt an der Kühlplatte 112 über dem Halter 106 montiert. Somit wird die zu prüfende Vorrichtung 104 an der Kühlplatte 112 anliegend befestigt. Dadurch kann die zu prüfende Vorrichtung 104 direkt durch die Kühleinheit 110 gekühlt werden, da die Kühlplatte 112 direkt thermisch mit der zu prüfenden Vorrichtung 104 gekoppelt ist. Vorteilhafterweise sind die zu prüfende Vorrichtung 104 und die Kühlplatte 112 mit im Wesentlichen identischen gegenseitigen Kontaktflächen ausgestattet. Dies gewährleistet eine ordnungsgemäße thermische Kopplung über eine große Verbindungsfläche hinweg. Das Prüfen und Einbrennen der Chips erfolgt an einem Wafer als die zu prüfende Vorrichtung 104. Zum Beispiel kann der Wafer einen Durchmesser von 150 mm bis 300 mm oder mehr haben. Der Wafer kann eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterchips mit einem vertikalen Stromfluss zwischen zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen 134, 136 aufweisen.
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Die mittels Flüssigkeit gekühlte Zusatzplatte oder Kühlplatte 112 kann vorzugsweise bifilare Spiralkühlröhrchen als Kanäle 114 innerhalb eines thermisch leitfähigen Plattenkörpers der Kühlplatte 112 enthalten. Dadurch kann eine ordnungsgemäße Homogenität der Temperaturverteilung an der Oberfläche der Zusatzplatte 112 gewährleistet werden. Der Durchmesser der Kühlröhrchen kann vorzugsweise groß genug sein, um eine ausreichende Flussrate der Kühlflüssigkeit zu ermöglichen.
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In Bezug auf einen massiv parallelen Prüfbetrieb mit einer Vollwafer-Sondenanordnung in Form der dargestellten Nadelanordnung 126 kann die Wärme nahezu homogen über die gesamte Waferfläche induziert werden. Laterale thermische Gradienten innerhalb einer horizontalen Ebene können vernachlässigbar sein. Exemplarische Ausführungsformen adressieren bipolare Degradation, die in der frühen Lebensdauer von SiC MOSFETs auftritt und zu einem dauerhaft erhöhten Ein-Widerstand Ron führt. Es kann verhindert werden, dass diese Drift während der Verwendung der Chips auftritt, wenn ein Einbrennen während der Prüfung durchgeführt wird, womit die Degradation bewirkt wird. Zum Beispiel können Chips mit zu hohem Ein-Widerstand nach der Einbrennprozedur aussortiert werden.
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Als nächstes wird der Betrieb des Probers 100 und des Prüfsystems 102 von 1 näher erläutert.
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Zur Prüfung wird die zu prüfende Vorrichtung 104 des Wafer-Typs auf die elektrisch leitfähige und thermisch hochleitfähige Kühlplatte 112 des Probers 100 gelegt. Die zu prüfende Vorrichtung 104 kann zum Beispiel ein sehr dünner Halbleiterwafer sein, der zum Beispiel eine Dicke in einem Bereich zwischen 50 µm und 200 µm aufweist. Obwohl dies nicht im Detail dargestellt es, weist die Kühlplatte 112 an ihrer elektrisch leitfähigen Oberfläche 118 einen oder mehrere elektrisch leitfähige Abschnitte auf, die eine elektrische Verbindung zwischen der unteren Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 und der elektrischen Prüfeinheit 130 ausbilden. An der oberen Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 kontaktiert eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Kontaktelementen 128 der Nadelkarte 126 Pads des Wafers. So kann zum Beispiel die Anzahl der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente 128 mindestens 100 betragen, insbesondere mindestens 1000. Anschaulich drücken die Nadeln auf die obere Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 und fördern dadurch eine ordnungsgemäße physische und auch thermische Kopplung zwischen der unteren Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 und der oberen Hauptoberfläche der Kühlplatte 112. Unter der Kühlplatte 112 ist eine Keramikplatte als elektrisch isolierender Körper 116 bereitgestellt. Der elektrisch isolierende Körper 116 sorgt für eine dielektrische Entkopplung der zu prüfenden Vorrichtung 104 und der metallischen Kühlplatte 112 in Abwärtsrichtung.
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Wie ebenfalls in 1 dargestellt, weist die Kühleinheit 110 zusätzlich zu der Kühlplatte 112 den geschlossenen Kühlpfad (siehe Bezugszeichen 120) und den offenen Kühlpfad (siehe Bezugszeichen 122) auf, welche die Kühlplatte 112 durch zwei kooperierende Ströme von flüssigen Kühlmitteln aktiv kühlen. Entlang des offenen Kühlpfades (siehe Bezugszeichen 122) fließt ein flüssiges Kühlmittel, wie zum Beispiel Wasser, von Quelle 187 zu Abfluss 189 und fließt dabei auch durch den Wärmetauscher 124. Der geschlossene Kühlpfad (siehe Bezugszeichen 120) stellt eine weitere Kühlflüssigkeit bereit, die ebenfalls durch den Wärmetauscher 124 und durch die Kühlplatte 112 fließt. An der Kühlplatte 112 wird das Kühlmittel in dem geschlossenen Kühlpfad durch Wärme erwärmt, die bei der Prüfung und der Durchführung der Einbrennprozedur von der zu prüfenden Vorrichtung 104 des Wafer-Typs erzeugt wird. Diese Wärme wird zunächst auf das zirkulierende Kühlmittel und von dort aus auf das andere Kühlmittel in dem offenen Kühlpfad in dem Wärmetauscher 124 übertragen. Dadurch kann eine hocheffiziente und kontinuierliche Wärmeübertragung von der zu prüfenden Vorrichtung 104 über die Kühlplatte 112 zu dem ersten Kühlmittel und damit zu dem zweiten Kühlmittel erhalten werden.
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Während des Betriebs des Prüfsystems 102 können elektrische Signale auf eine massiv parallele Weise von der elektrischen Prüfeinheit 130 über die elektrisch leitfähigen Kontaktelemente 128 der Nadelkarte 126 der oberen Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 zugeführt werden. Eine resultierende elektrische Reaktion wird von der unteren Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 und von der elektrisch leitfähigen Oberfläche 118 der Kühlplatte 112 zurück zu der elektrischen Prüfeinheit 130 übertragen. Der Stromfluss durch die zu prüfende Vorrichtung 104 ist vertikal. Bei der Durchführung einer Einbrennprozedur wird eine bipolare Degradation von einer Gruppe von oder von vorzugsweise allen Halbleiterchips der zu prüfenden Vorrichtung 104 des Wafer-Typs durch das Anlegen entsprechender elektrischer Signale durch die Nadelkarte 126 ausgelöst. Die besagten Signale führen eine hohe Menge von Wärme in die zu prüfende Vorrichtung 104 ein. Diese Wärme wird zumindest teilweise durch die Kühleinheit 110 entfernt, wie oben beschrieben.
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Während des Betriebs kann die Nadelkarte 126 stationär oder räumlich fixiert bleiben. Im Gegensatz dazu kann eine bewegliche Stufe 186 in der Lage sein, den Halter 106, den elektrisch isolierenden Körper 116, die Kühlplatte 112 und die zu prüfende Vorrichtung 104 räumlich zu bewegen. Vorzugsweise kann diese Bewegung in allen drei orthogonalen Raumrichtungen durchgeführt werden, wie schematisch in 1 durch drei Doppelpfeile angegeben).
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Wie ebenfalls in 1 angezeigt, kann der Halter 106 zum Beispiel elektrisch geerdet sein. Elektrische Signale, die von den elektrisch leitfähigen Kontaktelementen 128 an Pads an der oberen Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 des Wafer-Typs angelegt werden, können zum Beispiel eine Spannung von mehr als 1000 V haben, zum Beispiel 2500 V.
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Eine untere Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 kann in direktem physischen Kontakt mit einer elektrisch leitfähigen oberen Hauptoberfläche der Kühlplatte 112 sein. Dadurch kann eine ordnungsgemäße thermische Kopplung zwischen der zu prüfenden Vorrichtung 104 und der Kühlplatte 112 gewährleistet werden. Gleichzeitig bietet die Kühlplatte 112 auch eine elektrische Funktion durch elektrisches Koppeln einer unteren Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 mit der Prüfeinheit 130 zum Transportieren von elektrischen Signalen und elektrischer Energie zwischen der zu prüfenden Vorrichtung 104 und der Prüfeinheit 130. Die untere Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 des Wafer-Typs kann zum Beispiel eine kontinuierliche oder im Wesentlichen kontinuierliche elektrisch leitfähige Schicht sein. Die besagte elektrisch leitfähige Schicht kann in physischem Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Oberfläche 118 (zum Beispiel einer Goldschicht) an einer oberen Hauptoberfläche der Kühlplatte 112 stehen. Zum Beispiel kann die Kühlplatte 112 aus Edelstahl mit dieser Goldschicht darüber hergestellt sein. An der oberen Hauptoberfläche der zu prüfenden Vorrichtung 104 des Wafer-Typs können separate Pads der verschiedenen Chips gebildet werden, die in elektrisch leitfähigen Kontakt mit den elektrisch leitfähigen Kontaktelementen 128 gebracht sind.
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Wie mit Bezugszeichen 190 dargestellt, hat die Kühlplatte 112 eine elektrische Schnittstelle zur Übertragung von elektrischen Signalen und/oder elektrischer Energie. Wie mit den Bezugszeichen 192, 194 dargestellt ist, hat die Kühlplatte 112 zusätzlich thermische Schnittstellen zum Zuführen und zum Abführen von Kühlmittel.
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Es ist auch möglich, einen oder mehrere Temperatursensoren 196 an einer oder mehreren Positionen des Kühlsystems bereitzustellen. Entsprechende Temperaturdaten können an eine Steuereinheit 197 übermittelt werden, die auf der Grundlage der besagten Temperaturwerte eine Kühlfluid-Antriebseinheit 198 (zum Beispiel eine Pumpe) für eine entsprechende Zirkulation des ersten Kühlmittels steuern kann. Die Steuereinheit 197 kann auch ein Ventil 199 steuern, um die Zufuhr eines zweiten Kühlmittels gemäß den aktuellen Temperaturbedingungen innerhalb des Prüfsystems 102 auszulösen.
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2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Kühlplatte 112 eines Probers 100 (wie zum Beispiel der in 1 dargestellte) gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.
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2 zeigt die Kühlplatte 112 mit fluidischen Schnittstellen 180, 182 zum Bereitstellen und Abführen des jeweiligen Kühlmittels, wie oben beschrieben. Genauer gesagt liefert die fluidische Schnittstelle 180 ein Kühlfluid, wohingegen die fluidische Schnittstelle 182 ein Kühlfluid abführt, wie durch Pfeile in 2 angezeigt ist. Außerdem zeigt 2 Vakuumanschlüsse 184. Durch die Vakuumanschlüsse 184 kann ein Vakuum an die obere Hauptoberfläche der Kühlplatte 112 angelegt werden, um die zu prüfende Vorrichtung 104 mit einer Vakuumsaugkraft an der Kühlplatte 112 zu halten. Daher kann eine ordnungsgemäße elektrische Verbindung und eine zuverlässige thermische Kopplung zwischen der zu prüfenden Vorrichtung 104 und der Kühlplatte 112 mittels des Vakuumsaugmechanismus sichergestellt werden. Darüber hinaus kann es möglich sein, dass einer oder mehrere der Vakuumanschlüsse 184 ein Vakuum an eine untere Hauptoberfläche der Kühlplatte 112 anlegen, um die Kühlplatte 112 und den elektrisch isolierenden Körper 116, zum Beispiel eine Keramikplatte, ordnungsgemäß zusammenzuhalten.
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Zum Beispiel kann eine Dicke, d1, der Kühlplatte 112 in einem Bereich zwischen 10 mm und 30 mm liegen, insbesondere in einem Bereich zwischen 10 mm und 20 mm. Eine Dicke, d2, des plattenförmigen elektrisch isolierenden Körpers 116 kann in einem Bereich zwischen 1 mm und 10 mm liegen, insbesondere in einem Bereich zwischen 2 mm und 6 mm. Eine Dicke, d3, des plattenförmigen Halters 106 kann in einem Bereich zwischen 10 mm und 40 mm liegen, insbesondere in einem Bereich zwischen 10 mm und 30 mm.
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3 zeigt eine Draufsicht einer Kühlplatte 112 (wie zum Beispiel die in 2 gezeigte) eines Probers 100 (wie zum Beispiel der in 1 gezeigte) gemäß einer exemplarischen Ausführungsform. Wie in 3 dargestellt, kann die Kühleinheit 110 zum Kühlen der zu prüfenden Vorrichtung 104 konfiguriert sein, indem das fluidische Kühlmittel durch Spiralkanäle 114 in der Kühleinheit 110 führbar ist. Die besagten Spiralkanäle 114 sind als bifilare Spiralkühlröhrchen gemäß 3 konfiguriert. Während 3 eine im Wesentlichen rechteckige Anordnung der Spiralkanäle 114 zeigt, kann die Anordnung zum Beispiel auch kreisförmig sein.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Begriff „aufweisend“ andere Elemente oder Merkmale nicht ausschließt und „ein“ eine Mehrzahl nicht ausschließt. Auch Elemente, die in Verbindung mit unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben werden, können kombiniert werden. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass Bezugszeichen nicht als Beschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche auszulegen sind. Außerdem soll sich der Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die besonderen Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, der Herstellung, der Zusammensetzung von Materie, der Mittel, der Verfahren und der in der Spezifikation beschriebenen Schritte beschränken. Die beigefügten Ansprüche sollen dementsprechend solche Prozesse, Maschinen, Herstellung, Zusammensetzungen von Materie, Mittel, Verfahren oder Schritte in ihren Schutzumfang einbeziehen.