DE10240897A1

DE10240897A1 - Substrat, Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung sowie Verfahren zur elektronischen Überwachung eines Herstellungsprozesses von Chips auf einem Substrat

Info

Publication number: DE10240897A1
Application number: DE2002140897
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Holz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2004-04-01

Abstract

Ein Substrat (605) weist auf mehrere Chips (301) und eine elektronishce Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung (100, 200), welche mindestens ein zu Messzwecken verwendbares elektronisches Bauelement (107) und einen damit elektrisch gekoppelten elektronischen Mess-Schwingkreis (103) aufweist, wobei der elektronische Mess-Schwingkreis (103) zum drahtlosen Übertragen eines mittels des mindestens einen elektronischen Bauelements (107) gemessenen Signals dient.

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat, eine Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur elektronischen Überwachung eines Herstellungsprozesses von Chips auf einem Substrat.
Gemäß dem Stand der Technik wird der Herstellungsprozess von elektronischen oder mikromechanischen Chips auf einem Substrat, beispielsweise einem Wafer, nach erfolgter Fertigung mittels auf dem Substrat befindlichen elektronischen Bauelementen überwacht. Die Herstellungsprozess-Überwachung wird zur Prozesskontrolle und Prozessoptimierung sowie zur Qualitätssicherung der Chips durchgeführt.
Während der Herstellung von Chips auf einem Substrat kann wegen der Charakteristika der üblichen Lithographieverfahren nur ein Bruchteil des Substrats belichtet werden, welcher im Folgenden als Belichtungsblock bezeichnet wird. Ein solcher Belichtungsblock hat eine Größe von typischerweise 2 cm x 2 cm. Andere Größen sind ebenso realisierbar. In einem Belichtungsblock werden üblicherweise gleichzeitig mehrere Chips hergestellt, welche somit während des gleichen Herstellungsprozesses hergestellt werden und üblicherweise im Wesentlichen gleiche elektronische Eigenschaften aufweisen.
Bei Chips aus verschiedenen Belichtungsblöcken können jedoch die elektronischen Eigenschaften auf Grund von unbeabsichtigt veränderten Herstellungsprozessen variieren. Um eine gleichbleibende Qualität der Chips gewährleisten zu können, sollten die Herstellungsprozesse für jeden Belichtungsblock separat überwacht werden. Folglich sollten in jedem Belichtungsblock eine Möglichkeit zur Herstellungsprozess-Überwachung geschaffen werden, welche jedoch gerade im Belichtungsblock wenig Platz verbrauchen darf.
Die elektronischen Eigenschaften der Chips auf dem Substrat werden mit unterschiedlichen elektronischen Bauelementen ausgemessen, welche in geeigneter Weise in sogenannte Herstellungsprozess-Überwachungsschaltungen integriert sind. Dabei weist üblicherweise jeder Belichtungsblock eine eigene Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung auf. Zum Ausmessen der elektronischen Bauelemente wird das Substrat zu unterschiedlichen Zeitpunkten aus dem Herstellungsprozess entnommen und zu einer Messvorrichtung gebracht. Dort werden die elektronischen Bauelemente einer jeden Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung separat über geeignete Anschlussfelder von einer externen Prüfeinheit mittels externer elektromechanischer Kontakte, sogenannter Nadelkarten, kontaktiert und betrieben. Sowohl die vorübergehende Entnahme des Substrats aus dem Herstellungsprozess als auch die jeweilige Kontaktierung und Ausmessung des kontaktierten elektronischen Bauelements benötigt viel Zeit. Außerdem besteht bei jedem Kontaktierungsvorgang die Gefahr einer Verfälschung des Messsignals, beispielsweise auf Grund von variierenden Widerstandswerten der Kontaktierung. Überdies erzeugt jede mechanische Kontaktierung unerwünschte Verunreinigungen auf dem Substrat, welche nur aufwändig wieder entfernt werden können.
Um während des Herstellens der Chips eine unerwünschte Verunreinigung des Substrats sowie eine unerwünschte Verlängerung der Durchlaufzeit zu vermeiden, wird deshalb der Herstellungsprozess üblicherweise erst nach dem Fertigstellen der Chips kontrolliert. Dies kann jedoch zu erheblichem Ausschuss und erheblichen Kosten führen, da zwischen einem fehlerhaften Prozessschritt und dem Zeitpunkt der Kontrolle des Herstellungsprozesses mittels Messens der elektronischen Bauelemente in der Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung häufig eine Zeitspanne von bis zu sechs Wochen verstreicht, während der dieser fehlerhafte Prozessschritt noch nicht entdeckt wird.
Außerdem werden gemäß dem Stand der Technik zum Überwachen eines Herstellungsprozesses sogenannte Monitorsubstrate eingesetzt, welche zu bestimmten Zeitpunkten während des Fertigungsprozesses für die Chips aus dem Herstellungsprozess entfernt und dann gemessen werden. Dabei werden, beispielsweise zur Kontrolle der Abscheidungsprozesse, in der Regel Schichtwiderstände bestimmt, jedoch nicht die Strukturierung der aufgebrachten Schichten überprüft. Dies hat den Nachteil, dass der Herstellungsprozess auf diese Weise nicht exakt kontrolliert werden kann.

Der Erfindung liegt folglich das Problem zugrunde, ein Substrat, eine Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur elektronischen Überwachung eines Herstellungsprozesses von Chips auf einem Substrat anzugeben, bei dem/der der Herstellungsprozess für die Chips während der Herstellung, somit also „online", sowie ohne Verunreinigung des Substrats elektronisch exakt überwacht werden kann.

Das Problem wird durch ein Substrat, eine Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur elektronischen Überwachung eines Herstellungsprozesses von Chips auf einem Substrat mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

Ein Substrat weist mehrere Chips und eine elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung mit mindestens einem zu Messzwecken verwendbaren elektronischen Bauelement und einem elektronischen Mess-Schwingkreis auf. Das mindestens eine elektronische Bauelement ist mit dem elektronischen Mess-Schwingkreis elektrisch gekoppelt und dient zum Überwachen des Herstellungsprozesses der Chips. Der elektronische Mess-Schwingkreis dient zum drahtlosen Übertragen eines mittels des mindestens einen elektronischen Bauelements gemessenen Signals.

Eine Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung weist einen externen elektronischen Auswerte-Schwingkreis, eine mit dem externen elektronischen Auswerte-Schwingkreis elektrisch gekoppelte Auswertevorrichtung und ein Substrat auf. Das Substrat weist mehrere Chips und eine elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung auf, welche ihrerseits mindestens ein zu Messzwecken verwendbares elektronisches Bauelement und einen elektronischen Mess-Schwingkreis aufweist. Das mindestens eine elektronische Bauelement ist mit dem elektronischen Mess-Schwingkreis elektrisch gekoppelt und dient zum Überwachen des Herstellungsprozesses der Chips. Der elektronische Mess-Schwingkreis dient zum drahtlosen Übertragen eines mittels des mindestens einen elektronischen Bauelements gemessenen Signals an den externen elektronischen Auswerte-Schwingkreis.

Bei einem Verfahren zur elektronischen Überwachung eines Herstellungsprozesses von Chips auf einem Substrat wird mindestens ein zu Messzwecken verwendbares und auf dem Substrat befindliches elektronisches Bauelement mit einem elektronischen Mess-Schwingkreis in einer elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung auf dem Substrat elektrisch gekoppelt. Von dem mindestens einen elektronischen Bauelement wird ein Signal auf dem Substrat gemessen. Das gemessene Signal wird von dem elektronischen Mess-Schwingkreis an einen externen elektronischen Auswerte-Schwingkreis drahtlos übertragen. Mittels des gemessenen Signals wird der Herstellungsprozess der Chips überwacht.

Ein Vorteil der Erfindung kann darin gesehen werden, dass der Herstellungsprozess für die Chips elektronisch überwacht werden kann, während die Chips hergestellt werden. Anschaulich wird der Herstellungsprozess der Chips somit „online" überwacht, so dass die einzelnen Parameter des Herstellungsprozesses sofort nachgeregelt werden können, wenn es zu Abweichungen vom gewünschten Ergebnis kommt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der Einsatz der drahtlosen Signalübertragung von der elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung auf dem Substrat an eine geeignete externe Auswertevorrichtung. Die drahtlose Signalübertragung wird mittels des elektronischen Mess-Schwingkreises sowie des externen elektronischen Auswerte-Schwingkreises ermöglicht. Dadurch wird eine Kontamination des Substrates auf Grund des Überwachens des Herstellungsprozesses für die Chips im Wesentlichen vermieden. Somit kann der Herstellungsprozess für die Chips auch dann durchgeführt werden, wenn sich das zu bearbeitende Substrat in einer Hochvakuumapparatur in einem Reinraum befindet.

Des Weiteren ergibt sich als Vorteil der Erfindung, dass eine solch hohe, aufwändige räumliche Präzision bei der Positionierung des elektronischen Mess-Schwingkreises relativ zu dem externen elektronischen Auswerte-Schwingkreis, wie sie bei den aus dem Stand der Technik bekannten mechanischen Nadelkarten sowie den entsprechenden Anschlussfeldern auf dem Substrat erforderlich ist, entbehrlich ist. Somit ist auch kein zusätzlicher Aufwand notwendig, um das Substrat in einer Überprüfungsvorrichtung einzujustieren, da die Orientierung des Substrats in der Herstellungsvorrichtung ohnehin einjustiert wird und die Überprüfung des Herstellungsprozesses in der Herstellungsvorrichtung durchgeführt werden kann.

Außerdem hat die Erfindung den Vorteil, dass die zum Überwachen des Herstellungsprozesses benötigte Messzeit kurz ist, da keine Messleitungen getrieben werden müssen.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Substrates ist der elektronische Schwingkreis ein elektronischer Sekundär-Schwingkreis, welcher mittels eines externen elektronischen Primär-Schwingkreises angeregt werden kann und welcher das gemessene Signal an den externen elektronischen Primär-Schwingkreis drahtlos übertragen kann.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen elektronischen Bauelement um einen Transistor, einen Kondensator oder einen Schichtwiderstand.

Die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung weist bevorzugt mindestens eines der folgenden zusätzlichen elektronischen Bauelemente auf: einen Multiplexer, einen elektronischen Verstärker, einen Analog-Digital-Wandler, eine Gleichrichterschaltung zur Stromversorgung oder eine Normierungseinheit. Mittels der Normierungseinheit wird eine Möglichkeit geschaffen, die von mehreren elektronischen Bauelementen ausgegebenen Signale bezüglich ihres Wertebereichs zu vereinheitlichen. Dadurch wird eine einfache, rechnergesteuerte Auswertung der Signale ermöglicht.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Substrates ist die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung in einem zwischen den Chips befindlichen Sägerahmen angeordnet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass für die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung kein wertvoller Platz auf dem Substrat verloren geht. Somit entstehen auf Grund der elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung keine zusätzlichen Flächenkosten auf dem Substrat, da die Ausbeute an Chips im Vergleich zum Stand der Technik gleich groß bleibt.

Vorzugsweise weist die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung eine Auswerteeinheit auf. D.h., die Auswerteeinheit wertet dann das von dem mindestens einen elektronischen Bauelement ausgegebene Signal aus und übernimmt damit die Überwachung des Herstellungsprozesses der Chips bereits auf dem Substrat. Die Auswerteeinheit ist bevorzugt derart eingerichtet, dass die Auswerteeinheit für das mindestens eine elektronische Bauelement einen zulässigen Signalbereich vorgeben kann, und dass die Auswerteeinheit ein Fehlersignal erzeugen kann, wenn sich das gemessene Signal außerhalb des zulässigen Signalbereichs befindet. Somit wird ermöglicht, dass lediglich bei Vorliegen eines entsprechenden Fehlersignals dieses über den externen elektronischen Primär-Schwingkreis an eine geeignete externe Auswertevorrichtung übertragen wird. Alternativ kann auch der jeweilige Messwert ausgegeben werden, welcher sich außerhalb des zulässigen Signalbereichs befindet. Die geeignete externe Auswertevorrichtung kann dann auf Grund des Fehlersignals den Herstellungsprozess für die Chips auf dem Wafer entsprechend korrigieren.

In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung ist der elektronische Auswerte-Schwingkreis derart verschiebbar angeordnet, dass der elektronische Auswerte-Schwingkreis auf den elektronischen Mess-Schwingkreis ausgerichtet werden kann. Das Verschieben des elektronischen Auswerte-Schwingkreises kann beispielsweise mittels eines handelsüblichen X-Y-Verschiebetisches erfolgen.

Die in die erfindungsgemäße Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung integrierte Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung kann entsprechend den oben beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als externer elektronischer Auswerte-Schwingkreis ein externer elektronischer Primär-Schwingkreis sowie als elektronischer Mess-Schwingkreis ein elektronischer Sekundär-Schwingkreis verwendet und wird der elektronische Sekundär-Schwingkreis mittels des externen elektronischen Primär-Schwingkreises angeregt, wodurch elektrische Energie in die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung auf dem Substrat drahtlos eingekoppelt wird. Dies hat den Vorteil, dass ab dem Zeitpunkt, zu dem der elektronische Sekundär-Schwingkreis fertiggestellt ist, die erfindungsgemäße Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung einsatzbereit ist.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur elektronischen Überwachung eines Herstellungsprozesses von Chips wird eine Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung eingesetzt, welche entsprechend den oben beschriebenen Ausgestaltungen hergestellt sein kann.

Die drahtlose Signalübertragung erfolgt mittels einer Kopplung des externen elektronischen Auswerte-Schwingkreises mit dem elektronischen Mess-Schwingkreis. Wird auf die reine Resonanzfrequenz des elektronischen Mess-Schwingkreises ein zu übertragendes Signal aufmoduliert, so ändert sich die Resonanzfrequenz des elektronischen Mess-Schwingkreises und somit die Kopplung mit dem externen elektronischen Auswerte-Schwingkreis.

Zur Signalübertragung wird bei herkömmlichen Systemen bevorzugt eine Trägerfrequenz von 13,56 MHz verwendet, wobei der elektronische Sekundär-Schwingkreis einen Strom von ungefähr 1 mA aufnimmt und die Reichweite der Signalübertragung ungefähr 1 m beträgt. Der elektronische Sekundär-Schwingkreis basiert vorzugsweise auf einer Spule mit einer Fläche von einigen cm² und einer Induktivität von ungefähr 1 μH. Werden die Anforderung an die Reichweite der Signalübertragung auf ungefähr 1 mm reduziert und die Trägerfrequenz auf 135,6 MHz erhöht, so kann die benötigte Fläche für die Spule in dem elektronischen Sekundär-Schwingkreis auf kleiner als 1 mm² reduziert werden.

Wenn in der erfindungsgemäßen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung ein Analog-Digital-Wandler nach dem Prinzip des sogenannten „successive approximation" eingesetzt wird, dann kann die Stromaufnahme in der Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung von 1 mA auf einige hundert μA reduziert werden. Dies hat allerdings eine etwas geringere Rate bei der Signalübertragung zur Folge.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten.
Es zeigen
1 ein Blockdiagramm einer elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein Blockdiagramm einer elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein schematisches Diagramm eines ersten Belichtungsblocks auf einem erfindungsgemäßen Substrat;
4 ein schematisches Diagramm eines zweiten Belichtungsblocks auf einem erfindungsgemäßen Substrat;
5 ein schematisches Diagramm eines dritten Belichtungsblocks auf einem erfindungsgemäßen Substrat; und
6 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung.
l zeigt ein Blockdiagramm einer elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel befindet sich im Sägerahmen zwischen Chips, welche in einem regelmäßigen Muster auf einem Substrat, vorzugsweise einem sogenannten Wafer, angeordnet sind. Das Substrat sowie die Chips sind in dieser Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Über einen externen elektronischen Auswerte-Schwingkreis, welcher hier als externer elektronischer Primär-Schwingkreis 101 verwendet wird, sendet eine externe Auswertevorrichtung 102 ein Signal mit hoher Frequenz aus, welches in der elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung 100 einen elektronischen Mess-Schwingkreis anregt, welcher somit ein elektronischer Sekundär-Schwingkreis 103 ist. Mittels dieser Anregung wird elektrische Energie in die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung 100 eingekoppelt. Um den Herstellungsprozess für die Chips überwachen zu können, wird die mittels des Signals eingekoppelte Energie in einer Gleichrichterschaltung 104 zur Stromversorgung in einen Gleichstrom umgewandelt. An die Gleichrichterschaltung 104 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Referenzspannungsquelle 105 sowie eine Konstantstromquelle 106 gekoppelt. An die Konstantstromquelle 106 ist ein elektronisches Bauelement 107 gekoppelt, welches parallel zur Referenzspannungsquelle 105 mit einem integrierten Verstärker / Analog-Digital-Wandler 108 gekoppelt ist.
Die Referenzspannungsquelle 105 dient zum Erzeugen einer Referenzspannung, mit deren Hilfe der elektrische Widerstand des elektronischen Bauelements 107 gemessen werden kann. Das dabei erzeugte Messsignal wird in dem integrierten Verstärker / Analog-Digital-Wandler 108 verstärkt und in ein digitales Messsignal 109 gewandelt. Das digitale Messsignal 109 wird nun an die externe Auswertevorrichtung 102 übertragen, indem der elektronische Sekundär-Schwingkreis 103 mittels des digitalen Messsignals 109 verstimmt wird. Ein Verstimmen des elektronischen Sekundär-Schwingkreises 103 hat eine veränderte Resonanzfrequenz zur Folge, welche über den externen elektronischen Primär-Schwingkreis 101 von der externen Auswertevorrichtung 102 detektiert werden kann.
Im einfachsten Fall, in welchem als elektronisches Bauelement 107 eine Leiterbahn verwendet wird, welche gleichzeitig als Spule des elektronischen Sekundär-Schwingkreises 103 dient, kann die externe Auswertevorrichtung 102 aus dem Abklingverhalten der Resonanzfrequenz die Güte des elektronischen Sekundär-Schwingkreises 103 ermitteln. Dadurch sind Rückschlüsse beispielsweise auf den Schichtwiderstand der Leiterbahn sowie auf Kurzschlüsse möglich, welche bei der Strukturierung unerwünscht entstehen können. Aus der Resonanzfrequenz lässt sich außerdem die Größe der Kapazität in dem elektronischen Sekundär-Schwingkreis 103 berechnen.
Der elektronische Sekundär-Schwingkreis 103 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Metall-Oxid-Halbleiter-Kapazität sowie eine Spule auf, welche in einer der bezüglich des Substrates untersten Metallisierungsebenen erzeugt ist. Dadurch können ab der Herstellung der untersten Metallisierungsebenen mittels geeigneter Messstrukturen in der Form des vorliegenden elektronischen Bauelements 107 die meisten der davor liegenden Prozessschritte überprüft werden.
Beispielsweise kann in der ersten Metallisierungsebene durch eine geeignete Unterbrechung einer Leiterbahnschleife eine Kapazität gemessen werden. Beim Aufbringen der zweiten Metallisierungsebene kann beispielsweise die Unterbrechung in der ersten Metallisierungsebene kurzgeschlossen werden und somit ein ohmscher Widerstand gemessen werden. Mittels einer geeigneten Strukturierung sowie Herstellungsprozess-Abfolge kann somit ein sukzessives Weiterschalten bzw. Erzeugen des zu messenden elektronischen Bauelements 107 erreicht werden. Alternativ können auch mehrere elektronische Bauelemente 107 hergestellt werden, welche mittels eines Multiplexers in einer geeigneten Reihenfolge zum Ausmessen des Herstellungsprozesses für die Chips an den elektronischen Sekundär-Schwingkreis 103 elektrisch gekoppelt werden. Dabei kann das Taktsignal zum Weiterschalten des Multiplexers aus der Referenzfrequenz des externen elektronischen Primär-Schwingkreises 101 gewonnen werden.
Für Beispiele zur Anordnung der Spule des elektronischen Sekundär-Schwingkreises 103 wird auf die nachfolgende Beschreibung zu 3 und 4 verwiesen.
Als zu testendes elektronisches Bauelement 107 kann die Leiterbahn der Spule des elektronischen Sekundär-Schwingkreises 103 selbst verwendet werden, um beispielsweise den Schichtwiderstand der Leiterbahn zu ermitteln. Die Leiterbahn kann dabei linear, flächen- oder mäanderförmig in der Metallisierungsebene angeordnet sein. Alternativ kann eine Kammstruktur als elektronisches Bauelement 107 vorgesehen sein, um das Ausbilden von Kurzschlüssen zu überwachen. Um sicherzustellen, dass elektrisch leitfähige Verbindungen hergestellt werden, kann als elektronisches Bauelement 107 auch eine Kontaktlochkette eingesetzt werden. Wenn als elektronisches Bauelement 107 ein Analogtransistor verwendet wird, kann mittels des integrierten Verstärkers / Analog-Digital-Wandlers 108 die korrekte Funktion des Analogtransistors überprüft werden. Alternativ kann als elektronisches Bauelement 107 ein ohmscher Widerstand oder eine Kapazität eingesetzt werden, dessen/deren elektrische Eigenschaften vermessen werden können. Da auf Grund des integrierten Verstärkers / Analog-Digital-Wandlers 108 ein Messverstärker direkt auf dem Substrat integriert ist, kann der Leckstrom beispielsweise einer Diode oder eines Transistors besonders genau vermessen werden.
Nach der Wandlung des Messsignals im integrierten Verstärker / Analog-Digital-Wandler 108 kann optional eine Signalauswertung in einer integrierten Auswerteeinheit (nicht dargestellt) stattfinden. Dazu gibt die integrierte Auswerteeinheit für das elektronische Bauelement 107 einen zulässigen Signalbereich vor. Vorzugsweise weist die integrierte Auswerteeinheit einen Speicher auf, in welchem der zulässige Signalbereich gespeichert werden kann. Befindet sich das von dem elektronischen Bauelement 107 ausgegebene Messsignal außerhalb des zulässigen Signalbereichs, erzeugt die integrierte Auswerteeinheit ein Fehlersignal und übermittelt dieses Fehlersignal oder das jeweilige ausgegebene Messsignal in der Form des digitalen Messsignals 109 über den elektronischen Sekundär-Schwingkreis 103 sowie den externen elektronischen Primär-Schwingkreis 101 an die externe Auswertevorrichtung 102. Anhand des Fehlersignals kann nun der Herstellungsprozess für die Chips korrigiert werden.
In 2 ist ein Blockdiagramm einer elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede der Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im Vergleich zur Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
Die Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist statt einer Referenzspannungsquelle 105 einen Referenzwiderstand 201 auf. Der Referenzwiderstand 201 weist seinerseits mehrere Widerstandsglieder in einer Widerstandskaskade 202 auf, welche mit einem der beiden Eingänge eines Operationsverstärkers 203 elektrisch gekoppelt ist. Der andere Eingang des Operationsverstärkers 203 ist mit dem zu messenden elektronischen Bauelement 107 elektrisch gekoppelt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 203 ist wiederum mit der Widerstandskaskade 202 elektrisch gekoppelt, um so lange einzelne Widerstandsglieder hinzuzuschalten, bis die Differenzspannung zwischen dem Referenzwiderstand 201 und dem zu messenden elektronischen Bauelement 107 den Wert „Null" erreicht. Der sich ergebende Wert wird von der Widerstandskaskade 202 als digitales Messsignal 109 zur Weiterleitung an den elektronischen Sekundär-Schwingkreis 103 übertragen.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es notwendig, dass der Wert des Referenzwiderstandes 201, welcher in der Regel ein spezifischer Schichtwiderstand ist, bekannt ist. Deshalb wird vor oder nach dem Ausmessen des elektronischen Bauelements 107 der Schichtwiderstand auf andere Art und Weise bestimmt, beispielsweise auf einem Testsubstrat oder mittels mechanischer Kontaktierung sowie elektrischer Messung. Alternativ kann auch ein Widerstand verwendet werden, dessen Widerstandsschwankungen im Vergleich zu dem zu messenden elektronischen Bauelement 107 klein sind oder dessen Schichtwiderstand auf Grund des Herstellungsprozesses bekannt ist. Ein solcher bekannter Widerstand ist beispielsweise der Diffusionswiderstand eines unsilizierten n^– bzw. p⁺ Polysilizium-Widerstands.
Gemäß dem Stand der Technik wird jedes Substrat in mehrere Belichtungsblöcke aufgeteilt, da bei den heutigen Größen der handelsüblichen Substrate die elektronischen Chips nicht mehr alle gleichzeitig erzeugt werden können. Statt dessen werden die elektronischen Chips auf dem Substrat schrittweise in Belichtungsblöcken gefertigt. Jeder Belichtungsblock wird separat mittels üblicher Prozesse bearbeitet und in jedem Belichtungsblock werden mehrere elektronische Chips hergestellt. Im Allgemeinen werden die herzustellenden elektronischen Chips matrixförmig, d.h. an den imaginären Kreuzungspunkten von jeweils einer imaginären Spalte und einer imaginären Zeile, angeordnet. Somit ergibt sich ein regelmäßiges Muster von elektronischen Chips sowie auch von Belichtungsblöcken auf jedem Substrat.
Die Größe eines Belichtungsblocks ist von der verwendeten Lithographietechnik sowie der angewandten Lithographiemaske abhängig. Um die Oberfläche des Substrats vollständig abzudecken, wird eine Vielzahl an Belichtungsblöcken in geeigneter Weise aneinandergereiht. Erfindungsgemäß weist jeder Belichtungsblock eine quadratische Grundfläche mit einer Seitenlänge von ungefähr 2 cm auf. In jedem Belichtungsblock ist eine erfindungsgemäße Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung angeordnet.
3 zeigt ein schematisches Diagramm eines ersten Belichtungsblocks 300 auf einem erfindungsgemäßen Substrat.
In dem Belichtungsblock 300 sind neun elektronische Chips 301 matrixförmig angeordnet. Es kann jedoch auch jede beliebige andere Anzahl und Anordnung der elektronischen Chips 301 in dem Belichtungsblock 300 vorgesehen sein.
Zum Vereinzeln der elektronischen Chips 301 sind auf dem Substrat und zwischen jeweils zwei benachbarten elektronischen Chips 301 sogenannte Sägerahmen 302 vorgesehen. Entlang dieser Sägerahmen 302 können die elektronischen Chips 301 nach ihrer Fertigstellung vereinzelt werden, ohne dass die elektronischen Chips 301 dabei beschädigt werden. Im Bereich der Sägerahmen 302 wird dazu das Substrat nach erfolgter Herstellung der elektronischen Chips 301 mittels einer Diamantsäge angesägt. Somit werden dort Sollbruchstellen erzeugt. Anschließend werden mittels einer Biegebelastung Biegekräfte auf das Substrat ausgeübt, wodurch das Substrat an den Sollbruchstellen auseinander bricht. Das in geeigneter Weise zerbrochene Substrat wird somit in die elektronischen Chips 301 vereinzelt.
In einem Teil oder mehreren Teilen der Sägerahmen 302 ist eine erfindungsgemäße elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung vorgesehen.
Die erfindungsgemäße elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung wird in dem ersten Belichtungsblock 300 von einer Testschaltung 303 sowie einer Rundspule 304 gebildet. Der elektronische Sekundär-Schwingkreis 103 ist in zwei Teile aufgeteilt, wobei der erste Teil von der Rundspule 304 gebildet wird und der zweite Teil in der Testschaltung 303 integriert ist. Beim Vereinzeln der elektronischen Chips 301 wird die erfindungsgemäße elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung zerstört.
Die zum Koppeln mit dem elektronischen Primär-Schwingkreis 101 vorgesehene Rundspule 304 ist in der Form einer Leiterbahn ausgebildet, welche im Sägerahmen 302 als geschlossenes Rechteck rund um einen elektronischen Chip 301 angeordnet ist. Dabei ist die Größe der Spule, d.h. die Länge der entsprechenden Leiterbahn, abhängig vom Energieverbrauch der Testschaltung 303 sowie der gewünschten Resonanzfrequenz.
Alternativ kann die Rundspule 304 auch um mehrere elektronische Chips 301 oder sogar um den ganzen Belichtungsblock herum angeordnet sein (vgl. zweiter Belichtungsblock 400 in 4). Vorzugsweise ist die Rundspule 304 jedoch derart angeordnet, dass sich die Rundspulen 304 benachbarter erster Belichtungsblöcke 300 nicht gegenseitig störend beeinflussen.
Da die Rundspule 304 im Sägerahmen 302 auf dem Substrat erzeugt wurde und das Substrat zum Herstellen von elektronischen Chips 301 üblicherweise ein halbleitendes Material aufweist, ist die Rundspule 304 somit gemäß der vorliegenden Erfindung im Substratmaterial, beispielsweise Silizium, eingebettet bzw. integriert. Als Spulenmaterial wird für die Rundspule 304 vorzugsweise ein niederohmiges Material verwendet. Erfindungsgemäß wird als Spulenmaterial Aluminium oder Kupfer bevorzugt. Wird als Substratmaterial insbesondere ein hochohmiges Material verwendet, kann die Güte des elektronischen Sekundär-Schwingkreises 103 erheblich verbessert werden.
In 5 ist ein schematisches Diagramm eines dritten Belichtungsblocks 500 auf einem erfindungsgemäßen Substrat dargestellt.
Der dritte Belichtungsblock 500 unterscheidet sich von dem ersten Belichtungsblock 300 dadurch, dass an Stelle einer Rundspule 304 eine Langspule 501 in dem Sägerahmen 302 vorgesehen ist. Die Langspule 501 erstreckt sich lediglich entlang einer einzigen Seite eines elektronischen Chips 301 auf dem erfindungsgemäßen Substrat. Eine derartige Langspule 501 kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn die Testschaltung 303 nur wenig Strom verbraucht.
6 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung 600.
Die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung 600 weist eine Prozesskammer 601 sowie eine Vorratskammer 602 auf. Die Vorratskammer 602 ist auch unter den englischen Begriffen „loading station" oder „loader" bekannt. In der Vorratskammer 602 werden in einem Substratstapel 603 sowohl unbearbeitete als auch bereits in der Prozesskammer 601 bearbeitete erfindungsgemäße Substrate aufbewahrt. Bei der Prozesskammer 601 kann es sich beispielsweise um eine Ätzanlage oder eine Anlage zum chemisch-mechanischen Polieren handeln.
Ein Austausch der erfindungsgemäßen Substrate zwischen dem Substratstapel 603 sowie der Prozesskammer 601 erfolgt entlang der in 6 dargestellten Pfeile 604 mittels sogenannter „handler" (nicht dargestellt).
Nachdem ein erfindungsgemäßes Substrat 605, in welchem eine erfindungsgemäße Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung integriert ist, in der Prozesskammer 601 bearbeitet wurde, wird es während des Bearbeitens des nächsten erfindungsgemäßen Substrats oberhalb eine X-Y-Verschiebetisches 606 innerhalb der Vorratskammer 602 einem Messvorgang unterzogen. Dazu wird der X-Y-Verschiebetisch 606, welcher einen mit einer externen Auswertevorrichtung (nicht dargestellt) gekoppelten elektronischen Primär-Schwingkreis 101 aufweist, derart in X- und Y-Richtung verfahren, dass alle Belichtungsblöcke auf dem erfindungsgemäßen Substrat 605 angesteuert und die dort integrierten erfindungsgemäßen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltungen ausgemessen werden können. Dadurch kann der gerade beendete Schritt des Herstellungsprozesses genau überprüft und überwacht werden. Alternativ kann auch nur ein Teil der bereits bearbeiteten erfindungsgemäßen Substrate mittels der in diesen jeweils integrierten erfindungsgemäßen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltungen ausgemessen werden.
Somit wird die Zeit, während der auf das Ende des aktuellen Schrittes des Herstellungsprozesses in der Prozesskammer 601 gewartet wird, genutzt, um bei einer Fehlfunktion sofort in den Herstellungsprozess eingreifen zu können und dadurch den Ausschuss an eventuell unbrauchbaren elektronischen Chips erheblich zu verringern. Beispielsweise kann sofort nach der Prozessierung überprüft werden, ob eine Ätzung vollständig erfolgt ist. Eventuell fehlerhaft bearbeitete Substrate können bei geeigneter Steuerung somit nochmals in die Prozesskammer 601 eingebracht werden und das fehlende Ende des Prozessschrittes nachgeholt werden.
Die Genauigkeitsanforderungen bezüglich der Positionierbarkeit des X-Y-Verschiebetisches 606 sind im Vergleich zum Stand der Technik, insbesondere zu den auf mechanischer Kontaktierung mittels Nadelkarten basierenden Vorrichtungen, erheblich geringer, da die Signalübertragung von den Teststrukturen 303 zur externen Auswertevorrichtung 102 drahtlos auf der Basis von Resonanzfrequenzen erfolgt.
Für die aus dem Stand der Technik bekannten mechanischen Nadelkarten ist eine hohe Positioniergenauigkeit erforderlich. Die Ursache dafür ist, dass die gemäß dem Stand der Technik verwendeten mechanischen Anschlussfelder im Sägerahmen untergebracht sind, wobei der Sägerahmen eine Breite von ungefähr 150 μm und die mechanischen Anschlussfelder deshalb eine Größe von nur ungefähr 50 μm x 50 μm aufweisen.
Gemäß dem Stand der Technik müssen die mechanischen Nadelkarten somit mit einer Genauigkeit von ungefähr ±20 μm positioniert werden, während hingegen erfindungsgemäß eine Positionierbarkeit des X-Y-Verschiebetisches 606 mit einer Genauigkeit von ungefähr ±1 mm ausreichend ist.

100: elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung
: gemäß erstem Ausführungsbeispiel
101: externer elektronischer Primär-Schwingkreis
102: externe Auswertevorrichtung
103: elektronischer Sekundär-Schwingkreis
104: Gleichrichterschaltung zur Stromversorgung
105: Referenzspannungsquelle
106: Konstantstromquelle
107: elektronisches Bauelement
108: integrierter Verstärker / Analog-Digital-Wandler
109: digitales Messsignal
200: elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung
: gemäß zweitem Ausführungsbeispiel
201: Referenzwiderstand
202: Widerstandskaskade
203: Operationsverstärker
300: erster Belichtungsblock auf erfindungsgemäßem Substrat
301: elektronischer Chip
302: Sägerahmen
303: Testschaltung
304: Rundspule
400: zweiter Belichtungsblock auf erfindungsgemäßem Substrat
500: dritter Belichtungsblock auf erfindungsgemäßem Substrat
501: Längsspule
600: elektronische Herstellungsprozess-
: Überwachungsvorrichtung gemäß Erfindung
601: Prozesskammer
602: Vorratskammer
603: Substratstapel
604: Substrataustausch
605: erfindungsgemäßes Substrat
606: X-Y-Verschiebetisch

Claims

Substrat – mit mehreren Chips und – mit einer elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung, welche aufweist – mindestens ein zu Messzwecken verwendbares elektronisches Bauelement und – einen elektronischen Mess-Schwingkreis, – wobei das mindestens eine elektronische Bauelement mit dem elektronischen Mess-Schwingkreis elektrisch gekoppelt ist, – wobei das mindestens eine elektronische Bauelement zum Überwachen des Herstellungsprozesses der Chips dient, und – wobei der elektronische Mess-Schwingkreis zum drahtlosen Übertragen eines mittels des mindestens einen elektronischen Bauelements gemessenen Signals dient.
Substrat gemäß Anspruch 1, bei welchem der elektronische Mess-Schwingkreis ein elektronischer Sekundär-Schwingkreis ist, welcher mittels eines externen elektronischen Primär-Schwingkreises angeregt werden kann und welcher das gemessene Signal an den externen elektronischen Primär-Schwingkreis drahtlos übertragen kann.
Substrat gemäß Anspruch 1 oder 2, bei welchem das mindestens eine elektronische Bauelement ein Transistor, ein Kondensator oder ein Schichtwiderstand ist.
Substrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung mindestens eines der folgenden zusätzlichen elektronischen Bauelemente aufweist: einen Multiplexer, einen elektronischen Verstärker, einen Analog-Digital-Wandler, eine Gleichrichterschaltung zur Stromversorgung oder eine Normierungseinheit.
Substrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung in einem zwischen den Chips befindlichen Sägerahmen angeordnet ist.
Substrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung eine Auswerteeinheit aufweist.
Substrat gemäß Anspruch 6, bei welchem die Auswerteeinheit derart eingerichtet ist, dass die Auswerteeinheit für das mindestens eine elektronische Bauelement einen zulässigen Signalbereich vorgeben kann, und dass die Auswerteeinheit ein Fehlersignal erzeugen kann, wenn sich das gemessene Signal außerhalb des zulässigen Signalbereichs befindet.
Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung – mit einem elektronischen Auswerte-Schwingkreis, – mit einer Auswertevorrichtung, welche mit dem elektronischen Auswerte-Schwingkreis elektrisch gekoppelt ist, und – mit einem Substrat, welches aufweist: – mehrere Chips und – eine elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung mit mindestens einem zu Messzwecken verwendbaren elektronischen Bauelement und mit einem elektronischen Mess-Schwingkreis, – wobei das mindestens eine elektronische Bauelement mit dem elektronischen Mess-Schwingkreis elektrisch gekoppelt ist, – wobei das mindestens eine elektronische Bauelement zum Überwachen des Herstellungsprozesses der Chips dient, und – wobei der elektronische Mess-Schwingkreis zum drahtlosen Übertragen eines mittels des mindestens einen elektronischen Bauelements gemessenen Signals an den elektronischen Auswerte-Schwingkreis dient.
Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, bei welcher der elektronische Auswerte-Schwingkreis derart verschiebbar angeordnet ist, dass der elektronische Auswerte-Schwingkreis auf den elektronischen Mess-Schwingkreis ausgerichtet werden kann.
Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei welcher das mindestens eine elektronische Bauelement ein Transistor, ein Kondensator oder ein Schichtwiderstand ist.
Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei welcher die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung mindestens eines der folgenden zusätzlichen elektronischen Bauelemente aufweist: einen Multiplexer, einen elektronischen Verstärker, einen Analog-Digital-Wandler, eine Gleichrichterschaltung zur Stromversorgung oder eine Normierungseinheit.
Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, bei welcher die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung in einem zwischen den Chips befindlichen Sägerahmen angeordnet ist.
Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, bei welcher die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung eine Auswerteeinheit aufweist.
Herstellungsprozess-Überwachungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, bei welcher die Auswerteeinheit derart eingerichtet ist, dass die Auswerteeinheit für das mindestens eine elektronische Bauelement einen zulässigen Signalbereich vorgeben kann, und dass die Auswerteeinheit ein Fehlersignal erzeugen kann, wenn sich das gemessene Signal außerhalb des zulässigen Signalbereichs befindet.
Verfahren zur elektronischen Überwachung eines Herstellungsprozesses von Chips auf einem Substrat, – bei welchem mindestens ein zu Messzwecken verwendbares und auf dem Substrat befindliches elektronisches Bauelement mit einem elektronischen Mess-Schwingkreis in einer elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung auf dem Substrat elektrisch gekoppelt wird, – bei welchem von dem mindestens einen elektronischen Bauelement ein Signal auf dem Substrat gemessen wird, – bei welchem das gemessene Signal von dem elektronischen Mess-Schwingkreis an einen externen elektronischen Auswerte-Schwingkreis drahtlos übertragen wird, und – bei welchem mittels des gemessenen Signals der Herstellungsprozess der Chips überwacht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei welchem als externer elektronischer Auswerte-Schwingkreis ein externer elektronischer Primär-Schwingkreis verwendet wird, bei welchem als elektronische Mess-Schwingkreis ein elektronischer Sekundär-Schwingkreis verwendet wird und bei welchem der elektronische Sekundär-Schwingkreis mittels des externen elektronischen Primär-Schwingkreises angeregt wird, wodurch elektrische Energie in die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung auf dem Substrat drahtlos eingekoppelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, bei welchem als das mindestens eine elektronische Bauelement ein Transistor, ein Kondensator oder ein Schichtwiderstand verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, bei welchem in der elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung mindestens eines der folgenden zusätzlichen elektronischen Bauelemente eingesetzt wird: ein Multiplexer, ein elektronischer Verstärker, ein Analog-Digital-Wandler, eine Gleichrichterschaltung zur Stromversorgung oder eine Normierungseinheit.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, bei welchem die elektronische Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung in einem zwischen den Chips befindlichen Sägerahmen angeordnet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, bei welchem in der elektronischen Herstellungsprozess-Überwachungsschaltung eine Auswerteeinheit eingesetzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 20, bei welchem die Auswerteeinheit für das mindestens eine elektronische Bauelement einen zulässigen Signalbereich vorgibt und ein Fehlersignal erzeugt, wenn sich das gemessene Signal außerhalb des zulässigen Signalbereichs befindet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 21, bei welchem der externe elektronische Auswerte-Schwingkreis derart verschoben wird, bis der externe elektronische Auswerte-Schwingkreis auf den elektronischen Mess-Schwingkreis ausgerichtet ist.