DE10246282B4 - Prober for testing substrates at low temperatures - Google Patents

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Abstract

Prober zum Testen von Substraten bei tiefen Temperaturen mit einem Chuck (1), der mittels eines Chuckantriebes (2) im Arbeitsbereich verfahrbar und mit Heiz- und Kühlmitteln temperierbar ist und eine Aufnahmefläche (16) zur Aufnahme eines Testsubstrates (17) sowie Haltemittel (10) zur Fixierung des das Testsubstrat (17) aufnehmenden Substratträgers (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Arbeitsbereich des Chuck (1) umschließende Vakuumkammer (3) angeordnet ist, die mit einer Vakuumpumpe verbunden ist und der Chuck (1) einerseits vom ungekühlten Chuckantrieb (2) thermisch entkoppelt sowie andererseits mit dem Testsubstrat (17) lösbar thermisch verbunden ist und das Testsubstrat (17) von der Wärmestrahlung der umgebenden ungekühlten Baugruppen mittels eines direkt gekühlten Wärmestrahlungsschildes (18) abgeschirmt ist.Prober for testing substrates at low temperatures with a chuck (1), which can be moved in the working area by means of a chuck drive (2) and with heating and cooling agents is temperature-controlled and a receiving surface (16) for receiving a Test substrates (17) and holding means (10) for fixing the Test substrate (17) receiving substrate carrier (12), characterized in that a vacuum chamber surrounding the working area of the chuck (1) (3) which is connected to a vacuum pump and the Chuck (1) on the one hand from the uncooled Chuck drive (2) thermally decoupled and on the other hand with the test substrate (17) releasably thermally is connected and the test substrate (17) from the heat radiation the surrounding uncooled Assemblies by means of a directly cooled heat radiation shield (18) is shielded.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Prober zum Testen von Substraten bei tiefen Temperaturen mit einem Chuck, der mittels eines Chuckantriebs im Arbeitsbereich verfahrbar und mit geeigneten Kühlmitteln kühlbar ist, eine Aufnahmefläche zur Aufnahme eines Testsubstrats, bestehend aus einem Substratträger und zu testendem Bauelement, sowie Haltemittel zur Aufnahme des Substratträgers aufweist.The The invention relates to a prober for testing substrates at depth Temperatures with a chuck, which by means of a Chuck drive in the Work area movable and coolable with suitable coolants, a receiving surface for Recording a test substrate consisting of a substrate carrier and having to test component, as well as holding means for receiving the substrate carrier.

Das Testsubstrat kann entweder aus Halbleiterchips im Scheibenverband, den so genannten Wafern, oder einzelnen Bauelementen, wie Halbleiterchips, Hybridbauelemente, mikromechanische Bauelemente oder dergleichen, bestehen. Es weist eine glatte und ebene Unterseite auf und wird zumindest mittelbar auf dem Chuck, der eine glatte und ebene Aufnahmefläche besitzt, angeordnet und gehalten. Mit dem Chuck ist das Testsubstrat im Arbeitsbereich mittels eines Chuckantriebes verfahrbar, so dass es relativ zu den Kontaktiernadeln positionierbar ist. Die Positionierung erfolgt im Allgemeinen in der horizontalen Ebene durch einen Kreuztisch, der auch eine winklige Ausrichtung im Bereich weniger Grad ermöglicht.The Test substrate can either be made of semiconductor chips in the disk assembly, the so-called wafers, or individual components, such as semiconductor chips, Hybrid components, micromechanical components or the like, consist. It has a smooth and even underside and will at least indirectly on the chuck, which has a smooth and flat receiving surface, arranged and held. With the chuck the test substrate is in the working area by means of a chuck drive movable, making it relative to the contact pins is positionable. The positioning is generally in the horizontal plane through a cross table, which is also an angled Allows alignment in the range of less degrees.

Die Prüfung von elektronischen Bauelementen auf ihre Funktionssicherheit erfolgt in Probern vorzugsweise unter den Umgebungsbedingungen, die den Einsatzbedingungen des jeweiligen Bauelementes entsprechen, wobei der Einsatz bei Temperaturen unter des Gefrierpunktes von Wasser ein Schwerpunkt darstellt.The exam of electronic components on their reliability in Probern preferably under the environmental conditions, the Use conditions of the respective component correspond, wherein the use at temperatures below the freezing point of water a focal point.

Zur Einstellung dieser Prüfbedingungen ist der Arbeitsbereich des Probers im Allgemeinen von einem Gehäuse umgeben. Solch ein von einem Gehäuse umgebener Prober ist aus dem DE 4109908 C2 bekannt. Das Gehäuse weist bei diesem Prober im unteren Abschnitt mehrere Einströmöffnungen und im oberen Gehäuseabschluss eine weitere Öffnung auf, die sowohl als Ausströmöffnung als auch zur Zuführung der Prüfsonden dient. Mittels dieser Öffnungen wird bei der Prüfung im Bereich tieferer Temperaturen der Arbeitsbereich von einem Gas durchströmt, um den Niederschlag von Feuchtigkeit aus der umgebenden Atmosphäre auf dem Testsubstrat zu verhindern. Diese Prüfbedingungen beschränken jedoch den möglichen Temperaturbereich für die Prüfung elektronischer Bauelemente zu tieferen Temperaturen hin.To set these test conditions, the working area of the probes is generally surrounded by a housing. Such a Prober surrounded by a housing is from the DE 4109908 C2 known. In the case of this prober, the housing has a plurality of inlet openings in the lower section and a further opening in the upper housing section, which serves both as an outflow opening and for feeding the test probes. By means of these openings, in the test in the range of lower temperatures, the working area is traversed by a gas in order to prevent the precipitation of moisture from the surrounding atmosphere on the test substrate. However, these test conditions limit the possible temperature range for testing electronic components to lower temperatures.

Ein weiterer Nachteil des Kühlens von Substraten durch strömendes Gas besteht darin, dass hierdurch das Substrat kontaminiert werden kann. Um dies zu verhindern, wird in US 5,345,999 vorgeschlagen, das Substrat innerhalb einer Vakuumkammer zu kühlen.Another disadvantage of the cooling of substrates by flowing gas is that this can contaminate the substrate. To prevent this, is in US 5,345,999 proposed to cool the substrate within a vacuum chamber.

Neben der Aufnahme und der Positionierung des Testsubstrats dient der Chuck zur Einstellung der Temperatur, bei der die Prüfung des Testsubstrats erfolgen soll. Dazu wird der Chuck mit einem geeigneten Kühlmittel beaufschlagt. Zur Temperatureinstellung oder Einstellung weiterer kontrollierter Prüfbedingungen am Chuck ist dieser über Medienleitungen mit den entsprechenden außerhalb des Arbeitsbereiches befindlichen Quellen verbunden. Auf Grund des Wärmeaustausches mit dem im thermischen Kontakt zum Chuck befindlichen Chuckantrieb wird dieser ebenfalls gekühlt. Bei dem beschriebenen Prober ist der gekühlte Chuckantrieb von besonderem Nachteil, da die Positionierung des Chucks relativ zu den Sonden nur mit hohem Zeit- und Arbeitsaufwand in der für das Testsubstrat notwendigen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erfolgen kann. Die bei tieferen Temperaturen relativ steifen Medienanschlüsse und Leitungen verstärken diesen Nachteil noch.Next the recording and the positioning of the test substrate is the Chuck to set the temperature at which the test of the Test substrate to take place. For this, the chuck with a suitable coolant applied. To set the temperature or set another controlled test conditions this is over at Chuck Media lines with the corresponding outside of the work area connected sources. Due to the heat exchange with the thermal Contact with the Chuck Chuck Drive is also this cooled. In the described Prober the cooled chuck drive is of particular Disadvantage, since the positioning of the chuck relative to the probes only with a lot of time and effort in the necessary for the test substrate Accuracy and reproducibility can be done. The at lower temperatures relatively stiff media connections and amplify lines this disadvantage yet.

Ein weiterer Nachteil besteht in der Beeinflussung der Temperatur des Testsubstrats durch die umgebenden Bauteile des Probers, deren Temperatur sich durch die verschiedenen Wärmeaustauschprozesse im Gleichgewichtszustand sehr unterschiedlich eingestellt hat. So erhält das Testsubstrat einen hohen Wärmeeintrag durch unkontrollierbare Wärmestrahlung und Konvektion von den umgebenden warmen Bauteilen, was die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Prüfung deutlich beeinträchtigt.One Another disadvantage is the influence on the temperature of the Test substrate by the surrounding components of the Probers, their temperature through the different heat exchange processes has set very different in the equilibrium state. So receives the test substrate has a high heat input by uncontrollable heat radiation and convection of the surrounding warm components, what the accuracy and reproducibility of the test significantly impaired.

Zur Prüfung wird das Testsubstrat mit Prüfsonden in Form von Kontaktiernadeln mit elektrischen Eingangssignalen beaufschlagt und die Ausgangssignale gemessen. Die Ausgangssignale können unterschiedlicher Art sein und auch durch andere Eingangsgrößen, wie zum Beispiel Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, erzeugt werden. Die Sonden befinden sich im Allgemeinen außerhalb des Arbeitsbereiches auf dem oberen Gehäuseabschluss und kontaktieren durch die bereits beschriebene, dort befindliche Öffnung im Gehäuse die Bauelemente direkt oder indirekt über auf dem Testsubstrat vorhandene Kontaktierungsflächen. Die Raumtemperatur der Sonden führt bei der Prüfung der Bauelemente unter tieferen Temperaturen zum einen dazu, dass die Geometrie der Sonden nicht mit der Geometrie des Testsubstrats im gekühlten Zustand übereinstimmt. Zum anderen führt der Kontakt des Testsubstrates mit den wärmeren Sonden zu einer Temperaturdrift am Substrat und damit zur Veränderung der Prüfbedingungen. Auch durch diese Tatsachen wird die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Prüfung bei tieferen Temperaturen deutlich beeinträchtigt.to exam becomes the test substrate with probes acted upon in the form of contacting needles with electrical input signals and the output signals measured. The output signals can be different Be kind and also by other input variables, such as radiation in different wavelength ranges, be generated. The probes are generally outside of the working area on the upper housing end and contact through the already described, located there opening in Housing the Components directly or indirectly over existing on the test substrate Contacting surfaces. The room temperature of the probes leads when examining the Components under lower temperatures, on the one hand, that the Geometry of the probes not with the geometry of the test substrate in the cooled State matches. To the other leads the contact of the test substrate with the warmer probes to a temperature drift on the substrate and thus for change the test conditions. Also by these facts the accuracy and reproducibility of the exam significantly affected at lower temperatures.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, einen Prober zum Testen von Substraten bei tiefen Temperaturen anzugeben, bei dem mit minimierten Energie- und Arbeitsaufwand sowohl bei Raumtemperaturen als auch tiefen Temperaturen räumlich und thermisch definierte Testbedingungen einzustellen und aufrechtzuerhalten sind.Of the Invention is therefore the object of a Prober for Specify substrates to be tested at low temperatures, in which with minimized energy and labor both at room temperatures as well as low temperatures spatially and to set and maintain thermally defined test conditions are.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine den Arbeitsbereich des Chucks umschließende Vakuumkammer angeordnet ist, die mit einer Vakuumpumpe verbunden ist und der Chuck einerseits vom ungekühlten Chuckantrieb thermisch entkoppelt sowie andererseits mit dem Testsubstrat lösbar thermisch verbun den ist. Das Testsubstrat ist von der Wärmestrahlung der umgebenden ungekühlten Baugruppen mittels eines direkt gekühlten Wärmestrahlungsschildes abgeschirmt. Die Herstellung eines Vakuums im Arbeitsbereich gestattet die Prüfung weiterer Bauteile als eingangs beschrieben. Insbesondere ist die Prüfung des Schwingungsverhaltens mikromechanischer Bauteile oder optischer Schalter möglich, da das Vorhandensein unbewegter und bewegter Gase in der Prüfumgebung das Schwingungsverhalten der Bauteile selbst beeinflusst oder Schwingungen der Prüfatmosphäre die Prüfgröße überlagern.According to the invention Task solved by arranged a vacuum chamber enclosing the working area of the chuck which is connected to a vacuum pump and the chuck on the one hand from the uncooled Chuck drive thermally decoupled and on the other hand releasably thermally with the test substrate connected is. The test substrate is of the heat radiation of the surrounding uncooled Shielded modules by means of a directly cooled heat radiation shield. The creation of a vacuum in the work area allows further testing Components as described above. In particular, the examination of the Vibration behavior of micromechanical components or optical switch possible, because the presence of still and moving gases in the test environment the vibration behavior of the components themselves or vibrations superimpose the test quantity on the test atmosphere.

Die thermische Entkopplung des Chuckantriebes vom gekühlten Chuck ermöglicht den Einsatz eines motorisierten Kreuztisches als Chuckantrieb, auch bei sehr tiefen Temperaturen. Dadurch ist die Steuerung des Chuckantriebs sehr einfach von einem Bedienelement außerhalb der Vakuumkammer möglich und die Beweglichkeit des Kreuztisches ist nicht durch die niedrige Temperatur der sich bewegenden Teile eingeschränkt. Weiterhin lassen die Schrittmotoren des Kreuztisches die Positionierung des Chucks problemlos trotz steifer Kühlmittelleitungen mit einer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von wenigen Mikrometern zu.The thermal decoupling of the chuck drive from the cooled chuck allows the use of a motorized cross table as chuck drive, too at very low temperatures. This is the control of the Chuck drive very easy of a control element outside the vacuum chamber possible and the agility of the cross table is not by the low Temperature of moving parts restricted. Continue to let the stepper motors the cross table positioning the chuck without a problem despite rigid coolant lines with an accuracy and reproducibility of a few micrometers to.

Die thermische Entkopplung des Chucks führt ferner mit der Reduzierung der zu kühlenden Bauteile zur Erhöhung der Stabilität und Genauigkeit des Temperaturregimes und Verringerung des Kühlmittelverbrauchs. Indem der Wärmeaustausch mit der Umgebung durch Konvektion verhindert wird, beschleunigt insbesondere die Herstellung eines Vakuums im Arbeitsbereich den Kühlprozess.The Thermal decoupling of the chuck also leads to the reduction the components to be cooled to increase stability and accuracy of temperature regime and reduction of coolant consumption. By the heat exchange with the environment prevented by convection is accelerated in particular the production of a vacuum in the working area Cooling process.

Besonders vorteilhaft ist die Prüfung der Bauteile bei tiefen Temperaturen unter Vakuumbedingungen, da im Vakuum kein Feuchtigkeitsniederschlag auf dem Testsubstrat auftritt, der sonst die Prüfergebnisse verfälscht oder die Prüfung gänzlich verhindert. Der Feuchtigkeitsniederschlag während der Evakuierung wird verhindert, indem vorher ein geeignetes trockenes Arbeitsgas in die Vakuumkammer geleitet wird.Especially advantageous is the test the components at low temperatures under vacuum conditions, there no moisture precipitation occurs on the test substrate in a vacuum, otherwise the test results falsified or the exam completely prevented. The moisture precipitation during the Evacuation is prevented by using a suitable dry before Working gas is passed into the vacuum chamber.

Die optimale Kühlung des Testsubstrates wird erreicht, indem es mit einer ebenen glatten Unterseite versehen ist und vollflächig auf dem Chuck aufliegt, der ebenfalls eine ebene glatte Aufnahmefläche aufweist, und zwischen diesen beiden Flächen durch geeignete Haltemittel eine kraftschlüssige Verbindung derart hergestellt wird, dass sie für die Bestückung des Chucks mit dem Testsubstrat lösbar ist.The optimal cooling of the test substrate is achieved by smoothing it with a plane Bottom is provided and fully rests on the chuck, which also has a flat smooth receiving surface, and between through these two surfaces suitable holding means made a frictional connection such will that for you the equipment of the chuck with the test substrate is solvable.

Zur Verringerung des Wärmeeintrags am Chuck und am Testsubstrat durch die wärmeren umgebenden Bauteile des Probers über Wärmestrahlung werden diese Bauteile durch ein Wärmestrahlungsschild abgeschirmt. Zweckmäßigerweise wird das Wärmestrahlungsschild direkt durch die Beaufschlagung mit dem jeweils zum Einsatz kommenden Kühlmittel auf die Chucktemperatur gekühlt.to Reduction of heat input at the chuck and test substrate by the warmer surrounding components the prober over thermal radiation These components are shielded by a heat radiation shield. Conveniently, becomes the heat radiation shield directly by the application of the respective coolant used cooled to chuck temperature.

Die Kühlung des Chucks und des Wärmestrahlungsschildes kann im Kühlregime auf verschiedene Weise erfolgen, je nach den Anforderungen und optimalen Bedingungen des Prüfprozesses. Eine Verkürzung des Prüfprozesses ist zum Beispiel möglich, wenn zuerst der Chuck und das Testsubstrat und danach das Wärmestrahlungsschild gekühlt wird, da so mit der Prüfung der Bauteile bereits vor dem Erreichen der endgültigen Temperatur des Wärmestrahlungsschildes begonnen werden kann. Der Niederschlag von Feuchtigkeit auf dem Testsubstrat wird vermieden, indem vor der Evakuierung der Vakuumkammer trockener Stickstoff eingelassen wird. Erfolgt zuerst die Kühlung des Wärmestrahlungsschildes und danach des Chucks mit dem Testsubstrat schlägt sich eventuell vorhandene Feuchtigkeit am Wärmestrahlungsschild und nicht am Substrat nieder, so dass die Prüfung nicht beeinflusst wird. Das gleichzeitige Kühlen des Chucks und des Wärmestrahlungsschildes verhindert neben einem Feuchtigkeitsniederschlag sonst eventuell auftretende Verwerfungen im Prüfaufbau, was die Genauigkeit der Positionierung der Prüfsonden deutlich verbessert.The cooling the chuck and the heat radiation shield can in cooling regime done in different ways, depending on the requirements and optimal Conditions of the test process. A shortening the testing process is possible, for example, first the chuck and the test substrate and then the heat radiation shield chilled will be there with the exam the components already before reaching the final temperature of the heat radiation shield can be started. The precipitation of moisture on the Test substrate is avoided by before evacuation of the vacuum chamber dry nitrogen is admitted. First, the cooling of the Heat radiation shield and After that, the chuck with the test substrate may be present Moisture on the heat radiation shield and not deposited on the substrate, so that the test is not affected. The simultaneous cooling the chuck and the heat radiation shield otherwise prevents possibly besides a moisture precipitation occurring faults in the test setup, which significantly improves the accuracy of the positioning of the probes.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist die Vakuumkammer auf der der Oberseite des Chucks gegenüberliegenden Oberseite mit einer Revisionsöffnung versehen. Das ermöglicht die Beobachtung einerseits des Prüfvorganges und zum anderen der Positionierung, was vor allem bei der Prüfung von einzelnen Bauelementen wichtig ist.In an expedient embodiment The invention relates to the vacuum chamber on the top of the chuck opposite top with a revision opening Mistake. This allows the observation of the test procedure on the one hand and on the other hand positioning, especially when testing individual components important is.

Die benannte thermische Entkopplung des Chucks wird insbesondere dadurch erreicht, dass, entsprechend einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung, der Chuck mittels eines Zwischenstücks aus einem Material mit einer im Vergleich zu Metall geringerer Wärmeleitfähigkeit mit dem Kreuztisch verbunden ist. Eine derartige Entkopplung führt dazu, dass die Temperatur des Chucks und damit des Testsubstrates mit großer Genauigkeit und Stabilität dem Siedpunkt des Kühlmittels folgt, da bis auf das Testsubstrat keine weiteren Teile mittelbar gekühlt werden.The named thermal decoupling of the chuck is achieved, in particular, by virtue of the fact that, according to an advantageous embodiment of the invention, the chuck is connected to the cross table by means of an intermediate piece of a material having a lower thermal conductivity compared to metal. Such decoupling leads to the temperature of the chuck and thus of the test substrate follows the boiling point of the coolant with great accuracy and stability, since no further parts are indirectly cooled except for the test substrate.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Wärmestrahlungsschild mittig eine Durchgangsöffnung auf. Diese ermöglicht gemäß der Revisionsöffnung in der Vakuumkammer die Beobachtung der Positionierung und der Prüfung des Testsubstrates. Weiterhin ist es möglich, die Sondenhalter oberhalb des Wärmestrahlungsschildes anzuordnen und die Sonden durch diese Öffnung auf dem Testsubstrat zu kontaktieren.Corresponding a further embodiment The invention has the heat radiation shield in the center a passage opening on. This allows according to the inspection opening in the vacuum chamber observing the positioning and testing of the Test substrate. Furthermore, it is possible to use the probe holder above to arrange the heat radiation shield and the probes through this opening to contact on the test substrate.

Ebenso ist es möglich, diese Durchgangsöffnung mit einem durchsichtigen, Licht ausgewählter Wellenlängen filternden Verschluss zu versehen. Das hat den Vorteil, weitere Bauteile prüfen zu können, wie insbesondere Sensoren für Strahlung dieser bestimmten Wellenlänge. Durch den Filter ist es möglich, die Beeinflussung der Prüfung durch eben diese Hintergrundstrahlung zu unterdrücken.As well Is it possible, this passage opening with a transparent, light of selected wavelengths filtering To provide closure. This has the advantage of being able to check other components, such as in particular sensors for Radiation of this particular wavelength. It's through the filter possible, the influence of the test by suppressing just this background radiation.

In einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung ist das Testsubstrat zumindest mittelbar mit Sondenhaltern für Einzel- und Mehrfachsonden versehen, die thermisch leitend mit dem Chuck verbunden sind. Dadurch wird die Temperatur der Sonden mit der Chucktemperatur mitgeführt und eine Nachjustierung der Sonden im gekühlten Zustand entfällt, da sich die Positionierung der Einzelsonden relativ zu den Bauelementen bzw. die Abstände der Mehrfachsonden untereinander, die auf die Abstände der Bauelemente auf dem Testsubstrat abgestimmt sind, nicht oder in geringem Maß bei der Kühlung ändert. Weiterhin wird der Wärmeeintrag durch die wärmeren Sonden und somit die Temperaturdrift am Bauelement verhindert.In appropriate training According to the invention, the test substrate is at least indirectly with probe holders for individual and providing multiple probes that are thermally conductive to the chuck are connected. This will change the temperature of the probes to the chuck temperature carried and a readjustment of the probes in the cooled state is eliminated since the positioning of the individual probes relative to the components or the distances the multiple probes among each other, which on the distances of the Components on the test substrate are matched, not or in low level the cooling changes. Farther becomes the heat input through the warmer Probes and thus prevents the temperature drift on the component.

Es ist bei verschiedenen Geometrien des Testsubstrates zweckmäßig, die Sondenhalter nicht mit dem Testsubstrat selbst zu verbinden. Deshalb wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Wärmestrahlungsschild zumindest mittelbar derart mit den Sondenhaltern für Einzel- oder Mehrfachsonden versehen, dass diese thermisch leitend mit dem Wärmestrahlungsschild verbunden sind. Da, wie beschrieben, das Wärmestrahlungsschild durch die Beaufschlagung mit Kühlmittel direkt gekühlt wird, wird auch in dieser Ausführung die Temperatur der Sonden mit der des Testsubstrates mitgeführt. Eine Nachjustierung, wie sie durch thermisch bedingte Änderungen der Testsubstrat- und Sondengeometrien sowie die beschriebene Temperaturdrift am Bauteil erforderlich wäre, erübrigt sich.It is useful for various geometries of the test substrate, the Do not connect probe holder to the test substrate itself. That's why in a further embodiment of the invention, the heat radiation shield at least indirectly so with the probe holders for individual or multiple probes that this thermally conductive with the Thermal radiation shield are connected. Since, as described, the heat radiation shield through the Applying coolant is cooled directly, is also in this version the temperature of the probes with that of the test substrate carried. A Readjustment, as caused by thermally induced changes the test substrate and probe geometries and the described temperature drift would be required on the component, Needless yourself.

In einer vorteilhaften Gestaltung der Erfindung weisen die Haltemittel für den Substratträger einen im substratnahen Teil thermisch mit dem gekühlten Chuck verbundenen, vertikal beweglichen Kopf und einen am Kreuztisch fixierten Haltestift auf. Der Haltestift besteht aus einem Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als Metall.In an advantageous embodiment of the invention, the holding means for the substrate carrier a thermally in the substrate near part with the cooled chuck connected, vertically movable head and one fixed to the cross table Holding pin on. The retaining pin consists of a material with a lower thermal conductivity as metal.

Die Ausführung der Haltemittel aus zwei Teilen, dem Kopf und dem Haltestift, ermöglicht es zum einen durch die Verwendung eines gut wärmeleitenden Materials für die Köpfe, diese mittelbar über den gekühlten Chuck zu kühlen und zum anderen die thermische Entkopplung des Chucks vom Kreuztisch sicherzustellen. Die Köpfe greifen in geeignete Haltemittel am Testsubstrat lösbar und vertikal fixierend ein und stehen dadurch mit dem Testsubstrat im thermischen Kontakt. Sie sind mit den Haltestiften, die am Kreuztisch befestigt sind, federkraftbewehrt verbunden, so dass eine vertikale Relativbewegung des Chucks ausgenutzt werden kann, um eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Testsubstrat und dem Chuck herzustellen oder zu lösen. Durch die Befestigung der Haltestifte am Kreuztisch folgen diese den Bewegungen des auf der Aufnahmefläche des Chucks gehaltenen Testsubstrats.The execution the holding means of two parts, the head and the retaining pin, makes it possible on the one hand by the use of a good heat conducting material for the heads, this indirectly via the chilled Chuck to cool and on the other to ensure the thermal decoupling of the chuck from the cross table. The heads engage in suitable holding means on the test substrate solvable and vertically fixing and thereby standing with the test substrate in thermal contact. They are with the holding pins, which are at the cross table are attached, spring-force-connected, so that a vertical Relative movement of the chuck can be exploited to make a non-positive connection between the test substrate and the chuck to produce or solve. By the attachment of the retaining pins on the cross table follow these movements on the receiving surface of the Chuck's test substrate.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht der Chuck aus einem Chuckkörper mit einer Chuckfläche und einer auf der Chuckfläche vollflächig aufliegenden Chuckplatte, die vom Chuckkörper lösbar ist. So kann die lösbare Chuckplatte zur Bestückung des Chucks mit dem Testsubstrat mittels weiterer, nicht näher beschriebener Mittel aus dem Vakuumkammer entnommen und mit dem Testsubstrat verbunden werden. Die Verbindung der Chuckplatte mit dem Chuckkörper erfolgt in der gleichen, beschriebenen Weise über die thermisch entkoppelnden Haltestifte und Köpfe, wobei die korrespondierenden Haltemittel in diesem Fall nicht am Testsubstrat, sondern an der Chuckpatte vorhanden sind.Corresponding a further advantageous embodiment of the invention the chuck from a chuck body with a chuck surface and one on the chuck surface entire area resting chuck plate, which is detachable from the chuck body. So can the detachable chuck plate for equipping the chuck with the test substrate by means of further, unspecified Means are removed from the vacuum chamber and connected to the test substrate. The connection of the chuck plate with the chuck body takes place in the same, described way over the thermally decoupling retaining pins and heads, wherein the corresponding Holding means in this case not on the test substrate, but on the chuck plate available.

Indem in einer besonderen Ausführung der Erfindung die unmittelbar und mittelbar gekühlten Teile des Chucks sowie des Wärmestrahlungsschirmes aus gut wärmeleitfähigem Material bestehen und die gekühlten Teile des Chucks hoch reflektierende Oberflächen aufweisen, wird der Wärmeaustausch mit den umgebenden wärmeren Bauteilen durch Wärmestrahlung minimiert sowie mit den zu kühlenden Teilen durch Wärmeleitung optimiert. Der Einsatz eines gut wärmeleitenden Materials mit matter Oberfläche für das Wärmestrahlungsschild gewährleistet die optimale Ableitung der durch das Wärmestrahlungsschild absorbierten Wärmeenergie.By doing in a special version the invention, the directly and indirectly cooled parts of the chuck as well the heat radiation screen made of good thermally conductive material exist and the cooled Parts of the chuck have highly reflective surfaces, the heat exchange with the surrounding warmer Components by heat radiation minimized as well as with the to be cooled Split by heat conduction optimized. The use of a good heat conducting material with matt surface for the Thermal radiation shield guaranteed the optimal dissipation of absorbed by the heat radiation shield Thermal energy.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Chuck an seiner Unterseite eine Heizung auf, so dass andere Temperaturen als die des Siedpunktes des jeweiligen Kühlmittels einstellbar sind. Auch kann der Aufheizprozess des gekühlten Chucks zum Beispiel für einen Wechsel der Prüfanordnung beschleunigt werden.In a further embodiment of the invention, the chuck has a heater on its underside so that other temperatures than the boiling point of the respective coolant can be set. Also, the heating process of the cooled chuck, for example, for a change of Prüfan order to be accelerated.

Um das Wärmestrahlungsschild in das Temperaturregime eines beheizbaren Chucks einbinden zu können, weist dieses in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ebenfalls eine Heizung auf seiner Oberseite auf.Around the heat radiation shield in the temperature regime of a heated chuck to integrate, points this in a further embodiment of the invention also a Heating on its top.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt inThe Invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. The associated Drawing shows in

1 die Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Probers und 2 die Ansicht des Wärmestrahlungsschildes von oben. 1 the sectional view of a Probers invention and 2 the view of the heat radiation shield from above.

Wie in 1 dargestellt, weist ein Prober für eine Tieftemperaturtestung, ein so genannter Kryoprober einen Chuck 1 auf, der mit einem Chuckantrieb 2, vorzugsweise einem motorisierten Kreuztisch, verbunden ist. Mittels des Chuckantriebs 2 ist der Chuck 1 im Arbeitsbereich verfahrbar. Der Arbeitsbereich ist von einem Vakuumkammer 3 umgeben, das an einer Seite eine Beladeöffnung 4, mit einer Klappe 5 vakuumdicht verschließbar, und mittig über dem Arbeitsbereich eine Revisionsöffnung 6, mit Infrarotstrahlung reflektierendem Quarzglas verschlossenen, aufweist. Der Arbeitsbereich ist an eine nicht näher dargestellte Vakuumeinheit zur Evakuierung des Arbeitsbereiches angeschlossen.As in 1 As shown, a crypto tester, a so-called cryoprober, has a chuck 1 up, with a chuck drive 2 , preferably a motorized cross table, is connected. By means of the Chuck drive 2 is the chuck 1 movable in the work area. The workspace is from a vacuum chamber 3 surrounded, on one side a loading opening 4 , with one stone 5 vacuum-tight sealable, and in the middle of the work area an inspection opening 6 , sealed with infrared radiation reflective quartz glass. The work area is connected to a vacuum unit not shown for evacuation of the work area.

Der zylinderförmige Chuck 1 besteht aus Kupfer mit einer Goldbeschichtung, ist über die flexible Kühlmittelleitung 7 mit einem Kühlmitteltank verbunden und lässt sich entsprechend dem eingesetzten Kühlmittel bis in verschiedenen Temperaturbereiche kühlen, indem das Kühlmittel durch im Inneren des Chucks 1 vorhandene Kanülen 21 geführt wird. Die Unterseite des Chucks 1 weist eine Chuckheizung 8 auf.The cylindrical chuck 1 Made of copper with a gold coating, is over the flexible coolant line 7 connected to a coolant tank and can be cooled according to the coolant used in different temperature ranges by the coolant through inside the chuck 1 existing cannulas 21 to be led. The underside of the chuck 1 has a chuck heater 8th on.

Die Befestigung des Chucks 1 am Chuckantrieb 2 erfolgt über ein Zwischenstück 9 aus einem Glasfaserrohr, das einen geringfügig kleineren Querschnitt als der Chuck 1 und eine Wandungsdicke von ca. 1 mm aufweist.The attachment of the chuck 1 on the chuck drive 2 via an intermediate piece 9 from a fiberglass tube, which has a slightly smaller cross-section than the chuck 1 and a wall thickness of about 1 mm.

Vier erste, pilzförmige Haltemittel 10 sind so am Chuck 1 be festigt, dass sie geringe Vertikalbewegungen ausführen können und in zweite, nutförmige Haltemittel 11 am Substratträger 12 eingreifen. Sie sind über einen Haltestift 13 aus Polymerfaserstoff am Chuckantrieb 2 fixiert und durch Federn 14 in einer unteren Position gehalten. Mit dem Eingreifen der Köpfe 15 der ersten Haltemittel 10 in die zweiten Haltemittel 11 werden die ersten Haltemittel 10 aus ihrer unteren Position in eine obere gepresst und in dieser gehalten, so dass durch die Federkraft eine definierte Spannwirkung auf den Substratträger 12 eintritt und zwischen der Aufnahmefläche 16 des Chucks 1 und der Unterseite des vom Substratträgers 12 gehaltenen Testsubstrats 17 ein guter Wärmekontakt hergestellt wird.Four first, mushroom-shaped holding means 10 are so on the chuck 1 be strengthened that they can perform low vertical movements and in second, groove-shaped holding means 11 on the substrate carrier 12 intervention. They are over a retaining pin 13 made of polymer fiber material on the chuck drive 2 fixed and by springs 14 held in a lower position. With the intervention of the heads 15 the first holding means 10 in the second holding means 11 become the first holding means 10 pressed from its lower position into an upper and held in this, so that by the spring force a defined clamping action on the substrate carrier 12 enters and between the receiving area 16 of the chuck 1 and the underside of the substrate carrier 12 held test substrate 17 a good thermal contact is made.

Über dem Testsubstrat 17 ist mit geringem Abstand ein scheibenförmiges Wärmestrahlungsschild 18 mit einer nach unten abgewinkelten kranzförmigen Umrandung 20 und einem Sondenhalter 19 angeordnet. Das Wärmestrahlungsschild 18 ist ebenso wie der Chuck 1 über eine flexible Kühlmittelleitung 7 mit einem Kühlmitteltank verbunden und wird gekühlt, indem das Kühlmittel durch im Inneren des Wärmestrahlungsschildes 18 vorhandene Kanülen 21 geführt wird. Es ist aus sehr gut wärmeleitendem Material mit einer hochreflektierenden Oberfläche ausgeführt. Auf der Oberseite des Wärmestrahlungsschildes 18 ist in Analogie zum Chuck 1 eine Schildheizung 22 angeordnet.Above the test substrate 17 is at a small distance a disk-shaped heat radiation shield 18 with a downwardly angled rim-shaped border 20 and a probe holder 19 arranged. The heat radiation shield 18 is just like the chuck 1 via a flexible coolant line 7 connected to a coolant tank and is cooled by passing the coolant through inside the heat radiation shield 18 existing cannulas 21 to be led. It is made of highly thermally conductive material with a highly reflective surface. On top of the heat radiation shield 18 is analogous to Chuck 1 a signage heater 22 arranged.

Über eine nicht näher dargestellte Mess- und Regelungseinheit wird die zur Prüfung des Testsubstrats 17 erforderliche Temperatur sowohl am Chuck 1 als auch am Wärmestrahlungsschild 18 geregelt. Der Sondenhalter 19 bildet den mittleren Teil des Wärmestrahlungsschildes und besteht aus sehr gut wärmeleitendem und wärmespeicherndem Material. Mittig, genau unter der Revisionsöffnung im Vakuumkammer, ist eine kreisförmige Durchgangsöffnung 23 angeordnet. Sie ist mit einem Infrarotstrahlung reflektierenden Glas verschlossen.About a not shown measuring and control unit is the test substrate for testing 17 required temperature both at the chuck 1 as well as the heat radiation shield 18 regulated. The probe holder 19 forms the middle part of the heat radiation shield and consists of very good heat-conducting and heat-storing material. Center, just below the inspection opening in the vacuum chamber, is a circular passage opening 23 arranged. It is closed with a glass reflecting infrared radiation.

11
ChuckChuck
22
ChuckantriebChuck drive
33
Vakuumkammervacuum chamber
44
Beladeöffnungloading opening
55
Klappeflap
66
Revisionsöffnunginspection opening
77
KühlmittelleitungCoolant line
88th
ChuckheizungChuck Heating
99
Zwischenstückconnecting piece
1010
erstes Haltemittelfirst holding means
1111
zweites Haltemittelsecond holding means
1212
Substratträgersubstrate carrier
1313
Haltestiftretaining pin
1414
Federfeather
1515
Kopfhead
1616
Aufnahmefläche des ChucksRecording surface of the Chucks
1717
Testsubstrattest substrate
1818
WärmestrahlungsschildThermal radiation shield
1919
Sondenhalterprobe holder
2020
Umrandungborder
2121
Kanülenneedles
2222
SchildheizungHeating plate
2323
DurchgangsöffnungThrough opening

Claims (12)

Prober zum Testen von Substraten bei tiefen Temperaturen mit einem Chuck (1), der mittels eines Chuckantriebes (2) im Arbeitsbereich verfahrbar und mit Heiz- und Kühlmitteln temperierbar ist und eine Aufnahmefläche (16) zur Aufnahme eines Testsubstrates (17) sowie Haltemittel (10) zur Fixierung des das Testsubstrat (17) aufnehmenden Substratträgers (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Arbeitsbereich des Chuck (1) umschließende Vakuumkammer (3) angeordnet ist, die mit einer Vakuumpumpe verbunden ist und der Chuck (1) einerseits vom ungekühlten Chuckantrieb (2) thermisch entkoppelt sowie andererseits mit dem Testsubstrat (17) lösbar thermisch verbunden ist und das Testsubstrat (17) von der Wärmestrahlung der umgebenden ungekühlten Baugruppen mittels eines direkt gekühlten Wärmestrahlungsschildes (18) abgeschirmt ist.Prober for testing substrates at low temperatures with a chuck ( 1 ), which by means of a Chuck drive ( 2 ) is movable in the work area and can be tempered with heating and cooling means and a receiving surface ( 16 ) for receiving a test substrate ( 17 ) as well as holding means ( 10 ) for fixing the test substrate ( 17 ) receiving substrate carrier ( 12 ), characterized in that one of the working area of the chuck ( 1 ) enclosing vacuum chamber ( 3 ), which is connected to a vacuum pump and the chuck ( 1 ) on the one hand from the uncooled chuck drive ( 2 ) thermally decoupled and on the other hand with the test substrate ( 17 ) is releasably thermally connected and the test substrate ( 17 ) of the heat radiation of the surrounding uncooled assemblies by means of a directly cooled heat radiation shield ( 18 ) is shielded. Prober nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (3) auf der der Oberseite des Chuck (1) gegenüberliegenden Oberseite mit einer Revisionsöffnung (6) versehen ist.Prober according to claim 1, characterized in that the vacuum chamber ( 3 ) on the top of the chuck ( 1 ) opposite top with a revision opening ( 6 ) is provided. Prober nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Chuck (1) mittels eines Zwischenstücks (9) aus einem Material mit einer im Vergleich zu Metall geringeren Wärmeleitfähigkeit mit dem Chuckantrieb (2) verbunden ist.Prober according to claim 1 or 2, characterized in that the chuck ( 1 ) by means of an intermediate piece ( 9 ) of a material with a lower thermal conductivity than the metal with the chuck drive ( 2 ) connected is. Prober nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmestrahlungsschild (18) mittig eine Durchgangsöffnung (1) aufweist.Prober according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat radiation shield ( 18 ) in the middle a passage opening ( 1 ) having. Prober nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (1) mit einem durchsichtigen, Licht ausgewählter Wellenlängen filternden Verschluss versehen ist.Prober according to claim 4, characterized in that the passage opening ( 1 ) is provided with a transparent, light of selected wavelengths filtering shutter. Prober nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Testsubstrat (17) zumindest mittelbar mit Sondenhaltern (19) für Einzel- und Mehrfachsonden versehen ist, die thermisch leitend mit dem Chuck (1) verbunden sind.Prober according to one of claims 1 to 5, characterized in that the test substrate ( 17 ) at least indirectly with probe holders ( 19 ) is provided for single and multiple probes which are thermally conductive with the chuck ( 1 ) are connected. Prober nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmestrahlungsschild (18) zumindest mittelbar mit Sondenhaltern (19) für Einzel- oder Mehrfachsonden versehen ist, die thermisch leitend mit dem Wärmestrahlungsschild (18) verbunden sind.Prober according to one of claims 1 to 5, characterized in that the heat radiation shield ( 18 ) at least indirectly with probe holders ( 19 ) is provided for single or multiple probes, the thermally conductive with the heat radiation shield ( 18 ) are connected. Prober nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass Haltemittel (10) für den Substratträger (12) einen im substratnahen Teil thermisch mit dem gekühlten Chuck (1) verbundenen, vertikal beweglichen Kopf (15) und einen am Chuckantrieb (2) fixierten Haltestift (13), bestehend aus Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als Metall, aufweisen.Prober according to claim 1 to 4, characterized in that retaining means ( 10 ) for the substrate carrier ( 12 ) a thermally in the substrate near part with the cooled chuck ( 1 ), vertically movable head ( 15 ) and one on the chuck drive ( 2 ) fixed retaining pin ( 13 ), consisting of material with a lower thermal conductivity than metal, have. Prober nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Chuck (1) aus einem Chuckkörper mit einer Chuckfläche und einer auf der Chuckfläche vollflächig aufliegenden Chuckplatte besteht, die vom Chuckkörper lösbar ist.Prober according to claim 1 to 5, characterized in that the chuck ( 1 ) consists of a chuck body with a chuck face and a chuck face resting on the chuck face, which is detachable from the chuck body. Prober nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbar und mittelbar gekühlten Teile des Chucks (1) sowie des Wärmestrahlungsschirmes (18) aus gut wärmeleitfähigem Material bestehen und die gekühlten Teile des Chucks (1) hoch reflektierende Oberflächen aufweisen.Prober according to claim 1 to 7, characterized in that the directly and indirectly cooled parts of the chuck ( 1 ) as well as the heat radiation screen ( 18 ) consist of good thermally conductive material and the cooled parts of the chuck ( 1 ) have highly reflective surfaces. Prober nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Chuck (8) eine Chuckheizung (8) aufweist.Prober according to claim 1 to 7, characterized in that the chuck ( 8th ) a chuck heater ( 8th ) having. Prober nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmestrahlungsschild (22) eine Schildheizung aufweist.Prober according to claim 1 to 8, characterized in that the heat radiation shield ( 22 ) has a shield heater.
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