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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur einer heißen Spannfutteroberfläche / Einspannoberfläche.
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Zuverlässigkeitstests an Halbleitern, die als Zuverlässigkeitstests auf Waferebene (WLR) bekannt sind, werden typischerweise bei Umgebungstemperaturen von bis zu 350°C ausgeführt. Die Dauer solcher WLR-Tests kann von einigen Minuten bis zu mehreren Wochen betragen. Wenn ein WLR-Test an vielen Chips überall auf dem Wafer nacheinander oder gleichzeitig ausgeführt wird, ist es wichtig, den gesamten Wafer auf einer einheitlichen Temperatur zu halten.
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Um eine einheitliche Temperatur über den gesamten Wafer hinweg zu erlangen und beizubehalten, muss die Temperatur des Wafers gemessen werden. Deshalb ist ein kostengünstiges, zuverlässiges Wafertemperatur-Messwerkzeug wünschenswert.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Nach einer Ausführungsform wird ein Wafertemperatur-Messwerkzeug bereitgestellt. Das Werkzeug umfasst einen Werkzeugkörper, einen kalibrierten Gewichtskörper, ein Fußteil und einen Temperatursensor. Der kalibrierte Gewichtskörper ist verschiebbar / gleitfähig im Werkzeugkörper angeordnet. Das Fußteil ist am unteren Ende des kalibrierten Gewichtskörpers angebracht und steht vom unteren Ende des Werkzeugkörpers vor. Der Temperatursensor erstreckt sich von der unteren Oberfläche des Fußteils.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Messen einer Waferoberflächentemperatur bereitgestellt. Ein Temperaturmesswerkzeug wird auf den Wafer aufgesetzt. Das Werkzeug weist einen kalibrierten Gewichtskörper, der verschiebbar in einem Werkzeugkörper angeordnet ist, und ein keramisches Fußteil auf, das an einem unteren Ende des kalibrierten Gewichtskörpers angebracht ist. Der Temperatursensor erstreckt sich von einer unteren Oberfläche des keramischen Fußteils. Dann lässt man die Schwerkraft das keramische Fußteil nach unten ziehen, so dass der Temperatursensor in Wärmekontakt mit dem Wafer tritt. Vom Temperatursensor wird ein Temperaturmesswert beschafft.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Wafertemperatur-Messwerkzeug bereitgestellt, Das Wafertemperatur-Messwerkzeug umfasst einen zylindrischen Werkzeugkörper, einen kalibrierten Gewichtskörper, keramische Aufstandsteile / Sockel und einen Temperatursensor. Der kalibrierte Gewichtskörper ist verschiebbar im Werkzeugkörper angeordnet. Die keramischen Aufstandsteile erstrecken sich von einem unteren Ende des Werkzeugkörpers. Der Temperatursensor ist an einem keramischen Fußteil an einem unteren Ende des kalibrierten Gewichtskörpers angebracht, und das keramische Fußteil und der Temperatursensor liegen außerhalb des Werkzeugkörpers.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Zusammenschau mit den beiliegenden Zeichnungen verständlich. Diese zeigen:
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1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Waferoberflächen-Temperaturmesswerkzeugs gemäß einer Ausführungsform;
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2A eine Seitenquerschnittsansicht einer Ausführungsform des Waferoberflächen-Temperaturmesswerkzeugs, die den innenliegenden kalibrierten Gewichtskörper im Werkzeugkörper zeigt;
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2B eine Seitenansicht des in 2A gezeigten Werkzeugs;
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3A eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des innenliegenden kalibrierten Gewichtskörpers mit dem angebrachten keramischen Fußteil;
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3B eine perspektivische Ansicht des innenliegenden kalibrierten Gewichtskörpers von 3A ohne das angebrachte keramische Fußteil;
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4A eine Unteransicht einer Ausführungsform des Waferoberflächen-Temperaturmesswerkzeugs;
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4B eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des zusammengesetzten Waferoberflächen-Temperaturmesswerkzeugs; und
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5 einen Ablaufplan eines Verfahrens zur Temperaturkalibrierung, das bei Verwendung des Waferoberflächen-Temperaturmesswerkzeugs ausgeführt wird.
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Es sollte klar sein, dass in den Zeichnungen gleiche Bezugszahlen gleiche strukturelle Elemente bezeichnen. Es sollte auch klar sein, dass die Abbildungen in den Figuren schematisch und nicht maßstabsgetreu sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Messung der Temperatur überall auf der Oberfläche eines Halbleiterwafers. Wie vorstehend angemerkt, erfordern WLR-Tests, dass ein Wafer auf einer gleichförmigen Temperatur gehalten wird. Die hiesigen Ausführungsformen beschreiben ein Waferoberflächen-Temperaturmesswerkzeug und ein Verfahren zum Messen der Temperatur überall auf dem Wafer. Das Werkzeug bietet ein wiederholbares, zuverlässiges, genaues und praktisches Temperaturkalibrierungsverfahren, was ein Schlüsselelement bei der Erzielung einer gleichförmigen Wafertemperatur für die gesamte Dauer eines WLR-Tests ist.
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Das Waferoberflächen-Temperaturmesswerkzeug kann auf die Oberfläche eines erhitzten Wafers aufgesetzt werden, um die Oberflächentemperatur des Wafers fehlerfrei zu erlangen. Der Temperatursensor des Werkzeugs ist relativ klein, so dass seine Kontaktfläche mit dem Wafer minimal ist. Die kleine Kontaktfläche ermöglicht ein wiederholtes Aufsetzen auf den Wafer, um eine hohe flächige Auflösung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine detaillierte Wafertemperatur-Verteilungsabbildung zu ergeben.
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WLR-Tests bei erhöhten Temperaturen (z. B. 25 °C–300 °C) werden typischerweise an einem speziell ausgelegten Metallspannfutter ausgeführt, das üblicherweise als „Heißspannfutter“ bekannt ist. Das Heißspannfutter wird über ein speziell dafür vorgesehenes Steuerungssystem aufgeheizt, das die Temperatur an der Oberseite des Spannfutters steuert. Die Rückseite des zu testenden Wafers wird auf die Oberseite des Spannfutters gelegt, wobei kleine Vakuumöffnungen im Spannfutter verwendet werden, um dazu beizutragen, einen guten physischen und thermischen Kontakt zwischen dem Wafer und dem Spannfutter zu erzielen. Jedoch unterscheidet sich die gesteuerte Temperatur an der Oberseite des Spannfutters von der tatsächlichen Temperatur der getesteten Einheiten, die sich an der Oberseite des Wafers befinden.
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Im Prinzip könnte jeder Chip (jede Stelle) auf dem gesamten getesteten Wafer über einen zugehörigen Temperatursensor verfügen. Wenn die Messwerte einer Anzahl von solchen Temperatursensoren, die die gesamte Fläche des Wafers abdecken, in Verbindung mit dem zugehörigen Steuerungssystem verwendet werden, könnte die Temperatur über die getesteten Einheiten an der Oberseite des Wafers hinweg und nicht an der Oberseite des Spannfutters gemessen und gesteuert werden. Dieser Lösungsansatz, bei dem zahlreiche Temperatursensoren über die gesamte Fläche des Wafers hinweg verwendet werden, ist, obwohl sie theoretisch machbar ist, unpraktisch, weil jeder einzelne getestete Wafer sowohl physisch als auch elektronisch in ein System einzugliedern wäre, welches das Spannfutter, viele Temperatursensoren und ein zugehöriges Steuerungssystem umfasst.
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Nach einer hier beschriebenen Ausführungsform findet vor dem eigentlichen Zuverlässigkeitstest auf Waferebene ein Kalibrierungsschritt statt. Während des Kalibrierungsschritts werden die Temperaturen über die Oberseite des Wafers hinweg als jeweiliges Datenfeld aus Versatzzahlen erhalten. Nach der Kalibrierung wird die eingestellte Spannfuttertemperatur dementsprechend nachjustiert, so dass die sich ergebende Temperatur jeder getesteten Einheit näher am erforderlichen Wert liegt, während die verbleibende Temperaturabweichung bekannt ist und berücksichtigt werden kann.
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Es gibt zwei übliche Verfahren zur Erlangung der Oberflächentemperaturen über einen gesamten Wafer hinweg: 1.) Die Verwendung eines handelsüblich hergestellten Siliziumkalibrierungswafers; und 2.) die Verwendung eines kleinen hochgenauen Temperatursensors. Wenn ein handelsüblich hergestellter Siliziumkalibrierungswafer verwendet wird, werden viele hochgenaue Temperatursensoren, die im Wafer eingebettet sind, über Drähte mit einem Messgerät verbunden, um eine Abbildung der jeweiligen Messwerte über den Wafer hinweg bereitzustellen. Dieses Verfahren liefert genaue und zuverlässige Ergebnisse. Der Kalibrierungswafer ist jedoch sehr teuer, und Wafer, die sich vom Kalibrierungswafer unterscheiden (z. B. in der Substratdotierung oder Dicke), haben höchstwahrscheinlich einen anderen Temperaturversatz zwischen der Heißspannfutteroberfläche und ihren Oberflächen.
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Wenn ein kleiner, hochgenauer Temperatursensor verwendet wird, wird er über ein Werkzeug mit niedriger Wärmeleitfähigkeit (z. B. einem Wattestäbchen) manuell an den Wafer angelegt und über den Wafer bewegt, um ein Abbild der Temperatur überall am Wafer zu liefern. Dieses Verfahren ist jedoch von Haus aus inkonsistent, weil die manuell auf den Sensor aufgebrachte Normalkraft zwischen den Messungen und zwischen den einzelnen Stellen am Wafer variiert. Die gemessene Temperatur reagiert ziemlich empfindlich auf diese Variabilität, möglicherweise um mehr als 1,0 °C.
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Die hier beschriebenen Ausführungsformen schwächen die Variabilität des vorstehend beschriebenen Verfahrens ab, bei dem der manuell angelegte Temperatursensor verwendet wird, indem jedes Mal eine konstante, kalibrierte Kraft verwendet wird. Das sich ergebende kostengünstige Werkzeug ist sowohl einfach, als auch leicht anzuwenden; es ermöglicht genaue, konsistente und zuverlässige Temperaturmessungen am gesamten Wafer. Im Ergebnis bietet es eine effektive Temperaturkalibrierung vor den meisten auf Waferebene stattfindenden Zuverlässigkeitstests bei erhöhten Temperaturen.
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1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellungeiner Ausführungsform eines Waferoberflächen-Temperaturmesswerkzeugs 100. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform ist das Werkzeug 100 im Wesentlichen zylindrisch und hat eine geringfügig breitere Kappe 110 und einen zylindrischen Werkzeugkörper 130 mit einem konischen Abschnitt. Die Kappe 110 dient als Handhabe für den Anwender und ist an der Oberseite des Werkzeugkörpers 130 angebracht, wie in 1 gezeigt ist. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Kappe 110 an der Oberseite des Werkzeugkörpers 130 über drei Schrauben 140 und entsprechende Gewindebohrungen durch die Kappe 110 und die Oberseite des Werkzeugkörpers 130 angebracht. Nach einer Ausführungsform kann die Kappe 110 aus Kunststoff gebildet sein. In anderen Ausführungsformen kann die Kappe aus anderen Materialien gebildet sein, wie zum Beispiel aus Fiberglas, Kork, Holz oder Gummi.
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Der Werkzeugkörper 130 kann aus rostfreiem Stahl / Edelstahl gebildet sein. Wie in 1 gezeigt ist, hat der Werkzeugkörper 130 einen inneren zylindrischen Hohlraum. Im Hohlraum ist ein kalibrierter Gewichtskörper / ein Gewicht 120 aus Edelstahl verschiebbar angeordnet. Wie in 1 gezeigt ist, sitzt der kalibrierte Gewichtskörper 120 relativ lose in dem Hohlraum, so dass der Gewichtskörper 120 im Hohlraum mittels Schwerkraft gleiten kann. In anderen Ausführungsformen kann der Gewichtskörper aus irgendeinem geeignet dichten Material gebildet sein, und der Werkzeugkörper kann aus irgendeinem geeignet starren Material gebildet sein. 2A ist eine Seitenquerschnittsansicht entlang der Hauptachse des Werkzeugs 100, die den innenliegenden kalibrierten Gewichtskörper im Werkzeugkörper 130 zeigt, und 2B ist eine Seitenansicht des Werkzeugs 100. In dieser Ausführungsform ist der innenliegende kalibrierte Gewichtskörper 120 aus einem einzigen einstückigen Teil aus Edelstahl gebildet, das maschinell bearbeitet wird, um drei zylindrische Abschnitte entlang derselben Hauptachse zu bilden. In einer bestimmten Ausführungsform beträgt das Gewicht des kalibrierten Gewichtskörpers 120 ungefähr 1,25 Pfund.
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Der Gewichtskörper 120 umfasst einen oberen zylindrischen Abschnitt 120A (bei dem es sich um den größten und schwersten Abschnitt handelt), einen kleineren zylindrischen Mittenabschnitt 120B und einen unteren Abschnitt 120C. Wie in 2A gezeigt ist, ist der untere Abschnitt 120C ein Gewindebolzen zum Einsetzen in eine Gewindeöffnung durch die Oberseite eines keramischen Fußteils 150 (siehe 1, 3). Der größere obere Abschnitt 120A des innenliegenden kalibrierten Gewichtskörpers 120 ist geringfügig kürzer ausgelegt als der entsprechende Hohlraum im Werkzeugkörper 130, so dass der gesamte innenliegende kalibrierte Gewichtskörper 120 im Hohlraum gleiten kann. Der Gewichtskörper 120 wird schwerkraftbedingt nach unten gezogen, wenn das Werkzeug 100 normal gehalten wird (d. h. richtig herum mit der oberen Kunststoffkappe 110 nach oben), oder in die entgegengesetzte Richtung, wenn das Werkzeug 100 verkehrt herum gehalten wird. Das keramische Fußteil 150 ist an der unteren Oberfläche des kleineren Mittenabschnitts 120B des innenliegenden kalibrierten Gewichtskörpers 120 durch den Gewindebolzen 120C angebracht, der in die Gewindeöffnung im keramischen Fußteil 150 eingeschraubt ist. Das keramische Fußteil kann abgeschrägt sein, wie in 3A gezeigt ist, um elektrische Drähte 165 derart hindurchführen zu können, dass die Drähte 165 frei hängen können, ohne dass sie durch irgendeinen Teil des Werkzeugs behindert werden. Des Weiteren ermöglicht die Abschrägung des Fußteils 150 eine kleinere Aufstandsfläche.
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In der dargestellten Ausführungsform ist eine kleine, dünne und rechteckige Widerstandstemperatureinheit (RTD-Einheit) bzw. ein derartiger Temperatursensor 160 an der Unterseite des Werkzeugs 100 vorgesehen, um die Temperatur des Wafers zu messen. Der Temperatursensor 160 ist über elektrische Drähte / Leitungen an einen Computer angeschlossen, um die erfasste(n) Temperatur(en) des Wafers anzuzeigen und/oder aufzuzeichnen. Wie in 2A gezeigt ist, ist der Temperatursensor 160 über die elektrischen Drähte 165 gehalten, die lose durch eine kleine Öffnung in der Keramikplatte 170 geführt sind. In der in 2A und 2B dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die elektrischen Drähte 165 aus einer kleinen Öffnung in der Seite der Keramikplatte 170 zu einem Computer. Die Keramikplatte 170 weist auch eine große mittige Öffnung auf, durch die das keramische Fußteil 150 mit dem Gewindebolzen 120C des innenliegenden kalibrierten Gewichtskörpers 120 verschraubt ist. 3A ist eine perspektivische Ansicht des innenliegenden kalibrierten Gewichtskörpers 120 mit dem angebrachten keramischen Fußteil 150. 3B zeigt den innenliegenden kalibrierten Gewichtskörper 120 ohne das angebrachte keramische Fußteil 150. In dieser Ausführungsform wird durch die Verbindung des keramischen Fußteils 150 mit dem Gewindebolzen 120C des kalibrierten Gewichtskörpers 120 sowie durch die Schrauben 175 die Keramikplatte 170 an Ort und Stelle am Werkzeugkörper 130 gehalten. Die Schrauben 175 werden dazu verwendet, die Platte 170 am Werkzeugkörper 130 zu befestigen. Bei anderen Ausführungsformen kann der Temperatursensor eine andere Form haben. In anderen Ausführungsformen kann es sich bei dem Sensor um ein Thermoelement oder einen Thermistor handeln.
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Wenn das Werkzeug 100 verkehrt herum gehalten wird, hängt der Temperatursensor 160 einige Millimeter über der Oberfläche des keramischen Fußteils 150. Wenn das Werkzeug 100 normal gehalten wird (richtig herum ausgerichtet ist), gleitet der kalibrierte Gewichtskörper 120 im Werkzeugkörper 130 nach unten, und auch das angebrachte keramische Fußteil 150 gleitet ausreichend weit nach unten, um den Temperatursensor 160 gegen die Waferoberfläche zu drücken, während auf die elektrischen Drähte des Temperatursensors ein leichter Zug ausgeübt wird. Es sollte klar sein, dass die Öffnung in der Keramikplatte 170, durch die die elektrischen Drähte 165 verlaufen, als wirkungsvolle Spannungsentlastung fungiert.
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4A zeigt eine Unteransicht und 4B zeigt eine gekippte perspektivische Ansicht des zusammengebauten Werkzeugs 100. Um eine stabile Positionierung des innenliegenden kalibrierten Gewichtskörpers 120 auf dem Wafer zu gewährleisten, sind in der dargestellten Ausführungsform drei keramische Aufstandsteile 180 an der Keramikplatte 170 vorgesehen, wie in 4A und 4B gezeigt ist. Das geringe Wärmeleitvermögen des Keramikmaterials und die kleine Kontaktfläche der Aufstandsteile 180, die sich mit dem darunter liegenden Wafer ausbildet, minimieren eine etwaige Auswirkung auf die tatsächliche, vom Temperatursensor 160 zu messende Temperatur.
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In der dargestellten Ausführungsform erstrecken sich drei Gewindebolzen 190 durch Öffnungen in der Keramikplatte 170 und sind in Gewindeöffnungen in den keramischen Aufstandsteilen 180 eingesetzt (1). Bei dieser Ausführungsform erstrecken sich drei Schrauben 175 durch eine weitere Gruppe von Öffnungen im keramischen Fußteil 150 und befestigen die Keramikplatte 170 an der unteren Oberfläche des Werkzeugkörpers 130, wobei jeweils dazu passende Gewindeöffnungen verwendet werden. In anderen Ausführungsformen können die Aufstandsteile 180 (sowie das Fußteil 150 und die Platte 170) aus nichtleitenden Materialien wie zum Beispiel Glimmer, Glas, Quarz oder Steingut gebildet sein.
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5 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens 500 zur Temperaturkalibrierung, die bei Verwendng des hierin beschriebenen Waferoberflächen-Temperaturmesswerkzeugs ausgeführt wird. Bei 510 wird das Temperaturmesswerkzeug auf eine ausgewählte Stelle an der Oberfläche eines Wafers aufgesetzt, wobei die keramischen Aufstandsteile den Wafer berühren. Das Werkzeug weist ein keramisches Fußteil an seiner Unterseite auf, wobei sich ein Temperatursensor von der unteren Oberfläche des keramischen Fußteils erstreckt. Das keramische Fußteil ist am unteren Ende eines kalibrierten Gewichtskörpers angebracht, der verschiebbar im Körper des Werkzeugs angeordnet ist.
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Bei 520 lässt man die Schwerkraft das keramische Fußteil nach unten ziehen, so dass der Temperatursensor einen guten thermischen Kontakt mit dem Wafer ausbildet. Da die Schwerkraft das keramische Fußteil nach unten zieht, wenn das Werkzeug auf den Wafer aufgesetzt ist, ist der Temperatursensor einer Kraft unterworfen, die dem Gewicht des kalibrierten Gewichtskörpers aus Edelstahl entspricht, der sich innen im Werkzeugkörper befindet, und von oben über das keramische Fußteil aufgebracht wird, während die entsprechende Reaktionskraft (dieselbe Stärke, aber in der Gegenrichtung) seine untere Oberfläche nach oben drückt. Im Ergebnis wird der Temperatursensor stets über dieselben Kräfte gehalten, wobei ein optimales Gewicht des innenliegenden kalibrierten Gewichtskörpers aus Edelstahl verwendet wird. Wenn das Werkzeug von einer Stelle auf dem Wafer zu einer anderen bewegt wird, wird der Temperatursensor folglich jedes Mal mit derselben Kraft beaufschlagt, weil die Schwerkraft am kalibrierten Gewichtskörper zieht und der Temperatursensor deshalb dem Gewicht des kalibrierten Gewichtskörpers aus Edelstahl und nicht einer manuellen Kraft unterworfen ist, die jedes Mal anders sein kann.
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Bei 530 lässt man den Messwert des Temperatursensors sich stabilisieren. Sobald sich der Temperaturmesswert stabilisiert hat, wird bei 540 der Messwert des Temperatursensors erlangt. Die Erlangung des Temperatursensors kann von einer Vorrichtung wie zum Beispiel einem Computer ausgeführt werden. Diese Vorrichtung kann mit dem Temperatursensor elektrisch verbunden sein. Bei einer Ausführungsform sind sie über elektrische Drähte elektrisch miteinander verbunden. Wie zuvor beschrieben, können die elektrischen Drähte durch einen Abschnitt des Werkzeugs wie zum Beispiel durch die Keramikplatte verlaufen. Bei anderen Ausführungsformen können der Temperatursensor und der Computer drahtlos miteinander verbunden sein.
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Wenn der Temperaturmesswert beschafft ist, kann das Werkzeug bei 550 zu einer anderen Position auf dem Wafer bewegt werden, um den Temperaturmesswert an einer anderen Stelle auf dem Wafer zu erlangen. Die Schritte 510 bis 550 können wiederholt werden, um eine Temperaturabbildung des Wafers zu erhalten. Unter Verwendung des hier beschriebenen Werkzeugs kann das Verfahren 500 eine genaue, konsistente und zuverlässige flächige Temperaturabbildung des Wafers erzeugen.
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Obwohl nur einige wenige Ausführungsformen der Erfindung im Einzelnen beschrieben worden sind, sollte klar sein, dass die Erfindung in vielen anderen Formen umgesetzt werden kann, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Es sollte offensichtlich sein, dass das beschriebene Wafertemperatur-Messwerkzeug in einer breiten Vielfalt von Anwendungen eingesetzt werden kann. Angesichts des vorstehend Gesagten sollte offensichtlich sein, dass die vorliegenden Ausführungsformen darstellend und nicht einschränkend sind und die Erfindung nicht auf die hier angegebenen Details beschränkt ist, sondern innerhalb des Umfangs und der Entsprechungen der beigefügten Ansprüche modifiziert werden kann.
