DE3818734A1 - Verfahren zum trimmen elektrischer bauelemente mittels laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trimmen elektrischer Bauelemente mittels Laser.

Widerstände, die aus Widerstandsmaterial auf einem Substrat bestehen und zwei Elektroden an zwei Enden des Materials haben, werden durch Laser getrimmt, um in präziser Weise Material zwischen den Elektroden wegzunehmen und dadurch den gewünschten Widerstandswert des Widerstandes zu erzielen. Durch Wegnahme von Material wird das Fließen von Elektrizität erschwert, wodurch sich der Widerstandwert erhöht. Die Trimmung kann durch einen sogenannten Stichschnitt erfolgen (ein einziger Einschnitt, der sich von einer Seite her und quer zur Richtung zwischen den Elektroden in das Ma­ terial erstreckt), oder einen sogenannten L-Schnitt (be­ stehend aus zwei Teilstücken, deren eines sich von einer Seite her und quer zur Richtung zwischen den Elektroden in das Material erstreckt und deren anderes parallel zur besagten Richtung verläuft), oder einen sogenannten U-Schnitt (bestehend aus drei Teilstücken, von denen sich zwei von einer Seite her und quer zur besagten Richtung erstrecken, während ein Teilstück parallel zur besagten Richtung läuft), oder durch einen flächenabtastenden Schnitt (wieder­ holte, sich überlappende Schnitte, die einen großen Teil des Materials wegnehmen).

U-Schnitte sind für manche Anwendungen zweckmäßig, weil sie im Gegensatz zu den Stich- und L-Schitten keine abschließenden Endpunkte haben (welche im allgemeinen den Elektronen­ fluß unterbrechen und Überschläge erlauben können, z. B. wenn sie in Überspannungsableitern verwendet werden) sie sind ferner schneller auch mit geringerer Wärmebelastung durchzuführen als flächenabtastende Schnitte. Für die Er­ zielung genauer Widerstandswerte mit U-Schnitten wurde bis­ her häufig ein Schneidbetrieb mit wiederholten Start-, Stop­ und Meßschritten angewandt, also ein nicht-kontinuierliches Zuschneiden, das zu Mikrorissen führen kann. Eine Methode, bei welcher das Stoppen des schneidenden Lasers vermieden wird, besteht in der Herstellung mehrerer sich überlappender U-Schnitte, wobei in aufeinanderfolgenden U-Schnitten das erste und dritte Teilstück zunehmend länger und das zweite Teilstück zunehmend kürzer wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Lasertrimmung eines elektrischen Bauelementes in einer ge­ nau gesteuerten Weise vorzunehmen. Diese Aufgabe wird er­ findungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 bzw. gemäß dem Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Es wurde gefunden, daß sich die Lasertrimmung eines elektrischen Bauelementes (z. B. eines Widerstandes) gut steuern bzw. kontrollieren läßt, indem man den Wert der Länge eines Teil­ stücks eines Einschnittes des Bauelementes unter Bezugnahme auf eine Information bestimmt, die auf Schnitten von Teil­ stücken unterschiedlicher Längen in einem oder mehreren Bau­ elementen beruht, das dieselbe Geometrie wie das zu trimmende Bauelement hat.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der in das Bauelement eingebrachte Schnitt ein U-Schnitt. Die interessierende elektrische Kenngröße des Bauelementes (z. B. ein Widerstandswert) wird während des zweiten Teilstückes gemessen. Der Übergang vom zweiten zum dritten Teilstück erfolgt bei einem vorbestimmten Kennwert, der so bemessen ist, daß der gewünschte Wert nach dem Schneiden des dritten Teilstückes erzielt wird. Die zum Schneiden des ersterwähnten Teilstückes benutzte Information ist ein Längenmaß, das gleich A|PRETEST | ^B ist, wobei A und B Konstanten sind, die durch Schnitte bestimmt werden, welche gewählten PRETEST-Werten (prozentualer Unterschied zwischen dem anfänglichen und dem gewünschten Widerstandswert) und erzwungenen Werten DRES für den gewünschten Endwiderstand zugeordnet sind. Der er­ wähnte vorbestimmte Kennwert, mit SRES bezeichnet, ist der Prozentanteil, um den Wiederstandwert geringer als der gewünschte Widerstand (DRES) am Ende des zweiten Teilstückes ist. SRES wird gleich A′/PRETEST / ^B′ gesetzt, wobei A′ und B′ Konstanten sind, die ebenfalls durch Schnitte in einem Bauelement bestimmt werden, das dieselbe Geometrie wie das zu trimmende Bauelement hat.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der bevorzugte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen erläutert werden:

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Lasertrimmgerätes zur Durchführung eines erfindungsge­ mäßen Verfahrens;

Fig. 2. ist ein Blockschaltbild von Steuereinrichtungen des Lasertrimmgerätes nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt schematisch in Draufsicht einen Widerstand, der durch einen erfindungsgemäß hergestellten U-Schnitt ge­ trimmt ist;

Fig. 4. zeigt in einer graphischen Darstellung die Funk­ tion der Länge eines Schnittes (CL) abhängig von der Größe PRETEST, wie sie bei der Steuerung des Trimmvorgangs mit dem Gerät nach Fig. 1 bestimmt angewandt wird;

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Funktion von SRES (Prozentsatz eines Widerstandswertes) abhängig von PRETEST, wie sie beim Steuern des Gerätes nach Fig. 1 bestimmt und angewandt wird;

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Ge­ winnung von Koeffizienten, welche die in Fig. 4 dargestellte Funktion beschreiben;

Fig. 7 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Ge­ winnung von Koeffizienten, welche die in Fig. 5 dargestellte Funktion beschreiben;

Fig. 8 ist ein Flußdiagramm eines Trimmverfahrens unter Verwendung des Gerätes nach Fig. 1.

In der Fig. 1 ist ein Lasertrimmgerät 10 dargestellt, dessen Struktur und Arbeitsweise ausführlich in der US-Patentan­ meldung 7 98 584 beschrieben ist, die am 15. November 1985 unter dem Titel "Light Beam Positioning Apparatus" einge­ reicht wurde auf die hiermit verwiesen wird. Das Gerät 10 enthält eine Neodym-YAG-Laserquelle 12, die einen 1,06 µ- Strahl 14 liefert, ferner eine Strahlverschiebungseinrich­ tung 16, ein strahlerweiterndes Teleskop 18, einen schwenk­ baren Reflektor 20 zur Strahlenablenkung in Richtung der X- Achse, einen schwenkbaren Reflektor 22 zur Strahlablenkung in Richtung der Y-Achse, eine telezentrische Abtastlinse 24 und einen beweglichen Support 25, der ein Substrat 26 trägt, auf dem sich Widerstände 28 befinden. Die Strahl­ verschiebungseinrichtung 16 enhtält ein optisch ebenes Brechungselement 30 (ein ebenes Stück auf Glas), das schwenk­ bar an einem Galvanometer 32 aufgehängt ist. Das Brechungs­ element 30 ist in seiner Aufhängung bezüglich der vertikalen senkrechten Achse gegenüber dem Strahl 14 geneigt, aus weiter unter erläuterten Gründen. Die schwenkbaren Reflektoren 20, 22 enthalten Spiegel 34, 36, die so an Galvanometer 42, 44 befestigt sind, daß sie um jeweils eine zugehörige Achse 38 bzw. 40 geschwenkt werden können. Das Gerät 10 enthält ferner Sonden, die beweglich (durch nicht dargestellte Mittel) mit Kontaktelektroden 54 (Fig. 3) eines Widerstandes 28 ver­ bunden sind, um Widerstandswerte zu messen.

Wie das vereinfachte Blockschaltbild der Fig. 2 zeigt, wird das Trimmungssystem, das insgesamt mit 46 bezeichnet ist und das Lasertrimmgerät 10 enthält, durch einen externen Computer 48 gesteuert und enthält einen Mechanismus 50 zur Grobverschiebung des Substrats 26, um einzelne Wider­ stände 48 jeweils in eine Position zu bewegen, in welcher sie durch einen fokussierten Laserstrahl 52 (Fig. 1) ab­ getastet werden können. Eine Galvanometer-Steuereinheit 54 wandelt digitale Steuersignale in analoge Stellsignale für die Galvanometer um.

Gemäß der Fig. 3 enthält ein Widerstand 28 Widerstandsma­ terial 52, das mit Elektroden 54 verbunden ist und eine Breitenabmessung RW und eine Längenabmessung RL hat. In das Widerstandsmaterial 52 ist ein U-förmiger Schnitt 56 in erfindungsgemäßer Weise eingebracht. Der Schnitt 56 hat ein erstes Teilstück 58, ein zweites Teilstück 60, ein drittes Teilstück 62 und gekrümmte Übergänge oder Ecken 64 zwischen den Teilstücken. Das erste Teilstück 58 und das zweite Teilstück 62 haben jeweils eine Länge CL, und das zweite Teilstück 60 hat eine Länge CW.

Es sei nun der Ablauf des Trimmverfahrens beschrieben. All­ gemein werden, nach einer anfänglichen Kennzeichnungsprozedur (Charakterisierung), bei welcher durch Trimmung von Wi­ derständen 28 und Messung resultierender Widerstandsänderungen (wie weiter unten ausführlich beschrieben) eine Daten­ bank erzeugt wird, einzelne Widerstände 28 getrimmt, indem ihr Anfangswiderstand RRES gemessen und dann die Trimmung erfolgt, um den gewünschten Widerstand (Sollwiderstand) DRES zu erzielen, der höher ist als RRES.

Für den Trimmbetrieb wird ein Substrat 26 mit darauf befind­ lichen Widerständen 28, die durch Belichtung mit dem fokussier­ ten Laserstrahl 52 getrimmt werden sollen, auf dem Support 25 angeordnet. Der Substrat-Verschiebungsmechanismus 50 be­ wegt einzelne Widerstände 28 auf dem Substrat 25 in eine Position, bei welcher sie mit der telezentrischen Abtast­ linse 24 ausgerichtet sind, und mittels der Galvanometer 32, 42, 44 wird der fokussierte Strahl 52 schnell und genau auf den jeweils zu trimmenden Widerstand 28 gerichtet.

Das Galvanometer 42 schwenkt den Spiegel 34 so, daß sich der fokussierte Strahl 52 in der X-Richtung über das Substrat 26 bewegt, und das Galvanometer 44 schwenkt den Spiegel 36 so, daß der fokussierte Strahl 52 in Y-Richtung bewegt wird. Alle diese Bewegungen geschehen unter Steuerung durch den Computer 48. Anhängig von der Schwenkstellung des Spiegels 34 verstellt das Galvanometer 32 das Brechungselement 30, um den Strahl 14 seitlich um das notwenidge Maß zu bewegen, damit er vom Spiegel 34 auf den Mittelpunkt 56 der Pupille 45 reflektiert wird, wie es ausführlich in der weiter oben genannten US-Patentanmeldung beschrieben ist.

Die Errichtung der Datenbank erfolgt in zwei Schritten. Der erste Schritt bezieht sich auf Widerstandsänderungen infolge Änderungen von CL (d. h. der Längen des ersten und dritten Teilstücks), und der zweite Schritt bezieht sich auf Widerstandsunterschiede vor und nach dem Schneiden des dritten Teilstücks, die zum Kontrollieren der Längen CW des zweiten Teilstücks während eines Schnittes benutzt werden. Ein in beiden Schritten benutzter Parameter ist die Größe PRETEST, die definiert ist als der prozentuale Unterschied zwischen dem gemessenen Widerstandswert RRES und dem ge­ wünschten WertDRES und die durch folgende Formel gegeben ist:

(PRETEST ist also für Lasertrimmung stets negativ.)

Beim ersten Schritt wird die Formel erzeugt, welche die in Fig. 4 dargestellte Funktion der Länge CL abhängig von PRETEST beschreibt, indem CL-Werte ermittelt werden, die zu folgenden PRETEST-Werten α führen: -3%, -8%, -13%, -18%, -23%, -28%, -33%, -38%.

Gemäß dem Flußdiagramm der Fig. 6 wird für jeden Wert von α ein anderer Widerstand verwendet. Sonden 51 kontaktieren die Elektroden 54 eines zu trimmenden Widerstandes 28, und dessen Widerstandswert RRES wird gemessen. DRES wird nach der folgenden Formel bestimmt:

Dieser DRES-Wert gibt, für den gegebenen PRES-Wert, den endgültigen Widerstandswert (nach der Trimmung durch einen U-Schnitt) an, der dem jeweiligen α zugeordnet ist. CW wird für den gesamten ersten Schritt im Falle kleiner Widerstände (RW kleiner als 2,54 mm) gleich 0,60 RW und im Falle großer Widerstände (RW größer als 2,54 mm) gleich 0,833 RW gesetzt. Es erfolgt zunächst eine Aufgangstrimmung des Wi­ derstandes 28 mit der kleinstmöglichen Schrittweise von CL, die das Gerät hervorbringen kann; der resultierende Wert RRES wird dann gemessen und mit DRES verglichen. Die­ ser Vorgang wird wiederholt, wobei CL bei jedem nachfol­ genden Schnitt um einen Schritt vergrößert wird, bis PRES größer ist als DRES. Der CL-Wert unmittelbar vor diesem letzten Schritt ist das größte hervorzubringende Maß, bei dem der Widerstandswert immer noch kleiner als der erwartete Wert gehalten wird. Dieser CL-Wert bildet mit dem be­ treffenden PRETEST-Wert für die Funktion nach Fig. 4.

Für den nächsten α-Wert wird dann ein neuer Widerstand 28 (mit derselben Geometrie) verwendet, usw., bis alle α an die Reihe gekommen sind. Die resultierende 8-Daten-Bank, die für jedes α jeweils einen CL-Wert enthält, wird dann benutzt, um Koeffizienten A und B für die folgende Polynom- Näherung der CL/PRETEST-Funktion zu erzeugen:

CL = A|PRETEST | ^B .

Im einzelnen wird eine lineare Regression des log CL als Funktion von log A plus B mal log |PRETEST | mit den acht Werten der Datenbank benutzt, um A und B zu erhalten.

Verwendet man zur Trimmung nur die Information der Fig. 4, indem man nur CL ändert, dann läßt sich eine Genauigkeit von ±3% für kleine Widerstände erzielen. Ändert man in ent­ sprechender Weise auch die Länge des zweiten Teilstückes, wobei man die Information des nachstehend zu beschriebenden zweiten Schrittes benutzt, dann läßt sich eine noch größere Genauigkeit erzielen.

Beim zweiten Schritt wird eine Formel erzeugt, welche die in Fig. 5 dargestellte Funktion des SRES-Wertes abhängig von PRETEST beschreibt. SRES gibt vor, welchen Widerstands­ wert RRES am Ende des Schneidens des zweiten Teilstückes haben soll, damit sich nach dem Schneiden des dritten Teil­ stückes der gewünschte DRES-Wert einstellt. (Das Schneiden des dritten Teilstückes bewirkt eine weitere Reduzierung des Widerstandswertes um z. B. 2%.) SRES wird als Prozent­ anteil von DRES ausgedrückt; so bedeutet z. B. ein SRES- Wert von -2%, daß das Schneiden des zweiten Teilstückes beendet wird, wenn RRES gleich 98% von DRES ist.

Gemäß dem Blockschaltbild der Fig. 7 wird SRES für jeden Wert von α (und den entsprechenden Wert von CL) errechnet, indem zunächst SRES gleich 0 gesetzt wird. (Der Widerstand nach dem Schneiden des zweiten Teilstückes ist als DRES.) Der PRETEST-Wert nach dem Schneiden des dritten Teilstückes (eine positive Zahl) steht also in Beziehung zu der Wider­ standsdifferenz, die durch das Schneiden des dritten Teil­ stückes bewirkt wird. Die negative Form dieses PRETEST- Wertes wird als SRES in einem nachfolgenden Schnitt bei selbem α benutzt, und wenn der resultierende Endwiderstand im Bereich DRES ±0,5% liegt, wird dieser SRES-Wert für α verwendet. Wenn nicht, werden weitere Schnitte durchgeführt, wobei SRES jeweils geändert wird (mehr negativ, wenn der resultierende PRETEST-Wert positiv ist, oder mehr positiv, wenn der resultierende PRETEST-Wert negativ ist), bis der resultierende gemessene Widerstandswert innerhalb des Be­ reichs von DRES ±0,5% liegt.

Dasselbe Verfahren wird für die anderen α-Werte angewandt, und die resultierende Datenbank wird dazu benutzt, Koeffi­ zienten A′ und B′ in der folgenden Polynom-Nährung der SRES/PRETEST-Funktion zu erzeugen:

SRES = A′|PRETEST | ^B′ .

Die in der vorstehend beschriebenen Weise errechneten Ko­ effizienten A, B, A′ und B′ sind Konstanten, die im Ver­ lauf einer Serie von Widerständen, welche die gleiche Geo­ metrie des Widerstandsmaterials und gleiches DRES haben, nicht geändert werden.

Während der eigentlichen Trimmung, wenn das Trimmungssystem 46 einzelne Widerstände 28 zuschneidet, mißt dieses System den Anfangswiderstand RRES, benutzt die Konstanten A, B, A′, B′ zur Bestimmung von CL und SRES und schneidet konti­ nuierlich ohne anzuhalten einen U-Schnitt 60 unter Durch­ führung von Berechnungen im Fluge. Das erste Teilstück 58 wird über die Länge CL geschnitten. Während des Schneidens des zweiten Teilstücks 60 wird RES ständig überwacht und mit einem Wert (1-SRES) mal DRES verglichen. Wenn RRES gleich diesem Wert ist (oder ihn erstmalig überschreitet), beginnt das System 46 mit dem Schneiden des dritten Teil­ stückes, an dessen Ende der resultierende Widerstand ziem­ lich genau gleich DRES ist. Die Fig. 8 zeigt dieses Verfahren.

Neben den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind auch andere Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung möglich. Die Erfindung kann z. B. bei anderen elektrischen Bauelementen als Widerständen angewandt werden und auch benutzt werden, um andere elektrische Kenngrößen als Wider­ standswerte zu trimmen (z. B. eine Spannung, eine Frequenz oder irgendeine andere Größe, die vom Trimmen abhängt). Auch kann statt des vorstehend beschriebenen Systems, das drei Galva­ nometer und eine telezentrische Abtastlinse verwendet, ein nicht telezentrisches Abtastsystem mit zwei Galvanometern verwendet werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Trimmung eines elektrischen Bauelementes mittels Laser zur Erzielung einer gewünschten elektrischnen Kenngröße des Bauelementes, dadurch gekennzeichnet,
daß in ein Steuergerät der gewünschte Wert der Kenn­ größe des zu trimmenden Bauelementes (28) eingegeben wird;
daß der Anfangswert der Kenngröße des zu trimmenden Bauelementes (28) gemessen wird;
daß der Wert der Länge (CL) eines ersten Teilstückes (58) eines in das Bauelement (28) einzubringenden Schnit­ tes (56) anhand von Informationen bestimmt wird, die auf Schnitten von Teilstücken unterschiedlicher Längen in einem Bauelement beruhen, das dieselben Geometrie wie das zu trimmende Bauelement (28) hat;
daß in das zu trimmende Bauelement (28) unter Verwen­ dung des Lasers (12) das erste Teilstück (58) des Schnittes (56) eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Teilstück (58) Bestandteil eines U- Schnittes (56) ist, der aus dem besagten ersten Teil­ stück, einem zweiten Teilstück (60) und einem dritten Teilstück (62) besteht;
daß ein vorbestimmter Wert der Kenngröße bestimmt wird, bei dessen Erreichen das Schneiden des zweiten Teilstückes (60) zu beenden ist, um den gewünschten Wert der Kenn­ größe nach dem Schneiden des dritten Teilstückes (62) zu erreichen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (28) ein Widerstand ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngröße ein Widerstandswert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen Längeninformationen des Teilstücks als Funtktion eines Wertes PRETEST sind, der die prozentuale Differenz zwischen einem gemessenen Wert RRES der Kenn­ größe und dem gewünschten Wert DRES der Kenngröße ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längeninformation gleich A|PRETEST | ^B ist, wobei A und B Konstanten sind, die durch Schnitte bestimmt werden, welche ausgewählten PRETEST-Werten und erzwungenen DRES-Werten zugeordnet sind.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (28) ein Widerstand ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Wert der Kenngröße in Beziehung steht zu demjenigen Prozentanteil SRES, um den der Widerstandswert am Ende des zweiten Teilstücks (60) kleiner ist als der gewünschte Widerstandswert DRES.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß SRES gleich A′|PRETEST | ^B′ ist, wobei A′ und B′ Konstan­ ten sind, die durch Schnitte in Bauelementen bestimmt werden, welche die gleiche Geometrie wie das zu trimmen­ de Bauelemt (28) haben.

10. Verfahren zur Trimmung eines elektronischen Bauelementes mittels Laser zur Erzielung einer gewünschten elektrischen Kenngröße, dadurch gekennzeichnet,
daß in ein Steuergerät der gewünschte Wert der Kenn­ größe des zu trimmenden Bauelementes (28) eingegeben wird;
daß der Anfangswert der Kenngröße des zu trimmenden Bauelementes (28) gemessen wird;
daß ein vorbestimmter Wert der Kenngröße bestimmt wird, bei welchem ein Teilstück (60) eines Schnittes (56) zu beenden ist, um einen gewünschten Wert der Kenngröße zu erzielen;
daß das Teilstück (60) unter Messung der Kenngröße ge­ schnitten wird, bis der gemessene Wert gleich dem vorbe­ stimmten Wert ist und daß dann dieses Teilstück (60) beendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilstück (60) das zweite Teilstück eines U-Schnittes (56) ist, der aus einem ersten Teilstück (58), dem be­ sagten zweiten Teilstück (60) und einem dritten Teilstück (62) besteht, und daß das Bauelement ein Widerstand ist und daß der gewünschte Wert der Kenngröße der Widerstands­ wert bei Beendigung des dritten Teilstückes (62) ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Wert in Beziehung zu demjenigen Prozent­ anteil SRES steht, um den am Ende des zweiten Teilstücks (60) der Widerstandswert kleiner ist als der gewünschte Widerstandswert DRES.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß SRES gleich A′|PRETEST | ^B′ ist, wobei A′ und B′ Konstanten sind, die durch Schnitte in Bauelementen bestimmt werden, welche die gleiche Geometrie wie das zu trimmende Bauelement (28) haben.