Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Prüfen von
elektronischen Vorrichtungen und insbesondere das Prüfen
von elektronischen Vorrichtungen mit leitfähigen Netzen.
Technisches Gebiet
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Bei vielen Vorrichtungen wie integrierten
Hybridschaltungen (HIC - hybrid integrated circuits) und
Leiterplatten wird eine Reihe von auf einem Substrat
hergestellten leitfähigen Netzen eingesetzt. Diese Netze
weisen Knoten auf, an denen eine Leitung von
Vorrichtungen wie integrierten Schaltungen angebracht ist. Der
Zweckdienlichkeit halber sind die Netze allgemein so
ausgelegt, daß die Knoten an Schnittpunkten eines
kartesischen Gitters positioniert sind. Wenn die
Vorrichtungen angebracht sind, werden die Netze miteinander
verbunden, um eine gewünschte Schaltung herzustellen.
Allgemein werden vor dem Anbringen, z.B. durch Anlöten
oder Anschweißen, der Vorrichtungen an den Netzen die
Netze überprüft, um den Durchgang in jedem Netz
sicherzustellen und um sicherzustellen, daß zwischen den Netzen
keine Kurzschlüsse bestehen. Dieses Prüfen ist
angebracht, da, wenn nach Anschließen der Vorrichtungen
Fehler gefunden werden, durch die Reparatur des Fehlers
oder das Verwerfen der vollständigen Schaltung bedeutend
höhere Kosten entstehen.
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Bei Netzen, in denen die Knoten auf einem Gitter
beabstandet sind, wird das Prüfen allgemein durch einen
"Nagelbett-"Prüfadaptor durchgeführt. In diesem Verfahren
wird ein Prüfadaptor benutzt, der eine Reihe von
vorstehenden Stiften aufweist, die räumlich mit den Knoten
der zu prüfenden Netze zusammentreffen. Die Stifte sind
so ausgerichtet, daß alle Knotenpunkte durch einen
entsprechenden Stift kontaktiert werden. Danach wird eine
Prüfeinrichtung zur Bestimmung, ob Durchgang innerhalb
der Netze und ob auch keine Kurzschlüsse zwischen den
Netzen bestehen, benutzt. Da alle Kontakte gleichzeitig
hergestellt werden, ist die "Nagelbett-"Prüfung relativ
schnell.
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Wenn jedoch der Abstand zwischen den Knoten enger
als 1250 um ist oder wenn die Knoten nicht regelmäßig
beabstandet sind, ist es schwierig, einen
"Nagelbett-"-Prüfadaptor herzustellen. Für solche Konfigurationen ist
die "Nagelbett-"Prüfung, wenn überhaupt, nur dann
wirtschaftlich, wenn eine Herstellung in sehr großen
Stückzahlen in Betracht gezogen wird. Für den Fall, daß ein
"Nagelbett-"Prüfgerät entweder nicht herstellbar oder
unrentabel ist, ist ein alternativer Weg, nämlich ein
System mit zwei Prüfköpfen, für die Prüfung vorgeschlagen
worden. Bei diesem System wird ein Prüfkopfüber typische
mechanische Hilfsmittel an einem Knoten positioniert, und
die übrigen Knoten im Netz werden der Reihe nach mit
einem zweiten Prüfkopf kontaktiert. Der Durchgang
zwischen Knoten wird typischerweise durch Widerstandsmessung
geprüft. Das Vorhandensein von Kurzschlüssen zwischen
Netzen wird ebenfalls geprüft, z.B. durch Messen der
Kapazität zwischen einem Einzelknoten des Netzes und
einer allen Netzen nahegelegenen gemeinsamen elektrischen
Ebene (siehe US-Patent 3 975 670 vom 17. August 1976, das
hiermit durch Bezugnahme für eine Beschreibung der
Kapazitätsprüfung aufgenommen wird). Der Vorgang wird auf
diese Weise von Netz zu Netz weitergeführt, bis die
gesamte Schaltung geprüft worden ist.
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Die Einrichtung zum Prüfen mit zwei Prüfköpfen ist
allgemein nicht so kostspielig wie ein
Nagelbett-Prüfgerät. Bei einer Schaltung mit einer großen Anzahl von
Netzen wird jedoch der Durchsatz durch jede bedeutende
Erhöhung der Meßzeit für jeden Knoten wesentlich
reduziert. Für Prüfeinrichtungen mit zwei Prüfköpfen sind
Meßzeiten von annähernd 3 pro Sekunde typisch. Über
schnellere gemittelte Meßzeiten als annähernd 100 msec
ist nicht berichtet worden. Schnellere Meßzeiten als 100
msec, vorzugsweise schneller als 70 msec, würden jedoch
die mit dem Prüfen verbundenen Kosten wesentlich
reduzieren. So hat das Prüfverfahren mit zwei Prüfköpfen
keine vollständig wünschenswerten Meßgeschwindigkeiten
ergeben.
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Im Schriftstück US-A-4 242 751 ist ein automatisches
Fehlersuchverfahren offenbart, bei dem die Bewegung eines
Prüfkopfes von einem Knoten zu einem anderen Knoten
während einer Meßreihe nicht durch das Messen von Werten
aller Knoten in einem der Netze vor dem Fortschreiten zum
Messen von Werten von Knoten in einem zweiten Netz
beschränkt wird.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
nach Anspruch 1 vorgesehen. Der Oberbegriff dieses
Patentanspruches 1 ist an IEEE Design & Test of
Computers, Band 2, Nr. 6, Dez. 1985, Seiten 44-49
angelehnt.
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Um an typischen Netzkonfigurationen schnellere
Meßzeiten als 100 msec in einem Prüfsystem mit zwei
Prüfköpfen mit annehmbarer Genauigkeit zu erzeugen, wird
ein sich von gebräuchlichen Verfahren wesentlich
unterscheidender Ansatz benötigt. Es hat sich herausgestellt,
daß Beschleunigung und Geschwindigkeit der Prüfköpfe
durch praktische Erwägungen begrenzt sind. Die Kosten
erhöhen sich deutlich mit höherer Prüfkopfgeschwindigkeit
und -beschleunigung, während zum Dämpfen der begleitenden
Erhöhung induzierter Schwingungen die mechanische
Integrität wesentlich gestärkt werden muß. So ist ein
einfaches Erhöhen der Prüfkopfgeschwindigkeit und
- beschleunigung keine Lösung zum Verbessern von
Meßzeiten.
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Zum Verringern der Meßzeit werden die Messungen in
einer Folge durchgeführt, die nicht auf der mit den
Netzen verbundenen Reihenfolge beruht. Die
netzorientierte Reihenfolge wird ignoriert und die
Prüfkopflaufentfernung wesentlich reduziert. Beispielsweise wird zum
Steuern der Bewegung der Prüfköpfe von einem Knoten zum
nächsten ungeachtet seines Netzes eine Annäherung an das
Problem des Handelsreisenden benutzt. Zusätzlich werden
die beiden durchzuführenden Messungen von Widerstand und
Kapazität nicht getrennt durchgeführt, sondern auf solche
Weise verzahnt, daß ebenfalls Bewegung reduziert wird. So
ist es möglich, die Widerstands- und Kapazitätsmessungen
auf solche Weise durchzuführen, daß die Laufentfernung
für die Prüfköpfe reduziert wird.
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Andere Faktoren sollten so gesteuert werden, daß die
Prüfkopflauf
zeit begrenzend wirkt. Da die Erfindung die
Durchschnittsentfernung, über die sich die Prüfköpfe
bewegen, wesentlich reduziert, wird die Zeit für solche
kürzeren Bewegungen durch die Prüfkopfbeschleunigung und
nicht durch die Höchstgeschwindigkeit dominiert. So ist
es wünschenswert, Prüfköpfe mit einer relativ hohen
Beschleunigung einzusetzen. Andere Faktoren, wie die für
die Kommunikation zwischen dem steuernden Rechner und den
Antrieben für die Prüfköpfe benötigte Zeit, sollten
eingeschränkt werden. Die Meßzeit und die Zeit zum
Bremsen und Absetzen am Meßpunkt sollten ebenfalls
begrenzt werden.
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Bei einer bestimmten Ausführungsform wird eine
Variation der Annäherung nach dem "myopischen"
Algorithmus an das Problem des Handelsreisenden zum Steuern
der Prüfkopfbewegung benutzt. Die Prüfköpfe werden in
X,Y-Richtung bewegt und das geprüfte Substrat oder die
Prüfköpfe werden in Z-Richtung bewegt. Kontakt wird durch
eine Kombination von X,Y-Bewegung zum Ausrichten der
Prüfköpfe über den Knoten und eine Bewegung in Z-Richtung
durch die Prüfköpfe oder das Substrat zur
Kontaktherstellung zwischen den Prüfköpfen und dem Substrat
hergestellt. Es wird eine X,Y-Translationseinrichtung
verwendet, die selbst keinen Mikroprozessor aufweist,
sondern statt dessen auf einen relativ schnellen Computer
wie den AT&T PC6300 zusammen mit der durch direkte
parallele Eingabe und Ausgabe durchgeführten schnellen
Kommunikation angewiesen ist. Auch werden
vorteilhafterweise Motoren mit einer Beschleunigung von 56 000
rad/sec² und einer Endgeschwindigkeit von 3 000 U/min
benutzt. Unter Benutzung einer Kombination dieser
Faktoren sind für typische integrierte Hybridschaltungen
Durchschnittsmeßzeiten, einschließlich Bewegung, von nur
60 msec erzielbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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FIG. 1 stellt einen Teil einer während der Ausübung
der Erfindung zu messenden Schaltung daß und
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FIG. 2 stellt für die Verwendung in der Erfindung
geeignete Prüfköpfe dar.
Detaillierte Beschreibung
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Wie schon besprochen wird in einer Ausführungsform
ein System mit zwei Prüfköpfen benutzt. Obwohl durch ein
System mit zwei Prüfköpfen Komplikationen bedeutend
reduziert werden, erfordert das in der Erfindung angewandte
Prüfverfahren nicht, daß die Anzahl von Prüfköpfen auf
zwei beschränkt sein muß. Die Prüfköpfe sollten jedoch so
gesteuert sein, daß die Bewegung zwischen Knoten von
einer Messung zur nächsten zur Begrenzung der gesamten
durchlaufenen Entfernung ungeachtet des Netzes, in dem
die Messung durchgeführt wird und (vorzugsweise)
ungeachtet der Messungsart, z.B. Widerstand oder Kapazität,
durchgeführt wird. Beispielsweise besteht ein Weg zur
Reduzierung der Messungsentfernung darin, die Annäherung
nach dem "myopischen" Algorithmus des Verfahrens des
Handelsreisenden zu verwenden. Bei dieser Annäherung wird
die nächste Menge von Prüfkopfpositionen so gewählt, daß
die erforderliche Translation die Bewegung mit der
geringsten Gesamtentfernung von den vorherigen
Prüfkopfpositionen erfordert. Die Annäherung ist dahingehend
eingeschränkt, daß Bewegungen benutzt werden, die
sicherstellen, daß die Prüfköpfe nicht zusammenstoßen und daß
sichergestellt wird, daß alle gewünschten Messungen
durchgeführt werden. Zusätzlich werden auch
Widerstands- und Kapazitätsmessungen in einer Reihenfolge
durchgeführt, mit der Bewegung ungeachtet des gemessenen Netzes
begrenzt wird.
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Beispielhaft für eine vorteilhafte Folge ist die mit
einem Teil einer typischen in FIG. 1 gezeigten Schaltung
verbundene. Die auf der Annäherung des myopischen
Algorithmus basierende Reihenfolge der Messungen wird unter
Bezugnahme auf die numerierten Knoten gezeigt. Angenommen
die Prüfköpfe beginnen bei Knoten 3 und 4. Würden
Widerstandsmessungen allein durchgeführt, würde der myopische
Algorithmus fortschreiten, indem er als nächstes mit
Prüfköpfen bei 6 und 7 gefolgt von 3 und 5 gefolgt von 1
und 2 messen würde. Es ist zu bemerken, daß diese
Messungen nicht so durchgeführt werden, daß vor dem
Fortschreiten zu einem anderen Netz ein Netz erst beendet
wird. (Aus lehrtechnischen Gründen wird das Einschließen
von Kapazitätsmessungen erst später besprochen). Die
Bewegungen werden vorzugsweise nicht im Verlauf der
Messung bestimmt, da dieser Vorgang typischerweise
unannehmbar zeitaufwendig ist. Im allgemeinen wird für
eine bestimmte zu prüfende Vorrichtung die Bewegungsfolge
bestimmt und das Prüfgerät vor dem Prüfen zur
Durchführung dieser Abfolge programmiert.
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Die Art des eingesetzten Prüfkopfes ist nicht
entscheidend. Beispielsweise wird ein Prüfkopf wie der
von Rucker & Kolls hergestellte nutzbringend eingesetzt,
bei dem der Arm des Prüfkopfes 20 in FIG. 2 im
wesentlichen parallel zur Substratoberfläche liegt und
sich der Kontaktpunkt 21 senkrecht vom Arm erstreckt. Ein
Vorteil dieser Kontaktkonfiguration besteht darin, daß
sie Messungen an Kontaktflächen mit engen Mittenabständen
erleichtert. Im allgemeinen ist das im Kontakt benutzte
Material Wolfram, Beryllium-Kupfer oder Palladium. Diese
Materialien werden so gewählt, daß der
Übergangswiderstand nicht übermäßig ist und die mechanische Integrität
aufrechterhalten wird. Das bestimmte Verfahren zum
Bewegen des Arms ist nicht entscheidend. Beispielsweise
sind im Handel verfügbare Translationsvorrichtungen wie
Aerotech ATS406 von Nutzen. Durch Anwendung der Erfindung
ist die Durchschnitts-Bewegungsentfernung allgemein kurz
genug, daß für die meisten Bewegungen die
Translationszeit statt durch die Prüfkopf-Höchstgeschwindigkeit durch
die Prüfkopfbeschleunigung begrenzt ist. Die
Höchstgeschwindigkeit sollte relativ zur Entfernung der typischen
Bewegung nicht übermäßig niedrig sein. So ist es
wünschenswert, daß die Translationsvorrichtung eine
Höchstgeschwindigkeit von mindestens 100 mm/sec für
typische Bewegungen von 1,5 bis 5,0 mm aufweist (als
Höchstgeschwindigkeit wird die von einer der Achsen
erreichte Höchstgeschwindigkeit erachtet). Für diese
Höchstgeschwindigkeiten und für typische
Bewegungsentfernungen erzeugen Beschleunigungen im Bereich von 5 m/s²
bis 15 m/s² wünschenswerte Ergebnisse. Die Durchschnitts-
Bewegungsentfernung verändert sich mit der Art der
geprüften Vorrichtung. Typische Bewegungsentfernungen
sind 3,0 mm für integrierte Hybridschaltungen, 1,5mm für
fortgeschrittene Großgehäuse und 5,0 mm für Leiterplatten
(obwohl schnellere Beschleunigungen als 15 m/s² nicht
ausgeschlossen sind, neigen sie dazu, ungünstige
mechanische Spannungen an den Geräten zu erzeugen).
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Um unnötige Reibung zwischen-dem Prüfkopf und den
Knoten zu vermeiden, ist es wünschenswert, die Prüfköpfe
durch X,Y-Bewegungen oberhalb des Knotens zu
positionieren und die Z-Bewegung der Plattform, auf der das
geprüfte Substrat ruht, zur Kontaktherstellung zwischen den
positionierten Prüfköpfen und den Knoten einzusetzen.
Obwohl diese Konfiguration sich als vorteilhaft erwiesen
hat, sind andere Konfigurationen möglich. Beispielsweise
ist es möglich, eine stillstehende Plattform und sich in
Z-Richtung bewegende Prüfköpfe einzusetzen. Es ist
wünschenswert, daß die Bewegung der Prüfköpfe schnell
genug angehalten werden kann, daß diese nicht an dem zu
kontaktierenden Knoten vorbeifahren. Bei großen Knoten,
d.h. größer als die typischerweise in Leiterplatten
angetroffenen 500 um, ist das Vorbeifahren nicht von
besonderer Bedeutung. Bei so kleinen Knotengrößen wie
100 um, die in fortgeschrittenen Großgehäusen angetroffen
werden, sollten Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um
die entsprechende Anhaltegenauigkeit zu erreichen.
Beispielsweise wird diese Anhaltegenauigkeit durch
typische Mittel wie den Einsatz von Regelschleifen-
Gleichstromservomotoren oder
Steuerschleifen-Schrittmotoren mit Feingewinde-Verstellschrauben erreicht.
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Nach dem Positionieren der Prüfköpfe werden
Widerstandsmessungen typischerweise mit
Konstantspannungs- oder Konstantstromverfahren durchgeführt. Siehe
Principles of Electronic Instrumentation, von James
Difenderfer, W.B. Saunders Co., Philadelphia, PA, Seiten
110-113 (1972), wo diese Meßverfahren beschrieben sind.
Für solche Messungen wird eine relativ herkömmliche
Prüfeinrichtung benutzt. Kapazitätsmessungen werden auf
ähnliche Weise durch Positionieren eines Prüfkopfes an
einem Knoten eines Netzes und nachfolgendes Entfernen des
zweiten Prüfkopfes aus dem Kontakt mit dem Substrat
durchgeführt. Diese Abtrennung eines Prüfkopfes vom
Kontakt ist notwendig, da der zweite Prüfkopf dem Netz
Kapazität hinzufügt. Die Kapazitätsmessung wird in einer
Ausführungsform wie in US-Patent 3 975 670 beschrieben
durchgeführt. In einer Ausführungsform wird als
Mattenebene zur Durchführung der Messung eine elektrisch
leitfähige Plattform zum Halten der Vorrichtung eingesetzt.
Obwohl es zweckdienlich ist, einen Prüfkopf, wenn er
während der Kapazitätsmessung zu entfernen ist, über den
Substratumfang hinaus zu verlegen, ist dieses Hilfsmittel
nicht erforderlich. Es ist in der Tat möglich, den
Prüfkopf so zu bewegen, daß er sich nach Durchführung der
Kapazitätsmessung an einer Stelle befindet, die ein
schnelles Positionieren am nächsten zu prüfenden Knoten
fördert.
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Wie schon für viele Knotenkonfigurationen besprochen
wird die Meßgeschwindigkeit weiterhin durch Verschachteln
von Kapazitäts- und Widerstandsmessung verbessert. Das
Ziel ist wiederum die Verringerung der
Bewegungsentfernung. So besteht in dem in FIG. 1 dargestellten Beispiel
eine vorteilhafte Abfolge aus: Beginnen mit den
Prüfköpfen auf Knoten 3 und 4 und Widerstandsmessen; Prüfkopf
auf Knoten 3 anheben und Kapazitätsmessung durchführen;
Prüfköpfe zu Knoten 6 und 7 bewegen und eine
Widerstandsmessung durchführen; Prüfkopf auf Knoten 6 anheben und
eine Kapazitätsmessung durchführen; die Prüfköpfe zu
Knoten 3 und 5 bewegen und eine Widerstandsmessung
durchführen; die Prüfköpfe zu Knoten 1 und 2 bewegen und
eine Widerstandsmessung durchführen; den Prüfkopf auf
Knoten 1 anheben und eine Kapazitätsmessung durchführen.
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Außer der Prüfkopfbewegung sollten andere zur
Meßzeit beitragende Faktoren begrenzt werden.
Insbesondere sollte die Gesamtsumme der zusätzlichen zur
Meßzeit beitragenden Faktoren, gemittelt über das Prüfen
der gesamten Schaltung, weniger als 25% von (tav-SD)
betragen, wobei tav die Zeit zur Durchführung einer
Bewegung, gemittelt über die Prüfung der gesamten
Schaltung, ist und SD eine Standardabweichung der
Mannigfaltigkeit
von Bewegungszeiten ist. Wesentliche
Beitragsfaktoren zur Nichtbewegungs-meßzeit sind u.a. die Zeit
zur Übermittlung von Bewegungsbefehlen zum Prüfkopf, die
Zeit zur Durchführung der Messung und die
Prüfkopfberuhigungszeit. Hinsichtlich des letzteren Faktors sollte wie
schon besprochen der Prüfkopf den Knoten nicht wesentlich
überfahren. Im allgemeinen sollte die Meßzeit für
Widerstandsmessungen unter 5 ms und für Kapazitätsmessungen
unter 15 ms liegen. Solche Meßzeiten sind durch Mittel
wie die schon beschriebenen Meßverfahren mit direkter
paralleler Eingabe und Ausgabe zwischen der
Zentraleinheit und der gesamten Meßelektronik erreichbar.
Schnellübermittlung von Anweisungen zur
Prüfkopftranslationsvorrichtung wird vorteilhafterweise durch Benutzung einer von
der Prüfkopftranslationsvorrichtung getrennten Steuerung
erreicht. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft
herausgestellt, einen Prüfkopf, der auf Digitalsignale
reagiert, und ein getrenntes Mittel, z.B. einen Computer,
zur Bereitstellung dieser Signale zu verwenden. Schnelle
Kommunikation zwischen dem Computer und der
Bewegungssteuerung wird vorteilhafterweise durch direkte parallele
Eingabe und Ausgabe mit Quittungsbetrieb bereitgestellt.
Im allgemeinen sind einschließlich jeder
Verarbeitungszeit an der Translationsvorrichtung Zeiten von weniger
als 2 ms für die Übermittlung eines vollständigen
Bewegungsbefehls für zwei Prüfköpfe zwischen dem Rechner
und der Translationsvorrichtung wünschenswert.
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Obwohl die schon beschriebenen Messungen
ausgezeichnete Ergebnisse liefern, werden diese Ergebnisse
durch manche zusätzlichen Ausführungsformen noch weiter
verbessert. Für die Kapazitätsmessungen müssen annehmbare
Werte gesetzt werden. Wenn diese Werte überschritten
werden, wird das geprüfte Substrat entweder repariert
oder verworfen. Die Aufstellung dieser Werte muß unter
Bezugnahme auf die Genauigkeit der Messung getroffen
werden. Bei vorigen Meßanordnungen wird typischerweise
ein den Kapazitätserwartungswert umfassender Bereich als
annehmbar gewählt. Wenn dieser Bereich groß ist, ist es
oft schwierig, beide Netze eines Paares kurzgeschlossener
Netze zu identifizieren. Wenn der Bereich relativ klein
ist, führen die Unterschiede der Stärke der
dielektrischen Schicht und der Netto-Metallinienbreite bei
Vorrichtungen wie HIC oft zu Messungsabweichungen, die
diesen relativ kleinen Bereich beträchtlich übersteigen.
Wenn jedoch alle Meßwerte sich aufgrund eines
entsprechenden Unterschiedes der Stärke der dielektrischen
Schicht oder der Metallinienbreite proportional vom
Erwartungswert unterscheiden, kann die Schaltung sehr
wohl annehmbar sein, obwohl sie nicht das aufgestellte
Kriterium erfüllt.
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Um diese Möglichkeit zu vermeiden, ist es bei jedem
zu prüfenden Substrat vorteilhaft, an einer begrenzten
Anzahl von Netzen Versuchskapazitätsmessungen
durchzuführen. Diese Versuchsmessungen werden dann mit den
Erwartungswerten für die Netze verglichen und durch
Berechnen des Verhältnisses des Median-Meßwertes zum
Erwartungswert wird ein Skalierfaktor bestimmt. Dieser
Skalierfaktor wird bei der Messung der gesamten Schaltung
verwendet, indem der (gewünschte) Referenzwert mit dem
Skalierfaktor multipliziert und diese justierte Zahl dann
mit dem Meßwert verglichen wird. Durch Verwendung eines
Skalierfaktors werden die Inkonsistenzen von Substrat zu
Substrat im Gegensatz zu Inkonsistenzen von Knoten zu
Knoten durch Mittelung verringert und sehr viel weniger
annehmbare Schaltungen werden fälschlicherweise
ausgestoßen.
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Es ist möglich, das Netzmuster einer bestimmten
Schaltung unter Verwendung der Kapazität jedes Knotens
als Führung zu bestimmen. Es wird die Kapazität jedes
Knotens gemessen. Der Widerstand wird zwischen
Knotenpaaren mit gleichartigen Kapazitäten gemessen. (Als
gleichartig werden im allgemeinen Kapazitäten angesehen,
die eine Gruppe bilden, wobei alle Kapazitäten innerhalb
der Gruppe eine Differenz- von nicht mehr als einem
angegebenen Prozentsatz zuzüglich eines Absolutwertes,
typisch 3% und 0,2 pF, zu mindestens einem anderen
Gruppenmitglied aufweisen.) Es werden nicht alle
Knotenpaare gemessen. Im Kapazitätswert am engsten benachbarte
Paare werden zuerst auf Widerstand gemessen, und wie oben
beschrieben wird beispielsweise durch den myopischen
Algorithmus die entsprechende Bewegung zwischen Paaren
bestimmt. Es werden viele Durchläufe ausgeführt, wobei
jedes Mal Knoten mit weniger eng benachbarten
Kapazitätswerten geprüft werden. Sobald ein mit einem anderen
Knoten verbundener Knoten gefunden wird, braucht dieser
Knoten bei nachfolgenden Durchläufen nicht wieder geprüft
zu werden. Während jedes Durchlaufs wird durch Berechnen
bei sich bewegenden Prüfköpfen der myopische Algorithmus
angelegt. Der Vorgang ist vollendet, wenn alle Knoten in
einer Gruppe, d.h. einem Netz, plaziert sind. Folgende
Beispiele sind beispielhaft für die Erfindung.
Beispiel 1
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Die Vorrichtung enthielt eine Anzahl von
Bestandteilen. Auf einem Stand war eine
Vakuumaufspannvorrichtung zum Halten des zu messenden Substrats befestigt.
Dieser Stand besaß Mittel zur Translation in der Z-
Richtung. Die Translation bedeutete eine Bewegung von
0,75 mm in 20 Millisekunden. Translation in sowohl der
positiven als auch der negativen Z-Richtung wurde unter
Verwendung eines positiv wirkenden Nockens durchgeführt.
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Zwei X,Y-Koordinatentische waren ebenfalls
vorgesehen. Diese Tische waren auf einer gemeinsamen
Stahlplatte mit einer Stärke von 2,54 cm (einem Zoll) auf
gegenüberliegenden Seiten des Vakuumauf
spannvorrichtungsstandes befestigt. Der Vakuumauf
spannvorrichtungsstand und die X,Y-Koordinatentische waren alle
so ausgerichtet, daß sie sich auf derselben X,Y-Ebene
befanden. Die Koordinatentische waren so vom Stand
beabstandet, daß der letztendlich auf jedem Tisch
befestigte Prüfkopf über den Stand zum fernen Ende des an
der Vakuumauf spannvorrichtung befestigten Substrats
reichen konnte. Die X,Y-Translationsrichtungen jedes
Tisches waren so ausgerichtet, daß die beiden
X-Richtungen parallel lagen und daß die X-Richtungen senkrecht
zu den Y-Richtungen lagen. Die Koordinatentische waren
für eine Höchstgeschwindigkeit von ca. 250 mm/s und die
Höchstbeschleunigung von ca. 6 m/s² ausgewählt. Die
Translationsvorrichtungen wurden durch
Regelschleifen-Gleichstromservomotoren mit Drehwinkelgebern angetrieben.
Ein Prüfkopf nach FIG. 2 war auf jedem Koordinatentisch
befestigt und wie oben beschrieben einseitig eingespannt,
so daß er das ferne Ende des gemessenen Substrats
erreichen konnte. Am Ende jedes Prüfkopfes war eine
Wolframnadel mit der in FIG. 2 gezeigten Konfiguration
befestigt. Die Spitze dieser Nadel hatte einen
Durchmesser von annähernd 50 Mikrometern. Für jeden Prüfkopf
waren Mikromanipulatoren vorgesehen, so daß die
Prüfkopfspitzen auf derselben X,Y-Ebene positioniert werden
konnten.
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Für Ausrichtungszwecke waren zwei Videomikroskope
zusammen mit den entsprechenden Videokameras und
Videoanzeigen vorgesehen. Diese Videomikroskope waren auf einem
gewöhnlichen Koordinatentisch befestigt, der sich von der
während des Betriebes vom Betreiber eingenommenen
Position aus am fernen Ende des Standes befand. Die Kameras
waren einseitig über dem Stand eingespannt, waren in
einer gemeinsamen X-Richtung befestigt und waren mit
Mitteln zur Einstellung der Trennung der Kameras in
dieser Richtung versehen (durch diese Anordnung war die
gleichzeitige Betrachtung von zwei
Ausrichtungsmarkierungen möglich).
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Der Nocken im Stand wurde durch einen
Gleichstromschrittmotor mit Grenzmarkierungen für Stellungen
"oben" und "unten" gesteuert. Der Motor war wiederum
durch eine fest zugeordnete Leiterplatte gesteuert, die
die entsprechende Auf- und Abpositionierung überwacht.
Für jeden Koordinatentisch war eine Servosteuerung
vorgesehen. Diese Steuerung enthielt einen linearen
Verstärker, eine Indexiervorrichtung, die digitale
Eingangssignale in für den linearen Verstärker geeignete Signale
umsetzte, Kodierschaltung, Grenzschaltung und
Nullstellungsschaltung. Der Drehwinkelgeber mit seiner
Elektronik stellte eine Mindestschrittgröße von 10
Mikrometern bereit. Die Steuerung enthielt Schaltungen
zur Steuerung der Höchstgeschwindigkeit und
Beschleunigung des Prüfkopfes des Koordinatentisches und
damit wiederum des Prüfkopfes. Die Steuerungen empfingen
Eingaben von einem PC6300 Personal Computer von AT&T.
Dieser Computer enthielt eine mit dem E/A-Bus des
Computers verbundene Schnittstellenkarte, die eine schnelle
Verbindung zwischen der X,Y-Steuerung und dem Computer
bereitstellte. Der Computer war auch über eine getrennte
Schnittstelle mit der Z-Translationssteuerung des Standes
verbunden (mit diesem Signal vom Computer wurde der Stand
angewiesen, sich nach oben oder unten zu bewegen, aber
die Entfernung wurde in der Z-Steuerung gesteuert). Die
Computerschaltung war so programmiert, daß eine X,Y-
Bewegung nicht gleichzeitig mit einer Z-Bewegung auftrat.
(Auch ist eine Verriegelung vorgesehen, so daß keine X,Y-
Bewegung möglich ist, wenn sich über dem Prüfkopfbereich
kein Schutzelement befindet.)
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Der Stand war elektrisch so aufgebaut, daß er durch
Betreiben eines Relais mit der Meßsystemerde verbunden
oder elektrisch isoliert belassen werden konnte. Ein
Prüfkopf war mit der Meßsystemerde verbunden und der
andere Prüfkopf war mit einer zur Durchführung von
Widerstands- und Kapazitätsmessungen zur Meßsystemerde
geeigneten Schaltung verbunden. Die Meßschaltung war
herkömmlich und überwachte den Widerstand durch Messen
von Strom und Spannung sowie Überwachung von Kapazität
durch Messung der RC-Zeitkonstanten (die Meßschaltung für
die Kapazität war an den Computer angeschlossen, der die
eigentliche Zeitbestimmung durchführt). Der Analogteil
der Meßschaltung befand sich in der Nähe der Prüfköpfe,
um Rauschen zu verhindern und Streukapazitäten zu
verringern. Dieser Analogteil der Schaltung war mit einer
Leiterplatte im Computer verbunden, die einen Analog/-
Digitalwandler enthält und auch Mittel zur Bereitstellung
der für Kapazitätsmessungen notwendigen Zeitmessung
enthält. Es waren Schaltungen vorgesehen, die eine
Kapazitätsauflösung von 0,02 pF und eine
Widerstandsauflösung von 0,1 Ohm ergaben.
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Der Computer besitzt die Möglichkeit zur
fortlaufenden Überwachung der Meßschaltungen während der X,Y-
Bewegung. Wenn ein elektrisches Signal erkannt wurde, das
einen mechanischen Kontakt zwischen den Prüfköpfen
anzeigte, wurde jede Bewegung vom Computer beendet. Der
Computer führt über die beschriebenen Schaltungen die
Steuerungen zur Durchführung der entsprechenden Bewegung
an und die Steuerungen wiederum senden dem Computer ein
Signal zurück, das anzeigt, daß diese Bewegung
durchgeführt worden ist.
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Es war Software vorgesehen, die die Kommunikation
zwischen einem Endgerät und der Elektronik zuließ. Diese
Kommunikation war so bereitgestellt, daß Befehle in
englischer Sprache in die gewünschten Elektronikfolgen
umgesetzt wurden. Unter Verwendung dieser Sprachsoftware
wurde eine Liste von Prüfpunkt-Koordinatenstellen für das
zu prüfende Substrat in den Computer eingeladen.
Zusätzlich zu dieser Liste wurde auch eine Bewegungsfolge
zwischen diesen Prüfpunkten und eine Folge von Messungen
an den Prüfpunkten eingeladen. Auch war Software zur
Durchführung von Echtzeitverarbeitung vorgesehen. Im
Betrieb wurde vor Beginn der Messung die Stelle von zwei
Ausrichtungspositionen unter Verwendung des oben
beschriebenen Kamerasystems bestimmt. Diese Bestimmung war
notwendig, um die durch Abweichung der Substratplazierung
auf dem Stand durch den Bediener erforderlich gemachte
Korrektur zu ermöglichen. Messung der Ausrichtungsstellen
ermöglichte die Korrektur dieser Variablen an
Prüfpunktstellen. Vor jeder Prüfkopfbewegung wurde die
Prüfpunktstelle durch die durch die Ausrichtungsmessung angezeigte
Einstellung vom Computer korrigiert. Zusätzlich wurde vom
Computer der bei der entstehenden Bewegung zu verfolgende
Weg überprüft, um sicherzustellen, daß kein Zusammenstoß
zwischen Prüfköpfen eintrat, und wenn ein solcher
Zusammenstoß angezeigt war, wurde die Bewegung vom Computer
umgeleitet, um diese Möglichkeit zu vermeiden. (Obwohl
diese Prüfung bei genauer Prüffolge unnötig ist, bot sie
trotzdem eine zusätzliche Überprüfungsmöglichkeit zur
Vermeidung von menschlichen Fehlern.)
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Die in den Computer eingeladene Erst folge von
Prüfungen war so gewählt, daß Prüfkopfbewegung, durch
Verwendung einer Variation des myopischen Algorithmus
reduziert wurde. Obwohl dieser Algorithmus
zweckdienlicherweise auf einem Computer angewandt wurde, der mit
dem System nicht elektrisch verbunden war, war es - wenn
gewünscht - möglich, das Prüfsystem selbst vor Einleitung
von Messungen eine entsprechende Folge bestimmen zu
lassen. Software war auch zum die Aufzeichnung und
Anzeige der Prüfungsergebnisse, zum Skalieren der
Kapazitätsmessungen und zum Anlegen von gewünschten
Toleranzen an die elektrischen Messungen vorgesehen.
Zusätzlich war Software zur Bestimmung der
Netzverbindungsmöglichkeit vorgesehen, wenn das Netzmuster nicht
vorher bekannt war. Software war vorgesehen, so daß bei
Auftreten einer Prüfmessung, die einen Substratausfall
anzeigte, eine ernente Prüfung durchgeführt wurde, um
sicherzustellen, daß die Quelle dieses Ausfalls das
Substrat selbst anstatt der Messung war. Um
sicherzustellen, daß das Prüfen durch den Rechenvorgang nicht
verlangsamt wurde, wurde, womöglich, die
Computerverarbeitung so programmiert, daß sie während der Zeiten, in
denen gleichzeitig Prüfkopfbewegung stattfand,
durchgeführt wurde.
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Im Betrieb wurde die Prüffolge vom Bediener
eingeleitet. Diese Einleitung erforderte nur das interne Laden
der benötigten Prüfbewegungen, wenn vorher die
zugehörigen Bewegungen für ein bestimmtes zu prüfendes
Substrat geladen worden waren. Bei einer neuen
Substratnetzkonfiguration gehörte zur Einleitung das externe
Laden der entsprechenden Bewegungs- und Meßfolgen. Das zu
prüfende Substrat wurde auf dem Stand plaziert und die
Vakuumauf spannvorrichtung aktiviert. Für
Buchhaltungszwecke wurden dann vom Bediener Daten eingegeben,
die das bestimmte geprüfte Substrat kennzeichneten.
Danach wurden vom Bediener die Cursortasten an der
Tastatur zum Ausrichten jedes Prüfkopfes über seinen
entsprechenden Ausrichtungsmarkierungen benutzt. Zur
Sicherstellung der Genauigkeit wurden beide Prüfköpfe
nacheinander über der ersten Ausrichtungsmarkierung
ausgerichtet und dann wurde einer der beiden Prüfköpfe
über der zweiten Ausrichtungsmarkierung ausgerichtet.
Danach wurde vom Bediener die Messung eingeleitet. Nach
vollendeter Messung wurden vom Computer die Ergebnisse
dieser Messung auf der Videoanzeige angezeigt.
Beispiel 2
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Es kamen die beispielhafte Einrichtung und Prozedur
des Beispiels 1 zur Anwendung, nur wurde die Z-Bewegung
nicht vom Stand, sondern statt dessen durch Bewegung der
Prüfköpfe bereitgestellt. Jede Prüfkopfbefestigung
enthielt eine Zahnstangen-Z-Translationsvorrichtung, in
der ein Regelschleifen-Gleichstrommotor mit
Drehwinkelgeber verwendet wurde. Anstatt einer Standsteuerung wurde
eine Mikroprozessor-Servosteuerung benutzt und diese
Steuerung war direkt mit dem E/A-Bus des Computers
verbunden. Z-Ausrichtung der Prüfköpfe wurde selbsttätig
durch Bewegung der Prüfköpfe so durchgeführt, daß sie
beide eine elektrisch leitfähige Koordinatenebene
berühren. Durch Z-Translationsbewegung erzeugtes Drehmoment
wurde überwacht, um sicherzustellen, daß ein Hindernis,
wie beispielsweise ein nicht leitfähiger Teil eines
Substrats, nicht von den Prüfköpfen kontaktiert worden
war. Dieses System wies eine etwas größere Flexibilität
als das im Beispiel 1 beschriebene auf, da
Kapazitätsmessungen möglich waren, wenn sich ein Prüfkopf oben und
ein Prüfkopf unten befand. Das System bot auch die
Möglichkeit des Prüfens von Knoten, die sich nicht auf
derselben räumlichen Koordinatenebene befanden.