DE9408512U1 - Teststation - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Teststation, insbesondere für einen eine Vielzahl von Schaltkreisen aufweisenden Halbleiter-Wafer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige auch als "Waferprober" üblicherweise bezeichnete Teststation wird in Forschungs- und Entwicklungsabteilungen und Qualitätssicherungsabteilungen in der Halbleiterindustrie eingesetzt, um. die auf dem Wafer angefertigten elektronischen Schaltkreise hinsichtlich der elektrischen Schaltungseigenschaften zu vermessen oder zu überprüfen. Der bekannte Waferprober umfaßt eine sogenannte Chuckanordnung, auf der der beispielsweise einen Durchmesser von 5 oder 6 Zoll besitzende Wafer mittels einer Vakuumansaugvorrichtung festgehalten und mit der die Schaltkreise tragenden Oberfläche nach oben zeigend abgestützt ist. Mittels am Randbereich der Chuckanordnung befindlicher Positioniereinrichtungen können Testsonden bzw. Meßspitzen, die jeweils auf einem mit der Positioniereinrichtung fest verbundenen Sondenarm abgestützt sind, in den drei Richtungen eines orthogonalen Koordinatensystems derart verfahren werden, daß jede Meßspitze auf eine vorbestimmte Stelle des Halbleiter-Wafers, z.B. an einen Kontaktanschluß einer auf der Oberseite des Halbleiter-Wafers angebrachten Schaltung gebracht werden kann. Die Kontaktstellen besitzen hierbei üblicherweise eine Flächenausdehnung von allenfalls wenigen um^, so daß an die Positionierung jeder Meßspitze an die Kontaktstelle entsprechende Positioniergenauigkeiten gestellt werden. Nach einer Grobjustierung des Wafers mittels einer X-, Y-, Z-Positioniereinrichtung, mit der die Chuckanordnung mit dem darauf befindlichen Wafer in den drei orthogonalen Koordinatenrichtungen grob verfahren werden kann, erfolgt die Feinjustierung der Meßspitze auf der Kontaktstelle manuell mittels Mikrometerschrauben zur Verstellung der Positioniereinrichtung unter gleichzeitiger

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Beobachtung der Kontaktstelle durch ein optisches Vergrößerungsinstrument wie beispielsweise ein Mikroskop. Hierbei ist für jede Verstellrichtung eine Mikrometerschraube vorgesehen, die per Hand zu bedienen ist. Üblicherweise ist eine Anzahl von vier solchen Positioniereinrichtungen mit jeweils drei Mikrometerschrauben vorgesehen, um vier Meßspitzen unabhängig voneinander auf dem Wafer justieren zu können, und vier Punktmessungen durchführen zu können (beispielsweise zwei Meßspitzen zum Anlegen einer Spannung und zwei Meßspitzen zur Messung eines Stromes). Üblicherweise ermöglichen derartige Mikrometerschrauben Verstellwege von etwa einigen zehn bis hundert um. Neben der umständlichen Handbarkeit liegt der Nachteil der bekannten vermittels Mikrometerschrauben verstellbarer Positioniereinrichtungen darin, daß jede Mikrometerschraube eine gewisse Länge besitzt und parallel zur Richtung, in der sie wirken, in den Raum ragen, so daß der Platz beispielsweise für Meßgeräte und dergleichen verstellt ist. Überhaupt besitzen die bekannten Waferprober eine mehr oder weniger offene Erscheinungsform mit vielen in den Raum ragenden Einzelteilen für die Verstellung der Meßspitzen, und sind für einen Einsatz für Reinräume, Vakuumräume und dergleichen ungeeignet.

Der Versuch, die Mikrometerschrauben an geeigneter Stelle derart einzubauen, daß sich eine geringere Bauhöhe ergibt, scheitert daran, daß die hierfür erforderlichen Umlenk-Steuerungen für die Übertragung der Drehbewegung der Mikrometerschrauben in eine Längsbewegung der Positioniereinrichtungen baulich kompliziert und aufwendig sind und im übrigen die Verfahrgenauigkeit nachteilig beeinflussen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Teststation, insbesondere für einen eine Vielzahl von Schaltkreisen aufweisenden Halbleiter-Wafer zur Verfügung zu stellen, der eine platzsparende und kompakte Bauart und insbesondere eine geringe Bauhöhe aufweist und ein ge-

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\ Nikolaus HSflschweiger, Gammelsdorf

schlossenes Erscheinungsbild bietet, so daß sie zum einen für den Einsatz in Reinräumen und Vakuumräumen und dergleichen geeignet ist und zum anderen die für die Untersuchung des Halbleiter-Wafers benötigten Meßgeräte und dergleichen in unmittelbarer Nachbarschaft auf einfache und platzsparende Weise in der Nähe der Teststation angeordnet werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß anstelle der üblicherweise verwendeten Mikrometerschrauben für jede Verstellung der Positioniereinrichtung in die X-, Y-, bzw. Z-Richtung jeweils ein X-, Y-, bzw. Z-Antriebsmotor vorgesehen ist, der an geeigneter Stelle an der Positioniereinrichtung angebracht ist. Die für die Umwandlung der Drehbeweung der Antriebsmotoren in eine Längsbewegung der Positioniereinrichtungen erforderlichen Umlenkmechanismen sind im Falle von Antriebsmotoren baulich wesentlich einfacher ausgestaltet und einzubauen, ohne daß ein erhöhter Platzbedarf hierfür benötigt wird. Zum Teil kann auf solche Umlenkmechanismen direkt verzichtet werden, beispielsweise für die Verstellung der Positioniereinrichtung in Y-Richtung, für die der Y-Antriebsmotor direkt auf den Y-Spindelantrieb wirkt. Auf diese Weise ergibt sich eine platzsparende und kompakte Bauweise mit vor allem geringer Bauhöhe, so daß trotz ausreichend großer Verfahrwege in X-, Y-, und Z-Richtung und ausreichender Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit der Positionierung eine insgesamt kompakte Bauweise der Teststation ermöglicht wird.

Bevorzugterweise können die auf den beiden Seiten der Teststation angeordneten Randbereiche, die die Positioniereinrichtungen aufnehmen, mittels einer Abdeckplatte abgedeckt werden, auf deren Oberseite weitere Zusatzgeräte z.B. Meßgeräte und dergleichen angebracht werden können. Bei einer

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beispielhaften Bauhöhe von weniger als 20 cm der gesamten Teststation befinden sich daher die Meßgeräte in unmittelbarer Nähe der Teststation und gewährleisten dadurch einerseits kurze Kabelverbindungen zu den Meßspitzen, andererseits eine bequemere Handhabung der Teststation.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung stellen die Antriebsmotoren Schrittmotoren dar, mit welchen ein kleinster theoretischer Verfahrweg von etwa 0,5 um erzielbar ist. Die Genauigkeit der Justierung der Positioniereinrichtung beträgt in jeder Richtung etwa + 1 um, die Wiederholgenauigkeit in jeder Richtung etwa ± 5 &mgr;&idiagr;&eegr;.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung steht jeder Schrittmotor für die X-, Y-, bzw. Z-Richtung mit einer zugehörenden X-, Y-, bzw. Z-Antriebseinrichtung in Antriebsverbindung. Die Antriebseinrichtung kann beispielsweise einen Spindeltrieb aufweisen, der einen entlang einer geradlinigen Bewegungsbahn abgestützten und geführten Schlitten antreibt, der mittels einer an dem Schlitten befestigten Spindelmutter mit einer vom Antriebsmotor angetriebenen, spielfrei gelagerten Antriebsspindel, angetrieben wird.

Hinsichtlich guter Justiergenauigkeit und Genauigkeit der Wiederholung der Messung ist es bevorzugt, wenn die Spindelmutter aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist.

Bei einer besonders kompakten und platzsparenden Bauweise ist der Y-Schlitten in Y-Führungen geführt, die auf der in der Teststation angebrachten Stützplatte angeordnet sind.

Der X-Schlitten wiederum ist in X-Führungen geführt, die auf dem Y-Schlitten angeordnet sind. Des weiteren ist der Z-Schlitten auf Z-Führungen geführt, die auf dem X-Schlitten angeordnet sind.

[File:ANM\HO4301 B1.doc] Beschreibung, 24.05.1994

Teststation

Nikolaus Höflschweiger, Gammelsdorf

Von besonderem Vorteil ist, daß die Stützplatte zusammen mit den Positioniereinrichtungen in der Teststation abnehmbar ist. Auf diese Weise läßt sich in kurzer Zeit und ohne nennenswerten Aufwand die Stützplatte samt Positioniereinrichtungen abnehmen und durch eine andere Stützplatte mit anderen Positioniereinrichtungen, etwa solche der herkömmlichen bekannten Art, ersetzen. Ebenso läßt sich etwa die Z-Antriebseinrichtung einer Positioniereinrichtung abnehmen und ohne große Montage- oder Einrichtaufwand austauschen.

Aufgrund der geschlossenen Bauweise kann die erfindungsgemäße Teststation nach einfachen Abdichtmaßnahmen zu einer Unterdruckkammer umfunktioniert werden. Desweiteren besteht die Möglichkeit, in Stickstoffatmosphäre, lichtgeschützt und unter EMV-Bedingungen zu arbeiten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Draufsicht in Gesamtansicht des Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 eine teilweise Schnittansicht des Ausführungsbeispiels;

Fig. 3 eine teilweise Draufsicht des Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 eine teilweise Seitenansicht des Ausführungsbeispiels.

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Bei der Draufsicht des Ausführungsbeispiels erkennt man gemäß Figur 1 die Teststation 1 für einen eine Vielzahl von (nicht näher dargestellten) Schaltkreisen aufweisenden Halbleiter-Wafer 2, der auf einer einen Wafertisch 3 aufweisenden Chuckanordnung {nicht näher dargestellt) gehalten und abgestützt ist. Es ist eine Anzahl von vier Positioniereinrichtungen 4, 5, 6, 7 vorgesehen, von denen jeweils zwei an den beiden Seiten der Teststation 1 auf einer als bodenseitiger Abschluß des Gehäuses 12 vor-gesehenen Stützplatte 13, 14 angeordnet sind. Mit Ausnahme spiegelsymmetrischer Unterschiede sind die Positionier-einrichtungen 4 bis 7 baulich gleich. Jede Positioniereinrichtung 4 bis 7 trägt auf der dem Wafer 2 zugewandten Seite einen an der Positioniereinrichtung befestigten Sondenarm 8, 9, 10, 11, der in an sich bekannter Weise am freien Ende eine Testsonde bzw. Meßspitze abstützt, die in Kontakt mit einer vorbestimmten Stelle auf der Oberfläche des Halbleiter-Wafers 2 zu bringen ist. Sämtliche elektrische Verbindungen, _ jetwa von der Meßspitze zum Meßeingang des (ebenfalls nicht näher dargestellten) Meßgeräts, sind in den Figuren nicht dargestellt.

In den Fig. 2 bis 4 ist die Positioniereinrichtung 7 in näheren Einzelheiten in Vorder-, Drauf-, und Seitenansicht dargestellt. Die Stützplatte 14 besitzt in Y-Richtung parallel zueinander und mit einem gewissen Abstand voneinander verlaufende .Führungsschienen 15 und 16, auf denen ein Y-Schlitten 17 gleitbeweglich gelagert ist. Zu diesem Zweck besitzt der Y-Schlitten 17 Gleitlager 18 und 19, in denen der Y-Schlitten 17 auf den Führungsschienen 15 und 16 geführt werden kann. Für den Antrieb des Y-Schlittens 17 in Y-Richtung ist eine Y-Antriebseinrichtung in Form eines Y-Spindeltriebs20 vorgesehen, der von einem Schrittmotor 21 angetrieben wird. Der Spindeltrieb 20 hat eine spielfrei gelagerte Antriebsspindel 22, die direkt mit der Motorachse des Schrittmotors 21 gekoppelt ist. Die Antriebsspindel 22 steht in spielfreiem Eingriff mit der Gewindeöffnung einer

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Spindelmutter 23 und treibt diese an, deren freies Ende fest mit dem Y-Schlitten 17 verbunden ist. Auf diese Weise wird die Drehbewegung des Schrittmotors 21 in eine geradlinige Längsbewegung des Schlittens 17 in Y-Richtung umgewandelt.

Bei der Darstellung in Draufsicht gemäß Fig. 1 befinden sich sämtliche Positioniereinrichtungen 4 bis 7 und sämtliche Schlitten in Mittenstellung, wobei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Längsbewegung des Y-Schlittens 17 von etwa + 45 mm vorgesehen ist.

Der Y-Schlitten 17 besitzt seinerzeit Führungsschienen 25 und 26, in denen ein X-Schlitten 24 parallel zur X-Richtung geführt werden kann. Für den Antrieb des X-Schlittens 24 in X-Richtung ist eine X-Antriebseinrichtung in Form eines X-Spindeltriebs 27 vorgesehen, der von einem Schrittmotor 28 angetrieben wird. Der Spindeltrieb 27 besitzt eine spielfrei gelagerte Antriebsspindel 29, die über einen Zahnriemenantrieb 30 in Antriebsverbindung mit dem Schrittmotor 28 steht. Die Antriebsspindel 29 ist sowohl in radialer, als auch axialer Richtung der Spindel spielfrei in den beiden Lagerteilen 41 und 42 gelagert, die unter Einspannung der Spindel gegeneinander verschraubt sind (sogenanntes Radiax-Lager). Sämtliche weiteren Spindel in der erfindungsgemäßen Teststation können auf diese Weise spielfrei gelagert sein. Die Antriebsspindel 29 steht in spielfreiem Eingriff mit der Gewindeöffnung einer Spindelmutter 31 aus Kunststoff und treibt diese an, deren Unterseite fest mit dem Y-Schlitten 17 verbunden ist. Auf diese Weise wird die Drehbewegung des Schrittmotors 28 in eine geradlinige Längsbewegung des Schlittens 24 in X-Richtung umgewandelt. Bei dem gemäß Fig. 3 in Mittenstellung dargestellten X-Schlitten 24 sind Verstellwege von etwa ± 25 mm vorgesehen.

Auf der dem Wafer zugewandten Seite besitzt der X-Schlitten 24 in Z-Richtung verlaufende und parallel zueinander ausge-

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Nikolaus Höfischweiger, Gammelsdorf

richtete Führungsschienen 32 und 33, in denen ein Z-Schlitten 34 parallel zur Z-Richtung geführt werden kann. Der Antrieb des Z-Schlittens 34 umfaßt eine Z-Antriebseinrichtung in Form eines Z-Spindeltriebs 35, der von einem Schrittmotor 36 angetrieben wird. Der Spindeltrieb 35 besitzt eine parallel zur Z-Richtung verlaufende Antriebsspindel 43, die über einen Zahnriemenantrieb 37 mit dem Schrittmotor 36 in Antriebsverbindung steht. Die Antriebsspindel 43 ist zwischen Lagervorspanndeckel 39 und 40 sowohl in radialer, als auch axialer Richtung der Spindel 43 spielfrei gelagert und steht in spielfreiem Eingriff mit der Gewindeöffnung einer Spindelmutter 38 aus Kunststoff und treibt diese an, deren alle Seiten fest mit dem X-Schlitten 24 verbunden ist. Auf diese Weise wird die Drehbewegung des Schrittmotors 36 in eine geradlinige Längsbewegung des Z-Schlittens 34 in Z-Richtung umgewandelt. Für den Z-Schlitten ist ein Verstellweg von etwa + 5 mm vorgesehen.

Bei vorgesehenen Verfahrwegen der Chuckanordnung mit dem Wafertisch von jeweils etwa ± 7 7 mm in X- und Y-Richtung und etwa 5 mm in Z-Richtung ergeben sich somit hinreichend große Verfahrwege, um sämtliche Kontaktstellen auf dem Wafer mit den Meßspitzen erreichen zu können. Die genannten Angaben für die Verfahrwege sind für die Messung von 6-Zoll-Wafern ausgelegt; selbstverständlich kann die Dimensionierung für größere Waferdurchmesser, etwa für 8-Zoll-Wafer, auf einfache Weise eingerichtet werden.

Sämtliche Schrittmotoren für jeden Fahrweg werden durch eine (nicht näher dargestellte) Steuerschaltung betätigt. Die Steuerschaltung kann so ausgelegt sein, daß die anzufahrenden Koordinaten der Kontaktstellen auf der Waferoberseite manuell durch eine Bedienungsperson eingegeben werden können, wobei sich in diesem Fall sämtliche Bedienelemente zur Programmierung der Steuerschaltung vorzugsweise an der Vorderseite der Teststation befinden, um ein bequemes und ermüdungsfreies Arbeiten zu ermöglichen. Auf der anderen

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Seite können die Steuerschaltungen auch so ausgelegt sein, daß eine vorbestimmte Auswahl oder sämtliche auf dem Wafer befindlichen Schaltkreise selbsttätig von den Positioniereinrichtungen angefahren werden, so daß in diesem Fall eine vollautomatische Vermessung oder Untersuchung des Wafers ermöglicht ist.

Claims (1)

10

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Schutzansprüche

Teststation, insbesondere für einen eine Vielzahl von Schaltkreisen aufweisenden Halbleiter-Wafer (2), mit einer einen Wafertisch (3) aufweisenden Chuckanordnung, auf dem der Wafer (2) gehalten und abgestützt ist, und mit zumindest einer Positioniereinrichtung (4; 5; 6; 7), die in X-, Y-, und Z-Richtung eines orthogonalen Koordinatensystems derart verfahrbar ist, daß eine auf einem auf der dem Wafer (2) zugewandten Seite der Positioniereinrichtung befestigten Sondenarm (8; 9; 10; 11) abgestützte Testsonde auf eine vorbestimmte Stelle auf dem Wafer positionierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegung der Positioniereinrichtung in die X-, Y-, bzw. Z-Richtung jeweils ein X-, bzw. Y-, bzw, Z-Antriebsmotor (21; 28; 36) zugeordnet ist.

20

Teststation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (21; 28; 36) ein Schrittmotor ist.

25

Teststation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder X-, Y-, bzw. Z-Antriebsmotor für die X-, Y-, bzw. Z-Richtung mit einer zugehörenden X-, Y-, bzw. Z-Antriebseinrichtung in Antriebsverbindung steht.

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35

Teststation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die X-, Y-, bzw. Z-Antriebseinrichtung einen vom zugehörenden X-, Y-, bzw. Z-Antriebsmotor angetriebenen X-, Y-, bzw. Z-Spindeltrieb (20; 27; 35) aufweist, der einen entlang einer geradlinigen Bewegungsbahn abgestützten und geführten und mittels einer Spindelmutter (23; 31; 38) mit einer vom Antriebsmotor angetriebenen Antriebsspindel (22;

[File:ANM\HO4301A1.doc] Ansprüche, 24.05.1994 .. .

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Nikolaus Höflschweiger, Gammelsdorf »I«.

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29) angetriebenen X-, Y-, bzw. Z-Schlitten (17; 24; 34) angetrieben ist.

5. Teststation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelmutter (23; 31;

38) aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist.

6. Teststation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vier Positioniereinrichtungen (4; 5; 6; 7) vorgesehen sind, die paarweise und symmetrisch zueinander auf den beiden Randbereichen der Teststation (1) angeordnet sind.

7. Teststation nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Y-Schlitten (17) auf in

der Teststation (1) angebrachten Stützplatte (13) angeordneten Y-Führungen (15; 16) geführt ist, und der X-Schlitten (24) in auf dem Y-Schlitten (17) angeordneten X-Führungen (25; 26) geführt ist.
20

8. Teststation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der X- bzw. Z-Antriebsmotor vermittels einem zugehörigen form- oder kraftschlüssigen Riemenantrieb (30; 37) mit dem X- bzw. Z-Spindeltrieb in Antriebsverbindung steht.

9. Teststation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützplatte (13) zusammen mit den Positioniereinrichtungen (4; 5; 6; 7) von der Teststation (1) abnehmbar ist.

10. Teststation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Positioniereinrichtungen aufnehmenden Randbereiche der Teststation (1) mittels einer Abdeckplatte abgedeckt sind und die Teststation eine Bauhöhe von weniger als 200 mm besitzt,

[File:ANM\HO4301 A1.doc] Ansprüche, 24.05.1994 Teststation

Nikolaus Höflschweiger, Gammelsdorf ^^^

gemessen von der Auflagefläche des Wafertisches (3) bis zur Oberkante der Abdeckplatte.