TWI418819B - 探測系統之改良式定位方法及設備 - Google Patents

Description

探測系統之改良式定位方法及設備

本發明為關於用於探測裝置的系統，而該裝置係具有複數個設計為與如半導體元件之目標產生電性接觸之位置。更詳而言之，本發明為關於用以精確地達到及維持將探針卡相對於積體電路元件之結合墊而定位的方法及設備。

積體電路經常製造在如矽晶圓之半導體基材上。矽晶圓典型為矽的薄圓板，其直徑為150或200或300公釐且大約為0.64公釐厚。典型地，單一晶圓具有多個元件，其係為形成在柵格圖案上之積體電路。每一元件係由多層電路及大量外部結合墊組成。結合墊通常為由鋁製成之小部位，一般為3平方密爾(mil)，且其最終係作為元件與接腳導線(pin lead)的連接。鋁本身會形成氧化鋁之薄的非導電層，因此在達到良好電性接觸之前必須將其消除或破壞。

由於元件的封裝是非常高成本之製程，因此需要在封裝之前先測試元件，以避免將具缺點之元件進行封裝。測試過程包括建立裝置(稱之為探針卡)與晶圓之間的電性接觸，且接著在晶圓表面上之元件上進行一系列之測試。探針卡具有大量的電性接觸接腳，其係替代封裝裝置的標準接腳及導線(wire lead)。晶圓相對於探針卡而定位，使得在探針卡上的接觸接腳與晶圓的結合墊接觸，且特定測試機在晶圓元件上進行一系列的電性測試。一特定之機器，稱為晶圓探測機(wafer prober)為用於使晶圓相對於探針卡而定位。

晶圓探測機可視為三維定位機。晶圓探測(wafer probing)的主要目的為精確地使晶圓相對於探針卡而定位，以在某種程度上確保晶圓元件的結合墊與探針卡的探針尖端呈現良好的電性接觸，而在裁切及封裝之前適當地測試該元件。晶圓探測係需要高度精確性，因為在晶圓上元件的結合墊呈現非常小的接觸面積(footprint)，且如果探針卡接腳與結合墊以外的區域接觸，結果可能破壞晶圓的外表面層，其通常造成損壞之元件。

良好的探測需要三個主要步驟一晶圓對準、厚度分析及探針至晶圓對準－而習知技術中僅有探針至晶圓對準還未自動化。然而，近期在半導體科技的進展已驅使對自動化的需求。在改良效能與在每一元件中包括更多特徵結構(feature)的努力成果中，係於結合墊下方製造靈敏的元件。以接腳精準定位晶圓基板亦使得墊尺寸縮小變為可能，藉此允許更多空間用於主動電路。精確性及生產率之問題因而引導自動化晶圓探測機的發展。

晶圓探測係涉及數個不同考量。因為在日常大氣暴露期間，結合墊上會形成非導電氧化殘餘物的薄層，探針尖端必須穿透殘餘物且垂直地行進超過原始接觸，以和下方鋁產生接觸。例如，在最一般的探針卡科技中，也就是懸臂探針(cantilever probe)，此垂直超越行進的一部分轉變為沿著晶圓平面的運動，或磨擦，以進一步保證尖端與下方鋁為良好接觸。此外，元件(除了接觸墊之外)係覆蓋有玻璃絕緣層。如果此玻璃層因探針尖端而破裂，所造成裂隙可損害其他功能元件。因此，墊至探針對準的一關鍵要件為維持探針卡接腳與晶圓墊之間最佳的相對(或接觸)位置。最佳接觸位置係為必須，以確認確切所需量的接觸壓力施加於接腳與待測試的墊之間。如果施加的壓力太小，則無法達到足夠接觸，且探針機無法適當地測試，此乃因為其可能無法破壞穿過外部氧化物殘餘物。另一方面，如果施加太多壓力，可能造成墊的破壞。因此，特別是沿著接觸負載軸之精確定位對於適當測試係為必需。

對於精確接觸定位之維持的進一步考量為關於在操作期間對干擾的適當補償。例如，當測試系統運行，系統的溫度將預期會改變，且對組成測試組件的不同元件可能具有不同程度之影響。溫度改變造成構成系統的多種元件產生相對膨脹或收縮，而其效應可改變先前之接腳與墊之間的相對(或接觸)位置。在相對位置的干擾可轉而造成接腳與墊之間的所需或控制的接觸壓力改變，其為維持適當效能的關鍵重要者。

然而，習知之晶圓探測機系統不提供熱干擾補償。目前之設計係併入驅動與測量構件，而該些構件係位於自晶圓基板所在表面一相當距離。此方法在探測期間無法精確地及主動地控制基板表面，特別是在非室溫時。

概括而言，半導體科技的近期發展已建立在測試過程時對自動化探針至墊對準的需求。回應此需要，晶圓探測機的主要供應商已提供自動探針至墊對準的一些形式。然而，現存的自動對準形式經常無法有效提供用於現今具有非常小和非完整形狀墊之積體電路與探針尖端的精確對準，且無法在干擾存在時確保能維持精確的相對定位及接觸。

本發明係提供用於自動地與精確地定位積體電路元件之複數個墊，而使其與複數個接觸電極(如：在晶圓探測機中探針卡上的接腳)接觸的改良方法與設備。根據本發明之一態樣之一實施例，複數個位置及/或力量感測器及/或速度感測器係整合至多迴圈移動回饋控制系統，用以精確地測量與控制基板(晶圓)所在表面相對於探針卡之位置。控制系統使用感測器訊息以補償因探測機與晶圓墊間之承載效應及操作期間溫度改變所造成之位置改變。

根據本發明之另一態樣之另一實施例，係利用熱補償感測器底座以隔離溫度改變對於感測器讀數所產生之效應。此底座的一例子為由滯熱(athermal)材料所製成之底座，其對於溫度改變係具有最小化之尺寸改變。

本發明之進一步實施例包括在晶圓對準構件中使用致動器，以補償由探針卡與晶圓組件間之承載所導致之所在表面的傾斜。

本發明之該些和其他實施例、特徵、態樣及優點從伴隨之圖式及詳細說明及所附申請專利範圍將變為更明顯。

在此所描述的方法可由資料處理系統(例如一般目的之電腦)執行，而資料處理系統係在軟體控制下執行操作，其中上述軟體可排序(sorted)在多種可讀取媒體中。

本發明係揭露在測試系統中用於精確地達到與維持探針與墊之間所需的接觸位置之方法及設備。在下列敘述中，為了用於解釋係提出數個特定細節以提供對本發明之完整瞭解。然而，對熟習該技術領域者為明顯的，本發明不需這些特定細節而可實施。在其他例子中，已知結構與裝置係以方塊圖形式顯示，以避免不必要地混淆本發明。

探測係包括以探針尖端接觸晶圓之墊表面，使得尖端在高壓條件下“摩擦”或滑過結合墊，且與在晶圓上一或多個IC(積體電路)之墊產生電性(電阻性(resistive))接觸。在本發明之一可能實施例中，探測機系統包括兩個主要元件或機台，一機台係夾持(或支托；hold)晶圓，而另一機台則夾持探針卡。兩機台相對彼此移動，並且彼此靠近而產生在墊與尖端之間的高壓接觸。第1圖係顯示探測系統100之可能實施例的概要圖，其包括兩個主要機台101、102。此兩機台稱為晶圓夾持器組件(Wafer Holder Assembly,WHA)機台101與探針卡夾持器組件(Probe－card Holder Assembly,PHA)102。

WHA機台101包括：晶圓吸座105，用於牢固晶圓103，而晶圓103上方係形成晶粒接觸墊104；移動構件106可使晶圓吸座105與晶圓103沿著X與Y方向111移動；以及垂直或Z機台112，使晶圓吸座105與晶圓103可沿著Z軸方向111產生線性及旋轉位移。

PHA機台102包括：探針夾盤109，以夾持或牢固探針卡107，而探針卡107之接觸接腳108係設計為在接觸操作期間穿過晶圓103之結合墊104的外部氧化物層；以及固定基座110，係將探針夾盤109支撐於附接點113。

在第1圖所示之實施例中，PHA機台102係維持固定狀態，而WHA機台101則在X、Y及Z線性方向以及沿著Z軸在轉動方向(稱為θ)111致動。多自由度致動允許WHA機台101與PHA機台102之間必須的相對移動以達到探針卡接腳與晶圓墊之間的接觸。在其他可能實施例中，WHA機台101或兩機台101、102可被致動(如在一或多個自由度移動)以達到接觸。第2圖顯示測試系統200之另一實施例。其中WHA機台201係為固定，而PHA機台202於X、Y、Z與θ方向致動。

本發明之實施例的一態樣在測試系統的操作期間併入感測器的使用，以連續地測量探針至墊的接觸位置。在本發明其他態樣，感測器所收集之訊息係輸入至回饋控制系統，並與所需或目標接觸位置比較。如果藉由感測器所測量之位置與所需之接觸位置不同，控制系統會計算所需之校正動作，而此校正動作可藉由在WHA或PHA機台中的移動致動器執行。

第3圖顯示包括兩個感測器之WHA機台300之一可能實施例：在第3圖顯示之特定實施例中，第一感測器304為耦合至晶圓吸座301之高解析度線性編碼器，且機械地裝設於滯熱(athermal)底座305，而底座305係以滯熱材料製成，如殷鋼(invar)，其係已知為鎳與鐵之合金，並具有非常低的熱膨脹係數(CTE)。第3圖中所示之第二感測器306為低解析度轉動編碼器，其係附接至馬達309之導螺桿308，以沿著垂直或Z方向致動Z機台307。

在第3圖顯示的特定實施例中，線性編碼器係用於測量晶圓吸座301之垂直位置或位移(沿著Z軸310)。線性編碼器所提供之高解析度允許晶圓吸座之垂直位置的精確測量，而滯熱底座305傾向於使溫度變化所產生之測量錯誤最小化。某些類型之殷鋼在20℃至100℃之範圍內具有為約小於1.3x10^{－ 6} /℃之平均CTE(熱膨脹係數)。一些類型之殷鋼(及其他種類的滯熱材料)具有介於為約0.63x10^{－ 6} 至1.6x10^{－ 6} /℃之範圍內的平均CTE。描述本發明之其他實施例，線性編碼器位置感測器係利用熱補償機械底座305而裝設於外部，如第3圖所示，其可為如殷鋼之滯熱材料製成。在測試系統操作期間，構成該系統之多種元件的溫度有可能升高或波動。為了避免感測器與其所設計追蹤之目標元件(第3圖之例子為晶圓吸座301)之間產生任何相對的收縮或膨脹，將感測器自與除了目標元件以外之任何元件熱隔絕係為重要的。將感測器裝設在滯熱底座將可達到此目的，且其他可得到前述之位置感測器的熱隔絕結果之可能實施例亦涵蓋於本發明內。

在第3圖所示之實施例中，第二感測器(低解析度轉動編碼器)306可用於測量Z機台307之垂直速度，並推斷晶圓吸座301與晶圓302之垂直速度。從轉動編碼器讀出之速度可以與從主要位置感測器(線性編碼器；第一感測器304)讀出之位置一起併入回饋移動控制構件中，以得到晶圓墊與探針接腳間所需接觸位置之精確追蹤。一可能的回饋控制系統係繪示於第4圖。在另一選擇性實施例中，轉動編碼器可作為粗略測量垂直位置之裝置，雖然精確度會受限於其低解析度且缺乏熱隔絕。

第3圖僅顯示WHA機台合併感測操作之一可能實施例，其可使用雙感測器以測量在至少一自由度的位置及/或速度改變。在其他可能實施例中，不同組合及數目的線性與轉動編碼器或其他位置與速度感測器可用於與耦合至WHA與PHA機台之任一或兩者。

第4圖顯示自位置感測器404與速度感測器403併入訊息以維持Z機台408所需之垂直位置405之控制系統的一可能實施例之方塊圖。顯示於第4圖之控制系統的實施例係可用於第3圖實施例中控制Z軸移動，其中第一感測器304係對應於位置感測器404，而第二感測器306則對應於速度感測器403。控制構件係設置為以雙迴圈模式使用速度感測器403與位置404，其中速度感測器403係作為控制系統之速度回饋迴圈401部分，而位置感測器404係作為控制系統之位置回饋迴圈402部分。速度回饋迴圈401係使用包含於速度控制器407之控制演算法(如：習知之位置判定控制演算法)，其係輸入Z機台的所需速度(得自對所需位置405之微分410)、來自速度感測器403之讀數(適當微分411以產生速度讀數)、及由位置控制器406輸出之控制訊號。在操作期間之溫度改變係表示為加至機台408(垂直Z機台)之溫度干擾409。速度控制器所計算之輸出(一組經由致動器所施加之力)接著作用於機台408，以控制其速度至所需值。類似地，位置回饋迴圈402使用包含於位置控制器406之控制演算法以計算控制訊號(其他組之力)而用於維持Z機台408所需之Z位置405，其係輸入所需或指示之垂直位置405及自線性編碼器位置感測器404之讀數。

在一可能實施例中，在兩迴圈之控制輸出及輸入訊息係每50微秒(microsecond)進行驗證及補償。此方法將允許增加在所有溫度下，對於基板所在表面(晶圓吸座)位置之精確且連續之測量與控制。併入多個感測器的讀數以達到在干擾存在時，可於任何方向精確及連續的相對於探針接腳而定位晶圓墊之其他控制系統的實施例亦涵蓋於本發明。

第5圖為可能實施例的流程圖，其顯示涉及在測試系統使用感測器與控制系統以管控WHA機台之垂直位置的步驟500。在第一步驟501中，促使WHA與PHA機台接觸，直到達到所需之接觸位置與接觸力。為了維持所需之接觸位置，首先測量晶圓吸座的位置與速度(步驟502)以偵測因干擾(如溫度改變或所施加負載)所造成的位置改變。控制系統接著根據感測器訊息決定所需校正動作(步驟503)。接著，藉由併入WHA機台之致動器而施加校正力量至晶圓吸座，以消除任何不預期存在之Z位置干擾，並追蹤所需之Z位置(步驟504)。連續重複步驟502至504(例如每50微秒)以確認任何對所需位置之干擾已適當地校正。於其他實施例中，亦可能監控與控制系統中的其他參數與元件。

適當的探測動作需要在待測試晶圓墊與探針卡接腳間施加強大的壓力與大量之摩擦力，以確保接腳穿過外部氧化層。在測試預定晶圓墊期間，壓力僅施加於墊之面積，而非在晶圓其他表面。此高度局部化之大壓力效應會造成旋轉力矩施加於晶圓及其支托吸座。力矩的強度會因壓力施加點之位置而改變，但是如果所施加的壓力夠大的話，可造成WHA機台或其一些元件呈現傾斜。在本發明其他態樣之一實施例中，當施以接觸負載時，置於晶圓吸座周圍之致動器可用於補償傾斜(沿著X與Y軸兩者)。既存或額外之感測器可偵測任何沿著X或Y軸之角度位移，且將此訊息饋入至簡單控制器，而控制器會轉而產生適度校正之指令訊號至致動器，藉此消除任何傾斜。

在此描述之方法可藉由一資料處理系統(如一般或特定目的電腦)而執行，資料處理系統係於軟體控制下執行該方法，其中軟體可排序(sorted)於多種可讀媒體中。

本發明之多種實施例可用於具有晶圓吸座之晶圓探測機(其中晶圓吸座係支托住完整的晶圓)，或其他種類之探測系統，例如：在膜框(其為可撓性)或膜片(其可為剛性)上探測晶粒或晶片之系統。

本發明之至少一些實施例可採用同時另案待審之美國專利申請序號第11/271,416號所描述之一或多種方法及/或系統，該案係在2005年11月9日申請，且專利名稱為“探測衝擊敏感性與薄層化基板的方法”，此申請案在此併入本文以作為參考。

因此，本發明已提供干擾存在時可在測試系統中達到與維持精確之墊至探針接觸定位的設備與方法。雖然本發明已參考特定例示實施例描述之，但是明顯地，在不偏離本發明由所附申請專利範圍提出之較廣泛精神與範圍下，亦可針對該些實施例而進行多種改良與改變。因此，說明書與圖式係視為描述性的而非限制性的。

100．．．探測系統

101、102．．．機台/夾持器組件

103．．．晶圓

104．．．墊

105．．．晶圓吸座

106．．．移動構件

107．．．探針卡

108．．．接觸接腳

109．．．探針吸座

110．．．基座

111．．．方向

112．．．機台

113．．．附接點

200．．．測試系統

201、202．．．機台

300．．．機台

301．．．晶圓吸座

302．．．晶圓

304．．．第一感測器

305．．．底座

306．．．第二感測器

307．．．機台

308．．．導螺桿

309．．．馬達

310．．．Z軸

400．．．方塊圖

401．．．速度回饋迴圈

402．．．位置回饋迴圈

403．．．速度感測器/轉動編碼器

404．．．位置感測器/線性編碼器

405．．．位置

406．．．位置控制器

407．．．速度控制器

408．．．機台

409．．．溫度干擾

410、411．．．微分

500．．．步驟

θ．．．轉動方向

本發明將藉由例示方式描述之，且不限於所附圖式之圖形，其中類似之元件符號係代表類似之元件，且其中：第1圖繪示探測機測試系統之一實施例。

第2圖繪示探測機測試系統之另一實施例。

第3圖繪示在探測機測試系統中之用於感測位置及速度之一實施例。

第4圖繪示雙迴圈回饋控制方案之一方塊圖。

第5圖繪示一流程圖，其係顯示藉由感測而併入熱干擾補償，以精確地維持所需之相對接觸位置的測試系統之操作。

400．．．方塊圖

401．．．速度回饋迴圈

402．．．位置回饋迴圈

403．．．速度感測器/轉動編碼器

404．．．位置感測器/線性編碼器

405．．．位置

406．．．位置控制器

407．．．速度控制器

408．．．機台

409．．．溫度干擾

410、411．．．微分

Claims (18)

1. 一種測試系統，其係操作以維持複數個接觸電極與複數個電性接點之間的一相對位置，該測試系統包含：一第一感測器，係耦合至一第一元件，該第一元件係設置為用以支托一耦合至該些電性接點之裝置，其中該第一感測器係設置為用以沿著一個三維座標系統之一軸而測量一第一參數；一第二感測器，係耦合至該第一元件，該第二感測器係設置為用以沿著該軸而測量一第二參數；以及一控制系統，係耦合至該第一元件，並設置為用以接收來自該第一感測器與該第二感測器的一訊息，且設置為根據該訊息而決定複數個致動力，其中，該些致動力係作用於該第一元件以維持該些接觸電極與該些電性接點之間所需的該相對位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之測試系統，其中該第一參數與該第二參數為沿著該軸的一位置、一速度與一力量之其中之一者。
3. 如申請專利範圍第1項所述之測試系統，其中該軸係平行於該些接觸電極與該些電性接點之間的一接觸力向量。
4. 如申請專利範圍第1項所述之測試系統，其中該第一感 測器能測量因溫度變化及接觸力所造成該第一參數的改變。
5. 如申請專利範圍第1項所述之測試系統，其中該控制系統包含使用由該第一感測器所測量之一位置訊息的一第一回饋迴圈(feedback loop)，及使用由該二感測器所測量之一速度訊息的一第二回饋迴圈。
6. 如申請專利範圍第1項所述之測試系統，其中該第一感測器與該第二感測器之至少其中之一者為一線性感測器。
7. 如申請專利範圍第1項所述之測試系統，其中該第一感測器係耦合至一滯熱底座(athermal mount)。
8. 一種用以相對於複數個電性接點而精確地定位複數個接觸電極的方法，該方法包含：使用耦合至一第一元件之一第一感測器而沿著一個三維座標系統之一軸測量一第一參數，該第一元件係設置為用以支托具有複數個電性接點之一裝置；使用耦合至該第一元件之一第二感測器而沿著該軸測量一第二參數；以及使用耦合至該第一元件之一控制系統決定複數個致動力，其中該控制系統係設置為接收來自該第一感測器 與該第二感測器之一訊息，其中，該些致動力係作用於該第一元件上，以維持該些接觸電極與該些電性接點之間所需的一相對位置。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第一參數與該第二參數為一位置、一速度與一力量之其中之一者。
10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該軸係平行於該些接觸電極與該些電性接點之間的一接觸力向量。
11. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第一感測器能測量因溫度變化及接觸力所造成該第一參數的改變。
12. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該控制系統包含使用由該第一感測器所測量之一位置訊息的一第一回饋迴圈，及使用由該二感測器所測量之一速度訊息的一第二回饋迴圈。
13. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第一感測器與該第二感測器之至少其中之一者為一線性感測器。
14. 一種機器可讀取媒體，該媒體係提供複數個可執行之程式指令，當經由一資料處理系統執行該些程式指令時， 會導致該系統執行一方法，以相對於複數個電性接點而精確地定位複數個接觸電極，該方法包含：使用耦合至一第一元件的一第一感測器而沿著一個三維座標系統之一軸測量一第一參數，該第一元件係設置為用以支托具有該些電性接點之一裝置；使用耦合至該第一元件之一第二感測器而沿著該軸測量一第二參數；以及使用耦合至該第一元件之一控制系統決定複數個致動力，其中該控制系統係設置為接收來自該第一感測器與該第二感測器之一訊息，其中，該些致動力係作用於該第一元件上，以維持該些接觸電極與該些電性接點之間所需的一相對位置。
15. 如申請專利範圍第14項所述之媒體，其中該第一參數與該第二參數為一位置、一速度與一力量之其中之一者。
16. 如申請專利範圍第14項所述之媒體，其中該軸係平行於該些接觸電極與該些電性接點之間的一接觸力向量。
17. 如申請專利範圍第14項所述之媒體，其中該第一感測器能測量因溫度變化及接觸力而產生該第一參數的改變。
18. 如申請專利範圍第14項所述之媒體，其中該控制系統 包含使用由該第一感測器所測量之一位置訊息的一第一回饋迴圈，及使用由該第二感測器所測量之一速度訊息的一第二回饋迴圈。