TWI633285B - 測量晶圓溫度的工具和方法 - Google Patents

Abstract

一種用於測量半導體晶圓之表面溫度的晶圓溫度測量工具。該工具能被使用於測量該晶圓的不同零件上之溫度，以提供高解析度的溫度分佈圖。該工具包含一可滑動地設置在工具本體內的內部校準砝碼。溫度感測器被附著至該砝碼之底部。陶瓷支座被附著至該工具本體的底部。重力下拉在該砝碼上，使得當該工具本體之陶瓷支座被放置在該晶圓上時，該溫度感測器接觸該晶圓。

Description

測量晶圓溫度的工具和方法

本發明大致上有關用於測量熱夾頭表面之溫度的機構。

已知為晶圓級可靠性(WLR)測試之半導體可靠性測試典型係在高達350℃的周遭溫度下進行。此WLR測試之持續時間的範圍可為由數分鐘至幾星期。當WLR測試係在越過一晶圓之很多晶粒上連續地或同時地施行時，其重要的是將該整個晶圓維持在一均勻之溫度。

為了越過該整個晶圓達成及維持一均勻的溫度，該晶圓之溫度需要被測量。具成本效益、可靠的晶圓溫度測量工具係因此想要的。

根據一實施例，測量晶圓溫度的工具被提供。該工具包含工具本體、校準的砝碼、支腳、及溫度感測器。該校準的砝碼係可滑動地設置在該工具本體內。該支腳被附著 至該校準的砝碼之底端，且由該工具本體的底端突出。該溫度感測器由該支腳之底部表面延伸。

根據另一實施例，一方法被提供，用於測量晶圓表面溫度。溫度測量工具被放置在該晶圓上。該工具具有一可滑動地設置在工具本體內之校準的砝碼、及一附著至該校準的砝碼之底端的陶瓷支腳。該溫度感測器由該陶瓷支腳之底部表面延伸。重力接著被允許下拉該陶瓷支腳，使得該溫度感測器熱接觸該晶圓。溫度讀數係由該溫度感測器取得。

根據又另一實施例，測量晶圓溫度的工具被提供。該測量晶圓溫度的工具包含圓柱形工具本體、校準的砝碼、陶瓷支座、及溫度感測器。該校準的砝碼係可滑動地設置在該工具本體內。該陶瓷支座由該工具本體之底端延伸。該溫度感測器被附著至該校準的砝碼之底端上的陶瓷支腳，且該陶瓷支腳及溫度感測器係在該工具本體外側。

100‧‧‧溫度測量工具

110‧‧‧蓋子

120‧‧‧砝碼

120A‧‧‧圓柱形區段

120B‧‧‧中間區段

120C‧‧‧底部區段

130‧‧‧工具本體

140‧‧‧螺絲

150‧‧‧支腳

160‧‧‧溫度感測器

165‧‧‧電線

170‧‧‧陶瓷板

175‧‧‧螺絲

180‧‧‧陶瓷支座

190‧‧‧短柱

本發明隨同其進一步目的及優點可藉由參考以下敘述會同所附圖面被最佳了解，其中：圖1係按照一實施例的晶圓表面溫度測量工具之分解立體圖；圖2A係該晶圓表面溫度測量工具之實施例的側面截面視圖，顯示在該工具本體內的內部校準砝碼；圖2B係圖2A所示工具之側視圖； 圖3A係附著有該陶瓷支腳的內部校準砝碼之實施例的立體圖；圖3B係未附著有該陶瓷支腳之圖3A的內部校準砝碼之立體圖；圖4A係該晶圓表面溫度測量工具之實施例的底部視圖；圖4B係該已組裝之晶圓表面溫度測量工具的實施例之立體圖；及圖5係藉由使用該晶圓表面溫度測量工具所施行之溫度校準的方法之流程圖。

於該等圖面中，當然相像的參考數字標以相像的結構元件。當然該等圖面中之描寫係亦圖解的及未按照一定比例。

本發明大致上有關測量越過半導體晶圓之表面的溫度。如上所述，WLR測試需要一晶圓被維持在均勻的溫度。在此中之實施例敘述一晶圓表面溫度測量工具及用於測量越過一晶圓的溫度之方法。該工具提供一可重複、可靠、精確、及實用的溫度校準方法，其在遍及WLR測試達成均勻之晶圓溫度中係一主要因素。

該晶圓表面溫度測量工具能被放置在已加熱晶圓的表面上，以精確地取得該晶圓之表面溫度。該工具之溫度感測器的尺寸係相當小的，故其與該晶圓接觸之面積係最 小。該小區域面積允許在該晶圓上之重複配置，以提供高面積解析度，能夠產出一詳細的晶圓溫度分佈圖。

在升高溫度(例如25℃-300℃)之WLR測試典型係在特別設計的金屬夾頭、通常已知為“熱夾頭”上施行。該熱夾頭被專用的控制系統所加熱，該控制系統控制在該夾頭之頂部表面的溫度。待測試晶圓之背面被放置在該夾頭的頂部表面之上，使用該夾頭中之小真空孔來幫助達成該晶圓及該夾頭間之良好的物理及熱接觸。然而，在該夾頭之頂部表面的控制下之溫度與位在該晶圓的頂部表面所測試裝置的實際溫度不同。

原則上，越過所測試之晶圓的每一晶粒(地點)可具有一專用的溫度感測器。如果覆蓋該晶圓之整個面積的許多此等溫度感測器之讀數會同該專用控制系統被使用，在該晶圓的頂部表面越過所測試之裝置的溫度可被測量及控制，而非在該夾頭之頂部表面。此越過該晶圓的整個面積使用多數溫度感測器、同時理論上可實行之方式係不合實際的，因為每個測試晶圓將必需物理及電子地與一系統整合，該系統包含該夾頭、多數溫度感測器、及專用之控制系統。

根據在此中所敘述之實施例，一校準步驟於該實際的晶圓級可靠性測試之前發生。於該校準步驟期間，越過該晶圓的頂部表面之溫度被獲得為偏差數目之個別陣列。在校準之後，該設定夾頭溫度據此被調整，使得每一測試裝置的結果溫度係較接近所需之值，同時該剩餘的溫度偏差 係習知及能被考慮。

有獲得越過一晶圓的表面溫度之二常見方法：(1)使用一在商業上製成之矽校準晶圓；及(2)使用一小的高準確性溫度感測器。當一在商業上製成之矽校準晶圓被使用時，被嵌入在該晶圓中的多數高準確性溫度感測器係經由電線連接至一計量器，以便提供越過該晶圓之個別讀數的圖。此方法產生精確及可靠之結果。然而，該校準晶圓係很昂貴的，且與該校準晶圓不同之晶圓(例如基板摻雜、厚度)係極可能於該熱夾頭表面及其表面之間具有不同的溫度偏差。

當小的、高準確性溫度感測器被使用時，其藉由低熱傳導工具(例如棉拭子)被手動地應用至該晶圓，且被運動越過該晶圓，以提供越過該晶圓的溫度之圖。然而，此方法係固有不一致的，因為手動地施加至該感測器之法向力於測量期間及在越過該晶圓的位置之中變動。所測量的溫度對於此變動性係相當敏感的，可能超過達1.0℃。

藉由每次使用恆定、校準的力量，在此中所敘述之實施例使用如上面所述的手動施加之溫度感測器來減輕該方法的變動性。該結果之價格便宜的工具係既簡單又易於使用；允許越過一晶圓之精確、一致、及可靠的溫度測量。其結果是，在升高的溫度下，於大部份晶圓級可靠性測試之前，其提供一有效之溫度校準。

圖1係晶圓表面溫度測量工具100之實施例的分解立體圖。根據圖1所說明之實施例，該工具100大體上係圓 柱形，具有一稍微較寬的蓋子110及一具有錐形部份之圓柱形工具本體130。該蓋子110對於該使用者具有把手的作用，且係附著至該工具本體130之頂部，如於圖1所示。如在圖1所示，該蓋子110藉由三支螺絲140及對應的螺紋孔被附著至該工具本體130的頂部，該等螺紋孔穿過該蓋子110及該工具本體130之頂部表面。根據一實施例，該蓋子110能為由塑膠所形成。在其他實施例中，該蓋子能為譬如由其他材料、諸如玻璃纖維、軟木、木材、或橡膠所形成。

該工具本體130能為由不銹鋼所形成。如圖1所示，該工具本體130具有一內圓柱形孔腔。不銹鋼校準砝碼120係可滑動地設置在該孔腔內。如圖1所示，該校準砝碼120相當鬆弛地裝在該孔腔內，使得該砝碼120能在該孔腔內藉由地心引力滑動。於其他實施例中，該砝碼能為由任何適當地密集之材料所形成，且該工具本體能為由任何適當地堅硬材料所形成。圖2A係沿著該工具100之主軸的側面截面視圖，顯示在該工具本體130內的內部校準砝碼，且圖2B係該工具100之側視圖。於此實施例中，該內部校準砝碼120係由單一、整件的不銹鋼所形成，其被機械加工，以沿著該相同之主要軸線形成三個圓柱形區段。於一特別實施例中，該校準砝碼120之重量係約1.25英磅。

該砝碼120包含一頂部圓柱形區段120A(其係該最大與最重的區段)、一較小的圓柱形中間區段120B、及 一底部區段120C。如圖2A所示，該底部區段120C係一設有螺紋的短柱，用於經過陶瓷支腳150之頂部表面裝入一設有螺紋的孔口(看圖1、3)。該內部校準砝碼120之較大的頂部區段120A被製成比該工具本體130中之對應孔腔稍微較短，以致該整個內部校準砝碼120能在該孔腔內滑動。當該工具100被保持正常(亦即，正面向上而使該頂部塑膠蓋子110向上)時，該砝碼120被重力所下拉，或當該工具100被保持巔倒時，該砝碼以相反方式拉動。該陶瓷支腳150係藉由該設有螺紋的短柱120C附著至該內部校準砝碼120之較小中間區段120B的底部表面，其被旋緊進入該陶瓷支腳150中之設有螺紋的孔口。該陶瓷支腳能成為某一角度，如圖3A所示，以允許該電線165之敷設，使得該等電線165能自由地懸置，而不會被該工具的任何部份所妨礙。再者，該支腳150之偏角調節允許用於較小的覆蓋區。

於所說明之實施例中，小、薄、及長方形之電阻溫度裝置(RTD)或溫度感測器160被設在該工具100的底部，以測量該晶圓之溫度。該溫度感測器160係經由電線連接至電腦，用於顯示及/或記錄該晶圓的感測溫度。如圖2A所示，該溫度感測器160被該等電線165所固持，該等電線係鬆弛地通過該陶瓷板170中之小開口。於圖2A及2B所說明之實施例中，該電線165延伸出該陶瓷板170的側面中之小開口至一電腦。該陶瓷板170亦具有大的中心孔，該陶瓷支腳150係經過該中心孔被旋緊至該內 部校準砝碼120之設有螺紋的短柱120C。圖3A係附著有該陶瓷支腳150的內部校準砝碼120之立體圖。圖3B顯示未附著有該陶瓷支腳150的內部校準砝碼120。於此實施例中，該陶瓷支腳150之連接至該校準砝碼120的設有螺紋之短柱120C以及該等螺絲175將該陶瓷板170抵靠著該工具本體130固持在適當位置中。該等螺絲175被使用於將該板件170附著至該工具本體130。於其他實施例中，該溫度感測器能具有一不同形狀。於其他實施例中，該感測器可為熱電偶或熱阻器。

當該工具100被巔倒固持時，該溫度感測器160被懸置在該陶瓷支腳150之表面上方數公釐處。當該工具100被正常地固持(正面向上定向)時，該校準砝碼120於該工具本體130中向下滑動，且該附著的陶瓷支腳150亦往下滑動至足以推動該溫度感測器160抵靠著該晶圓表面，同時有點拉動該溫度感測器之電線。其將被了解該陶瓷板170中之開口作用當作一有效之應變消除，而該等電線165被通過該開口。

圖4A顯示一底部視圖，且圖4B顯示所組裝之工具100的傾斜立體圖。於所說明之實施例中，為了確保該內部校準砝碼120在該晶圓上之穩定的定位，三個陶瓷支座180被設在該陶瓷板170上，如圖4A及4B所示。該陶瓷材料之低熱導率及該等支座180與在下方的晶圓一起形成之小接觸面積使待藉由該溫度感測器160所測量的實際溫度上之任何效應減至最小。

於所說明的實施例中，三個設有螺紋的短柱190延伸穿過該陶瓷板170中之孔，裝入該等陶瓷支座180中之設有螺紋的孔口(圖1)。於此實施例中，三支螺絲175延伸穿過該陶瓷支腳150中之另一組孔，並分別使用裝配之設有螺紋的孔口將該陶瓷板170附著至該工具本體130的底部表面。於其他實施例中，該等支座180(以及該支腳150與板件170)可為譬如由非傳導性材料、諸如雲母、玻璃、石英、或石頭所形成。

圖5係藉由使用在此中所敘述之晶圓表面溫度測量工具所施行的溫度校準之方法500的流程圖。於510中，該溫度測量工具被放置在一晶圓表面上之被選擇區域上，使陶瓷支座接觸該晶圓。該工具在其底部具有一陶瓷支腳，該底部具有一由該陶瓷支腳之底部表面延伸的溫度感測器。該陶瓷支腳被附著至校準砝碼之底端，該校準砝碼係可滑動地設置在該工具的本體內。

於520中，重力被允許下拉該陶瓷支腳，使得該溫度感測器與該晶圓形成一良好的熱接觸。當該工具被放置在該晶圓上時，因重力下拉該陶瓷支腳，該溫度感測器係在該工具本體內部遭受一等於該校準不銹鋼砝碼的重量之力量，且藉由該陶瓷支腳由上面施加該力量，同時該個別的反作用力(相同強度但在相反方向中)推動其底部表面向上。其結果是，該溫度感測器總是藉由該相同的力量被維持，並使用該內部校準的不銹鋼砝碼之最佳重量。如此，當該工具係由該晶圓上之一位置運動至另一位置時，每次 該相同的力量係施加至該溫度感測器，因為重力正拉在該校準的砝碼上，且因此使該溫度感測器遭受該校準的不銹鋼砝碼之重量而非手動力量，其每次可為不同的。

於530中，該溫度感測器讀數被允許穩定。一旦該溫度讀數已穩定，於540中，該溫度感測器讀數被取得。該溫度讀數之取得能藉由諸如電腦的裝置所施行。此一裝置可被電連接至該溫度感測器。於一實施例中，它們係藉由電線所電連接。如上面所述，該等電線能通過該工具的一部份、諸如該陶瓷板。於其他實施例中，該溫度感測器及該電腦可被無線地連接。

於550中，在該溫度讀數被取得之後，該工具能被移至該晶圓上之另一位置，以在該晶圓上之另一位置取得該溫度讀數。步驟510-550能夠被重複，以取得晶圓的溫度圖。使用在此中所敘述之工具，方法500能產生該晶圓的一精確、一致、及可靠之面積溫度圖。

雖然僅只一些本發明之實施例已被詳細地敘述，應了解本發明可在許多其他形式中被實施，而未由本發明之範圍脫離。應變得明顯的是所敘述之晶圓溫度測量工具能夠被使用在寬廣變化性的應用中。由於所有該前文，應變得明顯的是該等本實施例為說明性及非限制性，且本發明不被限制於在此中所給與之細節，但可在所附申請專利的範圍及同等項內被修改。

Claims (19)

1. 一種測量晶圓溫度的工具，包括：工具本體；校準的砝碼，可滑動地設置在該工具本體內，其中重力造成該校準的砝碼在該工具本體內滑動；支腳，被附著至該校準的砝碼之底端，且由該工具本體的底端突出；及溫度感測器，由該支腳之底部表面延伸。
2. 如申請專利範圍第1項之測量晶圓溫度的工具，其中該校準的砝碼係由不銹鋼所形成。
3. 如申請專利範圍第1項之測量晶圓溫度的工具，其中該支腳由該工具本體及經過一板件突出。
4. 如申請專利範圍第3項之測量晶圓溫度的工具，其中複數支座被附著至該板件。
5. 如申請專利範圍第4項之測量晶圓溫度的工具，其中該支腳、板件、及支座為陶瓷的。
6. 如申請專利範圍第1項之測量晶圓溫度的工具，其中該工具本體係圓柱形。
7. 如申請專利範圍第1項之測量晶圓溫度的工具，其中該溫度感測器係可操作地連接至電腦。
8. 一種測量晶圓表面溫度的方法，包括：將溫度測量工具放置在該晶圓上，其中該工具具有一可滑動地設置在工具本體內之校準的砝碼、及一附著至該校準的砝碼之底端的陶瓷支腳，且其中溫度感測器由該陶 瓷支腳之底部表面延伸；允許重力下拉該陶瓷支腳，使得該溫度感測器熱接觸該晶圓；及由該溫度感測器取得溫度讀數。
9. 如申請專利範圍第8項之測量晶圓表面溫度的方法，另包括在取得該溫度讀數之後將該溫度測量工具運動至該晶圓上的不同位置。
10. 如申請專利範圍第8項之測量晶圓表面溫度的方法，其中取得該溫度讀數係藉由電腦所施行。
11. 如申請專利範圍第10項之測量晶圓表面溫度的方法，其中該溫度感測器及該電腦被可操作地連接。
12. 如申請專利範圍第8項之測量晶圓表面溫度的方法，其中該溫度讀數被允許在取得該溫度讀數之前穩定。
13. 如申請專利範圍第8項之測量晶圓表面溫度的方法，其中僅只當該溫度測量工具被放置在該晶圓上時，在該溫度測量工具的底部上之支座接觸該晶圓。
14. 一種測量晶圓溫度的工具，包括：圓柱形工具本體；校準的砝碼，其可滑動地設置在該工具本體內；陶瓷支座，其由該工具本體之底端延伸；及溫度感測器，其附著至該校準的砝碼之底端上的陶瓷支腳，其中該陶瓷支腳及溫度感測器係在該工具本體外側。
15. 如申請專利範圍第14項之測量晶圓溫度的工具， 其中該工具被建構，使得當該工具被放置在晶圓上時，該陶瓷支座接觸該晶圓，且重力下拉在該工具本體內之校準的砝碼，使得該溫度感測器接觸該晶圓。
16. 如申請專利範圍第14項之測量晶圓溫度的工具，其中該校準的砝碼係由不銹鋼所形成。
17. 如申請專利範圍第14項之測量晶圓溫度的工具，其中該溫度感測器係可操作地連接至電腦。
18. 如申請專利範圍第17項之測量晶圓溫度的工具，其中該溫度感測器係無線地連接至該電腦。
19. 如申請專利範圍第17項之測量晶圓溫度的工具，其中電線將該溫度感測器連接至該電腦。