WO2009050038A1 - Verfahren zur prüfung eines testsubstrats unter definierten thermischen bedingungen und thermisch konditionierbarer prober - Google Patents

Verfahren zur prüfung eines testsubstrats unter definierten thermischen bedingungen und thermisch konditionierbarer prober Download PDF

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WO2009050038A1
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temperature
test substrate
test
prober
testing
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PCT/EP2008/063154
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Jörg KIESEWETTER
Stojan Kanev
Michael Teich
Karsten Stoll
Axel Schmidt
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Suss Microtec Test Systems Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/2851—Testing of integrated circuits [IC]
    • G01R31/2886—Features relating to contacting the IC under test, e.g. probe heads; chucks
    • G01R31/2891—Features relating to contacting the IC under test, e.g. probe heads; chucks related to sensing or controlling of force, position, temperature
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    • G01R31/2855—Environmental, reliability or burn-in testing
    • G01R31/2872—Environmental, reliability or burn-in testing related to electrical or environmental aspects, e.g. temperature, humidity, vibration, nuclear radiation
    • G01R31/2874—Environmental, reliability or burn-in testing related to electrical or environmental aspects, e.g. temperature, humidity, vibration, nuclear radiation related to temperature

Definitions

  • the invention relates to a method for the thermal conditioning of a Probers, which serves the testing and testing of electronic components at defined temperatures.
  • the invention also relates to a prober for carrying out the thermal conditioning.
  • test substrates Under Prober is understood below an electrical functions of electronic components measuring tester. With a Prober the most diverse electronic components in different production stages are to be tested or tested. For example, They may be semiconductor components in the wafer assembly or individual components, such as semiconductor chips, hybrid components, micromechanical or optical components or the like, for which reason the electronic components to be tested are generally referred to below as test substrates.
  • Such a test substrate regularly has a smooth and flat underside and is arranged and held at least indirectly on a chuck, which is part of the prober and has a smooth and flat receiving surface for receiving the test substrate.
  • the test substrate With the chuck, the test substrate can be moved in the working area by means of a chuck drive, so that it can be positioned relative to probes of the probes.
  • the positioning of the test substrate is generally in the horizontal, ie XY plane by a cross table and by an apparatus for angular alignment in the range of a few degrees and by a vertical, ie Z-drive, the example Advance movement of the test substrate in the direction of the arranged above the test substrate probes allows.
  • the holders of the test probes also have their own positioning device, with which e.g. the alignment of a plurality of probes relative to each other or to a preferred direction of the test substrate in the X, Y and Z directions or a feed movement to the test substrate can take place.
  • test substrate is contacted by means of the test probes, which have the shape of contact needles, and subjected to test signals or tapped test signals.
  • the test signals can be of different types.
  • Output signals can be generated by other input variables, such as radiation in different wavelength ranges.
  • the probes are generally located outside of the work area on the top shell and contact the test substrate through an opening in the housing.
  • the testing of electronic components for their functional reliability preferably takes place in testers under the environmental conditions which correspond to the conditions of use of the respective component, the adjustment of the test substrate to defined temperatures being a focal point.
  • the temperature of the test substrate is adjusted via the chuck, which can be heated or cooled by means of suitable devices.
  • the working area of the tester is generally surrounded by a housing.
  • a housing Such a tester surrounded by a housing is known from DE 4109908 C2.
  • the housing has several inflow openings in the lower section and a further opening in the upper housing terminus, which serves both as an outflow opening and for feeding the test probes.
  • the working area is traversed by a gas in order to prevent the precipitation of moisture from the surrounding atmosphere on the test substrate.
  • the chuck is exposed to a suitable coolant.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a tester for testing substrates at defined temperatures, in which spatially and thermally defined and reproducible test conditions for the test substrate and for the components of the tester connected to the test substrate are set and maintained with minimal expenditure of time.
  • the thermal influence i. a temperature change due to heat radiation or heat conduction are selectively influenced by components of the positioning device of the prober, which are arranged in an environment of the test substrate.
  • the environment is to be understood as meaning all the components of the positioning device of the prober with which a heat exchange with the test substrate by one of the possible types of heat transfer is likely and / or whose temperature change would cause a shift in the relative position between test substrate and test probes.
  • This therefore relates to the probe holder plate, which holds the probes and their manipulators and which is also regularly arranged lying opposite the test substrate. Both the fixture and the probe movement devices can change the position of the probes due to the thermal expansion change.
  • the heating or cooling of the test substrate or just the maintenance of a defined temperature can be selectively influenced.
  • a heat or cold entry into the test substrate via the test probes is prevented when the two temperatures are matched.
  • Such a temperature drift can, on the one hand, bring about a change in the thermal expansions within the positioning device and, on the other hand, in the holder, which realizes the connection between the positioning device and test substrate or test probe.
  • the set temperature of the Chuck drive can deviate significantly from that of the test substrate, as a result of which the thermal expansion behavior of the materials of the Chuck drive can be set in a defined manner.
  • the defined adjustment of the expansion behavior over the temperature of the components includes both the minimization of the thermal expansion at temperatures close to the ambient temperature as well as significantly different thermal conditions, but due to the constant temperature, regardless of the setting of a thermal equilibrium with the other components of the tester, remain constant over the entire test period and thus calculable.
  • heating and cooling processes between individual tests can be significantly accelerated.
  • the continuous temperature control is required.
  • the equilibrium temperature is known or can be determined, for example, in a test measurement
  • an embodiment of the method provides for setting this equilibrium temperature in a targeted manner by means of the tempering devices and to maintain active until the state of thermal equilibrium is established.
  • the adjustment of the equilibrium temperature takes place in this case much faster than with a natural heat balance, namely approximately in the time in which the test substrate is tempered.
  • This refinement has the advantage that the energy expenditure can be reduced, in particular with a longer test duration, since the active temperature control can be shortened and only compliance with the set temperature can be ensured.
  • the drive of an observation unit of the prober is also tempered in order to avoid its drift from the contact area between the test substrate and test probes and thus to ensure the continuous observation of the contact. Since this drive is regularly arranged away from the test substrate and from the probes, often also outside the housing of the prober, the equilibrium temperature to be set deviates significantly from the test temperature, so that the temperature of the drive of the observation unit should be adjustable independently of the test temperature.
  • the means for adjusting the temperatures of the components of the positioner of the prober may depend on the test substrates, the design and materials of the prober used, the temperatures to be set, and other parameters. Larger temperature differences can be produced or compensated very precisely, for example by means of a heat exchanger, and can be made time-efficient and energy-efficient if these are integrated into the individual components or at least in good thermal contact with them. If, on the other hand, one of the contacts of a tempered gas with the test substrate is unproblematic or if only slight temperature differences are present, the relevant components can be adjusted to the desired temperature by means of a cooled or heated gas flow.
  • a retrofittability of the prober and variability is an advantage. The invention will be explained in more detail with reference to embodiments. In the accompanying drawing shows
  • FIG. 1 and Fig. 2 Prober with housing according to the prior art
  • FIG. 3 shows a prober with housing and with tempering devices with heat exchanger for all components of a
  • FIG. 4 shows a prober with housing and with different tempering devices for all components of a positioning device
  • FIG. 5 shows a tester according to FIG. 4, in which, however, the probe holder and its manipulators are arranged outside the housing.
  • a tester according to the prior art for testing a test substrate which is adjustable for testing to a defined temperature, has within a housing 11, which is designed as an EMC shield, a temperature Chuck 2, which can be cooled and / or heated, so that a test substrate arranged thereon, eg a wafer can be set to a temperature that can be a few hundred degrees or even in the low-temperature range.
  • the chuck 2 has a Chuck drive with which the test substrate 1 is movable in the X, Y and Z directions and can be rotated by an angle Theta.
  • the movements in the X and Y directions are determined by an X or Y slide 7 or 5 in conjunction with an X or Y stator 8 or 6, the movement in the Z direction by a Z axis.
  • the chuck drive including chuck and test substrate arranged thereon are arranged on a base plate 10 for stabilization.
  • the housing itself is arranged on a frame 16.
  • the upper end of the housing 11 forms a probe holder plate 9, on which the probe holders with the probes 32 are arranged.
  • the probe holders according to FIG. 1 each have a manipulator which serves to position the test probes 32 in the X, Y and Z directions.
  • the probe holders with manipulator are generally referred to as probe head 13.
  • Both the chuck drive and the manipulators of the special holder serve to position the test substrate 1 relative to the test probes 32 and are therefore components of the positioning device of the tester, wherein the chuck drive itself likewise consists of the components described above which implement the individual directions of movement. According to the respective conception of the motion sequences in other embodiments of a prober, its positioning device may also comprise fewer or additional components.
  • a plate-shaped EMC shield 12 is arranged below the probe holder plate 9 and above the test substrate 1.
  • the test method described below and the apparatus used therefor are not limited to such an EMC shield or to a prover with EMC shielding. Rather, the problem described above is independent of an EMC shielding by means of shield and / or housing and is therefore also suitable for testing of test substrates that require no EMC shielding.
  • the positioning of the tips of the probes 32 on the test substrate 1 and the test itself can be observed by means of a microscope 15 which may be combined with a camera.
  • the microscope 15 is arranged above an opening in the probe holder plate 9 and the EMC shield 12 and is movable by means of its own microscope drive 14 in the X, Y and Z directions.
  • FIG. 2 An embodiment of a prober according to FIG. 1 is shown in FIG. 2.
  • the tester according to FIG. 2 which also represents the prior art, has, in addition to the above-described nen components upper chambers 17, which surround the probe heads and form a complete completion of the sample volume to the ambient atmosphere.
  • the conclusion to the microscope is realized by means of an objective seal 18.
  • Such an embodiment is used, for example, for tests at lower temperatures.
  • FIG. 3 A sampler according to FIG. 2, which was supplemented by tempering devices for all components of the positioning device, is shown in FIG.
  • the prober according to the invention in FIG. 3 has an X-stator 8 as part of its X-Y carriage.
  • This comprises a heat exchanger 27, which can heat or cool the X and also a Y-stator and the X and Y slides.
  • a set to the required temperature, gaseous or liquid tempering through the heat exchanger 27 is passed through an inlet and outlet 23, which is on the flat, good heat conducting contact with the Y-stator and the two carriages in combination.
  • the Z drive is tempered, in the illustrated embodiment, the supply and discharge of the
  • Components of the Chuck drive can be set separately from each other. Alternatively, depending on the set
  • the temperature setting of the components of the positioning device is independent of the temperature Adjustment of the Chuck 2 and thus the test substrate 1 possible.
  • all tempered components have temperature sensors 29, 30, 31, which can be measuring members of a control circuit.
  • the prober according to FIG. 3 also has heat exchangers 20 for the probe holder plate, which are also flowed through by a tempering fluid and in this way temper the probe heads 13 with their manipulators via the thermal contact.
  • a tempering fluid for the probe holder plate
  • the sample head 13 can also be set to the required temperature directly via a suitable heating or cooling device or via a tempered gas flow, as described below for the chuck drive. In this way, a change of the positioning of the test probes 32 on the test substrate 1 due to the change of the thermal expansion in the mounting of the test probes 23 and their positioning unit in the course of heat equalization processes during the test is to be prevented.
  • observation unit 15 in that its drive 14 also has a tempering device 22, wherein this temperature control has no influence on the positioning but only on the observation position. For this reason, such a temperature control of the microscope drive can also be dispensed with alternatively (FIG. 4), as long as displacements of the observation unit 15 are corrected relative to the tips of the test probes 23.
  • the above-described possibilities of setting defined temperatures are also possible by means of a tempered gas flow, by means of discharge elements 26 the gas flow being directed to the relevant component of the positioning device.
  • a tempered gas flow by means of discharge elements 26 the gas flow being directed to the relevant component of the positioning device.
  • the entire Chuck drive by means of a common tempering coolable or heated.
  • components which affect the mounting and / or positioning of the test probes 32 can also be tempered.
  • the various tempering devices, ie heat exchanger or Gaströmungsein- direction can be combined in a meaningful way for the various components of the positioning device of the Probers (Fig. 4).
  • FIG. 5 shows a sampler according to the invention, in which the chuck drive is tempered by means of a gas flow and the probe holder plate 9 is heated by means of a heat exchanger, but the probe heads 13 are arranged outside the housing.
  • the test substrate 1 is heated to the test temperature by means of the chuck 2.
  • the components of the Chuck drive and / or the probe heads 13 including their manipulators are heated to a temperature that will set in the thermal equilibrium state.
  • various methods including computer-assisted simulation methods, are available to the person skilled in the art.
  • the equilibrium temperature can be determined in experiments. Depending on the design of the prober or the materials used, differing equilibrium temperatures may also result for the individual components of the positioning device.
  • test substrate 1 and test probes 23 After setting the thermal equilibrium, which can be determined, for example, by means of the temperature sensors 29, 30, 31, the positioning of test substrate 1 and test probes 23 relative to one another and the contact of all test probes 23 are simultaneously effected on the contact pads of test substrate 1 by means of the positioning device. After the completion of the test, during which the contact was maintained without position correction, the contact is released and there is the positioning and contacting of the next test substrate 1. If the next test substrate 1 is another component of a wafer, which is arranged within a grid, can alone by Departure of the grid dimensions by means of the XY-cross table of Chuck drive, that is approached and contacted without repositioning the next component.
  • such components may also be in thermal contact with the test substrate 1 via heat radiation or indirect heat conduction, and be set at a predetermined time to a temperature above the test temperature, in order to accelerate the heating of the test substrate 1 achieve.
  • this overheating can be previously estimated or simulated, both in terms of temperature and time, by suitable methods.
  • the cooling after the test for substrate change is to be accelerated by lowering the components arranged in the environment to a temperature below the final temperature.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung eines Testsubstrats (1) unter definierten thermischen Bedingungen, wobei das zu prüfende Testsubstrat (1) durch einen temperierbaren Chuck (2) gehalten und auf eine definierte Temperatur eingestellt wird, das Testsubstrat (1) mittels zumindest einer Positionierungseinrichtung (3, 4, 5, 6, 7, 8) relativ zu Prüfsonden (32) positioniert und durch die Prüfsonden (32) zur Prüfung kontaktiert wird. Es wird vorgeschlagen, zumindest eine in der Umgebung des temperierten Testsubstrats (1) befindliche Komponente der Positionierungseinrichtung (3, 4, 5, 6, 7, 8) mittels einer Temperiereinrichtung (20, 27, 28) auf eine von der Temperatur des Testsubstrats (1) unabhängige Temperatur einzustellen und diese Temperatur konstant zu halten.

Description

Verfahren zur Prüfung eines Testsubstrats unter definierten thermischen Bedingungen und thermisch konditionierbarer
Prober
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Konditio- nierung eines Probers, der dem Prüfen und Testen von elektronischen Bauelementen bei definierten Temperaturen dient. Die Erfindung betrifft ebenso einen Prober zur Durchführung der thermischen Konditionierung.
Unter Prober wird nachfolgend eine elektrische Funktionen von elektronischen Bauelementen messende Prüfeinrichtung verstanden. Mit einem Prober sind die verschiedensten elektronischen Bauelemente in unterschiedlichen Fertigungsstadien zu prüfen oder testen. Z.B. können es sich Halbleiterbauelementen im Waferverband handeln oder um einzelne Bauelemente, wie Halblei- terchips, Hybridbauelemente, mikromechanische oder optische Bauelemente oder dergleichen, weshalb die zu prüfenden elektronischen Bauelemente im Folgenden allgemein als Testsubstrat bezeichnet sein sollen.
Ein solches Testsubstrat weist regelmäßig eine glatte und ebene Unterseite auf und wird zumindest mittelbar auf einem Chuck angeordnet und gehalten, der Bestandteil des Probers ist und eine glatte und ebene Aufnahmefläche zur Aufnahme des Testsubstrats besitzt. Mit dem Chuck ist das Testsubstrat im Arbeitsbereich mittels eines Chuckantriebes verfahrbar, so dass es relativ zu Prüfsonden des Probers positionierbar ist. Die Positionierung des Testsubstrats erfolgt im Allgemeinen in der horizontalen, d.h. X-Y-Ebene durch einen Kreuztisch sowie durch eine Vorrichtung zur winkligen Ausrichtung im Bereich weniger Grad und durch einen vertikalen, d.h. Z-Vortrieb, der z.B. eine Zustellbewegung des Testsubstrats in Richtung der über dem Testsubstrat angeordneten Prüfsonden ermöglicht.
Mitunter weisen auch die Halterungen der Prüfsonden eine eigene Positionierungseinrichtung auf, mit der z.B. die Ausrichtung mehrerer Prüfsonden relativ zueinander oder zu einer Vorzugsrichtung des Testsubstrats in X-, Y- und Z-Richtung oder eine Zustellbewegung zum Testsubstrat erfolgen kann.
Zur Prüfung wird das Testsubstrat mittels der Prüfsonden, welche die Form von Kontaktiernadeln haben, kontaktiert und mit Prüfsignalen beaufschlagt oder Prüfsignale abgegriffen. Die PrüfSignale können unterschiedlicher Art sein. Z.B. können Ausgangssignale durch andere Eingangsgrößen, wie zum Beispiel Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, erzeugt werden. Die Prüfsonden befinden sich im Allgemeinen außerhalb des Arbeitsbereiches auf dem oberen Gehäuseabschluss und kontaktieren durch eine Öffnung im Gehäuse das Testsubstrat.
Die Prüfung von elektronischen Bauelementen auf ihre Funktionssicherheit erfolgt in Probern vorzugsweise unter den Umgebungsbedingungen, die den Einsatzbedingungen des jeweiligen Bauele- mentes entsprechen, wobei die Einstellung des Testsubstrats auf definierte Temperaturen ein Schwerpunkt darstellt. Die Einstellung der Temperatur des Testsubstrats erfolgt über den Chuck, der mittels geeigneter Vorrichtungen heizbar oder kühlbar ist.
Zur Einstellung der Prüfbedingungen ist der Arbeitsbereich des Probers im Allgemeinen von einem Gehäuse umgeben. Solch ein von einem Gehäuse umgebener Prober ist aus dem DE 4109908 C2 bekannt. Das Gehäuse weist bei diesem Prober im unteren Abschnitt mehrere Einströmöffnungen und im oberen Gehäuseabschluss eine weitere Öffnung auf, die sowohl als Ausströmöff- nung als auch zur Zuführung der Prüfsonden dient. Mittels dieser Öffnungen wird bei der Prüfung im Bereich tieferer Temperaturen der Arbeitsbereich von einem Gas durchströmt, um den Niederschlag von Feuchtigkeit aus der umgebenden Atmosphäre auf dem Testsubstrat zu verhindern. Zur Einstellung der Temperatur, bei der die Prüfung des Testsubstrats erfolgen soll, wird der Chuck mit einem geeigneten Kühlmittel beaufschlagt. Zur Temperatureinstellung oder Einstellung weiterer kontrollierter Prüfbedingungen am Chuck ist dieser über Medienleitungen mit den entsprechenden außerhalb des Arbeitsbereiches befindlichen Quellen verbunden. Während in diesem Prober auch der Chuckantrieb aufgrund des Wärmeaustausches mit dem Chuck gekühlt wird, ist in der DE 102 46 282 Al ein Prober beschrieben, bei welchem die Aufnahmefläche des Chucks und der Chuckantrieb thermisch nahezu entkoppelt sind und das Testsubstrat von der Wärmestrahlung der umgebenden ungekühlten Baugruppen mittels eines direkt gekühlten Wärmestrahlungsschildes abgeschirmt ist. Gegenüber ersterem Prober konnte mit der thermischen Trennung der Zeit- und Arbeitsauf- wand für die Positionierung des Chucks in der für das Testsubstrat notwendigen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit deutlich verringert werden, da die Messzeit wesentlich von der Einstellung eines thermischen Gleichgewichts in der Messumgebung be- einflusst wird und diese Umgebung minimiert wurde.
Jedoch wurde stets, auch bei letztgenanntem Prober mit fortschreitender Messdauer eine Änderung der Bewegungsabläufe aufgrund der fortschreitenden Änderung der thermischen Verhältnisse der Positionierungseinrichtungen festgestellt, wodurch die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Prüfung bei verschiede- nen Temperaturen und verschiedenen Zeitabläufen unterschiedlich beeinträchtigt wird. Für Messungen mit kurzzeitigem Kontakt zwischen dem Substrat und den Prüfsonden bewirkt eine Temperaturdrift aufgrund der damit verbundenen Änderungen der thermischen Ausdehnungen von Prüfsonden und Komponenten der Positio- nierungseinrichtungen eine Verschiebung der Relativpositionen und folglich eine Änderung der Bewegungsabläufe z.B. beim Ab- rastern von Wiederholstrukturen. Für Langzeitmessungen, bei denen der Kontakt der Prüfsonden auf den Kontaktinseln des Testsubstrats für mehrere Stunden, mitunter auch Tage aufrecht- erhalten werden muss, verschieben sich die Relativpositionen mitunter soweit, dass die Prüfsonden die Kontaktinseln verlassen .
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, einen Prober zum Testen von Substraten bei definierten Temperaturen anzugeben, bei dem mit minimierten Zeitaufwand räumlich und thermisch definierte und reproduzierbare Prüfbedingungen für das Testsubstrat und für die mit dem Testsubstrat verbundenen Komponenten des Probers einzustellen und aufrechtzuerhalten sind.
Mit dem angegebenen Verfahren kann der thermische Einfluss, d.h. eine Temperaturänderung aufgrund Wärmestrahlung oder Wärmeleitung von Komponenten der Positionierungseinrichtung des Probers gezielt beeinflusst werden, die in einer Umgebung des Testsubstrats angeordnet sind. Als Umgebung sind dabei alle die Komponenten der Positionierungseinrichtung des Probers zu verstehen, mit denen ein Wärmeaustausch mit dem Testsubstrat durch eine der möglichen Wärmeübertragungsarten wahrscheinlich ist und/oder deren Temperaturänderung eine Verschiebung in der Relativposition zwischen Testsubstrat und Prüfsonden bewirken würde. Das betrifft somit die Sondenhalterplatte, welche die Prüfsonden und deren Manipulatoren hält und die darüber hinaus regelmäßig dem Testsubstrat gegenüber liegend angeordnet ist. Sowohl die Halterung als auch die Vorrichtungen zur Bewegung der Prüfsonden können aufgrund der Änderung der thermischen Ausdehnung die Position der Prüfsonden ändern.
Gleiches trifft auch auf die einzelnen Komponenten des Chuckan- triebs zu, abhängig davon, wie dieser aufgebaut ist. Welcher der Positionierungskomponenten temperierbar ausgeführt ist, hängt von deren Konstruktion und damit von der möglichen Posi- tionsänderung sowie von der zulässigen Positionsänderung bei der zu erwartenden Temperaturänderung ab. Die mögliche Positionsänderung wiederum wird wesentlich durch die Größe der Kontaktinseln des Testsubstrats bestimmt.
Infolge der Temperatureinstellung unabhängig von der Temperatur vom Substrat kann die Erwärmung oder Kühlung des Testsubstrats oder ebenso die Aufrechterhaltung einer definierten Temperatur gezielt beeinflusst werden. So wird ein Wärme- oder Kälteeintrag in das Testsubstrat über die Prüfsonden bei einer Anglei- chung beider Temperaturen verhindert. Darüber hinaus ist es möglich eine Verschiebung von Prüfsonden und Testsubstrat relativ zueinander zu verhindern, die durch eine Temperaturdrift in einem oder mehreren der Komponenten der Positionierungseinrichtung des Probers bedingt sein können. Eine solche Temperatur- drift kann zum einen eine Änderung der thermischen Ausdehnungen innerhalb der Positionierungseinrichtung und zum anderen in der Halterung bewirken, welche die Verbindung zwischen der Positionierungseinrichtung und Testsubstrat oder Prüfsonde realisiert.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann die einge- stellte Temperatur des Chuckantriebs deutlich von der des Testsubstrats abweichen, wodurch das thermische Ausdehnungsverhalten der Materialien des Chuckantriebs definiert einstellbar ist. Die definierte Einstellung des Ausdehnungsverhaltens über die Temperatur der Komponenten schließt sowohl die Minimierung der thermischen Ausdehnung bei Temperaturen nahe der Umgebungstemperatur als auch davon deutlich abweichende thermische Verhältnisse ein, die jedoch aufgrund der konstant gehaltenen Temperatur, unabhängig von der Einstellung eines thermischen Gleichgewichts mit den weiteren Komponenten des Probers, über die gesamte Prüfdauer konstant und somit kalkulierbar bleiben. Darüber hinaus können Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge zwischen einzelnen Tests deutlich beschleunigt werden.
Sofern die eingestellte und konstant gehaltene Temperatur des Chuckantriebs deutlich von der Temperatur abweicht, die sich nach längerer Zeit aufgrund des Wärmeaustausches im thermischen Gleichgewicht einstellen würde, ist die fortwährende Temperierung erforderlich. Ist die Gleichgewichtstemperatur jedoch bekannt oder z.B. in einer Probemessung zu ermitteln, sieht eine Ausgestaltung des Verfahrens vor, diese Gleichgewichtstem- peratur gezielt mittels der Temperiereinrichtungen einzustellen und so lange aktiv aufrecht zu erhalten, bis der thermische Gleichgewichtszustand hergestellt ist. Die Einstellung der Gleichgewichtstemperatur erfolgt in diesem Fall deutlich schneller als bei einem natürlichen Wärmeausgleich, nämlich etwa in der Zeit, in der auch das Testsubstrat temperiert wird. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass insbesondere bei längerer Prüfdauer der Energieaufwand reduzierbar ist, da die aktive Temperierung verkürzt werden kann und nur noch die Einhaltung der eingestellten Temperatur zu gewährleisten ist.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform wird auch den Antrieb einer Beobachtungseinheit des Probers temperiert, um deren Drift aus dem Kontaktbereich zwischen Testsubstrat und Prüfsonden zu vermeiden und so die fortlaufende Beobachtung des Kontakts zu gewährleisten. Da dieser Antrieb regelmäßig ent- fernt vom Testsubstrat und von den Sonden, häufig auch außerhalb des Gehäuses des Probers angeordnet ist, weicht die einzustellende Gleichgewichtstemperatur deutlich von der Testtemperatur ab, so dass die Temperatur des Antriebs der Beobachtungseinheit unabhängig von der Testtemperatur einstellbar sein soll.
Die Vorrichtungen zur Einstellung der Temperaturen der Komponenten der Positionierungseinrichtung des Probers können in Abhängigkeit von den Testsubstraten, von der Konstruktion und den verwendeten Materialien des Probers, von den einzustellen- den Temperaturen und von weiteren Parametern abhängen. Größere Temperaturdifferenzen sind z.B. mittels Wärmetauscher sehr präzise und zeit- und energieeffizient herzustellen oder auszugleichen, wenn diese in die einzelnen Komponenten integriert oder mit diesen zumindest in gutem thermischem Kontakt stehen. Ist hingegen ein der Kontakt eines temperierten Gases mit dem Testsubstrat unproblematisch oder liegen nur geringe Temperaturdifferenzen vor, können die betreffenden Komponenten durch eine gekühlte oder erwärmte Gasströmung auf die gewünschte Temperatur eingestellt werden. Hier ist z.B. eine Nachrüstbar- keit des Probers und Variabilität von Vorteil. Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
Fig. 1 und Fig. 2 Prober mit Gehäuse gemäß Stand der Technik;
Fig. 3 einen Prober mit Gehäuse und mit Temperiereinrich- tungen mit Wärmetauscher für alle Komponenten einer
Positionierungseinrichtung;
Fig. 4 einen Prober mit Gehäuse und mit verschiedenen Temperiereinrichtungen für alle Komponenten einer Positionierungseinrichtung und
Fig. 5 einen Prober gemäß Fig. 4, bei dem jedoch die Son- denhalterung und deren Manipulatoren außerhalb des Gehäuses angeordnet sind.
Ein Prober gemäß Stand der Technik zur Prüfung eines Testsubstrats, welches zur Prüfung auf eine definierte Temperatur einstellbar ist, weist innerhalb eines Gehäuses 11, welches als EMV-Schirmung ausgebildet ist, einen temperierbaren Chuck 2 auf, der kühlbar und/oder heizbar ist, so dass ein darauf angeordnetes Testsubstrat, z.B. ein Wafer auf eine Temperatur einstellbar ist, die bei einigen hundert Grad oder auch im Tief- temperaturbereich liegen kann.
Der Chuck 2 weist einen Chuckantrieb auf, mit dem das Testsubstrat 1 in X-, Y- und Z-Richtung beweglich sowie um einen Winkel Theta drehbar ist. Die Bewegungen in X- und in Y-Richtung werden durch einen X- bzw. Y-Schlitten 7 bzw. 5 in Verbindung mit einem X- bzw. Y-Stator 8 bzw. 6, die Bewegung in Z-Richtung durch einen Z-Antrieb 4 und die Drehung durch einen Theta- Antrieb 3 realisiert. Der Chuckantrieb einschließlich Chuck und darauf angeordnetem Testsubstrat sind zur Stabilisierung auf einer Basisplatte 10 angeordnet. Das Gehäuse selbst ist auf einem Gestell 16 angeordnet.
Den oberen Abschluss des Gehäuses 11 bildet eine Sondenhalter- platte 9, auf welcher die Sondenhalterungen mit den Prüfsonden 32 angeordnet sind. Die Sondenhalterungen gemäß Fig. 1 weisen jeweils einen Manipulator auf, welcher der Positionierung der Prüfsonden 32 in X-, Y- und Z-Richtung dienen. Die Sondenhalterungen mit Manipulator werden allgemein als Probe-Head 13 be- zeichnet.
Sowohl der Chuckantrieb als auch die Manipulatoren der Sonder- halterung dienen der Positionierung des Testsubstrats 1 relativ zu den Prüfsonden 32 und sind deshalb Komponenten der Positionierungseinrichtung des Probers, wobei der Chuckantrieb selbst ebenfalls aus den oben beschriebenen, die einzelnen Bewegungsrichtungen realisierenden Komponenten besteht. Entsprechend der jeweiligen Konzeption der Bewegungsabläufe in anderen Ausführungsformen eines Probers kann dessen Positionierungseinrichtung auch weniger oder ergänzende Komponenten umfassen.
Zur Realisierung der EMV-Schirmung des Testsubstrats 1 gegenüber den Probe-Heads 13 wird unterhalb der Sondenhalterplatte 9 und über dem Testsubstrat 1 ein plattenförmiges EMV-Schild 12 angeordnet. Das nachfolgend beschriebene Prüfverfahren und die dafür verwendete Vorrichtung sind jedoch nicht auf solch eine EMV-Schirmung oder auf einen Prober mit EMV-Schirmung beschränkt. Vielmehr stellt sich das oben beschriebene Problem unabhängig von einer EMV-Schirmung mittels Schild und/oder Gehäuse und ist deshalb auch für Prüfungen von Testsubstraten einsetzbar, die keiner EMV-Schirmung bedürfen.
Die Positionierung der Spitzen der Prüfsonden 32 auf dem Testsubstrat 1 und die Prüfung selbst ist mittels eines Mikroskops 15, das mit einer Kamera kombiniert sein kann, zu beobachten. Dazu ist das Mikroskop 15 über einer Öffnung in der Sondenhalterplatte 9 und dem EMV-Schild 12 angeordnet und ist mittels eines eigenen Mikroskopantriebs 14 in X-, Y- und Z-Richtung beweglich.
Eine Ausgestaltung eines Probers nach Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Der Prober gemäß Fig. 2, der ebenfalls den Stand der Technik darstellt, weist ergänzend zu den oben beschriebe- nen Bauteilen Oberkammern 17 auf, welche die Probe-Heads umschließen und einen vollständigen Abschluss des Probervolumens zur umbebenden Atmosphäre bilden. Der Abschluss zum Mikroskop wird mittels einer Objektivdichtung 18 realisiert. Eine solche Ausführung wird zum Beispiel für Prüfungen bei tieferen Temperaturen verwendet.
Einen Prober gemäß Fig. 2, welcher durch Temperiereinrichtungen für alle Komponenten der Positionierungseinrichtung ergänzt wurde, ist in Fig. 3 dargestellt. Der erfindungsgemäße Prober in Fig. 3 weist als Bestandteil seines X-Y-Schlittens einen X- Stator 8 auf. Dieser umfasst einen Wärmetauscher 27, welcher den X- und ebenso einen Y-Stator sowie den X- und Y-Schlitten erwärmen oder kühlen kann. Dazu wird über eine Zu- und Ableitung 23 ein auf die erforderliche Temperatur eingestelltes, gasförmiges oder flüssiges Temperierfluid durch den Wärmetauscher 27 geleitet, der über den flächigen, gut wärmeleitenden Kontakt mit dem Y-Stator und den beiden Schlitten in Verbindung steht.
Auf die gleiche Weise wird der Z-Antrieb temperiert, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die Zu- und Ableitungen des
Temperierfluids für den Z- und Theta-Antrieb 24 von den Zu- und
Ableitungen für den X- und Y-Antrieb 23 abzweigen, um alle
Antriebe ohne weiteren Regelaufwand auf die gleich Temperatur einzustellen. Selbstverständlich sind hier auch getrennte FIu- idkreisläufe verwendbar, so dass die Temperatur der einzelnen
Komponenten des Chuckantriebs getrennt voneinander einstellbar ist. Alternativ sind in Abhängigkeit von der einzustellenden
Temperatur auch andere Ausgestaltungen zur Temperierung des
Chuckantriebs möglich. Ist z.B. nur eine Erwärmung der Kompo- nente erforderlich, sind auch elektrische Heizungen einsetzbar oder eine Kombination von beidem, um eine schnellere Erwärmung und Abkühlung zu erzielen.
In jedem Fall aber ist die Temperatureinstellung der Komponenten der Positionierungseinrichtung unabhängig von der Tempera- tureinstellung des Chucks 2 und damit des Testsubstrats 1 möglich. Zur Einstellung und Regelung der Temperatur der einzelnen Komponenten weisen in einer Ausführungsform alle temperierten Komponenten Temperaturfühler 29, 30, 31 auf, die Messglied eines Regelkreislaufs sein können.
Der Prober gemäß Fig. 3 weist auch Wärmetauscher 20 für die Sondenhalterplatte auf, die ebenfalls von einem Temperierfluid durchströmt werden und auf diese Weise über den thermischen Kontakt die Probe-Heads 13 mit deren Manipulatoren temperieren. Zur Einstellung der möglichen Temperaturen wird auf die obigen Darlegungen zur Temperierung der anderen Komponenten der Positionierungseinrichtung verwiesen. Alternativ ist auch der Pro- be-Head 13 direkt über eine geeignete Heiz- oder Kühleinrichtung oder über eine temperierte Gasströmung, wie unten zum Chuckantrieb beschrieben auf die erforderliche Temperatur einzustellen. Auf diese Weise ist eine Änderung der Positionierung der Prüfsonden 32 auf dem Testsubstrat 1 infolge der Änderung der thermischen Ausdehnung in der Halterung der Prüfsonden 23 und deren Positionierungseinheit im Verlaufe von Wärmeaus- gleichsprozessen während der Prüfung zu verhindern.
Gleiches ist auch für die Beobachtungseinheit 15 realisierbar, indem auch deren Antrieb 14 eine Temperiereinrichtung 22 aufweist, wobei diese Temperierung keinen Einfluss auf die Positionierung sondern nur auf die Beobachtungsposition hat. Aus diesem Grund kann eine solche Temperierung des Mikroskopantriebs auch alternativ entfallen (Fig. 4), sofern Verschiebungen der Beobachtungseinheit 15 relativ zu den Spitzen der Prüfsonden 23 korrigiert werden.
Die oben beschriebenen Möglichkeiten der Einstellung von defi- nierten Temperaturen sind in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch mittels einer temperierten Gasströmung möglich, indem mittels Ausströmelemente 26 die Gasströmung auf die betreffende Komponente der Positionierungseinrichtung gerichtet wird. In Fig. 4 ist auf diese Weise der gesamte Chuckantrieb mittels einer gemeinsamen Temperiereinrichtung kühl- oder heizbar. In vergleichbarer Weise sind auch Komponenten temperierbar, welche die Halterung und/oder Positionierung der Prüfsonden 32 betreffen. Selbstverständlich können die verschiedenen Temperiereinrichtungen, d.h. Wärmetauscher oder Gaströmungsein- richtung in sinnvoller Weise für die verschiedenen Komponenten der Positionierungseinrichtung des Probers kombiniert werden (Fig. 4) .
Auch ist der Einsatz der beschriebenen Temperiereinrichtungen für verschiedene Gestaltungen von Probern möglich. Fig. 5 stellt einen erfindungsgemäßen Prober dar, in dem der Chuckan- trieb mittels einer Gasströmung und die Sondenhalterplatte 9 mittels Wärmetauscher temperiert wird, die Probe-Heads 13 jedoch außerhalb des Gehäuses angeordnet sind.
Zur Prüfung des Testsubstrats 1 bei einer Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur wird das Testsubstrat 1 mittels des Chucks 2 auf die Testtemperatur erwärmt. Gleichzeitig werden wie oben beschrieben auch die Bauteile des Chuckantriebs und/oder der Probe-Heads 13 einschließlich deren Manipulatoren auf eine Temperatur erwärmt, die sich im thermischen Gleichgewichtszustand einstellen wird. Zur Ermittlung der Gleichgewichtstemperatur stehen dem Fachmann verschiedene Methoden, auch rechnergestützte Simulationsverfahren zur Verfügung. Alternativ ist die Gleichgewichtstemperatur auch in Versuchen feststellbar. In Abhängigkeit von der Konstruktion des Probers oder den verwendeten Materialien können sich auch voneinander abweichende Gleichgewichtstemperaturen für die einzelnen Komponenten der Positionierungseinrichtung ergeben.
Nach der Einstellung des thermischen Gleichgewichts, was z.B. mittels der Temperaturfühler 29, 30, 31 feststellbar ist, erfolgt die Positionierung von Testsubstrat 1 und Prüfsonden 23 relativ zueinander und die Herstellung des Kontakts aller Prüfsonden 23 gleichzeitig auf den Kontaktinseln des Testsubstrats 1 mittels der Positionierungseinrichtung. Nach der Beendigung des Tests, während dem der Kontakt ohne Positionskorrektur aufrechterhalten wurde, wird der Kontakt gelöst und es erfolgt die Positionierung und Kontaktierung des nächsten Testsubstrats 1. Sofern das nächste Testsubstrat 1 ein weiteres Bauelement eines Wafers ist, welches innerhalb eines Rasters angeordnet ist, kann allein durch Abfahren der Rastermaße mittels des X-Y- Kreuztisches des Chuckantriebs, d.h. ohne Nachpositionierung das nächste Bauelement angefahren und kontaktiert werden.
Ergänzend können in einer Ausgestaltung des Verfahrens auch solche Bauteile, über Wärmestrahlung oder indirekte Wärmeleitung mit dem Testsubstrat 1 in thermischem Kontakt stehen, für einen vorbestimmten Zeitpunkt auf eine solche Temperatur eingestellt werden, die über der Testtemperatur liegt, um eine schnellere Aufheizung des Testsubstrats 1 zu erzielen. Wie oben für die Gleichgewichtstemperatur beschrieben, kann diese Überhitzung sowohl hinsichtlich der Temperatur als auch hinsichtlich der Zeit über geeignete Verfahren zuvor abgeschätzt oder simuliert werden. In gleicher Weise ist auch die Abkühlung nach dem Test zum Substratwechsel durch eine Absenkung der in der Umgebung angeordneten Komponenten auf eine Temperatur unterhalb der Endtemperatur zu beschleunigen.
Verfahren zur Prüfung eines Testsubstrats unter definierten thermischen Bedingungen und thermisch konditionierbarer
Prober
Bezugszeichenliste
1 Testsubstrat, Wafer
2 temperierbarer Chuck
3 Theta-Antrieb
4 Z-Antrieb 5 Y-Schlitten
6 Y-Stator
7 X-Schlitten
8 X-Stator
9 Sondenhalterplatte 10 Basisplatte
11 Gehäuse
12 EMV-Schild
13 Probe-Head
14 Mikroskopantrieb 15 Beobachtungseinheit, Mikroskop
16 Gestell
17 Oberkämmer
18 Objektivdichtung
19 Zu- und Ableitung eines Temperierfluids 20 Wärmetauscher für Sondenhalterplatte
21 Zu- und Ableitung eines Temperierfluids
22 Wärmetauscher Mikroskopantrieb
23 Zu- und Ableitung eines Temperierfluids
24 Zu- und Ableitung eines Temperierfluids 25 Zuleitung Temperiergas
26 Ausströmelemente Wärmetauscher für X-Y-Antrieb Wärmetauscher für Theta- und Z-Antrieb Temperaturfühler T1 Temperaturfühler T2 Temperaturfühler T3 Prüfsonden

Claims

Verfahren zur Prüfung eines Testsubstrats unter definierten thermischen Bedingungen und thermisch konditionierbarerProberPatentansprüche
1. Verfahren zur Prüfung eines Testsubstrats unter definierten thermischen Bedingungen wobei das zu prüfende Testsubstrat durch einen temperierbaren Chuck gehalten und auf eine definierte Temperatur eingestellt wird, das Testsubstrat mittels zumindest einer Positionierungseinrichtung relativ zu Prüfsonden positioniert und durch die Prüfsonden zur Prüfung kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest eine in der Umgebung des temperierten Testsubstrats befindliche Komponente der Positionierungseinrichtung mittels einer Temperiereinrichtung auf eine von der Temperatur des Testsubstrats unabhängige Temperatur eingestellt und diese Temperatur konstant gehalten wird.
2. Verfahren zur Prüfung eines Testsubstrats nach An- spruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Komponente der Positionierungseinrichtung auf eine erwartete Temperatur eingestellt wird, auf die sich besagte Komponente im thermischen Gleichgewichtszustand des Probers einstellen würde und die Einstellung dieser Temperatur innerhalb der Zeit erfolgt, in der das Testsubstrat auf die Prüftemperatur temperiert wird.
3. Verfahren zur Prüfung eines Testsubstrats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Komponente der Positionierungseinrichtung auf eine Tem- peratur eingestellt wird, die deutlich von der Prüftem- peratur des Testsubstrats abweicht.
4. Verfahren zur thermischen Konditionierung eines Probers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kenn z e i chne t , dass das Testsubstrat mittels eines Chuckantriebs positioniert wird und zumindest eine Kom¬ ponente des Chuckantriebs auf die gewünschte Temperatur eingestellt wird.
5. Verfahren zur thermischen Konditionierung eines Probers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge - kenn z e i chne t , dass die Prüfsonden mittels eines Manipulators positionierbar sind und der Manipulator auf die gewünschte Temperatur eingestellt wird.
6. Verfahren zur Prüfung eines Testsubstrats nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kenn - z e i chne t , dass die Prüfung mittels einer positio¬ nierbaren Beobachtungseinheit beobachtet wird und der Antrieb der Beobachtungseinheit mittels einer Tempe¬ riereinrichtung auf eine von der Temperatur des Testsubstrats unabhängige Temperatur eingestellt und diese Temperatur konstant gehalten wird.
7. Verfahren zur Prüfung eines Testsubstrats nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kenn z e i chne t , dass die Temperierung mittels Wärmetau¬ scher erfolgt.
8. Verfahren zur Prüfung eines Testsubstrats nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kenn z e i chne t , dass die Temperierung mittels gerichteter Strömung eines temperierten Gases erfolgt.
9. Thermisch konditionierbarer Prober mit einem temperier- baren Chuck zur Aufnahme und zur Temperierung eines Testsubstrats, mit Prüfsonden zur Kontaktierung des Testsubstrats und mit einer Positionierungseinrichtung zur Positionierung des Testsubstrats relativ zu den Prüfsonden, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest eine in der Umgebung des temperierten Testsubstrats befindliche Komponente der Positionierungsein- richtung eine Temperiereinrichtung umfasst, zur Einstellung einer definierten, konstant zu haltenden und von der Temperatur des Testsubstrats unabhängigen Temperatur .
10. Thermisch konditionierbarer Prober nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass der Chuck einen Chuckantrieb zur Positionierung des Testsubstrats aufweist und zumindest eine Komponente des Chuckantriebs mittels einer Temperiereinrichtung auf die gewünschte Temperatur einstellbar ist.
11. Thermisch konditionierbarer Prober nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , dass der Prober zumindest einen Manipulator zur Positionierung der Prüfsonden umfasst und der Manipulator mittels einer Temperiereinrichtung auf die gewünschte Temperatur einstellbar ist.
12. Thermisch konditionierbarer Prober nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , dass der Manipulator auf einer Sondenhalterplatte angeordnet ist und indirekt über die Sondenhalterplatte mittels einer Tempe- riereinrichtung auf die gewünschte Temperatur einstellbar ist.
13. Thermisch konditionierbarer Prober nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet , dass eine Temperiereinrichtung einen Wärmetauscher umfasst.
14. Thermisch konditionierbarer Prober nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet , dass eine Temperiereinrichtung eine Strömungseinrichtung zur Erzeugung einer Strömung eines temperierten Gases auf eine Komponente der Positionierungseinrichtung umfasst.
15. Thermisch konditionierbarer Prober nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet , dass der Prober eine bewegliche Beobachtungseinheit zur Beo- bachtung der Prüfung umfasst und deren Antrieb eine
Temperiereinrichtung umfasst, zur Einstellung einer definierten, konstant zu haltenden und von der Temperatur des Testsubstrats unabhängigen Temperatur.
16. Thermisch konditionierbarer Prober nach einem der An- sprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet , dass der Prober ein elektromagnetische Strahlung abschirmendes Gehäuse aufweist, welches die Positionierungseinrichtung des Probers zumindest teilweise umschließt.
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