CN106206352B - 一种微纳级半导体光电特性三维检测*** - Google Patents

Abstract

一种微纳级半导体光电特性三维检测***，根据本发明的微纳级半导体光电特性三维检测***包括：光信号激励源/CCD显微镜1，用于为晶圆4提供光激励输入信号，并提供机器视觉；IV/CV/脉冲/噪声测量装置12，用于对晶圆4提供激励信号并采集被测晶圆4输出信号；超低温环境水汽检测循环除湿装置13，用于检测并降低低水汽含量；大跨层温度控制装置14，为被测晶圆提供宽温环境；微弱信号提取单元11，用于测量被测晶圆输出的微弱信号；双重针压检测装置3及探针2，用于接触晶圆并对准位置及接触面；卡盘5，用于承载被测晶圆；四轴移动台体6，用于XYZ轴线性移动和R轴旋转移动；密封屏蔽暗箱7，用于为被测晶圆提供稳定的光暗、温湿度测试环境；控制计算机和数据分析软件15，用于实现***的一体化协调控制，被测晶圆检测数据的处理及分析。根据本发明的微纳级半导体光电特性三维检测***可实现高精度、高可靠的高低温条件下自动化的半导体光电特性三维检测。

Description

一种微纳级半导体光电特性三维检测***

技术领域

本发明涉及半导体制造以及测试领域，更具体地说，本发明涉及一种微纳级半导体光电特性三维检测***。

背景技术

导体制造业是新一代信息技术产业的基石，标志半导体制造能力的除了工艺加工精度外还有重要的一条就是工艺控制能力，而晶圆级的光/电参数测试是反映工艺波动的重要依据之一。

随着光电技术的发展，作为光电***核心之一的光电探测器开始向着阵列化、集成化、高速、高灵敏度等方向发展。如何在晶圆级进行光/电参数测试是提高工艺控制能力的关键之一，同时也是进行芯片筛选，提高后续成品率并降低制造成本的重要途径。

目前，国外直径300mm的晶圆制造技术已经很成熟，全球新投产的半导体生产线大部分使用直径为300mm的晶圆。国内晶圆制造水平与国外相比有很大差距，仍以直径100mm～200mm的晶圆为主流产品，定位精度以及温度控制精度较低，并且例如大多产品只能在常温下进行测试，例如展芯FL系列等，难以满足半导体晶圆检测多样化的需求。大行程高定位精度的高低温检测设备一直被国外品牌垄断，从生产工艺到测试方法，从生产测试设备到清洗封装等***支持设备，几乎都要从国外引进。

发明内容

本发明紧盯国内外半导体晶圆检测技术发展趋势，突破大面积高均匀性的高精度恒温控制技术；大行程精密移动控制技术；探针自对准定位与压力控制技术；微弱信号检测与处理技术；自动测试控制技术。发明一种微纳级半导体光电特性三维检测***，***包括：光信号激励源，用于为晶圆提供光激励输入信号；可自动对焦高清CCD显微镜，用于提供机器视觉；IV/CV/脉冲/噪声测量装置，用于对晶圆提供激励信号并采集被测晶圆输出信号；超低温环境水汽检测循环除湿装置，用于检测并降低水汽含量，防止超低温环境检测中结霜现象；大跨层温度控制装置，为被测晶圆提供宽温环境；微弱信号提取单元，用于测量被测晶圆输出的微弱信号；双重针压检测装置及探针，用于接触晶圆并调整对准位置及接触面；卡盘，用于承载被测晶圆；四轴移动台体，用于XYZ轴线性移动和R轴旋转移动；密封屏蔽暗箱，用于为被测晶圆提供稳定的光暗、温湿度测试环境；控制计算机和数据分析软件，用于实现***的一体化协调控制，被测晶圆检测数据的处理及分析。

优选的，在上述微纳级半导体光电特性三维检测***中，所述大跨层温度控制装置可实现-60℃～200℃，温度偏差±0.25℃@300mm；

优选的，在上述微纳级半导体光电特性三维检测***中，所述四周移动台体可实现XY轴移动行程300mm，定位精度0.5µm；Z轴移动行程15mm，定位精度1µm；R轴移动范围：±10°，定位精度±0.3'；

优选的，所述的微纳级半导体光电特性三维检测***具备探针自对准和压力控制功能；

优选的，所述的微纳级半导体光电特性三维检测***具备超低温环境水汽检测循环除湿功能；

优选的，所述的微纳级半导体光电特性三维检测***是一种自动测试***。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的***组成框图；

图2 为本发明的整体结构示意图；

图3 为本发明的内部结构示意。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明的目的是提供一种微纳级半导体光电特性三维检测***，请参照图1、图2、图3所示，图1为本发明实施例提供的***组成框图，图2为整体结构示意图，图3为本发明的内部结构示意图。本实施例中微纳级半导体光电特性三维检测***包括：1、光信号激励源/CCD显微镜；2、探针；3、双重针压检测；4、被测晶圆；5、卡盘；6、4轴移动台体；7、密封屏蔽暗箱；9、显微镜移动台、10、信号/控制/氮气接入口；11、弱信号提取；12、IV/CV/脉冲/噪声测量装置；13、超低温环境水汽检测循环除湿；14、大跨层温度控制；15、控制计算机和数据分析软件组成。如图2所示，本发明通过7、密封屏蔽暗箱保证其内部的气密性及光暗环境。其8、内部结构示意如图3所示。

所述1、光信号激励源/CCD显微镜；2、探针；4、被测晶圆；5、卡盘；6、4轴移动台体；9、显微镜移动台均在7、密封屏蔽暗箱内部。7、密封屏蔽暗箱可保证其8、内部结构的气密性及光暗环境。通过5、卡盘固定4、被测晶圆，所述的5、卡盘与6、4轴移动台体相固定，通过其自对准使2、探针对准所述4、被测晶圆。所述1、光信号激励源/CCD显微镜位于4、被测晶圆上方，固定于9、显微镜移动台，通过适当的光信号，将高质量的测试图像通过10、信号/控制/氮气接入口传输到15、控制计算机和数据分析软件。在测试过程中，通过3、双重针压检测保证4、被测晶圆不被2、探针划伤。2、探针可作为电压源或电流源与4、被测晶圆接触并通过11、弱信号提取将提取信号传入12、IV/CV/脉冲/噪声测量装置，最后通过10、信号/控制/氮气接入口传入15、控制计算机和数据分析软件。所述的14、大跨层温度控制可根据不同的实验需求可构建-60℃～200℃区间内任意温度并且具有很小温度偏差（±0.25℃@300mm）的测试环境，温度通过5、卡盘传递给4、被测晶圆。当在低温（-60℃）进行测试时，为防止4、被测晶圆结霜，通过13、超低温环境水汽检测循环除湿与10、信号/控制/氮气接入口实时检测晶圆安装位置水汽含量，保证水汽含量≤5000ppm，并据此调节充入氮气流量，保证在超低温环境下的无霜控制。

其中，在所述的14、温度控制中，建立了晶圆卡盘大跨层大面积温度热力学模型，实现-60℃～200℃大跨层温度区间的±0.25℃@300mm温度精度。卡盘温度控制采用单压缩机制冷，电加热方式制热方式。由于物理模型自身的复杂性，在进行卡盘大面积温度热力学模型建立与计算时，需进行以下假设：

（1）在稳态工况下计算模型内的温度场，因此所有微分方程中忽略时间项；

（2）卡盘所处屏蔽暗箱内空气为干空气且为牛顿流体，密度及定压比热容为定值；

（3）屏蔽箱内空气在固体壁面上满足无滑移条件；

（4）满足Boussinesq，即忽略流体中粘性耗散。

标准k-ε模型是典型的两方程模型。该模型稳定性高，计算量适中，有较多的数据积累和较高的精度，应用广泛。本发明中，模型中空气的流动情况满足标准k-ε模型的适用条件，故湍流模型采用标准k-ε模型，并在近壁面处采用标准壁面函数法进行处理，并形成控制方程为：

其中为某个变量，是变量扩散系数，S是源项。上式中，各变量、扩散系数及源项见表1

表1各控制方程中变量、扩散系数及源项

上述基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种微纳级半导体光电特性三维检测***，包括：光信号激励源和CCD显微镜（1），在被测晶圆（4）进行光响应特性测试时，光信号激励源为晶圆（4）提供光激励输入信号，被测晶圆检测初始对准时，CCD显微镜提供机器视觉，检测过程中实时监测移动台走针和被测晶圆状态，IV、CV、脉冲和噪声测量装置（12），被测晶圆（4）检测过程中，对被测晶圆（4）提供激励信号，并通过微弱信号提取单元（11）及探针（2）采集被测晶圆（4）输出信号，完成IV、CV、脉冲、噪声指标检测，超低温环境水汽检测循环除湿装置（13），被测晶圆（4）超低温环境测试时，水汽结霜速度加快，该装置实现低水汽含量高精度检测及高速循环除湿，为被测晶圆（4）提供无霜环境，实现被测晶圆（4）超低温环境下检测不结霜，大跨层温度控制装置（14），通过对卡盘（5）加热或制冷为被测晶圆（4）提供宽温环境，微弱信号提取单元（11），通过探针（2）对被测晶圆（4）提供激励信号，同时测量被测晶圆（4）输出信号，双重针压检测装置（3）及探针（2），探针（2）是被测晶圆（4）光电检测的接触媒介，在被测晶圆（4）检测前，通过双重针压检测装置（3），其中通过CCD监测探针位置及形变程度结合当前压力数值，形成双重检测，调整探针（2）与被测晶圆（4）的对准位置与接触面，保证探针（2）与被测晶圆（4）可靠接触，同时不会划伤被测晶圆（4），卡盘（5），被测晶圆（4）的承载台，四轴移动台体（6），移动台体（6）通过精密控制可实现大行程高精度的XYZ轴线性移动和R轴旋转移动，密封屏蔽暗箱（7），其分为内外两层，外层为外壳，内层为保温隔热层，为被测晶圆（4）提供稳定光暗、温湿度的检测环境，控制计算机及数据分析软件（15），控制计算机实现光信号激励源和CCD显微镜（1），IV、CV、脉冲和噪声测量装置（12），超低温环境水汽检测循环除湿装置（13），大跨层温度控制装置（14），四轴移动台体（6）一体化协调控制，同时通过数据分析软件实现被测晶圆（4）检测数据的处理及分析，统计被测晶圆（4）芯片的合格品，其特征在于，通过所述超低温环境水汽检测循环除湿装置（13）与信号、控制和氮气接入口（10）实时检测晶圆安装位置水汽含量，保证水汽含量≤5000ppm，并据此调节充入氮气流量，保证在低温环境下的无霜控制。

2.根据权利要求1所述的微纳级半导体光电特性三维检测***，其特征在于，所述CCD显微镜（1）为可自动变焦的高清CCD显微镜。

3.根据权利要求1所述的微纳级半导体光电特性三维检测***，其特征在于，所述的超低温环境水汽检测循环除湿装置（13）可使***在-60℃环境下保持无霜状态。

4.根据权利要求1或3所述的微纳级半导体光电特性三维检测***，其特征在于，所述的大跨层温度控制装置（14）可实现-60℃～200℃大跨层温度区间的±0.25℃@300mm温度精度。

5.根据权利要求1所述的微纳级半导体光电特性三维检测***，其特征在于，所述的微弱信号提取单元（11）所提取的微弱信号为非平稳信号且处于nA、pF级别。

6.根据权利要求1所述的微纳级半导体光电特性三维检测***，其特征在于，所述的双重针压检测装置（3）及探针（2）可实现探针测试位置自对准与压力控制。

7.根据权利要求1所述的微纳级半导体光电特性三维检测***，其特征在于，所述的卡盘（5）可将高低温传导至被测晶圆。

8.根据权利要求1所述的微纳级半导体光电特性三维检测***，其特征在于，所述的四轴移动台体（6）通过精密控制，XY轴移动行程300mm，定位精度0.5µm；Z轴移动行程15mm，定位精度1µm；R轴移动范围±10°，定位精度±0.3'。

9.根据权利要求1或8所述的微纳级半导体光电特性三维检测***，其特征在于，所述的微纳级半导体光电特性三维检测***可完成晶圆（4）自动检测。

10.根据权利要求1或3所述的微纳级半导体光电特性三维检测***，其特征在于，所述的密封屏蔽暗箱（7）为被测晶圆（4）提供光学暗室环境，实现被测晶圆暗计数、暗电流测量；在检测时起噪声屏蔽作用，提高被测晶圆（4）输出信号信噪比；在超低温环境测试时，密封屏蔽暗箱（7）保护被测晶圆（4）测试环境的气密性，在超低温环境水汽检测循环除湿装置（13）作用下不结霜。