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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Halbleiterwafer mit einer Vielzahl von
Sensorelementen, wobei jedes Sensorelement einen Versorgungsspannungsanschluss, einen
Masseanschluss und mindestens einen Sensorsignalausgang aufweist.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vermessen derartiger Sensorelemente
im Waferverbund.
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Derzeit
werden Siliziumsensoren auf Waferebene rein elektrisch getestet.
In der Praxis werden dazu Test- und Handlingsysteme verwendet, die durch
Aufsetzen von Nadeln an bestimmten Kontaktstellen der Sensorelemente
elektrische Stimuli erzeugen, um Spannungen und Ströme
bei unterschiedlichen Temperaturen zu erfassen und so die elektrischen
Funktionsparameter der einzelnen Sensorelemente zu bewerten. Das
Anfahren und Feinpositionieren der Nadeln an den Kontaktstellen
muss für jedes Sensorelement auf dem Wafer gesondert durchgeführt
werden. Je mehr Sensorelemente auf dem Wafer angeordnete sind, um
so mehr Zeit wird demnach für die mechanische Positionierung
der Kontaktnadeln benötigt. Außerdem wird diese
Positionierung immer kritischer, da die Sensorelemente immer kleiner
werden.
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Erst
nach Vereinzelung und Verpackung bzw. Montage werden die einzelnen
Sensorelemente unter Beaufschlagung von nichtelektrischen Stimuli, wie
z. B. Druck, Beschleunigung, Drehrate, etc., vermessen und abgeglichen.
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In
der
DE 696 33 713
T2 werden Maßnahmen zur elektronischen Auswahl
und zum elektronischen Testen von nicht vereinzelten Chips auf einem Wafer
beschrieben. Damit sollen noch vor dem Vereinzeln schlechte Chips
identifiziert und ausgesondert werden, um den Herstellungsprozess
nur mit den zum Testzeitpunkt guten Chips weiterzuführen und
so eine möglichst hohe Ausbeute an funktionsfähigen
Bauteilen zu erzielen. Dazu sind alle auf einem Wafer realisierten
Chips an ein Bussystem mit einer Waferversorgungsspannungs-Busleitung
und einer Wafermasse-Busleitung angeschlossen. Über dieses Bussystem
wird den Chips elektrische Energie zugeführt. Defekte,
insbesondere kurzschlussbehaftete Chips lassen sich identifizieren
und gegebenenfalls vom Bussystem trennen. Des Weiteren wird mit
der
DE 696 33 713
T2 vorgeschlagen, die integrierten Schaltungen der einzelnen
Chips so auszulegen, dass sie im Rahmen der im Waferverbund durchgeführten
Tests wahlweise aktiv oder in einem Bypass-Modus betrieben werden
können. Ist ein Chip aktiv geschaltet, so werden seine
Kontaktstellen über das Bussystem und die benachbarten
im Bypass-Modus befindlichen Chips mit elektrischen Testsignalen
beaufschlagt, um die Funktionalität des ausgewählten
Chips zu prüfen.
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Offenbarung der Erfindung
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Im
Unterschied dazu werden mit der vorliegenden Erfindung Maßnahmen
zum Vermessen von Sensorelementen im Waferverbund vorgeschlagen, wobei
die Sensorelemente mit nichtelektrischen, also mechanischen und/oder
chemischen Stimuli beaufschlagt werden, wie z. B. Druck, Beschleunigung, Drehrate,
etc..
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Dazu
soll auf einem Halbleiterwafer der eingangs genannten Art ein Bussystem
integriert werden, an das zumindest die Masseanschlüsse
der Sensorelemente angeschlossen sind und über das eine
Versorgungsspannung an die Sensorelemente angelegt werden kann.
Zudem soll jedes Sensorelement mit mindestens einem ansteuerbaren
Schalterelement zum Auswählen des Sensorelements ausgestattet
sein, so dass lediglich ein ausgewähltes Sensorelement
Sensorsignale an eine Diagnoseeinrichtung liefert.
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Im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Vermessen
von Sensorelementen auf einem solchen Halbleiterwafer wird der gesamte
Wafer mit allen Sensorelementen mit nicht elektrischen Stimuli beaufschlagt.
Durch Ansteuerung des entsprechenden Schalterelements wird mindestens
ein Sensorelement ausgewählt, so dass jeweils das auf Stimuli
reagierende Sensorsignal des mindestens einen ausgewählten
Sensorelements von einer Diagnoseeinrichtung erfasst wird.
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Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen
nicht nur das Identifizieren und Aussondern von schlechten, fehlerhaften
Sensorelementen, sondern auch die Berechnung von individuellen Abgleichparametern
für jedes einzelne Sensorelement auf einem Halbleiterwafer.
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Die
vorliegende Erfindung lässt sich sowohl auf Sensorelemente
anwenden, die elektrische Sensorsignale liefern, als auch auf Sensorelemente,
die optische Sensorsignale aussenden. Die Diagnoseeinrichtung muss
dann dem Typ des Sensorelements entsprechend ausgelegt sein.
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Auch
die Funktionsweise des Schalterelements zum Auswählen eines
Sensorelements kann von dessen Typ abhängen. So empfiehlt
es sich, optische Empfängerelemente mit einem Schalterelement
zu koppeln, über das der Versorgungsspannungsanschluss
an das Bussystem angeschlossen wird. Bei dieser Variante werden
nur ausgewählte Sensorelemente mit Spannung versorgt.
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Bei
elektrischen Sensorelementen wird der Sensorsignalausgang vorteilhafterweise
ebenfalls an das Bussystem geführt, an das dann auch die
Diagnoseeinrichtung angeschlossen ist. In diesem Fall besteht die
Möglichkeit, das Schalterelement dem Sensorsignalausgang
vorzuschalten bzw. zwischen Sensorsignalausgang und Bussystem anzuordnen, so
dass nur das Sensorsignal eines ausgewählten Sensorelements
auf das Bussystem aufgeschaltet wird.
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Die
Auswahl einzelner Sensorelemente ist nur dann sinnvoll, wenn die
einzelnen Sensorelemente auch identifizierbar sind. Als Identifizierungsmerkmal
kann beispielsweise die Position des Sensorelements auf dem Halbleiterwafer
genutzt werden. Diese Information geht allerdings mit dem Vereinzeln
der Sensorelemente verloren. In einer besonders vorteilhaften Variante
der Erfindung ist jedes Sensorelement mit einem digital codierbaren
Schalterelement ausgestattet, dem eine individuelle Adresse einprogrammiert
werden kann. Anhand dieser Adresse lässt sich dann jedes
Sensorelement auch noch nach der Vereinzelung eindeutig identifizieren.
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So
wie es für die funktionale Anordnung der Schalterelemente
verschiedene Möglichkeiten gibt, so können die
Schalterelemente auch auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien
beruhen. Wenn die Schalterelemente der einzelnen Sensorelemente
mit einem digitalen Adresscode versehen sind, können sie
einfach über einen Selektanschluss des jeweiligen Sensorelements
elektrisch angesteuert werden. In diesem Zusammenhang erweist es
sich als vorteilhaft, wenn auch dieser Selektanschluss an das Bussystem
angeschlossen ist.
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Die
Schalterelemente können aber auch durch optische Anregung
ansteuerbar sein. In diesem Fall können die einzelnen Sensorelemente
einfach anhand ihrer Position auf dem Wafer ausgewählt
werden, eine Sensor-ID bzw. Adresse ist nicht notwendig. Als optisch
ansteuerbares Schalterelement, das dem digitalen Sensorsignalausgang
eines Sensorelements vorgeschaltet ist, eignet sich besonders gut
ein mittels Laser ansteuerbarer integrierter Fototransistor. Für
analoge Sensorsignale wird eine Kombination, bestehend aus einem
mittels Laser ansteuerbaren integrierten Fototransistor und einem
im nichtgeschalteten Zustand hochohmigen Analogschalter, bevorzugt.
Der abzugleichende Sensor wird durch Positionierung des Laserscanners
kombiniert mit einer digitalen Bild-/Mustererkennung ausgewählt.
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In
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dient
die Diagnoseeinrichtung nicht nur zum Vermessen der einzelnen Sensorelemente,
sondern auch zum Berechnen von individuellen Abgleichparametern
für jedes einzelne ausgewählte Sensorelement.
Lassen sich die Sensorelemente auch noch nach dem Vereinzeln eindeutig identifizieren,
so kann der eigentliche Abgleich auch noch nach der Montage der
Sensorelemente erfolgen. Unter bestimmten Umständen kann
ein Abgleich aber auch im Waferverbund vorgenommen werden. In diesem
Fall ist auf jedem Sensorelement eine Abgleichschaltung integriert.
Vorraussetzung hierfür ist, dass sich die Sensoreigenschaften
nach dem Vereinzeln und bei der späteren Verpackung nur minimal
verändern oder zumindest vorhersagen lassen, so dass Korrekturwerte
vorgehalten werden können
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie
bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen
Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche
und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1 zeigt
eine schematische Draufsicht auf einen ersten erfindungsgemäßen
Halbleiterwafer mit Sensorelementen,
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2 zeigt
eine schematische Draufsicht auf einen zweiten erfindungsgemäßen
Halbleiterwafer mit Sensorelementen, und
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3 zeigt
eine Vorrichtung zum Vermessen von Sensorelementen auf einem Halbleiterwafer.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
ein Halbleiterwafer 100 mit neun Sensorelementen 10 dargestellt,
die für eine Vielzahl von Sensorelementen stehen, wie sie üblicherweise bei
der Herstellung auf einem Halbleiterwafer angeordnet sind. Bei den
Sensorelementen 10 kann es sich beispielsweise um mikromechanische
Drucksensoren handeln. Jedes dieser Sensorelemente 10 ist
mit einem Versorgungsspannungsanschluss 11, einem Masseanschluss 12 und
einem Sensorsignalausgang 13 ausgestattet.
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Neben
den Sensorelementen 10 ist auf dem Halbleiterwafer 100 ein
Bussystem 17 integriert, an das sowohl die Versorgungsspannungsanschlüsse 11 als
auch die Masseanschlüsse 12 der Sensorelemente 10 angeschlossen
sind. Die Auslegung des Bussystems 17 und der Sensorelemente 10 muss garantieren,
dass defekte Sensorelemente erkannt und abgetrennt werden können.
Als defekt werden beispielsweise Sensorelemente bezeichnet, die
eine Busleitung kurzschließen. Erfolgt die Anbindung der einzelnen
Sensorelemente an die Spannungsversorgung über auftrennbare
Brennstrecken, so können defekte Sensorelemente einfach
in einem Vormessschritt abgetrennt werden. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, auf jedem Sensorelement einen Überstromdetektor
zu integrieren, der die Spannungsversorgung im Falle eines Kurzschlusses
selbstständig unterbricht.
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Erfindungsgemäß ist
jedes Sensorelement 10 mit einem ansteuerbaren Schalterelement 14 zum Auswählen
des Sensorelements 10 ausgestattet, so dass lediglich ein
ausgewähltes Sensorelement 10 ein Sensorsignal
an eine Diagnoseeinrichtung liefert. Die Diagnoseeinrichtung ist
hier nicht dargestellt.
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Im
hier beschriebenen Ausführungsbeispiel liefern die Sensorelemente 10 elektrische
Sensorsignale. Dabei kann es sich entweder um analoge oder digitale
Ausgangssignale handeln. Die Schalterelemente 14 sorgen
dafür, dass immer nur das Sensorsignal eines ausgewählten
Sensorelements 10 auf das Bussystem 17 aufgeschaltet
wird, an das auch die Diagnoseeinrichtung angeschlossen ist.
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Die
Schalterelemente 14 sind digital codierbar und mit einem
Adresscode versehen, über den sich jedes Sensorelement 10 eindeutig
identifizieren lässt und dementsprechend auch auswählen
lässt. Die Adresscodes werden den einzelnen Sensorelementen
bzw. den Schalterelementen der einzelnen Sensorelemente beispielsweise
in einem Vormessschritt einprogrammiert. Mittels derartig programmierter
Schalterelemente 14 lässt sich dann ein ganzes
Netzwerk von Sensorelementen 10 mit nur einem oder zwei
I/O-Pins kontrollieren. Es genügen vierzehn Adressbits,
um bis zu 214 (16384) Sensorelemente anzusteuern,
was für einen Wafer in jedem Fall ausreichend ist.
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Die
Schalterelemente 14 sind jeweils mit einem Selektanschluss 15 des
Sensorelements 10 verbunden, der ebenfalls an das Bussystem 17 angeschlossen
ist. Für die Ansteuerung von Sensorelementen mit analogen
Ausgangsspannungen eignet sich beispielsweise ein unidirektionales
Eindraht-Bussystem. Um Sensorelemente mit analogem Ausgangssignal
auswählen zu können, ist eine Kombination eines
chipselektierenden Adressdecoders mit einem Analogschalter als Schalterelement 14 erforderlich,
wobei der Analogschalter im nicht geschalteten Zustand ausreichend
hochohmig an die Ausgangsleitung angebunden sein sollte. Sowohl
der Adressdecoder als auch der Analogschalter müssen auf
dem Sensorelement integriert sein. Für Sensorelemente mit
digitalem Ausgangssignal eignet sich eine bidirektionale I2C-2-Draht-Schnittstelle, die auch für
die A/D-Wandler von digitalen Sensoren Verwendung findet.
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Zum
Vermessen der Sensorelemente wird der gesamte Wafer mit allen Sensorelementen
mit nicht elektrischen Stimuli beaufschlagt, d. h. im Fall von Drucksensoren
mit Druck. Dann wählt die Diagnoseeinrichtung jeweils ein
Sensorelement 10 anhand seines Adresscodes aus und steuert
das Schalterelement 14 dieses Sensorelements 10 über
den Selektanschluss 15 und das Bussystem 17 an.
Da immer nur das Sensorsignal des ausgewählten Sensorelements 10 auf
das Bussystem 17 geschaltet und an die Diagnoseeinrichtung übermittelt
wird, handelt es sich hier um eine Multiplexfunktion. Durch diese serielle
Ansteuerung ist die Diagnoseeinrichtung in der Lage, die jeweils
erfassten Sensorsignale den einzelnen Sensorelementen zuzuordnen
und diese Zuordnung abzuspeichern. Ausgehend von den Ergebnissen
des sequentiellen Vermessens der einzelnen Sensorelemente auf dem
Wafer können dann individuelle Abgleichparameter für
jedes einzelne Sensorelement berechnet werden, wie beispielsweise Offset,
Temperaturkoeffizient(TK)-Offset, Empfindlichkeit und TK-Empfindlichkeit
oder auch nichtlineare Parameter.
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Eine
wichtige Voraussetzung für den Abgleich auf Chipebene im
Waferverbund ist, dass sich die Sensoreigenschaften nach dem Vereinzeln
und bei der späteren Verpackung nur minimal verändern oder
zumindest vorhersagen lassen, so dass ein Korrekturwert vorgehalten
werden kann. Dies kann durch eine geeignete Verpackung realisiert
werden, z. B. eine Befestigung im Gehäuse mit weichem Kleber.
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Der
Abgleich selbst kann einfach digital über binär
gestufte Parameterbits erfolgen. Eine geeignete Chipelektronik bewirkt
dann den Abgleich, z. B. das Schreiben einer EPROM-Sequenz oder
das Schalten von binär gestuften Parameterbits mittels Legieren
von Zenerdioden. Auch andere PROM-Speicherprinzipien sind möglich.
Alternativ lässt sich das elektronische Programmieren der
Parameterbits nach erfolgtem Vermessen im Waferverbund auf einem
klassischen Waferprober durchführen. Bei einprogrammierter
Adresse ist eine Programmierung der Sensorchips sogar noch nach
dem Vereinzeln und Verpacken möglich. Letzteres würde auch
ein Nachjustieren des durch die Aufbau- und Verbindungstechnik beeinflussten
Offsets ermöglichen.
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Mit
der voranstehend beschriebenen Abgleichmethode können beliebige
Sensoren abgeglichen werden, wie z. B. piezoresistive oder kapazitive Drucksensoren – auch
für höhere Druckbereiche-, Massenflusssensoren,
Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren oder auch chemische Sensoren.
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Wie
in 1 ist in 2 ein Halbleiterwafer 200 mit
neun Sensorelementen 20 dargestellt, die für eine
Vielzahl von Sensorelementen stehen. Jedes dieser Sensorelemente 20 ist
mit einem Versorgungsspannungsanschluss 21, einem Masseanschluss 22 und
einem Sensorsignalausgang 23 für elektrische Sensorsignale
ausgestattet.
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Neben
den Sensorelementen 20 ist auch auf dem Halbleiterwafer 200 ein
Bussystem 27 integriert, an das sowohl die Versorgungsspannungsanschlüsse 21 als
auch die Masseanschlüsse 22 und die Sensorsignalausgänge 23 der
Sensorelemente 10 angeschlossen sind.
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Erfindungsgemäß ist
zudem jedes Sensorelement 20 mit einem ansteuerbaren Schalterelement 24 zum
Auswählen des Sensorelements 20 ausgestattet.
Das Schalterelement 24 ist hier dem Sensorsignalausgang 23 vorgeschaltet,
so dass lediglich das Sensorsignal eines ausgewählten Sensorelements 20 auf
das Bussystem 27 aufgeschaltet wird. Dadurch kann das Sensorsignal
von einer hier nicht dargestellten Diagnoseeinrichtung erfasst werden, die
ebenfalls an das Bussystem 27 angeschlossen ist.
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Bei
den Schalterelementen 24 des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels
handelt es sich um optisch anregbare Schalter. In diesem Fall werden
die Schalterelemente 24 mittels Laser angesteuert bzw.
aktiviert. Bei Sensorelementen mit digitalen Ausgangssignalen kann
einfach ein integrierter Fototransistor als optisch anregbares Schalterelement 24 verwendet
werden. Bei Sensorelementen mit analogen Ausgangssignalen empfiehlt
sich die Verwendung eines integrierten Fototransistors in Kombination
mit einem Analogschalter, der im nicht geschalteten Zustand ausreichend
hochohmig sein sollte.
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Die
Auswahl der einzelnen Sensorelemente 20 erfolgt anhand
ihrer Position auf dem Wafer 200. Nach dem sequentiellen
Vermessen der einzelnen Sensorelemente 20 können
auch hier wieder für jedes Sensorelement individuelle Abgleichparameter berechnet
werden.
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Der
Abgleich selbst erfolgt hier bevorzugt auf Waferebene und kann einfach
digital über binär gestufte Parameterbits erfolgen.
Die Informationsübertragung der jeweiligen Abgleichbitsequenz
auf das Sensorelement kann mittels Lichtimpulsen auf fotoempfindliche
Bauelemente, wie z. B. Fototransistoren, durchgeführt werden.
Eine geeignete Chipelektronik bewirkt dann den Abgleich, z. B. ein
durch Lichtimpulse getriggertes Legieren einer Zenerdiode oder das
Schreiben einer EPROM-Sequenz.
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Alternativ
ist es auch möglich, einen elektronischen Abgleich auf
einem klassischen Waferprober oder mit Waferpositions-ID nach dem
Vereinzeln und Verpacken durchzuführen. In diesem Fall
kann beispielsweise der durch die Aufbau- und Verbindungstechnik
beeinflusste Offset nachjustiert werden.
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In 3 ist
eine Vorrichtung 300 dargestellt, mit der sich Drucksensorelemente
im Waferverbund vermessen lassen. Dazu umfasst die Vorrichtung 300 eine
Druckkammer 301, in der ein Wafer 310 mit den zu
vermessenden Sensorelementen angeordnet wird. In der Druckkammer
sind neben einer Halterung für den Wafer 310 auch
Kontaktierungen für das auf dem Wafer 310 integrierte
Bussystem vorgesehen, insbesondere Anschlüsse für
Versorgungsspannung, Masse und den Sensorsignalausgang. Die Vorrichtung 300 ist
zum Vermessen von Sensorelementen auf einem Halbleiterwafer ausgelegt,
wie er voranstehend in Verbindung mit 2 beschrieben
worden ist. Die einzelnen Sensorelemente werden hier anhand ihrer
Position auf dem Wafer 310 identifiziert und mit Hilfe
von optisch ansteuerbaren Schalterelementen ausgewählt.
Dazu ist die Druckkammer 301 mit einem druckfesten Quarzglasfenster 302 ausgestattet, über
dem ein Lasersystem 303 mit integrierter Bildverarbeitung
und Strahlablenkung angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 69633713
T2 [0005, 0005]