DE102008048081A1

DE102008048081A1 - Verfahren zur Prüfung elektronischer Bauelemente einer Wiederholstruktur unter definierten thermischen Bedingungen

Info

Publication number: DE102008048081A1
Application number: DE102008048081A
Authority: DE
Inventors: Stojan Dr. Kanev; Frank Fehrmann; Jens Fiedler; Ulf Hackius; Claus Dr. Dietrich; Jörg Dr. Kiesewetter
Original assignee: SUSS MicroTec Test Systems GmbH
Current assignee: FormFactor Beaverton Inc
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-09-20
Also published as: US20110221461A1; DE102008048081B4; JP2012503189A; US8368413B2; WO2010031685A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung mehrerer elektronischer Bauelemente (1) einer Wiederholstruktur unter definierten thermischen Bedingungen in einem Prober, der einen Chuck (10) zur Aufnahme der Bauelemente (1) und Sondenhalterungen (15) zur Aufnahme einzelner Sonden (12) aufweist. Zur Prüfung werden die Bauelemente (1) auf eine definierte Temperatur eingestellt, die Sonden (12) und ein erstes elektronisches Bauelement (1) mittels zumindest einer Positionierungseinrichtung relativ zueinander positioniert, nachfolgend Kontaktinseln (3) des elektronischen Bauelements (1) durch die Sonden (12) kontaktiert, so dass das Bauelement (1) geprüft und anschließend die Positionierung sowie die Kontaktierung für die Prüfung eines weiteren Bauelements (1) der Wiederholstruktur wiederholt werden kann. Um unter Verwendung von Einzelsonden die Prüfzeit für Messungen bei wechselnden Temperaturen und bei Gewährleistung einer sicheren Kontaktierung der Bauelemente zu verkürzen, erfolgt die Positionierung und Kontaktierung eines Bauelements (1), indem zunächst ein erster Positionierungsschritt in eine Zwischenposition ausgeführt wird, in dessen Ergebnis das Bauelement (1) mit einem definierten Abstand unter den Sondenspitzen (13) steht, nachfolgend die Lage jeder Sondenspitze (13) mittels separater Manipulatoren zur Lage der Kontaktinseln (3) des Bauelements (1) korrigiert wird, so dass jede Sondenspitze (13) über einer Kontaktinsel (3) steht, und weiter nachfolgend die ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung eines elektronischen Bauelements unter definierten thermischen Bedingungen. Das zu prüfende Bauelement weist mehrere Kontaktinseln auf, auf denen das zu prüfende Bauelement mittels zumindest zwei Sonden elektrisch kontaktiert wird, um über die Sonden eine Prüfsignal einzuspeisen oder abzugreifen.
Derartige Prüfungen werden in einer Prüfvorrichtung, als Prober bezeichnet, durchgeführt, in der auch die für die Prüfung erforderlichen Umgebungsbedingungen, wie z. B. eine definierte Temperatur einstellbar sind. Im Prober wird das Bauelement durch einen Chuck gehalten, d. h. durch eine auf die mögliche Halterung des Prüfobjekts, auf dessen Kontaktierung und auf die Prüfbedingungen abgestimmte Aufnahmevorrichtung für das Bauelement. Mittels des Chucks oder anderer geeigneter Vorrichtungen wird das Bauelement auf die festgelegte Temperatur eingestellt. Zur Prüfung werden Sonden, die von einer oder mehreren Sondenhalterungen gehalten werden, und das elektronische Bauelement mittels zumindest einer Positionierungseinrichtung relativ zueinander positioniert und nachfolgend die Kontaktinseln des elektronischen Bauelements durch freie Nadelspitzen der Sonden kontaktiert.
Elektronische Bauelemente werden in verschiedenen Fertigungsstufen geprüft und somit auch im Waferverbund, wobei eine Vielzahl von Bauelementen mit einer Wiederholstruktur auf dem Wafer ausgebildet sind. Alternativ kann auch eine Vielzahl vereinzelter elektronischer Bauelemente mit einer vergleichbaren Wiederholstruktur auf dem Chuck angeordnet sein.
Die elektrische Kontaktierung derartiger Anordnungen von Bauelementen erfolgt bei der Prüfung von Wiederholstrukturen mittels Sonden, die an einer so genannten Probecard fest montiert und über die Probecard elektrisch kontaktiert sind. Dies ermöglicht es, eine Vielzahl von Sonden, die zur gleichzeitigen elektrischen Kontaktierung eines Bauelements erforderlich sind, in einer solchen Anordnung zu montieren, die mit der Anordnung der gleichzeitig zu kontaktierenden Kontaktinseln korreliert. Mittels der von der Sondenhalterung gehaltenen Probecard werden alle Sonden synchron positioniert, auf den gleichzeitig zu kontaktierenden Kontaktinseln abgesetzt, das Bauelement geprüft und nachfolgend die Probecard zum nächsten Bauelement positioniert. Auf diese Weise ist eine große Anzahl von Bauelementen in einer Wiederholstruktur effektiv zu prüfen, wobei das Rastermaß der Wiederholstruktur die Positionierungsabläufe von einem zum nächsten Bauelement vorgeben und eine Automatisierung ermöglichen. In diesem Fall erfolgt eine erste Positionierung zu einem Referenzobjekt, z. B. einem ersten Bauelement der Wiederholstruktur und davon ausgehend jede weitere Positionierung aufgrund der bekannten Rastermaße.
Auch für die Prüfung unter definierten thermischen Bedingungen, wobei hier Bedingungen abweichend von der Umgebungstemperatur zu verstehen sind, ist die Verwendung von Nadelkarten günstig. Denn die an einer Nadelkarte montierten metallischen Sonden können wegen deren Halterung durch die aus Kunststoff, häufig einer Leiterplatte bestehenden Nadelkarte sehr kurz gehalten werden. Verglichen mit Einzelsonden, die als Verbindung zur abseits des Kontaktierungsbereichs angeordneten Sondenhalterung einen längeren Sondenarm aufweisen, kann bei der Verwendung von Nadelkarten eine Änderung der Lage der Nadelspitze infolge einer Änderung der thermischen Ausdehnungen bei einer Änderung oder Drift der Prüftemperatur vermieden oder zumindest in einem solchen Maße vermindert werden, dass die Nadelspitzen die Kontaktinseln im Verlauf der Prüfung nicht verlassen. Nach einer Einstellzeit haben sich am Chuck, den Sonden und der Sondenhalterung solche thermischen Bedingungen eingestellt, die eine Verschiebung der Nadelspitzen infolge einer Temperaturdrift auch für längere Kontaktzeiten auf ein akzeptables Toleranzmaß beschränken. Bei einer Änderung der Prüftemperatur ist die Einstellzeit abzuwarten, bevor die nächste Kontaktierung erfolgen kann. Auch aus diesem Grund sind die an Nadelkarten montierten Sonden für größere Prüfzahlen bei gleich bleibender Temperatur effektiv.
Da die Nadelkarten mit Lage und Anzahl der Sonden und den auf der Probecard hergestellten elektrischen Verbindungen zu jeder Sonde auf ein spezielles Bauelement abgestimmt sein muss, ist die Herstellung der Nadelkarten sehr kostenintensiv und nur für Prüfungen einer großen Anzahl von gleichartigen Bauelementen effektiv.
In Laboranlagen werden jedoch häufig nur Einzelmengen von Bauelementen geprüft, welche die Herstellung von Nadelkarten nicht rechtfertigen würden. Deshalb werden für diese Anwendungsfälle Einzelsonden verwendet, die entsprechend der Kontaktinselanordnung des aktuell zu prüfenden Bauelemententyps relativ zueinander an einer gemeinsamen oder an einzelnen Sondenhalterungen montiert werden. Die Verwendung derartiger Einzelsonden erfordern jedoch bei jeder Änderung der Prüftemperatur die Einstellung des thermischen Gleichgewichts, um mit einer eingangs hergestellten Anordnung der Einzelsonden relativ zueinander eine Wiederholstruktur von Bauelementen nacheinander zu prüfen und für alle Bauelemente eine sichere Kontaktierung durch die Sonden zu gewährleisten. Die Einstellung des thermischen Gleichgewichts erfordert einen sehr hohen Anteil an Prüfzeit und Energie.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prüfung von Bauelementen mittels Einzelsonden anzugeben, welches für die Prüfung einer größeren Anzahl von elektronischen Bauelementen einer Wiederholstruktur bei von der Umgebungstemperatur abweichenden Temperaturen geeignet ist und es gestattet, die Prüfzeit für Messungen bei wechselnden Temperaturen bei Gewährleistung einer sicheren Kontaktierung der Bauelemente zu verkürzen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
1 einen Prober zur Prüfung eines Wafers mit einer Vielzahl von Bauelementen,
2 den Arbeitsbereich eines Probers mit einem in einer Zwischenposition positioniertem Wafer und
3 den Arbeitsbereich gemäß 2 im Zustand des Kontakts der Sonden mit einem Bauelement.
Der wesentliche Aufbau der Prüfanordnung eines Probers ist in 1 dargestellt. Innerhalb eines Gehäuses 9 des Probers ist auf einem Chuck 10 ein Wafer 2 angeordnet, welcher eine Mehrzahl von elektronischen Bauelementen 1 gleicher Konfiguration umfasst, die in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind, hier als Wiederholstruktur beschrieben. Jedes Bauelement 1 der Wiederholstruktur weist aufgrund der gleichen Konfiguration die gleiche Anordnung einer Mehrzahl von Kontaktinseln 3 auf, die zur Prüfung des Bau elements 1 gleichzeitig durch jeweils eine Sonde 12 kontaktiert werden.
Der Chuck 10 umfasst einen Chuckantrieb 11, mit dem der Wafer 2 in der X-Y-Ebene, d. h. der Ebene der Waferoberfläche, in der senkrecht dazu stehenden Z-Richtung bewegbar und um eine zentrale, in Z-Richtung verlaufende Achse des Chucks 10 um einen Winkel Theta drehbar ist. Der Chuck 10 ist heizbar zur Erwärmung des Wafers 2 auf die erforderliche Prüftemperatur. Alternativ oder ergänzend kann der Chuck 10 auch kühlbar sein. Das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Prüfung der Bauelemente 1 des Wafers 2 ist gleichermaßen bei Temperaturen oberhalb und unterhalb der Umgebungstemperatur des Probers anwendbar.
Dem Chuck 10 und damit dem Wafer 2 gegenüberliegend und mit einem Abstand zum Wafer 2 ist eine Sondenhalterplatte 16 angeordnet, auf der eine Mehrzahl von Sondenhalterungen 15, so genannte Probeheads montiert sind. Jede Sondenhalterung 15 trägt eine Sonde 12, bestehend aus einem Sondenarm 14 und einer Sondenspitze 13. Die Sondenhalterplatte 16 weist eine zentrale Öffnung 17 auf, durch welche die Sondenspitzen 13 in Richtung Wafer 2 ragen. Diese zentrale Öffnung 17 definiert die maximale Ausdehnung und die Region aller Kontaktinseln 3 eines Bauelements 1 die minimale Ausdehnung eines Arbeitsbereichs 4, in welchem die Sondenspitzen 13 durch die zentrale Öffnung 17 hindurch das Bauelement 1 kontaktieren.
Jede Sondenhalterung 15 umfasst einen motorisiert angetriebenen Manipulator (nicht dargestellt), mit welchem jede Sonde 12 separat von den anderen in X-, Y- und Z-Richtung bewegbar ist. Die Sonden 12 sind auf der Sondenhalterplatte 16 derart vormontiert, dass die Anordnung der Sondenspitzen 13 über dem Arbeitsbereich 4 der zentralen Öffnung 17 der Sondenhalterplatte 16 liegt, alle Sondenspitzen 13 in Z-Richtung in einer Ebene enden und mit der Anordnung der Kontaktinseln 3 der Bauelemente 1 korreliert. Darüber hinaus erfolgt eine winklige Ausrichtung der Kontaktinselanordnung zur Sondenanordnung.
Vor der Prüfung des ersten Bauelements 1 wird der Wafer 2 mittels des Chucks 10 auf die Prüftemperatur erwärmt. Die Positionierung des Wafers 2 erfolgt in einem ersten Positionierungsschritt mittels des Chuckantriebs 11 in eine Zwischenposition (2), in welcher das erste Bauelement 1 im Arbeitsbereich 4 unter der zentralen Öffnung 17 der Sondenhalterplatte 16 und mit einem solchen Abstand dazu angeordnet ist, dass die Sondenspitzen 13, wenn Sie durch die zentrale Öffnung 17 der Sondenhalterplatte 16 hindurchgreifen, die Kontaktinseln 3 des Bauelements 1 sicher erreichen können.
Alternativ kann die Positionierung des Wafers 2 im ersten Positionierungsschritt auch unter Beobachtung in eine solche Zwischenposition erfolgen, in welcher sich die Sondenspitzen 13 derart über dem Arbeitsbereich 4 befinden, dass sich eine der Sonden 12 in Z-Richtung betrachtet über der durch diese Sonde 12 zu kontaktierenden Kontaktinsel 3 befindet.
In der eingestellten Zwischenposition wird mittels eines Bilderkennungsverfahrens die Lage der Sondenspitzen 13 mit der Lage der Kontaktinseln 3 verglichen. Sofern die Prüfung der Bauelemente 1 bei Umgebungstemperatur erfolgt oder sofern vor diesem ersten Positionierungsschritt das thermische Gleichgewicht des Prüfsystems eingestellt ist und sich damit auch die Position der Sondenspitzen 13 infolge thermischer Ausdehnung nicht mehr oder nur vernachlässigbar ändert, werden sich aufgrund der oben beschriebenen Vormontierung der Sonden 12 und Ausrichtung zur Kontaktinselanordnung alle Sondenspitzen 13 über einer Kontaktinsel 3 befinden. Das beschriebene Positionierungs- und Kontaktierungsverfahren gestattet jedoch eine Prüfung aller Bauelemente 1 des Wafers 2 bei von Umgebungstemperatur abweichenden Temperaturen, ohne zuvor die Einstellung des thermischen Gleichgewichts abzuwarten. Damit kann die Prüfdauer erheblich verkürzt werden.
Wird in der Zwischenposition eine Abweichung einer oder mehrerer Sondenspitzen 13 von der Position über der jeweiligen Kontaktinsel 3 festgestellt, wird jede Abweichung mittels eines geeigneten Verfahrens, z. B. mittels eines Mustererkennungsverfahrens rechnerisch ermittelt und daraus ein Steuersignal für jeden betreffenden Manipulator generiert zur Korrektur der Position der divergierenden Sonde 12. Alternativ kann sowohl der Vergleich der Positionen als auch deren Korrekturen oder zumindest eines von beiden manuell erfolgen. Erst nach dieser separaten Ausrichtung jeder Sondenspitze 13 zur zugehörigen Kontaktinsel 3 in der Zwischenposition des Bauelements 1 erfolgt die Zustellbewegung zwischen allen Sonden 12 und dem Bauelement 1 in Z-Richtung bis die Sondenspitzen 13 auf den Kontaktinseln 3 aufliegen und ein sicherer Kontakt hergestellt ist (3). Diese Zustellbewegung kann mit dem Chuckantrieb 11 aber auch mit den Manipulatoren der Sondenhalterungen 15 erfolgen, wird aber in jedem Fall für alle Sonden 12 in gleicher Weise ausgeführt.
Nach der Herstellung des Kontakts des Bauelements 1 erfolgt dessen Prüfung, indem je nach Art des Bauelements 1 und nach Prüfverfahren entweder ein elektrisches Prüfsignal über die Sonden 12 in das Bauelement 1 eingespeist und/oder von diesem abgegriffen und einer Auswertung zugeführt wird.
Zur Prüfung des nächsten Bauelements 1 der Wiederholungsstruktur werden die Sondenspitzen 13 von den Kontaktinseln 3 abgehoben und der Chuck 10 entsprechend den Rastermaßen der Wiederholungsstruktur in X- oder in Y-Richtung oder in beiden bis zur nächsten Bauelementeposition verfahren, so dass die Sondenspitzen 13 über dem Kontaktinselbereich dieses Bauelements 1 stehen. Damit ist der erste Positionierungsschritt für das nächste Bauelement 1 vollzogen und die Zwischenposition für dessen Kontaktierung erreicht. Durch fortlaufende Wiederholung dieser Verfahrensschritte können nacheinander alle Bauelemente 1 des Wafers 2 geprüft werden, auch bei einer Änderung der Temperatur der Sonden 12 und somit der Position der Sondenspitzen 13 bezogen auf die Sondenhalterung 15 im Verlauf der gesamten Wafer-Prüfung.

1: Bauelement
2: Wafer
3: Kontaktinsel
4: Arbeitsbereich
9: Gehäuse
10: Chuck
11: Chuckantrieb
12: Sonde
13: Sondenspitze
14: Sondenarm
15: Sondenhalterung
16: Sondenhalterplatte
17: zentrale Öffnung

Claims

Verfahren zur Prüfung mehrerer elektronischer Bauelemente (1) einer Wiederholstruktur unter definierten thermischen Bedingungen in einem Prober, der einen Chuck (10) zur Aufnahme der Bauelemente (1) und Sondenhalterungen (15) zur Aufnahme einzelner Sonden (12) aufweist, wobei die Bauelemente (1) Kontaktinseln (3) aufweisen zu deren Kontaktierung mittels der Sonden (12), indem die Bauelemente (1) auf eine definierte Temperatur eingestellt werden, die Sonden (12) und ein erstes elektronisches Bauelement (1) mittels zumindest einer Positionierungseinrichtung relativ zueinander positioniert, nachfolgend die Kontaktinseln (3) des elektronischen Bauelements (1) durch die Sonden (12) kontaktiert werden und das Bauelement (1) geprüft wird und anschließend die Positionierung sowie die Kontaktierung für die Prüfung eines weiteren Bauelements (1) der Wiederholstruktur wiederholt und das weitere Bauelement (1) geprüft wird., dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung und Kontaktierung eines Bauelements (1) erfolgt, indem zunächst ein erster Positionierungsschritt in eine Zwischenposition ausgeführt wird, in dessen Ergebnis das Bauelement (1) im Arbeitsbereich (4), in welchen die Kontaktierung erfolgen wird, und mit einem definierten Abstand unter den Sondenspitzen (13) steht, nachfolgend die Lage der Sondenspitzen (13) mittels separater, jeder Sonde (12) zugeordneter Manipulatoren zur Lage der Kontaktinseln (3) des Bauelements (1) korrigiert wird, so dass jede Sondespitze (13) über einer Kontaktinsel (3) steht, und weiter nachfolgend die Sondenspitzen (13) mittels einer Zustellbewegung mit den Kontaktinseln (3) in Kontakt gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Sondenspitzen (13) und die Lage der Kontaktinseln (3) des zu kontaktierenden Bauelements (1) mittels Bilderkennung erfasst und daraus die erforderlichen Korrekturen der Lagen der Sondenspitzen (13) zu den Kontaktinseln (3) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturen der Lage der Sonden (12) mittels motorisierter Manipulatoren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung und Kontaktierung der Bauelemente (1) einer Wiederholstruktur automatisiert erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenposition jedes nachfolgenden Positionierungs- und Kontaktierungsvorganges durch ein Abfahren der Rasterabstände der Wiederholungsstruktur erreicht wird.