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电学测试全自动探针台的应用及半导体晶圆的发展阐述
发布者:admin  发布时间:2014-1-16 浏览第57

 

电学测试全自动探针台的应用及半导体晶圆的发展阐述

 

随着民用消费性电子产品的市场不断扩大,对于更小的装置以及更小的封装,需要更低成本的需求市场;同时对于复杂装置结构的接脚效能和硅材I/O的使用效率的要求变得更高,都会对测试设备亦带来影响,由于芯片接脚愈趋小形化,用以和晶圆及探针卡连接的垫片,以及封装测试的驱动器也势必随之微缩。此外,汽车电子应用对于更宽广的温度测试范围的需求也是探针台厂商需要提升自身设备技术规格以的主要任务。
   半导体生产过程中的探测,可略分为三大类:1.参数探测:提供制造期间的装置特性测量;2.晶圆探测:当制造完成要进行封装前,在一系列的晶圆上(wafer sort)测试装置功能;3.以探针台为基础的晶圆处理探测(Final Test):在出货给顾客前,对封装完成的装置做最后的测试。晶圆在通过基本的特性测试后,即进入晶圆探测阶段,此时需要用复杂的机器、视觉及软件来侦测晶圆上的每颗裸晶,精确度约在±2.0μm之间。
  将晶圆探针台的输入输出探针垫片(I/O pads)放在接脚和探针卡正确对应的晶圆后,探针台会将晶圆向上挪动,使其电气和连接于测试仪上的探针卡接触,以进行探测。当测试完成,则会自动将下一个待测晶圆替换到探针卡下面,如此周而复始地循环着。
  
  工艺演进敦促测试技术升级
  
  最初TI退休工程师杰克·基比(Jack St. Clair Kilby)发明第一颗单石集成电路,为现代半导体领域奠定基础时,晶圆直径不过1.25英寸~2英寸之间,生产过程多以人工方式进行。随着6英寸、8英寸晶圆的诞生,Align/Load的校准工作和一些进阶检测也开始自动化;直到12英寸晶圆成形,可谓正式迈入单键探测”(One Button Probing)的全面自动化时代,就连传输也开始借助机器辅助;但此时的测试大都是转包给专业的厂商做,且大部分是着重在如何缩短工艺开发循环的参数测试上。
  12英寸晶圆在结构上具有更高的效率,以200mm工艺为例,在良率100%的情况下,可出88个完整的晶粒,理论上因方块切割所造成的边缘浪费率仅为23%(约有20个晶粒因缺角破损而无法使用);而若以300mm工艺进行切割,则产出效率将更惊人,可产出193个完整的晶粒,仅会浪费19%的晶圆面积(36个不完整晶粒)。此外,12英寸厂的规模经济优势也不容小视;300mm的建厂成本与200mm的建厂成本比值约为1.5,而晶圆厂建厂成本与晶圆面积的比值却少于2.25,这意味着只要多投入1.5倍的建厂成本,即可多生产2.25倍的晶粒!少少的边际投入即可获取大大的收益,约可节省33%的成本;如此高报酬的投资效益随着技术的发展而让人们受益。
  
  12英寸晶圆探测的重点项目
  
  这些转变,促使测试成本对芯片整体成本的影响愈显重要,也引发了一些产业趋势:1.将测试转包给专业测试厂;2.对混合产能的高度需求;3.strip封测以获取更好的效率。因此,对探针台技术的期待也愈趋严苛。
   由于12英寸晶圆成本较高,一旦报废,损失将非常惊人,因此对定位用X-Y轴的精确性(控制移动)要求也格外严苛,且在探测用Z轴的精确性(控制方向)上也有很大地改进。这样的高标准也反应在对有效面积上的垫片材质及低K介电等触地影响的控制,以期达到高度产出;并通过对振动效果的动态控制、简化操作,并对温度效果的自动补偿,获得使用的可靠度和便利性。
  随着新工艺的微缩,为了强化更小晶粒定位的精确性,需要动态的Z轴辅助校正工作,以避免无谓的产出损失。同时为减少Z轴误差的容忍度,必须发展新的探针卡技术,将主动区域上的铜质垫片加上铝制套帽,以避免损害特别敏感易坏的低K介电和高K介电。因此新的300mm探针台必须为Z轴另行设计,且必须提供进阶的触地力量控制能力。
  精确度是探测仪器最基本的指针,涵盖定位、温度及生产率等三个层面。首先,必须能稳定、精确地探测到小型垫片,载台系统亦须精确、能直接驱动晶圆托盘,并在晶圆移动的过程中精准地将晶圆和晶圆对位;其次,必须具备动态监控机制,确保所挟带的空气以监控温度、掌握可靠度和稳定性;最后,必须对高产出的进阶移动做动态控制才能拥有最佳的最终结果。整体而言,针脚和垫片之间的相应精确度应在±1.5μm之间。
  至于,Z轴的精确度欲达到全新水平也有3个要点:
  1. 改善Z轴阶段性的精确度:须保留额外的50nm编码以直接读取夹盘接口的高度;
  2. 改善晶圆协议精确度:晶圆表面侦测及映像(WSDM)能力,并具多点非线性的交错插入算法,以决定晶圆的表面型态;
  3. 改善针脚高度的发现能力:有赖于更好的相机镜头。
  当测试时间过长,外部规模可以为任何温度的增加做补偿,且在接触的瞬间,可以做Z轴上升的定位和速度控制。此外,为能精确地侦测晶圆表面,先进的技术协议亦应声而起;例如制订新协议,以定义在微米级的晶圆和温度表面作为专利、快速光学测量,或在次微米阶层修正专利。
  
  精细探测技术带来新优势
  
  先进应力控制技术亦是必须的。为减少或消除造成良率下降之垫片损伤,在铜质垫片加上铝帽将能减少对易碎低K/K介电的负面效应。以先进工艺驱动在有效区域上垫片的测试,以低冲击的探针卡,避免接触所产生阻抗问题。另一个可能损害到晶圆的来源是探针力道过猛或不平均,因此能动态控制探针强度也是很重要的;若能掌握可移转的参数及精细的移动控制,即可提升晶圆翻面时的探测精确度,使精细的Z轴定位接触控制得到协调,以提高精确度,并缩短索引的时间。
  在提升测试位阶或对探针台进行内部调整时,容易产生振动,可能在测试时间导致致命的接触。新一代低冲击的(Compliance)探针卡需要可靠接触的动态控制,辅以固态泵以降低冲击性;此类动态Vibration(振动)消除技术,因为接触阻抗增加了,可在几乎不动声色下移动晶圆并送回原位,阻绝因振动所导致的副作用,可让失误及产出损失降至最低,对外部干扰免疫、根绝令人头疼的难题。这在高速探测时的效益尤为明显,利用反干扰频率技术,即使在位阶提升后也能进行高精确探测。另因为在垫片上加上铝帽,即使是多次接触后,也不会留下残迹。
  

注:文章来自网络论坛,经整理供学习参考!