Зондовые станции для измерений на пластине: назначение и устройство

Динамичное развитие микроэлектроники и, в частности, СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) было бы невозможным без проведения точных и надёжных измерений на полупроводниковой пластине. В процессе разработки и изготовления МИС необходимо выполнять достоверные измерения каждого отдельного компонента (транзисторы, пассивные компоненты, элементы линий передачи) непосредственно на полупроводниковой пластине, при этом измерения позволяют не только проверить, удовлетворяют ли изготовленные компоненты и устройства поставленным требованиям, но также построить и верифицировать математические модели элементов МИС, а в конечном итоге – сократить время выхода МИС на рынок.

Решение данных измерительных задач достигается за счёт применения в микроэлектронике специализированных зондовых станций, которые собираются и настраиваются под конкретный вид измерений (вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики, S-параметры, LoadPull-измерения). Определенные типы станций проектируются специально для исключения влияния внешних воздействий в виде электромагнитного излучения, наведенных помех и др. Существуют решения, позволяющие поддерживать необходимую температуру и влажность в камере во время тестирования. Качественное тестирование полупроводниковых приборов по постоянному току, а также в ВЧ и СВЧ диапазоне является критически важной задачей для успешной разработки нового микроэлектронного устройства и его внедрения в серийное производство.

Свой современный облик зондовые станции обрели благодаря усилиям Эрика Стрида и Рида Глисона, которые в 1983 году разработали первый в мире СВЧ-зонд. Это была инновация, которая дала серьезное ускорение индустрии высокоскоростных полупроводниковых устройств. До 1983 года разработчики высокоскоростных интегральных схем (ИС) могли только предполагать, почему работает та или иная схема. Но измерить реальные характеристики крошечных СВЧ схем на уровне пластины было невозможно. Используя революционные зонды и зондовые станции, инженеры-разработчики смогли фактически тестировать и измерять в широком частотном диапазоне характеристики схем на пластине, до того, как она разрезалась на отдельные кристаллы. Это вдвое сократило время на исследование новых продуктов и снизило колоссальные затраты на разработку.

Зондовые станции представляют собой программно-аппаратный комплекс, состоящий из отдельных конфигурируемых под решаемую задачу узлов.

Зондовые станции бывают ручного, полуавтоматического и автоматического типа. В лабораториях используются в основном ручные зондовые станции, т.к. они обеспечивают наибольшую гибкость при проведении различных типов измерений. Полуавтоматические и автоматические зондовые станции используются главным образом на производстве для проведения большого количества однотипных измерений при выходном контроле серийной продукции.

Также зондовые станции отличаются между собой по максимально возможному диаметру тестируемых пластин. Типовые значения максимальных диаметров устанавливаемых пластин составляют 50 мм, 150 мм, 200 мм и 300 мм. Конструкция станций позволяет тестировать и диаметры, меньшие максимальных, вплоть до частей пластин и даже отдельных кристаллов. Большие станции лучше приспособлены для серийного автоматического тестирования, могут оснащаться системами автоматической загрузки пластин, экранирующими камерами, мощными микроскопами, сложными измерительными системами (например, LoadPull и микроволновые системы). Маленькие станции удобнее при ручном тестировании, могут размещаться на рабочем столе, но ограничены в возможностях размещения тяжелых микроскопов и другого вспомогательного оборудования.

Зондовая станция собирается на массивном металлическом каркасе, который также называют станиной или основанием. Станина должна обеспечить необходимую жесткость конструкции, снизить возможные вибрации и деформации при работе зондовой станции.

На основание устанавливаются все элементы и механизмы станции. Основными элементами ручной зондовой станции являются: столешница (рабочий стол), позиционеры (манипуляторы), держатели зондов, зонды, держатель пластин (чак), мост или штанга для крепления микроскопа и, собственно, сам микроскоп. В автоматизированных зондовых станциях обязательно присутствует управляющий ПК со встроенным специализированным ПО и различные электрические и/или пневматические приводы, которые обеспечивают перемещение тестируемой пластины, манипуляторов, микроскопа. Если зондовая станция имеет возможность изменять температуру держателя пластин, то добавляется климатическая система для контроля нагрева и охлаждения.

Позиционеры предназначены для точного перемещения зондов. Выглядеть они могут совершенно по-разному, но принципиально различаются точностью и диапазоном перемещения зонда, количеством осей. Как правило, позиционеры позволяют перемещать зонды в трех плоскостях – X, Y (в плоскости пластины) и Z (вверх-вниз).

Для контроля СВЧ зондов требуется еще и четвертая координата – Θ, которая позволяет регулировать наклон зонда относительно продольной горизонтальной оси. Это необходимо для обеспечения одновременного касания пластины всеми контактами зонда. Все позиционеры снабжены микрометрическими винтами для точного перемещения зондов в требуемое положение. На винтах или рядом с ними обычно стоят метки, обозначающие в каких плоскостях они позволяют перемещать держатель.

Для автоматизированных сложных зондовых станций могут использоваться механизированные позиционеры, которые снабжены компактными шаговыми приводами.

Позиционеры устанавливаются на рабочем столе и фиксируются при помощи магнитного механизма (иногда используется система вакуумной фиксации).

Для проведения измерений полупроводниковых устройств на пластине необходимо подключить измерительный прибор к контактным площадкам тестируемого устройства. Такое подключение осуществляется с помощью специальных контактных устройств – зондов. Для каждого вида измерений применяются зонды своего типа. Для измерений статических и квазистатических характеристик (например, вольт-амперные характеристики (ВАХ), вольт-фарадные характеристики (ВФХ) и т.д.) используются зонды постоянного тока, где для подачи или измерения сигнала применен один контакт. Зонды постоянного тока могут иметь коаксиальное, триаксиальное и кельвиновское исполнение.

Для подачи или измерения высокочастотного сигнала обычно используют зонды с тремя контактами (GSG), образующими воздушную копланарную линию, что позволяет обеспечить волновое сопротивление (как правило 50 Ом) на протяжении всего пути от входа измерительного прибора до контактных площадок самого образца.

Трехконтактные СВЧ-зонды являются по своей конструкции высококачественными переходами с коаксиальной на копланарную линию. Такие зонды отличаются геометрическими параметрами (конфигурация и шаг контактов), рабочим диапазоном частот, максимальным допустимыми током и напряжением, максимальной входной мощностью и т.д. Ключевой характеристикой СВЧ зонда является шаг контактов («pitch»), который должен соответствовать шагу контактных площадок на тестируемом устройстве. Как правило, на российских предприятиях используют шаг 150 мкм, реже – 125 мкм.

Держатель пластин (также часто используется термин чак) предназначен для размещения и фиксации тестируемой полупроводниковой пластины. Держатели в первую очередь различаются максимальным диаметром пластины, которую можно на нем разместить. Кроме того, они обеспечивают подачу определенного напряжения смещения на тестируемую пластину в коаксиальной или триаксиальной конфигурации или создают земляной потенциал в случае ВЧ применений. В особых случаях держатель может обеспечивать нагрев образца до высоких температур.

Фиксация полупроводниковой пластины на держателе осуществляется вакуумным способом. В держателе имеются концентрические группы небольших отверстий, через которые откачивается воздух, благодаря чему обеспечивается равномерный прижим пластины к поверхности.

Управляя подачей воздуха к тем или иным группам отверстий, можно фиксировать пластины разного диаметра и даже отдельные кристаллы.

Держатель пластин можно перемещать в плоскости X-Y, а также поворачивать на некоторый угол θ вокруг своей оси. Контроль положения по координате Z обычно осуществляется с помощью микрометрической регулировки рабочего стола. Часто держатели оборудуют системой быстрого перемещения на воздушной подушке.

Помимо основного держателя зондовые станции часто снабжаются небольшими вспомогательными держателями для установки калибровочных подложек, что очень удобно при проведении векторной калибровки для измерений S-параметров на пластине.

Механизм подъема рабочего стола позволяет оперативно изменять рабочую высоту зондов относительно тестируемой пластины для возможности перемещения между элементами на пластине, а также для осуществления контакта или смены исследуемого образца.

Визуальный контроль всех перемещений осуществляется при помощи микроскопа. Микроскоп имеет свои ручки регулировки для перемещения по координатам X и Y, а также ручки регулировки фокусного расстояния и увеличения. Изображение с современных микроскопов оцифровывается при помощи видеокамеры и поступает прямо на персональный компьютер (ПК) или на отдельный монитор и может быть сохранено в виде файла или подвергнуто дальнейшей обработке.

Особое внимание при работе с СВЧ зондами следует уделять процедуре геометрической калибровки зондов, при которой положение высокочастотных зондов должно быть откалибровано таким образом, чтобы плоскость контакта зонда совпадала с плоскостью тестируемой пластины. Для этого выполняют процедуру калибровки, которую называет «планаризацией».

Для осуществления процедуры планаризации вместо испытуемой пластины помещают специальную калибровочную контактную пластину, которая покрыта достаточно толстым слоем мягкого золота. Зонд плавно опускают на пластину, медленно вращая ручку перемещения позиционера по координате Z против часовой стрелки, до осуществления контакта, затем поднимают и смотрят на оставленные следы. Требуется, чтобы контакты зондов оставляли одинаковые следы при контакте с пластиной. Если следы с одного края шире и глубже чем с другого, то следует с помощью регулировочного винта координаты Θ изменить угол наклона таким образом, чтобы поднять один и опустить второй край зонда.

После того, как зонд коснется поверхности, при дальнейшем смещении вниз он начинает сдвигаться по горизонтальной оси, оставляя след на контактной площадке. По величине этого сдвига можно оценить вертикальное смещение зонда и, соответственно, силу, с которой он давит на поверхность исследуемой пластины. Разные типы зондов имеют различные рекомендуемые и максимально допустимые значения этого сдвига.

Для выполнения измерений S-параметров на пластине недостаточно осуществить только геометрическую калибровку зондов. Требуется также провести и векторную коррекцию ошибок измерительной системы по аналогии с калибровкой, осуществляемой с помощью механических калибровочных наборов или электронных калибровочных модулей в коаксиальном или волноводном тракте для векторного анализатора цепей (ВАЦ).

Для выполнения векторной калибровки зондов используются специальные калибровочные меры, изготовленные на керамической подложке. Т.к. количество контактов и их конфигурация для конкретного зонда сильно отличаются в зависимости от модели, то калибровочные пластины выпускаются с различными характеристиками и расположением калибровочных мер для каждого типа зондов. Для каждой модели зондов существуют рекомендованные калибровочные пластины.

Калибровочные пластины содержат все необходимые меры для проведения таких типов калибровок, как SOLT, LRM, TRL, SOLR. Калибровочная пластина может быть установлена как на держатели пластин, так и на дополнительных вспомогательных держателях в случае использования зондовых станций от MPI Corporation.
Процедура проведения векторной коррекции ошибок измерений требует предварительного внесения калибровочных коэффициентов в память используемого ВАЦ. Для упрощения данной процедуры может быть использовано дополнительное программное обеспечение (ПО), которое содержит библиотеки коэффициентов различных калибровочных мер в зависимости от модели используемого зонда, позволяет устанавливать требуемые параметры ВАЦ, а также проводить процедуру калибровки в пошаговом режиме.

Прогресс в области построения зондовых измерительных систем не стоит на месте. По мере того, как появляются новые полупроводниковые устройства, создаются и системы для их тестирования. Уже сейчас существуют системы, позволяющие проводить измерения сверхпроводящих устройств при криогенных температурах, тестировать микроволновые интегральные схемы на частотах более 1 ТГц, измерять характеристики микроэлектромеханических систем (МЭМС). Активно развивается направление тестирования радиофотонных интегральных схем, где вместо электрического сигнала используется свет, а вместо зондов – оптоволокно.