CN117129928A - 一种基于片上标准的晶圆测试系统校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于片上标准的晶圆测试系统校准装置及校准方法，其中，该晶圆测试系统校准装置包括位移标准样片、电阻标准样片、温度标准样片、数据采集单元和位移测量单元；位移标准样片，用于在校准过程中模拟探针台位移参数测量实际工况，并结合位移测量单元实现探针台位移参数的原位计量；电阻标准样片，用于在校准过程中模拟测试机中电压及电流参数测量实际工况，并结合数据采集单元实现测试机中电参数的原位计量，该电参数包括电压、电流及基准频率参数；温度标准样片，用于在校准过程中模拟探针台三温测试过程中的实际工况，并结合数据采集单元实现探针台温度场的原位计量。本发明能实现对晶圆测试系统完整参数的原位计量。

Description

一种基于片上标准的晶圆测试系统校准装置及校准方法

技术领域

本发明属于电子计量测试技术领域，更具体地，涉及一种基于片上标准的晶圆测试系统校准装置及校准方法。

背景技术

随着信息时代的到来，集成电路在国民经济发展，国防现代化建设中的作用尤为重要。因此，提升集成电路可靠性降低集成电路生产成本具有重要意义。晶圆测试系统作为集成电路生产过程中的核心关键测试设备，在保障集成电路良品率，指导集成电路设计方面有着极其重要的作用，确保晶圆测试系统性能可靠，核心关键参数测量结果准确就显得格外重要。

目前的晶圆测试系统主要由测试机、探针台、承片台、调温部件和探针卡组成。其中，待测晶圆放置在承片台上；探针台用于调整承片台在水平和竖直方向的位置，使待测晶圆上的测试键焊盘与探针卡上的探针相接触，从而实现相应的电气测量；调温部件设置在承片台上，用于调节承片台上的温度；测试机内部包括电参数源模块、电参数表模块和判断模块，其中电参数源模块用于向探针卡发送激励源信号，该激励源信号通过探针卡上的探针传输至待测晶圆，待测晶圆输出的信号则通过探针卡上的探针回传并存储在测试机中的电参数表模块中，然后由测试机中的判断模块根据这些信号判断该待测晶圆是否存在缺陷。但现有的针对晶圆测试系统计量方法，可实现探针台位移参数计量，但存在盲区，无法覆盖探针台完整的位移参数；针对电学参数通过PCB转接板实现了计量，但存在污染、划伤承片台等问题。

综上所述，当前针对晶圆测试系统计量方法存在参数计量不完整，位移参数计量存在盲区，无法实现原位计量，从而引发了污染、划伤承片台的风险，增加了集成电路生产制造过程中的废品率。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于片上标准的晶圆测试系统校准装置及校准方法，旨在解决传统晶圆测试系统计量方法存在参数计量不完整，无法实现原位计量的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种基于片上标准的晶圆测试系统校准装置，包括位移标准样片、电阻标准样片、温度标准样片、数据采集单元和位移测量单元，所述位移标准样片、电阻标准样片和温度标准样片均设置在晶圆测试系统中的承片台上，所述位移测量单元设置在所述承片台的上方；

位移标准样片，其尺寸与晶圆测试系统中探针台的尺寸相匹配，用于在校准过程中模拟探针台位移参数测量实际工况，并结合位移测量单元实现探针台位移参数的原位计量，从而实现晶圆测试系统位移参数的校准；

电阻标准样片，其阻值与晶圆测试系统中测试机的电压和电流校准值相匹配，用于在校准过程中模拟测试机中电压及电流参数测量实际工况，并结合数据采集单元实现测试机中电参数的原位计量，从而实现晶圆测试系统电参数的校准，所述电参数包括电压、电流及基准频率参数；

温度标准样片，其上呈环形结构均匀分布有多个温度传感器，用于在校准过程中模拟探针台三温测试过程中的实际工况，并结合数据采集单元实现探针台温度场的原位计量，从而实现晶圆测试系统温度参数的校准。

在其中一个实施例中，所述位移标准样片通过在二氧化硅晶圆片上刻蚀二维栅格形成，所述位移标准样片的尺寸为4in、6in、8in或12in。

在其中一个实施例中，所述电阻标准样片采用掺杂或扩散工艺制成标准电阻网络，其阻值为0.1Ω、1Ω、10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ或10MΩ。

在其中一个实施例中，所述温度标准样片通过采用CMOS工艺，将温度传感器呈环形结构均匀分布于温度标准样片。

在其中一个实施例中，所述位移测量单元采用高分辨率相机，并结合基于神经网络的自适应算法，实现探针台位移参数的原位计量。

在其中一个实施例中，所述高分辨率相机采用放大倍数为40倍、像元尺寸小于6.5μm的工业相机。

第二方面，本发明提供了一种上述所述的基于片上标准的晶圆测试系统校准装置的校准方法，应用于上位机，包括如下步骤：

(1)向所述晶圆测试系统校准装置发送自检信号，使所述晶圆测试系统校准装置完成自检操作；

(2)控制晶圆测试系统中探针台运动产生位移，同时根据位移测量单元测量到的探针台位移数据，实现晶圆测试系统位移参数的校准；

(3)控制晶圆测试系统中探针卡上的探针与电阻标准样片接触，并控制测试输出相应的电压和电流信号至标准电阻样片，同时根据数据采集单元采集到的电阻标准样片上的电参数数据，实现晶圆测试系统电参数的校准，所述电参数包括电压、电流及基准频率参数；

(4)控制承片台上的温度，待温度稳定后，根据数据采集单元采集到的温度标准样片上的温度数据，实现对晶圆测试系统温度参数的校准。

在其中一个实施例中，步骤(4)之后，还包括如下步骤：

接收并根据用户的操作指令，将探针台位移参数校准数据、测试机电压、电流以及基准频率校准数据、探针台温度校准数据进行处理后生出校准报告输出。

本发明提供的基于片上标准的晶圆测试系统校准装置及校准方法，具有如下效果：(1)通过利用位移标准样片、电阻标准样片、温度标准样片，辅以位移测量单元和数据采集单元，可实现对晶圆测试系统的原位计量，在线计量；(2)采用位移标准样片、电阻标准样片和温度标准样片，可保证晶圆测试系统核心参数校准全覆盖，全量程完善的校准，提升计量人员的工作效率，确保晶圆片测试系统测量结果准确可靠，建立完整的基于片上标准的晶圆测试系统量值传递与溯源链，为集成电路的生产制造保驾护航。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的基于片上标准的晶圆测试系统校准装置的结构图；

图2是本发明一实施例提供的位移标准样片的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的电阻标准样片的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的温度标准样片的结构示意图；

图5是本发明一实施例提供的位移测量单元的结构示意图；

图6是图1提供的晶圆测试系统校准装置的校准方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，传统晶圆测试系统主要由测试机、探针台、承片台、调温部件和探针卡组成。其中，待测晶圆放置在承片台上；探针台用于调整承片台在水平和竖直方向的位置，使待测晶圆上的测试键焊盘与探针卡上的探针相接触，从而实现相应的电气测量；调温部件设置在承片台上，用于调节承片台上的温度；测试机内部包括电参数源模块、电参数表模块和判断模块，其中电参数源模块用于向探针卡发送激励源信号，该激励源信号通过探针卡上的探针传输至待测晶圆，待测晶圆输出的信号则通过探针卡上的探针回传并存储在测试机中的电参数表模块中，然后由测试机中的判断模块根据这些信号判断该待测晶圆是否存在缺陷。

为解决传统晶圆测试系统计量方法存在参数计量不完整，无法实现原位计量的问题，对此，本发明提供了一种基于片上标准的晶圆测试系统校准装置，如图1所示，该校准装置包括各参数标准样片(位移标准样片、电阻标准样片和温度标准样片)、数据采集单元和位移测量单元。

其中，位移标准样片设置在晶圆测试系统中的承片台上，其尺寸与晶圆测试系统中探针台的型号尺寸相匹配，用于在校准过程中模拟探针台位移参数测量实际工况。

如图5所示，位移测量单元可采用设置在承片台上方的高分辨率相机，用于对位移标准样片校准过程中的位移进行在线动态计量，即对探针台位移参数进行原位计量。获得探针台位移参数原位计量后，将该位移参数与控制探针台的位移信号进行比对，当两者的差值超过其预设范围时，对晶圆测试系统中的探针台进行校准，从而实现对晶圆测试系统位移参数的校准。

具体地，如图2所示，本实施例提供的位移标准样片可采用二氧化硅材料，通过刻蚀工艺，在二氧化硅晶圆片上刻蚀二维栅格，精度为0.1μm，标准样片为尺寸为4in、6in、8in或12in，可覆盖当前集成电路产业中4in、6in、8in、12in等各型号尺寸的探针台，通过定值后，辅以位移测量单元实现探针台位移参数的原位计量。本实施例提供的位移测量单元可采用放大倍数为40倍、像元尺寸小于6.5μm的工业相机结合基于神经网络的自适应算法实现位移标准样片校准过程中非接触式的在线位移动态计量。

数据采集单元可采用本领域常用的电参数采集电路和温度采集电路，用于采集校准过程中电阻标准样片上的电压及电流数据、测试机基准频率输出口输出的基准频率数据、以及温度标准样片上的温度数据。

电阻标准样片设置在晶圆测试系统中的承片台上，其阻值与晶圆测试系统中测试机的电压和电流校准值相匹配，用于在校准过程中模拟测试机中电压及电流参数测量实际工况，并结合数据采集单元实现测试机中电压和电流参数的原位计量。获得测试机中电压和电流参数原位计量后，将该原位参数与控制测试机输出至电阻标准样片上的电压和电流信号进行比对，当两者差值超过其预设范围时，对晶圆测试系统中测试机中的电参数源模块进行校准，从而实现晶圆测试系统电压和电流参数的校准。

具体地，如图3所示，本实施例提供的电阻标准样片可通过采用掺杂或扩散工艺，制作标准电阻网络，阻值为0.1Ω、1Ω、10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ、10MΩ，在数据采集单元的配合下，通过定值后，根据晶圆测试系统不同的电压、电流校准点选择不同的阻值，实现对晶圆测试系统电压以及电流参数的校准。

另外，本实施例提供的校准装置还包括对晶圆测试系统基准频率参数的校准，其校准方法为：将晶圆测试系统中测试机的基准频率输出口与数据采集单元相连接，将数据采集单元采集到的基准频率数据与控制测试机的基准频率信号进行比对，当两者的差值超过其预设范围时，对测试机输出的基准频率进行校准，从而实现对晶圆测试系统基准频率参数的校准。

温度标准样片设置在晶圆测试系统中的承片台上，如图4所示，其上呈环形结构均匀分布有多个温度传感器，用于在校准过程中模拟探针台三温测试过程中的实际工况，并结合数据采集单元实现探针台温度场的原位计量。获得探针台温度场的原位计量后，将该原位计量与控制调温部件的温度信号进行比对，当两者的差值超过其预设范围时，对晶圆测试系统中的调温部件进行校准，从而实现晶圆测试系统温度参数的校准。

具体地，本实施例提供的温度标准样片可通过采用CMOS工艺，将温度传感器呈环形结构均匀分布于温度标准样片，温度测量范围-50℃～200℃，通过溯源后，辅以数据采集单元实现对晶圆测试系统探针台温度场的校准。

图6是本实施例提供的基于片上标准的晶圆测试系统校准装置的校准方法流程图，该校准方法可通过上位机实现，上位机与校准装置中的位移测量单元、数据采集单元通信相连，包括如下步骤：

步骤一：向晶圆测试系统校准装置发送自检信号，使晶圆测试系统校准装置完成自检操作。

步骤二：向晶圆测试系统中的探针台发送X轴和Y轴位移信号，控制晶圆测试系统中探针台运动产生位移，同时获取位移测量单元测量到的探针台位移数据，当控制所输出的位移信号与采集到的位移数据差值超过其预设范围时，对晶圆测试系统中的探针台进行校准，从而实现对晶圆测试系统位移参数的校准。

步骤三：对晶圆测试系统中的电参数进行校准，该电参数校准包括电压和电流参数校准以及基准频率校准。

电压和电流参数校准的校准方法为：向探针台发送位移信号，使晶圆测试系统中探针卡上的探针与电阻标准样片接触；然后控制测试机输出相应的电压和电流信号至标准电阻样片，同时获取数据采集单元采集到的电阻标准样片上的电压和电流数据，当控制所输出的电压/电流信号与采集到的电压/电流数据的差值超过其预设范围时，对该测试机中电参数源模块中的电压和电流进行校准，从而实现对晶圆测试系统电压和电流参数的校准。

基准频率校准的校准方法为：向测试机发送基准频率信号，控制测试机输出的基准频率，同时获取数据采集单元采集到的测试机基准频率输出口输出的基准频率数据，当控制所输出的基准频率信号与采集到的基准频率数据的差值超过其预设范围时，对该测试机输出的基准频率进行校准，从而实现对晶圆测试系统基准频率参数的校准。

步骤四：向设置在承片台上的调温部件发送降温和升温信号，控制承片台的降温和升温，待温度稳定后，获取数据采集单元采集到的温度标准样片上的温度数据，当控制所输出的降温/升温信号与采集到的温度数据的差值超过其预设范围时，对晶圆测试系统中的调温部件进行校准，从而实现对晶圆测试系统温度参数的校准。

进一步地，本实施例提供的步骤四之后，还可包括如下步骤：

步骤五：接收并根据用户的操作指令，将晶圆测试系统各参数校准数据进行处理后生出校准报告输出。

在本实施例中，上位机可实现晶圆测试系统校准装置中数据采集单元以及位移测量单元的联调联试，对晶圆测试系统计量过程中数据的处理，存储和分析，证书报告的出具，以及各项参数补偿文件的生成，实现晶圆测试系统计量过程数字化，智能化。

本实施例提供的基于片上标准的晶圆测试系统校准装置及校准方法，具有如下效果：(1)通过利用位移标准样片、电阻标准样片、温度标准样片，辅以位移测量单元和数据采集单元，可实现对晶圆测试系统的原位计量，在线计量；(2)采用位移标准样片、电阻标准样片和温度标准样片，可保证晶圆测试系统核心参数校准全覆盖，全量程完善的校准，提升计量人员的工作效率，确保晶圆片测试系统测量结果准确可靠，建立完整的基于片上标准的晶圆测试系统量值传递与溯源链，为集成电路的生产制造保驾护航。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于片上标准的晶圆测试系统校准装置，其特征在于，包括位移标准样片、电阻标准样片、温度标准样片、数据采集单元和位移测量单元，所述位移标准样片、电阻标准样片和温度标准样片均设置在晶圆测试系统中的承片台上，所述位移测量单元设置在所述承片台的上方；

位移标准样片，其尺寸与晶圆测试系统中探针台的尺寸相匹配，用于在校准过程中模拟探针台位移参数测量实际工况，并结合位移测量单元实现探针台位移参数的原位计量，从而实现晶圆测试系统位移参数的校准；

电阻标准样片，其阻值与晶圆测试系统中测试机的电压和电流校准值相匹配，用于在校准过程中模拟测试机中电压及电流参数测量实际工况，并结合数据采集单元实现测试机中电参数的原位计量，从而实现晶圆测试系统电参数的校准，所述电参数包括电压、电流及基准频率参数；

温度标准样片，其上呈环形结构均匀分布有多个温度传感器，用于在校准过程中模拟探针台三温测试过程中的实际工况，并结合数据采集单元实现探针台温度场的原位计量，从而实现晶圆测试系统温度参数的校准。

2.根据权利要求1所述的基于片上标准的晶圆测试系统校准装置，其特征在于，所述位移标准样片通过在二氧化硅晶圆片上刻蚀二维栅格形成，所述位移标准样片的尺寸为4in、6in、8in或12in。

3.根据权利要求1所述的基于片上标准的晶圆测试系统校准装置，其特征在于，所述电阻标准样片采用掺杂或扩散工艺制成标准电阻网络，其阻值为0.1Ω、1Ω、10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ或10MΩ。

4.根据权利要求1所述的基于片上标准的晶圆测试系统校准装置，其特征在于，所述温度标准样片通过采用CMOS工艺，将温度传感器呈环形结构均匀分布于温度标准样片。

5.根据权利要求1所述的基于片上标准的晶圆测试系统校准装置，其特征在于，所述位移测量单元采用高分辨率相机，并结合基于神经网络的自适应算法，实现探针台位移参数的原位计量。

6.根据权利要求5所述的基于片上标准的晶圆测试系统校准装置，其特征在于，所述高分辨率相机采用放大倍数为40倍、像元尺寸小于6.5μm的工业相机。

7.一种基于权利要求1～6任意一项所述的基于片上标准的晶圆测试系统校准装置的校准方法，应用于上位机，其特征在于，包括如下步骤：

(1)向所述晶圆测试系统校准装置发送自检信号，使所述晶圆测试系统校准装置完成自检操作；

(2)控制晶圆测试系统中探针台运动产生位移，同时根据位移测量单元测量到的探针台位移数据，实现晶圆测试系统位移参数的校准；

(3)控制晶圆测试系统中探针卡上的探针与电阻标准样片接触，并控制测试输出相应的电压和电流信号至标准电阻样片，同时根据数据采集单元采集到的电阻标准样片上的电参数数据，实现晶圆测试系统电参数的校准，所述电参数包括电压、电流及基准频率参数；

(4)控制承片台上的温度，待温度稳定后，根据数据采集单元采集到的温度标准样片上的温度数据，实现对晶圆测试系统温度参数的校准。

8.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于，步骤(4)之后，还包括如下步骤：

接收并根据用户的操作指令，将探针台位移参数校准数据、测试机电压、电流以及基准频率校准数据、探针台温度校准数据进行处理后生出校准报告输出。