DE102008047337A1 - Verfahren zur Prüfung eines Testsubstrats in einem Prober unter definierten thermischen Bedingungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen oder Testen von Testsubstraten (7) in einem Prober unter definierten thermischen Bedingungen. Eine solche, dem Fachmann als Prober bekannte Prüfvorrichtung weist ein Gehäuse mit zumindest zwei Gehäuseabschnitten auf, in dessen einen Gehäuseabschnitt das zu prüfende Testsubstrat (7) durch eine Chuck (5) gehalten und auf eine definierte Temperatur eingestellt wird und in dessen anderem Gehäuseabschnitt, der Sondenkammer (3), Sonden (23) gehalten werden. Zur Prüfung werden das Testsubstrat (7) und die Sonden (23) mittels zumindest einer Positionierungseinrichtung relativ zueinander positioniert und nachfolgend das Testsubstrat (7) durch die Sonden (23) kontaktiert. Zur Stabilisierung der thermischen Bedingungen während der Prüfung werden die Sonden (23) mittels einer temper3) durchströmt, auf eine von der Temperatur des Testsubstrats (7) unabhängige Temperatur eingestellt und diese Temperatur gehalten wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen oder Testen von Testsubstraten, d. h. von Wafern und anderen elektronischen Halbleiterbauelementen, in einem Prober unter definierten thermischen Bedingungen. Eine solche, dem Fachmann als Prober bekannte Prüfvorrichtung weist ein Gehäuse mit zumindest zwei Gehäuseabschnitten auf, in dessen einen Gehäuseabschnitt, im folgenden als Testkammer bezeichnet, das zu prüfende Testsubstrat durch einen Chuck gehalten wird und auf eine definierte Temperatur eingestellt wird und in dessen anderem Gehäuseabschnitt, im folgenden als Sondenkammer bezeichnet, Sonden gehalten werden. Zur Prüfung werden das Testsubstrat und die Sonden mittels zumindest einer Positionierungseinrichtung relativ zueinander positioniert und nachfolgend das Testsubstrat durch die Sonden kontaktiert.
• Für besondere Testaufgaben, insbesondere für die Messung sehr kleiner Ströme ist es erforderlich, Störeinflüsse auf die Messanordnung, welche die Messergebnisse verfälschen können, zu verhindern. Eine solche Anordnung weist für solche Tests ein Abschirmsystem auf, mit welchem die elektromagnetische Beeinflussung (EMI) der Messung der Testsubstrate minimiert werden kann. Ein Prober mit elektromagnetische Abschirmung ist aus der DE 298 20 106 U1 bekannt. Darin wird beschrieben, dass eine Baugruppe zur Aufnahme der Testsubstrate einschließlich deren Positionierungseinheit sowie eine Baugruppe zur Aufnahme und Positionierung von Sonden, üblicherweise als Probes bezeichnet, mit einem Gehäuse von den äußeren elektromagnetischen Einflüssen abgeschirmt wird. Die Schnittstellen nach außen stellen die Kabel zu den Steuerungs- und Auswertungseinheiten dar. Damit werden eine optische und eine elektromagnetische Abschirmung des Messequipments erzielt. Besonders problematisch erweist sich auch eine Abschirmung gegenüber niederfrequenten magnetischen Feldern. Eine solche NF-Abschirmung ist durch dickwandige Gehäuse aus ferromagnetischen Materialien zu erzielen. Zugänge durch solche Wandungen sind jedoch nicht realisierbar, ohne die Schirmung wesentlich zu schwächen.
• Das Problem derartiger Gehäuse ist jedoch die Zugänglichkeit zu einzelnen Komponenten, insbesondere zu den Positionierungseinheiten der Sonden und/oder der Halterung des Testsubstrats, allgemein als Chuck bezeichnet. In der US 6,492,822 B2 sind deshalb Teile beider Positionierungseinheiten durch die Gehäusewandung nach außen geführt, so dass deren Manipulation ohne Öffnung des Gehäuses von außen möglich ist. Derartige Gehäuseeingänge erweisen sich jedoch als nachteilig, da sie eine Unterbrechung der Schirmung darstellen.
• Aus der DE 10 2007 053 862 A1 ist ein Prober bekannt, dessen Gehäuse so unterteilt ist, dass sowohl der Chuck mit seiner Chuck-Positionierungseinheit als auch die Sondenhalterungen mit deren Positioniereinheiten im schirmenden Gehäuse integriert sind. Die Integration solcher oder vergleichbarer Vorrichtungen und deren Kabel in das elektromagnetische Abschirmsystem erfolgt in einer solchen Weise, dass auch innerhalb des Systems eine gegenseitige Beeinflussung der Vorrichtungen und des Testsubstrats minimiert werden kann. Trotz des komplexen und variablen Abschirmsystems sind die einzelnen, während eines Messzyklus zu bedienenden Komponenten, wie z. B. die Positionierungseinheit des Chucks und gegebenenfalls auch der Sonden, zugänglich und eine Beobachtung des Testsubstrats während der Messung möglich. Z. B. sind durch Öffnen einzelner Gehäuseabschnitte die Sondenhalterungen zugänglich, während der das Testsubstrat unmittelbar umgebende Gehäuseabschnitt geschlossen bleibt.
• Die Gestaltung des Gehäuses mit mehreren, einzeln zu öffnenden Gehäuseabschnitten und die damit mögliche gute Zugänglichkeit einzelner Komponenten des Probers mit minimierter Unterbrechung der Schirmung gestattet auch die Aufnahme einer Vorrichtung zur Signalaufbereitung, z. B. zur Signalvorverarbeitung oder zur Signalverarbeitung in die elektromagnetische Abschirmung des Gehäuses. Damit sind z. B. auch solche Kabel in die Schirmung des Gehäuses integrierbar, welche außerhalb des Gehäuses als Antenne wirken und die Messung verfälschen können. Der in der der DE 10 2007 053 862 A1 vorgeschlagene Prober umfasst auch die Möglichkeit, das Abschirmsystem für die Abschirmung gegenüber niederfrequenten magnetischen Feldern zu konfigurieren. Eine solche Abschirmung wird durch Gehäuse oder Gehäuseabschnitte aus dickwandigen, ferromagnetischen Materialien erzielt.
• Im Prober wird ein Testsubstrat auf dem Chuck angeordnet und mit der Positionierungseinheit des Chucks, allgemein auch als Chuckantrieb bezeichnet, im Arbeitsbereich verfahren, so dass es relativ zu den Sonden des Probers positioniert ist. Die Positionierung des Testsubstrats erfolgt im Allgemeinen in der horizontalen, d. h. X-Y-Ebene durch einen Kreuztisch sowie durch eine Vorrichtung zur winkligen Ausrichtung und durch einen vertikalen, d. h. Z-Vortrieb, der z. B. eine Zustellbewegung des Testsubstrats in Richtung der über dem Testsubstrat angeordneten Sonden ermöglicht. Mit den Positionierungseinheiten der Sonden, auch als Probeheads bezeichnet, können mehrerer Sonden relativ zueinander oder zu einer Vorzugsrichtung des Testsubstrats in X-, Y- und Z-Richtung oder in einer Zustellbewegung zum Testsubstrat bewegt werden. In alternativen Ausgestaltungen sind die Sonden fest montiert.
• Zur Prüfung wird das Testsubstrat mittels der Sonden, welche die Form von Kontaktiernadeln haben, kontaktiert und mit Prüfsignalen beaufschlagt oder Prüfsignale abgegriffen. Die Sonden einschließlich der Probeheads befinden sich im Allgemeinen außerhalb des Arbeitsbereiches auf einer Platte, die den Arbeitsbereich nach oben abgrenzt und die häufig auch der Halterung der Sonden dient und in diesem Fall als Sondenhalterplatte bezeichnet ist. Die Spitzen der Sonden kontaktieren das Testsubstrat durch eine Öffnung in der Platte, wobei zur Optimierung der elektromagnetische Schirmung die Öffnung selbst so klein wie möglich gestaltet ist oder durch ein elektromagnetisches Schild, als Shield bekannt, ergänzt wird, das über dem Testsubstrat und unterhalb der Platte angeordnet ist und die erforderlich kleine Öffnung für den Durchgriff der Sonden aufweist.
• Die Prüfung von elektronischen Bauelementen auf ihre Funktionssicherheit erfolgt in Probern vorzugsweise unter den Umgebungsbedingungen, die den Einsatzbedingungen des jeweiligen Bauelementes entsprechen, wobei die Einstellung des Testsubstrats auf definierte Temperaturen üblicherweise im Bereich bis einige Hundert Grad Celsius ein Schwerpunkt darstellt. Die Einstellung der Temperatur des Testsubstrats erfolgt über den Chuck, der mittels geeigneter Vorrichtungen heizbar oder kühlbar ist.
• Es hat sich jedoch heraus gestellt, dass über die den Arbeitsbereich nach oben abgrenzenden Platte und insbesondere über die Öffnung darin und ebenso über den Kontakt der Sonden mit dem Testsubstrat ein Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsraum und dem darüber liegenden Gehäuseabschnitt erfolgt, in welchem die Sondenhalterungen, die Probeheads und gegebenenfalls auch die Vorrichtung zur Signalaufbereitung angeordnet sind und der im Folgenden als Sondenkammer bezeichnet sein soll.
• Insbesondere bei größeren Temperaturunterschieden zur Umgebungstemperatur, z. B. bei Messtemperaturen von einigen hundert Grad Celsius, werden alle in der Sondenkammer angeordneten Komponenten und Vorrichtungen auf eine solche Temperatur erhitzt, die eine exakte Positionierung der Sonden oder eine Aufrechterhaltung deren Position über einen längeren Prüfzeitraum verhindern oder zumindest erschweren. Denn eine Erwärmung oder Abkühlung der Probeheads und auch der Sonden führt zu Drifterscheinungen infolge thermischer Ausdehnung im Verlaufe der Messung, wobei sich diese Auswirkungen mit der Länge der Prüfspitzen verstärken. Sind der Vorrichtungen zur Signalaufbereitung in einer Sondenkammer angeordnet werden auch deren elektrische Parameter verändert und die Messung verfälscht. Darüber hinaus kann sich auch das Gehäuse einer Sondenkammer so stark erwärmen, dass es zu Verbrennungen bei einer Berührung mit dem Gehäuse kommen kann.
• Zur Überwindung dieser Probleme ist ein Prober angegeben, in welchem in einem Gehäuseabschnitt, der außerhalb des Arbeitsbereiches liegt und zumindest eine Sonde und deren Sondenhalterung umfasst, mittels einer temperierten und diesen Gehäuseabschnitt durchströmenden Gasströmung eine Temperatur eingestellt wird, die unabhängig ist von der Temperatur des Testsubstrats. Die unabhängige Temperatureinstellung von Testsubstrat und Sonden gestattet es, in Abhängigkeit z. B. von der Testtemperatur, von den thermischen Eigenschaften der Sonden und/oder von der Art des Tests die Sonden auf eine solche Temperatur einzustellen, die entweder das Testsubstrat minimal beeinflusst, die Positionierung der Sonden auch für Langzeittests aufrechterhält und/oder die gleichbleibende Funktion empfindlicher, weiterer Komponenten des Probers zu gewährleisten, die mit den Sonden in Verbindung stehen. So können z. B. selbst bei sehr hohen oder tiefen Testtemperaturen die Sonden und deren Umgebung wie z. B. Signalaufbereitungsvorrichtungen in der Sondenkammer auf die Umgebungstemperatur des Probers eingestellt werden. Durch geeignete, nachfolgend beschriebene weitere Maßnahmen ist dennoch eine Aufrechterhaltung der Temperatur des Testsubstrats möglich.
• Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
• 1 einen Prober mit einem Gehäuse in einer frontalen Schnittdarstellung, wobei das Gehäuse durch eine Probenhalterplatte in zwei Gehäuseabschnitte unterteilt ist,
• 2 eine weitere Ausgestaltung von oberhalb einer Sondenhalterplatte angeordneten Gehäuseabschnitten in Schnittdarstellung und
• 3 eine Detaildarstellung eines Gasauslasses in der Gehäusewandung.
• Eine in 1 dargestellte Ausführungsform eines Probers weist ein Gehäuse mit zwei Gehäuseabschnitten auf. In dem unteren der beiden Gehäuseabschnitte ist ein Chuck 5 angeordnet, auf dem ein Testsubstrat 7 aufgelegt und gehalten ist. Als Chuck 5 wird allgemein eine besondere Haltevorrichtung für Testsubstrate 7 verstanden, die auf deren besonderen mechanischen, elektrischen und geometrischen Anforderungen angepasst ist und entsprechend des Testsubstrats 7 und der Prüfung geeignete Haltemechanismen realisiert. Ein Chuck 5 umfasst regelmäßig eine Chuck-Positionierungseinheit 6, mit welcher der Chuck 5 in X-, Y- und Z-Richtung zu bewegen und um die Z-Achse in einem gewissen Winkelbereich drehbar ist. Der Chuck 5 einschließlich seiner Chuck-Positionierungseinheit 6 ist auf einer Grundplatte 1 des Probers montiert und seitlich von einer unteren Gehäusewandung 10 umgeben. Mittels eines kühlbaren oder heizbaren Chucks 5 wird das Testsubstrat 7 auf die Testtemperatur eingestellt und während der gesamten Testdauer gehalten.
• Dem Chuck 5 und gleichzeitig dem Testsubstrat 7 gegenüberliegend ist eine Sondenhalterplatte 4 angeordnet, welche die untere Gehäusewandung 10 nach oben abschließt und somit den unteren Gehäuseabschnitt bildet. Dieser untere Gehäuseabschnitt umhüllt den Chuck 5, die Chuck-Positionierungseinheit 6 und das Testsubstrat 7 und soll deshalb im Folgenden der besseren Unterscheidung wegen als Testkammer 2 bezeichnet sein. Die untere Gehäusewandung 10, die Grundplatte 1 und die Sondenhalterplatte 4 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material und realisieren, ggf. durch einen speziellen Aufbau des Chucks 5 ergänzt, die elektromagnetische Abschirmung des Testsubstrats 7.
• Oberhalb der Sondenhalterplatte 4 erstreckt sich der obere Gehäuseabschnitt, dessen Wandung zur elektromagnetischen Abschirmung der darin angeordneten Komponenten ebenfalls aus elektrisch leitfähigem Material bestehen. Folglich unterteilt die Sondenhalterplatte 4 das Gehäuse des Probers in einen unteren Gehäuseabschnitt und einen oberen Gehäuseabschnitt, wobei beide Gehäuseabschnitte eine elektromagnetische Abschirmung zur Umgebung und zum jeweils anderen Gehäuseabschnitt realisieren. Die einzelnen Gehäuseteile und die Sondenhalterplatte sind über ihre Flächenkontakte miteinander elektrisch verbunden, so dass eine geschlossene Abschirmung erzielt wird. In einer weiteren Ausgestaltung dient das Gehäuse nicht der elektromagnetischen Abschirmung, sondern lediglich der Umhüllung der Testanordnung, z. B. zur Einstellung von Testbedingungen, die von den Umgebungsbedingungen abweichen.
• In der Sondenhalterplatte 4 ist eine zentrale Öffnung 26 angeordnet, durch welche die Sonden 23, die auf der Sondenhalterplatte 4 mittels Probeheads 21 montiert sind, das Testsubstrat 7 elektrisch kontaktieren. Als Probeheads 21 werden allgemein Halterungen verstanden, welche die Sonden 23 entweder einzeln oder angeordnet auf so genannten Sondenkarten (Probecards) in ihrer definierten Position zur Sondenhalterplatte 4 und zu den weiteren Sonden 23 halten und die elektrische Verbindung zu den Sonden 23 realisieren.
• Die zentrale Öffnung 26 der Sondenhalterplatte 4 stellt eine Öffnung in der Abschirmung der Testkammer 2 nach oben sowie des oberen Gehäuseabschnitts nach unten dar. Diese Öffnung wird in der dargestellten Ausführungsform durch ein Schild 9 nahezu vollständig geschlossen, das sich zwischen der Sondenhalterplatte 4 und dem Testsubstrat 7 erstreckt und lediglich in dem unmittelbaren Bereich der Kontaktierung des Testsubstrats 5 durch die Sondenspitzen 25 eine Öffnung aufweist. Da das Schild 9 die Abschirmung beider hier aneinandergrenzender Gehäuseabschnitte ergänzt, besteht auch das Schild 9 aus einem elektrisch leitfähigen Material und ist mittels Abstandshalter 14 an der Sondenhalterplatte 4 montiert.
• Diese Ausgestaltung ist lediglich eine von vielen möglichen. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Abschirmung der beiden Gehäuseabschnitte zueinander ohne Schild 9, durch geeignete Ausgestaltung der Sondenhalterplatte 4 oder durch einen weitestgehenden Verschluss der zentralen Öffnung 26 realisiert sein. In einer anderen Ausgestaltung kann die Trennung der Testkammer 2 von einer oder mehrerer oberer Gehäuseabschnitte anstelle mittels Sondenhalterplatte 4 durch eine weitere Gehäusewandung erfolgen, z. B. wenn die Sonden 23 auf andere Weise gehalten und angeordnet sind.
• Die Abschirmung zwischen den beiden Gehäuseabschnitten realisiert gleichzeitig auch deren weitestgehende räumliche Trennung. In anderen Ausgestaltungen kann die räumliche Trennung, die entsprechend der nachfolgenden Beschreibung den Einfluss des die Sondenkammer 3 durchströmenden, temperierten Gases auf das Testsubstrat 7 vermindert, auch durch andere geeignete Maßnahmen erfolgen.
• In dem in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Sondenkammer 3 durch einen Beobachtungsbereich 40 in zwei Teilabschnitte untergliedert, indem sich der Beobachtungsbereich 40 zentral und über die gesamte Tiefe (senkrecht zur Zeichnungsebene betrachtet) des oberen Gehäuseabschnittes erstreckt und gegenüber der oberen Gehäusewandung 30 bis nahe an die Sondenhalterplatte 4 abgesenkt ist. Der abgesenkte Beo bachtungsbereich 40 wird zur Sondenhalterplatte 4 hin durch den abgesenkten Teil der oberen Gehäusewandung 30 begrenzt, der ungefähr parallel und mit einem solchen Abstand zur Sondenhalterplatte 4 verläuft, dass sich in diesem Abstand die Sonden 23 erstrecken können, ohne die Sondenhalterplatte 4 oder den besagten abgesenkten Teil zu berühren. In diesen mittleren Abschnitt ragt das Objektiv eines Mikroskops 43, so dass mittels des Mikroskops 43 die Herstellung des Kontakts zwischen Sondenspitzen 25 und Testsubstrat 7 sowie dessen Beibehaltung während des Tests zu beobachten ist. Dieser mittlere Bereich ist ein Bestandteil der Sondenkammer 3, soll im Folgenden jedoch der besseren Unterscheidung wegen als Objektivkammer 41 bezeichnet sein.
• Beide Teilabschnitte der Sondenkammer 3 umfassen jeweils eine Gruppe von Probeheads 21. Jedes Probehead 21 nimmt eine Sonde 23 auf und umfasst eine Sonden-Positionierungseinheit 22, vorliegend Mikrometerschrauben, mit der jede Sonde 23 einzeln in X-, Y- und Z-Richtung fein positionierbar ist. In alternativen Ausgestaltungen des Probers können anstelle der Mikrometerschrauben andere, auch elektrisch angetriebene Mittel zur Positionierung der Sonden 23 angeordnet sein oder die Sonden 23 sind selbst nicht beweglich, so dass die Kontaktierung des Testsubstrats 7 durch die Sonden 23 mittels einer Zustellbewegung erfolgt, die durch die Chuck-Positionierungseinheit 6 oder durch eine Bewegung der gesamten Sondenhalterplatte 4 ausgeführt wird.
• Unmittelbar neben jeder Gruppe von Probeheads 26 und damit innerhalb der Sondenkammer 3 ist je eine Vorrichtung zur Signalaufbereitung 28 auf der Sondenhalterplatte 4 angeordnet, wie z. B. eine Signalverarbeitungseinheit. Jede Vorrichtung zur Signalaufbereitung 28 ist über einen Verbinder 29 mit außerhalb des Gehäuses angeordneten und nicht näher dargestellten Messanordnungen oder Auswertungseinrichtungen verbunden.
• Zur Erzeugung einer Gasströmung weist die Sondenkammer 3 in jedem seiner Abschnitte im oberen Bereich verteilt Gaseinlässe 12 und im unteren Bereich verteilt Gasauslässe 13. Als Gasauslässe 13 sind in Abhängigkeit von dem für die Temperierung der Sondenkammern 3 erforderlichen Volumenstrom des Gases Öffnungen in der oberen Gehäusewandung 30 als auch ein nicht gasdichter Anschluss der oberen Gehäusewandung 30 an die Sondenhalterplatte 4 möglich.
• In einer Ausgestaltung wird aufgrund der thermischen Verhältnisse bereits durch die Lage und die Verteilung der Gaseinlässe 12 und Gasauslässe 13 ein Gasstrom 11 durch die Sondenkammer 3 erzeugt. In einer anderen Ausgestaltung kann die Strömungsrichtung durch eine Absaugung an den Gasauslässen 13 unterstützt werden, so dass die Gasstö mung 11 nicht oder zu einem zu vernachlässigenden Anteil in die Testkammer 2 eindringt. Auch andere geeignete Maßnahmen sind zu diesem Zweck möglich, z. B. die Erzeugung einer Gegenströmung aus der Testkammer 2 in die Sondenkammer 3 oder die Minimierung von Durchlässen zwischen beiden Kammern, wie oben beschrieben.
• Die Gasströmung 11 wird, bevor sie in die Sondenkammer 3 eingeleitet wird, auf die erforderliche Temperatur eingestellt, wobei sowohl eine Erwärmung des Gases als auch eine Kühlung, z. B. mittels Peltier-Kühler erfolgen kann. Erfolgt die Prüfung im Prober bei hohen Temperaturen kann auch bereits mit einer Gasströmung 11 mit Raumtemperatur eine Kühlung der Sonden erfolgen. Für die Gasströmung 11 kann Luft verwendet werden, die getrocknet sein kann, um Kondensat in der Sondenkammer 3 oder gegebenenfalls auch am Testsubstrat 7 oder der Testkammer zu vermeiden. Auch eine Stickstoffspülung ist verwendbar, z. B. um Oxidationsprozesse zu verhindern oder zur Ausnutzung dessen günstiger Wärmeübertragungseigenschaften. Andere Gase sind unter Berücksichtigung der Testbedingungen und des Aufbaus des Probers ebenso verwendbar.
• Mit der in der Ausführungsform nach 1 von oben nach unten durch die Sondenkammer 3 verlaufenden Gasströmung 11 werden die Probeheads 21 und auch die Vorrichtungen zur Signalaufbereitung 28 umströmt und temperiert. Auf diese Weise ist es z. B. möglich, auch bei höheren Testtemperaturen von einigen hundert Grad die Temperatur von in der Sondenkammer angeordneten elektronischen Komponenten nahezu auf Zimmertemperatur oder auf 25°C ± 5 Grad einzustellen, bei denen die Funktionsparameter dieser Komponenten gewährleistet sind.
• Aufgrund der über die gesamte Breite der Sondenkammer 3 verteilten Gaseinlässe 12, wird die gesamte Sondenkammer 3 durchströmt und temperiert, bevor das Gas durch die unteren Gasaulässe 13 aus der Sondenkammer 3 austritt. Dabei bewirkt der Anteil der Gasströmung 11, der den mittleren Teil der Sondenkammer 3 durchströmt, welcher als Objektivkammer 41 dient und im Ausführungsbeispiel eine geringere Höhe aufweist, die Temperierung der Sondenarme 24. Diese sind im Ausführungsbeispiel relativ lang, so dass sich eine Temperaturdrift aufgrund der damit verbundenen Änderung thermischen Ausdehnung deutlich in einer Drift der Position der Sondenspitzen 25 auf dem Testsubstrat 7 auswirken würde. Mit der Temperierung der Sonden 23 mittels Gasströmung 11 kann eine solche Drift vermieden werden, da die Temperierung die Aufrechterhaltung eines vor der Messung eingestellten thermischen Gleichgewichts im gesamten System unterstützt. Diese Gleichgewichtstemperatur kann rechnerisch oder experimentell ermittelt und der Tempe rierung der Sonden 23 zugrunde gelegt werden.
• Sofern in einer weiteren Ausgestaltung anstelle der nadelartigen Sonden 23, Probecards mit einer Vielzahl von kurzen Sonden verwendet werden, kann auch die Probecard, die parallel zum Testsubstrat 7 in der zentralen Öffnung 26 der Sondenhalterplatte 4 angeordnet würde, durch die vorbeiströmende Gasströmung 11 temperiert werden.
• Durch die Gasströmung 11 in der Objektivkammer 41 kann darüber hinaus auch das Objektiv temperiert werden, z. B. um dessen langsame Anpassung an die Temperatur des direkt unterhalb des Objektiv liegenden Testsubstrats 7 zu verhindern und damit die fortlaufende Beobachtung des Tests zu gewährleisten.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann ergänzend auch die Testkammer 2 und/oder die Chuck-Positionierungseinheit 6 temperiert sein, um Änderungen in der Position des Testsubstrats 7 oder dessen elektrischer Eigenschaften durch eine Temperaturdrift zu vermeiden.
• 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Sondenkammer 3 des Probers. Der wesentliche Aufbau des dargestellten Teils des Probers entspricht dem in 1, weshalb auf die Darlegungen dazu verwiesen wird. Die gleichen Komponenten des Probers wurden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der besseren Übersicht wegen ist keine Beobachtungseinrichtung dargestellt. Es ist aber unbenommen, dass eine Beobachtung der Sondenspitzen 25 während der Prüfung auf andere geeignete Weise erfolgen kann. Die Ausgestaltung gemäß 2 unterscheidet sich darüber hinaus von der in 1 dargestellten, dass kein Schild 9 unter der Sondenhalterplatte 4 angeordnet ist. Um dennoch den thermischen Einfluss des Testsubstrats 7 und des Chucks 5 auf die Sondenkammer 3 zu verringern, wurde die zentrale Öffnung 26 in der Sondenhalterplatte 4 auf das für die Positionierung der Sondenspitzen minimal erforderliche Maß vermindert.
• In der Ausgestaltung gemäß 2 ist ein mittlerer Teilabschnitt der Sondenkammer 3, in welchem sich die Sondenarme 24 erstrecken, durch thermische Blenden 31 von den seitlichen Teilabschnitten, in welchen die Probeheads 21 angeordnet sind, thermisch abgeschirmt. Die von den Probeheads 21 gehaltenen Sonden 23 erstrecken sich durch die Blenden 31 bis in den zentralen Bereich der Sondenkammer 3. Die Blenden 31 sind thermisch isolierend aber durchlässig für einen Gasstrom 11, der mittels Gaskanälen 32 in jedem Teilabschnitt separat erzeugt wird. In jedem Teilabschnitt der Sondenkammer 3 ist im oberen Bereich ein rohrförmiger Gaskanal 32 angeordnet, der entlang einer Mantellinie Öffnungen aufweist, die als Gaseinlass 12 dienen. Diese Gestaltung des Gaseinlasses 12 gestattet eine gerichtete Strömung, z. B. zu den Halterungen der Sonden 23 und den Blenden 31. Der Gaskanal 32 im mittleren Teilabschnitt der Sondenkammer 3 ist derart ausgestaltet, dass der Gasstrom 11 in Richtung der Sonden 23 strömt jedoch nicht in die zentrale Öffnung 26, da die Temperatur des Gasstromes 11 deutlich von der des Testsubstrats 7 abweichen kann und so thermische Spannungen und Verschiebungen im Testsubstrat 7 und den Sondenspitzen 25 vermieden werden.
• Die Richtung der Gasströmung 11 kann darüber hinaus durch einen drehbaren Gaskanal 32 und/oder durch gerichtete, düsenartige Öffnungen im Gaskanal 32 eingestellt und verändert werden. Die Verwendung einer gerichteten Gasströmung 11, welche die Sondenkammer 3 durchströmt, gestattet die gezielte Temperierung auch von einzelnen Komponenten bei minimalem Einfluss auf die Temperatur des Arbeitsbereiches und des dort angeordneten Testsubstrats 7.
• Sofern die Temperatur in der Testkammer 2 deutlich über der in der Sondenkammer liegt, verhindert zudem die aus der Testkammer 2 aufströmende Luft ein Eindringen des kühleren Gasstromes 11 in die Testkammer 2. Die sich im mittleren Teilabschnitt der Sondenkammer 3 vermischenden Gasströme 11 entweichen durch die Blenden 31 in die seitlichen Teilabschnitte, werden dort weiter abgekühlt und entweichen durch die am Fußpunkt der oberen Gehäusewandung 30 verteilten Gasauslässe 13, gegebenenfalls durch eine Absaugung unterstützt. Wird zum Beispiel eine Messung bei 200 bis 300°C durchgeführt, kann die Sondenkammer 3 durch einen Luftstrom bei Zimmertemperatur gekühlt werden und bei entsprechender Bemessung der die Sondenkammer 3 durchströmenden Luftmenge ist in der Sondenkammer 3 eine Temperatur von ca. 25°C während der gesamten Prüfung aufrechtzuerhalten.
• Dies wird auch die thermische Trennung mittels der Blenden 31 unterstützt, die in einer Ausgestaltung eines Probers zur flexiblen Anwendung entnehmbar sind. Die Verwendung von Blenden 31 hängt zum einen von der Temperaturdifferenz und zum anderen von der Größe der Öffnung zwischen beiden Kammern ab.
• Sowohl die Gasströmung 11 in der Objektivkammer 41 als auch die in den seitlich davon liegenden Teilabschnitten der Sondenkammer 3 bewirken eine Temperierung der Sondenhalterplatte 4, was sich stabilisierend auf das thermische Gleichgewicht des Testsystems auswirkt. In dem oben beschriebenen Fall einer hohen Temperaturdifferenz zwischen Sondenkammer 3 und Testsubstrat 7, kann die Sondenhalterplatte 4 eine thermische Isolierung 27 aufweisen. Im Ausführungsbeispiel ist diese wegen der Montage der Sonden 23 und der Probeheads 21 auf der Sondenhalterplatte 4 an deren Unterseite angeordnet. Alternativ ist das auch oberhalb möglich.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann das Gehäuse eines Probers neben der Funktion als EMI-Abschirmung auch lichtdicht ausgeführt sein, z. B. zur Prüfung optoelektronischer Testsubstrate 7. 3 zeigt einen möglichen Gasauslass 13, der beide Funktionen erfüllt. Zu diesem Zweck ist in einer Öffnung in der oberen Gehäusewandung 30 ein Profil 34 eingefügt, das durch einander überlappende Stege einen direkten Sichtkontakt durch die Öffnung ausschließt aber durch genügend große Abstände der Stege zueinander einen Gasstrom durch das Profil 34 gestattet. Für eine größtmögliche Absorption von einfallendem Licht ist das Profil 34 aus mattschwarzem Material gefertigt. Die elektromagnetische Abschirmung im Bereich der Öffnung wird durch einen EMI-Abschirmstoff 35 realisiert, welcher in elektrischem Kontakt mit der Sondenhalterplatte 4 und der oberen Gehäusewandung 30 steht. Alternativ kann der Gasauslass 13 auch nur eine der Funktionen erfüllen und folglich nur entweder das Profil 34 oder die elektromagnetische Abschirmung aufweisen.
• Zur Prüfung, die im Ausführungsbeispiel bei Temperaturen oberhalb 200°C durchgeführt werden soll, wird ein Testsubstrat 7 auf einem Chuck 5 angeordnet und im Arbeitsbereich innerhalb der Testkammer 2 und damit unterhalb der zentralen Öffnung 26 grob positioniert. Nachfolgend wird das Testsubstrat 7, welches flächig auf dem Chuck 5 aufliegt, mittels einer Chuckheizung (nicht dargestellt) auf die Testtemperatur geheizt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Sondenkammer 3, die sich in drei Teilabschnitte mit einer mittleren Objektivkammer 41 untergliedert, von drei separaten Gasströmen 11 aus getrockneter Luft mit Raumtemperatur durchströmt. Auf diese Weise wird eine starke Erwärmung der Sonden 23 und über deren thermischen Kontakt auch der Probeheads 21 verhindert. Es stellt sich ein thermisches Gleichgewicht ein, bei dem das Testsubstrat 7 die Testtemperatur eingenommen hat und für die Sonden 23, die Probeheads 21 und Signalvorverarbeitungseinheiten innerhalb der seitlichen Teilabschnitte der Sondenkammer 3 eine Temperatur von ca. 25°C eingestellt wird.
• Nach der Einstellung des thermischen Gleichgewichts wird der Kontakt des Sonden 23 mit dem Testsubstrat durch eine Feinpositionierung mittels Chuck-Positionierungseinheit 6 und Probeheads 21 und die nachfolgende Zustellung zwischen den Sonden 23 und dem Testsubstrat 7 hergestellt. Aufgrund der Aufrechterhaltung der Temperatur der Sonden 23 mittels der Gassströme 11 erfolgt keine Änderung der thermischen Ausdehnung der Sonden, so dass auch Langzeitmessungen und insbesondere auch mit langen Sondenarmen 24 möglich sind, ohne während der Prüfung den Kontakt zwischen den Sonden und dem Testsubstrat zu verlieren.

1

Grundplatte

2

Testkammer

3

Sondenkammer

4

Sondenhalterplatte

5

Chuck

6

Chuck-Positionierungseinheit

7

Testsubstrat

8

Objektivkammer

9

Schild

10

untere Gehäusewandung

11

Gasströmung

12

Gaseinlass

13

Gasauslass

21

Probehead

23

Sonde

24

Sondenarm

25

Sondenspitze

26

zentrale Öffnung

27

thermische Isolierung

28

Vorrichtung zur Signalaufbereitung

29

Verbinder

30

obere Gehäusewandung

31

Blende

32

Gaskanäle

34

Profil

35

EMI-Abschirmstoff

40

Beobachtungsbereich

41

Objektivkammer

43

Mikroskop

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - DE 29820106 U1 [0002]
• - US 6492822 B2 [0003]
• - DE 102007053862 A1 [0004, 0005]

Claims (16)

1. Verfahren zur Prüfung eines Testsubstrats (7) in einem Prober unter definierten thermischen Bedingungen, wobei der Prober ein Gehäuse mit zumindest zwei Gehäuseabschnitten aufweist, in dessen einen Gehäuseabschnitt, im folgenden als Testkammer (2) bezeichnet, das zu prüfende Testsubstrat (7) durch einen Chuck (5) gehalten wird und auf eine definierte Temperatur eingestellt wird und in dessen anderem Gehäuseabschnitt, im folgenden als Sondenkammer (3) bezeichnet, Sonden (23) gehalten werden, indem das Testsubstrat (7) und die Sonden (23) mittels zumindest einer Positionierungseinrichtung relativ zueinander positioniert und nachfolgend das Testsubstrat (7) durch die Sonden (23) zur Prüfung kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonden (23) mittels einer temperierten Gasströmung (11), welche die Sondenkammer (3) durchströmt, auf eine von der Temperatur des Testsubstrats (7) unabhängige Temperatur eingestellt und diese Temperatur gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zwei Teilabschnitten der Sondenkammer (3) jeweils eine separate Gasströmung (11) erzeugt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasvorhang in der Sondenkammer (3) erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Komponenten des Probers, welche in der Sondenkammer (3) angeordnet sind, mittels einer Gasströmung (11) auf eine von der Temperatur des Testsubstrats (7) unabhängige Temperatur eingestellt und diese Temperatur gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasströmung (11) erzeugt wird, welche auf eine Komponente in der Sondenkammer (3) gerichtet ist.
6. Prober zum Prüfen von Testsubstraten (7) unter definierten thermischen Bedingungen mit einem Chuck (5) zur Aufnahme zumindest eines Testsubstrats (7), mit einer Sondenhalterplatte (4), auf welcher Sonden (23) zur elektrischen Kontaktierung das Testsubstrats (7) mittels Sondenhalterung angeordnet sind, mit zumindest einem Positionierungssystem, mit welchem das Testsubstrat (7) und die Sonden (23) relativ zueinander positionierbar sind und ein zumindest Chuck (5) und Sondenanordnung umhüllendes eine Gehäuse, welches in zumindest zwei Gehäuseabschnitte unterteilt ist, von denen ein Gehäuseabschnitt, im Folgenden als Testkammer (2) bezeichnet, das Testsubstrat (7) sowie den Arbeitsbereich und der andere Gehäuseabschnitt, im Folgenden als Sondenkammer (3) bezeichnet, die Sondenanordnung umhüllt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Erzeugung einer temperierten, die Sondenkammer (3) durchströmenden Gasströmung (11) angeordnet ist.
7. Prober nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Gaseinlass (12) in die Sondenkammer (3) aufweist, mittels dem ein gerichteter Gasstrom erzeugbar ist.
8. Prober nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenkammer (3) in Teilabschnitte untergliedert ist mittels Blenden (31), welche die Gasströmung (11) passieren lassen.
9. Prober nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Teilabschnitte der Sondenkammer (3) eine eigene Vorrichtung zur Erzeugung einer temperierten, den Teilabschnitt durchströmenden Gasströmung (11) aufweist.
10. Prober nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine elektromagnetische Abschirmung bildet.
11. Prober nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Gehäuseabschnitt gegenüber einem anderen die gleiche elektromagnetische Abschirmung bildet, wie das Gehäuse zur Umgebung.
12. Prober nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen Gasauslass (13) mit einer elektromagnetischen Abschirmung aufweist.
13. Prober nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse lichtdicht ausgebildet ist.
14. Prober nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Gehäuseabschnitt gegenüber einem anderen lichtdicht ausgebildet ist.
15. Prober nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen lichtdicht ausgeführten Gasauslass (13) aufweist.
16. Prober nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung zwischen Testkammer (2) und Sondenkammer (3) eine thermische Isolierung aufweist.