探針臺(tái)“四芯”測(cè)試算法應(yīng)用研究

胡曉霞，李 猛，方敏晰，溫建軍

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176；2.三河建華高科有限責(zé)任公司，河北 燕郊 065201)

在半導(dǎo)體器件和集成電路制造工藝中，晶圓測(cè)試是必不可少的環(huán)節(jié)。隨著晶圓測(cè)試的發(fā)展，如何精確定位晶圓管芯并進(jìn)行高效率測(cè)試成為探針設(shè)備關(guān)注的重點(diǎn)。針對(duì)探針測(cè)試領(lǐng)域關(guān)注的問(wèn)題，探索設(shè)計(jì)了一種“四芯”測(cè)試算法，并在相關(guān)探針設(shè)備上應(yīng)用得到驗(yàn)證，提高設(shè)備的測(cè)試效率。

1 晶圓測(cè)試研究

1.1 晶圓測(cè)試研究背景

半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于集成電路行業(yè)、分立器件、智能制造等多個(gè)領(lǐng)域[1-2]。在半導(dǎo)體領(lǐng)域高效準(zhǔn)確測(cè)試晶圓具有重要意義[3]。探針設(shè)備是晶圓測(cè)試的主要設(shè)備[4]，在微波測(cè)試、高壓測(cè)試等有廣泛應(yīng)用[5]。因此，高效率測(cè)試方法成為探針測(cè)試追求的目標(biāo)。

晶圓測(cè)試是對(duì)晶圓上每個(gè)管芯進(jìn)行測(cè)試來(lái)獲取管芯特性參數(shù)的過(guò)程。聲表器件管芯的示意圖如圖1所示。

在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中，由于晶圓尺寸增大、管芯數(shù)量增多、單芯測(cè)試速度慢等因素影響了測(cè)試效率。因此，采用多管芯并行測(cè)試法可以提高測(cè)試效率；即：?jiǎn)未螠y(cè)試過(guò)程中多組探針同時(shí)接觸多個(gè)管芯進(jìn)行測(cè)試。這種技術(shù)已廣泛用于探針設(shè)備。

1.2 晶圓測(cè)試相關(guān)技術(shù)

探針設(shè)備主要用于晶圓測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程，探針設(shè)備的承片臺(tái)可以承載晶圓在x，y，z，θ4個(gè)自由度移動(dòng)。晶圓經(jīng)過(guò)對(duì)準(zhǔn)掃正、尋找MARK點(diǎn)、移動(dòng)至首測(cè)點(diǎn)等流程后運(yùn)動(dòng)到管芯扎針位置，探針接觸管芯，測(cè)試儀測(cè)試并反饋管芯的好壞結(jié)果。重復(fù)上述動(dòng)作，完成晶圓測(cè)試。

晶圓測(cè)試過(guò)程中，需要將晶圓的實(shí)時(shí)測(cè)試狀態(tài)反饋到可視化界面上，此界面稱為該晶圓的MAP圖（簡(jiǎn)稱MAP），如圖2所示。在圖2中，每一個(gè)方格代表晶圓的一個(gè)測(cè)試管芯。測(cè)試過(guò)管芯的不同狀態(tài)可以采用不同的顏色表示，此過(guò)程被稱為管芯分類(lèi)。圖2表示“四芯”測(cè)試條件下，管芯分類(lèi)MAP。

2 “四芯”測(cè)試算法設(shè)計(jì)

圖3展示了測(cè)試晶圓與探卡的4組探針的相對(duì)位置關(guān)系。假設(shè)每一個(gè)管芯只需要一個(gè)針就可以完成測(cè)試，則圖3中4個(gè)針可以同時(shí)接觸晶圓的4個(gè)管芯，完成單組測(cè)試后，移到下一組測(cè)試位置。但同一時(shí)間內(nèi)所用的測(cè)試儀無(wú)法同時(shí)分析4組數(shù)據(jù)，因此“四芯”測(cè)試算法的核心在于單組測(cè)試過(guò)程及換行過(guò)程。

圖3 “四芯”測(cè)試示意圖

假設(shè)測(cè)試晶圓共有Wftotal行，其中第i行有顆管芯。則該晶圓一共有顆管芯。晶圓一般中心的一行管芯數(shù)最多，設(shè)該行為第imiddle行。則依據(jù)imiddle行將晶圓分為上下兩部分，上半部分晶圓管芯數(shù)隨著行數(shù)的增加而增多，用wfup表示。下半部分晶圓的管芯數(shù)隨著行數(shù)的增加而減少，用wfdown表示。

此外，在晶圓測(cè)試過(guò)程中，第j次測(cè)試，第1、2針?biāo)幍男袛?shù)為lineij。晶圓的第i行最左側(cè)管芯坐標(biāo)表示為(WrXi，WrYi)，最右側(cè)管芯坐標(biāo)為(WlXi，WlYi)。

3 “四芯”測(cè)試算法流程

新設(shè)計(jì)的“四芯”測(cè)試基本流程如圖4所示。開(kāi)始測(cè)試后，首先將4個(gè)針接觸MAP左上角的4個(gè)管芯，如圖3所示。然后，1、3針和2、4針?lè)殖蓛山M，分別接觸管芯，測(cè)試儀對(duì)晶圓測(cè)試完成后，將測(cè)試的數(shù)據(jù)反饋到MAP中。接著，分析測(cè)試位置是否到該行末尾處，如果未到，則沿x軸移動(dòng)到下一組測(cè)試區(qū)域；否則，y軸換行，進(jìn)行測(cè)試。最后補(bǔ)測(cè)第一行的漏測(cè)點(diǎn)，完成測(cè)試流程。

圖4 “四芯”測(cè)試流程圖

3.1 單組測(cè)試算法

晶圓測(cè)試過(guò)程中，需要探針?lè)磸?fù)接觸晶圓上的管芯，以完成大量管芯測(cè)試任務(wù)。單組測(cè)試過(guò)程算法如表1所示。

表1 單組測(cè)試算法表

在單組測(cè)試過(guò)程中，首先探針臺(tái)找到首測(cè)點(diǎn)，并將晶圓移動(dòng)到合適位置。1、3針先接觸管芯，并給測(cè)試儀發(fā)送Start信號(hào)，待測(cè)試儀測(cè)試完成后，返回EOT信號(hào)，然后工控機(jī)處理反饋數(shù)據(jù)，并在MAP上更新測(cè)試結(jié)果。接著2、4針接觸管芯，重復(fù)1、3針操作，更新MAP后，完成單組測(cè)試，并返回“四芯”測(cè)試的結(jié)果。

3.2 換行算法

當(dāng)晶圓測(cè)試到行尾需要跳到下一行進(jìn)行測(cè)試?！八男尽睖y(cè)試由于單組需要接觸4個(gè)管芯，因此需要判斷是否換行，并且需要判斷需要接觸的位置。

在換行算法中，假設(shè)第1針的坐標(biāo)為(X1，Y1)，X向兩針間距為XSpace，Y向間距為YSpace。

則第2針相對(duì)于第1針位置的坐標(biāo)為：

第3針相對(duì)于第1針位置的坐標(biāo)為：

第4針相對(duì)于1針位置的坐標(biāo)為：

在“四芯”測(cè)試過(guò)程中，每次單組測(cè)試完成后都需要判斷是否換行，換行算法如表2所示。

表2 換行算法表

在單針測(cè)試中，換行容易操作，但由于“四芯”測(cè)試需要同時(shí)測(cè)試四個(gè)管芯，換行操作較為復(fù)雜。首先判斷測(cè)試區(qū)域是在晶圓的上半?yún)^(qū)還是下半?yún)^(qū)。如果是上半?yún)^(qū)，則比較2、4針測(cè)試所處位置與該行末尾位置的關(guān)系，然后決定是否換行。如果是下半?yún)^(qū)域，則比較1、3針與該行末尾的位置管芯。最后判斷是否測(cè)試結(jié)束，并返回測(cè)試結(jié)果。

4 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果如表3所示。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們采用150 mm(6英寸)探針臺(tái)分別對(duì)片徑為100 mm，125 mm，135 mm的晶圓進(jìn)行測(cè)試。其中“四芯”測(cè)試，“雙芯”測(cè)試及單針測(cè)試每種實(shí)驗(yàn)測(cè)試10次，并取測(cè)試實(shí)驗(yàn)的平均值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

表3 單組測(cè)試算法表

圖5為表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的折線圖，由表3和圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，“四芯”測(cè)試在3種不同規(guī)格晶圓測(cè)試上，測(cè)試效率均有提高。結(jié)果表明“四芯”測(cè)試在提高晶圓測(cè)試效率上是有效的。

圖5 測(cè)試時(shí)間折線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

探針設(shè)備作為一種半導(dǎo)體封裝工藝的關(guān)鍵設(shè)備，需要在保證測(cè)試準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上提高測(cè)試的效率。本文提出了一種“四芯”測(cè)試算法，通過(guò)四組針同時(shí)接觸管芯，利用單組測(cè)試及換行判斷部分的方法，以達(dá)到提高測(cè)試效率的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了“四芯”測(cè)試算法的有效性。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，存在一個(gè)管芯需要多針測(cè)試的情況，未來(lái)，將繼續(xù)完善該算法，以適應(yīng)更多的生產(chǎn)條件。此外，為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，我們將對(duì)軟件進(jìn)行更新，使之更適用于產(chǎn)線管理系統(tǒng)。