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Die
Erfindung betrifft ein Halbleiterprüfsystem mit einer großen Anzahl
von Kontaktelementen zur Herstellung einer elektrischen Verbindung
mit einem Halbleiterbauteilprüfling,
und insbesondere ein Prüfkontaktsystem
mit einem Planarisierungsmechanismus zur Einstellung der Entfernungen
zwischen den Spitzen der Kontaktelemente und den Zielkontakten,
wie etwa den Kontaktstellen der zu prüfenden Halbleiterscheibe.
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Beim
Prüfen
von hochintegrierten Hochgeschwindigkeitsbauteilen, wie etwa von
LSI- und VLSI-Schaltungen, muß eine
hochleistungsfähige
Kontaktstruktur auf einer Nadelkarte verwendet werden. Eine Kontaktstruktur
wird im wesentlichen von einem Kontaktsubstrat gebildet, das eine
große
Anzahl von Kontaktelementen oder Prüfelementen aufweist. Das Kontaktsubstrat
ist auf einer Nadelkarte angeordnet, um LSI- und VLSI-Chips sowie
Halbleiterscheiben zu prüfen,
ferner um Halbleiterscheiben und Halbleiterchips vorzualtern, und
um verkapselte Halbleiterbauteile, Leiterplatten und ähnliches
zu prüfen
und vorzualtern.
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In
dem Fall, in dem die zu prüfenden
Halbleiterbauteile in Form einer Halbleiterscheibe vorliegen, wird üblicherweise
ein Halbleiterprüfsystem,
wie etwa ein IC-Prüfgerät, mit einem
Substrat-Handler, wie etwa mit einem automatisch arbeitenden Halbscheibenprüfgerät, verbunden,
um die Halbleiterscheibe automatisch zu prüfen. Ein derartiges Beispiel
ist in 1 dargestellt. Das dort gezeigte Halbleiterprüfsystem
weist einen Prüfkopf 100 auf,
der gewöhnlich
in einem gesonderten Gehäuse
untergebracht und elektrisch mit dem Prüfystem über ein Kabelbündel 110 verbunden
ist. Der Prüfkopf 100 und ein
Substrat-Handler 400 sind sowohl mechanisch als auch elektrisch
miteinander verbunden, und zwar mit Hilfe eines Manipulators 500,
der von einem Motor 510 angetrieben wird. Die zu prüfenden Halbleiterscheiben
werden vom Substrat-Handler 400 automatisch in eine Prüfposition
unter dem Prüfkopf 100 gebracht.
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Am
Prüfkopf 100 werden
an die zu prüfende Halbleiterscheibe
Prüfsignale
angelegt, die vom Halbleiterprüfsystem
erzeugt werden. Die sich ergebenden Ausgangssignale des Halbleiterscheibenprüflings (IC-Schaltungen
auf der Halbleiterscheibe) werden dem Halbleiterprüfsystem übermittelt.
Im Halbleiterprüfsystem
werden die Ausgangssignale mit den erwarteten Daten verglichen,
um zu bestimmen, ob die IC-Schaltungen auf der Halbleiterscheibe
korrekt funktionieren oder nicht.
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In 1 werden
der Prüfkopf 100 und
der Substrat-Handler 400 durch
eine Schnittstelle 140 verbunden, die aus einem Performance-Board 120 (in 2 dargestellt)
besteht, der seinerseits eine Leiterplatte mit elektrischen Schaltverbindungen,
die auf den elektrischen Fingerabdruck des Prüfkopfes zugeschnitten sind,
Koaxialkabel, Pogo-Pins und Kontaktelemente aufweist. In 2 umfaßt der Prüfkopf 100 eine
große
Anzahl von Leiterplatten 150, die der Anzahl der Prüfkanäle (Prüf-Pins)
des Halbleiterprüfsystems
entspricht. Jede der Leiterplatten 150 weist ein Kontaktelement 160 auf,
um ein entsprechendes Kontakt-Terminal 121 des Performance-Boards 120 aufzunehmen.
Ein Froschring 130 ist am Performance-Board 120 befestigt,
um die relative Kontaktposition gegenüber dem Substrat-Handler 400 genau
zu bestimmen. Der Froschring 130 weist eine große Anzahl von
Kontakt-Pins 141, wie etwa ZIF-Kontaktelemente oder Pogo-Pins, auf,
die mit den Kontakt-Terminals 121 über Koaxialkabel 124 verbunden
sind.
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Wie
in 2 dargestellt, wird der Prüfkopf 100 über dem
Substrat-Handler 400 positioniert und mechanisch sowie
elektrisch über
die Schnittstelle 140 mit dem Substrat-Handler 400 verbunden.
Im Substrat-Handler 400 wird eine zu prüfende Bauteilscheibe 300 auf
einer Vakuumansaugvorrichtung 180 befestigt. In diesem
Beispiel wird eine Nadelkarte 170 oberhalb der zu prüfenden Halbleiterscheibe 300 angeordnet.
Die Nadelkarte 170 weist eine große Anzahl von Prüf-Kontaktelementen 190 auf
(wie etwa freitragende Anschlüsse
oder Nadeln), um mit Zielkontakten in Eingriff zu kommen, wie etwa
mit Schaltkreis-Terminals oder Kontaktstellen in der IC-Schaltung auf der
zu prüfenden
Halbleiterscheibe 300.
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Elektrische
Terminals oder Kontakt-Steckerbuchsen (Kontaktstellen) der Nadelkarte 170 werden elektrisch
mit den Kontakt-Pins 141 auf dem Froschring 130 verbunden.
Die Kontakt-Pins 141 werden mit den Kontakt-Terminals 121 des
Performance-Boards 120 über
die Koaxialkabel 124 verbunden, wobei die Kontakt-Terminals 121 mit
der Leiterplatte 150 des Prüfkopfs 100 verbunden
ist. Darüber
hinaus werden die Leiterplatten 150 mit dem Halbleiterprüfsystem mit
Hilfe des Kabelbündels 110 verbunden,
das, beispielsweise, viele hundert innere Kabel aufweist.
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Bei
dieser Anordnung stehen die Prüf-Kontaktelemente 190 in
Verbindung mit der Oberfläche (Zielkontakte)
der an der Vakuumansaugvorrichtung 180 befindlichen Halbleiterscheibe 300,
um Prüfsignale
an die Halbleiter scheibe 300 anzulegen und die resultierenden
Ausgangssignale der Halbleiterscheibe 300 zu empfangen.
Die resultierenden Ausgangssignale der zu prüfenden Halbleiterscheibe 300 werden
mit den erwarteten, vom Halbleiterprüfsystem erzeugten Daten verglichen,
um zu bestimmen, ob die IC-Schaltungen auf der Halbleiterscheibe
korrekt funktionieren oder nicht.
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Bei
dieser Art von Halbleiterscheibenprüfung muß eine große Anzahl von Kontaktelementen
verwendet werden, wie etwa mehrere hundert bis zu einigen tausend.
Bei einer solchen Anordnung ist es nötig, die Spitzen der Kontaktelemente
zu planarisieren, so daß alle
Kontaktelemente die Zielkontakte im wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt
und mit dem gleichen Druck berühren.
Sofern die Planarisierung nicht erreicht wird, stellen einige Kontaktelemente eine
elektrische Verbindung mit entsprechenden Zielkontakten her, was
eine genaue Prüfung
der Halbleiterscheiben unmöglich
macht. Um alle Kontaktelemente mit den Zielkontakten in Verbindung
zu bringen, muß die
Halbleiterscheibe gegen die Nadelkarte gedrückt werden. Dies kann jene
Halbleiter-Chips körperlich
beschädigen,
die im Übermaß von den Kontaktelementen
gedrückt
werden.
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Das
US-Patent Nr. 5,861,759 zeigt
ein automatisch arbeitendes Nadelkarten-Planarisierungssystem zur
Planarisierung einer ersten Ebene, die von einer Mehrzahl von Kontaktpunkten
einer Nadelkarte definiert wird, im Verhältnis zu einer zweiten Ebene,
die von einer oberen Oberfläche
einer auf einer Prüfsonde
angeordneten Halbleiterscheibe gebildet wird. Eine Kamera wird verwendet,
um die relative Höhe
von wenigstens drei ausgewählten
Kontaktpunkten auf der Nadelkarte gegenüber der Scheibenebene zu bestimmen.
Auf der Basis der gemessenen Werte wird die Relativposition der
ersten Ebene gegenüber
der zweiten Ebene bestimmt.
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Mit
Hilfe dieser Information und der Gestalt des Prüfgeräts und der Prüfsonde können die
für die beiden
höhenvariablen
Punkte nötigen
Höhenänderungen
vorgenommen werden, um die erste Ebene relativ zur zweiten Ebene
zu planarisieren. Diese herkömmliche
Technologie setzt eine Kamera voraus, um die Höhen der Kontaktpunkte bildlich
darzustellen, was zu einer Kostensteigerung sowie einem Verlust
an Verlässlichkeit
des Gesamtsystems führt.
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Das
US-Patent Nr. 5,974,662 zeigt
ein Verfahren zum Planarisieren der Spitzen eines Prüfelements
auf einer Nadelkarte. Die Prüfelemente
werden unmittelbar auf einem Raumwandler (Kontaktsubstrat) befestigt.
Die Anordnung ist so gewählt, daß die Ausrichtung
des Raumwandlers, und damit auch die Ausrichtung des Prüfelements,
eingestellt werden kann, ohne die Ausrichtung der Nadelkarte zu
verändern.
Bei diesem Verfahren wird eine elektrisch leitfähige Metallplatte (die eigentliche
Halbleiterscheibe) anstelle der Ziel-Halbleiterscheibe als Bezugsebene
eingesetzt. Ein Kabel und ein Rechner sind gleichfalls dergestalt
vorgesehen, daß ein
Rechner beispielsweise mittels weißer und schwarzer Punkte zeigt,
ob eine Leiterbahn für
jede Prüfspitze relativ
zur Metallplatte gebildet ist oder nicht.
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Auf
der Grundlage der bildlichen Darstellung auf dem Bildschirm wird
die Planarität
der Prüfspitzen durch
das Drehen von Differentialschrauben eingestellt, so daß alle Prüfspitzen
im wesentlichen gleichzeitig mit der Metallplatte in Berührung kommen.
Da diese herkömmliche
Technologie eine leitfähige
Metallplatte verwendet, um eine Leiterbahn für alle Prüfelemente zu bilden, ist zusätzliche
Zeit erforderlich, um die Metallplatte zu befestigen und mit der Ziel-Halbleiterscheibe
zu ersetzen. Da dieses Verfahren einen Rechner und einen Bildschirm
zur Darstellung der kontaktbildenden und kontaktfreien Position des
Prüfelements
voraussetzt, sind die Gesamtkosten erhöht.
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US 6 060 891 A beschreibt
eine Prüfkarte zum
Prüfen
einer Halbleiterscheibe. Die Prüfkarte weist
ein Zwischenverbindungssubstrat mit Kontaktelementen zum Herstellen
einer elektrischen Verbindung mit der Halbleiterscheibe auf. Außerdem weist die
Prüfkarte
eine Membran auf, die eine physische und elektrische Verbindung
zwischen dem Zwischenverbindungssubstrat und dem Prüfgerät bereitstellt.
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Vor
diesem Hintergrund besteht in der Industrie Bedarf für ein einfacheres
und wirtschaftlicheres Prüfkontaktsystem,
um die Planarität
der Kontaktelemente in Bezug auf die Oberfläche der Halbleiterscheibe einzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Prüfkontaktsystem
mit einem Planarisierungsmechanismus zu entwickeln, mit dem die
Entfernungen der Spitzen der Kontaktelemente und einer zu prüfenden Halbleiterscheibe
eingestellt werden können,
so daß alle
Kontaktelemente auf dem Kontaktsubstrat die Oberfläche der
Halbleiterscheibe gleichzeitig berühren.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
Unteransprüche
geben vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung an.
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Das
erfindungsgemäße Planarisierungsmechanismus
für ein
Prüfkontaktsystem
zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit Zielkontakten
umfaßt
ein Kontaktsubstrat mit einer großen Anzahl von auf einer Oberfläche des
Kontaktsubstrats angeordneten Kontaktelementen, eine Nadelkarte
zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Kontaktelementen
und einem Prüfkopf
eines Halbleiterprüfsystems,
ein leitfähiges
Elastomerelement zwischen dem Kontaktsubstrat und der Nadelkarte, Verbindungsteile
zur Verbindung des Kontaktsubstrats mit der Nadelkarte an drei Orten
des Kontaktsub strats, wobei jedes Verbindungsteil zur Veränderung der
Entfernung zwischen dem Kontaktsubstrat und der Nadelkarte drehbar
ist, einen Abstandsensor zum Messen des Abstandes zwischen dem Kontaktsubstrat
und einer Halbleiterscheibe oder einer Bezugsplatte (Zielsubstrat)
in der jeweiligen Nähe
der drei Orte des Kontaktsubstrats, und eine Rotationseinstellvorrichtung
zum Drehen des Verbindungsteils, so daß der Abstand zwischen dem
Kontaktsubstrat und der Halbleiterscheibe an jedem der drei Orte
gleich groß wird.
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Nach
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Verbindungsteil
zur Verbindung des Kontaktsubstrats mit der Nadelkarte durch Schrauben
und Muttern gebildet, wobei die Muttern drehbeweglich auf der Oberfläche der
Nadelkarte gehalten werden, und wobei die Rotationseinstellvorrichtung,
die eine bodenseitige, in die Mutter eingreifende Öffnung aufweist,
auf der Oberfläche
der Nadelkarte angeordnet ist, um die Muttern derart zu verdrehen,
daß der
Abstand zwischen dem Kontaktsubstrat und dem Zielsubstrat an jedem
der drei Orte gleich groß wird.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Planarisierungsmechanismus
als automatisch arbeitendes System zur Einstellung der Entfernungen
zwischen dem Kontaktsubstrat und den Zielkontakten ausgebildet.
Der Planarisierungsmechanismus umfaßt Motoren zum Drehen der Muttern
in Abhängigkeit
von Steuerungssignalen einer Steuerungseinrichtung. Die Steuerungseinrichtung
erzeugt die Steuerungssignale durch Verrechnung der gemessenen Abstände.
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In
der Zeichnung zeigen
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1 eine
Schemadarstellung zur Illustration der Kombination eines Substrat-Handlers
und eines Halbleiterprüfsystems
mit Prüfkopf;
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2 eine
Schemadarstellung eines Beispiels einer Verbindungsstruktur von
Prüfkopf
des Halbleiterprüfsystems
und Substrat-Handler;
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3 einen
Querschnitt durch ein Beispiel einer Kontaktstruktur mit balkenförmigen Kontaktelementen (Silizium-Finger),
die auf einer Nadelkarte des erfindungsgemäßen Prüfkontaktsystems angeordnet
sind;
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4 eine
Schemadarstellung einer bodenseitigen Aufsicht auf die Kontaktstruktur
gemäß 3 mit
einer Mehrzahl von balkenförmig
Kontaktelementen;
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5 einen
Querschnitt durch ein Beispiel einer Stapelstruktur in einem Prüfkontaktsystem
unter Verwendung der in den 3 und 4 gezeigten
Kontaktstruktur als Schnittstelle zwischen dem Halbleiterbauteilprüfling und
dem Prüfkopf
gemäß 2;
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6 einen
Querschnitt durch ein Beispiel einer Struktur eines Prüfkontaktsystems
mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Einstellmechanismen;
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7 eine
Perspektivansicht zur Darstellung einer oberen Oberfläche der
Nadelkarte im Prüfkontaktsystem
mit einer erfindungsgemäßen Rotationseinstellvorrichtung;
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8A bis 8C eine
Aufsicht, eine Frontansicht bzw. eine bodenseitige Ansicht der erfindungsgemäßen Rotationseinstellvorrichtung;
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9A bis 9G Explosionsansichten
von Bauteilen der in der erfindungsgemäßen Rotationseinstellvorrichtung
verwendeten Art;
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10 einen
Querschnitt durch ein anderes Beispiel eines Prüfkontaktsystems mit einem erfindungsgemäßen Planarisierungsmechanismus;
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11 einen
Querschnitt durch ein weiteres Beispiel eines Prüfkontaktsystems mit einem erfindungsgemäßen Planarisierungsmechanismus.
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Unter
Bezugnahme auf 3 und 4 wird nachfolgend
ein Beispiel einer im erfindungsgemäßen Prüfkontaktsystem verwendeten
Kontaktstruktur erläutert.
Viele unterschiedliche Kontaktstrukturarten sind im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Prüfkontaktsystem
denkbar. Eine in 3 gezeigte Kontaktstruktur 10 weist
in einem Halbleiterproduktionsverfahren hergestellte, balkenförmige Kontaktelemente 30 (Silizium-Finger)
auf. Die Kontaktstruktur 10 besteht im wesentlichen aus einem
Kontaktsubstrat 20 und den balkenförmigen Kontaktelementen 30.
Die Kontaktstruktur 10 ist oberhalb der Zielkontakte, wie
etwa oberhalb von Kontaktstellen 320 eines zu prüfenden Halbleiters 300,
derart angeordnet, daß die
Kontaktelemente 30 eine elektrische Verbindung mit dem
Halbleiter 300 herstellen, wenn sie aneinander gedrückt werden. Obgleich
lediglich zwei Kontaktelemente 30 in 3 dargestellt
sind, so ist doch bei einer tatsächlichen Anwendung,
wie etwa beim Prüfen
von Halbleiterscheiben, eine große Anzahl von Kontaktelementen 30,
und zwar zwischen mehreren hundert bis zu mehreren tausend Kontaktelementen 30,
auf dem Kontaktsubstrat 20 aufgereiht.
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Eine
große
Anzahl von Kontaktelementen wird im Rahmen des gleichen Halbleiterproduktionsverfahrens,
so etwa im Rahmen eines photolithographischen Verfahrens, auf einem
Siliziumsubstrat ausgebildet und auf dem beispielsweise aus Keramik
gefertigen Kontaktsubstrat 20 angeordnet. Der Abstand zwischen
den Kontaktstellen 320 kann kleiner als 50 µm sein,
wobei die Kontaktstellen auf dem Kontaktsubstrat 20 leicht
mit dem gleichen Abstand aufgereiht sein können, da sie im Rahmen des
gleichen Halbleiterproduktionsverfahrens wie die Halbleiterscheibe 300 hergestellt
werden.
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Die
balkenförmigen
Kontaktelemente 30 können
unmittelbar auf dem Kontaktsubstrat 20 befestigt werden,
wie dies in den 3 und 4 dargestellt
ist, um eine Kontaktstruktur zu bilden, die dann auf der Nadelkarte 170 gemäß 2 befestigt wird.
Da die balkenförmigen
Kontaktelemente 30 in kleiner Größe gefertigt werden können, kann
ein einsetzbarer Frequenzbereich einer Kontaktstruktur oder Nadelkarte,
die die erfindungsgemäßen Kontaktelemente
trägt,
leicht auf 2 GHz oder höher
gesteigert werden. Aufgrund ihrer kleinen Größe kann die Anzahl der Kontaktelemente
auf einer Nadelkarte auf 2.000 Stück oder mehr gesteigert werden,
was es erlaubt, 32 oder mehr Speicherbauteile parallel zur gleichen
Zeit zu prüfen.
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In 3 weist
jedes Kontaktelement 30 eine leitfähige Schicht 35 in
fingerartiger (balkenförmiger) Form
auf. Das Kontaktelement 30 besitzt eine Basis 40,
die an dem Kontaktsubstrat 20 befestigt ist. Eine Leiterbahn 24 ist
mit der leitfähigen
Schicht 35 am Boden des Kontaktsubstrats 20 verbunden.
Eine derartige Verbindung von Leiterbahn 24 und leitfähiger Schicht 35 kann
etwa über
eine Lötkugel 28 vermittelt werden.
Das Kontaktsubstrat 20 enthält weiterhin ein Durchgangsloch 23 sowie
eine Elektrode 22. Die Elektrode 22 dient der Verbindung
des Kontaktsubstrats 20 mit einer externen Struktur, wie
beispielsweise einem Pogo-Pin-Block oder einer IC-Schaltung, mit
Hilfe eines Kabels oder eines leitfähigen Elastomerelements.
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Wenn
sich daher die Halbleiterscheibe 300 nach oben bewegt,
treten die balkenförmigen
Kontaktelemente 30 und die Zielkontakte 320 auf
der Halbleiterscheibe 300 in mechanischen und elektrischen
Kontakt miteinander. In der Folge wird eine Signalbahn vom Zielkontakt 320 zu
den Elektroden 22 auf dem Kontaktsubstrat 20 gebildet.
Die Leiterbahn 24, die Durchgangslöcher 23 und die Elektrode 22 dienen
zugleich auch dem Auffächern
des kleinen Abstands der Kontaktelemente 30 zu einem größeren Abstand,
der der externen Struktur, wie etwa einem Pogo-Pin-Block oder einer
IC-Schaltung, entspricht.
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Aufgrund
der Federkraft der balkenförmigen Kontaktelemente 30 erzeugt
das Ende der leitfähigen Schicht 35 eine
ausreichende Kontaktkraft, wenn die Halbleiterscheibe 300 gegen
das Kontaktsubstrat 20 gedrückt wird. Das Ende der leitfähigen Schicht 35 ist vorzugsweise
angespitzt, um beim Drücken
gegen den Zielkontakt 320 einen Reibeeffekt zum Durchstoßen einer
Metalloxid-Schicht
zu erzielen.
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Sofern
der Zielkontakt 320 auf der Halbleiterscheibe 300 an
seiner Oberfläche
ein Aluminiumoxid aufweist, so ist der Reibeeffekt nötig, um
eine elektrische Verbindung mit geringem Kontaktwiderstand herzustellen.
Die von der balkenförmigen
Form der Kontaktelemente 30 abgeleitete Federkraft dient
als angemessene Kontaktkraft am Zielkontakt 320. Die von
der Federkraft der balkenförmigen
Kontaktelemente 30 erzeugte Federkraft dient auch dem Ausgleich
der Unterschiede in Größe und Flachheit
(Planarität)
der Kontaktsubstrate 20, der Zielkontakte 320 und
der Halbleiterscheibe 300 sowie der Kontaktelemente 30.
Es ist jedoch dennoch nötig,
einen erfindungsgemäßen Planarisierungsmechanismus
vorzusehen, um die Kontaktelemente im wesentlichen zur gleichen
Zeit und mit dem gleichen Druck mit den Zielelementen zu verbinden.
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Ein
Materialbeispiel für
die leitfähige
Schicht 35 umfaßt
Nickel, Aluminium, Kupfer, Nickel-Palladium, Rhodium, Nickel-Gold,
Iridium und verschiedene andere deponierbare Materialien. Ein Beispiel
für ein balkenförmigen Kontaktelement 30 zur
Anwendung in einem Halbleiterprüfsystem
kann eine Gesamthöhe
von 100 bis 500 µm,
eine horizontale Länge
von 100 bis 600 µm
sowie eine Breite von etwa 30 bis 50 µm bei einem Abstand von 50 µm zwischen
den Zielkontakten 320 aufweisen.
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4 ist
eine bodenseitige Ansicht des Kontaktsubstrats 20 gemäß 3 mit
einer Mehrzahl von balkenförmigen
Kontaktelementen 30. Bei einem tatsächlichen System wird eine größere Anzahl
von Kontaktelementen, etwa eine Gruppe von mehreren hundert Kontaktelementen,
in der in 4 dargestellten Art und Weise
ausgerichtet. Die Leiterbahn 24 erweitert den Abstand der
Kontaktelemente 30 bis zum Abstand der Durchgangslöcher 23 und
der Elektroden 22, wie dies in 4 dargestellt
ist. Klebemittel 33 sind an den Kontaktpunkten (den inneren
Bereichen der Kontaktelemente 30) zwischen dem Substrat 20 und
den Basen 40 der Kontaktelemente 30 vorgesehen.
Die Klebemittel 33 sind auch an den Seiten (obere und untere
Seiten der Kontaktelemente 30 gemäß 4) der Gruppe
der Kontaktelemente 30 vorgesehen.
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Ein
Beispiel für
Klebemittel 33 umfaßt
wärmehärtbar Klebemittel,
wie Epoxide, Polyamide und Silicon, ferner thermoplastische Klebemittel
wie Acryl, Nylon, Phenoxide und Olefine, und schließlich UV-beständige Klebemittel.
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5 zeigt
einen Querschnitt durch ein Beispiel einer Stapelstruktur in einem
Prüfkontaktsystem unter
Verwendung der in den 3 und 4. Das Prüfkontaktsystem
wird als Schnittstelle zwischen dem Halbleiterbauteilprüfling und
dem Prüfkopf
gemäß 2 verwendet.
Bei diesem Beispiel umfaßt die
Schnittstelle ein leitfähiges
Elastomerelement 50, eine Nadelkarte 60 und einen
Pogo-Pin-Block (Froschring) 130 oberhalb der Kontaktstruktur 10 in
der in 5 dargestellten Art und Weise.
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Das
leitfähige
Elastomerelement 50, die Nadelkarte 60 und der
Pogo-Pin-Block 130 sind sowohl mechanisch als auch elektronisch
miteinander verbunden. Damit werden elektrische Wege von der Spitze
der Kontaktelemente 30 zum Prüfkopf 100 über die
Kabel 124 und das Performance-Board 120 (2)
gebildet. Wenn die Halbleiterscheibe 300 und das Prüfkontaktsystem
gegeneinander gedrückt
werden, so wird eine elektrische Verbindung zwischen dem Bauteilprüfling (Kontaktstellen 320 auf
der Halbleiterscheibe 300) und dem Halbleiterprüfsystem
hergestellt.
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Der
Pogo-Pin-Block (Froschring) 130 entspricht dem in 2 dargestellt,
wobei eine große Anzahl
von Pogo-Pins als
Schnittstelle zwischen der Nadelkarte 60 und dem Performance-Board 120 vorgesehen
ist. An den oberen Enden der Pogo-Pins sind Kabel 124,
wie beispielsweise Koaxialkabel, angeschlossen, um Signale an Leiterplatten
(Pin-Elektronik-Karten) 150 im Prüfkopf 100 (2)
durch das Performance-Board 120 zu übermitteln. Die Nadelkarte 60 weist
eine große
Anzahl von Kontaktstellen oder Elektroden 62 und 65 auf
ihrer oberen sowie auf ihrer unteren Oberfläche auf. Die Elektroden 62 und 65 sind
durch Leiterbahnen 63 verbunden, um den Abstand der Kontaktstruktur
aufzufächern,
damit er dem Abstand der Pogo-Pins im Pogo-Pin-Block 130 entspricht.
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Das
leitfähige
Elastomerelement 50 ist zwischen der Kontaktstruktur 10 und
der Nadelkarte 60 vorgesehen. Das leitfähige Elastomerelement 50 dient
der Absicherung der elektrischen Verbindung zwischen den Elektroden 22 der
Kontaktstruktur und den Elektroden 62 der Nadelkarte durch
Ausgleich von Unebenheiten und vertikalen Spalten zwischen ihnen.
Das leitfähige
Elastomerelement 50 ist ein elastischer Bogen mit einer
großen
Anzahl von leitfähigen
Drähten
in einer vertikalen Richtung. So besteht das leitfähige Elastomerelement 250 etwa
aus einem Silizium-Gummi-Bogen mit einer Vielzahl von Reihen aus
Metall. Die Metallfasern (bzw. Drähte) sind in vertikaler Richtung
in 5 vorgesehen, d.h. in orthogonaler Richtung zum
horizontalen Bogen des leitfähigen
Elastomerelements 250. Ein Beispiel für den Abstand zwischen den
Metallfasern liegt bei 0.02 mm bei einer Dicke des Silizium-Gummi-Bogens von
0.2 mm. Ein derartiges leitfähiges
Elastomerelement wird von der Firma Shin-Etsu Polymer Co. Ltd. hergestellt
und ist am Markt verfügbar.
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6 zeigt
einen Querschnitt durch ein Beispiel einer Struktur eines Prüfkontaktsystems
mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Einstellmechanismen. Das
Kon taktsubstrat 20 weist eine Mehrzahl von Kontaktelementen 30 auf,
wobei das Kontaktsubstrat 20 auf der Nadelkarte 60 mit
Hilfe eines Stützrahmens 55 und
einem leitfähigen
Elastomerelement 50 befestigt ist. Der Stützrahmen 55 zum
Stützen
des Kontaktsubstrats 20 ist mit der Nadelkarte 60 mit
Hilfe von Befestigungsschrauben 252 und Muttern 250 verbunden.
Die Verbindung mit Hilfe von Schrauben und Muttern erfolgt an drei
Punkten, etwa an jedem Scheitelpunkt eines gleichschenkligen Dreiecks.
Anstelle der Verwendung von Schrauben und Muttern können auch
andere Befestigungsmittel, wie etwa Differentialschrauben, zur Erzielung
des gleichen Zwecks Verwendung finden. Wie unter Bezugnahme auf 5 beschrieben,
stellt das leitfähige
Elastomerelement 50 eine elektrische Leitverbindung lediglich
in vertikaler Richtung, also zwischen dem Kontaktsubstrat 20 und
der Nadelkarte 60, dar.
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Auf
der bodenseitigen Oberfläche
des Kontaktsubstrats 20 sind Elektroden 292 in
der Nähe
der Schrauben 252 vorgesehen, die am Stützrahmen 55 befestigt
sind. Alternativ dazu können
die Elektroden 292 auf der bodenseitigen Oberfläche des
Stützrahmens 55 ausgebildet
sein. Eine zu prüfende
Halbleiterscheibe 300 wird auf einer Vakuumansaugvorrichtung 180 einer
Scheibenprüfsonde
befestigt. Das Beispiel gemäß 6 zeigt
weiterhin Abstandsensoren 290 auf der Halbleiterscheibe 300 und
ein Abstandmessgerät 280,
das Signale von den Abstandsensoren 290 erhält. Die
Abstandsensoren 290 sind gleichfalls Elektroden. Sie sind
auf der Oberfläche der
Halbleiterscheibe 300 an Positionen angeordnet, die den
Elektroden 292 auf der bodenseitigen Oberfläche des
Kontaktsubstrats 20 gegenüberliegen, d.h. an drei Orten
des Kontaktsubstrats. Alternativ dazu kann eine beispielsweise aus
Keramik oder Aluminiumoxid gefertigte Bezugsplatte anstelle der Halbleiterscheibe 300 Verwendung
finden, so daß die
Planarität
des Prüfkontaktsystems
vor der Auslieferung an den Kunden eingestellt ist.
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Eine
Rotationseinstellvorrichtung 220 ist ein speziell hergestelltes
Werkzeug zum Drehen der Mutter 250 in kleinen Schritten.
Die Drehung der Muttern 250 führt zu einer vertikalen Bewegung
der Schraube 252, wodurch sich die parallele Anordnung zwischen
der Nadelkarte 60 und dem Kontaktsubstrat 20 und
damit auch zwischen dem Kontaktsubstrat 20 und der Halbleiterscheibe 300 verändert. Bei
dieser Anordnung werden, da die verikalen Positionen des Kontaktsubstrats 20 an
den drei Orten geändert werden,
an denen die Schrauben 252 verbunden sind, die Höhe der Kontaktelemente 30 auf
dem Kontaktsubstrat 20 so eingestellt, daß sie gegenüber der Oberfläche der
Halbleiterscheibe 300 flach sind.
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Der
Abstandsensor 290 ist beispielsweise ein Kapazitätssensor
zum Messen der Kapazität
zwischen dem Sensor 290 und der gegenüberliegenden Elektrode 292.
Die gemessene Kapizität
ist eine Funktion der Entfernung zwischen dem Sensor und der Elektrode.
Ein Beispiel für
einen derartigen Abstandsensor ist das Modell HPT-500-V der Firma
Capicitec, Inc., 87 Fichburg Road, Ayer, Massachusetts. Durch Überwachung
des vom Abstandmessgerät 280 gemessenen
Abstandes zwischen dem Sensor 290 und der Elektrode 292 dreht
der Nutzer die Muttern 250 mit der Rotationseinstellvorrichtung 220 in einer
derartigen Weise, daß der
Abstand an jedem der drei Orte identisch wird.
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7 zeigt
eine Perspektivansicht zur Darstellung einer oberen Oberfläche der
Nadelkarte 60 im erfindungsgemäßen Prüfkontaktsystem. Die Rotationseinstellvorrichtung 220 weist
eine Öffnung
am Boden (8C) auf, die mit der Mutter 250 auf
der Nadelkarte 60 zusammenpasst. Die Nadelkarte 60 weist
eine radial angeordnete Skalierung um die Muttern 250 auf,
damit auf leichte Art und Weise der durch die Rotationseinstellvorrichtung 220 bewirkte Rotationsgrad
abgelesen werden kann.
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Die
Nadelkarte 60 weist weiterhin Stiftlöcher 264 auf, um darin
Stifte 225 der Rotationseinstellvorrichtung 220 aufzunehmen.
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Die 8A bis 8C zeigen
eine Aufsicht, eine Frontansicht bzw. eine bodenseitige Ansicht
der erfindungsgemäßen Rotationseinstellvorrichtung 220.
Wie in 8B dargestellt, wird die Rotationseinstellvorrichtung 220 im
wesentlichen von einem oberen Knopf 221, einem unteren
Knopf 222 und einer Knopfbasis 223 gebildet. In 8A zeigt
der obere Knopf 221 eine Markierung M auf seiner Oberseite, so
daß der
Nutzer den Rotationsgrad in Verbindung mit der Radialskalierung 262 auf
der Nadelkarte ablesen kann. Der obere Knopf 221 und der
untere Knopf 222 sind beispielsweise mit Hilfe von Schrauben über Befestigungslöcher 221a befestigt.
Vorzugsweise ist die seitliche Oberfläche des oberen Knopfes 221 mit
Kerben oder Griffbändern
ausgestattet.
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Wie
aus 8B und 8C ersichtlich,
sind die Knopfbasis 223 und der untere Knopf 222 drehbar
miteinander verbunden. Die Knopfbasis 223 weist an ihrer
Unterseite Stifte 225 auf, die in die Stiftlöcher 264 auf
der Nadelkarte 60 eingesteckt werden. Im Einsatz verbleibt damit
die Knopfbasis 223 auf der Nadelkarte, während der
obere Knopf 221 und der untere Knopf 222 auf der
Knopfbasis 223 zur Einstellung der Mutter 250 drehen.
Der obere Knopf 221 weist einen nach unten auskragenden
Abschnitt 221b mit einer Öffnung 221c auf. Die
Mutter 250 paßt in
die Öffnung 221c,
so daß sich
die Mutter 250 durch die Drehbewegung des oberen Knopfes 221 und
des unteren Knopfes 222 dreht.
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9A bis 9G zeigen
Explosionsansichten der erfindungsgemäßen Rotationseinstellvorrichtung 220.
Der obere Knopf 221 gemäß 9A weist
den nach unten auskragenden Abschnitt 221b auf, der die
Mutter 250 auf der Nadelkarte 60 erreicht, wenn
die Planarität
eingestellt wird. Der untere Knopf 222 gemäß 9D weist
viele Aufnahmelöcher 235 auf,
um darin Tauchkolben 233 gemäß 9C und Federn 232 gemäß 9B aufzunehmen.
Obgleich nicht dargestellt, so verjüngt sich doch der Boden der Aufnahmelöcher 235 in
seinem Umfang, so daß lediglich
die unteren Spitzen der Tauchkolben 233 von der unteren
Oberfläche
des unteren Knopfes 222 abstehen können. Die Tauchkolben können entweder aus
Kunststoff mit geringer Haftreibung oder aus gleitfähig gemachtem
Kunststoff gefertigt sein, wie etwa aus von DuPont geliefertem Acetel
oder Delin.
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Die
Knopfbasis 223 gemäß 9F weist eine
große
Anzahl von Radialnuten 236 auf der oberen Oberfläche auf.
Im zusammengebauten Zustand greifen die unteren Spitzen der Tauchkolben 233 in die
Nuten 236 aufgrund der nach unten drückenden Kraft der Federn 232 ein.
Der Abstand der Aufnahmelöcher 235 am
unteren Knopf 222 und der Abstand der Radialnuten 236 auf
der Knopfbasis 223 sind so gestaltet, daß sie sich
geringfügig
unterscheiden.
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Wenn
die Mutter 250 gedreht wird, so sorgt die Rotationseinstellvorrichtung 220 für sehr kleine Drehschritte,
und zwar durch Eingriff der Tauchkolben 233 in die Nuten 236,
wobei kleine Klickimpulse dem Nutzer gegeben werden.
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Die
Knopfbasis 223 ist am unteren Knopf 222 mit Hilfe
eines oberen Rückhalteringes 234 gemäß 9E und
eines unteren Rückhalteringes 238 gemäß 9G befestigt.
Der obere Rückhaltering 234 mit
einem Flansch 237 ist in den unteren Knopf 222 über eine
obere Öffnung
eingeführt
und in der unteren Position des unteren Knopfes 222 gehalten. Durch
das Verbinden des oberen Rückhalteringes 234 und
des unteren Rückhalteringes 238 und
durch das gleichzeitige Einspannen der Knopfbasis 223 zwischen
dem unteren Knopf 222 und dem unteren Rückhaltering 238, wird
die Knopfbasis 223 drehbeweglich am unteren Knopf 222 und
am oberen Knopf 221 befestigt.
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10 zeigt
einen Querschnitt durch ein anderes Beispiel eines Prüfkontaktsystems
mit einem erfindungsgemäßen Planarisierungsmechanismus. Bei
diesem Beispiel ist der Abstandsensor 290 auf der bodenseitigen
Oberfläche
des Kontaktsubstrats vorgesehen, nicht hingegen an der oberen Oberfläche der
Halbleiterscheibe gemäß Beispiel
in 6. Bei dieser Anordnung sind, da eine Halbleiterscheibe leitfähige Muster
auf ihrer Oberfläche
aufweist, spezifische Elektroden zum Messen der Abstände nicht erforderlich. Ähnlich dem
Beispiel in 6 kann eine Bezugsplatte aus
Keramik oder Aluminiumoxid mit leitfähigen Stellen an drei Orten
anstelle der Halbleiterscheibe 300 verwendet werden, so
daß die
Pla narisierungseinstellung vor der Auslieferung an den Kunden erfolgen
kann.
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11 zeigt
einen Querschnitt durch ein weiteres Beispiel eines Prüfkontaktsystems
mit einem erfindungsgemäßen Planarisierungsmechanismus.
Der Planarisierungsmechanismus dieses Beispiels ist ein automatisches
System zur Einstellung der Entfernungen zwischen dem Kontaktsubstrat
und der Halbleiterscheibe oder Bezugsplatte. Der Planarisierungsmechanismus
umfaßt
einen Motor 420 zum Drehen der Muttern 250 auf
der Grundlage von Steuerungssignalen aus einer Steuerungseinrichtung 430.
Die Steuerungseinrichtung 430 erzeugt die Steuerungssignale
durch Verrechnung der vom Abstandmessgerät 280 gemessenen Abstände.
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Erfindungsgemäß kann das
Prüfkontaktsystem
die Entfernungen zwischen den Spitzen der Kontaktelemente und der
Oberfläche
der zu prüfenden Halbleiterscheibe
oder Bezugsplatte einstellen. Der Planarisierungsmechanismus kann
die Entfernungen zwischen dem Kontaktsubstrat und der Halbleiterscheibe
einstellen, so daß alle
Kontaktelemente auf dem Kontaktsubstrat die Oberfläche der
Halbleiterscheibe im wesentlichen zur gleichen Zeit und mit dem
im wesentlichen gleichen Druck berühren.
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Der
im erfindungsgemäßen Prüfkontaktsystem
zu verwendende Planarisierungsmechanismus umfaßt die Rotationseinstellvorrichtung
zum Drehen der Muttern auf der Nadelkarte in ganz kleinen Schritten,
wodurch die Entfernungen zwischen dem Kontaktsubstrat und der Halbleiterscheibe
leicht und genau eingestellt werden können. Der erfindungsgemäße Planarisierungsmechanismus
kann als automatisch arbeitendes System durch Verwendung der Mo toren
zum Antrieb der Muttern auf der Nadelkarte sowie durch Verwendung
der Steuerungseinrichtung zur Erzeugung von Steuerungssignalen für die Motoren
auf der Basis der von den Abstandsensoren gemessenen Abstände ausgebildet
sein.