Koetinaseman sisällä monien -miljoonien- dollarien valmistusprosessista leikattua kiekkoa tutkitaan mikroskoopin alla, ja pienet neulat koskettavat mikroskooppisia tyynyjä. Tätä kiekkoa pitelevän ja lämmittävän istukan on oltava yhtä vakaa ja yhtenäinen kuin graniittipalikka, mutta yhtä kevyt ja herkkä kuin kilpa-auton kaasu. Apiikiekkojen lämmitysistukan anturiasemaKokoonpano tarjoaa tarkan lämpöympäristön, joka tarvitaan yksittäisten muottien sähköiseen karakterisointiin korkeissa lämpötiloissa, mikä mahdollistaa vikaanalyysin, parametrisen testauksen ja laitteen validoinnin ennen kiekkojen kuutioimista ja pakkaamista.
Lämmitysistukan rooli koetinasemassa
Anturiasema on työpöydällä tai lattialla seisova järjestelmä, jota käytetään sähkömittausten tekemiseen puolijohdekiekoissa tai yksittäisissä muotteissa. Keskeisiä osia ovat mikroskooppi, mikromanipuloidut anturin neulat ja lämpötilaohjattu istukka. Istukka palvelee kolmea kriittistä toimintoa:
Mekaaninen tuki:Se pitää kiekon tasaisena ja paikallaan koettamisen aikana.
Lämmönsäätö:Se lämmittää (ja usein jäähdyttää) kiekon määritettyihin testilämpötiloihin, jotka vaihtelevat tyypillisesti välillä −40 asteesta +150 asteeseen (tai korkeampiin erikoissovelluksissa).
Sähköliitäntä:Se tarjoaa maadoitetun tai esijännitetyn takapuolen koskettimen kiekolle, usein johtavan istukan pinnan tai erillisen takapuolen kosketinrenkaan kautta.
Ultraohuiden piikiekkojen (paksuudet alle 100 µm, joskus jopa 20–50 µm) istukan on oltava poikkeuksellisen tasainen ja termisesti tasainen, jotta vältetään paikalliset jännitykset, halkeilu tai epätasainen lämpötilajakauma, joka vääristää sähköisiä lukemia.
Materiaalivalinta: alumiininitridi ja piikarbidi
Lämmitysistukka on tyypillisesti monoliittinen ohut teknisen keraamisen kiekko. Kaksi materiaalia hallitsee tätä sovellusta:
Alumiininitridi (AlN):Yleisin valinta. AlN:n lämmönjohtavuus on noin 170–180 W/m·K-kuudesta seitsemään kertaa korkeampi kuin alumiinioksidi (Al2O3). Sen lämpölaajenemiskerroin (CTE) on noin 4,5 × 10⁻⁶/aste, mikä vastaa läheisesti piin lämpölaajenemiskerrointa (≈2,6 × 10⁻⁶/aste). Tämä tiivis CTE-sovitus minimoi lämpöjännityksen istukan ja kiekon välillä lämmityksen ja jäähdytyksen aikana, mikä on kriittinen vaatimus erittäin ohuille kiekoille, jotka ovat erittäin herkkiä vääntymiselle tai halkeilulle.
Piikarbidi (SiC):Käytetään erittäin korkeissa lämpötiloissa (jopa 300 astetta tai enemmän) tai kun vaaditaan äärimmäistä jäykkyyttä. SiC:n lämmönjohtavuus on 200–250 W/m·K ja CTE noin 4,0 × 10⁻⁶/aste. Se on kovempi ja kulutusta kestävämpi kuin AlN, mutta myös kalliimpi.
Molemmat materiaalit ovat erinomaisia sähköeristimiä, mikä on välttämätöntä lämmitinpiirin eristämiseksi herkistä anturin mittauksista. Istukan pinta on kiillotettu alle mikronin tasaiseksi (tyypillisesti<1 µm total indicator reading across the wafer area) and a mirror‑like finish to prevent particle trapping and ensure intimate contact with the wafer backside.
Upotetut lämmityselementit: kuvioitu ohutkalvo tai paksukalvo
Tasainen lämmitys saavutetaan upotettujen, kuvioitujen vastuslämmittimien avulla. Käytössä on kaksi tekniikkaa:
Ohutkalvolämmittimet:Metallikerros (platina, molybdeeni tai tantaali) sputteroidaan tai haihdutetaan keraamisen alustan päälle ja kuvioidaan fotolitografisesti kiemurtelevaksi tai monivyöhykkeiseksi asetteluksi. Toinen keraaminen kerros liimataan tai kerrostetaan sitten lämmittimen päälle. Ohutkalvolämmittimet tarjoavat erinomaisen tasaisuuden ja nopean lämpövasteen, mutta rajoittuvat pienempään tehotiheyteen.
Paksukalvolämmittimet:Jalometalleja (platinaa, kultaa tai hopeapalladiumia) sisältävä silkkipainettu tahna poltetaan keraamisen alustan päälle. Paksukalvolämmittimet ovat paksumpia ja kestävät suurempaa tehoa, vaikka kuvion resoluutio on karkeampi.
Monivyöhykelämmitys on yleistä. Kaksi, kolme tai neljä itsenäisesti ohjattua vyöhykettä (keski, keskiosa, reuna) kompensoivat lämpöhäviöitä kiekon kehällä ja tuottavat ±0,1 asteen tai paremman lämpötilan tasaisuuden 200 mm tai 300 mm kiekon pinnalla. Alueen rajat on suunniteltu huolellisesti, jotta vältetään terävät lämpögradientit.
Matala lämpömassa nopeaan pyöräilyyn
Istukka on suunniteltu minimaalisella lämpömassalla. Tyypillinen ultraohut kiekkoistukka on vain 6–10 mm paksu, kun tavallisten levyjen paksuus on 25–40 mm. Matala lämpömassa tarjoaa kolme etua:
Nopeat ramppinopeudet:Istukka voi lämmetä huoneenlämpötilasta 150 asteeseen 30–60 sekunnissa ja jäähtyä 150 astetta huoneenlämpöön samassa ajassa (usein sisäisten kanavien kautta virtaavan jäähdytetyn ilman tai nestemäisen jäähdytysnesteen avulla).
Pieni virrankulutus:Pienempi materiaalimassa vaatii vähemmän lämmitysenergiaa, mikä vähentää käyttökustannuksia ja minimoi lämmön haihtumisen anturiaseman koteloon.
Alennettu lämpögradientti:Ohut istukka reagoi tasaisemmin lämmittimen tuloon kuin paksu lohko, koska etäisyys lämmittimestä kiekon pintaan on minimoitu.
Nopea lämpötilan jaksotus on välttämätöntä laitteiden karakterisoinnissa lämpötila-alueella (esim. −40 asteesta +125 asteeseen autoteollisuuden integroiduissa piireissä). Istukka on usein integroitu jäähdyttimeen tai lämpösähköiseen (Peltier) moduuliin aktiiviseen jäähdytykseen ympäristön alapuolella.
Tyhjiöurat ja kiekkojen käsittely
Istukan pintaan koneistetaan tai laserleikataan matalien tyhjiöurien ristikko (tyypillisesti 5–15 µm syvyys, 0,5–1 mm leveä). Urat yhdistyvät tyhjiöporttiin ja pitävät kiekon litteänä istukkaa vasten tasaisesti jakautuneella imuvoimalla. Erittäin ohuissa kiekoissa liiallinen tyhjiöpaine voi aiheuttaa paikallisia kuoppia tai halkeamia. Siksi käytetään muuttuvaa tyhjiösäädintä ja urakuvio optimoidaan tiheällä kapeiden kanavien verkostolla pitovoiman tasaamiseksi.
Joissakin istukkaissa on huokoinen keraaminen tai vaahtokerros koneistettujen urien sijaan. Huokoiset istukat tarjoavat lähes jatkuvan imupinnan, joka on ihanteellinen erittäin ohuille kiekoille, joissa uraripojen pistekosketukset voivat aiheuttaa rasitusta. Huokoiset istukat ovat kuitenkin vaikeampia puhdistaa ja voivat vangita hiukkasia.
Lämpötilan tunnistus ja ohjaus
Platinavastuslämpötilan ilmaisin (RTD), tyypillisesti Pt100 tai Pt1000, on upotettu istukkaan lähelle kiekon kosketuspintaa. Tarkoissa malleissa useita RTD:itä sijoitetaan eri vyöhykkeille antamaan palautetta vyöhykeohjaimille. Lämpötilan mittaustarkkuus säilyy ±0,1 asteessa, usein kalibroituna kansallisiin standardeihin jäljitettävissä olevaa referenssianturia vastaan.
PID-säädin (proportional-integral-derivative) ohjaa lämmitysvyöhykkeitä. Säädin on viritettävä istukan alhaiselle lämpömassalle ylityksen tai värähtelyn välttämiseksi. Monet anturiasemat käyttävät kaskadiohjausjärjestelmää: sisempi silmukka ohjaa lämmittimen tehoa ja ulompi silmukka valvoo kiekon pinnan lämpötilaa erillisen infrapuna-anturin tai kosketusanturin kautta.
Mittaushuomautus: Lämmitinpiirin sähköinen eristys
Herkät anturimittaukset-kuten vuotovirrat pikoampeeriin asti tai kapasitanssimittaukset-edellyt erittäin alhaista sähkökohinaa eikä loisvuotopolkuja. Istukan lämmityspiiri toimii verkkojännitteellä (yleensä 120–240 VAC tai tasajännite). Jos lämmitintä ei eristetty kunnolla, se voi ruiskuttaa kohinaa tai vuotovirtaa mittausreitille, mikä mitätöi tulokset.
Siksi istukan lämmitin on sähköisesti eristetty kiekkoistukan pinnasta. Eristäminen saavutetaan seuraavilla tavoilla:
Dielektrinen este:Keraaminen istukan runko itsessään tarjoaa useita satoja voltteja eristyksen upotetun lämmittimen ja kiekon pinnan välillä.
Suojatut liitännät:Suojarengas tai aktiivinen suojus ympäröi lämmittimen johtimia, jotka ohjataan samaan potentiaaliin kuin lämmitin kapasitiivisen kytkennän poistamiseksi. Suojus on kytketty matalaimpedanssiseen ja hiljaiseen potentiaaliin.
Erillinen maantie:Istukan pinta (kiekon takapuolen kosketin) on kytketty puhtaaseen instrumenttiin, kun taas lämmitin saa virtaa eristetyn muuntajan kautta. Nämä kaksi perustetta pidetään erillään paitsi yhdessä määritellyssä kohdassa.
For ultra‑low current measurements (fA range), a triaxial cable and connector system is used, with the inner conductor carrying the signal, the inner shield driven as a guard, and the outer shield connected to the instrument ground. The chuck manufacturer must provide detailed isolation specifications, typically >100 MΩ 100 V DC:llä lämmittimen ja istukan pinnan välillä, vuotovirralla<10 pA at operating temperature.
Lämmön tasaisuuden ja tasaisuuden tarkastus
Ennen kuin lämmitysistukka otetaan käyttöön, sen lämpö- ja mekaaninen suorituskyky tarkistetaan:
Tasaisuus:Mitattu laserinterferometrillä tai kapasitanssianturilla. Hyväksyttävä tasaisuus on tyypillisesti<1 µm per 10 mm, and <5 µm total across the full wafer area.
Lämpötilan tasaisuus:Mitattu joukolla hienolankaisia termopareja tai lämpökameralla. Paljas piikiekko (tai kiekko, jossa on ohut musta pinnoite emissiivisuuden korjausta varten) asetetaan istukkaan ja lämpötila kartoitetaan. Tasaisen istukan tulee osoittaa alle ±0,2 asteen vaihtelua 150 asteen asetuspisteessä.
Lämpövaste:Istukka pyörii huoneenlämpötilasta maksimikäyttölämpötilaan (esim. 150 astetta) ja takaisin. Ramppinopeudet ja asettumisaika tallennetaan.
Ultraohuiden kiekkojen käsittely{0}}: erityisiä huomioita
Yli 100 µm ohuet kiekot käyttäytyvät joustavan kalvon tavoin. Lämmitysistukka on mukautettava vaurioiden estämiseksi:
Takaosan pinnoite:Pehmeä, taipuisa kerros (esim. ohut silikoni- tai fluoripolymeerikalvo) levitetään joskus istukan pinnalle pehmustamaan kiekkoa ja mukautumaan lievään aaltoilemiseen.
Reunan tukirenkaat:Hyvin ohuissa kiekoissa rengasmainen rengas tukee vain kiekon muutaman millimetrin ulompaa osaa, jolloin keskiosa jää tukematta, mutta vapaaksi jännityksestä. Tätä käytetään kosketuksettomaan tai optiseen mittaukseen.
Lämpölaajenemissovitus:AlN:n CTE on lähellä, mutta ei identtinen piin kanssa. 200 mm:n kiekolle, joka on lämmitetty 20 astetta 150 asteeseen, piin (CTE 2.6) ja AlN:n (CTE 4.5) välinen lämpölaajenemisero aiheuttaisi noin 0,07 mm:n suhteellisen siirtymän reunassa -hyväksyttävä useimmille anturin neulille, joilla on jonkin verran yhteensopivuutta. Ultraohuissa kiekoissa, joissa mikä tahansa liukujännitys on riskialtista, voidaan käyttää istukkamateriaalia, jolla on vieläkin lähempi CTE-vastine (esim. lasikeramiikka, kuten Zerodur), joskin alhaisemmalla lämmönjohtavuudella.
Johtopäätös: Semiconductor Probingin tarkkuussäätiö
Ultra-ohut, vähän massaa oleva-kuumennusistukka on puolijohdemittauksen tarkkuusperusta, joka mahdollistaa tarkan, nopean-karakterisoinnin, joka vahvistaa jokaisen sirun ennen sen pakkaamista. Tarjoamalla termisesti ketterän, täysin tasaisen alustan, joka tukee kiekkoa kuin jalokiveä, istukka antaa laitesuunnittelijoille mahdollisuuden pyyhkiä lämpötiloja, mitata vuotovirtoja ja tunnistaa heikot muotit luotettavasti. Alumiininitridin lämmönjohtavuuden, upotettujen monivyöhykkeiden lämmittimien, alhaisen lämpömassan ja tiukan sähköeristyksen yhdistelmä muuttaa yksinkertaisen keraamisen levyn hienostuneeksi mittaustyökaluksi. Mikrosirun laatu on todistettu tarkkuuskeraamisella,-ja lämpöistukka on se vaihe, joka tukee hiljaa miljardeja transistoreita, jotka määrittävät modernin elektroniikan.
