Zondų stotyje mikroskopu tiriama plokštelė, supjaustyta iš kelių{0}}milijonų{1} dolerių vertės gamybos proceso, o mažytės adatėlės liečiasi su mikroskopinėmis pagalvėlėmis. Griebtuvas, laikantis ir šildantis šią plokštelę, turi būti stabilus ir vienodas kaip granito blokas, bet toks pat lengvas ir jautrus kaip lenktyninio automobilio droselis. ASilicio plokštelių šildymo griebtuvo zondo stotisagregatas suteikia tikslią šiluminę aplinką, reikalingą atskirų štampų elektriniam apibūdinimui aukštesnėje temperatūroje, todėl galima atlikti gedimų analizę, parametrų testavimą ir įrenginio patvirtinimą prieš pjaustant ir pakuojant plokšteles.
Šildymo griebtuvo vaidmuo zondų stotyje
Zondų stotis yra ant stalo arba ant grindų stovinti sistema, naudojama puslaidininkinių plokštelių arba atskirų štampų elektriniams matavimams atlikti. Pagrindiniai komponentai yra mikroskopas, mikromanipuliuojamos zondo adatos ir temperatūros valdomas griebtuvas. Griebtuvas atlieka tris svarbias funkcijas:
Mechaninė parama:Zondavimo metu jis laiko plokštelę plokščią ir nejudančią.
Šiluminė kontrolė:Jis šildo (ir dažnai atvėsina) plokštelę iki nurodytos bandomosios temperatūros, kuri paprastai svyruoja nuo –40 laipsnių iki +150 laipsnio (arba aukštesnė, jei tai yra specializuota programa).
Elektros jungtis:Jis suteikia įžemintą arba įtemptą plokštelės galinį kontaktą, dažnai per laidų griebtuvo paviršių arba atskirą galinės pusės kontaktinį žiedą.
Itin plonoms silicio plokštelėms (storis mažesnis nei 100 µm, kartais net 20–50 µm), griebtuvas turi būti ypač plokščias ir termiškai vienodas, kad būtų išvengta vietinio įtempimo, įtrūkimų ar netolygaus temperatūros pasiskirstymo, dėl kurio būtų iškreipti elektros rodmenys.
Medžiagos pasirinkimas: aliuminio nitridas ir silicio karbidas
Šildymo griebtuvas paprastai yra monolitinis plonas techninės keramikos diskas. Šioje programoje dominuoja dvi medžiagos:
Aliuminio nitridas (AlN):Dažniausias pasirinkimas. AlN šilumos laidumas yra maždaug 170–180 W/m·K- nuo šešių iki septynių kartų didesnis nei aliuminio oksido (Al₂O3). Jo šiluminio plėtimosi koeficientas (CTE) yra apie 4,5 × 10⁻⁶/laipsnis, labai panašus į silicio koeficientą (≈2,6 × 10⁻⁶/laipsnis). Šis glaudus CTE atitikmuo sumažina šiluminį įtampą tarp griebtuvo ir plokštelės kaitinant ir vėsinant, o tai yra labai svarbus reikalavimas itin plonoms plokštelėms, kurios yra labai jautrios deformacijai arba įtrūkimams.
Silicio karbidas (SiC):Naudojamas dirbant labai aukštoje temperatūroje (iki 300 laipsnių ar daugiau) arba ten, kur reikalingas ypatingas standumas. SiC šilumos laidumas yra 200–250 W/m·K, o CTE yra maždaug 4,0 × 10⁻⁶ / laipsnis. Jis yra kietesnis ir atsparesnis dilimui nei AlN, bet ir brangesnis.
Abi medžiagos yra puikūs elektros izoliatoriai, o tai būtina norint atskirti šildytuvo grandinę nuo jautrių zondo matavimų. Griebtuvo paviršius yra poliruotas iki mikronų lygumo (paprastai<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.
Įterptieji šildymo elementai: raštuota plona plėvelė arba stora plėvelė
Vienodas šildymas pasiekiamas naudojant įmontuotus raštuotus varžos šildytuvus. Naudojamos dvi technologijos:
Plonasluoksniai šildytuvai:Metalo sluoksnis (platinos, molibdeno arba tantalo) purškiamas arba išgarinamas ant keraminio pagrindo ir fotolitografiškai išmargintas į serpentiną arba kelių zonų išdėstymą. Tada ant šildytuvo suklijuojamas arba uždedamas antrasis keraminis sluoksnis. Plonos plėvelės šildytuvai užtikrina puikų vienodumą ir greitą šiluminę reakciją, tačiau jų galios tankis yra mažesnis.
Storosios plėvelės šildytuvai:Ant keraminio pagrindo išdedama šilkografinė pasta, kurioje yra tauriųjų metalų (platinos, aukso arba sidabro paladžio). Storosios plėvelės šildytuvai yra storesni ir gali atlaikyti didesnę galią, nors rašto skiriamoji geba yra grubesnė.
Įprastas kelių zonų šildymas. Dvi, trys arba keturios nepriklausomai valdomos zonos (centras, vidurys, kraštas) kompensuoja šilumos nuostolius plokštelės perimetro ir sukuria ±0,1 laipsnio ar geresnę temperatūros vienodumą 200 mm arba 300 mm plokštelės paviršiuje. Zonos ribos yra kruopščiai suplanuotos, kad būtų išvengta aštrių šiluminių gradientų.
Maža šiluminė masė greitam važiavimui dviračiu
Griebtuvas sukurtas naudojant minimalią šiluminę masę. Įprastas itin plonas vaflinis griebtuvas yra tik 6–10 mm storio, palyginti su 25–40 mm įprastomis plokštelėmis. Maža šiluminė masė suteikia tris privalumus:
Greiti rampos tarifai:Griebtuvas gali įkaisti nuo kambario temperatūros iki 150 laipsnių per 30–60 sekundžių, o atvėsti nuo 150 laipsnių iki kambario temperatūros per panašų laiką (dažnai padedant atšaldytam orui arba skystam aušinimo skysčiui, tekančio vidiniais kanalais).
Mažas energijos suvartojimas:Mažesnei medžiagų masei reikia mažiau šildymo energijos, todėl sumažėja eksploatavimo sąnaudos ir šilumos išsklaidymo į zondo stoties gaubtą.
Sumažinti šiluminiai gradientai:Plonas griebtuvas tolygiau reaguoja į šildytuvo įvestį nei storas blokas, nes atstumas nuo šildytuvo iki plokštelės paviršiaus yra minimalus.
Greitas temperatūros ciklas yra būtinas norint apibūdinti įrenginius tam tikrame temperatūros diapazone (pvz., nuo –40 laipsnių iki +125 laipsnių automobiliams skirtiems integriniams grandynams). Griebtuvas dažnai yra integruotas su aušintuvu arba termoelektriniu (Peltier) moduliu, skirtu aktyviam vėsinimui žemiau aplinkos temperatūros.
Vakuuminiai grioveliai ir plokštelių tvarkymas
Į griebtuvo paviršių apdirbamas arba lazeriu išpjaunamas seklių vakuuminių griovelių (paprastai 5–15 µm gylio, 0,5–1 mm pločio) tinklelis. Grioveliai jungiasi prie vakuuminio angos ir tolygiai paskirstytą siurbimo jėgą prilaiko plokštelę prie griebtuvo. Itin plonoms plokštelėms dėl pernelyg didelio vakuumo gali atsirasti vietinių įdubimų arba įtrūkimų. Todėl naudojamas kintamasis vakuumo reguliatorius, o griovelių raštas optimizuojamas naudojant tankų siaurų kanalų tinklą, kad išlaikymo jėga būtų paskirstyta tolygiai.
Kai kuriuose griebtuvuose vietoj apdirbtų griovelių yra porėtas keramikos arba putplasčio sluoksnis. Akytieji griebtuvai užtikrina beveik ištisinį siurbimo paviršių, idealiai tinka labai plonoms plokštelėms, kur taškiniai griovelių briaunų kontaktai gali sukelti įtampą. Tačiau akytas griebtuvas yra sunkiau valomas ir gali sulaikyti daleles.
Temperatūros jutimas ir valdymas
Platinos atsparumo temperatūros detektorius (RTD), paprastai Pt100 arba Pt1000, yra įdėtas į griebtuvą arti plokštelės kontaktinio paviršiaus. Didelio tikslumo konstrukcijose keli RTD yra dedami į skirtingas zonas, kad būtų galima gauti grįžtamąjį ryšį zonos valdikliams. Temperatūros matavimo tikslumas išlaikomas ±0,1 laipsnio ribose, dažnai kalibruojamas pagal etaloninį jutiklį, atsekantį pagal nacionalinius standartus.
PID (proporcinis integralinis išvestinis) valdiklis valdo šildytuvo zonas. Valdiklis turi būti sureguliuotas pagal mažą griebtuvo šiluminę masę, kad būtų išvengta viršijimo ar svyravimų. Daugelis zondavimo stočių naudoja kaskadinę valdymo schemą: vidinė kilpa valdo šildytuvo galią, o išorinė kilpa stebi plokštelės paviršiaus temperatūrą per atskirą infraraudonųjų spindulių jutiklį arba kontaktinį zondą.
Pastaba dėl matavimo: šildytuvo grandinės elektros izoliacija
Atliekant jautrius zondo matavimus-, tokius kaip nuotėkio srovės iki pikoampų arba talpos matavimai-reikalauja itin mažo elektros triukšmo ir jokių parazitinių nuotėkio kelių. Griebtuvo šildytuvo grandinė veikia esant tinklo įtampai (paprastai 120–240 VAC arba nuolatinei įtampai). Jei šildytuvas nėra tinkamai izoliuotas, į matavimo kelią gali patekti triukšmas arba nuotėkio srovė, todėl rezultatai visiškai negalioja.
Todėl griebtuvo šildytuvas yra elektra izoliuotas nuo vaflinio griebtuvo paviršiaus. Izoliacija pasiekiama šiais būdais:
Dielektrinis barjeras:Pats keraminis griebtuvo korpusas užtikrina kelių šimtų voltų izoliaciją tarp įtaisyto šildytuvo ir plokštelės paviršiaus.
Apsaugotos jungtys:Apsauginis žiedas arba aktyvus skydas supa šildytuvo laidus, varomus tokiu pat potencialu kaip ir šildytuvas, kad būtų pašalinta talpinė jungtis. Apsauga prijungta prie mažos varžos ir mažo triukšmo potencialo.
Atskiras žemės kelias:Griebtuvo paviršius (plokštelės galinės pusės kontaktas) yra prijungtas prie švaraus prietaiso įžeminimo, o šildytuvas maitinamas per izoliuotą transformatorių. Abu pagrindai laikomi atskirai, išskyrus vieną apibrėžtą tašką.
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 esant 100 V nuolatinei įtampai tarp šildytuvo ir griebtuvo paviršiaus, esant nuotėkio srovei<10 pA at operating temperature.
Šiluminio tolygumo ir lygumo patikrinimas
Prieš pradedant eksploatuoti šildymo griebtuvą, patikrinamas jo šiluminis ir mechaninis veikimas:
Plokštumas:Matuojama naudojant lazerinį interferometrą arba talpos zondą. Paprastai yra priimtinas lygumas<1 µm per 10 mm, and <5 µm total across the full wafer area.
Temperatūros vienodumas:Matuojama naudojant plonos vielos termoporas arba terminio vaizdo kamerą. Ant griebtuvo uždedama plika silicio plokštelė (arba plokštelė su plona juoda danga, skirta spinduliavimo korekcijai) ir užfiksuojama temperatūra. Vienodo griebtuvo pokytis turi būti mažesnis nei ±0,2 laipsnio esant 150 laipsnių nustatytajai vertei.
Šiluminis atsakas:Griebtuvas perjungiamas nuo kambario temperatūros iki maksimalios darbinės temperatūros (pvz., 150 laipsnių) ir atgal. Užregistruojami rampos dydžiai ir nusistovėjimo laikas.
Itin{0}}plonų plokštelių tvarkymas: specialios nuostatos
Plonesnės nei 100 µm plokštelės elgiasi kaip lanksti membrana. Šildymo griebtuvas turi būti pritaikytas, kad būtų išvengta žalos:
Nugaros danga:Ant griebtuvo paviršiaus kartais uždedamas minkštas, suderinamas sluoksnis (pvz., plona silikono arba fluoropolimero plėvelė), kad suminkštintų plokštelę ir sumažintų nedidelį bangavimą.
Kraštų atraminiai žiedai:Labai plonoms plokštelėms žiedinis žiedas palaiko tik kelis išorinius plokštelės milimetrus, todėl centras lieka neparemtas, bet be įtempių. Jis naudojamas nekontaktiniam arba optiniam zondavimui.
Šiluminio plėtimosi atitikimas:AlN CTE yra artimas, bet ne identiškas siliciui. 200 mm plokštelės, įkaitintos nuo 20 laipsnių iki 150 laipsnių, šiluminio plėtimosi skirtumas tarp silicio (CTE 2.6) ir AlN (CTE 4.5) sąlygotų maždaug 0,07 mm santykinį poslinkį krašte -priimtinas daugumai zondo adatų, kurios tam tikrą atitiktį atitinka. Itin plonoms plokštelėms, kuriose bet koks slydimo įtempis yra rizikingas, gali būti naudojama griebtuvo medžiaga su dar artimesne CTE atitikmeniu (pvz., stiklo keramika, pvz., Zerodur), tačiau jos šilumos laidumas yra mažesnis.
Išvada: Tikslus puslaidininkinio zondavimo pagrindas
Itin plonas, mažos-masės kaitinimo griebtuvas yra tikslus puslaidininkių zondavimo pagrindas, leidžiantis tiksliai, didelės{2}}greitos charakteristikas, kurios patvirtina kiekvieną lustą prieš jį supakuojant. Suteikdamas termiškai judrią, idealiai plokščią sceną, kuri laiko plokštelę kaip brangakmenį, griebtuvas leidžia prietaiso inžinieriams nušluoti temperatūrą, išmatuoti nuotėkio sroves ir patikimai nustatyti silpnus antgalius. Aliuminio nitrido šilumos laidumo, integruotų kelių zonų šildytuvų, mažos šiluminės masės ir griežtos elektros izoliacijos derinys paprastą keraminę plokštę paverčia sudėtingu matavimo įrankiu. Mikroschemos kokybė įrodyta tikslios keramikos-pakopoje, o šildymo griebtuvas yra tas etapas, tyliai palaikantis milijardus tranzistorių, kurie apibūdina šiuolaikinę elektroniką.
