基于分區(qū)獨(dú)立溫度控制的探針臺(tái)卡盤溫度均勻性研究

劉洪 蘇中 劉寧

摘 要： 在半導(dǎo)體測(cè)試的高低溫測(cè)試中需要有效地保證探針臺(tái)卡盤表面溫度的均勻性。利用基于有限元方法的仿真軟件ANSYS Workbench對(duì)探針臺(tái)卡盤冷卻層進(jìn)行建模，研究表面溫度場(chǎng)分布情況。同時(shí)，對(duì)探針臺(tái)卡盤表面各區(qū)域進(jìn)行溫度測(cè)試獲取探針臺(tái)卡盤溫度分布。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，表明探針臺(tái)卡盤表面中心位置溫度最高，距離卡盤中心位置距離越遠(yuǎn)，溫度越低。基于現(xiàn)有探針臺(tái)卡盤均勻加熱下表面溫度分布的狀況，提出加熱板實(shí)施分區(qū)獨(dú)立溫度控制，從而改善探針臺(tái)卡盤表面溫度的均勻性，提高探針臺(tái)高低溫測(cè)試的精確性。

關(guān)鍵詞： 探針臺(tái)； 有限元方法； 均勻性； 分區(qū)控制； 半導(dǎo)體； 溫度測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN876?34； TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）16?0013?04

Abstract： During the high?low temperature test of the semiconductor， the temperature uniformity for the chuck surface of the probe station must be guaranteed. The finite element method based simulation software ANSYS Workbench is used to build the model for the chuck cooling layer of the probe station， so as to conduct research on distribution of surface temperature fields. Temperature test is performed for each area of the chuck surface of the probe station， so as to obtain the temperature distribution for the chuck of the probe station. The simulation result， in consistency with the experimental result， shows that the temperature at the central position of the chuck surface of the probe station is the highest， and the further the position from the central point of the chuck is， the lower the temperature becomes. On the basis of the surface temperature distribution after uniform heating of the current chuck of the probe station， the partition independent temperature control of the heating panel is proposed， so as to improve the temperature uniformity of the chuck surface of the probe station and accuracy of the high?low temperature test of the probe station.

Keywords： probe station； finite element method； uniformity； partition control； semiconductor； temperature test

0 引 言

探針臺(tái)測(cè)試臺(tái)作為接觸式測(cè)試探針臺(tái)，依靠探針觸點(diǎn)與芯片電極之間的機(jī)械接觸實(shí)現(xiàn)測(cè)試器件與被測(cè)器件之間的機(jī)?電連接，從而完成對(duì)器件的電參數(shù)和邏輯功能測(cè)試[1]。在半導(dǎo)體和敏感元件的功能參數(shù)和工藝測(cè)試、失效分析及可靠性試驗(yàn)中，對(duì)器件進(jìn)行高、低溫測(cè)試已是必不可少的檢測(cè)條件[2]。如果探針臺(tái)卡盤在進(jìn)行高低溫測(cè)試時(shí)溫度分布不均勻，則會(huì)造成探針臺(tái)測(cè)試結(jié)果的誤判和漏判。姚杰等對(duì)IMD膜片加熱均勻性進(jìn)行了研究[3]，提出對(duì)加熱板實(shí)施分區(qū)獨(dú)立溫度控制，從而改善膜片加熱溫度的均勻性。楊寧等通過(guò)對(duì)ALD反應(yīng)腔采取分區(qū)加熱的方法[4]，使用具有抗積分飽和功能的PID控制器，加上前饋補(bǔ)償PID控制算法，很好地解決了反應(yīng)腔內(nèi)溫度均勻性問題。目前均未對(duì)探針臺(tái)卡盤的溫度場(chǎng)分布及均勻性進(jìn)行分析，而器件在進(jìn)行高低溫測(cè)試時(shí)，探針臺(tái)卡盤溫度的分布均勻性對(duì)測(cè)試結(jié)果有決定性的作用。為此，本文在探針臺(tái)卡盤熱平衡理論的基礎(chǔ)上，基于有限元方法，在ANSYS Workbench中對(duì)探針臺(tái)卡盤冷卻層進(jìn)行建模，研究探針臺(tái)卡盤表面的溫度分布，同時(shí)，對(duì)探針臺(tái)卡盤表面各區(qū)域進(jìn)行溫度測(cè)試獲取探針臺(tái)卡盤表面溫度分布情況。基于探針臺(tái)卡盤表面溫度分布情況，提出對(duì)探針臺(tái)卡盤進(jìn)行分區(qū)溫度獨(dú)立控制來(lái)改善卡盤溫度分布的均勻性。

1 探針臺(tái)卡盤熱平衡模型

目前市場(chǎng)上探針臺(tái)卡盤溫度通過(guò)溫度控制器進(jìn)行控制，其中，通常使用由溫度控制器控制的液氮制冷系統(tǒng)進(jìn)行降溫。探針臺(tái)卡盤分為冷卻層和加熱層，其示意圖見圖1。當(dāng)探針臺(tái)卡盤溫度低于預(yù)設(shè)測(cè)試溫度時(shí)，溫度控制器控制加熱層中半導(dǎo)體熱電偶電路加熱工作，對(duì)卡盤進(jìn)行加熱；當(dāng)探針臺(tái)卡盤高于預(yù)設(shè)測(cè)試溫度時(shí)，溫度控制器控制冷卻層中冷卻液（液氮）流量，液氮流動(dòng)過(guò)程中，吸取周圍熱量，達(dá)到使卡盤降溫的目的。其中，液氮的沸點(diǎn)是-196 ℃，比空氣和氧的沸點(diǎn)低，是透明且易于流動(dòng)的液體，它既不爆炸也無(wú)毒性，是低溫技術(shù)中最常用的安全冷卻劑或預(yù)冷劑[5]，已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用在醫(yī)療、食品、航空和冶金等領(lǐng)域[6?8]。

根據(jù)能量守恒定律，對(duì)探針臺(tái)卡盤表面建立熱平衡方程：

[Q=Q1+Q2+Q3] （1）

式中：[Q]為探針臺(tái)卡盤接收到的傳導(dǎo)熱量；[Q1]為探針臺(tái)卡盤升溫所吸收的熱量；[Q2]為探針臺(tái)卡盤對(duì)流所損耗的熱量；[Q3]為探針臺(tái)卡盤輻射所損耗的熱量。根據(jù)熱力學(xué)公式[9]，可將式（1）改寫為：

[hdA1ΔT1=cm（T-T0）+[（hc+hr）A2ΔT2]Δt] （2）

式中：[hd]為傳導(dǎo)換熱系數(shù)；[A1]為探針臺(tái)卡盤中與加熱板的接觸面積；[ΔT1]為探針臺(tái)卡盤實(shí)際升溫溫度；[c]為探針臺(tái)卡盤的比熱容；[m]為探針臺(tái)卡盤的質(zhì)量；[T]為探針臺(tái)卡盤所到的溫度；[T0]為探針臺(tái)卡盤的初始溫度；[hc]為表面對(duì)流傳熱系數(shù)；[hr]為表面輻射傳熱系數(shù)；[A2]為探針臺(tái)卡盤表面積；[ΔT2]為探針臺(tái)卡盤與周圍環(huán)境溫度差；[Δt]為熱傳導(dǎo)的時(shí)間。

2 ANSYS Workbench中熱力學(xué)仿真

2.1 建立仿真模型

ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、溫度場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS公司開發(fā)[10]。ANSYS將流體產(chǎn)品完全整合進(jìn)Workbench環(huán)境中，在該環(huán)境中進(jìn)行仿真流程管理，如用戶可以先采用ANSYS CFX或ANSYS FLUENT軟件創(chuàng)建、連接及重復(fù)使用等來(lái)完成自動(dòng)化的仿真參數(shù)分析，然后再進(jìn)行多物理場(chǎng)無(wú)縫對(duì)接仿真[11]。本文在ANSYS Workbench中對(duì)探針臺(tái)卡盤冷卻層進(jìn)行熱力學(xué)仿真。圖2a）為ANSYS Workbench中建立的探針臺(tái)卡盤冷卻層仿真模型，圖2b）為ANSYS Workbench中建立的探針臺(tái)卡盤冷卻層中冷卻液（液氮）管道仿真模型，其中卡盤尺寸為6"，材質(zhì)為不銹鋼。設(shè)置液氮進(jìn)口流量為0.06 kg/s，溫度為-196 ℃，出口設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2.2 仿真結(jié)果分析

圖3為上述仿真條件下ANSYS Workbench中卡盤表面溫度場(chǎng)的分布結(jié)果。圖4為穿過(guò)卡盤中心位置沿卡盤窄邊方向的溫度值曲線。由圖3和圖4可以看出，卡盤表面中心點(diǎn)溫度最高，距離卡盤中心距離越遠(yuǎn)，溫度越低。

3 探針臺(tái)卡盤表面溫度實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)

使用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，設(shè)置探針臺(tái)溫度分別為-50 ℃，50 ℃和150 ℃，在各溫度點(diǎn)穩(wěn)定后，距離探針臺(tái)卡盤表面距離中心距離為0.15 m，0.11 m，0.07 m，0.03 m和0 m位置分別均勻取32個(gè)點(diǎn)、24個(gè)點(diǎn)、16個(gè)點(diǎn)、8個(gè)點(diǎn)和1個(gè)點(diǎn)的溫度分布如圖5所示。由圖5的探針臺(tái)卡盤表面溫度分布可知，探針臺(tái)卡盤表面溫度分布不均勻，其中卡盤中心位置溫度最高，距離中心位置越遠(yuǎn)，溫度越低，卡盤中心處比距離卡盤中心最遠(yuǎn)處溫度約高2 ℃。經(jīng)分析，這是由于探針臺(tái)卡盤冷卻層輸入液氮進(jìn)行降溫時(shí)，隨著液氮的流動(dòng)方向，液氮吸收周圍熱量，液氮較入口處的溫度越來(lái)越高。因此，距離液氮入口處距離越遠(yuǎn)，則探針臺(tái)卡盤表面溫度越高。

4 加熱層分區(qū)獨(dú)立溫度控制對(duì)探針臺(tái)卡盤溫度均勻性的影響

通過(guò)對(duì)探針臺(tái)卡盤冷卻層仿真實(shí)驗(yàn)和卡盤表面溫度實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)卡盤中心區(qū)域的溫度要高于周圍的溫度，卡盤表面距離卡盤中心距離越遠(yuǎn)，溫度越低。因此為了保證探針臺(tái)卡盤表面溫度場(chǎng)的均勻性，對(duì)探針臺(tái)卡盤的加熱板進(jìn)行分區(qū)獨(dú)立溫度控制，其區(qū)域劃分如圖6所示，對(duì)1，2，3，4一共4個(gè)區(qū)域?qū)嵭歇?dú)立溫度控制。

圖7a）、圖7b）和圖7c）為對(duì)探針臺(tái)卡盤加熱板進(jìn)行分區(qū)獨(dú)立溫度控制，設(shè)置探針臺(tái)溫度分別為-50 ℃，50 ℃和150 ℃，在各溫度點(diǎn)穩(wěn)定后，在探針臺(tái)卡盤表面距離中心距離為0.15 m，0.11 m，0.07 m，0.03 m和0 m位置分別均勻取32個(gè)點(diǎn)、24個(gè)點(diǎn)、16個(gè)點(diǎn)、8個(gè)點(diǎn)和1個(gè)點(diǎn)的溫度分布。

由圖7可以直觀地看出，卡盤表面各區(qū)域的溫度分布得到明顯的改善，其各取點(diǎn)位置溫度分布均勻。將4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)分別放置在探針臺(tái)卡盤表面與加熱板分區(qū)對(duì)應(yīng)的區(qū)域中，設(shè)置探針臺(tái)工作溫度分別為-50 ℃，-40 ℃，60 ℃和150 ℃，在每個(gè)設(shè)置的工作點(diǎn)工作2 h，取4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)讀值的平均值，得到的探針臺(tái)卡盤高低溫工作曲線如圖8所示。在各標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)溫度值均保持穩(wěn)定后，每隔20 min記錄各標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的平均值T測(cè)i（i=1，2，…，6），數(shù)據(jù)如表1所示，由表1可看出探針臺(tái)卡盤在上述溫度工作范圍內(nèi)，溫度控制精度達(dá)到±0.2 ℃。

5 結(jié) 論

1） 通過(guò)對(duì)探針臺(tái)卡盤冷卻層進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和探針臺(tái)卡盤表面溫度實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。將兩者進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，表明探針臺(tái)卡盤溫度分布的不均勻性，其中卡盤中心溫度最高，距離卡盤中心距離越遠(yuǎn)，溫度越低。

2） 通過(guò)基于分區(qū)獨(dú)立溫度控制的探針臺(tái)卡盤加熱研究表明，采用分區(qū)獨(dú)立溫度控制可明顯改善卡盤表面溫度的均勻性，減少探針臺(tái)卡盤表面各處溫度的差值，提高探針臺(tái)高低溫測(cè)試的精度。

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