自動(dòng)和半自動(dòng)探針臺(tái)的載片臺(tái)水平位移測(cè)量方法研究

霍 曄，吳愛(ài)華，王一幫，欒 鵬，劉 晨，梁法國(guó)，杜 靜

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊050051；2.解放軍陸軍步兵學(xué)院石家莊校區(qū)，石家莊050083）

1 引言

射頻芯片自動(dòng)測(cè)量時(shí)，探針保持不動(dòng)，依靠自動(dòng)和半自動(dòng)探針臺(tái)的載片臺(tái)水平（X 軸、Y 軸）和垂直（Z 軸）方向的自動(dòng)位移實(shí)現(xiàn)［1-6］，能夠高效率的測(cè)量封裝前裸芯片的傳輸幅度及相位、反射幅度及相位等微波特性，達(dá)到篩選良好芯片和優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的［7-9］。不僅節(jié)省了時(shí)間、減少了人力、物力和財(cái)力，而且在提高產(chǎn)品的一致性、可靠性等方面都具有重要的意義［10-13］。因此自動(dòng)和半自動(dòng)探針臺(tái)廣泛應(yīng)用于芯片測(cè)試領(lǐng)域［14-17］。生產(chǎn)廠家自動(dòng)和半自動(dòng)探針臺(tái)的載片臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)和半自動(dòng)探針臺(tái)的載片臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of chuck for automatic and semi-automatic probe platform

當(dāng)載片臺(tái)水平方向的自動(dòng)位移偏離設(shè)定的距離時(shí)，會(huì)使微波探針的壓點(diǎn)位置發(fā)生偏差，如圖2所示，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不一致，影響效率。如果偏差較大，使一個(gè)端口的探針脫離帶線直接壓至晶圓襯底上，襯底較硬會(huì)傷及探針，另一端口的探針壓至芯片的管芯上，從而破壞其物理特性，如圖3所示，會(huì)得到不可靠的微波參數(shù)測(cè)試結(jié)果，直接降低芯片的設(shè)計(jì)效率。經(jīng)調(diào)研，實(shí)際測(cè)試中，載片臺(tái)水平方向位移偏差不能超過(guò)±10 μm。

圖2 載片臺(tái)移動(dòng)時(shí)位置發(fā)生偏差示意圖Fig.2 Schematic diagram of deviation occurred when the chuck moved

圖3 載片臺(tái)移動(dòng)時(shí)偏差較大示意圖Fig.3 Schematic diagram of deviation of the chuck is large when moving

目前，國(guó)際上和國(guó)內(nèi)有關(guān)其水平位移測(cè)量方法的研究未見(jiàn)報(bào)道，主要原因是沒(méi)有合適的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器具。

2 標(biāo)準(zhǔn)尺的設(shè)計(jì)及制作

2.1 標(biāo)準(zhǔn)尺的設(shè)計(jì)

為準(zhǔn)確測(cè)量載片臺(tái)的X 軸和Y 軸位移，設(shè)計(jì)并制作了可溯源的標(biāo)準(zhǔn)尺。目前，國(guó)內(nèi)使用較多的自動(dòng)和半自動(dòng)探針臺(tái)的載片臺(tái)的直徑尺寸為150 mm的圓形，其水平方向自動(dòng)位移的最大距離為150 mm。根據(jù)載片臺(tái)這些特征，結(jié)合溯源機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)器具的計(jì)量特性，設(shè)計(jì)制作標(biāo)準(zhǔn)尺，設(shè)計(jì)圖形如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)尺的設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design drawing of standard ruler

標(biāo)準(zhǔn)尺的測(cè)量范圍為（0～150）mm，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離為25 mm，在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)（0 mm，25 mm，50 mm，75 mm，100 mm，125 mm，150 mm）左右兩側(cè)分布有間距為5 μm 金屬線條各5 條，每個(gè)金屬線條寬度為5 μm。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)尺的制作與定標(biāo)

根據(jù)實(shí)際工藝，通過(guò)尺寸為152.4 mm×152.4 mm的正方形蘇打玻璃制作標(biāo)準(zhǔn)尺，為了便于定標(biāo)及測(cè)量，將正方形玻璃切割成長(zhǎng)邊為152.4 mm，寬邊為20 mm 的長(zhǎng)方形形狀，實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)尺的實(shí)物圖Fig.5 Physical drawing of standard ruler

通過(guò)用金將0，25 000，50 000，75 000，100 000，125 000，150 000 的數(shù)字刻在標(biāo)準(zhǔn)尺相應(yīng)位置上，數(shù)字的單位為μm，標(biāo)準(zhǔn)尺的測(cè)量范圍為0 mm 至150 mm，能夠滿足自動(dòng)和半自動(dòng)探針臺(tái)的載片臺(tái)在X 軸和Y 軸方向位移的測(cè)試范圍。

在每個(gè)數(shù)字中心位置的兩側(cè)共有10 條間隔為5 μm 寬的金線條，每條金線條的寬度同樣為5 μm，如圖6所示，用于判斷自動(dòng)和半自動(dòng)探針臺(tái)載片臺(tái)X 軸和Y 軸方向位移的實(shí)際偏差距離。

圖6 0 mm 和150 mm 處的金屬線條實(shí)物圖Fig.6 Physical drawing of metal lines at 0 mm and 150 mm

標(biāo)準(zhǔn)尺制作完成后，送中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所進(jìn)行定標(biāo)，定標(biāo)結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)尺定標(biāo)結(jié)果Tab.1 Calibration result of standard ruler

3 水平位移測(cè)量方法

打開(kāi)真空泵，調(diào)整載片臺(tái)的吸附面積使吸力達(dá)到最大，將標(biāo)準(zhǔn)尺牢固的吸附于載片臺(tái)上，防止載片臺(tái)移動(dòng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)尺發(fā)生滑動(dòng)。

為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，當(dāng)測(cè)量X 軸方向位移時(shí)，使整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺出現(xiàn)在顯微鏡的成像中，通過(guò)顯微鏡成像手動(dòng)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)尺的位置，使其長(zhǎng)邊邊沿與顯示器水平方向平行。向右側(cè)移動(dòng)載片臺(tái)，使標(biāo)準(zhǔn)尺的0 數(shù)字出現(xiàn)在顯示器屏幕上，并用記號(hào)筆等工具在0 的中心位置做好標(biāo)記。通過(guò)自動(dòng)或半自動(dòng)探針臺(tái)軟件控制載片臺(tái)向左依次移動(dòng)25 mm，50 mm，75 mm，100 mm，125 mm，150 mm。在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)通過(guò)金屬線條觀察X 軸位移的偏差，并記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺定標(biāo)結(jié)果修正X 軸位移測(cè)量結(jié)果。

當(dāng)測(cè)量Y 軸方向位移時(shí)，使整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺出現(xiàn)在顯微鏡的成像中，通過(guò)顯微鏡成像手動(dòng)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)尺，使其長(zhǎng)邊邊沿與顯示器垂直方向平行。向上側(cè)移動(dòng)載片臺(tái)，使用與X 軸位移相同的測(cè)量方法，在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)通過(guò)金屬線條觀察Y 軸位移的偏差，并記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺定標(biāo)結(jié)果修正Y 軸位移測(cè)量結(jié)果。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

被測(cè)載片臺(tái)的測(cè)量不確定度主要由標(biāo)準(zhǔn)尺不準(zhǔn)和測(cè)量重復(fù)性引入。根據(jù)章節(jié)3 中的測(cè)量方法對(duì)載片臺(tái)X 軸150 mm 位移重復(fù)測(cè)量10 次，重復(fù)性測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 載片臺(tái)X 軸150 mm 位移10 次測(cè)量值Tab.2 10 measured values of 150mm displacement of the X axis of the probe platform

則測(cè)量重復(fù)性引入的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s（x）＝0.25 μm。標(biāo)準(zhǔn)尺的測(cè)量不確定度為1.0 μm，兩者不相關(guān)，計(jì)算得到X 軸和Y 軸方向位移測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為1.2 μm。

選擇半自動(dòng)探針臺(tái)的載片臺(tái)為被測(cè)對(duì)象，用上述方法對(duì)其X 軸和Y 軸方向的位移進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表3 和表4所示。

從表3～表4 中可以看出，研究的自動(dòng)和半自動(dòng)探針臺(tái)的載片臺(tái)水平方向位移測(cè)量方法是可行的。

表3 半自動(dòng)探針臺(tái)的載片臺(tái)X 軸位移測(cè)量值Tab.3 Measurement value of X axis displacement of platform of semi-automatic probe platform

表4 半自動(dòng)探針臺(tái)的載片臺(tái)Y 軸位移測(cè)量值Tab.4 Measurement value of Y axis displacement of platform of semi-automatic probe platform

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)自動(dòng)和半自動(dòng)探針臺(tái)的載片臺(tái)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了金線條寬5 μm，測(cè)量范圍為（0～150）mm 標(biāo)準(zhǔn)尺的圖形，結(jié)合實(shí)際工藝，在蘇打玻璃上制作了（152.4 ×20）mm的長(zhǎng)方形標(biāo)準(zhǔn)尺，并進(jìn)行了定標(biāo)。研究了載片臺(tái)X 軸和Y 軸水平位移的測(cè)量方法，用該方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，評(píng)定了相應(yīng)的測(cè)量不確定度。結(jié)果表明該方法能確定載片臺(tái)水平方向位移發(fā)生的實(shí)際偏差并修正，避免芯片和探針的損壞，解決了自動(dòng)和半自動(dòng)探針臺(tái)測(cè)試時(shí)的問(wèn)題。