探针台“四芯”测试算法应用研究

2022-02-17胡晓霞方敏晰温建军

电子工业专用设备 2022年6期

胡晓霞，李猛，方敏晰，温建军

(1.中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176；2.三河建华高科有限责任公司，河北燕郊 065201)

在半导体器件和集成电路制造工艺中，晶圆测试是必不可少的环节。随着晶圆测试的发展，如何精确定位晶圆管芯并进行高效率测试成为探针设备关注的重点。针对探针测试领域关注的问题，探索设计了一种“四芯”测试算法，并在相关探针设备上应用得到验证，提高设备的测试效率。

1 晶圆测试研究

1.1 晶圆测试研究背景

半导体材料被广泛应用于集成电路行业、分立器件、智能制造等多个领域[1-2]。在半导体领域高效准确测试晶圆具有重要意义[3]。探针设备是晶圆测试的主要设备[4]，在微波测试、高压测试等有广泛应用[5]。因此，高效率测试方法成为探针测试追求的目标。

晶圆测试是对晶圆上每个管芯进行测试来获取管芯特性参数的过程。声表器件管芯的示意图如图1所示。

在实际的测试过程中，由于晶圆尺寸增大、管芯数量增多、单芯测试速度慢等因素影响了测试效率。因此，采用多管芯并行测试法可以提高测试效率；即：单次测试过程中多组探针同时接触多个管芯进行测试。这种技术已广泛用于探针设备。

1.2 晶圆测试相关技术

探针设备主要用于晶圆测试。在测试过程，探针设备的承片台可以承载晶圆在x，y，z，θ4个自由度移动。晶圆经过对准扫正、寻找MARK点、移动至首测点等流程后运动到管芯扎针位置，探针接触管芯，测试仪测试并反馈管芯的好坏结果。重复上述动作，完成晶圆测试。

晶圆测试过程中，需要将晶圆的实时测试状态反馈到可视化界面上，此界面称为该晶圆的MAP图（简称MAP），如图2所示。在图2中，每一个方格代表晶圆的一个测试管芯。测试过管芯的不同状态可以采用不同的颜色表示，此过程被称为管芯分类。图2表示“四芯”测试条件下，管芯分类MAP。

2 “四芯”测试算法设计

图3展示了测试晶圆与探卡的4组探针的相对位置关系。假设每一个管芯只需要一个针就可以完成测试，则图3中4个针可以同时接触晶圆的4个管芯，完成单组测试后，移到下一组测试位置。但同一时间内所用的测试仪无法同时分析4组数据，因此“四芯”测试算法的核心在于单组测试过程及换行过程。

图3 “四芯”测试示意图

假设测试晶圆共有Wftotal行，其中第i行有颗管芯。则该晶圆一共有颗管芯。晶圆一般中心的一行管芯数最多，设该行为第imiddle行。则依据imiddle行将晶圆分为上下两部分，上半部分晶圆管芯数随着行数的增加而增多，用wfup表示。下半部分晶圆的管芯数随着行数的增加而减少，用wfdown表示。

此外，在晶圆测试过程中，第j次测试，第1、2针所处的行数为lineij。晶圆的第i行最左侧管芯坐标表示为(WrXi，WrYi)，最右侧管芯坐标为(WlXi，WlYi)。

3 “四芯”测试算法流程

新设计的“四芯”测试基本流程如图4所示。开始测试后，首先将4个针接触MAP左上角的4个管芯，如图3所示。然后，1、3针和2、4针分成两组，分别接触管芯，测试仪对晶圆测试完成后，将测试的数据反馈到MAP中。接着，分析测试位置是否到该行末尾处，如果未到，则沿x轴移动到下一组测试区域；否则，y轴换行，进行测试。最后补测第一行的漏测点，完成测试流程。

图4 “四芯”测试流程图

3.1 单组测试算法

晶圆测试过程中，需要探针反复接触晶圆上的管芯，以完成大量管芯测试任务。单组测试过程算法如表1所示。

表1 单组测试算法表

在单组测试过程中，首先探针台找到首测点，并将晶圆移动到合适位置。1、3针先接触管芯，并给测试仪发送Start信号，待测试仪测试完成后，返回EOT信号，然后工控机处理反馈数据，并在MAP上更新测试结果。接着2、4针接触管芯，重复1、3针操作，更新MAP后，完成单组测试，并返回“四芯”测试的结果。

3.2 换行算法

当晶圆测试到行尾需要跳到下一行进行测试。“四芯”测试由于单组需要接触4个管芯，因此需要判断是否换行，并且需要判断需要接触的位置。

在换行算法中，假设第1针的坐标为(X1，Y1)，X向两针间距为XSpace，Y向间距为YSpace。

则第2针相对于第1针位置的坐标为：

第3针相对于第1针位置的坐标为：

第4针相对于1针位置的坐标为：

在“四芯”测试过程中，每次单组测试完成后都需要判断是否换行，换行算法如表2所示。

表2 换行算法表

在单针测试中，换行容易操作，但由于“四芯”测试需要同时测试四个管芯，换行操作较为复杂。首先判断测试区域是在晶圆的上半区还是下半区。如果是上半区，则比较2、4针测试所处位置与该行末尾位置的关系，然后决定是否换行。如果是下半区域，则比较1、3针与该行末尾的位置管芯。最后判断是否测试结束，并返回测试结果。