霍 曄，吳愛華，王一幫，欒 鵬，劉 晨，梁法國，杜 靜

（1.中國電子科技集團公司第十三研究所，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

射頻芯片自動測量時，探針保持不動，依靠自動和半自動探針臺的載片臺水平（X 軸、Y 軸）和垂直（Z 軸）方向的自動位移實現(xiàn)［1-6］，能夠高效率的測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，達到篩選良好芯片和優(yōu)化設(shè)計的目的［7-9］。不僅節(jié)省了時間、減少了人力、物力和財力，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］。因此自動和半自動探針臺廣泛應(yīng)用于芯片測試領(lǐng)域［14-17］。生產(chǎn)廠家自動和半自動探針臺的載片臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動和半自動探針臺的載片臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of chuck for automatic and semi-automatic probe platform

當載片臺水平方向的自動位移偏離設(shè)定的距離時，會使微波探針的壓點位置發(fā)生偏差，如圖2所示，導(dǎo)致測試結(jié)果不一致，影響效率。如果偏差較大，使一個端口的探針脫離帶線直接壓至晶圓襯底上，襯底較硬會傷及探針，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，會得到不可靠的微波參數(shù)測試結(jié)果，直接降低芯片的設(shè)計效率。經(jīng)調(diào)研，實際測試中，載片臺水平方向位移偏差不能超過±10 μm。

圖2 載片臺移動時位置發(fā)生偏差示意圖Fig.2 Schematic diagram of deviation occurred when the chuck moved

圖3 載片臺移動時偏差較大示意圖Fig.3 Schematic diagram of deviation of the chuck is large when moving

目前，國際上和國內(nèi)有關(guān)其水平位移測量方法的研究未見報道，主要原因是沒有合適的測量標準器具。

2 標準尺的設(shè)計及制作

2.1 標準尺的設(shè)計

為準確測量載片臺的X 軸和Y 軸位移，設(shè)計并制作了可溯源的標準尺。目前，國內(nèi)使用較多的自動和半自動探針臺的載片臺的直徑尺寸為150 mm的圓形，其水平方向自動位移的最大距離為150 mm。根據(jù)載片臺這些特征，結(jié)合溯源機構(gòu)標準器具的計量特性，設(shè)計制作標準尺，設(shè)計圖形如圖4所示。

圖4 標準尺的設(shè)計圖Fig.4 Design drawing of standard ruler

標準尺的測量范圍為（0～150）mm，點與點之間的距離為25 mm，在每個測量點（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，每個金屬線條寬度為5 μm。

2.2 標準尺的制作與定標

根據(jù)實際工藝，通過尺寸為152.4 mm×152.4 mm的正方形蘇打玻璃制作標準尺，為了便于定標及測量，將正方形玻璃切割成長邊為152.4 mm，寬邊為20 mm 的長方形形狀，實物圖如圖5所示。

圖5 標準尺的實物圖Fig.5 Physical drawing of standard ruler

通過用金將0，25 000，50 000，75 000，100 000，125 000，150 000 的數(shù)字刻在標準尺相應(yīng)位置上，數(shù)字的單位為μm，標準尺的測量范圍為0 mm 至150 mm，能夠滿足自動和半自動探針臺的載片臺在X 軸和Y 軸方向位移的測試范圍。

在每個數(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，用于判斷自動和半自動探針臺載片臺X 軸和Y 軸方向位移的實際偏差距離。

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

標準尺制作完成后，送中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試技術(shù)研究所進行定標，定標結(jié)果如表1所示。

表1 標準尺定標結(jié)果Tab.1 Calibration result of standard ruler

3 水平位移測量方法

打開真空泵，調(diào)整載片臺的吸附面積使吸力達到最大，將標準尺牢固的吸附于載片臺上，防止載片臺移動時標準尺發(fā)生滑動。

為了保證測量的準確性，當測量X 軸方向位移時，使整個標準尺出現(xiàn)在顯微鏡的成像中，通過顯微鏡成像手動調(diào)整標準尺的位置，使其長邊邊沿與顯示器水平方向平行。向右側(cè)移動載片臺，使標準尺的0 數(shù)字出現(xiàn)在顯示器屏幕上，并用記號筆等工具在0 的中心位置做好標記。通過自動或半自動探針臺軟件控制載片臺向左依次移動25 mm，50 mm，75 mm，100 mm，125 mm，150 mm。在每個測量點通過金屬線條觀察X 軸位移的偏差，并記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)標準尺定標結(jié)果修正X 軸位移測量結(jié)果。

當測量Y 軸方向位移時，使整個標準尺出現(xiàn)在顯微鏡的成像中，通過顯微鏡成像手動調(diào)整標準尺，使其長邊邊沿與顯示器垂直方向平行。向上側(cè)移動載片臺，使用與X 軸位移相同的測量方法，在每個測量點通過金屬線條觀察Y 軸位移的偏差，并記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)標準尺定標結(jié)果修正Y 軸位移測量結(jié)果。

4 試驗與結(jié)果分析

被測載片臺的測量不確定度主要由標準尺不準和測量重復(fù)性引入。根據(jù)章節(jié)3 中的測量方法對載片臺X 軸150 mm 位移重復(fù)測量10 次，重復(fù)性測量結(jié)果如表2所示。

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

則測量重復(fù)性引入的實驗標準偏差s（x）＝0.25 μm。標準尺的測量不確定度為1.0 μm，兩者不相關(guān)，計算得到X 軸和Y 軸方向位移測量結(jié)果的擴展不確定度為1.2 μm。

選擇半自動探針臺的載片臺為被測對象，用上述方法對其X 軸和Y 軸方向的位移進行測量，結(jié)果如表3 和表4所示。

從表3～表4 中可以看出，研究的自動和半自動探針臺的載片臺水平方向位移測量方法是可行的。

表3 半自動探針臺的載片臺X 軸位移測量值Tab.3 Measurement value of X axis displacement of platform of semi-automatic probe platform

表4 半自動探針臺的載片臺Y 軸位移測量值Tab.4 Measurement value of Y axis displacement of platform of semi-automatic probe platform

5 結(jié)束語

根據(jù)自動和半自動探針臺的載片臺特點，設(shè)計了金線條寬5 μm，測量范圍為（0～150）mm 標準尺的圖形，結(jié)合實際工藝，在蘇打玻璃上制作了（152.4 ×20）mm的長方形標準尺，并進行了定標。研究了載片臺X 軸和Y 軸水平位移的測量方法，用該方法進行了試驗驗證，評定了相應(yīng)的測量不確定度。結(jié)果表明該方法能確定載片臺水平方向位移發(fā)生的實際偏差并修正，避免芯片和探針的損壞，解決了自動和半自動探針臺測試時的問題。