ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИЕМОЧНОГО КОНТРОЛЯ ИМС.

Цель работы: изучение принципа работы установки "Зонд-5А" и её использования для контроля электрических параметров интегральных микросхем.

.

1. Методические указания по подготовке к работе

Содержание работы: уяснить поставленную задачу, ознакомиться с принципом работы установки "Зонд-5А", разработать программу проведения контроля электрических параметров интегральной микросхемы, осуществить настройку шага перемещения стола установки "Зонд-5А" и выполнить контроль предложенной ИМС

0. Основные сведения из теории

Контрольно-измерительные операции. Производство интегральных микросхем (ИМС) является сложным, прецизионным, многокомпонентным процессом, состоящим из огромного количества различных технологических операций. Количество и качество продукции, получаемой после каждой технологической операции, находятся в прямой зависимости от степени охвата контролем и управлением физико-химических процессов, участвующих в производстве ИМС.

Трудоемкость контрольно-измерительных операций достигает 40-50% от общей трудоемкости изготовления ИМС, и становится очевидным, что уровень качества и объем производства ИМС во многом определяется уровнем развития средств измерения и контроля в микроэлектронике.

Применительно к производству ИМС контроль — это проверка соответствия параметров технологических процессов, которые определяют качество готовой продукции (ИМС), а также структур, кристаллов техническим требованиям. В зависимости от стадий жизни ИМС (произведено, хранение, эксплуатация) различают производственный контроль (контроль производственного процесса и его результатов на стадии изготовления ИМС) и эксплуатационный контроль (контроль на стадии эксплуатации ИМС).

Производственный контроль включает в себя:

- контроль технологических процессов (технологических сред, режимов, параметров процессов, в том числе входной контроль исходных материалов, используемых в производственном процессе);

- операционный контроль продукции или процесса во время выполнения или после завершения определенной операции;

- приемочный контроль готовой продукции (так называемый финишный контроль).

Принимая во внимание, что интегральные микросхемы являются массовой продукцией (тиражность некоторых серий ИМС достигает десятков и сотен миллионов штук в год), очевидно, что операции контроля их параметров должны осуществляться с высоким быстродействием, что возможно только в случае использования автоматических средств контроля.

Из многочисленных контрольно-измерительных операций значительная их часть выполняется оператором визуально, с помощью микроскопа, что, безусловно, приводит к субъективности полученной оценки результата контроля при весьма низкой производительности труда.

Задача финишного контроля - проведение испытаний изготовленных ИМС на их соответствие требованиям как по электрическим, так и по эксплуатационным параметрам. Все виды испытаний ИМС можно подразделить на механические, климатические, электрические, испытания на герметичность, на безотказность и долговечность (электротермотренировка).

Из всех операций финишного контроля ИМС наиболее сложной с научной и технической точки зрения является контроль их электрических параметров. Проблема контроля цифровых ИМС заключается в, необходимости проведения огромного количества контрольных тестов, которое неимоверно возрастает с повышением степени интеграции БИС. В настоящее время практически невозможно проверить большие интегральные схемы оперативных запоминающих устройств (БИС ОЗУ) и микропроцессоров (БИС МП) во всех возможных режимах их работы. В связи с этим ведутся активные поиски методов эффективного контроля цифровых БИС, в частности методов стохастического контроля, обеспечивающих достаточно высокую достоверность контроля за приемлемый отрезок времени контроля.

Другой проблемой контроля цифровых БИС является контроль их динамических параметров, так как в этом случае возникает необходимость измерения малых временных отрезков (доли наносекунды) при большой тактовой частоте (десятки мегагерц). Контроль таких величин создает большие схемотехнические и конструктивные трудности.

Трудность контроля аналоговых ИМС заключается в необходимости совмещения высокоточных измерений аналоговых величин с одновременным высоким быстродействием (при контроле динамических параметров).

Информационно-измерительные системы (ИИС) предназначены для автоматического получения количественной информации непосредственно от изучаемого объекта путем процедур измерения и контроля, обработки этой информации и выдачи ее в виде совокупности чисел, графиков и т. д. В ИИС объединяются технические средства, начиная от средств контроля и кончая устройствами выдачи информации, а также программное обеспечение, необходимое для управления работой собственно системы и позволяющее решать в ИИС измерительные и вычислительные задачи.

В настоящее время ИИС - это в основном информационно-вычислительные комплексы, в которых осуществляется полный замкнутый цикл обращения информации - от получения измерительной информации об объекте до ее обработки, принятия соответствующих решений и выдачи команд управления на объект без участия оператора. В состав таких систем входят универсальные или специализированные ЭВМ. Их применение позволяет обрабатывать огромные массивы измерительной информации.

Улучшение многих характеристик ИСС было достигнуто благодаря использованию больших интегральных микросхем, микропроцессоров, микропроцессорных наборов, включая запоминающие устройства (ЗУ) большой емкости и микроЭВМ, появлению измерительных устройств с высокими метрологическими характеристиками.

В микроэлектронике ИИС необходимы для контроля параметров технологических процессов, межоперационного и финишного контроля готовой продукции, для контроля и управления параметрами технологических сред и микроклимата, а также для входного контроля изделий микроэлектроники у потребителя.

Информация о значениях физических величин объекта воспринимается измерительными преобразователями (ИП). Выходные электрические сигналы с ИП через коммутатор поочередно поступают на устройство аналоговой обработки сигналов, где производится первичная обработка и усиление измерительного сигнала. Далее сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию при помощи АЦП. Все элементы системы, стоящие в измерительном канале: измерительные преобразователи, АЦП, коммутаторы и т. д. образуют так называемые устройства согласования с объектом. Информационный цифровой сигнал подвергается ряду операций обработки, характерных для простых систем сбора информации (усреднение, сравнение, вычитание постоянных составляющих, накопление и хранение информации и др.). Эти операции выполняются устройством цифровой обработки, в качестве которого может использоваться микропроцессор или микроЭВМ. В этом случае МП (микроЭВМ) осуществляет автоматическое задание длительности такта измерения каждого параметра, управление с помощью коммутатора последовательностью опроса ИП, управление регистрирующим устройством.

В общем случае канал передачи данных содержит следующие основные технические средства:

- системный контроллер, который координирует и контролирует работу отдельных элементов системы, осуществляет изменение форматов данных и команд в процессе обмена с ЭВМ;

- шинную систему, по которой передаются информационные и управляющие сигналы между всеми элементами системы;

- интерфейсные схемы обмена, непосредственно связанные с шинной системой канала и входящими в систему измерительными приборами и преобразователями.

Из множества контрольных операций наиболее важным с технико-экономических позиций является функциональный контроль отдельных ИМС на пластине с последующей выбраковкой дефектных. Эти испытания производятся с помощью установок с многозондовыми головками, комплектуемыми двухкоординатными каретками, обеспечивающими в диапазоне перемещений до 300 мм точность установки позиции до 5-10 мкм. Современные установки обеспечивают производительность до 60 000 циклов перемещения в час.

Большинство координатных систем, комплектующих установки изготовления фотошаблонов, переноса изображения на полупроводниковые пластины, монтажно-сборочные и контрольно-измерительные, относятся к системам позиционирования. Это предопределило широкое применение в них привода с шаговыми двигателями благодаря возможности непосредственного управления ими от цифровых управляющих устройств, наличия усилия фиксации в статическом состоянии. Шаговый двигатель рассматривается прежде всего как преобразователь числа поступивших на блок управления импульсов в пропорциональное угловое перемещение. При этом скорость ротора пропорциональна частоте импульсов. Основным достоинством привода с ШД считается возможность построения автоматических систем без обратной связи по скорости и положению.

Шаговый двигатель. Шаговый двигатель (ШД) - это электрическая машина, позволяющая преобразовывать импульсы управления в угловые или линейные перемещения фиксированной величины.

По конструкции ШД представляют собой многофазные синхронные двигатели с явно выраженными полюсами, рассчитанные на работу в широком диапазоне частот управляющих импульсов, включая нулевую (фиксацию ротора при питании фазной обмотки постоянным током). ШД различаются прежде всего числом фаз и типом магнитной системы. Большинство конструкций ШД имеет от двух до шести фаз. По типу магнитной системы ШД делятся на двигатели с активным ротором и на двигатели с пассивным ротором.

Ротор активного ШД (рис. 2, a) представляет собой конструкцию типа звездочки из постоянных магнитов. На полюсных выступах 1-4 статора размещены обмотки двух фаз I и II. Обмотки одной фазы располагаются на противоположных полюсах и соединены последовательно. Когда по обмоткам I фазы протекает ток положительного направления (интервал t₀ - t₁), ротор зафиксирован в положении, при котором ось полюсов ротора 1-4 расположена по оси статора 1-3. При отключении фазы I и включении с отрицательной полярностью фазы II (интервал t₁ - t₂) ротор, поворачиваясь по часовой стрелке, фиксируется в положении, когда полюс 2 ротора располагается по оси полюса 2 статора, а полюс 5 ротора - по оси полюса 4 статора. Подобным образом на интервале t₂ - t₃ ось полюсов ротора 3-6 расположится по оси полюсов статора 1-3, а на интервале t₃ - t₄ ,ось полюсов 1-4 ротора зафиксируется по оси полюсов 2-4 статора. Далее, на интервале t₄ – t₅ электрическое состояние обмоток становится идентичным состоянию на интервале t₀ - t₁ и начинается новый цикл коммутации двигателя. Таким образом, после каждого переключения фаз ротор поворачивается на фиксированный угол, равный в данном примере 30°.

Рис. 2. Конструкции двухфазного шагового двигателя с активным ротором (а) и четырехфазного шагового двигателя с пассивным ротором (б).

За цикл коммутации (t₀ - t₄ или t₅ – t₈), состоящий из четырех тактов коммутации, ротор совершает четыре скачкообразных угловых перемещения, называемых шагами. В общем случае угловая величина шага, называемая ценой шага, определяется для ШД с активным ротором формулой

,

где р - число пар полюсов активного ротора; п - число тактов коммутации ШД в цикле.

Конструктивная схема четырехфазного ШД с пассивным ротором дана на рис., б. Ротор выполнен в виде зубчатого цилиндра из магнитомягкой стали. На зубчатых полюсах 1-8 статора расположены обмотки четырех фаз I-IV. Обмотки одной фазы размещены на противоположных полюсах и соединены последовательно. При включенной фазе I (t_о-t₁) ротор занимает позицию, соответствующую максимуму магнитной проводимости между полюсами фазы I и ротором, что соответствует соосности зубцов ротора и зубцов полюсов статора 1 и 5. При включении фазы II (t₁-t₂) ротор поворачивается по часовой стрелке и занимает положение, когда зубцы ротора расположены по оси зубцов полюсов статора 2 и 6. Далее включаются последовательно фазы III и IV. При каждом такте коммутации ротор поворачивается на малый угол, в первом такте (t₄-t₅) следующего цикла коммутации ротор занимает подобное такту t_о-t₁ положение, повернувшись за цикл коммутации на угол, равный зубцовому делению ротора, т. е. на угол, занимаемый одним зубцом и одним пазом ротора. В данном примере с 18 зубцами на роторе этот угол равен 20°. В каждом из четырех тактов цикла коммутации ротор поворачивается на фиксированный угол, равный 5°. Вообще, цена шага

ШД с z зубцами на пассивном роторе при п тактах коммутации определяется выражением

.

Необходимо отметить, что если поле статора поворачивается за цикл коммутации на полный оборот, то ротор - на величину зубцового деления, т. е. в таких ШД применен принцип электромагнитной редукции, из-за чего ШД с зубчатым пассивным ротором часто называют редукторными. В рассмотренном примере в каждом такте коммутации поле статора поворачивается на электрический угол, равный π/2, а ротор перемещается на механический угол, равный 5°.

Реверс ШД осуществляется изменением последовательности включения фазных обмоток на противоположную.

Однако сравнительно невысокие скорости таких двигателей в номинальных режимах во многом ограничили их применение в прецизионных системах. Появление способов управления шаговыми двигателями, переводящих их в режим бесконтактной машины постоянного тока, позволило увеличить максимальные скорости в 5-10 раз при существенном улучшении качества движения.

Появление в практике проектирования координатных систем линейных шаговых двигателей на электромагнитных направляющих с аэростатическим подвесом подвижной части дало возможность разрешить большинство противоречий между точностью и быстродействием систем управления перемещениями, обеспечить стабильность во времени эксплуатационных характеристик оборудования. Возможность самой высокой степени унификации приводных систем на базе линейных шаговых двигателей обеспечивает оперативную сменяемость поколений технологического оборудования микроэлектроники.

Автомат "Зонд-5А". Автомат "Зонд-5А" предназначен для контактирования при межоперационном контроле параметров интегральных структур на подложке с максимальным размеров контактной площадки 80x80 мм.

Основные параметры автомата:

1. Режим работы - наладочный автоматический.

2. Кинематическая производительность при шаге координатного стола 1мм - до 35000 цикл/час.

3. Количество устанавливаемых зондовых головок - 60.

4. Количество маркирующих головок – 4.

5. Ход координатного стола в рабочей зоне - 120х120 мм.

6. Диапазон регулирования шага перемещений предметного стола с дискретностью 0.01мм - 0,5……9,99мм.

7. Погрешность перемещения координатного стола ± 0,012 мм.

8. Максимальная скорость перемещения - 40 мм/с.

9. Высота подъема предметного стола - 0,3 ± 0,02 мм.

10. Непараллельность рабочей поверхности координатного стола относительно плоскости его перемещения - не более ± 0,001 мм.

11. Наименьшее расстояние между двумя соседними зондами – 0,3мм

12. Электрическое сопротивление изоляции между измерительными цепям головок – не менее 5х10⁹ Ом.

Назначение

1 Автомат предназначен для контактирования при межоперационном контроле параметров интегральных микроструктур и полупроводниковых приборов на полупроводниковой подложке с минимальным размером контактной площадки 80х80мкм.

2 Питание автомата осуществляется от сети переменного тока напряжение 220±22 В частотой 50 Гц.при качестве электроэнергии по ГОСТ 13109-67.

3 Для эксплуатации автомата к нему должна подводиться вакуумная магистраль с абсолютным давлением 33300 Па

Назначение и составления части блоков и узлов, входящих в структурную схему:

Панель управления 5 предназначена для размещения основных органов оперативного управления автоматом.

Сюда входят:

- переключатель режимов работы: "НЕПРЕРЫВНО", "ОРИЕНТИР.", "МЕДЛЕННО", "ОЧЕНЬ МЕДЛЕННО", "ШАГ", "АВТОМАТИЧ.", "ВНЕШН. УПРАВЛ.";

- переключатели "ПУСК" выбора направления по осям "X" и "Y";

- кнопка "СТОП" прерывающая работу автомата в режимах "АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ" и "ВНЕШНЕЕ УПРАВЛЕНИЕ";

- переключатель "I-2 СКОР." при помощи которого можно выбрать скорости перемещения предметного столика 10 мм/с и 40мм/с:

в режиме "ОРИЕНТИРОВАНИЕ" по оси "X" с управлением по оси "Y" в режиме "МЕДЛЕННО" ;

в режиме "АВТОМАТИЧ" и "ВНЕШНЕЕ УПРАВЛЕНИЕ" по оси "X" и Y";

- кнопка "Z-ПОДЪЁМ" для поднятия предметного столика , а при последующем нажатии на неё его пускания;

- кнопка "КОНТРОЛЬ МАРКЕРА" для проверки и наладки маркирующих головок.

Блок управления 4 содержит в себе "БЛОК ЭЛЕКТРОННЫЙ", "БЛОК ПИТАНИЯ" и вспомогательные органы:

управления -"СЕТЬ" (вкл./выкл.), "МИКРОСКОП" (вкл./выкл.), регулирование шага перемещения координатного стола с дискретностью 0,01 мм: "Х-ось" и "У-ось", установка на программном переключателе "Х-дополнительный шаг" число шагов за край пластины;

сигнализации - "ОКОНЧАНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ", "Х-ось направление← →" и "У-ось направление ↓ ↑" и т.д.

Манипулятор. Манипулятор предназначен для перемещения стола предметного по осям Х и У с высокой степенью точность. Он состоит из верхний1 и нижний 2 кареток, которые перемещаются по призматическим направляющим Х и У от шаговых двигателей. Питание шаговых двигателей в режимах "МЕДЛЕННО" и "ОЧЕНЬ МЕДЛЕННО" осуществляется от генератора низкой частоты 10-16 Гц. Ограничение хода кареток осуществляется микровыключателями. Блокировка пуска шаговых двигателей запрещает работу по перемещению при поднятом столе.

Столик предметный предназначен для закрепления и вертикального перемещения проверяемой пластины и крепится к верхней каретке манипулятора.

Проверяемая пластина (плата) устанавливается на столлик и закрепляется вакуумом в полости А.

Ориентирование производится поворотом щитка в пределах 15 градусов. Фиксация поворотной части предметного стола от произвольного разворота осуществляется вакуумом в полости В.

Перемещение столика вверх (по оси Z) от электромагнита. Величина хода столика не более 0,3мм регулируется выставлением упора. Для предотвращения жесткого удара проверяемой пластиной о зонды служит воздушный демпфер и резиновый амортизатор. Верхнее и нижнее положение стола регистрируется перекрытием оптической цепи "ИК-светодиод – фотодиод".

Держатель головок предназначен для закрепления контактирующих устройства, маркеров, датчиков края, розеток, жгута и вилок зондовых цепей. В качестве датчика края используется контактирующее устройство с электрически изолированным зондом. При подъеме столика пластина перемещает зонд вверх и при этом размыкает контакты датчика края. Если при подъеме столика не происходит размыкания контактов, значит датчик края находится за краем пластины. Наличие пластины сигнализируется лампой "ДАТЧИК".