基于分區獨立溫度控制的探針臺卡盤溫度均勻性研究

劉洪 蘇中 劉寧

摘 要： 在半導體測試的高低溫測試中需要有效地保證探針臺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對探針臺卡盤冷卻層進行建模，研究表面溫度場分布情況。同時，對探針臺卡盤表面各區域進行溫度測試獲取探針臺卡盤溫度分布。仿真結果和實驗結果一致，表明探針臺卡盤表面中心位置溫度最高，距離卡盤中心位置距離越遠，溫度越低。基于現有探針臺卡盤均勻加熱下表面溫度分布的狀況，提出加熱板實施分區獨立溫度控制，從而改善探針臺卡盤表面溫度的均勻性，提高探針臺高低溫測試的精確性。

關鍵詞： 探針臺； 有限元方法； 均勻性； 分區控制； 半導體； 溫度測試

中圖分類號： TN876?34； TP23 文獻標識碼： A 文章編號： 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

探針臺測試臺作為接觸式測試探針臺，依靠探針觸點與芯片電極之間的機械接觸實現測試器件與被測器件之間的機?電連接，從而完成對器件的電參數和邏輯功能測試[1]。在半導體和敏感元件的功能參數和工藝測試、失效分析及可靠性試驗中，對器件進行高、低溫測試已是必不可少的檢測條件[2]。如果探針臺卡盤在進行高低溫測試時溫度分布不均勻，則會造成探針臺測試結果的誤判和漏判。姚杰等對IMD膜片加熱均勻性進行了研究[3]，提出對加熱板實施分區獨立溫度控制，從而改善膜片加熱溫度的均勻性。楊寧等通過對ALD反應腔采取分區加熱的方法[4]，使用具有抗積分飽和功能的PID控制器，加上前饋補償PID控制算法，很好地解決了反應腔內溫度均勻性問題。目前均未對探針臺卡盤的溫度場分布及均勻性進行分析，而器件在進行高低溫測試時，探針臺卡盤溫度的分布均勻性對測試結果有決定性的作用。為此，本文在探針臺卡盤熱平衡理論的基礎上，基于有限元方法，在ANSYS Workbench中對探針臺卡盤冷卻層進行建模，研究探針臺卡盤表面的溫度分布，同時，對探針臺卡盤表面各區域進行溫度測試獲取探針臺卡盤表面溫度分布情況。基于探針臺卡盤表面溫度分布情況，提出對探針臺卡盤進行分區溫度獨立控制來改善卡盤溫度分布的均勻性。

1 探針臺卡盤熱平衡模型

目前市場上探針臺卡盤溫度通過溫度控制器進行控制，其中，通常使用由溫度控制器控制的液氮制冷系統進行降溫。探針臺卡盤分為冷卻層和加熱層，其示意圖見圖1。當探針臺卡盤溫度低于預設測試溫度時，溫度控制器控制加熱層中半導體熱電偶電路加熱工作，對卡盤進行加熱；當探針臺卡盤高于預設測試溫度時，溫度控制器控制冷卻層中冷卻液（液氮）流量，液氮流動過程中，吸取周圍熱量，達到使卡盤降溫的目的。其中，液氮的沸點是-196 ℃，比空氣和氧的沸點低，是透明且易于流動的液體，它既不爆炸也無毒性，是低溫技術中最常用的安全冷卻劑或預冷劑[5]，已經越來越多地應用在醫療、食品、航空和冶金等領域[6?8]。

根據能量守恒定律，對探針臺卡盤表面建立熱平衡方程：

[Q=Q1+Q2+Q3] （1）

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

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

式中：[hd]為傳導換熱系數；[A1]為探針臺卡盤中與加熱板的接觸面積；[ΔT1]為探針臺卡盤實際升溫溫度；[c]為探針臺卡盤的比熱容；[m]為探針臺卡盤的質量；[T]為探針臺卡盤所到的溫度；[T0]為探針臺卡盤的初始溫度；[hc]為表面對流傳熱系數；[hr]為表面輻射傳熱系數；[A2]為探針臺卡盤表面積；[ΔT2]為探針臺卡盤與周圍環境溫度差；[Δt]為熱傳導的時間。

2 ANSYS Workbench中熱力學仿真

2.1 建立仿真模型

ANSYS軟件是集結構、流體、電場、磁場、聲場、溫度場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ANSYS公司開發[10]。ANSYS將流體產品完全整合進Workbench環境中，在該環境中進行仿真流程管理，如用戶可以先采用ANSYS CFX或ANSYS FLUENT軟件創建、連接及重復使用等來完成自動化的仿真參數分析，然后再進行多物理場無縫對接仿真[11]。本文在ANSYS Workbench中對探針臺卡盤冷卻層進行熱力學仿真。圖2a）為ANSYS Workbench中建立的探針臺卡盤冷卻層仿真模型，圖2b）為ANSYS Workbench中建立的探針臺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"，材質為不銹鋼。設置液氮進口流量為0.06 kg/s，溫度為-196 ℃，出口設置為標準大氣壓。

2.2 仿真結果分析

圖3為上述仿真條件下ANSYS Workbench中卡盤表面溫度場的分布結果。圖4為穿過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，卡盤表面中心點溫度最高，距離卡盤中心距離越遠，溫度越低。

3 探針臺卡盤表面溫度實測實驗

使用標準溫度計，設置探針臺溫度分別為-50 ℃，50 ℃和150 ℃，在各溫度點穩定后，距離探針臺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個點、24個點、16個點、8個點和1個點的溫度分布如圖5所示。由圖5的探針臺卡盤表面溫度分布可知，探針臺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，溫度越低，卡盤中心處比距離卡盤中心最遠處溫度約高2 ℃。經分析，這是由于探針臺卡盤冷卻層輸入液氮進行降溫時，隨著液氮的流動方向，液氮吸收周圍熱量，液氮較入口處的溫度越來越高。因此，距離液氮入口處距離越遠，則探針臺卡盤表面溫度越高。

4 加熱層分區獨立溫度控制對探針臺卡盤溫度均勻性的影響

通過對探針臺卡盤冷卻層仿真實驗和卡盤表面溫度實測實驗，發現卡盤中心區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，溫度越低。因此為了保證探針臺卡盤表面溫度場的均勻性，對探針臺卡盤的加熱板進行分區獨立溫度控制，其區域劃分如圖6所示，對1，2，3，4一共4個區域實行獨立溫度控制。

圖7a）、圖7b）和圖7c）為對探針臺卡盤加熱板進行分區獨立溫度控制，設置探針臺溫度分別為-50 ℃，50 ℃和150 ℃，在各溫度點穩定后，在探針臺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個點、24個點、16個點、8個點和1個點的溫度分布。

由圖7可以直觀地看出，卡盤表面各區域的溫度分布得到明顯的改善，其各取點位置溫度分布均勻。將4個標準溫度計分別放置在探針臺卡盤表面與加熱板分區對應的區域中，設置探針臺工作溫度分別為-50 ℃，-40 ℃，60 ℃和150 ℃，在每個設置的工作點工作2 h，取4個標準溫度計讀值的平均值，得到的探針臺卡盤高低溫工作曲線如圖8所示。在各標準溫度計溫度值均保持穩定后，每隔20 min記錄各標準溫度計的平均值T測i（i=1，2，…，6），數據如表1所示，由表1可看出探針臺卡盤在上述溫度工作范圍內，溫度控制精度達到±0.2 ℃。

5 結 論

1） 通過對探針臺卡盤冷卻層進行仿真實驗和探針臺卡盤表面溫度實測實驗。將兩者進行對比，發現仿真和實驗結果一致，表明探針臺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，溫度越低。

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

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