探針臺“四芯”測試算法應用研究

胡曉霞，李 猛，方敏晰，溫建軍

(1.中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176；2.三河建華高科有限責任公司，河北 燕郊 065201)

在半導體器件和集成電路制造工藝中，晶圓測試是必不可少的環節。隨著晶圓測試的發展，如何精確定位晶圓管芯并進行高效率測試成為探針設備關注的重點。針對探針測試領域關注的問題，探索設計了一種“四芯”測試算法，并在相關探針設備上應用得到驗證，提高設備的測試效率。

1 晶圓測試研究

1.1 晶圓測試研究背景

半導體材料被廣泛應用于集成電路行業、分立器件、智能制造等多個領域[1-2]。在半導體領域高效準確測試晶圓具有重要意義[3]。探針設備是晶圓測試的主要設備[4]，在微波測試、高壓測試等有廣泛應用[5]。因此，高效率測試方法成為探針測試追求的目標。

晶圓測試是對晶圓上每個管芯進行測試來獲取管芯特性參數的過程。聲表器件管芯的示意圖如圖1所示。

在實際的測試過程中，由于晶圓尺寸增大、管芯數量增多、單芯測試速度慢等因素影響了測試效率。因此，采用多管芯并行測試法可以提高測試效率；即：單次測試過程中多組探針同時接觸多個管芯進行測試。這種技術已廣泛用于探針設備。

1.2 晶圓測試相關技術

探針設備主要用于晶圓測試。在測試過程，探針設備的承片臺可以承載晶圓在x，y，z，θ4個自由度移動。晶圓經過對準掃正、尋找MARK點、移動至首測點等流程后運動到管芯扎針位置，探針接觸管芯，測試儀測試并反饋管芯的好壞結果。重復上述動作，完成晶圓測試。

晶圓測試過程中，需要將晶圓的實時測試狀態反饋到可視化界面上，此界面稱為該晶圓的MAP圖（簡稱MAP），如圖2所示。在圖2中，每一個方格代表晶圓的一個測試管芯。測試過管芯的不同狀態可以采用不同的顏色表示，此過程被稱為管芯分類。圖2表示“四芯”測試條件下，管芯分類MAP。

2 “四芯”測試算法設計

圖3展示了測試晶圓與探卡的4組探針的相對位置關系。假設每一個管芯只需要一個針就可以完成測試，則圖3中4個針可以同時接觸晶圓的4個管芯，完成單組測試后，移到下一組測試位置。但同一時間內所用的測試儀無法同時分析4組數據，因此“四芯”測試算法的核心在于單組測試過程及換行過程。

圖3 “四芯”測試示意圖

假設測試晶圓共有Wftotal行，其中第i行有顆管芯。則該晶圓一共有顆管芯。晶圓一般中心的一行管芯數最多，設該行為第imiddle行。則依據imiddle行將晶圓分為上下兩部分，上半部分晶圓管芯數隨著行數的增加而增多，用wfup表示。下半部分晶圓的管芯數隨著行數的增加而減少，用wfdown表示。

此外，在晶圓測試過程中，第j次測試，第1、2針所處的行數為lineij。晶圓的第i行最左側管芯坐標表示為(WrXi，WrYi)，最右側管芯坐標為(WlXi，WlYi)。

3 “四芯”測試算法流程

新設計的“四芯”測試基本流程如圖4所示。開始測試后，首先將4個針接觸MAP左上角的4個管芯，如圖3所示。然后，1、3針和2、4針分成兩組，分別接觸管芯，測試儀對晶圓測試完成后，將測試的數據反饋到MAP中。接著，分析測試位置是否到該行末尾處，如果未到，則沿x軸移動到下一組測試區域；否則，y軸換行，進行測試。最后補測第一行的漏測點，完成測試流程。

圖4 “四芯”測試流程圖

3.1 單組測試算法

晶圓測試過程中，需要探針反復接觸晶圓上的管芯，以完成大量管芯測試任務。單組測試過程算法如表1所示。

表1 單組測試算法表

在單組測試過程中，首先探針臺找到首測點，并將晶圓移動到合適位置。1、3針先接觸管芯，并給測試儀發送Start信號，待測試儀測試完成后，返回EOT信號，然后工控機處理反饋數據，并在MAP上更新測試結果。接著2、4針接觸管芯，重復1、3針操作，更新MAP后，完成單組測試，并返回“四芯”測試的結果。

3.2 換行算法

當晶圓測試到行尾需要跳到下一行進行測試?！八男尽睖y試由于單組需要接觸4個管芯，因此需要判斷是否換行，并且需要判斷需要接觸的位置。

在換行算法中，假設第1針的坐標為(X1，Y1)，X向兩針間距為XSpace，Y向間距為YSpace。

則第2針相對于第1針位置的坐標為：

第3針相對于第1針位置的坐標為：

第4針相對于1針位置的坐標為：

在“四芯”測試過程中，每次單組測試完成后都需要判斷是否換行，換行算法如表2所示。

表2 換行算法表

在單針測試中，換行容易操作，但由于“四芯”測試需要同時測試四個管芯，換行操作較為復雜。首先判斷測試區域是在晶圓的上半區還是下半區。如果是上半區，則比較2、4針測試所處位置與該行末尾位置的關系，然后決定是否換行。如果是下半區域，則比較1、3針與該行末尾的位置管芯。最后判斷是否測試結束，并返回測試結果。

4 結果分析

實驗測試的結果如表3所示。為保證實驗數據的準確性，我們采用150 mm(6英寸)探針臺分別對片徑為100 mm，125 mm，135 mm的晶圓進行測試。其中“四芯”測試，“雙芯”測試及單針測試每種實驗測試10次，并取測試實驗的平均值作為衡量標準。

表3 單組測試算法表

圖5為表3實驗結果的折線圖，由表3和圖4的實驗結果可知，“四芯”測試在3種不同規格晶圓測試上，測試效率均有提高。結果表明“四芯”測試在提高晶圓測試效率上是有效的。

圖5 測試時間折線圖

5 結束語

探針設備作為一種半導體封裝工藝的關鍵設備，需要在保證測試準確性的基礎上提高測試的效率。本文提出了一種“四芯”測試算法，通過四組針同時接觸管芯，利用單組測試及換行判斷部分的方法，以達到提高測試效率的目的。實驗結果證明了“四芯”測試算法的有效性。

在實際生產過程中，存在一個管芯需要多針測試的情況，未來，將繼續完善該算法，以適應更多的生產條件。此外，為適應物聯網發展的趨勢，我們將對軟件進行更新，使之更適用于產線管理系統。