Qu’est-ce qu’une station de sonde ?
Une station de sonde, ou prober, est un dispositif permettant de fixer une sonde (aiguille) dans une position souhaitée. Il s’agit d’un dispositif de positionnement qui relie la sonde de la partie contact de l’appareil de mesure à la position correcte de l’électrode du semi-conducteur afin de mesurer des éléments électriques sur la plaquette de semi-conducteur dans le processus frontal, principalement dans le processus de fabrication des plaquettes de semi-conducteur ou dans la conception et le développement des circuits intégrés.
La surface de l’électrode d’un semi-conducteur étant très petite, il est nécessaire d’appliquer la sonde de la partie contact du dispositif d’inspection à la position exacte. Le positionnement de la sonde doit pouvoir être contrôlé avec une grande précision.
Outre les puces à semi-conducteur, cet équipement est souvent utilisé pour évaluer les caractéristiques électriques des substrats de circuits imprimés, de divers substrats à couches minces tels que les capteurs et les filtres, et des boîtiers de substrats céramiques tels que les LTCC.
Utilisations des stations de sonde
Les stations de sonde sont généralement utilisés pour tester les caractéristiques électriques des semi-conducteurs, des substrats en couches minces et des substrats en boîtier. Lorsqu’elles sont utilisées pour la recherche et le développement, les sondes doivent être dotées de fonctions permettant d’éliminer le bruit et d’éviter les fuites de signaux (diaphonie), être capables de mesurer avec une grande précision et être aussi polyvalentes et flexibles que possible en termes de méthodes de mesure.
En revanche, lorsqu’elles sont utilisées pour la production de masse, la fonction la plus importante est la capacité à effectuer un traitement rapide, précis et en grande quantité, et il convient donc de sélectionner une grande variété de modèles de stations de sonde en fonction de l’application.
La résistance à la température est également requise du côté de l’étalon pour garantir un fonctionnement correct à des températures élevées et basses lors de l’évaluation des caractéristiques de température. Lorsqu’elle est utilisée pour mesurer des semi-conducteurs pour des dispositifs de puissance, etc., une sonde capable de supporter des tensions élevées et une faible impédance est également nécessaire.
Principe de la station de sonde
La station de sonde la plus courante pour les applications sur les plaquettes de silicium est décrit ci-dessous. La station se compose d’un mandrin pour fixer la tranche de silicium, d’une platine pour déplacer le mandrin dans le sens XY, d’une plaque de contact sur laquelle sont fixées plusieurs sondes d’inspection et qui se déplace dans le sens Z par rapport à la platine, d’une caméra pour le positionnement, etc.
En plus de ces mécanismes, un système de transport pour déplacer la plaquette de silicium est souvent inclus dans les produits du prober. Le principe de fonctionnement est le suivant : lorsqu’une plaquette de silicium est posée, elle est transportée jusqu’à la position de contrôle de la plaquette et fixée en place.
La platine positionne ensuite la sonde de mesure dans le sens XY et, une fois la position de la sonde et de l’électrode du semi-conducteur sur la plaquette de silicium ajustée, la plaque de contact se déplace dans le sens Z, mettant la sonde et l’électrode en contact. Grâce à ce processus, les propriétés électriques du semi-conducteur peuvent être contrôlées par le système d’inspection.
Autres informations sur les stations de sonde
1. Miniaturisation des dispositifs à semi-conducteurs et exigences en matière de station de sondes
Avec la miniaturisation récente des dispositifs à semi-conducteurs, la mesure du microcourant est un indicateur important pour évaluer la qualité de fabrication des dispositifs à semi-conducteurs. Lors de la conception et de la fabrication des dispositifs à semi-conducteurs, les modifications apportées aux matériaux, aux paramètres de croissance cristalline ou à la géométrie peuvent entraîner des trajectoires de courant inattendues à l’intérieur du dispositif, ce qui est communément appelé courant de fuite.
L’augmentation des courants de fuite peut être due à des défauts du réseau, à la structure de l’oxyde de la grille et au choix du substrat, ce qui induit une consommation d’énergie excessive et, dans certains cas, une tension de claquage plus faible. Ces dernières années, la longueur de grille des transistors à effet de champ et la taille de l’émetteur des transistors bipolaires dans les dispositifs à semi-conducteurs sont devenues extrêmement fines, et alors que la tension nécessaire pour les piloter diminue, le courant de fuite augmente.
Une mesure de courant de haute précision à l’aide d’un prober est donc nécessaire du point de vue de l’évaluation de la qualité. Le développement de sondes cryogéniques est l’une des mesures permettant d’accroître la précision.
2. Précision de positionnement de l’autopiqueur et positionneurs
La précision de la position de contact de la sonde a une influence directe sur la précision de la mesure. Si diverses évaluations sont effectuées sans que le positionnement soit correct, l’objet de l’évaluation peut être incorrect.
Par exemple, si vous souhaitez évaluer les caractéristiques d’un dispositif semi-conducteur, mais que la plaquette n’est pas en position et qu’elle est positionnée sur un isolant, il n’est pas difficile d’imaginer que les résultats de l’évaluation seront sensiblement différents des résultats attendus.
Il est nécessaire de comprendre la précision requise pour l’objectif d’évaluation et de se concentrer ensuite sur l’amélioration de cette précision. C’est le composant appelé positionneur (manipulateur) qui détermine la précision du positionnement de la sonde. La sélection correcte d’un positionneur adapté aux spécifications requises peut faire une différence significative dans la précision du positionnement.
Les spécifications d’un positionneur sont presque toujours déterminées par quatre facteurs : (1) la course (2) la résolution de la course (3) la sensibilité du réglage (4) les dimensions externes. Voir ci-dessous le contenu de chaque spécification :
1. Distance de déplacement
Il s’agit de la quantité de mouvement dans la direction XYZ. Elle est généralement indiquée en mm.
2. Résolution de déplacement
Définie comme la quantité de mouvement par tour.
3. Sensibilité de réglage
Définie en termes de distance minimale de réglage. Souvent définie en µm.
4. Dimensions externes
La taille du positionneur. Le prix augmente généralement proportionnellement à la taille.
3. Stations de sonde compatibles avec les hautes fréquences
Une sonde adaptée à l’évaluation RF est nécessaire pour l’évaluation des transistors semi-conducteurs en vue de la compatibilité radiofréquence (RF) et de la modélisation des dispositifs.
En général, on utilise des sondes GSG (aiguilles avec mise à la terre (GND) des deux côtés des plots de signal) avec des cartes d’étalonnage dédiées, mais en fonction de la fréquence à mesurer, il faut faire attention non seulement à la sonde mais aussi au câble RF vers l’analyseur de réseau ou les divers appareils de mesure. En effet, la flexion du câble peut affecter les résultats des mesures RF.
Dans la bande des ondes millimétriques, dont la fréquence est plus élevée que celle des micro-ondes, des prolongateurs VNA dédiés sont utilisés, mais la configuration de l’équipement doit être discutée en détail avec le fabricant spécialisé, car la configuration de la sonde elle-même a un impact très important sur la mesure.