Зондовые измерения

Введение

Современная микроэлектроника требует высокой точности и надежности на каждом этапе производства — от проектирования до выхода готового устройства. Одним из важнейших этапов является тестирование микросхем до упаковки, что позволяет минимизировать затраты, значительно уменьшить процент брака исключить дефектные чипы на ранней стадии.

В основе этого контроля лежат зондовые измерения — технология, при которой микроскопические пробники контактируют с кристаллом прямо на пластине. В статье мы подробно рассмотрим:

• Принципы работы зондовых систем
• Виды зондовых станций
• Технологии зондовых измерений
• Сферы применения

1. Принципы работы зондовых измерений

Зондовая измерительная система предназначена для контактного доступа к токоведущим элементам микросхемы на кремниевой пластине. Контакт обеспечивается с помощью пробников (зондов), которые могут быть как одиночными, так и в составе проб-карт (Probe Cards).

Цикл зондового измерения включает:

1. Микропозиционирование зондов по координатам кристалла (X,Y,Z,θ)
2. Контактирование зонда с контактной площадкой микросхемы
3. Измерение параметров: ток, напряжение, сопротивление, S-параметры и др.
4. Автоматизированный сбор и анализ данных

2. Технологии зондовых измерений

2.1. Измерения электрических параметров с помощью зондовой станции (DC и параметрические)

Это наиболее широко применяемый тип измерений в зондовых станциях, обеспечивающий прямой электрический контакт с тестируемыми структурами на пластине. Цель таких измерений — характеризация электрических параметров отдельных транзисторов, тестовых структур, контактных соединений, межсоединений и пассивных элементов.

Зонд, представляющий из себя тонкую иглу, прислоняется к контактной площадке кристалла, через которую подаются сигналы от источников напряжения и тока, а также снимаются электрические параметры. Основные параметры, измеряемые на этом этапе:

• I-V характеристики транзисторов (Id-Vg, Id-Vd)
• Пороговое напряжение (Vth) и крутизна
• Ток утечки (Ioff)
• Сопротивление межсоединений и контактных областей
• Ёмкости и RC-цепи

Для этих целей используются прецизионные источники/измерители (SMU) с высокой разрешающей способностью, позволяющие измерять токи в фемтоамперном диапазоне. Часто применяется четырёхконтактное подключение (Kelvin method) для устранения погрешностей, вызванных сопротивлением зондов.

Измерения выполняются в температурных диапазонах от -55 °C до +200 °C, при этом стабильность контакта и термическая компенсация зонда являются критически важными.

2.2. СВЧ- и миллиметровые измерения (RF/MMW)

В условиях быстрого роста отрасли беспроводной связи, включая 5G/6G, IoT и спутниковую электронику, растёт необходимость в зондировании высокочастотных ВЧ(RF) устройств непосредственно на пластине — до упаковки и сборки. Это позволяет исключить влияние корпусов на частотные характеристики и сократить цикл от разработки до тестирования.

Здесь применяются ВЧ(RF)-зонды (обычно с фиксированным сопротивлением 50 Ом), подключаемые к векторному анализатору цепей (VNA), которые позволяют измерять:

• S-параметры (S11, S21 и др.) — отражение, передача
• Полоса пропускания и добротность фильтров
• Фазовый сдвиг и линейность усилителей
• Паразитные резонансы и шумы

Для частот выше 40 ГГц, особенно в диапазоне 70–110 ГГц (диапазон W), крайне важно обеспечить стабильную калибровку тестового тракта. Здесь используются калибровочные методы типа SOLT (Short-Open-Load-Thru) или TRL (Thru-Reflect-Line). В дополнение, вся система должна быть термостабильна и иметь жесткую механику, поскольку даже микроскопический сдвиг может вызвать фазовые ошибки.

Современные зондовые станции оснащаются VNA-интерфейсами, волноводными переходниками и опциями для двух- и многопортового зондирования с высокой повторяемостью.

2.3. Оптические измерения и фотонные чипы

С увеличением спроса на оптоэлектронные компоненты (датчики, лазеры, фотонные модули, кремниевая фотоника) возникает потребность в гибридных измерениях, сочетающих электрическое и оптическое зондирование. Это особенно актуально в кремниевой фотонике, где важно тестировать устройства напрямую на пластине.

Измерения охватывают:

• Интегральные оптические волноводы (ввод-вывод, потери)
• Оптические резонаторы и фильтры (Q-фактор, спектральный сдвиг)
• Фотодетекторы и лазерные диоды (спектр, мощность, эффективность)

Контакт обеспечивается через оптоволокно, которое фиксируется к позиционеру с помощью держателя, при этом обеспечивается возможность прямого или бокового ввода света. Поддерживаются интерфейсы SM/PM волокна, автопозиционирование и механизмы фидбэка по интенсивности сигнала. Стандартные зонды параллельно обеспечивают питание и контроль температуры/смещения.

Ключевой задачей здесь является совмещение оптической и электрической трассировки, что требует высокой точности механики (до ±0.1 мкм) и программной синхронизации.

2.4. Температурные испытания и воздействия окружающей среды

Для реального моделирования рабочих условий, особенно в автомобильной и силовой электронике, зондовые измерения должны выполняться в расширенном температурном диапазоне и в различных средах (вакуум, инертные газы, повышенная влажность).

Испытания охватывают:

• Термостабильность и дрейф параметров
• Поведение при циклических температурах (например, -40 °C/+125 °C)
• Измерения пробивного напряжения, тока утечки на границе температурных режимов

В таких измерениях критично:

• Обеспечение надежного контакта зонда с площадкой при тепловом расширении
• Изоляция измерительного тракта от конденсата
• Возможность автоматического контроля атмосферы (например, азот, вакуум до 10⁻⁵ Торр)

Тестовые модули на базе температурных держателей пластин (термочаков) встраиваются в зондовые станции и синхронизируются с измерительным оборудованием.

2.5. Наноскопические измерения (СЗМ и прецизионные зондовые методики)

Хотя зондовые станции в традиционном понимании не включают в себя атомно-силовую микроскопию, высокоточные электрические зондирования наноразмерных структур выполняются на специализированных платформах с микронной/субмикронной точностью позиционирования.

Это необходимо при:

• Исследовании тонкоплёночных транзисторов, нанопроводников, CNT/MoS2
• Измерении локальной проводимости и контактного сопротивления
• Измерении одиночных квантовых точек или поверхностных дефектов

Станции такого уровня оборудуются вакуумными камерами, активной виброизоляцией, и в ряде случаев — криогенным охлаждением. Для измерения тока в фемтоамперном диапазоне используются кабели с минимальной паразитной емкостью.

4. Сферы применения зондовых измерений

4.1. Микроэлектроника и логические чипы

Основная область применения. Здесь зондирование используется на этапе CP (Chip Probe) или WAT (Wafer Acceptance Test) — до упаковки кристаллов. Основные задачи:

• Параметрический контроль транзисторов
• Тестирование логических цепей и RAM/ROM
• Выявление дефектов литографии, межслоевых соединений

Зондовая станция позволяет за 1 цикл обработать до нескольких тысяч кристаллов, автоматизировать отбраковку кристаллов и сформировать карту биннинга (bin map).

4.2. Силовая и автомобильная электроника

В силовой электронике (IGBT, MOSFET, GaN/SiC) критичны:

• Пробивное напряжение
• Rds(on) в широком температурном диапазоне
• Выходной ток до десятков ампер
• Обратные токи и тепловые характеристики

Для этих измерений применяются усиленные зондовые узлы и мощные источники тока. Автопроизводители проводят тесты при -40…+150 °C, включая THB (Temperature Humidity Bias) и HTRB (это что?).

4.3. Радиочастотная и телеком-электроника

Используется для оценки:

• СВЧ-усилителей, смесителей, балунов
• RF-компонентов для мобильной связи (PA, FEM)
• Квантовых схем и интегральных антенн

Основные показатели:

• S-параметры (на пластине и после упаковки)
• Искажения (IMD), задержка, групповая скорость
• Влияние расположения на схеме и субстратных резонансов

4.4. Оптоэлектроника и фотоника

Применение:

• Лазеры на кристалле (VCSEL, DFB)
• Модуляторы и фотодетекторы в PIC
• Тестирование волноводов, решеток (AWG)

Особенности:

• Совмещение оптики и электроники
• Чувствительность к малейшему смещению оптической оси
• Работа с референсными волокнами, анализ спектров, Q-фактор

4.5. Нанотехнологии и научные исследования

Включает:

• Анализ новых полупроводников (например, 2D-материалы)
• Исследование процессов миграции, деградации под нагрузкой
• Тестирование при криогенных температурах и в UHV

Здесь особенно важна модульность станции, гибкая настройка и высокая чувствительность — инженер должен иметь полный контроль над всеми параметрами измерения.

Заключение

Зондовые измерения – это ключевой инструмент микроэлектроники, нанотехнологий и материаловедения. Современные зондовые станции, АСМ, RF-зонды и оптические зонды позволяют инженерам и ученым анализировать параметры устройств с высокой точностью и скоростью.

Компания Eoulu – один из лидеров в разработке и производстве оборудования для зондовых измерений. Их решения используются в полупроводниковой промышленности, телекоммуникациях, биомедицине и оптоэлектронике.

При выборе зондовой системы важно учитывать:

• Тип измерений (электрические, оптические, механические)
• Частотный диапазон (DC, ВЧ, оптика)
• Требуемую точность (нм, мкм)

Благодаря зондовым технологиям, наука и промышленность могут достигать беспрецедентного уровня контроля и качества.

Нужна помощь с выбором оборудования?

Если вы подбираете зондовую станцию, пробники или модули под конкретную задачу — наши инженеры помогут:

• определить подходящую конфигурацию,
• учесть особенности измерений (DC, RF, SiPh, температура),
• проверить совместимость с вашим оборудованием,
• адаптировать систему под лабораторные или производственные условия.

📞 Свяжитесь с нами:
+7 (499) 460-69-61
sales@eoulu.ru