mikro-elektromechanischen Halbleiterbauteils

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung eines mikro-elektromechanischen Halbleiterbauteils, das ein reversibel verformbares druckempfindliches Messelement und elektronische Schaltungselemente sowie Anschlussfelder zum Abgreifen von Messsignalen aufweist.

Bei mikro-elektromechanischen Halbleiterbauteiien handelt es sich um Kieinstbauteile aus Halbleitermaterial, die sowohl mechanische als auch elektrische Funktionen aufweisen. So weisen diese Halbleiterbauteile bewegbare bzw. verformbare Elemente auf, die beispielsweise der messtechnischen Erfas- sung physikalischer Größen dienen können. Eine Gruppe mikro-eiektromecha- nischer Halbleiterbauteile betrifft beispielsweise Drucksensoren, die über ein reversibel verformbares druckempfindliches Messelement zumeist in Form einer Membran verfügen. Neben einem derartigen (z.B. Mess-)Eiement weisen die Halbleiterbauteile elektronische Schaltungselemente sowie gegebenenfalls Auswerteschaltungen und Anschlussfeider zum Abgreifen von Messsignalen auf. Im Falle eines Drucksensors umfassen die Schaltungselemente solche, die die mechanischen Spannungen beim Verformen der Messelemente detektie- ren. Beispielsweise handelt es sich bei diesen Schaltelementen um druckempfindliche Transistoren oder Widerstände, die in dem Messelement integriert sind und beispielsweise in einer Brückenschaltung angeordnet sind.

Mikro-elektromechanische Halbleiterbauteile werden wie integrierte Halbleiter- Schaltungen auf einem Halbleitersubstrat-Wafer hergestellt. Diese Wafer werden in einem sogenannten Wafer-Prober einem Wafer-Test unterzogen; beim Test der mikro-elektromechanischen Halbleiterbauteile sind diese also noch nicht vereinzelt. Es ist bekannt, während des Wafer-Tests neben den elektrischen auch die mechanischen Funktionen der mikro-elektromechanischen Haibleiterbauteile zu testen. Im Falle von Drucksensoren wird hier beispielsweise ein Staudruckverfahren angewendet, bei dem das zu testende Halb- ieiterbauteil durch einen definierten Luftstrom angeblasen wird. Ferner ist es bekannt, über dem Wafer eine Druckkammer anzuordnen und den Wafer dann In dieser atmosphärischen Umgebung innerhalb der Wafer-Prober-Testanord- nung zu testen. Schließlich kann man auch die Wafer-Prober-Anordnung vollständig in eine Druckkammer verbringen, um dann die Drucksensoren auf dem Wafer zu testen . In sämtlichen zuvor genannten Fällen bewirkt der von außen angelegte Druck eine Auslenkung des reversibel verformbaren Messelements, und zwar proportional zum angelegten Druck,

Aus Pati! S K et al. : "Characterization of MEMS piezoresistive pressure Sensors using AF ", ULTRAMIC OSCOPY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, Bd. 110, Nr. 9, 1. August 2010 (2010-08-01), Seiten 1154-1160, XP027174554, ISSN : 0304- 3991, ist ein Testverfahren für M EMS-Drucksensoren bekannt, bei dem mittels eines Stößels auf das druckempfindliche Messelement mit einer vorgebbaren Kraft mechanisch eingewirkt wird und das dabei vom Drucksensor gelieferte Messsignal ausgewertet wird. Hierbei ist ein Kraftsensor für den Stößel erforderlich, was mit zusätzlichen Hardware-Kosten verbunden ist und eine Kalibra- tion des Kraftsensors erfordert.

US-A-2007/0080695 beschreibt eine Testanordnung sowie ein Testverfahren für kapazitive MEMS-Sensoren mit einer bewegbaren (Kondensator-)Piatte, die mechanisch bewegt wird.

Die bekannten Testverfahren für mikro-eiektromechanische Haibleiterbauteile sind relativ aufwendig und erfordern eine im Vergleich zu integrierten Schaltungen nicht unbeträchtlich apparative geänderte Wafer-Prober-Testanord- nung . Außerdem unterliegen sie Einschränkungen bezüglich des Druckbereichs bzw. es müssen die Testaufbauten für verschiedene Dicken der druckempfindlichen Messelemente unterschiedlich ausgestaltet sein. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung eines mikro-elektromechanischen Halbleiterbauteils zu schaffen, die über einen vereinfachten apparativen Aufbau verfügen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Vermessung eines mikro-elektromechanischen Halbleiterbauteiis, das ein reversibel verformbares bezüglich mechanischer Spannungen empfindliches Messelement mit elektronischen Schaltungselementen sowie Anschlussfeidern zum Abgreifen von Messsignalen aufweist, vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren - das Messelement des Halbleiterbauteiis zur Ermittlung seiner Weg/Kraftbzw. Weg/Druck-Kennlinie durch mechanische Einwirkung mitteis eines insbesondere schrittweise vorbewegbaren Stößels zunehmend verformt wird,

nach einer bzw. nach jeder schrittweisen Vorbewegung des Stößels um ein vorgegebenes Wegmaß über die Anschlussfeider die aktuellen Messsignale abgegriffen werden und

das Halbleiterbauteil anhand der gewonnenen, die Weg/Kraft- bzw. Weg/Druck-Kennlinie repräsentierenden Messsignale qualifiziert wird. Mit der Erfindung wird ferner auch eine Vorrichtung zur Vermessung eines mikro-e!ektromechanischen Halbleiterbauteils, das ein reversibel verformbares bezüglich mechanischer Spannungen empfindliches Messelement mit elektronischen Schaltungselementen sowie Anschlussfeldern zum Abgreifen von Messsignalen aufweist, vorgeschaiten, die versehen ist mit

- mehreren elektrischen Testnadeln zum elektrischen Kontaktieren der Anschlussfeider des Halbleiterbauteils,

einem vor- und zurückbewegbaren Stößel zur mechanischen Kontaktte- rung des Messelements und

einem Stellglied zum insbesondere schrittweisen Bewegen des Stößels um jeweils ein vorgegebenes Wegmaß für eine zunehmende Verformung des Messelements. Nach der Erfindung wird das bezuglich mechanischer Spannungen empfindliche Messeiement, bei dem es sich z.B, um ein druckempfindliches Messelement handelt, unter mechanischer Einwirkung mitteis eines schrittweise vorbewegbaren Stößels, bei dem es sich insbesondere um eine Nadel handelt, verformt, Nach einer bzw. nach jeder definierten schrittweisen Vorbewegung des Stößels werden die aktuell anstehenden Messsignale über die Anschiussfelder abgegriffen. Damit kann die Charakteristik des Messelements ermittelt und das Halbleiterbauteil insgesamt qualifiziert werden. Die reversible Verformbarkeit des Messelements kann darüber hinaus mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung, über die Geometrie des Messeiements betrachtet, ortsaufgelöst durchgeführt werden, indem das Messelement in mehreren Testläufen an unterschiedlichen Stellen der mechanischen Einwirkung durch den Stößel ausgesetzt wird. Das Messelement kann z. B, ein an vier Seiten an einem Substrat angebundenes verformbares Element (Memb- ran) sein oder aber 3-fach, 2-fach (Brücke) oder 1-fach (freitragender Balken) angebunden sein. Die Verformung kann z. B. mittels eines insbesondere piezoresistiven, für mechanische Spannungen empfindlicher Transistor oder ein Widerstand sein. Anstelle einer schrittweisen Vorbewegung des Stößeis kann dieser beispielsweise auch kontinuierlich bewegt werden, wobei dann während der Verformung des Messelements in vorgebbaren zeitlichen Abständen, nämlich nach jeweils definierten unterschiedlich starken Auslenkungen des Messelements, die Messsigna!e ausgewertet werden. Auch auf diese Weise ist die Charakteris- tik des mikro-eiektromechanischen Halbleiterbauteils messbar und quaiifizierbar. Ebenso lässt sich durch eine kontinuierliche Verformung des Messelements auch dessen Dynamik messtechnisch erfassen, wobei zu diesem Zweck die Geschwindigkeit, mit der der Stößel vorbewegt wird, veränderbar ist. Letzteres ist aber auch bei einer schrittweisen Vorbewegung des Stößels möglich , Als Antrieb für die schrittweise Vorbewegung des Stößels eignet sich beispielsweise ein Ptezo-Unear-Motor; grundsätzlich kann aber jeder Schrittmotor oder jeder andere Motor oder allgemein jedes elektromechanische oder auch auf andere physikalische Art arbeitende Stellglied eingesetzt werden, durch den sich reproduzierbare schrittweise Vorbewegungen realisieren lassen.

Wie bereits oben erwähnt, kann der Stößel als Nadel ausgebildet sein. Auch ein Wafer-Prober arbeitet mit (Abtast- bzw, Abgriff-JNadeln, mit denen die An- schiussfelder einer Halbleiterschaltung abgegriffen werden. Das erfindungsge- mäße Verfahren lässt sich damit in einen Wafer-Prober integrieren. Die das reversibel verformbare Messelement ausienkende Nadel besteht dabei beispielsweise aus Keramik, Glasfaser, Kunststoff, Wolfram oder einem anderen Material Das das Messelement kontaktierende Ende des Stößeis bzw. der Nadel sollte gerundet sein .

Mit der Erfindung ist es möglich, mikro-elektromechanische Halbleiterbauteile (beispielsweise Drucksensoren) bezüglich ihrer Linearität, ihrer Empfindlichkeit, ihrer Temperaturabhängigkeit, ihrer Reversibilität, bezüglich ihrer Hysterese und/oder daraufhin zu untersuchen, ob bei diesen Halbleiterbauteilen überhaupt ein Messelement vorhanden ist und ob dieses Messelement mechanisch korrekt an den Rest des Halbleiterbauteils angebunden ist. Allgemein lässt sich also mit der Erfindung die Charakteristik eines mikro- elektromechanischen Halbleiterbauteils ermitteln und das Halbleiterbauteil selbst mechanisch vermessen. Entscheidend für die Erfindung ist, dass nicht die Kraft, mit der das Messelement durch den Stößel verformt wird, sondern der Weg, um den das Messelement durch den Stößel ausgelenkt und damit verformt wird, vorgegebenen wird und damit die Weg/Kraft- bzw. durch Umrechnung die Weg/Druck-Kennlinie des MEMS-Sensors vermessen und zu Zwecken der Qualifizierung des Bauteils gewählt wird.

Wie bereits oben erwähnt, kann es sich bei dem mikro-eiektromechanischen Haibleäterbauteil um einen Drucksensor handein. Ein nach der Erfindung zu vermessendes mikro-elektromechanisches Halbleiterbauteii kann aber auch als Beschleunigungssensor oder Viskositätssensor eingesetzt werden. Grundsätzlich kann mit der Erfindung jedwedes mikro-elektromechanische Halbleiterbauteil in jeder denkbaren Applikation getestet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung ist schematisch der Testaufbau für einen Wafer-Prober 10 gezeigt, der einen Träger 12 für einen beispielsweise Silizium-Wafer 14 auf- weist, in dem eine Vielzahl von mikro-elektromechanischen Halbleiterbauteil- Drucksensoren 16 ausgebildet sind. Jeder Drucksensor 16 weist dabei beispielsweise eine Membran 18 als reversibel verformbares, für mechanische Spannungen empfindliches, in diesem Fall z.B. druckempfindliches Messelement auf. Der Wafer-Prober 10 verfügt darüber hinaus über einen Träger 20 mit Testnadeln 22 zum Kontaktieren von Anschlussfeldern 24 der Drucksensoren 16. Darüber hinaus kann dieser Träger 20 beispielsweise elektronische Bauteile oder Schaltungen und einen Anschiuss 25 für eine zu einer Testsig- nalauswerteschaltung führende Verkabelung 26 aufweisen. Erfindungsgemäße wird nun ein derartiger Wafer-Prober 10 modifiziert, indem ein Stellglied 28 in Form beispielsweise eines Piezo-Linear-Motors 30 zur schrittweisen oder kontinuierlichen Vor- und Zurückbewegung eines der mechanischen Auslenkung der Drucksensor-Membranen 18 dienenden nadeiförmigen Stößeis 32 vorgesehen wird. Der nadeiförmige Stößel 32 weist eine ge- rundete Spitze 34 auf, die beispielsweise als Mikrokugel ausgebildet sein kann. Zur Halterung des Stellgliedes 28 dient ein weiterer Träger 36, der oberhalb des Trägers 20 für die Nadeln 22 angeordnet sein kann. Der nadeiförmige Stößel 32 erstreckt sich dann durch eine Öffnung 38 dieses Trägers 20 hindurch, ist also somit im Wesentlichen zentrisch zu den (elektrischen) Nadeln 22 ange- ordnet. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass trotz der mechanischen Einwirkung auf die Membranen 18 durch Kontaktierung derselben mittels des nadeiförmigen Stößels 32 keinerlei die Funktionalität der Membranen 18 beeinträchtigenden Beschädigungen an den Drucksensoren 16 durch den erfindungsge- mäßen Test auftreten. Die Erfindung hat unter anderem den weiteren Vorteil, dass der gleiche Testaufbau für verschiedene Membrandicken verwendet werden kann, so dass insoweit keinerlei Einschränkungen für den Testdruckbereich gegeben sind . Die bei den unterschiedlich starken mechanischen Auslenkungen der Membranen 18 ermittelten Messwerte können mit einem ent- sprechenden Luftdruck korreliert werden, Damit kann insgesamt das Haibiei- terbauteil qualifiziert werden. Beim erfindungsgemäßen mechanischen Test des verformbaren Elements kann dieses den gleichen Verformungen wie beim späteren Einsatz ausgesetzt werden. Insbesondere lassen sich somit beim Testen die gleichen Bedingungen wie bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des Bauteils simulieren. Dies ist bei den bisher bekannten Testverfahren kaum möglich, da sich z.B. Drücke von mehreren 10 bis 100 bar beim Testen nicht bzw. nur mit extremem Aufwand realisieren lassen.