Bild 1: Typischer Aufbau eines Messplatzes zur Charakterisierung von Halbleiter-Produkten auf der Wafer-Ebene von Keysight Technologies und Cascade Microtech.

Bild 1: Typischer Aufbau eines Messplatzes zur Charakterisierung von Halbleiter-Produkten auf der Wafer-Ebene von Keysight Technologies und Cascade Microtech. Keysight Technologies

Der Aufbau eines typischen Mikrowellen-Messplatzes zur Charakterisierung von Halbleiter-Chips und -Bauelementen auf der Wafer-Ebene dauert oft mehrere Monate. Solche Systeme bestehen typischerweise aus einem Waferprober, Messgeräten und Kalibriereinrichtungen. Die Komplexität des Mess-Systems erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein simples Bauteil wie ein Kabel oder eine Baugruppe vergessen wird und so die Inbetriebnahme des Messplatzes weiter verzögert. Und das ist nur die Spitze des Eisbergs. Auch die Software für ein derartiges Mess-System kann dem zuständigen Messingenieur Kopfzerbrechen bereiten. Die verschiedenen Komponenten werden in der Regel durch mehrere Programme gesteuert. Der Messingenieur muss daher mit mehreren Bedienoberflächen vertraut sein, um das Gesamtsystem steuern zu können. Auch erfahrene Ingenieure arbeiten oft monatelang oder sogar Jahre daran, ein derartiges automatisches Mess-System aufzubauen. Diese verhältnismäßig lange Zeitspanne ist angesichts der kürzer werdenden Entwicklungszyklen in der Halbleitertechnik kaum hinnehmbar. Die beiden Unternehmen Keysight Technologies und Cascade Microtech haben deshalb ihre Kompetenzen in der Geräte- und Software-Entwicklung vereinigt und eine integrierte Messgerätelösung entwickelt, die vergleichsweise schnell in Betrieb genommen werden kann.

Integrierte und schlüsselfertige Lösung

Eckdaten

Die On-Wafer-Messlösung WMS (Wafer-level Measurement Solution) der Systempartner Keysight Technologies und Cascade Microtech umfasst die vollständige Hard- und Software einer Mess-Station zur Charakterisierung von Halbleiter-Produkten auf der Wafer-Ebene. Das System kann in der Halbleiter-Entwicklung und Halbleiter-Produktion eingesetzt werden. Wesentlicher Vorteil gegenüber der bisherigen Stand der Technik ist die Zeiteinsparung beim Aufbau, der Verifizierung und Inbetriebnahme einer solchen Messlösung.

Die On-Wafer-Messlösung WMS (Wafer-level Measurement Solutions) umfasst mehrere schlüsselfertige, validierte HF-Messlösungen, die die Messanforderungen sowohl technisch als auch vom Messvolumen her gesehen abdecken (Bild 1). Das Mess-System ist praktisch sofort einsatzfähig. Seit der Markteinführung von WMS vor zwei Jahren haben die beiden Hersteller eine beträchtliche Zahl dieser Systeme installiert.

Wesentliche Komponenten dieser Systeme sind üblicherweise eingesetzten Komponenten wie der Halbleiter-Parameter-Analysator B1500A, der DC-Leistungsanalysator N6705B, die Netzwerkanalysatoren PNA und PNA-X und die Millmeterwellen-Extender von Keysight sowie die Prober-Stationen der Familien Summit, Elite300, CM300 von Cascade Microtech mit zugehörigen Testadaptern (zum Beispiel Infinity). Ausgehend von dieser Analyse wurde eine Reihe von Standard-Konfigurationen mit garantierter Leistung entwickelt. Beim Kauf eines dieser vorkonfigurierten Systeme liefern Keysight und Cascade Microtech eine Systemspezifikation mit, die bei der Inbetriebnahme verifiziert wird.

Verifikation der Systemleistung

Bild 2: Die Verifikation eines Mess-Systems unter Verwendung des Keysight-Verification-Substrates (KVS) deckt einen deutlich größeren Bereich des Smith-Diagramms ab.

Bild 2: Die Verifikation eines Mess-Systems unter Verwendung des Keysight-Verification-Substrates (KVS) deckt einen deutlich größeren Bereich des Smith-Diagramms ab. Keysight Technologies

Ein Vorteil des WMS-Programms ist, dass die Systemleistung des vollständigen On-Wafer-Mess-Systems nicht nur spezifiert ist, sondern bei der Installation verifiziert wird. So werden beispiels­weise im Rahmen des WMS-Programms der Leckstrom und das Rauschen des Gesamtsystems verifiziert. Zum Vergleich: Früher konnte man Leckstrom und Rauschen nur separat an den Messanschlüssen des Halbleiter-Parameter-Analysators B150A und für eine eigenständige Proberstation von Cascade Microtech spezifizieren.

Für HF-Messungen verifiziert der Anwendungsexperte die S-Parameter an der Spitze der Prüfnadeln bis 110 GHz. Dazu wird ein speziell für WMS von Keysight entwickeltes Verifikationssubstrat (KVS, Keysight Verification Substrate) eingesetzt. Das KVS enthält mehrere vollständig charakterisierte Komponenten, die eine zuverlässigere Verifikation von S-Parameter-Messungen ermöglichen, darunter ein Betty-Normal, 25- und 100-Ohm-Serienwiderstände sowie Normale für ‚offen‘, ‚kurzgeschlossen‘, ‚Last‘ und ‚Leitung‘ (Bild 2).

Ein Grund für die höhere Verlässlichkeit der KVS-Verifikation liegt darin, dass die KVS-Kalibriernormalen einen größeren Bereich des Smith-Diagramms abdecken. Eine herkömmliche Verifikation beschränkt sich auf Messungen mit den Normalen ‚offen‘, ‚kurzgeschlossen‘, ‚Last‘ und ‚Leitung‘. Diese betreffen aber nur die Peripherie und den Mittelpunkt des Smith-Diagramms, es wird also nur ein Teil des Diagramms abgedeckt. Dies ist im Grunde nur eine Teil-Verifikation. Durch die Verifikation des vollständigen Mess-Systems mittels KVS, DC-Leckstrom- und Rauschmessungen gewinnt man größeres Vertrauen in dessen Gesamtleistung.

Eine Software-Plattform steuert alles

Bild 3: Die Software Waferpro Express von Keysight kann sich an die individuellen Bedürfnisse der Anwender in der Entwicklung anpassen, aber auch automatische Messungen im Produktionsprozess übernehmen.

Bild 3: Die Software Waferpro Express von Keysight kann sich an die individuellen Bedürfnisse der Anwender in der Entwicklung anpassen, aber auch automatische Messungen im Produktionsprozess übernehmen. Keysight Technologies

Damit sich Halbleiter-Testingenieure nicht mehr mit mehreren Bedienoberflächen oder auch Programmiersprachen befassen müssen, haben Keysight und Cascade Microtech zusammen eine Software-Plattform entwickelt, die die gesamte Funktionalität eines On-Wafer-Mess-Systems abdeckt. Diese Software Waferpro Express ermöglicht eine automatische Charakterisierung von Halbleiterbauelementen und -schaltungen auf der Wafer-Ebene (Bild 3). Sie umfasst über 50 vorprogrammierte Messungen und viele Beispiele, so dass ein Ingenieur aus dem Stand die erforderlichen Messungen durchführen kann. Mit Hilfe dieser Software können Testingenieure sofort Automatisierungsprogramme für die Messprozedur entwickeln, ohne sich zuvor in mehrere Programmiersprachen einarbeiten zu müssen. Waferpro Express steuert somit alle Komponenten des On-Wafer-Mess-Systems (Messgeräte wie auch Prober). Dadurch vereinfacht sich der Aufbau des Mess-Systems. Eine Messdatenverwaltung gehört natürlich auch zum System.

Dreifach garantierte Leistung

Zur genauen Konfiguration des Mess-Systems setzen sich die beiden Systemhersteller mit dem Kunden zu dritt an einen Tisch und legen alle Details fest. Dieses Verfahren stellt unter anderem  sicher, dass im Gesamtsystem nichts fehlt oder Teile hinterher nicht zusammen passen. Mit ‚garantierter Konfiguration‘ gewährleisten die beiden Hersteller dass – wenn am gelieferten System doch etwas fehlen sollte – das fehlende Teil kostenlos nachgeliefert wird.

‚Garantierte Installation‘ ermöglicht dem Kunden die individuelle Zusammenstellung eines Leistungspakets, das beispielsweise bestehen kann aus Installationsservice, Funktionsprüfung vor Ort, Beratung zu Messfragen, Einweisung des Bedienpersonals und Verifikation des Systems.

Der ‚garantierte Support‘ des WMS-Programms bedeutet, dass der Kunde einen einzigen Ansprechpartner hat und nicht nachdenken muss, welcher Lieferant bei einem Problem zuständig ist. Liegt das Problem in der Zuständigkeit des anderen Systempartners, dann wird dieser eingeschaltet und löst das Problem.