晶圓/芯片工藝過程從空白的硅晶圓開始到最終制成電子功能芯片終結(jié)，整個過程需要依次執(zhí)行數(shù)百個專業(yè)的工藝步驟(稱為工藝流程)。但是，考慮到R&D環(huán)境的性質(zhì)以及各個工藝步驟的復(fù)雜性，如果在某個工藝流程中出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致功能器件的良率大幅下降。
在工藝流程的早期對晶圓上的單個芯片/器件進(jìn)行電子測試，有助于了解片上設(shè)備的性能和執(zhí)行早期的半導(dǎo)體工藝監(jiān)管。目前已有具備在線測試功能的大型設(shè)備，但是對于之前的fab工廠來說，若沒有在其中嵌入在線（in-line）電氣測試系統(tǒng)，就無法獲得工藝流程中關(guān)鍵點的反饋。因此不得不從fab廠中取出晶圓，然后使用現(xiàn)有的參數(shù)測試儀對其進(jìn)行測試，這就會導(dǎo)致整個流程中斷。而且，由于污染問題，從fab廠取出來的晶圓無法返回進(jìn)行進(jìn)一步加工，就會損失大量的晶圓，制造周期大大增長，項目交付時間也大大延遲了。
工廠研發(fā)的測試芯片系統(tǒng)由數(shù)千個具有各種尺寸和架構(gòu)的晶體管、電阻器和電容器組成。其中可能包含小型演示電路，我們需要測試所有這些器件，以正確分析特定的半導(dǎo)體制造工藝。
如果有一套工廠內(nèi)部半導(dǎo)體自動測試設(shè)備（ATE），能夠24/7全天候執(zhí)行測試操作，就可以大大減少研發(fā)項目的交付時間并降低總體成本。因此我們需要一種多功能的測試系統(tǒng)，可以快速、準(zhǔn)確地執(zhí)行測試，以支持我們的各種行業(yè)聯(lián)盟計劃。并要求該系統(tǒng)需要能夠滿足所有的參數(shù)和功能IC測試需求，而且可以輕松擴(kuò)展來滿足未來半導(dǎo)體制造工業(yè)技術(shù)的測試需求。
01 第一階段測試
為了減少晶圓檢測的成本就需要更高效的替代解決方案。但是市場上的測試系統(tǒng)不是專注于參數(shù)測試，就是專注于功能測試，無法兼顧。而且，傳統(tǒng)的參數(shù)測試儀利用開關(guān)矩陣來共享SMU，數(shù)字萬用表（DMM）和LCR測試儀等資源，這會降低信號的完整性并使操作順序化，無法并行執(zhí)行。此外這些儀器通常需要花費很長時間來進(jìn)行編程序，而且采用固定密封裝，缺乏靈活的性，價格也很昂貴。
自發(fā)展至今，PXI被各行各業(yè)廣泛采用，可有效的幫助企業(yè)降低成本、提高績效，同時具有強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實力，可以更輕松地幫助各個企業(yè)度過不同的產(chǎn)業(yè)波動期。最終選擇了一種高精度的每通道SMU儀器；除了PXI儀器外，還配備了自動晶圓加工系統(tǒng)的探針臺，該系統(tǒng)可以在無人值守的情況下運(yùn)行；開發(fā)了一個定制的探針卡，并將所有晶圓探測組件連接到一個容納PXI儀器的19英寸機(jī)架中。
測試系統(tǒng)包括PXI SMU與DMM、LCR儀表和第三方低泄漏開關(guān)矩陣，他們在測試點之間共享資源。接著利用軟件，在使用PXI模塊化儀器的ATE上開發(fā)并部署了一個參數(shù)測試?yán)處?，并對其進(jìn)行了基準(zhǔn)測試，最終對過程監(jiān)控結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測量。實現(xiàn)了全自動、無人值守的晶圓測試，并順利地將電氣數(shù)據(jù)覆蓋為其他在線（光學(xué)）計量數(shù)據(jù)，進(jìn)行深入地進(jìn)行過程分析。
通過fab工廠內(nèi)部ATE，我們可以執(zhí)行以前的不可能完成的實驗或晶圓成本很高的實驗。作為一個獨立的研究機(jī)構(gòu)，這些新的實驗為研發(fā)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)提供了非常有價值的信息。
02 第二階段測試
將ATE系統(tǒng)的硬件配置為兩臺菊花鏈?zhǔn)絇XI機(jī)箱，25個PXIeSMU（其中24個連接到與晶圓前端接觸的探針，一個連接到吸盤觸點），以及一個功能強(qiáng)大的機(jī)架式控制器。探針臺和晶圓上料設(shè)備通過GPIB-USB接口進(jìn)行控制，軟件包依然作為軟件架構(gòu)的核心。
這種每針SMU方法的性能非常驚人，大大減少了測試時間，這對于大型的傳統(tǒng)臺式SMU來說是不可能的。由于這一方法可實現(xiàn)高度并行測量，不需要按順序進(jìn)行測量，節(jié)省了中間的切換步驟，因此總測試時間減少到僅為測試一個測試點的時間。
假設(shè)一個探針墊模塊具有24個焊盤和12個二極管；每個二極管連接到兩個焊盤。對于fA級的二極管泄漏測量，我們需要較長的測試積分（孔徑）時間來抑制測量噪聲。這一個積分時間可能會超過32個電源周期（PLC），相當(dāng)于640 ms(32 PLC x 20 ms/PLC)。在采用開關(guān)矩陣的傳統(tǒng)順序測試中，開關(guān)和建立時間大約為10 ms，這也是一個重要的影響因素。關(guān)于這一點，在第1階段的系統(tǒng)中，每一個探針墊模塊塊的開關(guān)和建立時間大約為7.92 s。而對于高度并行的配置，測試時間有效地減少到一個二極管的測量時間（640毫秒），快了12倍。
03 總結(jié)
根據(jù)多個應(yīng)用程序的測試時間數(shù)據(jù)，并綜合考慮了探針的步進(jìn)時間之后，可以發(fā)現(xiàn)測試速度提高了 3.35倍，過去的測試時間為每晶圓67分鐘，而現(xiàn)在采用并行測試后，每晶圓的測試時間減少為20分鐘。
因此可以肯定地說，從第一階段到第二階段，測試吞吐量增加了三倍！在工藝制造周期日益縮短的情況下，吞吐量的增加將有助于于我們更加快速地交付研發(fā)成果 。此外，還可以在工藝流程的早期提取大量數(shù)據(jù)，進(jìn)行晶圓級可靠性研究。
總而言之，基于PXI的模塊化測試儀器可以有效降低檢測成本、提高檢測速率。