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Technisches Feld
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Die
Erfindung betrifft allgemein Prober, die der Ermittlung elektrischer
Eigenschaften von elektronischen Bauelementen, im Folgenden allgemein als
Testsubstrat bezeichnet, dienen. Die Erfindung betrifft insbesondere
einen Chuck, welcher der Aufnahme und Halterung eines Testsubstrats
und darüber hinaus eines Kalibriersubstrats dient. Der
Chuck umfasst eine erste Aufnahmefläche zur Aufnahme eines
Testsubstrats und eine zweite, zur ersten seitlich versetzte Aufnahmefläche
zur Aufnahme eines Kalibriersubstrats, wobei unterhalb des Kalibriersubstrats
zumindest im Bereich der Kalibrierstandards dielektrisches Material
oder Luft angeordnet ist und das Kalibriersubstrat planare Kalibrierstandards
zur Kalibrierung einer Messeinheit des Probers aufweist.
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Stand der Technik
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Chucks
sind spezielle, zur Aufnahme und Halterung von Testsubstraten und
Kalibriersubstraten geeignete Haltevorrichtung, die eine oder mehr ebene
Aufnahmefläche zur direkten oder durch Haltemittel realisierten
indirekten Aufnahme der verschiedenen genannten Substrate umfassen.
Ein Chuck kann neben weiteren Komponenten auch eine Positionierungseinheit
umfassen, welche der Bewegung der Aufnahmefläche dient.
Er ist Bestandteil einer Prüfstation, eines so genannten
Probers, die der Prüfung und Testung der elektronischen
Bauelemente dienen.
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Ein
Prober weist darüber hinaus Prüfspitzen auf, die
von einer Sondenhalterung gehalten werden und zu denen die Aufnahmefläche
und somit ein darauf angeordnetes Substrat zustellbar ist, um einen elektrischen
Kontakt zwischen einem Substrat und den Prüfspitzen herzustellen,
wobei es im Verlauf eines Messablaufs notwendig sein kann, zwischen
der Kontaktierung von Testsubstrat und Kalibriersubstrat zu wechseln.
Ein Prober umfasst des Weiteren eine Kontrolleinheit zur Steuerung
der Messablaufs, der Kontrolle und Regelung der Messbedingungen,
zur Hinterlegung ermittelter oder benötigter Daten in einer
Datenbank und/oder weiterer Aufgaben. Da auch temperaturabhängige
Messungen in einem größeren Temperaturbereich
vorgenommen werden, sind häufig Temperiervorrichtungen
integriert, die der Heizung oder Kühlung des Testsubstrats
dienen. Zur Einstellung einer von der Umgebung abweichenden Messatmosphäre
und/oder zur Begrenzung parasitärer elektromagnetischer
Einflüsse weisen Prober meist auch ein schirmendes Gehäuse
auf.
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Zur
Messung eines Test- oder Kalibriersubstrats werden geeignete Messstellen
auf dem Substrat mittels Prüfspitzen kontaktiert, elektrische
Signale eingespeist und/oder abgegriffen und mittels dieser oder
weiterer, wie z. B. optischer oder mechanischer Signale die physikalischen
Eigenschaften, insbesondere die elektrischen Eigenschaften, des
kontaktierten Bauteils ermittelt.
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Auf
diese Weise werden die verschiedensten elektronischen Bauelemente
geprüft und charakterisiert, auch optische oder mikromechanische
oder andere, die in verschiedenen Herstellungsstadien vorliegen.
So werden sowohl eine Vielzahl, noch im Waferverbund vorliegende
oder auch vereinzelte, teil oder endgefertige Bauelemente in den
Probern verschiedenen Prüfungen und Tests unter verschiedenen
Umgebungs- und Messbedingungen unterworfen. Allgemein werden diese
verschiedenartigen Prüf- oder Testobjekte als Device Under
Test (Device Under Test) oder auch als Testsubstrat bezeichnet, wobei
letzteres von dem Trägersubstrat zu unterscheiden ist,
auf welchem ein Bauelement angeordnet sein kann.
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An
die Prüfvorrichtungen werden je nach zu messendem elektronischen
Bauelement und insbesondere je nach dem für das Bauelement
relevantem Frequenzbereich, d. h. dem Hoch- oder Niederfrequenzbereich,
sehr verschiedene Anforderungen gestellt.
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Im
Hochfrequenz-(HF-)Bereich, dessen untere Grenze sich mit der Entwicklung
der elektronischen Bauelemente stetig zu höheren Frequenzen verschiebt
und die derzeit bei Frequenzen ab ca. 6 GHZ liegt, umfasst die Prüfvorrichtung
einen vektoriellen Netzwerkanalysator (VNA) als Messeinheit. Vektorielle
Netzwerkanalysatoren dienen der präzisen Vermessung verschiedener
elektronischer Bauteile und Komponenten sowie aktiven und passiven Hochfrequenzschaltungen
und Hochfrequenzbaugruppen bis hin zu Antennen.
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In
den Netzwerkanalysatoren werden die Streuparameter (auch S-Parameter)
der Testsubstrate ermittelt, die in der Hochfrequenztechnik übliche Beschreibungsform
des elektrischen Verhaltens von elektronischen Bauteilen und Komponenten.
Diese Beschreibungsform verknüpft nicht Ströme
und Spannungen miteinander, sondern Wellengrößen, was
den physikalischen Gegebenheiten besonders angepasst ist. Eine so
genannte Systemfehlerkorrektur sorgt dafür, dass präzise
Messungen der Streuparameter der Bauteile und Komponenten mit vektoriellen
Netzwerkanalysatoren überhaupt durchführbar sind.
Diese Systemfehlerkorrektur setzt eine präzise Kalibriermessung
von Standards voraus, deren elektronisches Verhalten bekannt oder
im Rahmen der Systemfehlerkorrektur bestimmbar ist.
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Im
NF-Frequenzbereich, in dem mit zunehmender Skalierung der Bauelemente
und kleiner werdenden Leistungsaufnahme Signale bis in Bereiche
von 3 GHz, derzeit maximal 6 GHz verwendet werden, kommen Messverfahren
zur Anwendung, die auf Messungen von Kapazitäten, Spannungen und
Induktionen in diesem Frequenzbereich beruhen. So werden zur Charakterisierung
elektronischer Bauelemente z. B. deren Strom-Spannungs-Kennlinie
mittels Impuls I/V-Messung oder Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie
(CV-Messungen) zur Bestimmung von Ladungsträgerprofilen
ermittelt.
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Bei
diesen Messungen werden deutlich leistungsärmere Messsignale
verwendet, als für die noch vor wenigen Jahren üblichen
Messungen, da selbst eine kleine Leistung zur Zerstörung
des Bauteils oder zu unbrauchbaren Messwerten führen kann.
So erfolgen gepulste Widerstands- und gepulste I/V-Messungen mit
Impulsen von nur 50 Mikrosekunden, sogar bei niedrigen Strömen,
denn kurze Impulse bedeuten, dass weniger Leistung vom elektronischen
Bauelement aufgenommen wird. Auch die Ermittlung des niederfrequenten
Rauschverhal tens (Low Frequency Noise – LFN) z. B. mittels
1/f-Messung dient der Charakterisierung der Bauelemente und erfolgt
bei kleinsten Messsignalen in dem oben genannten Frequenzband. Als
Messeinheit eines Probers können hier verschiedene der
für die jeweilige Messung bekannten Vorrichtungen zur Anwendung
kommen.
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So
können zur Messung von Kalibrierstandards und Testsubstraten
beispielsweise so genannte Source Monitor Units (SMUs), auch als
Source Measurement Units bezeichnet, verwendet werden, die programmierbar
sein können. Eine SMU ist ein präzises Netzteil,
das Spannungsversorgung und -messung mit einer Auflösung
von 1 mV oder weniger sowie Stromversorgung und -messung mit einer
Auflösung von 1 μA oder weniger gestattet. Diese
können auch mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator in
einem Prober miteinander kombiniert werden. So ist in einer Prüfanordnung,
die einen vektoriellen Netzwerkanalysator aufweist, mittels einer
ergänzenden SMU eine präzise Widerstandsmessung
laufend möglich und es können mit einem Prober
Kalibrierungen und Messungen von Testsubstraten über dem gesamten
Frequenzbereich und den interessierenden Temperaturbereich durchgeführt
werden, wenn die HF- und NF-Kalibrierstandards gemeinsam auf dem
Chuck bereitgestellt werden.
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Die
Art der verwendbaren Kalibrierstandards hängt insbesondere
von den Messverfahren ab. Für CV-Messungen beispielsweise
werden Impedanzen mit verschiedenen Abschlüssen, einen
Wellenabschluss von 50 Ω oder einem Kurzschluss oder Leerlauf ähnelnd,
verwendet. Darüber hinaus wird ein verlustarmer Kondensator
verwendet. Letzterer kann z. B. durch einen langen koplanaren Wellenleiter
gebildet sein oder komplexere Strukturen aufweisen, z. B. zwei sich
gegenüber liegende Kammstrukturen um eine höhere
Präzision in der eingestellten Kapazität des Kalibrierstandards
zu erzielen.
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Für
die I/V-Messungen sind verschiedene Widerstände als Kalibrierstandards
erforderlich. Zur Kalibrierung für LFN-Messungen werden
häufig Kalibrierstandards, wie die oben zur CV-Messung
beschriebenen Impedanzen oder aus der Ermittlung der Streuparameter
von elektronischen Bauelementen bekannte Standards oder Dünn-Film-Widerstände verwendet.
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Wesentlichen
Einfluss auf das Kalibrierverfahren haben zum einen die Messumgebung,
wie z. B. das Substrat, auf welchem ein Kalib rierstandards und ein
Bauelemente realisiert sind, das Design der Bauelemente, die konkret
verwendeten Materialien der Metallisierungen auf dem Wafer und andere.
Zur Kalibrierung von Messeinheiten von Probern insbesondere für
Messungen im Waferverbund, den so genannten On-Wafer-Messungen,
haben sich Kalibrierstandards als zweckmäßig erwiesen,
die in planarer, z. B. koplanarer Leitungstechnik auf einem Kalibriersubstrat
ausgebildet sind.
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Als
Kalibriersubstrat sollen im Folgenden sowohl ein separates Trägersubstrat
verstanden sein, das aus verschiedenen Materialien bestehen kann, als
auch ein Wafer mit elektronischen Bauelementen, auf denen ein oder
mehr Kalibrierstandards ausgebildet sind.
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Als
planare Leitungen werden allgemein verschiedene Ausgestaltungen
der Anordnung von Ground- und Signalleitungen beschrieben. Eine
Ausgestaltung planarer Leitungen sind die koplanaren Leitungen.
Bei diesen liegen die Ground- und Signalleitungen in der Ebene.
Hingegen liegen bei so genannten Microstrip- oder Mixed Anordnungen
die Ground- und Signalleitungen in zwei elektrisch voneinander isolierten
Ebenen übereinander.
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Günstigerweise
sind die elektrischen Eigenschaften der Kalibrierstandards bekannt,
um die Kalibrierung der Messanordnung vornehmen zu können.
Andernfalls müssen die unbekannten Standards rechnerisch
ermittelt werden, was einen deutlich größeren
Mess- und Rechenumfang erfordert und nur unter definierten Konstellationen
verschiedener bekannter und unbekannter Standards möglich
ist. Die bekannten oder ermittelten elektrischen Eigenschaften der
Kalibrierstandards sind jedoch mit der jeweiligen Messumgebung,
insbesondere mit der Temperatur, bei der gemessen wurde, und mit
dem Substrat verknüpft, auf dem der Standard ausgebildet
ist. Änderungen in der Messumgebung bewirken Änderungen
der elektrischen Eigenschaften in unbekanntem Umfang.
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Um
den insbesondere bei höheren Frequenzen im GHz-Bereich
nicht mehr zu vernachlässigenden Einfluss der meist metallischen
Aufnahmeplatte des Chucks auf den Kalibrierstandard zu vermindern, wurde
in der
DE 196 39 515
A1 zwischen dem Kalibriersubstrat und der Aufnahmeplatte
ein Abstand eingestellt, der mit Luft oder einem anderen dielektrischen
Fluid gefüllt ist. Mit der dielektrischen Zwischenschicht
soll gewährleistet werden, dass sich bei in der HF-Technik
meist verwendeten koplanaren Kalibrierstandards ein reiner und gut
berechenbarer koplanarer Leitungstyp ausbildet. Denn Untersuchungen
haben gezeigt, dass sich bei höheren Frequenzen längs
der koplanaren Leitungen der Kalibrierstandards infolge einer metallische
Aufnahmeplatte die Feldverteilung von der eines koplanaren Leitungstyps
zur Feldverteilung einer Mikrostreifenleitung verändert.
Dieser als Quasi-Microstrip-Mode bekannte Effekt bewirkt eine Veränderung
der elektrischen Eigenschaften der Kalibrierstandards und so Fehler
in der Systemfehlerkorrektur des Netzwerkanalysators. Jedoch hat
sich gezeigt, dass auch durch die Verwendung von nichtmetallischen
Aufnahmeplatten für das Kalibriersubstrats oder durch das
Zwischenlegen eines speziellen, den Quasi-Microstrip-Mode vermindernden
Absorbers der Verlust über der Leitung eines Kalibrierstandards
nicht auf das erforderliche Maß zu reduzieren ist.
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Zum
anderen ist es häufig erforderlich für die Charakterisierung
der Testsubstrate die mitunter auch extremen klimatischen Bedingungen
einzustellen, unter denen die Bauelemente später zum Einsatz
kommen. Zu diesem Zweck werden in verschieden gestalteten Prüfstationen
die elektronischen Bauelemente durch thermischen Kontakt mit einem temperierbaren
Chuck (
DE 10 2005
015 334 A1 ) oder durch eine auf das Bauelement gerichtete,
temperierte Fluidströmung (
DE 10 2006 038 457 A1 ,
DE 10 2006 015 365
A1 ) auf eine von der Raumtemperatur abweichende Messtemperatur
eingestellt.
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Um
eine Kalibrierung vornehmen zu können, werden gegenwärtige
Kalibriermessungen mit Kalibrierstandards durchgeführt,
die ausschließlich unter Raumtemperatur vermessen werden,
um die Genauigkeit der Kalibriermessungen zu gewährleisten. Dazu
ist es erforderlich, die Kalibrierstandards von dem im unmittelbar
zeitlichen und räumlichen Zusammenhang zu messenden Bauelement
thermisch zu entkoppeln (J. E. Pence, R. Anholt „Calibration and
measurement considerations for deriving accurate temperature dependent
equivalent circuits" ARFTG Microwave Measurements Conference-Spring,
41st, 1993, pp. 85–92). Damit können zwar
Kalibrierstandards verwendet werden, deren elektrisches Verhalten
bekannt ist, aber eine Berücksichtigung der tatsächlichen
thermischen Verhältnisse am Testsubstrat ist nicht möglich.
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Darüber
hinaus kann eine thermische Entkopplung des Testsubstrats und des
Kalibriersubstrats unter anderem wegen der aufeinanderfolgenden Kontaktierung
durch dieselben Prüfspitzen nicht gewährleistet
werden. So wirkt jede Prüfspitze, die zunächst
mit einem beispielsweise 200°C warmen Testsubstrat in mechanischem
und folglich auch thermischem Kontakt steht und danach ein Kalibrierstandard
kontaktiert, als Wärmeüberträger zwischen
beiden Substraten.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Es
wird vorgeschlagen, entgegen der bisherigen Verfahrensweise mittels
des nachfolgend beschriebenen Chucks das Testsubstrat und das Kalibriersubstrat
miteinander thermisch zu verknüpfen, so dass der thermische
Einfluss der Messbedingungen, unter denen das Testsubstrat gemessen
wird, auf das elektrische Verhalten von bekannten und unbekannten
Kalibrierstandards berücksichtigt wird. Dies erfolgt sowohl
für separate Kalibriersubstrate als auch für Kalibrierstandards,
die auf demselben elektrischen System ausgebildet sind, auf dem
auch die zu messenden Bauelemente vorliegen.
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Die
Einstellung der Temperatur des Kalibriersubstrats mittels der das
Kalibriersubstrat aufnehmenden Aufnahmefläche auf eine
definierte Temperatur, ermöglicht es, die klimatischen
Verhältnisse von Testsubstrat und Kalibriersubstrat einander
anzugleichen und so die damit verknüpften Änderungen der
elektrischen Eigenschaften der Kalibrierstandards in das Kalibrierverfahren
einzubeziehen. Infolge der Angleichung der thermischen Verhältnisse von
Testsubstrat und Kalibriersubstrat ist auch eine Beeinflussung durch
die Prüfspitzen zu vermeiden, die in den bekannten, thermisch
entkoppelten Verfahren in nicht zu vernachlässigendem Umfang
als Wärmeträger zwischen Bauelement und Kalibrierstandard
wirken würden.
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Infolge
der Temperierung, d. h. Heizung oder Kühlung des Kalibriersubstrats
auf eine definierte Temperatur, meist die des Testsubstrats, über
die Aufnahmefläche werden auch die mit einer Temperaturänderung
einhergehenden und mit höheren Frequenzen zunehmenden Änderungen
des Messsystems, insbesondere auch die elektrischen und magnetischen
Eigenschaften der dielektrischen Kalibriersubstrate berücksichtigt.
Denn dessen Eigenschaften haben unmittelbar Einfluss auf die elektrische Länge
eines darauf ausgebildeten Kalib rierstandards.
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Die
Einstellung der Temperatur der Aufnahmefläche für
das Kalibriersubstrat kann auf verschiedene Weise erfolgen. So ist
ein Nachführen der Temperatur über eine thermische
Kopplung zwei getrennter, die beiden Aufnahmeflächen bildender
Aufnahmeplatten mittels Wärmeleiter ebenso möglich,
wie die Ausführung von erster und zweiter Aufnahmefläche
in einer gemeinsamen, einstückigen Aufnahmeplatte. Welche
Ausgestaltung des Chucks zur Anwendung kommt, hängt z.
B. von der Temperiervorrichtung der ersten, das Testsubstrat aufnehmenden Aufnahmefläche
und dem Temperaturbereich der Messung ab. Auch die Wärmeleiteigenschaften
des Materials der die erste Aufnahmefläche bildenden ersten
Aufnahmeplatte, welches wiederum von den einzustellenden elektrischen
und magnetischen Eigenschaften in einem relevanten Frequenzbereich abhängt,
sind für die Ausgestaltung der thermischen Kopplung zu
berücksichtigen.
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So
ermöglicht die Verwendung von Wärmeleitern den
Einsatz unterschiedlicher Materialien für beide die Aufnahmeflächen
bildenden Aufnahmeplatten, wobei als Wärmeleiter Verbinder
zwischen beiden Aufnahmeplatten mit für den relevanten
Temperaturbereich solchen Wärmeleitungseigenschaften verstanden
wird, dass ein Ausgleich der Temperatur innerhalb einer bestimmten
Zeit herstellbar ist. Auch in diesem Fall sind neben den verwendeten
Materialien wiederum die Massenverhältnisse beider Aufnahmeplatten
zu berücksichtigen. Allgemein ist es erforderlich, dass
die erste Aufnahmeplatte, die das Testsubstrat aufnimmt, thermisch
stabil ist, dass die Temperaturänderung im Verlauf eines
Messablaufs beispielsweise kleiner oder gleich 0,5% beträgt.
Eine im Vergleich zur ersten relativ große zweite Aufnahmeplatte
würde dieser Forderung entgegen stehen oder es sind lange
Wartezeiten erforderlich bis zur Einstellung des thermischen Gleichgewichts.
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Da
neben Kohlenstoff Metalle gute Wärmeleiter sind, ist eine
Ausgestaltung mit metallischen Aufnahmeplatten oder Verbindern insbesondere
auf Anwendungsfälle mit solchen Frequenzen ausgerichtet,
bei denen der Einfluss der metallischen oder metallische Bestandteile
enthaltenden Aufnahmeplatten auf das elektrische Verhalten gering
ist. Alternativ ist auch ein besonderer, z. B. mehrschichtiger Aufbau der
Aufnahmeplatte möglich, in Verbindung mit einem solchen
Messregime, welches die Einstellung des gewünschten thermischen
Gleichgewichts zwischen beiden Platten ermöglicht.
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In
einer weiteren alternativen Ausgestaltung sind separate Vorrichtungen
zur Einstellung der Temperatur beider Aufnahmeflächen integriert.
In dieser Ausgestaltung verliert die Wärmeleitung an Bedeutung,
so dass auch andere, weniger gut wärmeleitende Materialien
verwendet werden können, z. B. wenn die eine oder zwei
Aufnahmeplatten von einem Heiz- oder Kühlmittel durchströmt
wird. Mittels separater Vorrichtungen zum Heizen oder Kühlen
der Aufnahmeplatten sind darüber hinaus getrennte Temperaturregimes
beider Aufnahmeplatten zu fahren, wofür auch eine aufeinander
abgestimmte Regelung verwendet werden kann.
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Aufgrund
der sehr präzise einstellbaren thermischen und dielektrischen
Eigenschaften können für die verschiedenen beschriebenen
Ausgestaltungen und dabei entweder für die gemeinsame oder
die erste und/oder die zweite Aufnahmeplatte keramische Materialien
verwendet werden.
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Die
thermische Kopplung schließt des Weiteren ein, dass für
eine oder beide Aufnahmeplatten solche Ausgestaltungen verwendet
werden können, bei denen zumindest unterhalb des Kalibriersubstrats eine
Ausnehmung in angeordnet ist. Diese Ausnehmung kann mit einem dielektrischen
Material, z. B. ebenfalls einem keramischen oder einem anderen geeigneten
Material ausgefüllt sein oder leer bleiben und eine Luftkammer
unter dem jeweiligen Substrat bilden. In beiden Fällen
wird eine Minimierung des Einflusses der Aufnahmeplatte auf die
Kalibrierung und gegebenenfalls auch die Messung des Testsubstrats
erzielt. Ein vergleichbarer Effekt wird durch eine zweite Aufnahmeplatte
erreicht, die in einer Ausnehmung der ersten Aufnahmeplatte angeordnet
ist, wobei auch hier die zweite Aufnahmeplatte die Ausnehmung vollständig
ausfüllen oder lediglich nach oben hin begrenzen kann.
Letztere Ausführungsform kann zum Beispiel verwendet werden,
wenn die Stabilität des Kalibriersubstrats durch die zweite
Aufnahmeplatte verbessert werden soll.
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Verbleibt
in einer oder gegebenenfalls in zwei Ausnehmungen jeweils eine Luftkammer
kann diese zur Temperierung des Kalibriersubstrats und/oder des
Testsubstrats von einem geeignetem Kühl- oder Heizfluid
durchflossen werden. Sowohl mittels der Wahl des Materials eines
flüssigen oder gasförmigen Fluids als auch mittels
der Gestaltung der Luftkammer mit Fluidzufluss und Fluidabfluss und
so mittels der Durchströmung der Luftkammer können
die Aufnahmeplatten verschiedenen Anwendungsfällen hinsichtlich
der elektrischen und der thermischen Anforderungen angepasst werden.
So kann in verschiedenen Ausgestaltungen eine Strömung entlang
oder in Richtung der Rückseite eines Substrats erfolgen
oder eine auf das Kalibriersubstrat gerichtete Strömung
vermieden werden, z. B. indem der Fluidzufluss und Abfluss entfernt
vom und ohne Richtungskomponente zum Kalibriersubstrat erfolgt oder indem
die Luftkammer mit einem dünnen Dielektrikum verschlossen
ist.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Kalibriersubstrat mittels
geeigneter Haltemittel über der zum Kalibriersubstrat hin
offenen Luftkammer gehalten, so dass das Fluid direkt am Kalibriersubstrat
anliegt.
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Mittels
eines durch die Luftkammer strömenden Fluids ist sowohl
bei zum Substrat hin geschlossener als auch offener Luftkammer die
Messtemperatur des Substrats und so des Kalibrierstandards sowie
des elektronischen Bauelements reproduzierbar und sehr schnell einstellbar,
da über die Wahl des Fluids, über dessen Vorlauftemperatur,
d. h. der Differenz zwischen der Temperatur des Fluids und der einzustellenden
Temperatur des Bauelements, und über die zeitnah regelbaren
Parameter der Strömungsgeschwindigkeit und Einwirkzeit
der Wärmeaustausch sehr gut zu definieren und zu regeln
ist. Zum anderen ist es möglich durch eine definierte Strömungsrichtung
und -geschwindigkeit einen guten Wärmeaustausch zwischen
dem Fluid und dem Kalibriersubstrat zu realisieren. Auch die erforderliche Einstellzeit
ist zu verringern, da im Wesentlichen nur das Kalibriersubstrat
temperiert wird.
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Die
Wahl des Fluids hängt neben der Messaufgabe, die beispielsweise
auch eine aktive Kühlung während Messung vorsehen
kann, vom Bauelement, der Einspeisung und dem Abgriff der Signale und
der weiteren Messumgebung ab. So wird in vielen Anwendungsfällen
wegen seines einfachen Handlings Luft eingesetzt werden. Aber auch
Flüssigkeit ist verwendbar, wenn die elektrischen Kontakte
räumlich getrennt von der Fluidströmung sind.
Die Flüssigkeit hat den Vorteil, dass sie eine höhere
Wärmekapazität aufeist, wodurch gerin gere Fluidmengen für
die gleiche Temperaturdifferenz erforderlich sind.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden. Die zugehörigen
Zeichnungen zeigen in
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1 eine
schematische und vergrößerter Darstellung des
Teils eines Chucks, welcher ein Kalibriersubstrat aufnimmt, mit
einer von einem gasförmigen Fluid durchströmten
Luftkammer unter dem Kalibriersubstrat;
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2 eine
schematische und vergrößerter Darstellung der
zweiten Aufnahmefläche eines Chucks, welche ein Kalibriersubstrat
aufnimmt und durch eine separate Aufnahmeplatte gebildet ist, die in
thermischen Kontakt mit der ersten Aufnahmeplatte steht;
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3 eine
schematische und vergrößerter Darstellung des
Teils eines Chucks, welcher ein Kalibriersubstrat aufnimmt, mit
einer ersten und einer zweiten Aufnahmeplatte und einer dielektrisch
gefüllten Ausnehmung in der zweiten Aufnahmeplatte unter
dem Kalibriersubstrat;
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4 eine
schematische Darstellung eines Chucks mit zwei Aufnahmeplatten die
zwei Luftkammern in einer Hauptplatte verschließen und
eine erste und zweite Aufnahmefläche bilden;
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5 eine
schematische Darstellung eines Chucks mit einer gemeinsamen Aufnahmeplatten, die
eine erste und zweite Aufnahmefläche bildet und mit einem
Dielektrikum ausgefüllte Ausnehmung aufweist; und
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6 eine
Prüfstation mit einem Chuck gemäß 1.
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Die
in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen sollen
eine beispielhafte und keinesfalls eine beschränkende Darstellung
der Erfindung sein. Insofern in den verschiedenen Figuren übereinstimmende
strukturelle Komponenten dargestellt wurden, sind sie mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Der
Chuck gemäß 1 umfasst
eine Bewegungseinrichtung 1, mit welcher Testsubstrat 10 und Kalibriersubstrat 8 gemeinsam
relativ zu über den Substraten angebrachten Prüfspitzen
(nicht dargestellt) bewegt werden können, um die Kontaktierung durch
die Prüfspitzen vorzunehmen. Eine Bewegung des Chucks erfolgt,
in Abhängigkeit von den möglichen Bewegungen der
Prüfspitzen zumindest in X- und in Y-Richtung, häufig
auch zusätzlich in Z-Richtung sowie um eine senkrechte
Drehachse, als Drehbewegung φ bezeichnet. Die Bewegungseinrichtung 1 bewegt
eine Grundplatte 2, auf der eine erste Aufnahmeplatte 4 und
daneben eine zweite Aufnahmeplatte 6 angeordnet sind. Der
obere Abschluss der ersten Aufnahmeplatte 4 bildet die
erste Aufnahmefläche 3 und der obere Abschluss
der zweiten Aufnahmeplatte 6 die zweite Aufnahmefläche 5.
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Auf
der ersten Aufnahmefläche 3 wird z. B. mittels
Vakuumansaugung ein Testsubstrat 10 gehalten. Die zweite
Aufnahmeplatte 6 hält ein Kalibriersubstrat 8 auf
der zweiten Aufnahmefläche 5. Beide Aufnahmeplatten 4, 6 bestehen
aus einem metallischen Werkstoff. Alternativ können sie
auch aus einem dielektrischen Material, z. B. Keramik bestehen. Sie
sind so ausgebildet und auf der Grundplatte 2 angeordnet,
dass die oberen Flächen des Testsubstrats 10 und
des Kalibriersubstrats 8 auf gleicher Höhe (Z-Richtung)
liegen. Der Höhenausgleich kann z. B. über höhenvariable
Distanzstücke 12 unter der zweiten Aufnahmeplatte 6 realisiert
werden, die gleichzeitig eine Austauschbarkeit der zweiten Aufnahmeplatte 6 ermöglichen.
Alternativ oder ergänzend kann auch die erste Aufnahmeplatte 4 höhenverstellbar sein.
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Die
zweite Aufnahmeplatte 6 weist eine zentrale Ausnehmung 13,
im dargestellten Ausführungsbeispiel als Durchgang ausgeführt,
die eine Luftkammer 14 in der zweiten Aufnahmeplatte 6 bildet. Über der
oberen Öffnung der Luftkammer 14 wird mittels einer
Substrathalterung 16 das Kalibriersubstrat 8 gehalten,
indem die Substrathalterung 16 das Kalibriersubstrat 8 ringsum
umfasst und im Randbereich der Ausnehmung 13 auf der zweiten
Aufnahmeplatte 6 aufliegt. Die Ausnehmung 13 ist
in Gestalt und Fläche geringfügig größer
als das Kalibriersubstrat 8, so dass die Ausnehmung 13 durch
das Kalibriersubstrat 8 und die Substrathalterung 16 nach
oben verschlossen ist. Die Substrathalterung 16 kann als
Adapter dienen, um verschiedene Größen von Kalibriersubstraten 8 der
Fläche der Ausnehmung 13 anzupassen und kann auch
so gestaltet sein, dass es die Luftkammer 14 nach oben
nicht vollständig schließt. In vergleichbarer
Weise können auch mehr als ein Kalibriersubstrat mittels
einer oder mehr Substrathalterungen 15 über einer
oder mehr Ausnehmungen 13 angeordnet sein oder eine Substrathalterung 16 ganz entfallen,
wenn das Kalibriersubstrat 8 direkt auf den Randbereich
der Ausnehmung 13 aufliegen kann.
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Die
im dargestellten Ausführungsbeispiel verwendete zweite
Aufnahmeplatte 6 gestattet aufgrund der sich vollflächig
unterhalb des Kalibriersubstrats 8 ausdehnenden Luftkammer 14 zum
einen nahezu ideale Verhältnisse zur Ausbildung und Berechnung
eines koplanaren Leitungstyps und gleichzeitig die Möglichkeit
der Temperierung des Kalibriersubstrats 8 durch die vollflächige
Unterspülung mittels eines auf eine definierte Temperatur
eingestellten Fluids. Das Fluid (durch Pfeile dargestellt) wird
durch den Zwischenraum 18 zwischen der zweiten Aufnahmeplatte 6 und
der Grundplatte 2 in die Luftkammer 14 geleitet,
umspült die Unterseite des Kalibriersubstrats 8 vollflächig
und entweicht durch den Zwischenraum 18 wieder in die Umgebung.
Aufgrund dieser über den Zwischenraum 18 zur Umgebung
hin offenen Ausgestaltung dient temperierte Luft oder ein anderes
Arbeitsgas als Fluid.
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Alternativ
kann die Luftkammer 14 nach oben und/oder nach unten geschlossen
sein und einen oder mehr Zuflüsse sowie Abflüsse
für das Fluid aufweisen mit entsprechenden Zu- und Ableitungen. Dabei
gewährleisten insbesondere der obere Verschluss eine gute
Wärmeübertragung vom Fluid in der Luftkammer 14 zum
Testsubstrat 8. Zur Einstellung einer einheitlichen Temperatur
von Kalibrier- und Testsubstrat 8, 10 können
in einer Ausgestaltung auch beide Aufnahmeplatten 4, 6 von
einem temperierten Fluid durchflossen werden.
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Das
Kalibriersubstrat 8 ist dem Testsubstrat 6 in
Material und Dicke angepasst, im Ausführungsbeispiel ein
Silizium-Wafer. Auf dem Kalibriersubstrat 8 sind Kalibrierstandards 9 in
koplanarer Leitungstechnik ausgebildet, zum einen Kalibrierstandards 9 mit
Transmissionspfad (Leitungsstandard) und zum anderen ohne Transmissionspfad
(Reflexionsstandards). Alternativ können auch Widerstands- und/oder
Kapazitätsstrukturen ausgebildet sein, die der Kalibrierung
im niederfrequenten Bereich dienen. Art, Lage und Anzahl der jeweiligen
Kalibrierstandards 9 wird, wie oben beschrieben, durch
das verwendete Kalibrierverfahren bestimmt. Durch die Lage der Kalibrierstandards 9 auf
dem Kalibriersubstrat 8 und ergänzend durch die
Halterung durch einen Substrathalterung 16 besteht ein
genügend großer seitlicher Abstand zwischen einem
auf dem Kalibriersubstrat 8 ausgebildeten Kalibrierstandard 9 zur zweiten
Aufnahmeplatte 6.
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Der
Chuck in 2 weist den gleichen grundlegenden
Aufbau aus Grundplatte 2 und zwei Aufnahmeplatten 4, 6 auf,
wie jener in 1, so dass bezüglich
der übereinstimmenden Konstruktion auf 1 verwiesen
wird. Er unterscheidet sich von dem in 1 durch
eine massive Gestaltung der zweiten Aufnahmeplatte 6 ohne
Ausnehmung. Beide Aufnahmeplatten 4, 6 sind über
jeweils ein großflächiges Distanzstück 12 mit
der Grundplatte 2 verbunden. Die Distanzstücke 12 stellen
gleichzeitig eine thermische Verbindung zur Grundplatte 2 dar,
die über eine geeignete Temperiervorrichtung (nicht dargestellt) verfügt,
um beide Aufnahmeplatten 4, 6 durch Heizung und/oder
Kühlung auf eine übereinstimmende Temperatur einzustellen.
Beide Aufnahmeplatten 4, 6 bestehen aus einer
Keramik, deren Wärmeleitfähigkeit und elektrische
Leitfähigkeit entsprechend des Temperaturbereichs der Messung
und der elektromagnetische Anforderungen der Messanordnung durch eine
geeignete Materialzusammensetzung abgestimmt sind.
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Ein
Kalibriersubstrat 8 mit mehreren koplanaren Kalibrierstandards 9,
z. B. Widerständen und Kapazitäten, ist flächig
auf der zweiten Aufnahmeplatte 6 angeordnet und wird über
den Flächenkontakt ebenso temperiert, wie das Testsubstrat 10,
welches auf der ersten Aufnahmeplatte 4 liegt.
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3 stellt
eine weitere alternative Ausgestaltung der zweiten Aufnahmeplatte 6 gemäß 1 dar.
Im Gegensatz zu 1 ist in 3 die Ausnehmung 13 mit
einem dielektrischen Material gefüllt. In 3 erstreckt
sich die Ausnehmung 13 und deren Einla ge 15 über
die gesamte Dicke der zweiten Aufnahmeplatte 6. Auch hier
kann die Ausnehmung 14 und/oder die Einlage 15 nur
einen Teil der Dicke der zweiten Aufnahmeplatte 6 einnehmen.
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In
der Einlage 15 sind im oberen, dem Kalibriersubstrat 8 zugewandten
Bereich Leitungen 20 eingelassen, die durch Kühl-
oder Heizmittel durchflossen werden zur Temperierung des Kalibriersubstrats 8.
Das Kalibriersubstrat liegt flächig auf der Einlage 15 auf
und wird durch eine Substrathalterung 16 fixiert. Bezüglich
der weiteren, zum Chuck gemäß 1 übereinstimmenden
Ausgestaltungen wird auf die obigen Darlegungen verwiesen.
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4 stellt
einen Chuck dar, dessen erste und zweite Aufnahmefläche 3, 5 durch
eine gemeinsame Aufnahmeplatte 7 gebildet wird. Diese ist
mittels einer Bewegungseinrichtung 1 beweglich, um die Positionierung
der Substrate 8, 10 zu Prüfspitzen (nicht
dargestellt) wie zu 1 beschrieben auszuführen.
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In
der gemeinsamen Aufnahmeplatte 7 sind in den Bereichen
einer ersten Aufnahmefläche 3 und einer zweiten
Aufnahmefläche 5, Ausnehmungen 13 eingebracht,
die beide durch Einlagen 15 nach oben abgedeckt sind. Die
Einlagen 15 weisen ein im Vergleich zur gemeinsamen Aufnahmeplatte 7 geringe Dicke
auf und liegen in einer Nut auf, so dass die Ausnehmungen vollständig
verschlossen sind. Die Dicke der Einlagen 15 ist in Abhängigkeit
von der Festigkeit ihres Materials so gewählt, dass sie
der Kraft, die bei der Kontaktierung der Substrate mit einer Mehrzahl
von Prüfspitzen (nicht dargestellt) auf die Einlagen 15 ausgeübt
wird, sicher widerstehen. Auf den Einlagen 15 sind das
Testsubstrat 10 und das Kalibriersubstrat 8 angeordnet.
-
Die
beiden Ausnehmungen 13 unter der ersten und der zweiten
Aufnahmefläche 3, 5 erstrecken sich nicht
durch die gesamte gemeinsame Aufnahmeplatte 7, so dass
Hohlräume, hier ebenfalls wieder Luftkammern 14 gebildet
sind. Die Luftkammern 14 sind durch Leitungen 22 miteinander
verbunden, so dass ein in einen Zulauf 23 eingespeistes,
temperiertes Fluid (durch Pfeile dargestellt) beide Luftkammern 14 durchströmt,
infolge dessen beide Substrate 8, 10 temperiert
und durch einen Ablauf 24 wieder austritt. Alternativ ist
auch eine Trennung beider Luftkammern 14 mit getrenntem
Fluidfluss möglich.
-
Auch
der Chuck gemäß 5 weist
eine gemeinsame Aufnahmeplatte 7 auf, die mittels einer Bewegungseinrichtung 1 beweglich
ist. Die gemeinsame Aufnahmeplatte 7 weist eine Ausnehmung 13 auf,
die sich von der Oberseite der gemeinsamen Aufnahmeplatte 7 beispielhaft
etwa bis in die Mitte der Plattendicke erstreckt und mit einer dielektrischen
Einlage 15 gefüllt ist. Auf der Unterseite der gemeinsamen
Aufnahmeplatte 7 ist eine Heizung 26 angeordnet
zur Einstellung der Temperatur der gemeinsamen Aufnahmeplatte 7 und
damit eines Test- und Kalibriersubstrats 10, 8.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kalibrierstandards
(nicht näher dargestellt) auf dem Wafer angeordnet, auf
dem auch die zu prüfenden elektronischen Bauelemente ausgebildet sind,
so dass der Wafer gleichzeitig Test- und Kalibriersubstrat 10, 8 ist.
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Der
Wafer liegt auf der Einlage 15 vollflächig auf,
welche in dieser Ausgestaltung erste und zweite Aufnahmefläche 3, 5 bildet,
wobei die Lage der jeweiligen Aufnahmefläche durch die
Position der Kalibrierstandards und der elektronischen Bauelemente auf
dem Wafer definiert ist und von Fall zu Fall variieren kann. In 5 sind
erste Aufnahmefläche 3 und zweite Aufnahmefläche 5 lediglich
zur Verdeutlichung und beispielhaft dargestellt.
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Bei
den oben genannten alternativen Ausgestaltungen der ersten und/oder
zweiten Aufnahmeplatte 4, 6 können anstelle
der beschriebenen auch andere oder soweit nicht beschrieben bekannte
Möglichkeiten zur Halterung des Kalibriersubstrats 8 verwendet
werden. Die Substrathalterung sollte wenn möglich so gestaltet
sein, dass für alle für ein Kalibrierverfahren
verwendete Kalibrierstandards unterhalb des Kalibrierstandards vergleichbare
dielektrische Verhältnisse hergestellt werden können,
insbesondere das Material von Standard zu Standard gleich bleibt.
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Eine
Prüfung eines Testsubstrats mit Kalibrierung kann unter
Verwendung eines der zuvor beschriebenen Chucks in einer Prüfstation
erfolgen, deren grundsätzlicher Aufbau beispielhaft in 6 dargestellt
ist.
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Eine
solche Prüfstation umfasst einen Chuck, z. B. einen gemäß 1,
der eine erste und eine zweite Aufnahmeplatte 4, 6 aufweist, die
auf einer Grundplatte 2 montiert sind und das Testsubstrat 10 und
das Kalibriersubstrat aufnehmen können. Zur konkreten Ausgestaltung
des Chucks wird auf die Darlegungen zu 1 verwiesen,
wobei die gleichen Strukturkomponenten mit den gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet sind.
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Die
Prüfstation umfasst des Weiteren Prüfspitzen 34,
die von einer Sondenhalterung 28 über den Aufnahmeplatten 4, 6 des
Chucks gehalten werden. Sie sind mittels Kabel 36, im Ausführungsbeispiel über
eine optionale Signalvorverarbeitungseinheit 30, mit einer
Signaleinheit (nicht dargestellt) verbunden. Die Prüfspitzen
sind der jeweiligen Messung angepasst, insbesondere in ihrer Ausgestaltung
als HF- oder NF-Prüfspitzen. Sie sind mit einer Messeinheit 44,
z. B. einem Netzwerkanalysator oder einer SMU verbunden.
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Im
Ausführungsbeispiel umfasst der Chuck als Bewegungseinrichtung 1 z.
B. einen motorisch oder manuell angetriebenen X-Y-Kreuztisch, einen Z-Hub
und eine Drehvorrichtung zum Drehen des Chucks um eine senkrecht
zur Aufnahmefläche stehende Drehachse. Damit sind eine
Positionierung der Substrate 8, 10 genau unter
einer Anordnung von Prüfspitzen 34 in der X-Y-Ebene
sowie die Winkelausrichtung von beiden zueinander und nachfolgend
eine Zustellbewegung zwischen den Substraten 8, 10 und
den Prüfspitzen 34 in Z-Richtung bis zur Herstellung
des Kontakts möglich. Alternativ kann zumindest die Zustellbewegung
in Z-Richtung oder eine Feinausrichtung zueinander auch durch eine
ergänzende Positionierungsvorrichtung der Sondenhalterung 28 ausgeführt
werden.
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Ein
den Chuck und die die Substrate 8, 10 sowie die
Prüfspitzen 34 umgebendes Gehäuse 32 aus
einem elektrisch leitfähigen Material, das auf Groundpotential
gelegt wird, realisiert eine thermische Abschirmung gegenüber
der Umgebung zur Einstellung und zur Stabilisierung der eingestellten Temperaturen
sowie eine EMV-Abschirmung, sofern für die betreffende
Messung erforderlich. Im Zusammenhang mit einer speziellen Gestaltung
der Grundplatte oder ersten und/oder zweiten Aufnahmeplatte 4, 6 des
Chucks, z. B. mit einem mehrlagigen Aufbau aus wechselnden elektrisch
leitfähigen und dielektrischen Schichten und der Schaltung
gezielter Potentiale an den leitfähigen Schichten ist auch
ein triaxialer Messaufbau realisierbar, so dass selbst kleinste Signale
oder Signalmodulati onen messbar sind. Ein technisch gleichwertiger
triaxialer Aufbau ist auch für die Prüfspitzen 20 und
deren Halterungen anwendbar.
-
Zur
Temperierung der Aufnahmeplatten 4, 6 mittels
einer Fluidströmung ist im Ausführungsbeispiel
seitlich der Aufnahmeplatten eine Gaszufuhr 40 angeordnet,
die mit einer Gasquelle verbunden sind, welche das erforderliche
Gasgemisch mit der gewünschten Temperatur bereitstellt.
Das zwischen der Aufnahmeplatten 4, 6 und der
Grundplatte 2 sowie durch die Luftkammern in beiden Platten
(nicht dargestellt) durchströmende Gas wird danach durch eine
Gasabsaugung 42 aufgenommen, konditioniert und wieder zur
Verfügung gestellt. Mittels eines gasdichten Gehäuses 32 sind
auch verschiedene Drücke einstellbar.
-
Mittels
einer mikroskopischen Beobachtungseinheit 38 ist die Kontaktierung
der Substrate 8, 10 und die Messung zu beobachten.
-
- 1
- Bewegungseinrichtung
- 2
- Grundplatte
- 3
- erste
Aufnahmefläche
- 4
- erste
Aufnahmeplatte
- 5
- zweite
Aufnahmefläche
- 6
- zweite
Aufnahmeplatte
- 7
- gemeinsame
Aufnahmeplatte
- 8
- Kalibriersubstrat
- 9
- Kalibrierstandard
- 10
- Testsubstrat
- 12
- Distanzstück
- 13
- Ausnehmung,
- 14
- Luftkammer
- 15
- Einlage
- 16
- Substrathalterung,
Haltemittel
- 18
- Zwischenraum
- 20
- Leitung
- 23
- Zulauf
- 24
- Ablauf
- 26
- Heizung
- 28
- Sondenhalterung
- 30
- Signalvorverarbeitungseinheit
- 32
- Gehäuse
- 34
- Prüfspitzen
- 36
- Kabel
- 38
- Beobachtungseinheit
- 40
- Gaszufuhr
- 42
- Gasabsaugung
- 44
- Messeinheit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19639515
A1 [0018]
- - DE 102005015334 A1 [0019]
- - DE 102006038457 A1 [0019]
- - DE 102006015365 A1 [0019]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - J. E. Pence,
R. Anholt „Calibration and measurement considerations for
deriving accurate temperature dependent equivalent circuits” ARFTG
Microwave Measurements Conference-Spring, 41st, 1993, pp. 85–92 [0020]