プロセス効率を向上させ、歩留まりを最適化するためのカスタマイズされたウェハーテストソリューション

 

グラフェンは二次元（2D）材料であり、炭素原子がハニカムパターンで密に結合した単一層です（図1参照）。これは世界で最も導電性の高い材料の一つであり、グラフェンで作られた電子機器は非常に少ない電力損失しか示しません。

理解できることですが、グラフェンベースの部品にはかなりの市場があります。ピッカリングの顧客の一つは、この材料を半導体基板上に直接成長させることができる技術を開発しており、これにより従来の製造プロセスを適用することが可能になります。

同社が初期に製造し、現在も製造しているデバイスの1つは、位置、速度、移動/回転の方向を検出するなどの磁場センシング用途向けのものです。グラフェンの使用により、このセンサーは磁場に対して非常に高い応答性を示し、温度に対して優れた線形性を示します。

図1 – グラフェン協議会は、グラフェンを人類が知る中で最も薄い材料（非常に薄いため2次元材料と見なされる）、これまでに測定された中で最も強い材料、最良の電気伝導体、センサーや電子機器に最適な材料、そして最良の熱伝導体（ダイヤモンドよりも優れており、ダイヤモンドもグラフェンと同じく炭素材料である）と説明している。

 

ウェーハテスト

センサーは直径2インチのウェハー上で製造されています。当初、センサーダイは比較的大きく、1枚のウェハーから得られるダイはわずか60個でした。ジオメトリの縮小後、同じウェハーに今では1,200個のダイを配置できるようになりました。これは規模の経済の観点だけでなく、磁場センサーをより小型化できるため、最終的な用途の面でも良いニュースです。具体的には、ダイは3x3mmのQFNパッケージに収まるようになりましたが、それ以前は10x10mmのQFNパッケージを使用しなければなりませんでした。

しかし、ダイが小さくなり（ウェハーあたり20倍多くなる）ことで、テストは大きな課題となり、同社は自動化に頼らざるを得なくなった。最初に下された決定は、市販の半導体ウェハーテストシステムを購入するか、自社で構築するかということだった。市販品はすぐに除外された。初期の指標では納期が18か月と示されており、これは同社の野心的な目標にとってはあまりにも長すぎたうえに、テスト自体もまだ開発されていなかった。別の言い方をすれば、同社がグラフェン構造のテスト方法をまだ模索している段階で、市販の自動テスト装置（ATE）ソリューションの要件をどのように指定できるだろうか、ということだ。

ジグ、プローブ、スイッチギア、テスト機器などの市販サブアセンブリを使用して、ATEを社内で構築することが決定されました。これにより、より迅速で柔軟なソリューションが得られます。また、グラフェンベースのデバイスを求める市場に対応する成長中の企業として、スケーラビリティが重要となります。ATEは拡張に対応する必要があり、それは広範なポートフォリオを持ち、オープンスタンダードへの取り組みをしている機器サプライヤーとの協力を意味します。

 

テスト

プロトタイプのATEは2022年10月末までに構築され稼働し、2023年5月に量産投入されました。ATEにはステッピングモーターで移動するテストベッドがあり、会社はこれを使ってウェハ上を移動することができます。ダイテストでは、4本のプローブがダイに接触し、その4つの信号はPickering Interfacesが提供する高密度リードリレーマトリックスカード（図2参照）に入力されます。

図2 – ピカリングの22 x 8マトリクス1極（スクリーン付き）カードは、高信頼性のリードリレー（ピカリングエレクトロニクス製）を使用しており、100Vまでのスイッチングが可能で、最大1.2A（最大電力 = 20W）まで対応し、動作時間はわずか0.5msです。

その会社は、1つのダイごとにいくつかのテスト（現在約30まで）を行います。それぞれのテストでは、特定の大きさと極性の電流や電圧などの刺激が、マトリックスカードを通して設定時刻にプローブに切り替えられます。ATE（自動試験装置）は、ダイの近くに磁気刺激を加えることもできます。同じマトリックスカードが使用され、プローブからの信号を適切な計測装置へ送り分けます。

テストは、社内ソフトウェアを実行しているPCによって制御されます。多くのテストは品質管理の目的で行われており、出荷されるセンサーのデータシートに示された制限内でダイの特性があることを確認します。その他のテストはプロセスの改善のために行われ、つまり製造プロセスの調整の効果を評価するものであり、リアルタイムの測定結果や読み取り値を社内で共有することができます。

同社のプロセス改善テストはゲート方式になっており、特定のダイは追加のテスト（磁気刺激の適用を含む）を受ける前に、いくつかの基本的な電気テスト（約10秒から15秒かかる）に合格する必要があります。これにより、テスト時間にさらに約5秒が追加されます。しかし、リピート測定を含む完全なテストセットは最大で50秒かかることがあります。また、テストはウェハー上の疑似ランダムな位置で実行でき、結果に応じてテストを中止したり、継続したり、その場で再設定したりすることが可能です。

理解できることとして、すべての1,200のダイに対して完全なテストセットを適用する場合、ウェハの全体的なテスト時間を合理的にするためには、マトリックスカードは高速で駆動する必要があります。前述のように、リードリレーの動作時間はわずか0.5msですが、現在、同社は実際にその速度で稼働させていません。実際、同社のソフトウェアは慎重を期しており、スイッチバウンスの影響を緩和するために十分な待機時間が確保されています。しかし、同社が必要とすれば、余裕があります。

リレーの高速動作時間に加えて、もう一つの大きな利点は、装置内で使用されるリードスイッチが計測用グレードであり、接点抵抗が非常に低いことです。接点抵抗とは、スイッチが閉じているときのリレーのスイッチピン間の総抵抗のことです。これは、正確な測定を行うために、プローブと測定機器の間の総回路抵抗をできるだけ低くする必要があるため、重要です。

 

要約

リレーの高速動作時間に加えて、もう一つの大きな利点は、装置内で使用されるリードスイッチが計測用グレードであり、接点抵抗が非常に低いことです。接点抵抗とは、スイッチが閉じているときのリレーのスイッチピン間の総抵抗のことです。これは、正確な測定を行うために、プローブと測定機器の間の総回路抵抗をできるだけ低くする必要があるため、重要です。

半導体業界で一般的であるように、再現性と一貫性は不可欠です。この点において、マトリックスカード上に搭載されたPickeringのリードリレーは、性能の劣化がほとんど、あるいは全くない状態で、何百万回、さらには何十億回もの動作を行うことができます。

この高い寿命は、顧客が自動化の取り組みを始める際に大きな安心感をもたらしました。ウェーハごとに数万回のテストを実施する可能性がある場合でも、スピードを重視した結果、高精度を犠牲にすることはないと確信できたためです。

また、マトリックスカードのPCIベースのアーキテクチャにより、ATEへの統合が容易になり、社内でのリアルタイムのテスト結果の共有も可能となりました。これは、工程改善の監視に不可欠です。

 

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