應用於晶圓級氣體感測器之高效能點測設備開發
Development of a Probing Equipment with High Throughput for Wafer-based Gas Sensors
量測設備可提供在晶圓階段的氣體感測器晶粒的高效能電性量測，不需經封裝製程即可得知每顆氣體感測器之性能與品質，可大幅縮短感測器開發的試驗週期及有效提高整體生產效能。系統設備整合 (1) 可導入多種不同氣體成分及提供不同濃度之真空腔供氣系統；(2) 自動光學對位系統；(3)線陣列探針點測裝置；(4) 整合加熱裝置的晶圓吸盤等設計。可提供具有高效能之晶圓級氣體感測器的電性點測與品質分級，以 1 × 1 mm 晶粒的 6" 晶圓 (約17.6 K 顆) 為例，量測設備可在 30 分鐘內完成電性量測 (點測 10 顆／次)，其點測效能為現有市售設備 (點測 1 顆／次) 的 10 倍以上。
This measuring equipment can provide the electrical measurement with high throughput for wafer-based gas sensors to evaluate the quality and performance of sensor chips before packaging processes. Thus the experimental period can be reduced significantly and the production efficiency can be enhanced. The equipment integrated: (1) a chamber-based testing and gas supply system to provide required ingredients and concentrations of test gases; (2) an automatic optical registration system; (3) a linear probes device; (4) a chuck table integrated with a heating control module, to evaluate and classify gas sensors efficiently. For a 6"-wafer with chip size of 1 × 1mm (about 17.6 K chips), electric measurement could be completed within 30 minutes by using linear probing device with 10 sets of probes. The measuring efficiency was at least up to 10 times greater than the one of one by one testing for packaged sensors.
一、前言
近年來空氣污染對環境及人體健康造成的威脅，在世界各國已越來越受到廣泛的證實與重視。因車輛、工業排放及極端氣候與沙漠化等因素，造成全球地區空氣污染也日益嚴重。因此，偵測各種化學氣體成份與濃度的氣體感測器的需求也相對地日益提高，氣體感測器搭配智慧手持裝置與物聯網技術，將成為空氣污染通報與防治的新利器。傳統氣體感測器體積較大或價格較高，無法搭配智慧型手持裝置，也難以因應物聯網的龐大相關應用與商機。台灣在半導體相關的技術與產業具有全球的競爭優勢，非常有利於發展半導體製程的氣體感測器，可將氣體感測器加以微小化，並結合人工智慧與物聯網產業，預期可產生極為龐大的商機。但國內目前使用的氣體感測器大多從國外進口，在此項產業的技術與產品正處於積極發展的階段。
本文所提出的應用於晶圓級氣體感測器之高效能點測設備為整合多項技術所開發完成，包括真空腔體與供氣系統、自動光學對位系統、線陣列探針點測裝置、整合加熱裝置之晶圓吸盤、氣體濃度驗證系統與測試模組等，目前系統可導入含 H2、H2S、NH3、C2H5OH 與 CO 等多種不同氣體成分，並以質量流量控制器 (MFC) 來調配控制，在測試腔中快速形成不同成分與濃度的氣體狀態，及可於晶圓階段進行氣體感測器晶粒之電性量測與分級，可大幅提高量測系統的點測效能及操作性能，也使得能於早期的晶圓狀態即可確認感測器的性能與品質，以篩除不合格的感測器晶粒產品，避免其進入後續的封裝製程，從而減低封裝資源與時間的浪費，可有效地提高感測器的生產效能與產品競爭力。
相較於市場上每次僅能點測 1 顆氣體感測器的電性量測設備，完成開發的氣體感測器點測設備具有每次可點測多顆晶粒的性能，且測試腔體內的氣體環境可依不同感測器的量測需求，而導入其匹配的測試氣體及整合加熱裝置晶圓吸盤之溫度控制，以提供符合受檢感測器種類的量測操作溫度 (e.g. 200 °C) 條件下，在晶圓階段進行氣體感測器晶粒的電性點測與分級。
二、系統需求規格分析與架構設計
1. 系統需求規格與分析
點測系統設備須可在晶圓階段及模擬實際氣體感測環境氣氛與不同濃度下，進行每顆氣體感測器晶粒的電性量測，系統設備的需求規格分述如下：
(1) 晶圓吸盤的熱控模組須可加熱吸盤表面至 200 °C 以上。
使用阻抗不易受氣氛影響的金屬作為加熱器材料，並具有低維護成本及維持加熱的均勻性。因加熱線在通電時會產生電磁波，可能會影響到量測時的電性，因此選擇使用電熱管(不鏽鋼空心圓棒塞入氧化鎂包覆金屬電線)，以迴紋針繞法配合固定機構與隔熱設計，使吸盤表面在 200 °C 時，溫度變易可控制在±1.5% 內。真空腔體漏率 < 1 × 10-8 lmbar/sec。
(2) 定位移動平台的重複精度須 ≤ 50 mm、載台平面度須 ≤ 20 mm (以實際點測動作為主)；Z軸移動精度須 ≤ 20 mm。
(3) 每片晶圓於量測之前須進行一次自動光學對位對準，完成對位時間需 ≤ 3 分鐘。
(4) 陣列探針量測裝置須具有可耐腐蝕性氣體 (NH3、H2S 等)，及配合腔體內氣體流場設計分佈，可在吸盤溫度達 200 °C 的操作環境下可正常執行量測運作。
(5) 點測效能具有可每次點測至少 5 顆氣體感測器晶粒，且以 1 mm × 1 mm 晶粒的 6" 晶圓(約 17.6 K 顆) 為例，量測系統設備須在 30 分鐘內完成全部晶粒的電性量測。
2. 系統架構設計
依據點測設備的系統需求規格與初步分析之後，系統設備主要由可提供感測器量測環境之真空腔與氣體供應系統、自動光學對位系統、整合加熱裝置之晶圓吸盤、線陣列探針點測裝置 (整合自動光學對位與裝置姿態調校機構)、精密定位移動平台及電控與點測軟體等構成。
整合自動光學對位之線陣列探針點測裝置為此電性量測設備的核心技術，主要由對位光學取像裝置、探針精密對位模組、晶圓精密定位與點測規劃模組、點測控制與狀態監測模組、系統操作管理模組及工業級電腦與設備通信介面等構成，系統整合含蓋光.機.電.真空系統等技術之全系統整測。整合自動光學對位之線陣列探針量測裝置主要由下列的裝置或模組構成：
(1) 對位光學取像裝置：由兩組對位光機模組構成，主要功能為分別提供：陣列探針卡模組之調校對準及以晶圓上的定位十字標進行晶圓的精密定位。以利於解算兩光機模組和探針卡模組與晶圓等四者之間的幾何模式與校正參數，並建立晶圓之座標系統與地圖(wafer map)。
(2) 探針精密對位模組：如圖 1 的功能方塊與介面圖所示，以對位光機模組-1提供探針的影像，並以手動調整滑台方式來調校探針卡模組的位置，以利於解算晶圓座標與探針卡模組間的精密幾何模式與校正參數。
(3) 晶圓精密定位與點測規劃模組：以對位光機模組-2提供晶圓的影像，並以影像中的定位十字標進行晶圓的精密定位，並建立晶圓地圖之參考座標。
(4) 點測控制與狀態監測模組：以晶圓座標及點測規劃資料，機台控制系統可快速地移動 XY 載台進行多晶粒的點測，並即時監控及顯示晶粒點測狀況及系統運作狀態，及對量測資料進行儲存與分析解算，以及更新至晶圓地圖的屬性資訊 (attributes) 中。
(5) 系統操作管理模組：主要功能為提供量測系統的操作管理及圖形化使用介面 (GUI)，以利於工程師及操作員 (OP) 進行系統操作管理及狀態監控與狀況處理等。
(6) 工業級電腦及設備通信介面：採用 64 位元的工業級電腦平台，以建構具有高穩定性與運作效能的晶圓級氣體感測器量測系統設備。
整合自動光學對位之陣列探針量測裝置之功能方塊與介面設計如圖 1。
圖 1. 整合自動光學對位之陣列探針點測裝置之功能方塊與介面圖。
三、系統設計與製作
量測系統設備主要由真空腔與氣體供應系統(提供感測器量測環境氣氛)、自動光學對位系統、整合熱控裝置之晶圓吸盤、線陣列探針點測裝置、精密定位移動平台及點測軟體等組成(請參見圖 2)。因為部份量測氣體具有腐蝕性，及量測時須先將晶圓加熱至操作溫度(例如 200 °C)，故探針點測裝置須具備抗腐蝕及阻熱與導熱等架構設計，探針針體材料採用鎢，且整合供氣小腔體、探針卡與點測控制電路及其固定機構、導熱管、穩定噴流等架構設計，以阻隔腐蝕氣體與熱傳對線陣列探針點測裝置的功能及幾何精度造成不良影響。
圖 2. 量測設備的硬體系統架構與外型設計。
因氣體感測器晶粒的量測輸出訊號相對微弱，探針卡與點測控制電路模組之間的量測傳輸訊號易因傳輸訊號電線而衰減及受雜訊干擾，因此在儘量阻隔腐蝕氣體的架構設計下，採用電路模組直接對接於探針卡的介面結構，來降低量測訊號的衰減與雜訊及提高傳輸品質。
1. 量測氣體供應系統
在晶圓階段進行點測時，即可供應量測氣體來趨近感測器的實際運作環境之系統架構，為本點測系統設備的重要特色，為滿足可達到量測氣體環境濃度之最具效能供氣量、在點測區域可快速達到所需的氣體濃度、儘量降低對真空腔體內氮氣濃度的影響、藉供氣流場設計來降低高溫晶圓對探針點測裝置的溫度與幾何精度影響、及探針點測裝置的調校機構須置於腔體外等設計需求，因此以結合探針模組姿態調校機構的小型供氣腔體、波紋管、量測氣體供應檢測裝置等之架構設計來達成。氣體供應系統之架構設計與實體圖如圖 3 所示，經分析與實測結果：在點測區域處，系統於 60 秒內即達到所需要的氣體環境濃度，供氣效能極為顯著，量測氣體的耗用量也可大幅降低。
圖 3. 整合線陣列探針點測裝置及高效能進氣腔之架構設計與實體圖。
2. 線陣列探針點測裝置
探針卡選用環氧樹脂探針卡 (epoxy ring probe card，如圖 4)。環氧樹脂探針卡是利用epoxy ring技術，把數十根至數百根的探針，根據測試晶粒的銲墊 (pad) 位置分佈，以人工方式將探針黏著及焊接在印刷電路板上。其中探針呈懸臂結構狀，又稱懸臂式探針卡(cantilever probe card, CPC)。因懸臂式探針卡須考量探針相互間的干涉及安裝空間，無法做成高密度的陣列形式，但本系統採每次點測 1 排晶粒方式而所需針數不多，故規劃線型探針卡可符合量測與空間需求。考量線型探針卡的製作成本與時間，採用供應商現有標準 PCB 模組，尺寸概估約為 60 mm × 50 mm (W × L)。
圖 4. Epoxy Ring Probe Card 剖面圖。
考量須能符合系統點測效能規格，即以晶粒尺寸 1 mm × 1 mm 之 6" 晶圓，完成點測時間須 ≤ 30分鐘 (僅指實際執行晶圓點測的時間，並不包含晶圓的置入/取出、自動光學對位及系統達到所需氣體環境濃度等程序的時間)，故以可 1 次點測 10 顆感測器晶粒之線形懸臂式探針點測裝置 (如圖 5 與圖 6 之實體圖)。線形探針卡具有製作的成本較低與時間短及易於維修等優點，可快速因應不同感測器產品的電性點測需求。配合真空腔體外之整合波紋管 (welding bellow) 與探針卡姿態調校機構，可調整探針的針尖平面與晶圓表面平整碰觸，以利於點測控制系統進行弓字形路徑之量測。
圖 5. 懸臂式探針卡及其基板之設計與實體圖。
圖 6. 線陣列探針點測裝置整合於真空腔體內之實體圖。
3. 整合加熱裝置之晶圓吸盤模組
晶圓吸盤模組之加熱器採用電熱管設計，主要是不可因加熱器產生電磁波對電性量測造成影響，並且採迴紋針繞法型態及經熱傳與機構形變分析後確認其設計配置與分布，使吸盤表面高度形變維持平坦，不會影響點測時探針的高度行程裕度。吸盤設計須使熱向上傳導到吸盤表面，同時也須阻隔熱往下傳導至吸盤機構，因此以 PBI 隔熱材料搭配抽氣管道設計及熱傳分析，達成降低吸盤模組之固定與調校機構因熱膨脹產生高度變易而影響探針點測行程，亦有利於保持晶圓表面的溫度穩定性及降低能耗。圖 7 為晶圓承載面高度 ( Z 軸向)變形分析，圖 8 為晶圓吸盤開發完成的實體圖，實測結果顯示：吸盤承載面加熱至 200 °C 時的高度最大變形量約為 10 mm，與分析結果相當接近，符合探針點測行程之誤差容許範圍 (< 50 mm) 要求。
圖 7. 晶圓承載面高度 (Z 軸向) 變形分佈。
圖 8. 整合加熱裝置之晶圓吸盤實體圖。
4. 自動光學對位系統
自動光學對位系統為由兩組光機取像模組、調校滑台與機構及對位解算軟體所構成，提供線陣列探針點測裝置之調校對準，及以晶圓十字標進行晶圓的精密定位，以解算線陣列探針點測裝置與兩光機取像模組和晶圓之間的幾何模式與調校參數，並建構晶圓之座標系統與地圖，以執行定位調校及感測器電性點測，及連結與更新點測結果到晶圓地圖屬性資料中。
整合自動光學對位系統與高效能進氣腔裝置之點測架構之實體如圖 9 所表示，此架構設計為量測設備重要的核心技術，使量測系統具有操作簡便及快速備便等優越性能。
圖 9. 整合自動光學對位系統與高效能進氣腔裝置之點測架構實體圖。
自動光學對位之目的是建構線陣列探針點測裝置與晶圓間之幾何關係，再經由精密定位移動平台來補償偏移量，達成將線陣列探針針尖點對準於每顆晶粒電極焊墊，以進行晶粒的電性量測程序。P 光機模組 (即使用於探針定位之光學取像模組，「P」代表 probe) 為安裝於線陣列探針點測裝置上方，可得到線陣列探針點測裝置的位置與角度 (如圖 10(a) 所示)。透由 K 光機模組(即使用於晶圓定位之光學取像模組，「K」代表晶圓上的對位 keys) 可取得晶圓定位十字標 (key) 位置的影像，再以影像處理方法得到定位標距離畫面中心之距離 (如圖 10(b) 所示)。兩組光機模組之位置關係如圖 10(c) 所示。
圖 10. (a) P光機視野範圍之晶粒位置示意圖，(b) K光機視野範圍之晶粒位置示意圖，(c) K 兩支對位光機之位置關係式示意圖。
5. 標準氣體濃度調整方法
量測系統設備已可應用於 H2、H2S、NH3、C2H5OH 與 CO 等成分氣體之感測器晶粒電性量測，調控量測用氣體的標準氣體濃度調整裝置的主要功能，是以三種範圍 (1000、500、10 sccm) 的流量控制器配合背景氣體 (80% N2 + 20% O2) 來稀釋標準氣體濃度。濃度稀釋 50% 以上者使用 1000 sccm 流量控制器；濃度稀釋 50%－1% 者使用 500 sccm 流量控制器；濃度稀釋 1% 以下則使用 10 sccm 流量控制器，最小可調整至原濃度的 0.0002% (若標準氣體濃度為 2000 ppm，則最小可將濃度調整至 0.4 ppm)。
四、量測系統整合測試與驗證
圖 11 為以晶圓上四個方位的定位十字標進行自動光學對位之結果，四個定位十字標與影像中心的誤差 (X, Y) 均 ≤ 0.01 mm 時，表示均已正確對位，亦即以量測的正確偏移量，利用精密定位移動平台移動定位十字標到影像正中央。影像解析度為 5 mm/pixel、探針針尖約20 mm、晶粒 pad 為 100 mm × 100 mm，對系統而言，對位誤差 ≤ 2 pixels (± 0.01 mm )，已可符合點測精度需求。晶圓經自動光學對位之後，可得到每顆晶粒的偏移量而進行補償。
圖11. 以晶圓上四個方位的定位十字標進行自動光學對位之結果圖。
經以電性量測程序來實際驗證探針是否可精確接觸 pad，及多次的重新置入晶圓進行測試驗證，實驗結果顯示每顆晶粒均輸出電性量測資訊，亦即代表其偏移量均被正確補償，及自動光學對位補償功能可正確而有效的完成精密自動對位；依實測結果，每片晶圓的自動光學對位時間均可在 60 秒內完成，符合系統需求規格 (≤ 3分鐘)。
量測系統設備為整合可導入多種不同氣體成分與濃度狀態之真空腔供氣系統、自動光學對位系統、整合線陣列探針點測裝置與高效能進氣腔裝置，及整合加熱裝置之晶圓吸盤等新穎設計所構成。系統主要特色與優勢：
(1) 可適用於多種成分氣體感測器的開發。
(2) 在晶圓階段即可進行晶粒電性量測，早期篩檢出性能不佳的晶粒。
(3) 大幅加速檢測過程，以提升感測器開發速度。
完成開發的量測設備，以 1 mm × 1 mm 晶粒尺寸的之 6" 晶圓 (約 17.6 K 顆) 及每次可點測 10 顆晶粒的線陣列探針點測裝置的條件為實例，可在 30 分鐘內完成電性量測，其點測效能為現有市售設備 (點測 1 顆／次) 的 10 倍以上。再者，若將每次點測的移動與定位的時間計入，則本量測系統的點測效能可達市場上現有設備的至少 30 倍以上。
氣體感測器性能量測設備的方式與優劣比較如下表：
圖 12 為整合晶圓吸盤與精密定位移動平台於真空腔體之量測機台實體圖，圖 13 則為開發完成並移機至合作廠商無塵廠房之晶圓級氣體感測器高效能電性量測設備之實體圖。
圖 12. 整合晶圓吸盤與精密定位移動平台於真空腔體之量測機台實體圖 (左)。
圖 13. 晶圓級氣體感測器高效能電性量測設備之實體圖 (右)。
五、結論
完成開發之晶圓級氣體感測器的點測系統設備為全球首創之整合光機電與真空系統等技術之晶圓級氣體感測器的電性量測設備。系統可提供氣體感測器在晶圓狀態，通入測試氣體到真空測試腔體，不需經過封裝程序即可得知每顆感測器的性能優劣，使得氣體感測器開發者的試驗週期可大幅縮短，可有效地提高元件的開發速度，在相同時間下可開發出更多款的氣體感測器。
生產應用方面，在晶圓狀態時即可確認感測元件的功能，可於早期階段篩檢出性能不佳的產品，及早發現不良晶粒產出，並使得製程與產線人員可快速的加以矯正，以免產出更多不合格產品，及避免其進入後續的封裝製程而造成資源與時間的浪費，進而有效的降低整體生產成本，增加產品競爭力。
有別於市場上點測機台每次僅能點測 1 顆晶粒，量測系統每次可同時點測多顆晶粒，提供具有高效能之晶圓級氣體感測器的電性點測與品質分級，其點測效能為現有市售設備 (點測 1 顆／次) 的 10 倍以上。
量測設備已可協助開發不同種類的氣體感測器；未來也可以本系統為基礎架構，架設更多的機台供應大量生產使用，也可協助台灣廠商搶攻半導體製程之氣體感測器全球市場，以提高台灣氣體感測器產業的市場競爭力。
誌謝
感謝中部科學園區管理局提供前瞻設備研發計畫，儀科中心配合晶電光電公司及協同清華大學與工研院量測中心等，完成此極具技術前瞻性與競爭力的氣體感測器電性量測系統設備的開發。