摘要：Contact Intelligence™是半自动/全自动Summit 200探针台的核心技术之一，Contact Intelligence™翻译成中文确切的译法应该是智能接触，智能扎针的意思。本篇文档就是对Contact Intelligence™技术的内涵进行阐述，便于销售工程师或者客户对Summit半自动/自动化机台的先进性有深刻认识。除此之外，也对高温下进行射频校准的必要性和方法进行了充分的讨论，很容易让客户使用起来。相信只要正确的使用高温校准才能得到正确、可重复性的测量结果。

　　1.Contact IntelligenceTM技术

　　Summit 200系列是一款专为8英寸Wafer的研发、生产、可靠性评估打造的一款先进、快速、高精度的半自动/全自动测量探针台。为ICs表征/建模应用而设计，可用于超低噪声、直流、射频、mmW和THz领域内的全温度范围测量。其自动化操作能以最快的时间获得精确数据。Summit 200探针台采用的PureLine™技术是市场上目前可以看到的最低噪声水平之一的技术。AttoGuard®和MicroChamber®专利技术显著降低漏电流和降低对地的残余电容值。它具有高吞吐量测试功能和宽温度范围（-60°C到300°C），为科学家、研发人员和测试工程师快速完成工作提供一切所需。

　　Summit系列探针台拥有Contact Intelligence™智能接触专利技术，保证探针测量过程中与Wafer持续高质量接触。创新的系统设计和先进的图像处理技术相结合，提供了一套与测量人员无关的独立解决方案（即不会因为测量人员的经验不同而影响到测量结果），可以在任何时候实现Wafer的高度可靠测量表征。Contact Intelligence™是全球唯一的在探针台行业领域内能保障探针高质量、稳定接触Wafer Pad的创新技术。它能够感知环境变化，反应并优化探针接触精度。Contact Intelligence™结合了智能硬件设计、创新的软件算法和多年的经验。另外，Contact Intelligence™也是Summit系列能实现自主测量Autonomous probing（注意，是自主测量，不是自动化测量）的根本以及核心技术之一。

　　Contact Intelligence™技术具体指的是什么，能实现哪些功能呢。请参看下列章节内容。

　　2.Contact Intelligence™管理热漂移补偿

　　许多Wafer的测量表征并不仅仅进行常温/室温下的指标测量，而是最终需要进行全温范围内的测量表征，对这一点产品工程师或者产品经理感触最深，有时负责某段设计的具体工程师可能体会不深刻。常见的半导体器件测量表征的温度范围为-40°C~125°C，目前在汽车电子行业要求半导体器件可以工作在175℃，当然军事或者宇航应用对器件的温度要求更苛刻，另外晶圆可靠性测量中需要达到300°C。

　　在实际高温或者低温测量中，由于热胀冷缩会发生线性膨胀，每一次测试都需要对探针针尖进行重新对准，以准确地接触被测的半导体器件的焊盘。理论上每一处均会发生热胀冷缩，除了器件和焊盘自身发生热胀冷缩外，Chuck、Platen、针座定位器、探针针尖、同轴电缆等都会发生微小形变。除此之外，辅助Chuck的温度也会发生变化。Formfactor公司就每一系列的探针台均开展过大量实验，同时也积累了大量的权威数据。然后通过大实验数据提炼的经验、数据等融入到Contact Intelligence™技术当中去。在一篇《High-Frequency,Over-Temperature Measurements》文章中，给出了一组数据，是在Summit 10600-series探针台上实验的数据。当主Chuck温度从-65°C~200°C时，相应的辅助Chuck温度会发生变化，约从+5°C~65°C变化。探针针座连接的同轴电缆温度在主Chuck达到了200℃时，温度约达到了75℃。实际上不只是辅助Chuck温度会发生变化，这也会影响辅助Chuck上校准基片上Load负载电阻值的轻微变化。

　　为了应对热胀冷缩问题，需要二次扎针对准。但会引入一系列新的问题。

　　1.当温度发生转移时，即便Chuck温度达到预定设定的值后，但是探测系统（主要指Platen、探针、探针臂、电缆、探针调节器等）热稳定需要一个平衡时间。

　　试想如果探测系统是一台手动探针台，那么要不断，反复地调整Chuck位置XYZ轴，甚至θ角度来确认探针已经高质量的扎到Pad上了，这个确认的过程是一个逐步求精与收敛的过程，直至最后才能实现高质量的扎针。另外这个过程可能需要经过很长的时间等待，可能是几十分钟，几个小时都有可能，这与温度转移的大小相关，也与探测系统各个部分的热容、周围环境均相关。

　　假定是一台自动探针台，如果没有一定技术去解决这个问题，那么和手动探针台道理也一样，也需要不断的去调整扎针位置来解决这个问题，或者简单地等待一个固定时间，然后再做扎针对准测量，但是很难保证达到了最终的收敛，因为系统热平衡无法判断，这样会导致测量误差。针对这种现象，Contact Intelligence™技术会根据Chuck转移目标温度值、探测系统各部分的热容、周围环境根据一定的算法做出正确的时间等待，通过简单的几次位置调整就可以使整个使扎针系统收敛，保障测试的准确性和一致性。

　　2.即使在达到系统热平衡后，由于卡盘移动到晶圆上的新位置测试新Die时出现的‘hot spots’。通常还需要进行第二次调整。这主要是因为探针针尖失温。理论上还需要一个下针后等待热平衡的时间，与1中描述的有些类似。针对这个问题，一般的自动探针台对这个问题可能就忽略掉，不去关注。当然在低频或者普通精度电流测试的条件下这点是基本可以忽略的，但是在高频或者微小电流需求中（一般40G以上，或者pA、fA级以下电流测量）这点可能会引入较大误差，导致测试一致性和可重复性变差。Contact Intelligence™通过先进的图像算法和精确的定位来感受这种微小变化（具体根据Die pitch、探针坐标等信息来判断）。并且等到稳定后，并执行PTPA（Probe-to-Pad Alignment）。

　　另外，虽然整个探针到wafer的位置采取动态对准是正确的，但在许多情况下，探针针尖本身会随着温度的变化而膨胀或收缩，这意味着探针针尖会发生欠行程或者充分地的过行程。对于大尺寸Pad，这不是一个大问题，但是当器件的Pad尺寸十分小时，挑战真正来了。在这种情况下，探针针尖往往会从Pad上滑掉，或者没有进行充分的接触，这样电气连接会受损，诸如接触电阻变大。为了解决这一问题，Contact Intelligence™结合智能软件、探针识别算法和先进的可编程定位器，可以自动补偿，优化探针定位触点。

　　3.自主高温射频校准算法

　　在射频半导体器件的晶圆测量中，是要做校准的，这一点相信大部分工程师都十分清楚。所谓的校准简单地理解就是把电气测量的电参考平面移动到针尖位置，即把探针、电缆、转接头等的影响扣除掉，仅仅剩下关心的器件部分，即本征部分。那么在射频测量前完成校准后，下一次校准什么时候进行，或者在什么条件下又要重新校准，这也是工程师关注的话题。理论上只要需要扣除掉的这一段组件（电缆、探针、转接头等）状态发生了变化，均需要校准。诸如更换了射频电缆、重新拧了连接头、更换了探针等，都需要重新计算然后扣除掉这一段影响，重新将测量电参考面移动到探针针尖的位置。

　　但是假定探针台Chuck温度根据测量要求要升到125℃，那么是否还需要进行一次射频校准呢？回答是需要的，因为当温度从常温升高到125℃时，探针的针尖、探针臂、同轴电缆等发生了热胀冷缩产生了微小形变，因此这个连接系统的状态发生了变化需要校准。

　　再做一个简单的理解，假定仅有一个因素发生变化，在高温125℃时，探针电缆的长度发生微形变加长，相当于探针针尖位置发生了变化，想当于一把尺子，尺子的零点位置发生了轻微移动，因此需要重新校准，进行补偿。

　　除此之外，在125℃下，除了需要重新校准外，其实器件的电性能也会发生漂移、探测系统由于热胀冷缩导致微小形变导致扎针质量也会下降。但是这两个问题属于另一个范畴，不再本章节讨论之中。

　　a.高温下器件电性能发生漂移属于测量对象自身的一种属性，这也是探针台测量需要测试

　　表征的任务之一；

　　b.探测系统由于热胀冷缩导致的微小形变导致扎针质量下降问题属于热测量漂移问题，

　　Contact Intelligence™可以很好地解决，详见第二章《Contact Intelligence™管理热漂移补偿》。

　　本节讨论是温度发生变化后，从网分到探针针尖这一段状态发生了变化，需要重新校准，重新扣除以保证器件本征部分的表征能“纯洁”。

　　Formfactor公司给出的高温晶圆测量校准流程如下。在此作者的主要任务是对这个流程进行说明，将其讲解的透彻明白。此射频校准流程概括如下：

　　1.将主Chuck温度升高到设定的温度值（例如，125℃）；

　　2.将探针放置在主Chuck的Wafer上，需要等待一段时间，这个过程称为Thermal Soaking。（需要等到一个恰到好处温度状态，这个温度就是实际在125℃测量时，探针针尖，探针座、电缆等应该达到的那个温度状态）。

　　3.进行稳定度检测以判断是否达到那个恰到好处的温度？

　　4.如果通过稳定度检测后，然后将探针移到辅助Chuck上，进行高温（125℃）校准；第五，校准完成后又移动到主Chuck上进行热针；

　　5.进行稳定度检测以判断是否达到那个恰到好处的温度？

　　6.如果通过稳定度检测后，开始测量。

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　　问题1：How long should i wait for my probes to achieve thermal equilibrium at 125℃？

　　这个问题是Thermal Soaking需要多久才算合适？

　　回答这个问题前，需要澄清一个问题，当主Chuck达到了125℃时，不是要让探针也必须达到125℃，其实整个探针系统温度也不可能达到125℃，从针尖温度向针座方向温度递减的。

　　通过Thermal Soaking热平衡需要达到这么一个预想的效果：探针系统达到了一个稳定的温度状态，这个状态与实际测量时一致或者十分接近，我们把这个温度叫做恰到好处的温度状态。是否达到了这个恰到好处的温度状态不是用眼睛观察的，也不是用具体加热时间来判断的，而是使用电测量方法来做判断。

　　具体如下：将探针抬起，通过网络分析仪观测回损散射参数S11和S22。通过不断的比较S11和S22参数，直到满足一定的收敛残差要求才认为达到了热平衡，这个过程叫做温度稳定度检测。

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　　当达到了热平衡后，方才转移到辅助Chuck上进行高温校准，在这个恰到好处的温度状态下完成校准。在当主Chuck达到125℃时，辅助Chuck温度也会上升，肯定不是常温，因此ISS校准片温度也会被是适当地加热，ISS上的微结构数值也会有些偏差，其中50ΩLoad电阻阻值也会发生漂移，FormFactor建议进行使用LRRM校准方法，不推荐使用SLOT校准方法。

　　当在恰到温度的状态下完成测量探针的校准后，是否可以立刻进行测量呢？答案是不行的。

　　这就是我们需要回答的第二个问题。

　　问题2：Did i spend too much time during the RF cal？到底究竟花多少时间在校准这个过程中？

　　校准过程如下：

　　探针在主chuck上达到了热平衡，温度达到了那个恰到好处的温度状态后，转移到辅助chuck上完成校准，再从辅助chuck转移到主chuck上进行测量前，均有失温现象发生。

　　A.先说从辅助Chuck上校准完成后转移到主Chuck上，在这一个过程发生了失温，会发生什么问题？为了简化思考问题，夸张一点，假定探针系统温度降到了90℃，那么整个探针又发生冷缩的微形变，又会引入较大误差。因此需要进行heat probes的步骤，加热到恰到好处的温度状态，方能进行开始测量。

　　判断方法是：校准完成抬针获取一组回损散射参数S11和S22;

　　进行heat probes，抬针重新测量一组回损参数，记录S11’,S22’。

　　然后比较这两组参数，如果满足一定的残差指标后，就认为Heat Probes到位。

　　否则，这个动作需要进行几个循环。

　　问题又来了，如果比较这两组参数不满足残差指标后，应该到RF cal 125℃这里呢？还是应该返回到Thermal Soaking这里呢，是应该进行大循环重新校准呢，还是进行小循环heat probes即可呢？

　　试想一下，如果进行小循环，可能存在回损散射参数S11或者S22永远不收敛。因为在执行高温校准时也可能存在失温现象。会发生这样的现象：第一组S11或者S22与heat probes

　　后的曲线处于分立状态，heat probes后的一族曲线是收敛的，但是与执行完RF cal 125℃后的回损曲线不收敛。那么通过小循环时残差是永远收敛不了的。

　　因此需要进行大循环，重新回到Thermal Soaking这一层，这样就能保证从主Chuck转移到辅助Chuck进行校准时不失温，也能保证heat probes到位。

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　　4.Contact Intelligence™优化硅光测量耦合

　　使用单个光纤和光纤阵列作为探针，将光耦合（进出）到晶圆片表面是一项具有挑战性的技术。这给FormFactor的Contact Intelligence™接触智能技术管理带来了许多挑战。与电气测试需要将探针直接扎到Pad上不同，光学测试使用的光纤和光纤阵列不会与晶圆表面的光栅耦合器直接接触。相反，光纤端面需要以最佳的位置和角度放置在这些耦合器上方以找到最大光功率传输的位置。FormFactor公司开发的一种独特的自动化技术，设定光纤或光纤阵列尖端相对于晶圆表面的初始Z位置，然后优化它们的位置。利用先进的图像处理技术和专门开发的算法，可以自动调整和设置入射角和旋转轴。

　　FormFactor还实现了Z位移传感技术，可以实现光纤和光纤阵列亚微米级的精确放置精度。这些自动化光学功能还可以与可编程的直流和射频定位技术相结合，创建一个真正自动化的光光、光电、电光测试平台。对于光学应用程序，Contact Intelligence™将以前需要几天、几周或几个月的时间缩短到几分钟左右，同时在动态工程环境和稳定的可重复生产环境中提供了灵活性。

　　5.Contact Intelligence™优化RF器件建模

　　对射频微波集成电路行业领域诸如5G、无人驾驶等要求有更快的上市时间，IC工程师需要高质量来自于Fab的PDK（process design kit）。糟糕的PDK将导致更多的设计迭代，很难满足产品发布时间预期。为了得到更精确的PDK，Fab厂需要确保IC测试工程师进行最高精度的测量和需要测试更多的测试结构，以改进构成PDK的器件模型。

　　RF器件模型测试结构的正常测试需要工程师花费大量时间，每当系统漂移超过限制时，就需要重新校准。改变温度时重新定位探针，也需要用户的干预。有了FormFactor公司开发的Contact Intelligence™技术后，操作者可以在整个轮班、通宵甚至周末期间启动测试，而无需用户干预。Contact Intelligence™提供在多个温度条件下的真正的免手动和自动射频校准和测量。可编程定位器和探针识别算法配合WinCal XE校准软件，在系统性能超出可用限度时自动校准。当温度变化时，探针或设备的热膨胀会被动态修正，以实现最精确的动态Pad接触，从而补偿探针或者器件的热膨胀。这使得在更短的时间内测试更多的器件，对RF测量性能有更高的信心，从而使PDK更准确，上市时间更快。

　　6.总结

　　虽然Contact Intelligence™技术的应用多种多样，但它们的核心是将人们积累的工程知识嵌入到探测系统中的，因此在各种各样的情况下，它们的操作具有极高的自主性。有了Contact Intelligence™技术，测试工程师可以依靠自身的专业知识以确保准确的扎针和更快的数据处理时间，同时减少人工的干预。

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