CN102236070A - 半导体测试系统与方法 - Google Patents

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CN102236070A CN2010105354998A CN201010535499A CN102236070A CN 102236070 A CN102236070 A CN 102236070A CN 2010105354998 A CN2010105354998 A CN 2010105354998A CN 201010535499 A CN201010535499 A CN 201010535499A CN 102236070 A CN102236070 A CN 102236070A
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Abstract

本发明提供一种半导体测试系统与方法，该系统包括：一晶片载台，用以支撑一具有数个发光元件的晶片；一探针卡，用以测试该晶片上的每一测试区；以及一光检测器，与探针卡整合以收集来自晶片的发光元件的光线。本发明可降低封装成本与增加制造效率。

Description

半导体测试系统与方法
技术领域
本发明涉及集成电路测试系统，尤其涉及一种发光元件(light emittingdevice；LED)晶片测试系统。
背景技术
半导体元件的制造包括前段制造与后段制造等各种阶段。前段制造包括：沉积、光刻与蚀刻/图案化、晶片接受度测试(wafer-acceptance test)、芯片针测(chip probe test)。后段制造在前段制造之后，可包括其他额外的工艺例如：晶片切割、芯片接合(chip bonding)、芯片封装、以及最终测试。
在前段制造中，芯片针测通常是在芯片层级(chip level)下进行电性的测试。对于具有多数个发光元件(LED)的晶片而言，其通常是以三维(3D)封装的方式接合到其他的基板。发光元件的光学测试只能在后段制造的3D封装与切割之后进行。然而，当发光元件未通过光学测试时，该发光元件就会与3D封装的其他元件一起被弃置，因而增加了制造成本(因为3D封装中的其他元件也一起被丢弃)。为解决上述问题，需要一种可以在芯片层级同时有效测试发光元件的光学性能与电性的装置与方法。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明一实施例提供一种半导体测试系统，包括：一晶片载台，用以支撑一具有数个发光元件的晶片；一探针卡，用以测试该晶片上的每一测试区；以及一光检测器，与该探针卡整合以收集来自该晶片的发光元件的光线。
本发明的另一实施例提供一种半导体测试方法，包括：提供一半导体测试系统，包括：一晶片载台，用以支撑一具有数个发光元件的晶片；一探针卡，用以测试该晶片上的每一测试区；以及一光检测器，与该探针卡整合以收集来自该晶片的发光元件的光线；提供一具有数个发光元件的晶片至该晶片载台；以及，以该光检测器测试该晶片上一测试区的裸片，以测试该裸片的光学性能与电性。
本发明又一实施例提供一种半导体测试系统，包括：一晶片载台，用以支撑一具有数个发光元件的晶片；一探针卡，用以测试该晶片上的每一测试区；一光检测器，与该探针卡整合且用以沿着该探针卡上的一轨道移动；以及一屏蔽结构，沿着该晶片载台设置以在测试期间阻挡环境光线进入该光检测器。
本发明可降低封装成本与增加制造效率。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出优选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
附图说明
图1为一半导体测试系统的示意图。
图2为图1的半导体测试系统的部分俯视图。
图3为图1的半导体测试系统的探针卡的示意图。
图4为图1的半导体测试系统的控制模块的示意图。
图5为使用图1的半导体测试系统对LED晶片进行测试的方法流程图。
图6为一LED晶片的示意图，其可借由图1的半导体测试系统进行测试。
图7为图1的半导体测试系统的配置。
图8为一实施例中被测试的发光元件的剖面图。
图9为一制造系统的示意图，其中图1的半导体测试系统可与其整合。
其中，附图标记说明如下：
100～半导体测试系统
102～晶片载台
104～半导体基
106～探针卡
108～测试头
109～控制模块
110～屏蔽结构
112～光检测器
114～轨道
122～探针次模块
124～检测器次模块
126～晶片载台次模块
128～光学次模块
130～方法
132-148～步骤
161-176～测试区
181-196～裸片
197～切割线区
198～裸片
A～为来自裸片198的光线对光检测器112的角度
d～裸片198与光检测器112的距离
200～发光元件
210～基板
212～缓冲层
213～n型掺杂批覆层
214～多量子阱2
215～p型掺杂批覆层
216～InGaN/GaN层
217～透明电极
218～p电极
219～n电极
220～虚拟晶片厂
222～制造系统
224～工程师
226～封装设备
228～IC测试与测量的计量设备
230～工艺设备
232～LED晶片测试系统
234～另一虚拟晶片厂
236～通讯网络
具体实施方式
本发明接下来将会提供许多不同的实施例以实施本发明中不同的特征。各特定实施例中的组成及配置将会在以下作描述以简化本发明。这些为实施例并非用于限定本发明。此外，一第一元件形成于一第二元件“上方”、“之上”、“下方”或“之下”可包含实施例中的该第一元件与第二元件直接接触，或也可包含该第一元件与第二元件之间还有其他额外元件使该第一元件与第二元件无直接接触。在各实施例中可能会使用重复的附图标记，但该重复只是为了简化描述，不代表各实施例之间必然具有特别关联。
图1为一半导体测试系统100的示意图。半导体测试系统100用来测试发光元件的电性参数与光学参数。半导体测试系统100特别是可用来测试发光元件的发光强度、相对色温(correlated color temperature)、正向电压(forwardvoltage)、发光稳定性、发光光谱、或前述的组合等光学参数。此处所称的发光元件包含发光二极管(light emitting diodes)，但不以此为限。
半导体测试系统100包括一晶片载台(wafer stage)102，用来支撑一半导体基板104并将其转动。在一实施例中，半导体基板104为具有数个发光元件的半导体晶片。
半导体测试系统100包括一探针卡(probe test card)106，其可对晶片载台102作相对移动。探针卡106包含数个探针单元，在测试的时候与半导体晶片接触以作各种测试，例如晶片接受度测试及/或芯片针测。探针卡106装设在一测试头(test head)108上，且电性连接至一控制模块(control module)109，其细节将于稍后描述。
半导体测试系统100包括一屏蔽结构(shield structure)110，用来阻挡环境光线于测试过程中进入探针卡106与晶片载台102。屏蔽结构110围绕晶片载台102以有效阻挡环境光线以避免干扰测试。在一实施例中，屏蔽结构110包含一可吸收环境光线的不透明材料。在另一实施例中，屏蔽结构110具有可吸收环境光线的表面结构及/或反射环境光线使其远离半导体测试系统10的表面结构。
半导体测试系统100包括一光检测器112，其整合在探针卡106上且可有效地于测试过程中收集来自半导体晶片的发光元件的光线。图2为图1的半导体测试系统100的部分俯视图。图3为探针卡的示意图，其为图1的半导体测试系统100的一部分。以下配合图2与图3进一步说明半导体测试系统100。在一实施例中，光检测器112整合在探针卡106上并固定在探针卡106的中央，以使光检测器112可以有效地测试位于半导体晶片104测试区上的每一裸片。
在另一实施例中，光检测器112是以可与探针卡106作相对移动的方式配置，使得光检测器112可在测试过程中靠近半导体晶片上的裸片。在一实施例中，半导体测试系统100还包括形成在探针卡106上的轨道(track)114，如图3所示。轨道114的图案使得光检测器112可以在预定距离内靠近一区域上任何的裸片。在一范例中，轨道114具有如图3所示的“S”型或其类似图案。半导体测试系统100还包括可控制光检测器112沿着轨道114移动的机制。在一范例中，该机制可使光检测器112沿着轨道114以步进方式(step-wise mode)移动。
在另一实施例中，半导体测试系统100包括数个固定于探针卡106上的光检测器112，其以阵列方式排列用以在不移动光检测器的情况下依序测试位于测试区上的数个裸片。此外，数个光检测器112也可用平行模式(parallelmode)测试数个裸片以增加效率，并采用适当的光隔离以避免裸片之间的光线干扰。例如，每个光检测器112具有适当的光屏蔽，使得只有来自对应裸片的发光元件的光线可以达到光检测器。
图4显示图1的半导体测试系统100的控制模块109。控制模块109包括控制测试头108的操作电路。例如，控制模块109可包含微控制器，其以软件代码(software code)编程执行测试头108与光检测器112的操作。控制模块109可特别包含一探针次模块(probe sub-module)122，用以控制探针卡的测试操作。在一实施例中，探针次模块122借由控制测试头108来控制探针卡106。在另一实施例中，探针次模块122可控制探针卡106对晶片载台102的过渡移动(transitional motion)，以使探针卡106可以位于晶片载台102上的半导体晶片104的任何测试区。在另一实施例中，探针次模块122可控制探针卡106在垂直方向上的移动以调整其与晶片载台102上的半导体晶片104的距离。
控制模块109包括一光检测器次模块(light detector sub-module)124，用以控制光检测器112的测试操作。光检测器次模块124可借由控制测试头108来控制光检测器112。在一实施例中，光检测器次模块124可控制光检测器112沿着探针卡106上的轨道114移动。在一实施例中，光检测器次模块124借由步进马达(step motor)或其他机制控制光检测器112进行步进式的移动。
控制模块109可还包括一晶片载台次模块(wafer stage sub-module)126，用以控制晶片载台的测试操作。在一实施例中，晶片载台次模块可控制晶片载台以定向(orient)其上的半导体晶片。在另一实施例中，晶片载台次模块126可控制晶片载台在垂直方向上的位置。
控制模块109还包括一光学次模块(optical sub-module)128，用以处理来自光检测器112的发光数据，例如发光装置的发光强度。在一实施例中，光学次模块128具有一公式，其根据发光元件与光检测器之间的光线角度与距离将发光强度正规化(normalize)。光学次模块128可将发光数据处理成其他光学参数，例如发光光谱、相对色温、光通量(Luminous flux)、光稳定性(或发光强度在一定时间内的变化)。
控制模块109可还包括一切换次模块(switch sub-module)(未显示)，用以切换从第一裸片至第二裸片的电子信号，以测试第二裸片上发光元件的光学参数与电性参数，包括正向电压。测试后的发光元件可根据其光学与电性参数分类成不同等级(bins or grades)。测试所得的光学与电性结果被存储在半导体测试系统100。不同等级的发光元件可以用在不同应用，且可使用不同的封装。在一实施例中，发光元件根据测试所得的光学与电性数据被分成三组，其中等级1的发光元件用于汽车应用。等级2的发光元件用于背光应用，等级2的发光元件用于街灯应用。不同等级的发光元件可使用不同封装或依客户分配。在另一实施例中，等级1的发光元件使用陶瓷封装，等级2的发光元件使用塑胶封装，等级3的发光元件使用塑胶封装并加上散热器。
测试头108具有各种电子元件用以测量被测试元件(device under test；DUT)的特性，被测试元件例如是具有数个发光元件的半导体晶片。例如，测试头108可测量被测试元件的电性与光学特性，例如电流、电压、电阻、发光强度。测试头108还具有各种电路元件，例如运算放大器(OperationalAmplifier；OP)、电流镜(current mirror)、模拟数字转换器、数字模拟转换器等。测试头108可用来测量上述半导体晶片的Ion(开启电流)、Ioff(关闭电流)、Ileak(漏电流)、Vt(临界电压)、L(发光强度)。
请参见图5并同时参考图6-图8，说明具有发光元件的半导体晶片的测试方法130。方法130的起始步骤132为提供一半导体测试系统，例如图1所示测试系统100。该半导体测试系统可测试发光元件晶片的光学与电性参数。
请参见图5与图6，接着进行步骤134，提供一具有多数个发光元件的晶片(也称为LED晶片)至半导体测试系统100上的晶片载台102。图6显示一具有数个发光元件的LED晶片104，其可具有其他功能性元件例如场效应晶体管及/或其他有源/无源元件。LED晶片104包括数个测试区，例如测试区161-176，每一测试区包括数个半导体裸片与测试键(test key)或测试线(testline)。为了清楚起见，将测试区164放大以显示其详细结构。测试区164包括裸片181-196，每一裸片可包括数个发光元件与其他电路元件(未显示)。每一裸片也包括与探针卡电性接触的测试垫(未显示)。经由测试裸片181-196可收集晶片探针测试参数。光学参数，例如发光强度，可由半导体测试系统100的光检测器112收集。
裸片181-196被晶片上的数个切割线所隔离，其中切割线形成切割线区197。在后续工艺中，切割线区将被锯开以分离裸片181-196并将其封装成IC裸片。在一实施例中，测试键设置于切割线区197。每一测试键具有数个测试垫，用来与探针卡106(图1)作电性接触。借由测量不同的测试键及/或裸片上的发光元件可测试晶片上不同裸片的性能。因此，借由测量不同的测试键及/或裸片上的发光元件可收集晶片的电性参数，而借由半导体测试系统100的光检测器112可收集其光学参数。图8显示一形成在LED晶片的发光元件200。该发光元件是一可发射自发辐射的半导体p-n接合，因此又称为发光二极管。上述的辐射可以是在电磁光谱中的紫外光区、可见光区、或红外光区。发光元件200形成在一基板210上，例如蓝宝石、碳化硅、氮化镓(GaN)、或硅基板。在一实施例中，发光元件包含n型掺杂批覆层(claddinglayer)213与p型掺杂批覆层215于n-GaN 213上。在一实施例中，n型掺杂批覆层213包含n-GaN且p型掺杂批覆层215包含p-GaN。除此之外，批覆层可包含GaAsP、GaPN、AlInGaAs、或AlGaAs，并具有对应的掺杂形态。发光元件200可还包括InGaN/GaN多量子阱214设置于n-GaN 213与p-GaN215之间。发光元件200可还包括一缓冲层212，例如GaN缓冲层，设置于蓝宝石基板210与n-GaN 213之间。发光元件200可还包括InGaN/GaN层216于p-GaN 215上。在p-GaN 215上形成有透明电极217，例如氧化铟锡(ITO)，以耦接至p电极218。n电极219与n-GaN 213形成接触。此处所示的发光二极管仅是举例说明，其应用上可具有各种变化。此外，发光元件也不限于发光二极管，而可以是其他种类的发光元件，额外或替代地形成在LED晶片上。
请参见图5，方法130接着进行步骤136，测试LED晶片104测试区的电性与光学特性，例如测试区上场效应晶体管的电性与光学元件的光学参数。步骤136可还包括各种次步骤。在一实施例中，步骤136包括放置探针卡106到LED晶片104上一测试区的次步骤138。例如，对准测试区放置探针卡106，使探针卡106与测试垫适当接触。在另一实施例中，步骤136还包括放置光检测器112靠近测试区上的裸片或与裸片对准的次步骤140。例如，使光检测器112沿着探针卡106的轨道114移动，使得光检测器112与裸片的距离最小化或在一预定距离或有效距离内。
步骤136包括从裸片上的发光元件收集光线的次步骤142。在本例中，所收集的发光强度并非仅是发光元件所发出的光线的函数，同时也是发光元件与光检测器112之间组态(configuration)的函数。因此，方法130也提供将发光强度根据(1)收集光线的角度与(2)发光元件与光检测器之间的距离进行正规化(normalize)的机制。在一实施例中，所收集光线的发光强度可用下列公式进行正规化：
In＝K x Cosine(A)x Ic/d2
在上述公式中，参数“In”为正规化后的发光强度，“Ic”为所收集的发光强度，“K”为一与半导体测试系统及环境相关的常数，可由实验决定。其他参数的定义可参见图7。图7显示一半导体测试系统100的设置，其显示光检测器112与裸片198的组态。参数“A”为来自裸片198的光线对光检测器112的角度。“d”为裸片198与光检测器112的距离。在一特定例子中，参数“A”为来自裸片198的发光元件的光线对光检测器112的角度。“d”为裸片198的发光元件与光检测器112的距离。经由上述公式，所收集的发光强度“Ic”可转换成正规化的发光强度“In”。正规化的发光强度“In”只代表发光元件的光学特性，而与发光元件跟光检测器测试时的组态无关。
步骤136还包括次步骤144，以类似方式对同一测试区上的其他裸片进行同样的测试动作。在一实施例中，将光检测器112重新设置以对准或靠近被测试裸片。在另一实施例中，次步骤144可还包括对同一裸片上的其他发光元件进行同样的测试动作。在其他实施例中，一个裸片可能只具有一个发光元件，或者是只测试裸片上的一个发光元件以评估其光学性能。除此之外，对每一裸片而言，也可对测试键上的一或多个发光元件进行测试以评估其光学性能。
请参见图5，方法130接着进行步骤146，对LED晶片104上其他的测试区重复进行光学与电性测试，直到LED晶片104上所有的测试区都测完为止。每一测试区都进行类似步骤136的动作。例如，以次步骤138至144对每一测试区上的裸片进行光学与电性测试。当LED晶片104上所有的裸片都测试完毕后，通过光学与电性接受度测试的第一组裸片被标示为优良裸片(或合格裸片)，未通过光学及/或电性接受度测试的第二组裸片被标示为不良裸片(或不合格裸片)。上述程序是在晶片层级对发光元件作分类。发光元件的分类尚可包括对合格的裸片依照光学与电性参数分成不同等级。不同等级的发光元件可用在不同应用领域并可使用不同的封装。公知的方法只能在裸片层级进行分类，且是在晶片接合到其他基板、进行3D封装、或甚至切割成单独裸片后才进行。在公知的方法中，当裸片未通过接受度测试而被舍弃时，其他接合上去的元件也被一起丢弃，增加了制造成本。
方法130接着进行步骤148，对合格裸片进行封装与其他工艺。在一实施例中，LED晶片先被切割成独立的裸片。不合格的裸片被抛弃。合格的裸片被接合到其他基板。再一实施例中，合格的裸片以3D技术接合到其他电路，例如以硅穿孔(through silicon via；TSV)技术。接下来可依照各自需求进行其他封装工艺。借由此处所揭示的晶片层级发光元件测试系统，可达成发光元件在晶片层级的早期分类。在晶片的切割与封装之前，就先在晶片层级收集光学与电性参数。任何不良的裸片都可在晶片层级被确认出以作早期区分。经过切割后，被确认为不合格的裸片被丢弃，只有合格的裸片会被封装，例如以3D技术进行接合，因此可降低封装成本与增加制造效率。此外，光学与电性参数都在晶片层级被收集在一整合的装置上，因此降低了测试成本并增加测试效率。
经测试与分类后的发光元件依照其光学与电性参数依照不同的封装形式或应用进行接合。经测试的发光元件依照其光学与电性参数分成不同等级。不同等级的发光元件可使用在不同的应用领域或使用不同的封装。例如，可根据光学与电性参数将发光元件分成三个等级。等级1的发光元件用于汽车。等级2的发光元件用于背光，等级2的发光元件用于街灯。等级1的发光元件可整合并配置在汽车单元或模块。等级2的发光元件可整合并配置在背光单元或模块。等级3的发光元件可整合并配置在街灯单元或模块。在另一实施例中，等级1的发光元件使用陶瓷封装，等级2的发光元件使用塑胶封装，等级3的发光元件使用塑胶封装并加上散热器。
上述方法与系统可以延伸与修饰且可包括适当的变化型、实施例、或替代物，而不脱离本发明的精神。例如，上述半导体测试系统100可在晶片层级测试其他发光元件的光学与电性参数。在另一实施例中，LED晶片可额外包括其他种类的有源与无源元件以作适当应用。在另一实施例中，半导体测试系统100只对LED晶片上的发光元件进行光学性能的测试。
本实施例的半导体测试系统100提供了适当的组态以将电性接受度测试与光学接受度测试整合成单一阶段的测试。在此之前，需使用分别的测试装置进行晶片接受度测试与在裸片层级进行光学测试。借由整合电性晶片接受度测试与光学测试，本实施例提供许多优点，应可理解的是不同的实施例可提供不同的优点，且不需要所有的实施例具有相同优点。优点之一是降低处理时间，因为可在晶片层级同时(simultaneously)或同期(concurrently)进行两种测试。另一优点是降低成本，因为两种测试被整合在一个LED晶片测试系统，除了降低测试时间之外，只有不合格的裸片被抛弃，因此不会浪费其他好的元件。
图9显示一虚拟(virtual)集成电路制造系统(虚拟晶片厂)220。图1的半导体测试系统100可与虚拟晶片厂220连结并且用来实行方法130。虚拟晶片厂220包括220、224、226、228、230、232、234到N等各种单位(entities)，其以通讯网络(communication network)236相互连结。网络236可为单一网络或是各种不同的网络，例如企业网络(Intranet)或互联网(Internet)，且可包括有线或无线通讯频道。
在本例中，单位222代表一制造系统，作为半导体制造的协作(collaboration)与协定(provision)。单位224代表一工程师，单位226代表一封装设备，单位228代表一IC测试与测量的计量设备(metrology tools)，单位230代表一工艺(制造)设备，单位232代表一LED晶片测试系统，例如图1的半导体测试系统100，其可在晶片层级测试发光元件的光学与电性参数，以决定LED晶片上的每一裸片是否适合用在特定用途，单位234代表另一虚拟晶片厂(例如子公司或商业伙伴的虚拟晶片厂)。每一单位与其他单位互动并可提供及/或接收来自其他单位的制造服务。
应可理解的是，上述单位可集中在单一地点或分散开来，且部分单位可并入其他单位。此外，每一单位可结合系统识别信息以使控制系统中的资料可依照职权等级使用。虚拟晶片厂220使得各单位可互动以达到IC制造与服务协定的目的。在本例中，IC制造包括接收具有发光元件的集成电路设计、制造、测试(包含LED晶片层级的光学与电性参数)、封装(例如3D封装)。虚拟晶片厂220的功能之一在于实现制造、测试与封装等各领域的协作与资料存取。应可了解的是，上述领域只是举例，可依照虚拟晶片厂220的需求提供更多或更少的信息。
虚拟晶片厂220提供的另一项服务是可整合设备之间的系统，例如LED晶片测试系统232与工艺设备230(及/或封装设备226)。这样的整合可以调和设备的行动。例如，整合LED晶片测试系统232与工艺设备230可以使制造信息更有效率地并入工艺中，并使得LED晶片测试系统的光学数据并入工艺设备(及/或封装设备)进行改良。应注意的是，上述的方法与系统只是作为范例。
虽然本发明已以数个优选实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种半导体测试系统，包括：
一晶片载台，用以支撑一具有数个发光元件的晶片；
一探针卡，用以测试该晶片上的每一测试区；以及
一光检测器，与该探针卡整合以收集来自该晶片的发光元件的光线。
2.如权利要求1所述的半导体测试系统，还包括一屏蔽结构，用以阻挡环境光线进入该光检测器。
3.如权利要求2所述的半导体测试系统，其中该屏蔽结构围绕该晶片载台设置，以阻挡环境光线进入该光检测器与该晶片。
4.如权利要求1所述的半导体测试系统，其中该光检测器与该探针卡整合，且该光检测器是以能与该探针卡作相对移动的方式配置。
5.如权利要求4所述的半导体测试系统，其中该探针卡还包括一轨道，使该光检测器能沿该轨道移动。
6.如权利要求1所述的半导体测试系统，还包括数个光检测器，以阵列方式配置于该探针卡上，且能对测试区上的数个裸片进行平行测试。
7.一种半导体测试方法，包括：
提供一半导体测试系统，包括：
一晶片载台，用以支撑一具有数个发光元件的晶片；
一探针卡，用以测试该晶片上的每一测试区；以及
一光检测器，与该探针卡整合以收集来自该晶片的发光元件的光线；
提供一具有数个发光元件的晶片至该晶片载台；以及
以该光检测器测试该晶片上一测试区的裸片，以测试该裸片的光学性能与电性。
8.如权利要求7所述的半导体测试方法，其中该裸片的测试包括：
收集来自该裸片的一发光元件的光线；以及
以下列公式正规化发光强度I：
I＝K x Cosine(A)x Ic/d2
其中Ic为从该发光元件所收集的发光强度，A为来自该裸片的光线角度，d为该发光元件与该光检测器的距离。
9.如权利要求7所述的半导体测试方法，还包括：
以该光检测器测试该晶片上数个裸片的光学与电性参数；
依照各自的光学与电性参数将所述裸片分类成不同等级；以及
依照各自的分类等级封装每一裸片。
10.如权利要求9所述的半导体测试方法，其中该封装使用陶瓷封装、塑胶封装、或塑胶封装加上散热器。
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