Investigation on a digital correction approach for the improvement of a high-precision probe card metrology system

Probe card metrology plays a crucial role in wafer-level testing, imposing sub-micrometer accuracy requirements over large measurement areas while simultaneously demanding high throughput. This thesis was carried out on the Athena platform, an automatic 3D metrology system in which active tip–tilt correction ensures planarity between the measurement sensors and the Device Under Test (DUT), at the cost of an increased cycle time. The work investigates an alternative passive strategy, in which tip–tilt correction is disabled and error compensation is delegated to software, relying exclusively on the three linear optical encoders available on the machine. Within this framework, a kinematic model capable of predicting Abbe (cosine) errors from the tip–tilt angles is derived and validated using an optical reference target. The experimental results show that neither a static map nor an Abbe model with fixed parameters can ensure long-term accuracy, since the effective lever arms, and therefore the apparent center of rotation, do not remain stable across different measurement campaigns. In the short term, however, these drifts remain limited: under this condition, a post-processing procedure applied to data acquired without active leveling achieves a significantly improved repeatability, even surpassing the performance of the configuration with active tip–tilt correction. Finally, the main non-idealities of the machine are characterized, including roto-translational couplings. In particular, the presence of parasitic yaw associated with the actuation of the tip–tilt correction system is highlighted on the basis of multi-axis interferometric measurements.

La metrologia delle probe card riveste un ruolo cruciale nel wafer-level testing, imponendo requisiti di accuratezza sub-micrometrica su ampie aree di misura, congiuntamente a un elevato throughput. La presente tesi è stata svolta sulla piattaforma Athena, un sistema automatico di metrologia 3D nel quale la correzione attiva di tip–tilt garantisce la planarità tra i sensori di misura e il Device Under Test (DUT), a fronte però di un incremento del tempo ciclo. Il lavoro analizza una strategia alternativa di tipo passivo, in cui il tip–tilt è disabilitato e la compensazione degli errori è demandata al software, sfruttando esclusivamente i tre encoder ottici lineari disponibili sulla macchina. In tale contesto viene derivato e validato, mediante un target ottico di riferimento, un modello cinematico in grado di predire gli errori di Abbe (errori di coseno) a partire dagli angoli di tip–tilt. I risultati sperimentali evidenziano che né una mappa statica né un modello di Abbe con parametri fissati possono garantire accuratezza nel lungo periodo, poiché i bracci di leva effettivi, e dunque il centro di rotazione apparente, non rimangono stabili tra campagne di misura differenti. Nel breve periodo, però, tali derive rimangono limitate: grazie a questa condizione, una procedura di post-processing applicata ai dati acquisiti in assenza di livellamento attivo consente di ottenere una ripetibilità significativamente migliorata, persino superiore alla configurazione con correzione di tip–tilt attiva. Infine, vengono caratterizzate le principali non-idealità della macchina, tra cui accoppiamenti roto-traslazionali. In particolare, si evidenzia la presenza di uno yaw parassita associato all’attuazione del sistema di correzione del tip–tilt, sulla base di misure interferometriche multi-asse.