JP2004128509A - 低温で基板を試験するプローバ - Google Patents

Abstract

【課題】室温および低温において最少エネルギーおよび労力で、空間的および熱的に定められた試験条件を発生および維持する。
【解決手段】チャック１が作業範囲内でチャック駆動装置２によって移動可能であり、チャックが加熱手段と冷却手段によって温度調節可能であり、チャックが試験基板１７を収容するための収容面１６と、試験基板１７を収容する基板支持体１２を固定するための保持手段１０を備えている、低温で基板を試験するためのプローバにおいて、チャック１の作業範囲を取り囲む真空室３が配置され、この真空室が真空ポンプに接続され、チャック１が一方では冷却されないチャック駆動装置２から熱的に分離され、他方では試験基板１７に分離可能に熱的に連結され、試験基板１７が直接冷却される熱放射シールド１８によって、周囲の冷却されないアセンブリに対して遮蔽されている。
【選択図】図１

Description

　本発明は、チャックが作業範囲内でチャック駆動装置によって移動可能であり、チャックが加熱手段と冷却手段によって温度調節可能であり、チャックが試験基板を収容するための収容面と、試験基板を収容する基板支持体を固定するための保持手段を備えている、低温で基板を試験するためのプローバに関する。

　試験基板はウェハマトリックス、いわゆるウェハ内の半導体チップまたは半導体チップ、ハイブリッド要素、マイクロメカニック要素等のような個々の要素からなっている。試験基板は滑らかで平らな下面を有し、チャック上に少なくとも間接的に配置および保持される。このチャックは滑らかで平らな収容面を有する。試験基板は作業範囲内でチャックを介してチャック駆動装置によって移動可能であるので、接触針と相対的に位置決め可能である。この位置決めは一般的に複合テーブルによって水平な平面内で行われる。この複合テーブルは更に、数度の範囲内の角度的な方向づけを可能する。

　電子要素の機能の信頼性の検査はプローバにおいて、好ましくはその都度の要素の使用条件に一致する周囲条件の下で行われる。この場合、水の氷点よりも低い温度での使用は困難である。

　この検査条件を調節するために、プローバの作業範囲は一般的にケーシングによって取り囲まれている。ケーシングによって取り囲まれたこのようなプローバは例えば特許文献１によって公知である。このプローバの場合、ケーシングは下側の区間内に多数の流入開口を備え、上側のケーシング区間内に他の一つの開口を備えている。この他の開口は流出開口としての働きをし、かつ検査探針を供給する働きをする。低温の範囲での検査の際、試験基板上における周囲雰囲気からの湿気の結露を防止するために、この他の開口からガスが作業範囲に流通させられる。しかし、この検査条件は電子要素の検査のための温度範囲の低温側を制限する。

　チャックは、試験基板の収容と位置決めのほかに、温度を調節する働きをする。この温度調節時に試験基板の検査が行われる。そのために、チャックに適当な冷却媒体が供給される。チャックの温度調節または他の制御検査条件の調節のために、チャックは媒体管を介して、作業範囲の外にある適当な源に接続されている。チャックに熱的に接触しているチャック駆動装置との熱交換に基づいて、チャック駆動装置は同様に冷却される。上記のプローバの場合、冷却されるチャック駆動装置はきわめて不利である。というのは、試験基板にとって必要な精度や再現可能性でもって、探針と相対的にチャックを位置決めするために時間がかかり、面倒であるからである。低温時に比較的に曲がりにくい媒体接続部や管は、この欠点を更に強める。

　他の欠点はプローバの周囲の部品による、試験基板の温度に対する悪影響にある。この部品の温度はいろいろな熱交換プロセスによって平衡状態できわめて異なるように生じる。例えば、試験基板には、周囲の温かい部品からの制御できない熱放射や対流によって、多量の熱が供給される。これは検査の精度および再現可能性に非常に悪影響を与える。

　検査のために、接触針の形をした検査探針によって電気的な入力信号が試験基板に供給され、出力信号が測定される。出力信号は異なる種類でもよく、例えば異なる波長範囲の放射線のような他の入力パラメータによって発生させることが可能である。探針は一般的に作業範囲の外側で上側のケーシング蓋上にあり、そこにある上記のケーシング開口を通って、試験基板上にある接触面にわたって、要素に直接的または間接的に接触する。探針が室温であると、低温下での要素の検査時に、一方では、探針の形状が冷却状態の試験基板の形状に一致しなくなる。他方では、温かい探針と試験基板の接触により、基板の温度ドリフトが生じ、それに伴い検査条件が変更される。この事実によっても、低温での検査の精度や再現可能性が大きな影響を受ける。
独国特許第４１０９９０８号公報

　そこで、本発明の根底をなす課題は、室温および低温において最少エネルギーおよび労力で、空間的および熱的に定められた試験条件を発生および維持する、低温時に基板を試験するためのプローバを提供することである。

　この課題は本発明に従い、チャックの作業範囲を取り囲む真空室が配置され、この真空室が真空ポンプに接続され、チャックが一方では冷却されないチャック駆動装置から熱的に分離され、他方では試験基板に分離可能に熱的に連結されていることによって解決される。試験基板は直接冷却される熱放射シールドによって、周囲の冷却されないアセンブリに対して遮蔽されている。作業範囲内に真空を発生させることにより、冒頭に述べた部品以外の部品の検査が可能である。特に、微小機械部品または光スイッチの振動状態の検査が可能である。というのは、検査周辺に動かないガスと動くガスが存在することにより、部品の振動状態に悪影響を与えるかあるいは検査雰囲気の振動が検査パラメータに重畳されるからである。

　冷却されるチャックからチャック駆動装置を熱的に分離することにより、非常に低い温度の場合にも、電動の複合テーブルをチャック駆動装置として使用することができる。それによって、チャック駆動装置の制御が真空室の外側の操作要素によってきわめて簡単に可能であり、複合テーブルの可動性が可動部品の低温によって制限されない。更に、冷却媒体管が曲がりにくいにもかかわらず、複合テーブルのステッピングモータは数ミクロンの精度および再現可能性でもって、チャックの位置決めを問題なく可能にする。

　更に、チャックの熱的な分離は、冷却すべき部品を減らすと共に、温度管理の安定性と精度を高め、冷却媒体消費を低減する。対流による周囲との熱交換を防止することにより、特に作業範囲内の真空の発生が冷却プロセスを加速する。

　真空条件下で低温で部品を検査すると特に有利である。なぜなら、真空内では試験基板上に結露が発生しないからである。結露が発生すると、検査結果に誤差を生じるかあるいは検査全体を阻止する。真空引き中の結露は、適当に乾燥した作動ガスを真空室内に案内することにより防止される。

　試験基板の最適な冷却は、試験基板が平らで滑らかな下面を備え、全面でチャックに載り、このチャックが同様に平らで滑らかな収容面を備え、この両面が適当な保持手段によって摩擦連結され、チャックに試験基板を装備するためにこの連結が分離可能であることによって達成される。

　プローバの温かい周囲部品からチャックや試験基板への熱放射による伝熱を低減するために、これらの部品は熱放射シールドによって遮蔽されている。熱放射シールドは好ましくは、その都度使用される冷却媒体を供給することによって直接的にチャック温度まで冷却される。

　チャックと熱放射シールドの冷却は冷却管理により、検査プロセスの最適な条件と要求に応じて、いろいろな方法で行うことができる。例えば、先ず最初にチャックと試験基板が冷却され、その後で熱放射シールドが冷却されると、検査プロセスが短縮される。なぜなら、熱放射シールドが最終温度に達する前に、部品の検査を開始することができるからである。試験基板の結露は、真空室を排気する前に乾燥した窒素を吹き込むことによって回避される。先ず最初に熱放射シールドの冷却が行われ、その後で試験基板を備えたチャックが冷却されると、場合によって存在する湿気は熱放射シールドに結露し、基板には結露しない。それによって、検査は悪影響を受けことがない。チャックと熱放射シールドを同時に冷却すると、結露のほかに、場合によって発生する検査構造体の反りが防止される。これは検査探針の位置決めの精度を大幅に改善する。

　本発明の合目的な実施形では、真空室がチャックの上面に向き合う上面に、点検開口を備えている。これにより、検査過程の観察と、位置決めの観察が可能にある。これは特に、個々の要素を検査する際に重要である。

　チャックの上記の熱的な分離は特に、本発明の実施形に従って、チャックが金属と比べて熱伝導率の小さな材料からなる中間部材によって、チャック駆動装置に連結されていることによって達成される。このような分離により、チャックひいては試験基板の温度が高い精度および安定性で、冷却媒体の沸点に追従する。なぜなら、試験基板を除いて、他の部品が間接的に冷却されないからである。

　本発明の他の実施形に従って、熱放射シールドは中央に貫通口を備えている。この貫通口は真空室内の点検開口に従って試験基板の位置決めと検査の観察を可能にする。更に、熱遮蔽シールドの上方に探針ホルダーを配置し、この開口を通って探針を試験基板に接触させることができる。

　更に、この貫通口は選択された波長の光をろ波する透明な閉鎖部材を備えることができる。これは、特にこの所定の波長の放射線のためのセンサのような他の部品を検査することができるという利点がある。フィルタにより、この背後の放射線による検査の悪影響が抑止される。

　本発明の合目的な実施形では、試験基板が単一探針と多重探針のための探針ホルダーを少なくとも間接的に備え、この探針ホルダーがチャックに熱伝導的に連結されている。それによって、探針の温度がチャック温度と一緒に変化し、冷却状態での探針の再調節が不要である。というのは、要素に対する個々の探針の位置決めあるいは試験基板上の要素の間隔に合わせられた多重探針の相互間隔が、冷却時に変化しないかまたは少しだけしか変化しないからである。更に、温かい探針による伝熱、ひいては要素の温度ドリフトが防止される。

　試験基板の形状が異なる場合、探針ホルダーを試験基板自体に連結しないことが合目的である。従って、本発明の他の実施形では、熱放射シールドが単一探針と多重探針のための探針ホルダーを少なくとも間接的に備え、この探針ホルダーが熱放射シールドに熱伝導的に連結されている。上記のように熱放射シールドが冷却媒体の供給によって直接冷却されるので、この実施形においても、探針の温度は試験基板の温度と一緒に変化する。試験基板の形状と探針の形状の熱による変化によってあるいは部品の上記の温度ドリフトによって必要になるような再調節は不要である。

　本発明の有利な実施形では、基板支持体用保持手段が基板近くの部分を冷却式チャックに熱的に連結した垂直方向に移動可能な頭と、チャック駆動装置に固定した保持ピンとを備えている。この保持ピンは金属よりも熱伝導率の小さな材料からなっている。

　２つの部分と頭と保持ピンから保持手段を形成すると、一方では、頭のために熱伝導性の良好な材料を使用することによって、冷却されるチャックを介してこの頭を間接的に冷却することができ、他方では、複合テーブルからのチャックの熱的な分離を確実にすることができる。頭は試験基板の適当な保持手段に分離可能にかつ垂直方向に固定されて係合し、それによって試験基板に熱的に接触する。頭は複合テーブルに固定された保持ピンに、ばね力で付勢されて連結されている。従って、試験基板とチャックを摩擦的に連結するためあるいは分離するために、チャックの垂直方向の相対運動を利用することができる。保持ピンを複合テーブルに固定することにより、保持ピンはチャックの収容面上に保持された試験基板の移動に追従する。

　本発明の他の実施形に従って、チャックはチャック面を有するチャック本体と、このチャック面上に全面で載るチャック板とからなり、このチャック板はチャック本体から分離可能である。分離可能なチャック板は、チャックに試験基板を装備するために、説明していない他の手段によって真空室から取り出され、試験基板に連結される。チャック板とチャック本体の連結は上記と同じ方法で、熱的に分離された保持ピンと頭によって行われる。この場合、対応する保持手段は試験基板ではなくチャック板に設けられている。

　本発明の有利な実施形に従って、直接的または間接的に冷却される、チャックと熱放射シールドの部分が熱伝導性の良好な材料からなり、チャックの冷却される部分が高反射の表面を備えていることにより、周囲の温かい部品との、熱放射による熱交換が最小限に押さえられ、冷却すべき部品との、熱伝導による熱交換が最適化される。熱放射シールドのための光沢のない表面を有する熱伝導性の良好な材料を使用することにより、熱放射シールドによって吸収される熱エネルギーの最適な導出が保証される。

　本発明の他の実施形では、チャックはその下面にヒータを備えている。それによって、その都度の冷却媒体の沸点と異なる温度に調節可能である。更に、冷却されるチャックの加熱プロセスは例えば検査装置の交換のために加速することができる。

　加熱可能なチャックの温度管理に熱放射シールドを組み込むために、本発明の他の実施形では、熱放射シールドが同様にその上側にヒータを備えている。

　次に、実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。

　図１に示すように、低温試験用のプローバ、いわゆるクライオプローバはチャック１を備えている。このチャックはチャック駆動装置２、好ましくは電動の複合テーブル（クロステーブル）に連結されている。チャック１はチャック駆動装置２によって作業範囲内で移動可能である。作業範囲は真空室３によって取り囲まれている。この真空室は片側に、フラップ５によって真空封止的に閉鎖可能な装填開口４を備え、中央において作業範囲の上方に、赤外線を反射する石英ガラスによって閉鎖される点検開口６を備えている。作業範囲は、作業範囲を排気するための図示していない真空ユニットに接続されている。

　円筒状のチャック１は金コーティングを有する銅からなり、可撓性の冷却媒体管７を介して冷却媒体タンクに接続され、そして使用される冷却媒体に応じていろいろな温度範囲まで冷却される。この冷却は、チャック１の内部に設けられたカニューレ２１を経て冷却媒体を案内することによって行われる。チャック１の下面はチャックヒータ８を備えている。

　チャック駆動装置２におけるチャック１の固定は、ガラス繊維管からなる中間部材９を介して行われる。この中間部材はチャック１よりも少しだけ小さな横断面と、約１ｍｍの壁厚を有する。

　４個のキノコ状の第１の保持手段１０は、少しだけ垂直運動できるようにかつ基板支持体１２の第２の溝状の保持手段１１に係合できるように、チャック１に固定されている。第１の保持手段はポリマー繊維材料からなる保持ピン１３を介してチャック駆動装置２に固定され、かつばね１４によって下側の位置に保持されている。第２の保持手段１１に第１の保持手段１０の頭１５を係合させることにより、第１の保持手段１０はその下側の位置から上側の位置に押圧され、この上側の位置に保持される。従って、ばね力によって所定の締付け作用が基板支持体１２に働き、チャック１の収容面１６と、基板支持体１２によって保持された試験基板１７の下面とが熱的に良好に接触する。

　試験基板１７の上方に小さな間隔をおいて、円板状の熱放射シールド１８が配置されている。この熱放射シールドは下方に曲げられたリム状の縁部２０と、探針ホルダー１９とを備えている。熱放射シールド１８はチャック１と同様に、可撓性の冷却媒体管７を介して冷却媒体タンクに接続されて冷却される。この冷却は、冷却媒体が熱放射シールド１８の内部に設けられたカニューレ２１を通って案内されることによって行われる。熱放射シールドは熱伝導性のきわめて良好な材料からなり、高反射の表面を備えている。熱放射シールド１８の表面には、チャック１と同様に、シールドヒータ２２が配置されている。

　試験基板１７の検査のために必要な、チャック１と熱放射シールド１８の温度は、図示していない制御兼調整ユニットを介して調整される。探針ホルダー１９は熱放射シールドの中央部分を形成し、熱伝導性のきわめて良好で熱を蓄える材料からなっている。中央において真空室内の点検開口の真下には、円形の貫通口２３が配置されている。この貫通口は赤外線を反射するガラスによって閉鎖されている。

本発明によるプローバの断面図である。 熱放射シールドを上側から見た図である。

符号の説明

１　　　　　　チャック
２　　　　　　チャック駆動装置
３　　　　　　真空室
４　　　　　　装填開口
５　　　　　　フラップ
６　　　　　　点検開口
７　　　　　　冷却媒体管
８　　　　　　チャックヒータ
９　　　　　　中間部材
１０　　　　　第１の保持手段
１１　　　　　第２の保持手段
１２　　　　　基板支持体
１３　　　　　保持ピン
１４　　　　　ばね
１５　　　　　頭
１６　　　　　チャックの収容面
１７　　　　　試験基板
１８　　　　　熱放射シールド
１９　　　　　探針ホルダー
２０　　　　　縁部
２１　　　　　カニューレ
２２　　　　　シールドヒータ
２３　　　　　貫通口

Claims (12)

1. 　チャック（１）が作業範囲内でチャック駆動装置（２）によって移動可能であり、チャックが加熱手段と冷却手段によって温度調節可能であり、チャックが試験基板（１７）を収容するための収容面（１６）と、試験基板（１７）を収容する基板支持体（１２）を固定するための保持手段（１０）を備えている、低温で基板を試験するためのプローバにおいて、チャック（１）の作業範囲を取り囲む真空室（３）が配置され、この真空室が真空ポンプに接続され、チャック（１）が一方では冷却されないチャック駆動装置（２）から熱的に分離され、他方では試験基板（１７）に分離可能に熱的に連結され、試験基板（１７）が直接冷却される熱放射シールド（１８）によって、周囲の冷却されないアセンブリの熱放射に対して遮蔽されていることを特徴とするプローバ。
2. 　真空室（３）がチャック（１）の上側に対抗するその上側に、点検開口（６）を備えていることを特徴とする、請求項１記載のプローバ。
3. 　チャック（１）が金属と比べて熱伝導率の小さな材料からなる中間部材（９）によって、チャック駆動装置（２）に連結されていることを特徴とする、請求項１または２記載のプローバ。
4. 　熱放射シールド（１８）が中央に貫通口（２３）を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載のプローバ。
5. 　貫通口（２３）が選択された波長の光をろ波する透明な閉鎖部材を備えていることを特徴とする、請求項４記載のプローバ。
6. 　試験基板（１７）が単一探針と多重探針のための探針ホルダー（１９）を少なくとも間接的に備え、この探針ホルダーがチャック（１）に熱伝導的に連結されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載のプローバ。
7. 　熱放射シールド（１８）が単一探針と多重探針のための探針ホルダー（１９）を少なくとも間接的に備え、この探針ホルダーが熱放射シールド（１８）に熱伝導的に連結されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載のプローバ。
8. 　基板支持体（１２）用保持手段（１０）が基板近くの部分を冷却式チャック（１）に熱的に連結した垂直方向に移動可能な頭（１５）と、チャック駆動装置（２）に固定した保持ピン（１３）とを備え、この保持ピンが金属よりも熱伝導率の小さな材料からなっていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載のプローバ。
9. 　チャック（１）がチャック面を有するチャック本体と、このチャック面上に全面で載るチャック板とからなり、このチャック板がチャック本体から分離可能であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載のプローバ。
10. 　直接的または間接的に冷却される、チャック（１）と熱放射シールド（１８）の部分が熱伝導性の良好な材料からなり、チャック（１）の冷却される部分が高反射の表面を備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載のプローバ。
11. 　チャック（１）がチャックヒータ（８）を備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載のプローバ。
12. 　熱放射シールド（１８）がシールドヒータ（２２）を備えていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載のプローバ。

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