JP2005500688A - 電子デバイスのウェハレベルバーンイン用システム - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、電子デバイスの熱的かつ電気的なバーンインに関する。本発明は、より詳細には、ウェハの両面に接触する2つの電気接点を使用することによって、半導体業界のコンポーネントに適用可能なウェハレベルバーンインシステムに関する。本発明は、VCSEL(垂直キャビティ表面発光レーザ)のウェハレベルバーンインにも関する。
【背景技術】
【0002】
本発明は、2001年8月13日に出願した「METHODS OF AND SYSTEMS FOR WAFER LEVEL BURN−IN OF ELECTRONIC DEVICES」という名称の米国仮特許出願第60/311,916号の優先権を主張するものである。
【0003】
今日、ほとんどの電子コンポーネント中に固体半導体デバイスが用いられている。たとえば、半導体レーザは、光電子通信システムおよび高速印刷システムなどの応用例において重要なデバイスである。現在、大半の用途では端面発光型レーザが使用されているが、VCSEL(垂直キャビティ表面発光レーザ)に対する関心がますます高まっている。VCSELに関心が集まる理由は、端面発光型レーザが生成するビームは発散角が大きく、それによって、放出されたビームを効率的に収集することが比較的難しいことである。さらに、端面発光型レーザは、ウェハを切断して個々のデバイスにするまで試験にかけることができない。というのは、デバイスの端面が、各デバイスのミラー面を形成するからである。一方、VCSELのビームは発散角が小さいだけでなく、VCSELでは光がウェハ表面に直角に放出される。さらに、VCSELではその設計の中にミラーが一体に組み込まれているので、オンウェハ試験および1次元または2次元レーザアレイの製作を行うことができる。一般に、単一ウェハ上で60,000個以上の半導体レーザコンポーネントが製作される。
【0004】
一般に、VCSELは、基板材料上に数層の反射性材料を成長させることによって作製する。VCSELは、半導体製造技術によって基板上に形成した第1ミラースタックと、第1ミラースタック上面上に形成した活動領域と、活動領域上面上に形成した第2ミラースタックとを含む。第2ミラースタック上面上に第1接点、基板裏面上に第2接点を設けることによって活動領域を貫通して強制的に電流を流し、それによってVCSELを駆動する。VCSELは、典型的なGaAs基板中またはその周りに導入したガリウム、ヒ化物、窒素、アルミニウム、アンチモン、リンおよび/またはインジウムを組み合わせて成長させ製作することができる。
【0005】
歴史的に、半導体の製造は、極めて複雑でコストのかかる多段階の工程を含むものであった。一般に、コンポーネントバーンインは、新たに製作した半導体コンポーネントの熱的かつ/または電気的な試験工程を指す。バーンインにより、ロットまたはバッチに生じる不良コンポーネントを個々に識別し得る。現在、コンポーネントは、「パッケージレベル」でバーンインを行う。すなわち、通常、ウェハから取り出した後、個々にパッケージしたデバイスを試験にかける。各コンポーネントは、パッケージユニットとしてバーンインを行うために、あるいは(パッケージする前に)ベアダイとして試験するためにソケットに置かれて試験される。ダイまたはパッケージレベルのバーンインはいずれも労働集約的なので、製造業者にとってコストが高くなり得る。一つ一つのコンポーネントを試験しなければならず、そのため人間が全体的に介在することが必要である。
【0006】
現在、半導体業界では、WLBI(ウェハレベルバーンイン)方法およびシステムが模索されているが、提案されているシステムおよび方法では、一般に、複数の電気プローブにより、ウェハ上の複数の電気接点に接触を行う必要がある。このようなシステムは複雑であり、プローブと接点の位置合わせに関して特別な注意が必要となり得る。たとえば、Nakataらに発行された「Method of testing electrical characteristics of multiple semiconductor integrated circuits simultaneously」という名称の米国特許第6,339,329号は、WLBIに関してこの業界が取りつつある技術的な方向を象徴するものである。Nakataらの特許は、ウェハ上の複数の半導体集積回路素子にそれぞれ関連する複数の試験電極に複数のプローブ端子を接触させ、複数の正の温度係数素子を介して共通の電圧供給ラインから各試験電極に電圧を印加することによる、複数の半導体集積回路素子の同時試験を教示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
半導体製造業界では、現在デバイスのバーンインを行うのに必要なコストおよび関連する労力を低減する方法およびシステムが求められている。さらに、半導体業界では、VCSEL、ダイオード、LEDその他の半導体デバイスなど、裏表に接点を有する半導体コンポーネントの製造および試験で使用し得るウェハレベルバーンイン(WLBI)方法およびシステムが求められている。本発明者たちは、コンポーネントのウェハレベルバーンインを実現する方法およびシステムを提供することによって、現在のバーンイン手順を改善することが有益であると認識していた。それにしたがって、現在の当技術分野に見られる欠点に対処する新規な方法および手段として本発明を説明し提示する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
以下に示す本発明のまとめは、本発明に特有の革新的特徴の一部を理解しやすくするためのものであり、完全な説明を行うためのものではない。本発明の様々な態様の完全な理解は、明細書全体、特許請求の範囲、図面および要約を全体的に理解することによって得られる。本発明の追加の目的および利点は、本明細書を読んだ当業者には明らかであろう。
【0009】
本発明の特徴は、半導体デバイスのウェハレベルバーンインを実施するシステムを提供することである。
従来技術の制限に対処することによれば、ウェハレベルで電子コンポーネントのバーンインを行うシステム、すなわちWLBI(ウェハレベルバーンイン)用システムが提示される。
【0010】
本発明の特徴は、裏表に接点を有する半導体ウェハに電気的な接触を行う上部および下部接点プレートを含むWLBIシステムを提供することである。
本発明の別の特徴は、バーンイン手順中にウェハ温度を調整する助けとなる熱交換器を含むWLBIシステムを提供することである。
【0011】
本発明の別の特徴は、任意選択で、接点プレートおよび/またはウェハ接点の間の接触を容易にするグラファイト箔を提供することである。
本発明の別の特徴は、バーンイン手順にかけられているウェハ上のコンポーネントを通して電流および電圧を供給する電力調整器を提供することである。
【0012】
本発明の別の特徴は、ウェハレベルバーンイン中に電流および温度レベルの要件を維持するのに必要な監視かつ自動調整を行う機器を提供することである。
本発明の別の特徴は、バーンイン手順にかけられているウェハを機械的に保持するウェハ支持ハードウエアを含むウェハレベルバーンインシステムを提供することである。
【0013】
本発明のさらに別の特徴は、バーンイン手順にかけられているウェハに、制御された機械的なクランプ力を与え、電気的な接触を行い、温度インターフェースを提供するウェハ支持部を提供することである。
【0014】
本発明の別の特徴は、半導体デバイスを含むウェハを製作し、それらをウェハレベルバーンインにかけ、バーンインの後でウェハから個々のデバイスを取り出し、動作するデバイスを使用(出荷)可能にする、半導体デバイスのウェハレベルバーンインを実現する方法を説明することである。
【0015】
ウェハレベルバーンインにより、パッケージレベルバーンインの必要が少なくなり、コンポーネントの生産コストが下がる。ウェハに担持された半導体デバイス用に裏表に電気接点を有するウェハの両面に電気的なバイアスを印加する電極として働く別個の接点プレートを有するWLBIシステムを説明する。さらに、ウェハのデバイス面および/または基板面上のピンに同時に電気的な接触を行うための、形状がディスク状になり得るグラファイトのフェルト材料などの可撓性導電層を説明する。この可撓性導電層により、ウェハに担持された各デバイスにおいて実効直列抵抗Rを与えることができ、そのため、電圧バイアスレベルをむらなく維持する助けとなる。また、バーンイン工程中、チャンバ接点からウェハ上に圧力がかかる際に、この可撓性導電層によりウェハの損傷を防ぐ。というのは、この可撓性導電層は、ウェハのデバイス面上のピンの接触面を吸収して変形することができるからである。バーンインにかけられているウェハに均一な温度を与えることができる冷却システムも説明する。
【0016】
本明細書に援用しかつ本明細書の一部を形成する添付の図に本発明をさらに示す。図では、別々の図を通じて同じ参照数字は、同じまたは機能的に類似した要素を指す。これらの図を本発明の詳細な説明と併せ読めば、本発明の原理を説明する助けとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
本発明の新規な特徴は、本発明の以下の詳細な説明を検討すれば当業者には明らかであり、また、本発明を実施することによって確認できよう。ただし、本発明の詳細な説明および提示した特定の例は、本発明のある実施形態を示しているが、単なる例として示すものであることを理解されたい。というのは、本発明の範囲内で様々な変更および改変が、本発明の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から当業者には明らかであるからである。
【0018】
本発明では、コンポーネントまたはデバイスレベルのバーンインの代わりに、はるかに低いコストでバーンイン結果が得られる新しい方法およびシステムを用いる。本発明のこの開示では、一般に、一度に1つのダイ/コンポーネントを取り扱う必要がある当技術分野で周知の現行の工程を用いるのではなく、各コンポーネントがウェハの一部として一体になっているが、多数のウェハベースのコンポーネントのバーンインを同時に行う方法を教示する。一般に、従来の方法はより労働集約的である。さらに、本発明により、ポストウェハバーンイン工程から生じるスクラップデバイスがかなり減少する。
【0019】
図1を参照すると、従来技術の半導体デバイスの例が、ウェハ100上のデバイス位置からの拡大図として示されている。一般に、この拡大図に示すデバイスは、VCSELやLEDなどの能動デバイスを例として示している。VCSELなどのデバイスの活動領域120で光が生成かつ増幅され、デバイス表面上の窓または開口を通って出射(115)する。一般にデバイスおよびウェハの底面上に位置し、通常デバイスにマイナスの電位を印加するのに用いる共通接点105のところでデバイスに電位が与えられる。一般に、共通接点105は、ウェハ100の基板に連結させることができる。一般にプラス(+)の電位をデバイスに印加するのに用いる第2接点110は、通常デバイスの最上層として配置される。拡大図に示すデバイスは、デバイス製造時にウェハ100から切断される。本発明以前では、パッケージングの前後いずれかで個々のウェハのバーンインを行うのが標準の慣行であった。本発明によって、いまやすべてのデバイスをウェハ100から分離せずに(熱的かつ電気的)バーンイン試験にかけることが可能である。
【0020】
図2を参照すると、本発明の重要な実施形態で使用する主要コンポーネントが示されている。WLBI(ウェハレベルバーンイン)システム200に、上部接点プレート210と下部接点プレート215の間にウェハ100を配設するところを示す。このシステムでは、2枚の電気接点プレート、すなわち接点プレート210および215しか含む必要がないことを理解されたい。ただし、本発明によれば、他の電気接点も使用し得る。さらに、半導体ウェハを垂直に受けるようにシステムを考案し得るはずであることを理解されたい。この場合には、上部接点プレート210を第1接点プレート、下部接点プレート215を第2接点プレートと称し得る。ここでの説明を詳細に行うために、WLBIシステムは重力を利用し、したがって、水平で動作すると仮定する。それにしたがって、次に、上部接点プレート210および下部接点プレート215を用いて、ウェハ100に正負の電位を与える。前に図1に示したように、下部接点プレート215によって、(ウェハ基板であり得る)共通接点105により電気的な接触が行われる。上部接点プレート210により、ウェハ100上に形成された各デバイスに対して、それぞれの表面接点110を介して直接電気的な接触を行うことができる。
【0021】
ウェハの生成/処理中に、ウェハ100の上面(またはデバイス面)上の凹凸が大きくなるか、あるいは、上部接点プレート210の表面上にも凹凸が形成され得ることを理解されたい。これらの凹凸により、電位がウェハ上のすべてのデバイスに印加されないことがある。すべてのデバイスに上部接点プレート210から電位が与えられるようにするために、任意選択で、共通接点110を介して上部接点プレート210とウェハ100の間に導電性かつ可撓性の層220を挿入し得る。可撓性層220により、ウェハ100のデバイス面上への機械的な圧力を小さくすることもできる。任意選択で、共通接点105を介して下部接点プレート215とウェハ100の間にも可撓性層220を挿入して、ウェハ100上への過剰な機械的圧力を防止し得る。制御器230によって上部接点プレート210を制御することができる。この制御器により、デバイス接点110の表面、あるいは可撓性導電材料220を使用するときにはその表面に対して、上部接点プレート210の表面を最適な向きにすることができる。この制御器により、上部接点プレート210のX−Y−Z方向制御を行うことができる。
【0022】
バーンイン工程中、上部接点プレート210を通して、ウェハ100の表面上に形成されたすべてのデバイス接点110に直接、熱エネルギー240を与えることができる。任意選択の可撓性層220を用いる場合には、熱エネルギーはそれをも通してウェハ100に達するのに十分な大きさでなければならない。工程中、ウェハのところでバーンイン温度を一定に維持するために、熱交換器225を使用し得る。熱交換器225により、下部接点プレート215を介してウェハ100に冷却作用を及ぼすことができる。熱交換器225は、ウェハ100の温度を一定に調整するために、ヒートシンク材料、液体冷却、空冷または当技術分野で周知の他の熱伝達方法を含み得る。
【0023】
図3を参照すると、図2で説明したシステムのコンポーネントの動作中に観察し得る配置が示されている。バーンイン試験中に、このシステムの上部接点部分310は、ウェハ100の上面(たとえば、個々のデバイス接点110)または可撓性層220に接触するように置かれる。上部接点部分310がウェハ100の表面に最適に配置されるように、可撓性層220によってそのような配置が容易であるときでも、上部調節機構330により、上部接点プレート210をウェハ表面に対して相対的に移動させる、あるいは「ならす」ことができる。可撓性層220は、ウェハ100上のデバイス接点との電気的な接触を容易にするばかりでなく、上部接点部分310から、ウェハまたはウェハ上の個々のデバイスを損傷し得る機械的圧力が加えられないようにする助けにもなろう。可撓性層220の可撓的な性質により、ウェハまたはウェハ上の個々のデバイスの破損などの損傷を低減または防止し得る。上部接点部分310を通して熱エネルギー340を印加しながら、下部接点部分320によって温度調整350を実現し得る。
【0024】
図4を参照すると、可撓性層220およびウェハ100が示されている。バーンイン手順にかけるウェハ100を、ウェハ表面410が図2の上部接点プレート210に向かって上向きになる状態で、図2に示した下部接点プレート215の上面上に載せる。次いで、ウェハ表面410の上面上に可撓性層220を載せる。好ましくは、可撓性層220がウェハ100の外周よりもわずかに大きいほぼ「ディスク」形状になるように切断または形成する。図4に、可撓性層220とウェハ底面420を合わせたものを示す。図では、ウェハ100の直径よりも可撓性層220の直径を大きく示す。
【0025】
可撓性層220は、使用される際に、導電性、熱伝導性を有し、かつ機械的に圧縮可能である中間接点材料として動作すべきである。可撓性層220は、バーンイン回路に十分な電気抵抗を付加して、ウェハ100全体にわたりダイごとの電流の変動を最小限に抑えるべきである。可撓性層220は、半導体ウェハに熱が出入りして移動するように熱伝導性も有するものでなければならない。可撓性層220は、不均一なウェハと電極表面全体が均一に接触し、かつ半導体ウェハ表面(上面および/または下面)への損傷を防止するために機械的に圧縮可能でなければならない。使用し得るいくつかの材料には、z軸エラストマ、導電エラストマ、導電ゴム、金属フィルム、金属含浸ポリマーフィルム、グラファイトディスクおよび犠牲パターン化金属が含まれるが、これらに限定されるものではない。たとえば、米国オレゴン州Troutdale所在のToyo Tanso USA(製造者兼販売業者)がPERMA FOILと称するグラファイト箔ディスクを、高純度のグラファイトシートから切断することができる。PERMA FOILの特性を以下に示す。
【0026】
温度範囲:−200℃〜+3,300℃
圧縮率(表面に直交する方向):45%
熱伝導率(表面に平行な方向):120Kcal/m.Hr℃
熱伝導率(表面に直交する方向):4Kcal/m.Hr℃
固有電気抵抗(表面に平行な方向):900μΩ−cm
固有電気抵抗(表面に直交する方向):250,000μΩ−cm
熱膨張係数(表面に平行な方向):5×10−6/℃
熱膨張係数(表面に直交する方向):2×10−4/℃
【0027】
図5を参照すると、本発明によるウェハレベルバーンインに有用なシステム500が示されている。図には、ウェハ100および任意選択の可撓性層220がバーンイン位置に示されている。図3に示した上部接点部分310の制御は、たとえば手動の制御器510によって実現し得る。たとえば、機械的な調節機構を時計回りまたは半時計回りに回転することによって、上部接点部分310をそれぞれ上または下に移動させることができる。システム500の上部アセンブリ540および下部アセンブリ550における電位は、アセンブリ540と550の間に配置し得る電気絶縁体530によって得られる。もちろん、電気的な絶縁はシステム500の他の位置でも実現し得ることが当業者には理解されよう。図5に示すように、下部アセンブリ550は熱交換器520を含み得る。
【0028】
図6を参照すると、本発明によるWLBIシステム600が、ウェハレベルバーンイン工程中に電力、熱出力、測定および制御機能を提供する協働コンポーネントとともに示されている。電力は、電力発電機610によって上部および下部接点アセンブリ615、620に供給し得る。熱出力は、図6に示すように、上部接点プレート615の真上に接触するように配置し得る熱カップリング640によって上部接点アセンブリに供給し得る。温度は、熱電対650によって監視し得る。熱電対650は、熱カップリング640および熱交換器660が協働することによって、熱出力発生器630および熱交換器660と協働してウェハ上の温度を一定に維持することができる。電力は、電力発電機610または当技術分野で周知の他の電気機器によって維持し得る。図6に示すように、熱交換器660により、液体、空気、ヒートシンク材料または温度制御手段およびその等価物の任意の組合せによって温度制御を行うことができる。
【0029】
図7を参照すると、WLBIシステム700が上部接点プレート705を上下する機構710を含む本発明の別の実施形態が示されている。機構710は、液圧、エアシリンダ、空気圧その他の手段で制御し得る。図7には、発電機からの電気配線を固定し得る電気接点720および730も示す。電気絶縁体740の別の任意選択位置を、システム700のベース760近くの熱交換器750の下に示す。
【0030】
図8に、本発明によるWLBIシステム800に役立つ機械コンポーネント810、電気コンポーネント820、制御コンポーネント830および測定コンポーネント840を示す。システム800は、VCSELウェハのバーンインで成功裏に試験が行われたものである。
【0031】
次に、本発明によるWLBIを実施する方法を説明する。異なる半導体ウェハでは、工程、時間、電気量/熱量その他のパラメータは変動する可能性があることを理解されたい。以下の例でVCSELを用いることや、正確な方法、工程、時間および電気量/熱量は、本発明の方法およびシステムを限定するものと解釈すべきではない。
【0032】
図9を参照すると、本発明による、あるロットのウェハを受け取ってウェハレベルバーンインにかける工程を示す流れ図が示されている。バーンインにかける前に、工程905で、ウェハ、グラファイトディスクおよび接点プレートを清浄化すべきである。工程910で、VCSELウェハおよびグラファイトディスク(可撓性層220)を下部接点プレート上にロードする前に、一般にウェハの上面外側縁部上に刻印されているウェハ番号を確認し、それを記録すべきである。ウェハの底面が下部接点プレートに面しかつ接触するように下部接点プレート上に載せる。次いで、可撓性層220を用いる場合には、それをウェハ上面(デバイス側)上に載せる。その後、工程915で、(ウェハに損傷を与えないように)接触力を小さくして各接点プレートを注意深く閉じる。次いで、工程920で、接点プレートに電気的に接続される電源バイアス電流を選択したバーンイン設定に設定し、このバイアス電流を動作レベルまで増加させる。その後、工程925で、冷却ファンなどの熱交換器およびヒータなどの熱源をオンにして適切なバーンイン設定にする。
【0033】
バーンイン工程が開始されると、工程930で、バーンインログ/書式にバーンイン開始情報および設定の記録を記録し得る。バーンイン工程中、各ウェハごとに、工程935でウェハバーンイン電流および温度を監視する。この工程は、デバイスや応用例に応じて数時間または数日かかることがある。
【0034】
バーンイン工程期間が完了した後で、工程940で、ウェハに供給するバイアス電流を下げ、最終的にオフにする。工程940でヒータもオフにする。工程945で、情報ログにバーンイン停止時刻その他の観察情報の記録を記録し得る。通常、工程950で、ウェハを30℃未満に冷却する。冷却期間後、工程955で熱交換器(電源から電力を供給されるファンを含み得る冷却機器)をオフにする(安全上ならびに静電放電の理由から、他の装置もオフにすべきである)。次いで、工程960で接点プレートを開く。その後、工程965でウェハおよび可撓性ディスク材料を取り外す。次いで、工程970でウェハを清浄化してグラファイト(その他の可撓性層220)の粒子を取り除き、工程975でウェハをその工程ロットに戻す。次いで、そのロットから別のVCSELウェハをシステム中にロードするか、あるいはそのロットが完了している場合には、そのロットを次の工程(たとえば、試験の検証やデバイスの組立て)に進めることができる。
【0035】
半導体ウェハは、ESD(静電放電)を考慮に入れて取り扱わなければならないことは周知のことである。半導体ウェハおよびデバイスを取り扱う際には常に、適度に清浄で静電気のない機器、手順および材料を用いるべきである。
【0036】
上記工程で、接点プレートを閉じている間の「バイアス電流の増減」および機械的圧力を参照した。次に、これらの重要な処理上の考察に照らして、このWLBI処理方法のより詳細な情報を提供する。
【0037】
バーンインを行う前に最初にウェハを清浄化する際、作業表面上にリントフリー紙を載せる。アセトンに浸したリントフリーの薄い紙を用いて、導電性グラファイトディスク(可撓性層220)を拭いて粒子を取り除く。空気でほこりを払う製品でウェハの両面に吹き付けて、載っているだけの粒子を丁寧に取り除く。アセトンに浸したリントフリーの薄い紙を用いて、バーンインシステムの上部および下部接点プレートを拭いて粒子を取り除くこともできる。特に、前のウェハバーンイン工程から残ったままになっていることがあるグラファイトその他の粒子を取り除く。システムの接点プレートおよびウェハ区域も、空気でほこりを払う製品によって吹付けを行うことができる。
【0038】
ウェハレベルバーンインにかける必要がある新しいウェハのロット番号およびウェハ番号を確認し、次いで、それをログシートに記録する。図10に、ログシートの例を示す。一般に、ウェハ番号はウェハの上面縁部上に印字されている。
【0039】
次いで、図2に示すように、ウェハと可撓性層220(すなわち、導電性ディスク材料)を用いる場合にはシステム中にロードする。ロードする際、通常、ウェハを取扱い用ピンセットで持ち上げ、ウェハフラットを上に向けて下部接点プレート上に載せる。次いで、ピンセットで可撓性層220を持ち上げ、図4に示すように、可撓性層220の平らな縁部がウェハの平らな縁部に合致するようにVCSELウェハの上面上に載せる。
【0040】
次いで、ウェハおよびディスク上に接点プレートを閉じる。システムには、手動または自動で接点を閉じる機器を備えることができる。ここでは、自動化されたシステムを閉じる工程を説明する。自動的に接点を閉じる機器を閉じる準備を行う際に、上部接点プレートのエアシリンダの空気圧ゲージを10:*5psiに設定する。次いで、接点プレートに関連する「下降」ボタンを初期化して接点プレートを閉じる。その後、接点プレートが閉じる間、ウェハおよび/またはグラフィックディスクを監視して、それらが動いたり、滑ったりしないようにする。それらが動いたために必要となった場合には、操作者は、プレートを開き、これらの工程を繰り返す必要がある。
【0041】
操作者は、接点プレートが閉じた後、システムおよびウェハが安定するのを約1分待つべきである。次いで、空気圧ゲージを監視しながら、以下の順序のとおりにエアシリンダによって生成される圧力を増加させる。
【0042】
20:*5psiを1分間
30:*5psiを1分間
40:*5psiを1分間
50:*5psiを1分間
VCSELについての試験結果を通じて示された最終的な動作条件から、エアシリンダの圧力ゲージを50:*5psiに設定するのが最適であることがわかった。これは、ウェハ全体にわたって6.3kg/cm2(90psi)のクランプ力に相当する。
【0043】
このプロセスでは次に、電気接点全体にわたってバイアス電流を増加させる。まず、操作者は、(起動時の供給電流サージから保護するために)電圧センサ/電圧計のリード線を互いに短絡させるべきである。次に、操作者は、500アンペア用の電源をオンにする。開始時の公称設定値は、開路電圧を3.0ボルト未満、短絡電流をゼロアンペアとすることができる。電圧感知用リード線を短絡させた状態で、電源は、電圧出力については約0ボルト、電流出力については約0アンペアとなるはずである。まず、電源バイアス電流を10アンペアに設定する。次いで、操作者は、電圧感知電圧計のリード線の短絡を解除する。その時点で、供給出力電圧は、1〜2ボルトに増加しているはずである。操作者は、以下の工程に従って(通常、電源機器に付いている電流設定ノブを用いて)手動でバイアス電流をゆっくりと増加させる。
【0044】
120アンペアのウェハでは、
(感知用リード線の短絡を解除した後で)10アンペアを2分間、
20アンペアを3分間、
40アンペアを4分間、
80アンペアを5分間、
120アンペアを最終的なバーンイン設定とする。
【0045】
170アンペアのウェハでは、
(感知用リード線の短絡を解除した後で)10アンペアを1分間、
20アンペアを2分間、
40アンペアを2分間、
80アンペアを3分間、
120アンペアを3分間、
170アンペアを最終的なバーンイン設定とする。
【0046】
480アンペアのウェハでは、
(感知用リード線の短絡を解除した後で)20アンペアを1分間、
40アンペアを2分間、
80アンペアを3分間、
160アンペアを4分間、
240アンペアを5分間、
320アンペアを5分間、
360アンペアを5分間、
400アンペアを5分間、
440アンペアを5分間、
480アンペアを最終的なバーンイン設定とする。
【0047】
バイアス電流をゆっくりと増加させて、温度の移行が過大にならないようにすることが重要である。温度が過大に移行すると、ウェハにショックを与え、ウェハが割れる恐れがある。上記の電流増加率では、温度の移行は毎分5℃未満に制限されることになる。様々なウェハタイプで通常用いるバーンイン電流については、表1を参照されたい。
【0048】
【表1】
【0049】
次に、操作者は、熱電対の読取り値でウェハ基板温度を確認すべきである。VCSELウェハで用いるウェハ温度は、たとえば、25℃から、バーンイン温度である125℃に一定に増加させるべきである。次いで、熱交換器を作動させる。熱交換器が冷却ファンと組み合わせたヒートシンク型である場合、(まだ動作していない場合には)冷却ファンの電源スイッチをオンにし、表1に示すデバイス仕様に従って熱監視用の温度(たとえば、85℃または125℃)を設定して冷却ファンを制御すべきである。この時点で、自動運転式ファンは、基板温度が設定した制御温度よりも高くなったときに周期的にオン/オフを繰り返してウェハを冷却することができる。
【0050】
ウェハ/ウェハ基板の温度は、熱電対の読取り値から確認することができる。ウェハ温度は、毎分5℃未満の割合で指定したバーンイン温度に向かって一定に増加し得る。120アンペアおよび170アンペアのウェハタイプの場合、操作者は、ウェハ基板温度が50℃よりも高くなったときに、上部プレートヒータの電源をオンにすべきである。一般に、480アンペアのウェハタイプでは、バーンイン温度に達するのに上部プレートヒータは必要ない。バーンイン条件が125℃のウェハタイプではウェハ基板温度が100℃に達したときに、バーンイン条件が85℃のウェハタイプでは60℃に達したときに、VCSELウェハのウェハバーンインが「開始」したとみなすことができる。図10に示すバーンインログの適切なスペースに開始時刻その他の情報の記録を記録し得る。
【0051】
バーンイン開始時に、ウェハ基板温度が指定したバーンイン温度(VCSELの場合、たとえば、85℃または125℃±5℃)で安定化するまで、操作者は、ウェハを注意深く監視し、全バーンイン中(たとえば、VCSELウェハの場合、20時間)定期的にウェハ基板温度をチェックすべきである。冷却ファンは、温度が±5℃の範囲に入るように周期的にオン/オフを繰り返すはずである。120アンペアおよび170アンペアのウェハでは、ファンが周期動作することはほとんどない。480アンペアのウェハでは、約2分間隔でファンが周期的にオン/オフすることになる。バーンイン中は、電源電流も定期的に監視して、公称バイアス電流が維持されていることを検証すべきである。ウェハに対して熱的かつ電気的な接触が適切に維持されていることを確実にするために、クランプ(接触)圧も定期的に確認して、やはり適切な設定(たとえば、VCSELでは50:*5psi)が維持されていることを検証すべきである。上部接点プレートヒータも定期的に監視して、適切な温度読取り値が維持されていることを検証することができる。ウェハ基板温度が許容最大値(VCSELではたとえば135℃)よりも高くなった場合、冷却ファンを「オン」位置にすることによって速やかに補正処置をとるべきであり、必要な場合には、電源バイアス電流を下げ、オフにする。
【0052】
バーンイン期間の完了時に、電流を減少させ、ヒータをオフにする。VCSELの場合、操作者は、以下に示すように(ウェハにショックを与え、ウェハが割れる恐れがあるような温度の移行を避けるために)電源バイアス電流を注意深く減少させ、上部プレートヒータをオフにする。
【0053】
120アンペアのウェハ:
上部プレートヒータがオンの状態で、バーンイン設定は120アンペアである。上部プレートヒータをオフにし、
80アンペアを3分間、
40アンペアを3分間、
20アンペアを3分間、
10アンペアを3分間、
0アンペアにしてバイアスの遮断を完了する。
【0054】
170アンペアのウェハ:
上部プレートヒータがオンの状態で、バーンイン設定は170アンペアである。上部プレートヒータをオフにし、
120アンペアを3分間、
80アンペアを3分間、
40アンペアを3分間、
20アンペアを3分間、
10アンペアを3分間、
0アンペアにしてバイアスの遮断を完了する。
【0055】
480アンペアのウェハ:
上部プレートヒータがオフの状態で、バーンイン設定は480アンペアである。
400アンペアを3分間、
360アンペアを3分間、
320アンペアを3分間、
240アンペアを3分間、
160アンペアを3分間、
80アンペアを3分間、
40アンペアを3分間、
20アンペアを3分間、
10アンペアを3分間、
0アンペアにしてバイアスの遮断を完了する。
【0056】
バイアス遮断後、電圧感知用リード線を互いに短絡させる。
この手順により、電源が、ウェハおよび接点プレート全体にわたって−1.0ボルトに振れるのを防げるはずである。その後、電源をオフにする。次いで、バーンインログに停止時刻と日付を記録する。停止時刻は、操作者がバーンイン電流の立ち下げサイクルを開始した時刻とすることができる。次いで、クランプ力がかかり、バイアス電流がゼロであり、冷却ファンがバーンイン設定に設定された状態で、ウェハを冷却して基板温度を80℃未満にする。120アンペアのウェハの場合には、冷却ファンがバーンイン設定に設定された状態で、ウェハを70℃未満に冷却する。通常、この冷却期間にかかる時間は20分未満である。基板温度が80℃未満(120アンペアのウェハの場合は70℃未満)に下がると、冷却ファンが「オン」位置に変わり得る。ファンは最高回転数で連続動作する。こうすると、冷却速度が加速される(ただし、ウェハ温度が毎分50℃未満で移行するように行われる)。ウェハ基板温度が30℃未満に下がると、冷却ファンは「自動」位置に変わり得る。通常、ファンが全開の状態で、この冷却期間にかかる時間は20分未満のはずである。
【0057】
接点プレートを開くには、以下の順序に従って、接点プレートのクランプ空気圧ゲージ設定を3.5kg/cm2(50psi)から0.7kg/cm2(10psi)に下げるべきである。
【0058】
50:*5psi(バーンイン設定)
40:*5psiを1分間
30:*5psiを1分間
20:*5psiを1分間
10:*5psiを1分間
操作者は、接点を開くために接点の「上昇」スイッチを作動させる。上部接点プレートは、ゆっくりと開くはずである。操作者は、この開く工程中に、ウェハおよびディスクが張り付いたり、滑ったりして動くか観察すべきである。操作者は、必要な場合には、ウェハが下部プレートから滑り落ちないようにピンセットで保持しなければならない。上部接点プレートの上方への動きが止まったら、ウェハおよびディスクをいつでも取り出すことができる。ウェハおよびディスクは、下部プレート上で互いに張り付いているはずである。下部接点プレートから取り出した後で(ウェハのいずれかの面に可撓性層220を使用している場合には、それをウェハから剥がした後で)、ウェハに割れその他の目に見える損傷を調べるべきである。通常、バーンイン手順ログにウェハに関するすべての情報および観察結果を記録すると、この手順が完了する。
【0059】
ここで説明した接触方法は、裏表に接点を備えた電子デバイス用のものである。これには、たとえば、VCSELタイプのレーザ、他のレーザ、LED、半導体ダイオードその他のタイプの電子デバイスが含まれる。この接触方法では、バイアスを印加するのに、ウェハの各面に対して1つの電極、合計2つの別個の電極を備えることが好ましい。可撓性層220を使用すると、全ウェハ表面およびウェハ全体のすべてのデバイスを覆って接触を行うことができる。
【0060】
ウェハのサイズと形状に相当するディスクとして形成した可撓性かつ/またはグラファイト製の材料としてここで説明した可撓性層220を、電極(接点プレート)とウェハの間で、ウェハの片面または両面に追加することもできるし、あるいはまったく付けないことも可能である。上記の図4に関してある程度詳細に説明したように、中間接点層220は、電気的かつ熱的な伝導性を有し、機械的に圧縮可能である。
【0061】
このWLBIシステムには、電子、電気、機械、測定および制御の技術分野で現在利用可能な装置、機器および設計を含めることができる。これらには以下のようなものがあるが、それらに限定されるものではない。
【0062】
・ウェハ両面の全表面積に接触してバイアスを印加し、かつ機械的な接触を行う2つ以上の電極
・ウェハ全体にわたって均一にバイアスおよび温度を与える、電気的かつ熱的に高い伝導性を有する2つ以上の電極
・制御されかつ測定された機械的な力の印加と解除により接触を行う機械的に圧縮可能な電極
・コンポーネントパッケージ応用例を再現するために、ウェハの基板接点を貫通する熱経路および必要に応じた各電極への熱の注入/各電極からの熱の除去によって、コンポーネントパッケージ応用例中の熱の流れをまねる温度制御型熱交換器構造
・空冷または液冷によって電子デバイス用ウェハの一方の面から熱を取り去ることができる温度制御型熱交換器構造
・空冷または液冷によって電子デバイス用ウェハの片面または両面から熱を取り去り、また、それらに熱を注入することができる温度制御型熱交換器構造
・電子デバイス用ウェハのそれぞれの面上の電極に熱電対を挿入して電極プレート温度を測定し、その信号を利用して、電子デバイス用ウェハへの熱の注入/ウェハからの熱の除去を制御する温度制御システム
・最初に小さな力でウェハ全面に接触を行い、電子デバイス用ウェハ表面に均一に置かれるモジュラー式2セクション型セルフレベリング電極接点プレートと、第1接点プレートの中央で大きな力で接触を行う第2接点プレート。旋回式インターフェースにより、接点プレートおよび電子デバイス用ウェハの非平坦性が自己補正される。
【0063】
・平面接触に対して接触面積を広くし、かつ接触抵抗を小さくするために、2つのセクションの間に球面接点(または他の類似の幾何形状面)を有するモジュラー式2セクション型セルフレベリング電極接点プレート
・フィンを備えた広い区域中に熱を導き、中央フィン区域上に高速空気流を向け、次いで、フィンから、加熱空気が取り出される出口面に向けてその空気流を流すことによって電極から熱を取り去る熱交換器構造
・電極/熱交換器部品全体を交換することなく定期的に電極を交換することができる脱着可能なペデスタル型電極接点区域
・電子デバイス用ウェハ中への金属のマイグレーションを妨げ、電極の酸化を妨げ、かつウェハおよび/または中間接点材料への低抵抗接触を実現する金および/またはニッケルメッキなどの電極上の表面メッキ
・接点電極から定温表面への熱ガイドによって接点電極を一定温度に維持する熱交換器構造。これは、接点電極から100℃の沸騰水容器内への熱ガイドなどであるが、これに限定されるものではない。電子デバイス用ウェハからの所与の熱流および所与の熱ガイドの寸法に対して、定温表面に対して相対的に一定のデルタ温度を維持することができる。
【0064】
・液体の気化熱によって電極から熱を取り去る熱交換器構造。これには、自動液体レベル監視器によって液体の補充が行われる沸騰水が含まれるが、これに限定されるものではない。
【0065】
・熱ガイドの寸法を調節して熱抵抗値を調節することによって接点電極温度を調節する熱交換器構造。このような調節には、熱ガイド中のねじ切り穴に挿入して熱ガイドの断面積および有効熱抵抗値を変える調節可能なねじが含まれるが、これに限定されるものではない。
【0066】
・電気損による過剰な熱が生じないように電気的かつ熱的な特性が十分に良好な電気的接触をもたらし、電極からバイアス供給源に至る熱流によるバイアス供給源の損傷を防止する、接点電極とバイアス供給源の間の電気的なバイアス接続部。この接続部には、低電気抵抗の金属BUSのバーまたはケーブルが含まれるが、これらに限定されるものではない。この場合、これらのバー/ケーブルを空冷または液冷して、これらのバー/ケーブルを流れ落ちる熱を取り去る。
【0067】
・および/または上記品目の任意の組合せ
次に、以下の説明では、VCSELウェハバーンインの検討に的を絞るが、この原理は他の半導体ウェハにも適用することができる。一般に、VCSELウェハ製品は、7.6cm(3インチ)径(そのうち7.4cm(2.9インチ)径が平らな部分)、通常は厚さ0.20mm(0.008インチ)〜0.36mm(0.014インチ)の円形GaAs(ガリウムヒ素)半導体ウェハである。このウェハには、上面上にメタライゼーションパターンが加工され、底面上に全面メタライゼーションが施されている。ウェハレベルバーンイン工程は動力バーンインであり、直流20mAが標準だが、ある種の製品では直流5〜20mAが供給される電流制限型であり、ウェハ上の各デバイスには約2ボルトが供給され、125℃±5℃に制御されるのが標準だが、ある種の製品では85〜150℃に設定され、標準では空気の周囲環境で20時間行う。各ウェハは、(デバイスのタイプに応じて)24,000〜58,000個のデバイスを有し、総バーンイン電源電流要件は120〜1,200アンペアであり、0〜5ボルトの範囲が可能な電源電圧が必要である。
【0068】
典型的なVCSELウェハの電力消費量は、1枚のウェハ当たりのデバイス数および1つのデバイス当たりのバイアス電流に応じて、200ワット〜2,000ワットの範囲である。本発明のバーンインシステムには金属電極が設けられる。これらの電極は、制御された圧力で(0.70kg/cm2(10psi)〜7.0kg/cm2(100psi)重の範囲で調整可能であり、±0.35kg/cm2(5psi)に制御可能)ウェハの両面にクランプされ、ロード/アンロード時に開く。VCSELウェハ表面の形状にほぼ一致し、一般に厚さ約0.38mm(0.015インチ)であることがわかっているグラファイト箔(すなわち、可撓性層220)をVCSELウェハのパターン化した上面上に挿入して、電気的かつ熱的な伝導性をもつ緩衝層を提供する。バーンイン中、グラファイト箔およびウェハの組合せによってかなりの熱が生じることになり、バーンインシステムにより温度管理を行ってウェハ底面温度を目標値に維持しなければならない。この熱負荷に対処するには、空気および/または液体による冷却が有効である。
【0069】
本発明者たちは、1,200ワットまでウェハ温度を125℃に維持し、ウェハ温度140℃では1,400ワットまで制御する空冷ウェハレベルバーンインシステムを開発した。最大電力消費での目標性能は、1,600ワットの電力消費でウェハ温度を125℃に維持することである。このWLBIシステムは、エアシリンダによるクランプを利用して最大318kg(700ポンド)の力をウェハ上に加える。ウェハ基板温度が熱電対から制御ボックスに送られ、それによって、冷却ファンのオン/オフが行われて下部接点プレートの中央で目標温度±5℃を維持する。下部銅プレート全体の温度プロフィールでは、縁部で中央の読取り値から約10℃落ちる。熱の経路はほぼ下向きであり、下部銅接点プレートを通り、冷却フィンを備えた大型の銅製ヒートシンクに至り、冷却フィンを通して強制的に空気を通過させる。17cm3/分(600cfm)の能力をもつプロペラ式ファンを使用する。補助ヒータを上部接点プレートに連結して、低電流ウェハ製品については熱を注入する。
【0070】
VCSELウェハバーンインを実現するのに用いるシステムは、7.6cm(3インチ)径ウェハに対して目標値0.70kg/cm2(10psi)〜7.0kg/cm2(100psi)で調整可能なウェハ接触圧力を均一に印加すべきである。これは、7.6cm(3インチ)径ウェハに対して合計で32kg(70ポンド)〜318kg(700ポンド)のクランプ力に相当する。この圧力は、±0.35kg/cm2(5psi)に制御すべきである。20時間のバーンイン中、120〜1,200アンペアで調整可能な直流電流を0〜5ボルトの範囲でウェハおよびウェハ上に形成したデバイスに印加する。電圧の制御は±1%以内とすべきである。
【0071】
20時間のバーンイン中、たとえば7.6cm(3インチ)径ウェハに対して、最大2,000ワットの熱を放散して、目標値85〜150℃の範囲に±5℃の温度公差でウェハ温度を制御すべきである。接触圧力、バイアス電流/電圧およびウェハ温度の加熱/冷却は、バーンイン開始/完了時に、制御され調整可能な方式で増減すべきである。バーンイン中および立ち上げ/立ち下げ時のウェハ接点プレート全体にわたる接触圧力、バイアス電流、バイアス電圧およびウェハ(下部接点プレート)温度を監視し、データのログ記録を行うべきである。
【0072】
WLBIシステムの機械部品に選択する材料のタイプは、アルミニウムおよび銅であるが、他の材料のタイプも含み得る。支持用機械加工部品はアルミニウムが好ましく、すべての大電流経路用の材料は、金/ニッケルメッキ接点を備えた銅が好ましく、それによって、ガリウムヒ素VCSELウェハ中への銅マイグレーションを遮断し、かつ銅の酸化および寄生抵抗/熱の生成を妨げる。
【0073】
好ましくは、上部/下部接点プレート(210と215)は、約76ミクロン(0.003インチ)まで自己平坦化されるべきである。グラファイトディスク(可撓性層220)は約76ミクロン(0.003インチ)に圧縮することができ、それによって、いくらかのウェハ/プレート平行度の変動が補償される。このシステムは、VCSELの20時間バーンイン中、連続して動作し得るべきである。このシステムの想定し得る使用率は、4時間のロード/アンロード時間で1週6日間以上動作することである。
【0074】
好ましくは、接触圧力、バイアス電流および温度を制御し、制御した時間にわたり、ウェハを破損することなく、VCSELウェハのバーンインを行うべきである。立ち上げおよび立ち下げ工程は制御可能とすべきである。好ましくは、接点プレート区域は平坦、滑らか、かつ清浄にして、ウェハの破損が生じ得る不規則な表面をなくすべきである。センサ装置を備えたPCベースのログ記録システムを用いて、監視を自動化し、周期的に読取り値を提供することができる。PCベースのシステムにより、接触圧力、バイアス電流、接点プレートバイアス電圧、下部接点プレート温度、上部接点プレート温度およびログデータを立ち上げおよび立ち下げ時には毎分監視し、次いで、20時間のバーンイン期間中には5分おきに監視し得る。各システム/ウェハのバーンインロットごとのデータログを、ネットワークサーバのところまでアップロードし得るデータファイルに入力することができる。
【0075】
監視については、電源を較正し、バイアス電流に関する信号を供給することができる。電圧計により、接点プレートバイアス電圧を測定し得る。熱電対を上部/下部接点プレート中に挿入して温度を測定し得る。
【0076】
温度過昇警報によりバイアス電源を停止するトリガをかけ、それによって、熱発生源を取り除くべきである。システム用空気圧の低下が生じた場合、ウェハ接触力が失われるので、システム警報のトリガをかけるべきである。UPS(無停電電源装置)を使用して補助の110VAC制御電子回路をサポートし、それによって、110VAC電力が低下した場合にシステムを保護すべきである。3相電力の低下が生じた場合、ウェハおよびシステムを救済するための対応措置をとり得るようにシステム警報のトリガをかけるべきである。
【0077】
PCによる制御/自動化データログ記録システムで使用するソフトウエアにより、いくつかのWLBIシステムを同時に制御し監視し得る。ネットワークサーバのところまでアップロードすることができ、マイクロソフト(登録商標)互換ソフトウエア(たとえば、エクセルなど)で閲覧できるデータログファイルが出力されると好ましい。イーサネット(登録商標)などのネットワークインターフェースにより、必要なネットワーク接続および機器の遠隔制御を行うことができる。
【0078】
好ましくは、各WLBIシステムは、電源に3相208V交流20Aを使用すべきであり、制御ボックスの電子回路には単相110VAC20Aを使用すべきである。
このシステムは、ウェハ取扱い中の操作者に対して、ESD(静電放電)用の保護接続部を提供すべきである。ウェハ接点プレートは電源端子に電気的に接続し、それによってESDを防止する。
【0079】
このバーンイン工程では、ある決まった時間にわたり高温かつ直流電流下でウェハベースのデバイスを動作させることによって、VCSELの性能が「安定化」することがすでに試験的に示されている。コンポーネントバーンインは、温度125℃、電流20mA、継続時間20時間で成功裏に試験が行われている。ウェハベースの試験用コンポーネントは、バーンインにかけたウェハから個々のコンポーネントを取り出して組み立てた後で「安定化」したことが確認され、各デバイスごとに、14時間の「動作」バーンイン中に光出力の変化が追跡された。
【0080】
試験中、1枚のウェハ当たり50,000個のダイを有する「ダイシュリンク」ウェハとともにこのWLBIシステムを動作させた。これにより、1つのダイ当たり20mAで1枚のウェハ当たり1,000アンペアが引き出され、1.6Vの順電圧降下で合計1,600ワットの電力が消費された。このウェハのVF×IFによる電力消費量が、ウェハを125℃までもっていく熱発生器となっていた。したがって、このシステムでは、125℃を維持するために制御された方式でこの熱を取り除かなければならなかった。本発明は、全容量1,000アンペアで、最大2,100ワットの放散能力で動作することが示された。デルタPO(光出力)が適切に安定化することを確認するために全ウェハに対してWLBI試験を行って、いくつかの興味深い効果が判明した。プロトン型VCSELと酸化物型VCSELでは挙動が異なり、それによって、電流がウェハ中を流れる方式の理解が増した。WLBIは、コンポーネントバーンイン工程で得られた安定化にほぼ近いことが実証された。本発明の教示から、WLBIは、870アンペアアレイのVCSEL製品に対して実現可能であり、ウェハの裏表その他の表面に電気接点を有する他の半導体製品(たとえば、LED)に用いるように適合させることができる。
【0081】
いくつかの熱交換器設計を利用して、本発明によってバーンインを行うウェハの温度管理を実現することができる。次に、これらの様々な温度管理に関する任意選択肢を論じる。
【0082】
図11に、下部接点プレート215と、最終的には試験にかけられているウェハ100とを冷却する助けとなる熱交換器225として使用することができるヒートシンクの上面図および側面図を示す。図11を参照すると、システムの下部接点プレート215から熱を引き出すのに使用可能なヒートシンク900の上面1110および側面1120の図が示されている。ヒートシンク900は、大部分の図、特に図2(参照数字225)、図3および図5(参照数字520)に示す熱交換器として定位置に配置する。このヒートシンクは銅製とすることができ、取付け穴を使用して、接点プレートおよびシステムのフレームに機械的に固定する。このヒートシンクは、放熱部分の表面積が十分に大きく、かつ通気が十分になされ、それによって、それ自体が冷却され、かつ最終的に接点プレートが冷却されるように形成する。(図示しない)ファンを、放熱部分に向けてヒートシンクの下に配置して、冷却を促進することができる。放熱部分を通して(図示しない)液体を循環させて、冷却の助けとすることもできる。
【0083】
図12に、電気的に絶縁されたファイバガラス製マウント1220を用いて、アルミニウムベース1210にヒートシンク900を装着する、本発明によるWLBIシステムの下部アセンブリ1200の斜視図を示す。他の材料を用いることもできることが当業者には理解されよう。
【0084】
図13に、液体を使用してシステムの下部接点部分を冷却し得る、本発明の別の実施形態の側面図を示す。図13を参照すると、WLBIシステム1300が、銅製チャック1310を冷却するための液冷式の熱交換器1305とともに全体的に示されている。図に示すシステム1300により、離れた水源1315から冷却液容器1305に水(または他の冷却液)を供給する。銅製チャック1310は、細長い銅製熱伝導体1325を介して冷却液と熱的に連通する。冷却動作中に冷却液はポート1330を通って気化し得る。銅製チャック1310を冷却するためにより多くの冷却液が必要になると、新しい冷却液が液体ライン1335を介して容器1305に追加される。
【0085】
熱伝導体として、たとえば直径8.05cm(3.17インチ)の銅製熱伝導体1325を使用すると、1,000Wの熱負荷の場合、チャック1310の表面よりも5.1cm(2.0インチ)下に沸騰水レベルがくる必要があり、2,000Wでは、チャック1310の表面よりも2.5cm(1.0インチ)下に沸騰水レベルがくる必要がある。沸騰水表面が、チャック1310の上面にずっと近い場合には、熱伝導性がより低い材料を使用し得る。
【0086】
銅製熱伝導体1325は、常に沸騰水中を延びていなければならない。直径約8.04cm(3.17インチ)、高さ約10cm(4.0インチ)の熱導電体/チャックシリンダが最適であり得る。熱伝導体1325およびチャック面はともに、直径8.04cm(3.17インチ)とし得る。
【0087】
図14に、図13で説明したシステムに類似の液冷システムの別の透視側面図を示す。図14に示すシステムでは、予熱素子1410を使用して液体温度を制御し得る。
図15に、下部接点プレートアセンブリ1510がその中に形成した穴1520その他の経路を有し、それによって、温度センサが、下部接点プレート1510によって支持されるウェハ中央に最も近い接点プレート1510の中央付近のプレート温度の正確な測定値を取得し得る本発明の別の実施形態の側面図を示す。図15には、銅管1530その他の入力ポートを通して直接下部接点プレート1510の底面1540上に冷却液を供給する機構も示す。
【0088】
図16に、上部接点プレート1610がハウジング1620内に含まれる、本発明の別の実施形態の側面図を示す。上部プレートのレベル調節機構1630により、上部接点プレート1610のレベリングを行うことができる。下部接点プレートは、もはや別のユニットとして示しておらず、その代わりに、熱交換ユニット1640の一部として一体化して示されている。図16に示すように、動作中、熱交換ユニット1640に供給される冷却液が、入力ポート1650を通して供給され、接点プレート/熱交換器1660の下面に吹き付けられる。
【0089】
図17に、ウェハと、(可撓性層220に類似の)導電層1705を用いる場合にはそれにも接触する上部接点プレート1710および下部接点プレート1720の別の透視側面図を示す。冷却液および/または加熱液体が、上部および下部接点プレートアセンブリ内部のチャンバ/液体槽1730に供給される。
【0090】
図18に、上部接点プレート1810および下部接点プレート1820が、ウェハと、(可撓性層220に類似の)導電層1805を用いる場合にはそれにも接触するシステム1800の別の透視側面図を示す。この場合には、冷却液および/または加熱液体が、上部接点プレート1810および下部接点プレート1820に連結されたシャフトの周りに巻いたコイル/配管1830に供給され、コイル/配管1830を介してアセンブリに供給される。上部接点プレート1810および下部接点プレート1820は、ニッケル−金メッキされた銅として示されている。図18には、上部プレート1810に対するレベリング動作を行い、バーンインにかけられているウェハ1805に対して均一に圧力をかける、半球形の接点1840も示されている。
【0091】
本明細書に記載した実施形態および例は、本発明およびその実際上の応用例を一番よく説明し、それによって、当業者が本発明を実施し利用し得るように示したものである。ただし、上記説明および例は単なる例として示されていることが当業者には理解されよう。当業者には本発明の他の変形形態および改変形態は明らかであり、添付の特許請求の範囲は、このような変形形態および改変形態を包含することを意図している。上記の説明は、本発明の範囲を網羅または限定するためのものではない。添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、上記教示に照らして多くの改変および変形が可能である。本発明を用いる際には、異なる特性を有するコンポーネントを含み得ることが企図されている。本発明の範囲は、あらゆる点で均等物を完全に認識した上で、本明細書に添付の特許請求の範囲によって定義するものである。
【図面の簡単な説明】
【0092】
【図1】底部層および上部層上に電気接点を有する従来技術の半導体デバイスを示す拡大図ならびにこの拡大図に示すデバイスを複数個含む従来技術のウェハを示す図である。
【図2】システムが、電気的かつ熱的な接触をウェハに与え、自己調節型の上部接点アセンブリによって物理的な圧力の印加を制御し、熱交換器によって温度を調整し得る本発明の一実施形態を示す図である。
【図3】上部および下部接点アセンブリがウェハの電気接点と接触しているところを示す本発明の別の実施形態を示す図である。図では、アセンブリ全体を貫通して熱が流れるように示されており、この熱は熱交換器によって設定温度近くに調整される。
【図4】ウェハに類似した形状に形成してウェハ上の半導体に共通の電気接点を提供するように使用し得る導電性の可撓性ウェハ接触材料を示す図である。この材料はウェハ表面(デバイス面)も覆う。(図では、ウェハ底面を前にして示す。)
【図5】プラス(+)電位とマイナス(−)電位のそれぞれのアセンブリの間に電気絶縁/障壁手段を設けるようにウェハ接触アセンブリを支持し、かつ、熱交換器と、熱的かつ電気的な試験(すなわちウェハレベルバーンイン)にかけられているウェハとを支持するフレーム構造を示す本発明の別の実施形態を示す図である。
【図6】電力源、熱出力源および熱電対/温度測定機器が、システムの上部および下部アセンブリならびに熱交換器による温度制御を実現する任意選択手段に接続される本発明の別の実施形態を示す図である。
【図7】液圧、エアシリンダ、空気圧その他の手段で制御し得る上部接点プレート上下機構を示す本発明の別の実施形態を示す図である。
【図8】本発明によるWLBIシステムに使用する機械、電気および測定コンポーネントを示す図である。
【図9】本発明によるWLBIを実現する方法の各工程を示す流れ図である。
【図10】本発明によるWLBI手順中に使用するサンプルログまたは記録を示すシートである。
【図11】下部接点プレートと、最終的には試験にかけられているウェハとを冷却する助けとなる熱交換器として使用することができるヒートシンクの上面および側面を示す図である。
【図12】電気的に絶縁されたファイバガラス製マウントを使用してアルミニウムベースにヒートシンクを装着する、本発明によるWLBIシステムの下部アセンブリを示す斜視図である。
【図13】液体を使用してシステムの下部接点部分を冷却し得る、本発明の別の実施形態を示す側面図である。
【図14】予熱素子を使用して液体温度を制御し得る液冷システムを示す別の透視側面図である。
【図15】下部接点プレートがその中に形成した穴を有し、それによって、温度センサが、下部接点プレートによって支持されるウェハ中央に最も近い接点プレート中央付近のプレート温度の正確な測定値を取得し得る本発明の別の実施形態と、銅管を通して直接下部接点プレートの底面上に冷却液を供給する新しい構成を示す側面図である。
【図16】上部接点プレートがハウジング内に含まれ、上部プレートのレベル調節機構により、上部接点プレートのレベリングを行うことができ、下部接点プレートが、接点プレート/熱交換器下面に冷却液を吹き付けることができる熱交換ユニットの一部として緊密に一体化される、本発明の別の実施形態を示す側面図である。
【図17】上部および下部接点プレートがともに冷却液手段を利用してウェハの温度を維持する、本発明の別の実施形態を示す図である。
【図18】冷却液および加熱液体が、液体配管によって上部および下部接点プレートアセンブリに供給され、球形の接点が、バーンインにかけられているウェハに対して上部プレートのレベリング動作を行う、ウェハおよび導電層に接触する上部および下部接点プレートを示す別の透視側面図である。
Claims (37)
- 半導体ウェハ(100)のデバイス表面上で、前記半導体ウェハに担持された2つ以上の半導体デバイスの接点(110)に同時に電気的な接触を行う第1電極プレート(210)と、
前記半導体ウェハ(100)の基板表面(105)に電気的な接触を行う第2電極プレート(215)と、
前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)によって、前記半導体ウェハ(100)の前記接点(110)および前記基板(105)を介して前記2つ以上の半導体デバイスに電力を供給する手段(610)とを備える、ウェハレベルバーンインシステム。 - 電力を供給する前記手段(610)が、前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)を介して前記2つ以上の半導体デバイスに電力を供給し監視する電圧調整器を備える、請求項1に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)の少なくとも一方を介して、前記半導体ウェハ(100)に制御された熱エネルギーを供給する手段(640)をさらに備える、請求項1に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記半導体ウェハ(100)に温度を均一に与えることができる温度調整器(630)をさらに備える、請求項3に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記温度調整器(630)が、前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)の少なくとも一方に配置した熱電対(650)をさらに備え、それによって、前記半導体ウェハ(100)に温度を均一に与えることができる、請求項4に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)の少なくとも一方を介して、前記半導体ウェハ(100)における熱エネルギーを制御する熱交換器(660)をさらに備える、請求項1に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記熱交換器(660)が、前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)の少なくとも一方に熱接触するヒートシンク(900)をさらに備える、請求項6に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記2つ以上の半導体デバイス(110)と前記第1電極接点プレート(210)の間に配置して、前記半導体ウェハ(100)および前記半導体ウェハ(100)に担持された前記2つ以上の半導体デバイス(110)による熱的な伝導かつ電気的な導通を容易にし、前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)によって加えられる圧力による前記ウェハおよび前記2つ以上の半導体デバイス(110)への損傷を最小限に抑えるウェハ表面接点材料(220)をさらに備える、請求項1に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記半導体ウェハ(100)の前記デバイス(110)表面と前記第1電極接点プレート(210)の間に配置した第1ウェハ表面接点材料(220)と、
前記半導体ウェハ(100)の前記基板表面(105)と前記第1接点プレート(215)の間に配置した第2ウェハ表面接点材料(220)とをさらに備え、
前記第1および前記第2ウェハ表面接点材料(220)により、前記基板表面(105)および前記半導体ウェハに担持された前記2つ以上の半導体デバイス(110)を介した前記半導体ウェハ(100)による熱的な伝導かつ電気的な導通が容易になり、かつ前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)によって前記デバイス表面および前記基板表面に対してそれぞれ加えられる圧力による前記半導体ウェハおよび前記2つ以上の半導体デバイスへの損傷が最小限に抑えられる、請求項1に記載のウェハレベルバーンインシステム。 - 前記第1および第2接点プレートの少なくとも一方の接触および圧力の自己調節式制御を実現するウェハ接触圧制御アセンブリ(330)をさらに備える、請求項1に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記ウェハ接触圧制御アセンブリ(330)が手動制御システム(710)をさらに備える、請求項10に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記ウェハ接触圧制御アセンブリ(330)が液圧システム(710)をさらに備える、請求項10に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記ウェハ接触圧制御アセンブリ(330)が空気圧システム(710)をさらに備える、請求項10に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 半導体ウェハ(100)の上面(110)に物理的かつ電気的な接触を行う上部接点プレート(210)と、
半導体ウェハ(100)の裏面(105)に物理的かつ電気的な接触を行う下部接点プレート(215)と、
前記半導体ウェハ(100)を通して電流を供給する、前記上部接点プレート(210)および前記下部接点プレート(215)に接続された電圧源(610)とを備え、
前記半導体ウェハ(100)の前記上面(110)が、前記半導体ウェハに担持された2つ以上の半導体デバイス用の接点を備え、前記半導体ウェハの前記裏面(105)が、前記2つ以上の半導体デバイス用の共通接点として動作する基板を備える、ウェハレベルバーンインシステム。 - 前記2つ以上の半導体デバイスに、制御された電力を供給する電圧調整器(610)をさらに備える、請求項14に記載のシステム。
- 前記上部接点プレート(210)および前記下部接点プレート(215)の少なくとも一方を介して、前記半導体ウェハ(100)の熱エネルギーを制御する熱交換器(660)をさらに備える、請求項14に記載のシステム。
- ウェハレベルバーンイン処理中に、前記半導体ウェハ(100)に温度を均一に与えることができる温度調整器(630)をさらに備える、請求項14に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記温度調整器(630)が、前記上部接点プレート(210)および前記下部接点プレート(215)の少なくとも一方に配置した熱電対(650)をさらに備え、それによって、前記温度調整器(630)により前記半導体ウェハ(100)に均一かつ制御された温度を与えることができる、請求項17に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記上部接点プレート(210)および前記下部接点プレート(215)の少なくとも一方を介して、前記半導体ウェハ(100)における熱エネルギーを制御する熱交換器(660)をさらに備える、請求項14に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記熱交換器(660)が、前記上部接点プレート(210)および前記下部接点プレート(215)の少なくとも一方に熱接触するヒートシンクをさらに備える、請求項19に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記上面(410)と前記上部接点プレート(210)の間と、
前記裏面(420)と前記下部接点プレート(215)の間の少なくとも一方に配置するウェハ表面接点材料(220)をさらに備え、
前記ウェハ表面接点材料(220)により、前記半導体ウェハ(100)および前記半導体ウェハ(100)に担持された前記2つ以上の半導体デバイス(110)による熱的伝導かつ電気的な導通の制御が容易になり、さらに、前記上部接点プレート(210)および前記下部接点プレート(215)によって加えられる圧力による前記ウェハ(100)および前記デバイスへの損傷が最小限に抑えられる、請求項14に記載のウェハレベルバーンインシステム。 - 前記上部接点プレート(210)および前記下部接点プレート(215)の少なくとも一方の接触および圧力の自己調節式制御を実現するウェハ接触圧制御アセンブリ(230)をさらに備える、請求項14に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記ウェハ接触圧制御アセンブリ(230)が手動制御システムをさらに備える、請求項22に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記ウェハ接触圧制御アセンブリが液圧システム(710)をさらに備える、請求項22に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記ウェハ接触圧制御アセンブリが空気圧システム(710)をさらに備える、請求項22に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 半導体ウェハ(100)の基板表面(105)に物理的かつ電気的な接触を行う第1電極プレート(210)と、
前記半導体ウェハ(100)に担持された2つ以上の半導体デバイス(110)の接点に同時に物理的かつ電気的な接触を行う第2電極プレート(215)と、
前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)を介して前記2つ以上の半導体デバイスに電力を供給する手段(610)と、
前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)の少なくとも一方を介して前記半導体ウェハ(100)に制御された熱エネルギーを供給する手段(630)とを備える、ウェハレベルバーンインシステム。 - 電力を供給する前記手段(610)が、前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)を介して前記2つ以上の半導体デバイスに電力を供給し監視する電圧調整器をさらに備える、請求項26に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 制御された熱エネルギーを供給する前記手段(630)が、前記半導体ウェハに温度を均一に与える温度調整器をさらに備える、請求項26に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記温度調整器が、前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)の少なくとも一方に配置した熱電対(640)をさらに備え、それによって、バーンインにかけている間、前記半導体ウェハに温度を均一に与えることができる、請求項28に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 制御された熱エネルギーを供給する前記手段(630)が、前記第1および第2電極プレートの少なくとも一方を介して、前記半導体ウェハにおける熱エネルギーを制御する熱交換器(660)をさらに備える、請求項26に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記熱交換器(660)が、前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)の少なくとも一方に熱接触するヒートシンクをさらに備える、請求項30に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記半導体デバイスと前記第2電極プレート(215)の間に配置されたウェハ表面接点材料(220)をさらに備え、それによって、前記半導体ウェハおよび前記半導体ウェハに担持された前記半導体デバイスによる熱的な伝導かつ電気的な導通が容易になり、前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)によって加えられる圧力による前記ウェハおよび前記デバイスへの損傷が最小限に抑えられる、請求項26に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記2つ以上の半導体デバイスに物理的、熱的かつ電気的に接触する前記ウェハ表面接点材料(220)を前記半導体ウェハの形状に形成し、前記ウェハ表面接点材料(220)により、前記半導体ウェハに担持された前記2つ以上の半導体デバイス全体にわたって電圧バイアスレベルをむらなくかけることが容易になり、前記接点材料により、前記第2電極プレート(215)によって前記2つ以上の半導体デバイスに向かって圧力が加えられるときに、前記2つ以上のデバイスへの損傷が最小限に抑えられる、請求項32に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記第1電極プレート(210)および第2電極プレート(215)の少なくとも一方の接触および圧力の自己調節式制御を実現するウェハ接触圧制御アセンブリをさらに備える、請求項26に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記ウェハ接触圧制御アセンブリ(710)が手動制御システムを備える、請求項34に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記ウェハ接触圧制御アセンブリ(710)が液圧システムを備える、請求項34に記載のウェハレベルバーンインシステム。
- 前記ウェハ接触圧制御アセンブリ(710)が空気圧システムを備える、請求項34に記載のウェハレベルバーンインシステム。
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