JP2007180335A - プローバ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却機構とヒータを併用して低い設定温度を実現するプローバのウエハチャックの温度の均一性を向上する。
【解決手段】ウエハWを保持するウエハチャック11と、制御部16と、を備えるプローバであって、ウエハチャック11の表面を冷却する冷却手段12,14,15と、ウエハチャック11の表面の周辺部を加熱する第１の加熱手段19Aと、ウエハチャック11の表面の中心部を加熱する第２の加熱手段13Bと、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体ウエハ上に形成された複数の半導体チップ（ダイ）の電気的な検査を行うためにダイの電極をテスタに接続するプローバに関し、特にウエハを保持するウエハチャックの表面を加熱及び冷却して高温及び低温環境で検査が行えるプローバに関する。

半導体製造工程では、薄い円板状の半導体ウエハに各種の処理を施して、半導体装置（デバイス）をそれぞれ有する複数のチップ（ダイ）を形成する。各チップは電気的特性が検査され、その後ダイサーで切り離なされた後、リードフレームなどに固定されて組み立てられる。上記の電気的特性の検査は、プローバとテスタで構成されるウエハテストシステムにより行われる。プローバは、ウエハをステージに固定し、各チップの電極パッドにプローブを接触させる。テスタは、プローブに接続される端子から、電源および各種の試験信号を供給し、チップの電極に出力される信号をテスタで解析して正常に動作するかを確認する。

半導体装置は広い用途に使用されており、−５５°Ｃのような低温環境や、２００°Ｃのような高温環境でも使用される半導体装置（デバイス）もあり、プローバにはこのような環境での検査が行えることが要求される。そこで、プローバにおいてウエハを保持するウエハチャックのウエハ載置面の下に、例えば、ヒータ機構、チラー機構、ヒートポンプ機構などのウエハチャックの表面の温度を変えるウエハ温度調整機構を設けて、ウエハチャックの上に保持されたウエハを加熱又は冷却することが行われる。

図１は、ウエハ温度調整機構を有するプローバを備えるウエハテストシステムの概略構成を示す図である。プローバは、ウエハＷを保持するウエハチャック１１と、検査する半導体チップの電極配置に合わせて作られたプローブ１８を有するプローブカード１７と、制御部１６と、を有する。ウエハチャック１１内には、冷却液経路１２及びヒータ１３が設けられる。冷却液経路１２には冷却液源１４から経路１５を介して冷却液が流され、ウエハＷを保持するウエハチャック１１の表面を冷却する。また、ヒータ１３は発熱してウエハＷを保持するウエハチャック１１の表面を加熱する。制御部１６は、ウエハチャック１１の表面の近くに設けられた温度センサ１９の検出した温度に基づいて、冷却液源１４及びヒータ１３を制御して、ウエハチャック１１の表面が所望の温度になるようにする。プローバは、この他にも、ウエハチャック１１のＸ、Ｙ及びＺ方向の３軸移動・回転機構、ウエハ上に形成されたダイの配列方向を検出するアライメント用カメラと、プローブの位置を検出する針位置検出カメラと、それらを収容する筐体などが設けられ、上記のプローブカード１７は、筐体に設けられたカードホルダに取り付けられる。このような構成要素は本発明に直接関係しないので、ここでは図示を省略している。

テスタは、テスタ本体２１と、テスタ本体２１の端子とプローブカード１７の端子を電気的に接続するコネクション部２２と、を有する。コネクション部２２は、バネを使用した接続端子機構、いわゆるスプリングピン構造を有する。プローバは、ウエハテストにおいてテスタと連携して測定を行うが、その電源系や機構部分はテスタ本体及びテストヘッドとは独立した装置である。

ウエハチャック１１内には、他にもウエハＷを真空吸着するための真空経路などが設けられ、ウエハチャック１１内における冷却液経路１２、ヒータ１３及び真空経路の配置については各種の変形例がある。

ウエハチャック１１に保持されたウエハＷは、例えば、−５５°Ｃから＋２００°Ｃまでの任意の温度に設定できる。ウエハの冷却及び加熱機構（冷却及び加熱手段）は、ヒートポンプ機構などで実現することも可能である。

ウエハを所定の温度にして検査を行う場合、ウエハＷをウエハチャック１１に保持した状態で、制御部１６は温度センサ１９の検出した温度に基づいてウエハの冷却及び加熱機構を制御し、ウエハチャック１１が所定の温度になるようにする。ウエハチャック１１は、アルミニューム、銅などの金属や、熱伝導性の良好なセラミックなどの材料で作られている。温度センサ１９は１個だけ設けられ、検出したウエハチャック１１の温度は、他の部分でも同じであるとして制御が行われる。

しかし、各チップ（ダイ）は検査時に発熱するので、実際にはウエハチャックの全面が同じ温度にはならない。そこで、特許文献１は、ウエハチャック１１の表面を複数の領域に分割し、各領域毎に独立に制御可能な温度調整機構（加熱機構と冷却機構）及び温度センサを設け、各温度センサの検出した温度に基づいて各領域の温度調整機構を制御することを記載している。しかし、特許文献１に記載された構成は高コストになるという問題がある。

以上説明したプローバ及びウエハテストシステムの構成は、広く知られているので、ここではこれ以上の説明を省略する。

高温又は低温で検査を行う場合、ウエハチャック１１の部分のみが高温又は低温に保持されるので、周囲との温度差のためにウエハチャック１１の温度が変化する。また、上記のように検査に伴うチップの発熱のためにウエハチャック１１の温度が変化する。そこで、制御部１６は温度センサ１９の検出する温度に応じて冷却機構やヒータなどの加熱機構を制御するが、正確な温度制御を行うにはそれらの応答性能（レスポンス）が問題になる。例えば、温度センサ１９が設定温度からのずれを検出して直ぐに温度ずれを補正するように冷却機構や加熱機構を制御しても、レスポンスが遅いと、補正されるまでには長い時間を要するために、その間に温度ずれが大きくなり設定温度に正確に制御することができないという問題を生じる。

一般に、ヒータは電流を増加させると直ぐに発熱するので比較的レスポンスが速いが、冷却機構は冷却液源１４内の冷却液の温度を変化させるのに時間を要する上、温度が変化された冷却液が経路１５を通って冷却液経路１２内を循環してウエハチャック１１を冷却するので、レスポンスが非常に遅い。

そこで、低温条件で検査を行う時には、ウエハチャック１１を設定温度より低い冷却温度になるように冷却機構を一定の条件で動作させた上で、ヒータを発熱させて設定温度になるように制御している。ウエハチャックの温度変化に対しては、ヒータの発熱量を変化させて設定温度になるように調整する。設定温度と冷却温度の差が下側の調整範囲である。高温条件で検査を行う時には、冷却機構を動作させず、ヒータのみを動作させて設定温度になるように調整を行う。

設定温度と室温との差が異なる場合、ウエハチャック１１と周囲との間で伝熱が行われ、ウエハチャックの温度が変化する。例えば、ウエハチャック１１を高温にすると、ウエハチャックから周囲に熱が放熱する。放熱の影響は、ウエハチャック１１の周辺ほど大きく、ウエハチャック１１の中心部に近いほど小さい。従って、ウエハチャック１１の全面でヒータの単位面積当たりの発熱量が同一の場合でも、ウエハチャック１１の周辺は放熱量が大きいために温度の低下量が大きいが、ウエハチャック１１の中心部は放熱量が小さくいために温度の低下量が小さく、ウエハチャック１１の全面の温度が均一でなくなるという問題を生じる。

そこで、ヒータ１３を、図２に示すように、円環状（ドーナツ状）にして、放熱量の大きな周辺部ほどヒータ１３の発熱量を大きくすることにより、全面で均一な温度になるようにすることが行われている。

低温条件で検査を行う時には、逆にウエハチャックが周囲から吸熱を行うため、ウエハチャックの周辺の温度が中心部に比べて上昇する。そのため、冷却液経路１２の形状などを工夫してできるだけ均一な温度になるようにすることが行われている。

特開２００１−２１０６８３号公報（全体）

上記のように、低温条件で検査を行う時には、冷却機構とヒータを併用して温度制御を行うが、その場合でも図２に示したドーナツ状のヒータ１３を使用していた。これは、ウエハチャックを低温にするのは冷却機構により行われ、ヒータ１３は温度調整を補助するために使用されるので、影響が小さいとして特に考慮されなかったためと考えられる。

しかし、近年検査時の温度をより厳しくして、例えば−５５°Ｃから＋２００°Ｃまでの任意の温度で検査が行えるように要求されてきた。上記のように、ウエハチャックの周囲との放熱量及び吸熱量は、温度差に比例して大きくなるので、ウエハチャックの温度の均一性はより悪化する傾向にある。そのため、図２に示したドーナツ状のヒータ１３を冷却機構と併用して使用した場合、ウエハチャックの温度の十分な均一性が得られないという問題が生じる。

本発明は、このような問題を解決するもので、冷却機構とヒータを併用して低い設定温度を実現する場合の、ウエハチャックの温度の均一性を向上することを目的とする。

上記目的を実現するため、本発明のプローバは、ウエハチャックの表面の周辺部を加熱する第１の加熱手段及びウエハチャックの表面の中心部を加熱する第２の加熱手段の２つの独立した加熱手段（ヒータ）を設け、高温にする時には、周辺部の発熱量が大きくなるように、低温にする時には、冷却手段により設定温度より低温にした上で中心部の発熱量が大きくなるように２つの加熱手段を動作させる。

すなわち、本発明の第１の態様のプローバは、ウエハを保持するウエハチャックと、各部を制御する制御部と、を備え、ウエハ上に形成された複数の半導体装置をテスタで検査をするために、前記テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバであって、前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面を冷却する冷却手段と、前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面の周辺部を加熱する第１の加熱手段と、前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面の中心部を加熱する第２の加熱手段と、を備えることを特徴とする。
制御部は、ウエハを保持するウエハチャックの表面を高温にする時には、ウエハチャックの表面の周辺部の発熱量が大きくなるように第１及び第２の加熱手段を制御し、ウエハを保持するウエハチャックの表面を低温にする時には、ウエハチャックの表面全体を設定温度より低温にするように冷却手段を動作させると共に、ウエハチャックの表面の中心部の発熱量が大きくなるように第１及び第２の加熱手段を動作させて前記設定温度になるように制御する。

また、本発明の第２の態様のプローバは、ウエハを保持するウエハチャックと、各部を制御する制御部と、を備え、ウエハ上に形成された複数の半導体装置をテスタで検査をするために、前記テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバであって、前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面を冷却する冷却手段と、前記ウエハを高温にする時に前記ウエハチャックを加熱する第１の加熱手段と、前記ウエハを低温にするために前記冷却手段が前記ウエハチャックを冷却する時に、前記ウエハチャックを加熱する第２の加熱手段と、を備えることを特徴とする。
第１の加熱手段は、ウエハを保持するウエハチャックの表面の周辺部を加熱するように設けられ、第２の加熱手段は、ウエハを保持するウエハチャックの表面の中心部を加熱するように設けられる。

本発明のプローバは、２つの独立した第１及び第２の加熱手段を有するので、ウエハチャックの周辺部と中心部の発熱量を独立に制御することができる。そこで、設定温度が高温の時には、ウエハチャックの外部への放熱が大きくて周辺部の温度が低下するので、周辺部の発熱量を大きくする。設定温度が低温の時には、冷却手段によりウエハチャック全体を冷却した時には、ウエハチャックへの外部からの吸熱が大きくて周辺部の温度が上昇するので、中心部の発熱量を大きくする。これによりウエハチャックは均一な温度になる。

本発明によれば、プローバにおいて、冷却機構とヒータを併用して低い設定温度を実現する場合に、ウエハチャックの温度の均一性を向上させることができる。

図３は、本発明の実施例のプローバのウエハチャック１１の構成を示す図であり、図３の（Ａ）は断面図を示す図であり、図３の（Ｂ）はヒータの平面形状を示す図である。図示していない部分は図１などに示した従来例と同じである。

図３に示すように、実施例のウエハチャック１１は、図１と同様に冷却液経路１２とヒータを有するが、ヒータがウエハチャック１１の中心部に設けられた円形の第２ヒータ１３Ｂと、第２ヒータ１３Ｂの周囲に設けられたドーナツ状に第１ヒータ１３Ａを有する点が従来例と異なる。また、第１ヒータ１３Ａの上部と第２ヒータ１３Ｂの上部にそれぞれ温度センサ１９Ａと１９Ｂが設けられている。図示していないが、ウエハチャック１１の第１及び第２ヒータ１３Ａ及び１３Ｂの上部にはウエハを真空吸着するための真空吸着経路が設けられている。また、冷却液経路１２には、冷却液源１４から経路１５を介して冷却液が循環され、冷却機構（冷却手段）を構成する。

制御部１６は、温度センサ１９Ａと１９Ｂの検出した温度を読み取り、冷却液源１４、第１ヒータ１３Ａ及び第２ヒータ１３Ｂを制御する。

図４は、実施例のプローバにおける温度制御を説明する図であり、図４の（Ａ）は設定温度が高温の場合を、図４の（Ｂ）は設定温度が低温の場合を示す。

設定温度が高温の場合には、冷却液経路１２には冷却液源１４から冷却液を循環させない。言い換えれば、冷却機構は動作させない。そして、第１ヒータ１３Ａ及び第２ヒータ１３Ｂを動作させてウエハチャック１１を加熱して高温の設定温度にする。制御部１６は、温度センサ１９Ａ及び１９Ｂの検出した温度に基づいて、第１ヒータ１３Ａ及び第２ヒータ１３Ｂの発熱量を制御して、ウエハチャック１１表面全体で設定温度になるように制御する。

この時、第１ヒータ１３Ａによるウエハチャック１１の周辺部での単位面積当たりの発熱量を、第２ヒータ１３Ｂによるウエハチャック１１の中心部での単位面積当たりの発熱量より大きくする。もし必要がなければ、第２ヒータ１３Ｂによる発熱を停止してもよい。図４の（Ａ）は、第１ヒータ１３Ａのみを動作させ、第２ヒータ１３Ｂを動作させない場合を示す。

ウエハチャック１１が周囲より高温になると、図４の（Ａ）で矢印で示すように、ウエハチャック１１から周囲に放熱する。放熱量は、ウエハチャック１１の表面積に関係し、側面からの放熱があるため、ウエハチャック１１の周辺部の方が中心部より温度が低下する。そこで、上記のように第１ヒータ１３Ａによるウエハチャック１１の周辺部での単位面積当たりの発熱量を大きくして周辺部での温度を上昇させて、ウエハチャック１１の表面全体で均一な温度になるようにする。

設定温度が低温の場合には、冷却液経路１２に冷却液源１４から冷却液を循環させて、第１ヒータ１３Ａ及び第２ヒータ１３Ｂを動作させない時にはウエハチャック１１が設定温度より低い冷却温度になるように制御する。そして、制御部１６は、温度センサ１９Ａ及び１９Ｂの検出した温度に基づいて、第１ヒータ１３Ａ及び第２ヒータ１３Ｂの発熱量を制御して、ウエハチャック１１表面全体で設定温度になるように制御する。この時の第１ヒータ１３Ａ及び第２ヒータ１３Ｂの発熱量は小さくてよい。

この時、第２ヒータ１３Ｂによるウエハチャック１１の中心部での単位面積当たりの発熱量を、第１ヒータ１３Ａによるウエハチャック１１の周辺部での単位面積当たりの発熱量より大きくする。もし必要がなければ、第１ヒータ１３Ａによる発熱を停止してもよい。図４の（Ｂ）は、第２ヒータ１３Ｂのみを動作させ、第１ヒータ１３Ａを動作させない場合を示す。

ウエハチャック１１が周囲より低温になると、図４の（Ｂ）で矢印で示すように、周囲からウエハチャック１１に入熱する。入熱量は、ウエハチャック１１の表面積に関係し、側面からの入熱があるため、ウエハチャック１１の周辺部の方が中心部より温度が上昇する。そこで、上記のように第２ヒータ１３Ｂによるウエハチャック１１の中心部での単位面積当たりの発熱量を大きくして中心部での温度を上昇させて、ウエハチャック１１の表面全体で均一な温度になるようにする。

以上、本発明の実施例を説明したが、各種の変形例が可能なのはいうまでもない。

本発明は、高温又は低温などの所定の温度条件でウエハの検査を行うプローバであれば、どのようなものにも適用可能である。本発明を適用することにより、低温時にも検査するウエハの温度を正確に設定することができる。

ウエハ温度調整機構を有するプローバを備えるウエハテストシステムの概略構成を示す図である。 従来例におけるヒータの形状を示す図である。 本発明の実施例のプローバのウエハチャックの構造とヒータの形状を示す図である。 実施例のプローバにおける温度制御を説明する図である。

符号の説明

１１ ウエハチャック
１２ 冷却液経路
１３、１３Ａ、１３Ｂ ヒータ
１４ 冷却液源
１６ 制御部
１９、１９Ａ、１９Ｂ 温度センサ
Ｗ ウエハ

Claims (4)

1. ウエハを保持するウエハチャックと、
   各部を制御する制御部と、を備え、ウエハ上に形成された複数の半導体装置をテスタで検査をするために、前記テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバであって、
   前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面を冷却する冷却手段と、
   前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面の周辺部を加熱する第１の加熱手段と、
   前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面の中心部を加熱する第２の加熱手段と、を備えることを特徴とするプローバ。
2. 前記制御部は、前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面を高温にする時には、前記ウエハチャックの表面の周辺部の発熱量が大きくなるように前記第１及び第２の加熱手段を制御し、
   前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面を低温にする時には、前記ウエハチャックの表面全体を設定温度より低温にするように前記冷却手段を動作させると共に、前記ウエハチャックの表面の中心部の発熱量が大きくなるように前記第１及び第２の加熱手段を動作させて前記設定温度になるように制御する請求項１に記載のプローバ。
3. ウエハを保持するウエハチャックと、
   各部を制御する制御部と、を備え、ウエハ上に形成された複数の半導体装置をテスタで検査をするために、前記テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバであって、
   前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面を冷却する冷却手段と、
   前記ウエハを高温にする時に前記ウエハチャックを加熱する第１の加熱手段と、
   前記ウエハを低温にするために前記冷却手段が前記ウエハチャックを冷却する時に、前記ウエハチャックを加熱する第２の加熱手段と、を備えることを特徴とするプローバ。
4. 前記第１の加熱手段は、前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面の周辺部を加熱するように設けられ、
   前記第２の加熱手段は、前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面の中心部を加熱するように設けられる請求項３に記載のプローバ。

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