JP2008004675A - プローバのウエハチャック - Google Patents

Abstract

【課題】高温ウエハチャックの加熱時のウエハチャック表面の熱変形を抑えて、ウエハチャック表面の平面度を確保する。
【解決手段】ウエハ上に形成されたダイの動作を電気的に検査するため、半導体テスタの各端子をダイの電極にプローブニードルを介して接続するプローバのウエハチャック１６であって、ヒータ５を内蔵してダイを高温状態で検査できる高温ウエハチャック１６において、ウエハチャック１６の本体４を構成するセラミック部材の底面に、熱膨張率の高い金属材料であるアルミやステンレスで構成された金属板５０を貼り付けた高温ウエハチャック１６である。ウエハの高温検査時にヒータ５を動作させると、金属板５０の熱膨張によりウエハチャック１６の本体４の底面側が伸長し、ウエハチャック１６の本体４の上下の伸長度の差が小さくなるので、ウエハチャック表面の平面度が確保される。
【選択図】図６

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（以後ダイという）の電気的特性の検査を行うために、半導体テスタ（以後単にテスタという）の端子をダイの電極パッドに接続するウエハプロービングマシン（以後プローバという）に用いられるウエハチャック関するものであり、特に、ウエハを高温でプロービングする場合のウエハチャックの変形を防止する構造を備えたプローバのウエハチャックに関するものである。

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が施されて、半導体装置（デバイス）をそれぞれ有する複数のダイが形成される。各ダイは電気的特性が検査され、その後ダイサーで各個に切り離された後、リードフレーム等に固定されて組み立てられる。このような各ダイの電気的特性の検査は、プローバとテスタを組み合わせたウエハテストシステムで行われる。

プローバは、搭載したプローブカードを経由してテスタに接続され、ウエハチップにプローブニードルを当てることによって各ダイの電気的特性の試験を行うように構成されている。ウエハはウエハチャックに固定され、各ダイの電極パッドにプローブニードルが接触させられる。テスタからは、プローブニードルに接続される端子に、電源および各種の試験信号が供給され、ダイの電極に出力される信号がテスタによって検出され、テスタ側でこの信号が解析されて各ダイが正常に動作するかが確認される。

図１は、ウエハテストシステム１００の概略構成を示す図である。ウエハテストシステム１００は、プローバ１０とテスタ３０とで構成される。図示のように、プローバ１０は、ウエハチャック１６、Ｚ軸移動・回転部１５、プローブニードル位置検出カメラ１８、カメラ移動機構１７、Ｘ軸移動ステージ１４、Ｙ軸移動ステージ１３、移動ベース１２、基台１１、支柱１９と２０、ヘッドステージ２１、ウエハアライメントカメラ２２、カードホルダ２３、及びプローブカード２４を有する。

ウエハチャック１６は、複数のダイが形成されたウエハＷを保持するものであり、このウエハチャック１６は、Ｚ軸移動・回転部１５によりＺ軸方向に移動すると共に、Ｚ軸を中心として回転する。プローブニードル位置検出カメラ１８は、プローブニードル２５の位置を検出するものであり、カメラ移動機構１７の上に取り付けられている。カメラ移動機構１７は、プローブニードル位置検出カメラ１８をＺ軸方向に移動するものである。Ｚ軸移動・回転部１５とカメラ移動機構１７はＸ軸移動ステージ１４の上に取り付けられており、Ｘ軸移動ステージ１４はこれらを支持してＸ軸方向に移動する。

Ｘ軸移動ステージ１４は、これを支持してＹ軸方向に移動するＹ軸移動ステージ１３の上に設けられており、Ｙ軸移動ステージ１３は移動ベース１２の上に支持されている。更に、移動ベース１２は基台１１の上に設置されている。そして、基台１１の上に設けられた支柱１９及び２０により、ウエハチャック１６の上方にヘッドステージ２１が支持されている。このヘッドステージ２１には、プローブカード２４を有するカードホルダ２３が取り付けられている。なお、ウエハアライメントカメラ２２は、図示していない支柱に支持されており、ウエハＷの上面を撮影する。

なお、以上のように構成された移動・回転機構の動作については広く知られているので、ここではその説明を省略する。プローブカード２４は、検査するデバイス（ダイ）の電極配置に応じて配置されたプローブニードル２５を有しており、検査するデバイスに応じて交換される。プローブニードル位置検出カメラ１８はプローブニードル２５の配置及び高さ位置を検出し、ウエハアライメントカメラ２２はウエハＷ上のダイの電極パッドの位置を撮影して検出する。

テスタ３０は、テストヘッド３１と、テストヘッド３１に設けられたコンタクトリング３２とを備えている。プローブカード２５には、各プローブに接続される端子が設けられており、コンタクトリング３２はこの端子に接触するように配置されたスプリングプローブを有する。テストヘッド３１は、図示していない支持機構により、プローバ１０に対して保持される。

図２は、図１のプローバ１０の基台１１の上にある主要部の斜視図であり、図１と同じ構成部材には同じ符合が付されている。移動ベース１２の上には平行に２本のガイドレール１が設けられており、Ｙ軸移動ステージ１３はこのガイドレール１の上を移動可能になっている。移動ベース１２の上の２本のガイドレール１の間の部分には、駆動モータ２９とこの駆動モータ２９によって回転するボールネジ２７が設けられている。ボールネジ２７はＹ軸移動ステージ１３の底面に係合しており、ボールネジ２７の回転により、Ｙ軸移動ステージ１３がガイドレール１の上を摺動する。

Ｙ軸移動ステージ１３の上には、平面視すると前述の２本のガイドレール１に直交する２本の平行なガイドレール２が設けられており、Ｘ軸移動ステージ１４はこのガイドレール２の上を移動可能になっている。Ｙ軸移動ステージ１３の上の２本のガイドレール２の間の部分には、駆動モータ２８とこの駆動モータ２８によって回転するボールネジ２６が設けられている。ボールネジ２６はＸ軸移動ステージ１４の底面に係合しており、ボールネジ２６の回転により、Ｘ軸移動ステージ１４がガイドレール２の上を摺動する。

ここで、ウエハテストシステム１００によるダイの検査について簡単に説明する。ダイの検査を行う場合には、図１に示したプローブニードル位置検出カメラ１８がプローブニードル２５の下に位置するように、Ｘ軸移動ステージ１４が移動させられ、カメラ移動機構１７でプローブニードル位置検出カメラ１８がＺ軸方向に移動して焦点を合わされ、プローブニードル位置検出カメラ１８でプローブニードル２５の先端位置が検出される。プローブニードル２５の先端の水平面内の位置（Ｘ及びＹ座標）はカメラの座標により検出され、垂直方向の位置はカメラの焦点位置で検出される。

このプローブニードル２５の先端位置の検出は、プローブカード２４を交換した時には必ず行う必要があり、プローブカード２４を交換しない時でも所定個数のダイを測定する毎に適宜行われる事もある。なお、プローブカード２４には、一般に数本から数千本以上ものプローブニードル２５が設けられており、数が多い場合は、全てのプローブニードル２５の先端位置は検出されずに、通常は特定のプローブの先端位置が検出される。

次に、Ｘ軸移動ステージ１４が図１に破線で示す位置に移動させられ、ウエハチャック１６に検査するウエハＷが保持された状態で、ウエハＷがウエハアライメントカメラ２２の下に位置する。この状態で、ウエハＷ上のダイの電極パッドの位置がウエハアライメントカメラ２２によって検出される。１つのダイの全ての電極パッドの位置が検出される必要はなく、いくつかの電極パッドの位置が検出されれば良い。また、ウエハＷ上の全てのダイの電極パッドが検出される必要もなく、いくつかのダイの電極パッドの位置が検出されれば良い。

前述のようにして、プローブニードル２５の配列、及び電極パッドの配列が検出されると、この検出結果に基づき、プローブニードル２５の配列方向と電極パッドの配列方向が一致するように、Ｚ軸移動・回転部１５によりウエハチャック１６が回転する。この後、検査するダイの電極パッドがプローブニードル２５の下に位置するように、ウエハチャック１６がＸ軸移動ステージ１４及びＹ軸移動ステージ１３により移動する。そして、ウエハチャック１６の移動完了後に、Ｚ軸移動・回転部１５によりウエハチャック１６がＺ軸方向に上昇し、電極パッドがプローブニードル２５に接触した状態で上昇が停止する。この状態でテスタ３０から電源及び信号が供給されて検査が行われる。

プローバについては、特許文献１等に記載されており、広く知られているので、これ以上の説明は省略する。

ところで、ウエハテストシステム１００によるダイの検査は、ダイが使用される環境に応じて高温状態のダイの検査、及び低温状態のダイの検査が行われる事が多い。この場合、ダイの加熱及び冷却は、ダイが形成されたウエハを保持するウエハチャックによって行われる。即ち、ウエハチャックの加熱は、ウエハチャック内に設けられているヒータによって行われ、ウエハチャックの冷却は、ウエハチャック内に設けられている冷媒通路に冷媒を循環させて行うようになっている。ウエハチャックの加熱、冷却に、熱電効果を利用したペルチェ素子やチラー等が用いられることもある。

特開２００４−０３９７５２号公報（全体）

ところが、ダイの加熱のためにヒータが内蔵された高温ウエハチャックを用いる場合、高温ウエハチャックとしては、常温近辺から２００°Ｃ程度の高温になるウエハチャックを使用するが、ウエハチャックを高温にした場合、常温に比べてウエハチャックのウエハを載置する面の平面度・平行度が悪化し易いという問題点があった。

この問題点について、図３を用いて更に詳しく説明する。図３（ａ）は、図１、２に示したプローバ１０のウエハチャック１６が高温ウエハチャックである場合の、従来の高温ウエハチャック１６の内部構造、及びこの高温ウエハチャック１６をＺ軸移動・回転部１５に取り付ける取付部４０の構造を示すものである。１４は第１の移動ステージであるＸ軸移動ステージである。

従来の高温ウエハチャック１６は、セラミック部材で構成された円柱状のチャック本体４と、このチャック本体４の上に重ねて設けられる高温チャック表面部材３と、チャック本体４の高温チャック表面部材３を載せる面に設けられた環状溝６と、この環状溝６の中に位置し、高温チャック表面部材３の裏面に貼り付けられるシート状のヒータ５、及び高温チャック表面部材３の内部に埋め込まれた温度センサ９とから構成される。シート状のヒータ５は、図３（ｂ）に示すようにリング状をしている。また、チャック本体４の底面には環状溝６に連通する引き出し孔７が設けられており、温度センサ９の信号線Ｓと、ヒータ５への通電線Ｈはこの引き出し孔７を通じて高温ウエハチャック１６の外部に引き出され、制御回路８に接続される。制御回路８は温度センサ９の検出出力に応じてヒータ５を加熱して高温チャック表面部材３の温度を上昇させる。

取付部４０は、台座４１、Ｖ溝４３を有する取付軸４２、軸受４４、及び固定ネジ４５から構成される。取付軸４２は、図４に示すように、高温ウエハチャック１６のチャック本体４の底面に設けられた円板状の台座４１に突設され、取付軸４２の外周面には１条のＶ溝４３が形成されている。この取付軸４２は、図３に示すように、Ｚ軸移動・回転部１５に突設された軸受４４に挿入され、軸受４４の側面から固定ネジ４５で固定される。通常、固定ネジ４５は軸受４５の周囲の３ケ所に設けられており、固定ネジ４５のテーパ状の先端部を取付軸４２のＶ溝４３に係合させることにより、高温ウエハチャック１６を強固に軸受４４に固定することができる。

このような構成の従来の高温ウエハチャック１６において、制御回路８によりヒータ５に通電が行われ、高温チャック表面部材３の温度が上昇すると、ヒータ５に隣接するチャック本体４の上部は高温になって膨張する。ところが、チャック本体４が断熱、絶縁性に優れるセラミック部材で構成されているために、チャック本体４の下部にはヒータ５の熱が伝わり難く、チャック本体４の下部は低温のままであるので膨張しない。このため、チャック本体４が、上下の温度差によって生じるバイメタル効果によって上に凸に湾曲することになり、高温チャック表面部材３の平面度、平行度が変化するという問題点があった。

本発明は、このような問題点を解決するものであり、簡単な構成を高温ウエハチャックに付加するだけで、高温ウエハチャックを加熱する場合のチャック本体のバイメタル効果を低減させ、高温チャック表面部材３の平面度、平行度の変化を抑えることができるプローバのウエハチャックを提供することを目的としている。

前記目的を達成する本発明のプローバのウエハチャックは、ウエハ上に形成された半導体装置の動作を、半導体テスタを用いて電気的に検査するために、ウエハを３次元方向に移動させることができる移動ステージを備えるプローバに設けられてウエハを保持するためのウエハチャックであって、ウエハを保持する表面部材と、表面部材を保持するセラミック部材で構成されたチャック本体と、チャック本体の表面部材との接合面に設けられた溝と、溝に重なる表面部材の裏面に設けられたヒータと、チャック本体の裏面に固着され、セラミック部材よりも熱膨張率の大きな金属で構成された金属板とから構成されることを特徴としている。

本発明によれば、従来の構成に簡単な機構を付加するだけで、ウエハチャックを加熱する場合のバイメタル効果が低減し、高温チャック表面部材３の平面度、平行度の変化を抑えることができる。

以下、添付図面を用いて本発明の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。なお、図１〜３で説明した構成部材と同じ構成部材については、同じ符合を付して説明する。

図５は、取付部４０を備えた本発明の高温ウエハチャック１６の構成を示しており、図４に示した従来の高温ウエハチャック１６と同じ底面方向から見た斜視図である。また、図６は、図５に示した本発明の高温ウエハチャック１６の内部構造、及びＺ軸移動・回転部１５への取り付けを示す断面図である。

図５に示すように、本発明の高温ウエハチャック１６は、従来例と同様に、高温チャック表面部材３とセラミック部材で構成されたチャック本体４とを備えているが、チャック本体４の裏面側に金属板５０が固着されている点が従来例と異なる。取付部４０は、本発明ではこの金属板５０に取り付けられており、台座４１、Ｖ溝４３を有する取付軸４２、軸受４４、及び固定ネジ４５から構成される。

取付軸４２は、図６に示すように、高温ウエハチャック１６のチャック本体４の底面に設けられた円板状の台座４１に突設され、取付軸４２の外周面には１条のＶ溝４３が形成されている。この取付軸４２は、Ｚ軸移動・回転部１５に突設された軸受４４に挿入され、軸受４４の側面から固定ネジ４５で固定される。通常、固定ネジ４５は軸受４５の周囲の３ケ所に設けられており、固定ネジ４５のテーパ状の先端部を取付軸４２のＶ溝４３に係合させることにより、高温ウエハチャック１６を強固に軸受４４に固定することができる。この構成は従来例と変わりは無い。１４は第１の移動ステージであるＸ軸移動ステージである。

図６に示すように、本発明の高温ウエハチャック１６は、セラミック部材で構成された円柱状のチャック本体４と、このチャック本体４の上に重ねて設けられる高温チャック表面部材３と、チャック本体４の高温チャック表面部材３を載せる面に設けられた環状溝６と、この環状溝６の中に位置し、高温チャック表面部材３の裏面に貼り付けられるシート状のヒータ５、チャック本体４の底面に強固に固着される金属板５０、及び高温チャック表面部材３の内部に埋め込まれた温度センサ９とから構成される。シート状のヒータ５の形状は、図３（ｂ）に示した従来例と同じで良い。

チャック本体４の底面には環状溝６に連通する引き出し孔７が設けられており、チャック本体４の底面に重ねて固着される金属板５０にも、この引き出し孔７に重なる引き出し孔５７が設けられている。温度センサ９の信号線Ｓと、ヒータ５への通電線Ｈは、これらの引き出し孔７、５７を通じて高温ウエハチャック１６の外部に引き出され、制御回路８に接続される。制御回路８はウエハを高温でプロービングする時に、温度センサ９の検出出力に応じてヒータ５を加熱して高温チャック表面部材３の温度を上昇させる。

チャック本体４の底面に重ねて固着する金属板５０には、セラミック部材に比べて熱膨張率の大きな金属を使用する。例えば、熱膨張率の大きなアルミニウムで構成された金属板や、ステンレスで構成された金属板を本発明の金属板５０として、チャック本体４の底面に重ねて固着することが可能である。

このような構成の本発明の高温ウエハチャック１６において、制御回路８によりヒータ５に通電が行われ、高温チャック表面部材３の温度が上昇すると、ヒータ５に直接加熱される高温チャック表面部材３と、ヒータ５に隣接するチャック本体４の上部は高温になって、矢印Ｎで示す方向に膨張する。ところが、チャック本体４が断熱、絶縁性に優れるセラミック部材で構成されているために、チャック本体４の下部にはヒータ５の熱が伝わり難く、チャック本体４の下部は低温のままであるので膨張しない。

しかしながら、本発明では、チャック本体４の底面に熱膨張率の大きな金属板５０が、チャック本体４に強固に取り付けてあり、金属板５０は僅かな熱でも膨張する。このために、チャック本体４の底面側は膨張しなくても、金属板５０が図６に矢印Ｅで示す方向に膨張し、この金属板５０に強固に固着されたチャック本体４の底面側も破線Ｆで示す方向に伸長する。

チャック本体４の底面に接合する金属板５０の厚さや、金属の種類は、ウエハを高温でプロービングする時における高温チャック表面部材３の膨張度と、チャック本体４の上部の膨張度を、シミュレーションや実験データから算出し、高温テスト環境において、チャック本体４の上部のＮ方向へ伸び量と、チャック本体４の底面のＥ方向へ伸び量とが略一致するように設定すれば良い。

この結果、本発明のプローブのウエハチャックでは、ウエハを高温でプロービングする時に、金属板５０の作用によって、チャック本体４の上部のＮ方向へ伸び量と、チャック本体４の底面のＥ方向へ伸び量とが略一致するので、チャック本体４の変形が抑えられ、高温チャック表面部材３の平面度、平行度が確保される。

本発明は、高温検査が可能なプローバの高温ウエハチャックに適用可能である。

プローバとテスタでウエハ上のチップを検査するウエハテストシステムの基本構成を示す側面図である。 図１に示したプローバの要部の概略構成を示す斜視図である。 （ａ）は図１、２に示したプローバのウエハチャックが高温ウエハチャックである場合の、従来のウエハチャックの内部構造、及びＺ軸移動・回転部への取り付けを示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のヒータの平面図である。 図３に示した従来の高温ウエハチャックとその取付部を、底面側から見た斜視図である。 本発明の高温ウエハチャックとの取付部を、底面側から見た斜視図である。 図５に示した本発明の高温ウエハチャックの内部構造、及びＺ軸移動・回転部への取り付けを示す断面図である。

符号の説明

３ 高温チャック表面部材
４ チャック本体
５ ヒータ
６ 環状溝
７ 引き出し孔
９ 温度センサ
１０ プローバ
１２ 移動ベース
１３ Ｙ軸移動ステージ（第２の移動ステージ）
１４ Ｘ軸移動ステージ（第１の移動ステージ）
１５ Ｚ軸移動・回転部
１６ ウエハチャック
４０ 取付部
５０ 金属板

Claims (4)

1. ウエハ上に形成された半導体装置の動作を、半導体テスタを用いて電気的に検査するために、前記ウエハを３次元方向に移動させることができる移動ステージを備えるプローバに設けられる前記ウエハを保持するためのウエハチャックであって、
   前記ウエハを保持する表面部材と、
   前記表面部材を保持するセラミック部材で構成されたチャック本体と、
   前記チャック本体の前記表面部材との接合面に設けられた溝と、
   前記溝に重なる前記表面部材の裏面に設けられたヒータと、
   前記チャック本体の裏面に固着され、前記セラミック部材よりも熱膨張率の大きな金属で構成された金属板とから構成されることを特徴とするプローバのウエハチャック。
2. 請求項１に記載のプローバのウエハチャックであって、
   前記金属板が、前記チャック本体の裏面全体に強固に固着されていることを特徴とするプローバのウエハチャック。
3. 請求項２に記載のプローバのウエハチャックであって、
   前記溝が所定深さを備えた環状溝であり、前記ヒータは環状のシート状をしており、前記ヒータを前記表面部材の裏面に取り付けた状態で、前記ヒータと前記溝の底部との間に空間が形成されることを特徴とするプローバのウエハチャック。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のプローバのウエハチャックであって、
   前記金属板が、アルミ板又はステンレス板であることを特徴とするプローバのウエハチャック。

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