JP2009135125A - 半導体素子の測定ステージ - Google Patents

Abstract

【課題】高硬度で熱伝導性に優れるため長期間にわたって安定して使用することができる半導体素子の測定用ステージを提供する。
【解決手段】半導体素子を製造する製造工場の検査工程で使用され、半導体素子を所定の温度域に維持した状態で連続的な検査動作を可能にした測定用ステージである。半導体素子が載置される平坦な上面を有する第一板材１と、第一板材の下面に接触する上面を有する第二板材２とが積層されて構成され、第一板材１は、第二板材２より硬度及び熱伝導率に優れたダイヤモンドで構成され、第二板材２は、第一板材１より板厚が厚く、且つ、第一板材との接触面積より広い上面を有して構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を製造する製造工場の検査工程で使用され、半導体素子を所定の温度域に維持した状態で、連続的な検査動作を可能にした測定用ステージ関するものである。

半導体素子の製造の最終段階では、製造した半導体素子の良否判定や、特性測定が必要となる。このような検査工程では、多数の半導体素子が繰り返し測定されるので、載置面の磨耗を防止するため、超硬合金を使用した測定ステージが使用されることがある。ここで、超硬合金とは、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物をＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの鉄系金属で焼結した複合材料をいう。

ところが、超硬合金は、硬度的には優れた性能を発揮するものの、熱伝導率が低いため、発熱量の大きい電力用素子の測定には使用できないという問題があった。すなわち、例えば、半導体素子の動作特性を測定しようとする場合、測定条件として測定温度が規定されるが、測定ステージの放熱特性が悪いため、所定の測定条件を維持できないおそれがある。

そのため、熱伝導率に優れた銅やアルミニウムを使用した測定用ステージも考えられるが、これらの材料は硬度に劣るので、半導体素子の載置面が容易に磨耗してしまい長期の使用ができない。そこで、従来は、銅やアルミニウムより硬度に優れる銅タングステン合金などを使用して測定ステージを構成していた。

しかし、銅タングステン合金は、硬度が十分ではないため、測定ステージを定期的に交換するしかなく、この点での無駄があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、高硬度で熱伝導性に優れるため長期間にわたって安定して使用することができる半導体素子の測定用ステージを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発者は、種々の材料について検討したが、コスト的に採用可能であって、耐久性及び熱伝導性に優れた材料は存在しないのが現実である。しかし、複数の板材を特定の条件で積層することで、所望の性能を発揮できることを見出して本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、半導体素子を製造する製造工場の検査工程で使用され、半導体素子を所定の温度域に維持した状態で連続的な検査動作を可能にした測定用ステージであって、前記半導体素子が載置される平坦な上面を有する第一板材と、第一板材の下面に接触する上面を有する第二板材とが積層されて構成され、前記第一板材は、前記第二板材より硬度及び熱伝導率に優れた材料で構成され、前記第二板材は、前記第一板材より板厚が厚く、且つ、第一板材との接触面積より広い上面を有して構成されている。

好ましくは、本発明の第一板材と第二板材には、互いに連通して吸着穴が形成され、前記半導体素子は、前記第一板材の上面に露出した前記吸着穴を塞ぐよう載置される。この構成によれば、測定時に半導体素子を傷付けるおそれがなく、且つ、保持部材が半導体素子を遮ることもなく、半導体素子を載置面に確実に吸着保持することができる。

また、第二板材には、ヒートシンク部材が着脱容易に組み付けられ、前記ヒートシンク部材を介して、前記第一板材と第二板材とが加熱又は放熱されているのが好ましい。このような構成を採ると、測定時の温度域を高精度に維持することができる。

第一板材の上面の表面積は特に限定されるものではないが、好ましくは、半導体素子との接触面積の５倍以上に設定され、また、第一板材の板厚は、好ましくは、０．３ｍｍ以上に設定される。本発明者の検討によれば、半導体素子の発熱は、第一板材の板厚方向より、むしろ面方向に広がるので、半導体素子との接触面積の５倍以上の第一板材を使用すれば、その板厚は、０．３ｍｍ程度で足りることが確認された。

コスト的には、第一板材の表面積及び厚さが小さいほど有利であるが、放熱性能を高めるには第一板材の表面積及び厚さが大きいほど有利である。そこで、この相反する条件を現実的に満足させるには、第一板材の表面積を、半導体素子との接触面積の５〜１０倍程度に設定し、第一板材の板厚を、０．３〜１ｍｍ程度に設定するのが最適である。

半導体素子の発熱は、第一板材から第二板材に伝熱されるが、第二板材においても、板厚方向より、むしろ面方向に発熱が広がることが確認された。したがって、第二板材の上面の表面積は、広いほど有利であり、第一板材との接触面積の４倍以上に設定するのが好適である。

前記第一板材は、具体的には、ダイヤモンド、炭化シリコンＳｉＣ、又は窒化アルミニウムＡｌＮの何れかで構成されるのが好ましいが、強度及び伝熱性の観点からダイヤモンドが最適である。ダイヤモンドは高価ではあるが、半導体素子との接触面積の５〜１０倍程度の表面積であって、０．３〜１ｍｍ程度の板厚であれば、耐久性及び放熱性の利点から、半導体素子の製造コストを上げることはない。

前記第二板材は、具体的には、炭化シリコンＳｉＣ、窒化アルミニウムＡｌＮ、銅タングステン合金Ｃｕ−Ｗ、銅Ｃｕ、アルミニウムＡｌの何れかで構成されるのが好ましいが、窒化アルミニウムＡｌＮが最適である。

本発明の測定ステージは、第一板材と第二板材とが積層されて構成され、第一板材は、第二板材より硬度及び熱伝導率に優れた材料で構成され、第二板材は、第一板材より板厚が厚く、且つ、第一板材との接触面積より広い上面を有しているので、高硬度で熱伝導性に優れ、長期間にわたって安定して使用することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

＜第一実施例＞
図１は、第一実施例の測定ステージの構成を示す原理図である。この測定ステージは、ダイヤモンド製の第一板材１と、窒化アルミニウム製の第二板材２とが積層されて構成されている。なお、各板材１，２は、円板状か又は矩形板状に構成される。

第一板材１と第二板材２には、垂直方向に吸着穴ＨＯが設けられており、各吸着穴が連通して、不図示の真空吸引装置に接続されている。半導体素子は、第一板材１の上面に露出した吸着穴ＨＯを塞ぐよう載置されるので、この測定用ステージに載置された半導体素子を保持する保持部材は不要となる。

なお、第一板材１の下面と、第二板材の上面は、各面にメタライズ処理が施された後、ハンダ材によって互いに溶着されている。ダイヤモンド材や窒化アルミニウム材へのメタライズ処理は、これらを放熱板として使用する場合の公知の技術を使用することができる。

素子発熱面積を２ｍｍ×２ｍｍとし、第一板材１を５ｍｍ×５ｍｍ×０．３ｍｍの矩形板とし、第二板材を２０ｍｍ×２０ｍｍ×６ｍｍの矩形板とした場合には、熱抵抗（単位時間当たりの発熱量あたりの温度上昇量）が約０．４９℃／Ｗであり、優れた放熱特性が確認された。

ところで、ダイヤモンド製の第一板材１は絶縁性が高いので、測定ステージと半導体素子との間を通電させることができない。しかし、ダイヤモンド表面に、耐久性の高い導電性膜を設けることで、半導体素子の下面に電極を有するタイプの半導体素子を測定対象にすることができる。もっとも、半導体素子の上面に、電極を有するタイプの半導体素子を測定対象とすれば、そもそも何の問題も生じない。

なお、ダイヤモンド表面に導電性膜を設けることなく、半導体素子の下面に電極を有するタイプの半導体素子を測定対象とするには、第一板材をＣｕ−Ｗ合金製とすることが考えられるが、この場合には同一寸法の測定ステージにおいて、熱抵抗が０．９５℃／Ｗとなり放熱特性に劣る。

＜比較例＞
第二板材を、図１（実施例）から図２（比較例１）のような形状に変形することも考えられるが、熱抵抗が約０．５９℃／Ｗとなることが確認された。図２の構成では、図１の第一実施例の構成より熱抵抗が増加することから、第二板材についても面方向に広く伝熱路を確保すべきことが確認される。

第二板材の形状を、図２の構成より板厚を増加させて、図３（比較例２）のように変形することも考えられるが、熱抵抗が約０．６６℃／Ｗとなり、熱抵抗が更に増加することが確認された。一方、図３の構成において、中央部の幅を広げて図４（比較例３）の構成とすると熱抵抗が約０．５４℃／Ｗとなり、熱抵抗がやや改善された。

以上の比較例１〜比較例３によれば、板厚を増加させても放熱特性は改善されず、むしろ劣化するだけであり、面方向に広い伝熱路を確保することが重要であることが確認される。

＜第二実施例＞
図５は、第二実施例の測定ステージの構成を示す原理図である。この測定ステージは、ダイヤモンド製の第一板材１と、窒化アルミニウム製の第二板材２とが積層されて構成され、これらがヒートシンク３に固定されて構成されている。

第一板材１と第二板材２とは、第一実施例の場合と同様に、対向面がメタライズ処理された後、ハンダ材によって溶着されて一体化されている。この第二実施例では、第二板材に取付け穴ＡＴが形成されており、ボルト材をヒートシンク３に捩じ込むことで、全体が着脱自在に一体化される。したがって、ヒートシンク３に変えて、熱源を接続することも容易である。

以上、本発明の実施例について説明したが、具体的な形状や寸法は特に本発明を限定するものではなく、使用する材料などに対応して適宜に変更される。

第一実施例の測定用ステージを説明する原理図である。 比較例１を説明する原理図である。 比較例２を説明する原理図である。 比較例３を説明する原理図である。 第二実施例の測定用ステージを説明する原理図である。

符号の説明

１ 第一板材
２ 第二板材

Claims (6)

1. 半導体素子を製造する製造工場の検査工程で使用され、半導体素子を所定の温度域に維持した状態で連続的な検査動作を可能にした測定用ステージであって、
   前記半導体素子が載置される平坦な上面を有する第一板材と、第一板材の下面に接触する上面を有する第二板材とが積層されて構成され、
   前記第一板材は、前記第二板材より硬度及び熱伝導率に優れた材料で構成され、
   前記第二板材は、前記第一板材より板厚が厚く、且つ、第一板材との接触面積より広い上面を有して構成されていることを特徴とする半導体素子の測定用ステージ。
2. 前記第一板材と前記第二板材には、互いに連通して吸着穴が形成され、前記半導体素子は、前記第一板材の上面に露出した前記吸着穴を塞ぐよう載置される請求項１に記載の測定用ステージ。
3. 前記第二板材には、ヒートシンク部材が着脱容易に組み付けられ、前記ヒートシンク部材を介して、前記第一板材と第二板材とが加熱又は放熱されている請求項１又は２に記載の測定用ステージ。
4. 前記第一板材の上面の表面積は、前記半導体素子との接触面積の５倍以上に設定され、前記第一板材の板厚は、０．３ｍｍ以上に設定されている請求項１〜３の何れかに記載の測定用ステージ。
5. 前記第二板材の上面の表面積は、前記第一板材との接触面積の４倍以上に設定されている請求項１〜４の何れかに記載の測定用ステージ。
6. 前記第一板材は、ダイヤモンド、炭化シリコンＳｉＣ、窒化アルミニウムＡｌＮの何れかで構成され、
   前記第二板材は、炭化シリコンＳｉＣ、窒化アルミニウムＡｌＮ、銅タングステン合金Ｃｕ−Ｗ、銅Ｃｕ、アルミニウムＡｌの何れかで構成されている請求項１〜４の何れかに記載の測定用ステージ。
   

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