JP2016516992A - ウエハ温度測定ツール - Google Patents

Abstract

【解決手段】半導体ウエハの表面温度を測定するためのウエハ温度測定ツール。ツールは、ウエハの異なる部分で温度を測定して、高分解能の温度分布マップを提供するために利用できる。ツールは、ツール本体内部に摺動可能に配置された内部較正済み重りを備える。温度センサが、重りの底部に取り付けられている。セラミックスタンドが、ツール本体の底部に取り付けられている。ツール本体のセラミックスタンドがウエハ上に配置された時に、温度センサがウエハに接触するように、重力が重りを引き下げる。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、高温なチャック表面の温度を測定するためのメカニズムに関する。

半導体信頼性試験は、ウエハレベル信頼性（ＷＬＲ）試験として知られており、通例、３５０℃もの周囲温度で実行される。かかるＷＬＲ試験の持続時間は、数分から数週間の範囲でありうる。ＷＬＲ試験がウエハにわたる多くのダイに対して順次または同時に実行される時、ウエハ全体を均一な温度に維持することが重要である。

ウエハ全体にわたって均一な温度を達成して維持するには、ウエハの温度を測定する必要がある。したがって、費用効率がよく、信頼性の高いウエハ温度測定ツールが望まれている。

一実施形態によると、ウエハ温度測定ツールが提供される。ツールは、ツール本体と、較正済み重りと、脚部と、温度センサと、を備える。較正済み重りは、ツール本体内部に摺動可能に配置されている。脚部は、較正済み重りの下端に取り付けられ、ツール本体の下端から突出している。温度センサは、脚部の底面から伸びている。

別の実施形態によると、ウエハ表面温度を測定するための方法が提供される。温度測定ツールがウエハ上に配置される。ツールは、ツール本体内部に摺動可能に配置された較正済み重りと、較正済み重りの下端に取り付けられたセラミック脚部と、を備える。温度センサは、セラミック脚部の底面から伸びている。次いで、温度センサがウエハと熱的に接触するように、重力にセラミック脚部を引き下ろさせる。温度測定値が、温度センサから取得される。

さらに別の実施形態によると、ウエハ温度測定ツールが提供される。ウエハ温度測定ツールは、円筒形のツール本体と、較正済み重りと、セラミックスタンドと、温度センサと、を備える。較正済み重りは、ツール本体内部に摺動可能に配置されている。セラミックスタンドは、ツール本体の下端から伸びている。温度センサは、較正済み重りの下端のセラミック脚部に取り付けられており、セラミック脚部および温度センサは、ツール本体の外部にある。

本発明、ならびに、そのさらなる目的および利点は、添付の図面に関連して行う以下の説明を参照することによって最も良く理解できる。

一実施形態に従って、ウエハ表面温度測定ツールを示す分解斜視図。

ツール本体内の内部較正済み重りを示すウエハ表面温度測定ツールの一実施形態の側断面図。

図２Ａに示したツールの側面図。

セラミック脚部が取り付けられた内部較正済み重りの一実施形態の斜視図。

セラミック脚部が取り付けられていない図３Ａの内部較正済み重りの斜視図。

ウエハ表面温度測定ツールの一実施形態を示す底面図。

組み立てられたウエハ表面温度測定ツールの一実施形態を示す斜視図。

ウエハ表面温度測定ツールを用いることによって実行される温度較正の方法を示すフローチャート。

図面において、同じ符号は同じ構造要素を示していることを理解されたい。また、図面内の描写は、概略的なものであり、縮尺が正確でないことが理解される。

本発明は、一般に、半導体ウエハの表面にわたって温度を測定することに関する。上述のように、ＷＬＲ試験では、ウエハを均一な温度に維持することが必要である。本明細書の実施形態は、ウエハにわたって温度を測定するためのウエハ表面温度測定ツールおよび方法を記載する。ツールは、反復可能、高信頼性、正確、かつ、実用的な温度較正方法を提供し、かかる方法は、ＷＬＲ試験を通して均一なウエハ温度を達成するのに重要な要素である。

ウエハ表面温度測定ツールは、ウエハの表面温度を正確に得るために、加熱されたウエハの表面上に配置できる。ツールの温度センサは、比較的サイズが小さいので、ウエハとの接触面積は最小限である。接触面積が小さいことにより、ウエハ上への配置を繰り返して、高い面分解能を提供することを可能にし、詳細なウエハ温度分布マップを生成できる。

昇温（例えば、２５℃〜３００℃）でのＷＬＲ試験は、通例、特別に設計された金属チャック（通常は「ホットチャック」として知られる）上で実行される。ホットチャックは、チャックの上面の温度を制御する専用の制御システムによって加熱される。試験されるウエハの背面が、ウエハおよびチャックの間の良好な物理的および熱的接触を達成する助けとしてチャックの小さい真空孔を用いて、チャックの上面の上に配置される。しかしながら、チャックの上面で制御された温度は、ウエハの上面に位置する試験対象デバイスの実際の温度とは異なる。

原理上、試験対象のウエハにわたるすべてのダイ（サイト）が、専用の温度センサを有することができる。ウエハの全領域を網羅する多数のかかる温度センサの測定値を、専用の制御システムと併せて利用すれば、チャックの上面ではなく、ウエハ上面で、試験されるデバイスにわたる温度を測定し、制御できる。ウエハの全領域にわたって複数の温度センサを用いるこのアプローチは、一つ一つの試験対象ウエハが、チャック、複数の温度センサ、および、専用制御システムを含むシステムと物理的および電気的に一体化される必要があるので、理論的には実行可能であるが実用的ではない。

本明細書に記載の実施形態によれば、実際のウエハレベル信頼性試験の前に、較正工程が行われる。較正工程中、ウエハの上面にわたる温度が、それぞれの一連のオフセット数として取得される。較正後、設定チャック温度がそれに応じて調整され、その結果として得られる各試験対象デバイスの温度は、要求された値に近くなり、残りの温度偏差を知って考慮することができる。

ウエハにわたって表面温度を得るには、２つの一般的な方法がある：（１）商業生産されたシリコン較正ウエハを利用する方法；および、（２）小型で高精度の温度センサを用いる方法。商業生産されたシリコン較正ウエハを用いる場合、複数の高精度温度センサが、ウエハに埋め込まれ、ウエハにわたるそれぞれの測定値のマップを提供するために、配線を介して測定器に接続される。この方法は、正確で信頼性の高い結果を生む。しかしながら、較正ウエハは非常に高価であり、（例えば、基板ドーピング、厚さの点で）較正ウエハと異なるウエハでは、ホットチャック表面とそれらの表面との間の温度オフセットが異なる可能性がある。

小型で高精度の温度センサが用いられる場合、それは、低熱伝導性のツール（例えば、綿棒）によってウエハに手作業で当てられ、ウエハにわたる温度のマップを提供するために、ウエハにわたって移動される。しかしながら、この方法は、センサに手作業で印加される垂直の力が測定中およびウエハにわたる場所の間で変動するので、本質的に一貫性がない。測定される温度は、この変動にかなり敏感であり、場合によっては１．０℃を超える影響を受ける。

本明細書に記載の実施形態は、一定の較正された力を毎回用いることにより、上述の手作業で適用される温度センサを用いる方法の変動を軽減する。結果として得られる低コストのツールは、単純で使いやすく；ウエハにわたって正確で一貫した信頼性の高い温度測定を可能にする。結果として、昇温でのほとんどのウエハレベル信頼性試験の前に有効な温度較正を提供する。

図１は、ウエハ表面温度測定ツール１００の一実施形態を示す分解斜視図である。図１に示した実施形態によると、ツール１００は、実質的に円筒形であり、若干幅広のキャップ１１０と、テーパ状の部分を備えた円筒形ツール本体１３０と、を備える。キャップ１１０は、ユーザのハンドルとして機能し、図１に示すように、ツール本体１３０の上部に取り付けられる。図１に示すように、キャップ１１０は、３つのねじ１４０と、キャップ１１０およびツール本体１３０上面に空けられた対応するねじ穴とによって、ツール本体１３０の上部に取り付けられる。一実施形態によると、キャップ１１０は、プラスチックで形成されてよい。別の実施形態において、キャップは、例えば、ファイバーグラス、コルク、木材、または、ゴムなど、その他の材料で形成されてもよい。

ツール本体１３０は、ステンレス鋼で形成されてよい。図１に示すように、ツール本体１３０は、内部に円筒空洞を有する。ステンレス鋼の較正済み重り１２０が、空洞内部に摺動可能に配置される。図１に示すように、較正済み重り１２０は、重力によって空洞内部で摺動しうるように、比較的緩く空洞内に嵌まっている。別の実施形態において、重りは、任意の適切な高密度材料で形成されてよく、ツール本体は、任意の適切な剛体材料で形成されてよい。図２Ａは、ツール本体１３０内の内部較正済み重りを示すツール１００の主軸に沿った側断面図であり、図２Ｂは、ツールの側面図である。この実施形態において、内部較正済み重り１２０は、同じ主軸に沿った３つの円筒形部分を形成するように機械加工された単一の一体的なステンレス鋼片から形成される。特定の実施形態において、較正済み重り１２０の重さは、約１．２５ポンドである。

重り１２０は、上側円筒形部分１２０Ａ（最も大きく重い部分）と、より小さい円筒形中間部分１２０Ｂと、下側部分１２０Ｃと、を備える。図２Ａに示すように、下側部分１２０Ｃは、セラミック脚部１５０（図１、図３を参照）の上面のねじ穴に螺合するねじ切りスタッドである。内部較正済み重り１２０の大きい上側部分１２０Ａは、ツール本体１３０の対応する空洞よりも若干短く作られており、その結果、内部較正済み重り１２０全体が空洞内で摺動しうる。重り１２０は、ツール１００が通常状態に保持された時（すなわち、上部プラスチックキャップ１１０を上にして正しい側を上にした時）には重力によって引き下ろされ、ツール１００が上下逆に保持された時には反対方向に引き下ろされる。セラミック脚部１５０は、セラミック脚部１５０のねじ穴に螺入されるねじ切りスタッド１２０Ｃによって、内部較正済み重り１２０の小さい中間部分１２０Ｂの底面に取り付けられる。セラミック脚部は、電線１６５がツールのどの部分にも妨げられることなしに自由懸垂できるような電線１６５の配策を可能にするために、図３に示すように、傾斜が付けられてよい。さらに、脚部１５０を傾斜させることで、より小さいフットプリントが可能になる。

図の実施形態において、小さく薄い長方形の抵抗温度装置（ＲＴＤ）すなわち温度センサ１６０が、ウエハの温度を測定するために、ツール１００の底部に設けられている。温度センサ１６０は、検知したウエハの温度を表示および／記録するために電線でコンピュータに接続されている。図２Ａに示すように、温度センサ１６０は、電線１６５によって保持されており、電線１６５は、セラミックプレート１７０の小さい開口部に緩く（固定せずに）通されている。図２Ａおよび図２Ｂに示した実施形態において、電線１６５は、セラミックプレート１７０の側面の小さい開口部からコンピュータまで伸びている。セラミックプレート１７０は、さらに、内部較正済み重り１２０のねじ切りスタッド１２０Ｃと螺合させるためにセラミック脚部１５０を通す大きい中央の孔を有する。図３Ａは、セラミック脚部１５０が取り付けられた内部較正済み重り１２０の斜視図である。図３Ｂは、セラミック脚部１５０が取り付けられていない内部較正済み重り１２０を示す。この実施形態では、セラミック脚部１５０と較正済み重り１２０のねじ切りスタッド１２０Ｃとの結合、ならびに、ねじ１７５が、ツール本体１３０に当たる所定位置にセラミックプレート１７０を保持する。ねじ１７５は、プレート１７０をツール本体１３０に取り付けるために用いられる。別の実施形態において、温度センサは、異なる形状を有してもよい。別の実施形態において、センサは、熱電対またはサーミスタであってもよい。

ツール１００が上下逆に保持されると、温度センサ１６０は、セラミック脚部１５０の表面よりも数ミリ上方に吊り下げられる。ツール１００が正常に保持されると（正しい側を上に向けられると）、較正済み重り１２０は、ツール本体１３０内で下方に摺動し、取り付けられたセラミック脚部１５０も、ウエハに向かって温度センサ１６０を押しつつ温度センサの電線を若干引っ張るのに十分下方に摺動する。電線１６５が通されているセラミックプレート１７０の開口部は、効果的な張力逃しとして作用する。

図４Ａは、組み立てられたツール１００の底面図を示し、図４Ｂは、斜視図を示す。ウエハ上で内部較正済み重り１２０の安定した位置決めを確実にするために、３つのセラミックスタンド１８０が、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、図の実施形態において、セラミックプレート１７０上に設けられている。セラミック材料の低い熱伝導率と、下にあるウエハと共に形成されたスタンド１８０の小さい接触面積とにより、温度センサ１６０で測定される実際の温度へのあらゆる影響が最小化される。

図の実施形態では、３つのねじ切りスタッド１９０が、セラミックプレート１７０の孔を通して伸びており、セラミックスタンド１８０のねじ穴に螺合する（図１）。この実施形態では、３つのねじ１７５が、セラミック脚部１５０の別のセットの孔を通して伸びており、それぞれ、適合するねじ穴を用いて、ツール本体１３０の底面にセラミックプレート１７０を取り付ける。別の実施形態において、スタンド１８０（ならびに脚部１５０およびプレート１７０）は、例えば、マイカ、ガラス、石英、または、石材などの非導電性材料で形成されてもよい。

図５は、本明細書に記載のウエハ表面温度測定ツールを用いることによって実行される温度較正の方法５００を示すフローチャートである。工程５１０において、温度測定ツールが、セラミックスタンドをウエハに接触させた状態で、ウエハの表面上の選択された領域に配置される。ツールは、その底部にセラミック脚部を有しており、セラミック脚部の底面からは、温度センサが伸びている。セラミック脚部は、ツールの本体内部に摺動可能に配置された較正済み重りの下端に取り付けられている。

工程５２０で、温度センサがウエハと良好な熱接触を形成するように、重力にセラミック脚部を引き下ろさせる。ツールがウエハ上に配置される時に重力がセラミック脚部を引き下ろすので、温度センサは、ツール本体の内部の較正済みステンレス鋼重りの重量と等しくセラミック脚部によって上から印加される力を受け、同時に、それぞれの反作用の力（同じ強さであるが逆向きの力）が、センサの底面を押し上げる。結果として、温度センサは、内部較正済みステンレス鋼重りの最適な重量を用いて、常に同じ力によって保持される。したがって、ツールがウエハ上の或る位置から別の位置に移動される時に、重力が較正済み重りを引っ張っており、したがって、その都度異なりうる手動の力ではなく較正済みステンレス鋼重りの重量を温度センサに受けさせているので、その都度、同じ力が温度センサに印加される。

工程５３０で、温度センサの測定値が安定することを許容する（安定するまで待つ）。温度測定値が安定すると、工程５４０で、温度センサの測定値が取得される。温度測定値の取得は、コンピュータなどのデバイスによって実行できる。かかるデバイスは、温度センサに電気的に接続できる。一実施形態において、それらは、電線によって電気的に接続される。上述のように、電線は、セラミックプレートなどのツールの一部を通ることができる。別の実施形態では、温度センサおよびコンピュータが、無線で接続されてもよい。

温度測定値が取得された後、ツールは、ウエハ上の別の位置での温度測定値を取得するために、工程５５０でウエハの別の位置に移動されうる。工程５１０〜５５０は、ウエハの温度マップを取得するために繰り返されてよい。本明細書に記載のツールを用いて、方法５００は、正確で一貫した信頼性の高いウエハの面温度マップを生成できる。

本発明のいくつかの実施形態だけを詳細に説明したが、本発明は、本発明の範囲から逸脱することなしに多くの他の形態で実施されうることを理解されたい。記載されたウエハ温度測定ツールは、幅広い用途で利用できることが明らかである。上記に鑑みて、本実施形態は例示であり、限定的ではなく、本発明は、本明細書に記載の詳細事項に限定されず、添付の特許請求の範囲および等価物の範囲内で変形されてよいことが明らかである。

Claims (19)

1. ウエハ温度測定ツールであって、
   ツール本体と、
   前記ツール本体内部に摺動可能に配置された較正済み重りと、
   前記較正済み重りの下端に取り付けられ、前記ツール本体の下端から突出する脚部と、
   前記脚部の底面から伸びる温度センサと、
   を備える、ウエハ温度測定ツール。
2. 請求項１に記載のウエハ温度測定ツールであって、前記較正済み重りは、ステンレス鋼で形成されている、ウエハ温度測定ツール。
3. 請求項１または２に記載のウエハ温度測定ツールであって、前記脚部は、前記ツール本体からプレートを通って突出している、ウエハ温度測定ツール。
4. 請求項３に記載のウエハ温度測定ツールであって、複数のスタンドが、前記プレートに取り付けられている、ウエハ温度測定ツール。
5. 請求項４に記載のウエハ温度測定ツールであって、前記脚部、プレート、および、スタンドは、セラミックである、ウエハ温度測定ツール。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載のウエハ温度測定ツールであって、前記ツール本体は、円筒形である、ウエハ温度測定ツール。
7. 請求項１に記載のウエハ温度測定ツールであって、前記温度センサは、動作可能にコンピュータに接続されている、ウエハ温度測定ツール。
8. ウエハ表面温度を測定する方法であって、
   前記ウエハ上に温度測定ツールを配置する工程であって、前記ツールは、ツール本体内部に摺動可能に配置された較正済み重りと、前記較正済み重りの下端に取り付けられたセラミック脚部とを備え、温度センサが前記セラミック脚部の底面から伸びている、工程と、
   前記温度センサが前記ウエハと熱的に接触するように、重力に前記セラミック脚部を引き下ろさせる工程と、
   前記温度センサから温度測定値を取得する工程と、
   を備える、方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、さらに、前記温度測定値を取得した後に、前記温度測定ツールを前記ウエハ上の他の位置に移動させる工程を備える、方法。
10. 請求項８に記載の方法であって、前記温度測定値を取得する工程は、コンピュータによって実行される、方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記温度センサおよび前記コンピュータは、動作可能に接続されている、方法。
12. 請求項８から１１までのいずれか一項に記載の方法であって、前記温度測定値は、前記温度測定値を取得する前に安定することを許容される、方法。
13. 請求項８から１１までのいずれか一項に記載の方法であって、前記温度測定ツールが前記ウエハ上に配置された時に、前記温度測定ツールの底部のスタンドのみが前記ウエハと接触する、方法。
14. ウエハ温度測定ツールであって、
    円筒形のツール本体と、
    前記ツール本体内部に摺動可能に配置された較正済み重りと、
    前記ツール本体の下端から伸びるセラミックスタンドと、
    前記較正済み重りの下端のセラミック脚部に取り付けられた温度センサと、
    を備え、
    前記セラミック脚部および温度センサは、前記ツール本体の外部にある、ツール。
15. 請求項１４に記載のツールであって、前記ツールは、前記ツールがウエハ上に配置された時に、前記セラミックスタンドが前記ウエハに接触し、重力が前記ツール本体内で前記較正済み重りを引き下げるように構成されている、ツール。
16. 請求項１４または１５に記載のツールであって、前記較正済み重りは、ステンレス鋼で形成されている、ツール。
17. 請求項１４から１６までのいずれか一項に記載のツールであって、前記温度センサは、動作可能にコンピュータに接続されている、ツール。
18. 請求項１７に記載のツールであって、前記温度センサは、前記コンピュータに無線接続されている、ツール。
19. 請求項１７に記載のツールであって、電線が、前記温度センサを前記コンピュータに接続している、ツール。

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