JP2019169549A

JP2019169549A - プローバの冷却システム

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Publication number: JP2019169549A
Application number: JP2018054829A
Authority: JP
Inventors: 武孝高橋; Taketaka Takahashi
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2019-10-03
Anticipated expiration: 2038-03-22
Also published as: JP7032644B2

Abstract

【課題】低温域から高温域に至る広範囲の温度域において有効な冷却能力を有するプローバの冷却システムを提供する。【解決手段】ウェーハチャック２２と冷凍機２４と冷却液タンク２８との間で冷却液を循環させる第１流路３０及び第２流路３２に熱交換器３４と、ヒータ３８と、三方弁３６とを設け、温度検出部４８によって検出されたウェーハチャック２２の温度に応じて三方弁３６の開度を調整して、冷凍機２４からウェーハチャック２２に供給される冷却液の流量を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハに形成された複数のチップの電気的な検査を行うプローバに関し、特にウェーハチャックを冷却する冷却システムに関する。

半導体製造工程では、半導体ウェーハに各種の処理を施して、デバイスを有する複数のチップを形成する。各チップは電気的特性が検査され、その後ダイサーで分断された後、リードフレーム等に固定されて組み立てられる。電気的特性の検査は、テスタを備えたプローバによって実施される。プローバは、ウェーハをウェーハチャック保持させて、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及び各種の試験信号をチップに供給し、チップの電極に出力される信号を解析することにより正常に動作するかを確認する。

製品化されたデバイスは広い用途に使用され、例えば−５５°Ｃ以下の低温環境下、又は２００°Ｃ以上の高温環境下で使用される場合がある。このため、プローバにはこのような高低温環境下での検査が行えることが要求される。そこで、チラー機構等の冷却システム、又はヒータ機構等の加熱システムをプローバに搭載し、これらの冷却システム又は加熱システムによってウェーハチャックを設定温度に冷却又は加熱することにより、上記の高低温環境下での検査を可能としている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−３１１４８３号公報

近年のプローバによるウェーハ検査では、測定時間の短縮及びテストコストを低減するため、同時測定するチップ数が増大している。その際、１個のチップでは発熱量の小さいＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）又はフラッシュメモリ等のデバイスであっても、同時測定数が多くなることによってその発熱量が大きくなっている。この場合、ウェーハチャックは、ウェーハ検査時に生じるデバイスの発熱により加熱されて昇温する。

デバイスの低温域の検査温度（冷却システムによるウェーハチャックの設定温度）として、例えば−４０℃が要求される冷却システムには、低温用として設計された冷凍機が使用される。しかしながら、ウェーハチャックによって例えば４５℃以上に加熱された冷却液を冷凍機に戻すと、冷凍機油に悪影響（例えば、劣化）を与えたり、高温から低温までの温度差の大きいヒートサイクルによって冷凍機がダメージを受けたりする。このため、従来の冷却システムでは、冷却液がウェーハチャックによって例えば４５℃以上に加熱される高温域では、冷却液を使用することができなかった。

このような事情により、従来の冷却システムは、冷却液を使用することができない高温域では、ウェーハチャックの冷却能力が低下する。このため、特に発熱量の大きなデバイスを検査する場合、ウェーハチャックの温度が検査に要求される検査温度を超えてしまうという問題があった。

一方、冷却液に代えて空気により、ウェーハチャックの温度を広範囲の温度域で制御することが考えられる。しかしながら、空気は熱容量が小さいため、冷却液を使用した冷却システムと比較して、低温域での冷却能力が劣るという欠点があった。

つまり、従来のプローバには、低温域から高温域に至る広範囲の温度域において有効な冷却能力を有するものがなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、低温域から高温域に至る広範囲の温度域において有効な冷却能力を有するプローバの冷却システムを提供することを目的とする。

本発明のプローバは、本発明の目的を達成するために、チップが形成されたウェーハを保持するウェーハチャックと、冷却液を冷却する冷凍機と、冷凍機に接続された冷却液タンクと、冷凍機とウェーハチャックとを接続する第１流路と、第１流路にウェーハチャックを介して連通されてウェーハチャックと冷却液タンクとを接続する第２流路と、第１流路及び第２流路に取り付けられ、第１流路を流れる冷却液と第２流路を流れる冷却液との間で熱交換を行う熱交換器と、第１流路に設けられ、熱交換器と冷凍機との間に配置されたヒータと、第１流路に設けられ、熱交換器と冷凍機との間に配置された流量調整バルブと、ウェーハチャックの温度を検出する温度検出部と、温度検出部にて検出された温度に基づき流量調整バルブの開度を調整して、冷凍機からウェーハチャックに供給される冷却液の流量を制御する制御部と、を備える。

本発明の一形態は、流量調整バルブは、第１流路においてヒータよりも冷凍機側に配置され、流量調整バルブは、第１流路上で冷却液を冷却液タンクへ分岐する三方弁であることが好ましい。

本発明の一形態は、ウェーハチャックにはチャックヒータが備えられ、制御部は、チャックヒータのヒータ出力と温度検出部にて検出された温度とに基づき流量調整バルブの開度を調整して、冷凍機からウェーハチャックに供給される冷却液の流量を制御することが好ましい。

本発明によれば、低温域から高温域に至る広範囲の温度域において有効な冷却能力を有する。

実施形態の冷却システムが適用されたプローバの構成を示すブロック図実施形態のチャックヒータ制御系の構成を示す機能ブロック図実施形態のチラー制御系の構成を示す機能ブロック図他の実施形態の冷却システムの構成を示すブロック図

以下、添付図面に従って本発明に係るプローバの冷却システムの好ましい実施形態について詳説する。

図１は、実施形態の冷却システムが適用されたプローバ１０の構成を示すブロック図である。

まず、プローバ１０について説明すると、このプローバ１０は、検査するチップの電極に接触されるプローブ１２を有するプローブカード１４と、テスタ１６と、を備えている。テスタ１６は、テスタ本体１８と、テスタ本体１８の端子とプローブカード１４の端子とを電気的に接続するインターフェイス２０と、を有する。テスタ１６は、プローブ１２に接続される端子から電源及び各種の試験信号をチップに供給し、チップの電極に出力される信号を解析することによりチップが正常に動作するかを確認する。

次に、プローバ１０の冷却システムについて説明する。実施形態の冷却システムは、ウェーハＷを保持するウェーハチャック２２と、冷却液を冷却する冷凍機２４と、冷凍機２４にポンプ２６を介して接続された冷却液タンク２８と、を有している。また、冷却システムは、第１流路３０と第２流路３２とを有している。第１流路３０は、冷凍機２４とウェーハチャック２２とを接続する流路であり、第２流路３２は、ウェーハチャック２２と冷却液タンク２８とを接続する流路である。第１流路３０と第２流路３２とは、ウェーハチャック２２に設けられた冷媒流路２３を介して互いに連通されている。このように構成された実施形態の冷却システムによれば、冷凍機２４からの冷却液を第１流路３０、冷媒流路２３、第２流路３２及び冷却液タンク２８を介して冷凍機２４に循環させる循環流路を有している。また、ウェーハチャック２２には、温度センサによって構成される温度検出部４８が取り付けられている。更に、ウェーハチャック２２には、チャックヒータ５０が内蔵されている。

また、実施形態の冷却システムは、熱交換器３４を有している。熱交換器３４は、第１流路３０及び第２流路３２に取り付けられており、第１流路３０を流れる冷却液と第２流路３２を流れる冷却液との間で熱交換を行う。熱交換器３４としては、第１流路３０と第２流路３２とを所定長さにおいて接触させ、その接触部分を、断熱材を介してケーシングで保持した構造を例示することができる。このように構成された熱交換器３４によれば、例えば、第１流路３０を流れる低温の冷却液を、第２流路を流れる高温の冷却液によって加熱してウェーハチャック２２に供給することが可能になるとともに、第２流路３２を流れる高温の冷却液を、第１流路を流れる低温の冷却液によって冷却して冷却液タンク２８に戻すことが可能になる。

更に、実施形態の冷却システムは、三方弁３６とヒータ３８とを備えている。三方弁３６は、第１流路３０に設けられるとともに、冷凍機２４と熱交換器３４との間に配置されている。ヒータ３８も同様に、第１流路３０に設けられるとともに、冷凍機２４と熱交換器３４との間に配置されている。

図１に示した冷却システムでは、三方弁３６がヒータ３８よりも冷凍機２４側に配置されている。すなわち、三方弁３６の第１ポート３６Ａが冷凍機２４側に接続され、三方弁３６の第２ポート３６Ｂがヒータ３８側に接続されている。更に、三方弁３６の第３ポート３６Ｃは、第３流路４０を介して冷却液タンク２８に接続されている。この三方弁３６は、本発明の流量調整バルブの好ましい一例であり、この三方弁３６によって、第１流路３０上で冷却液を冷却液タンク２８へ分岐することができる。

図２は、ウェーハチャック２２を加熱するチャックヒータ制御系４２の機能ブロック図である。

図２に示すチャックヒータ制御系４２は、不図示のＣＰＵ（central processing unit）を含む各演算処理回路、及びＲＯＭ（Read Only Memory）又はＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリによって構成されており、メモリに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることにより、チャックヒータ制御系４２の各部の機能が実現される。図２に示すように、チャックヒータ制御系４２は、温度設定部４４と、ヒータ制御部４６と、メモリ部５２として機能する。

温度設定部４４は、キーボード等の入力装置を介して入力された情報に従って、ウェーハチャック２２の設定温度Ｔ（℃）を設定する。この設定温度Ｔ（℃）は、温度設定部４４からヒータ制御部４６に対して出力される。

ヒータ制御部４６は、ウェーハチャック２２の温度（℃）をウェーハチャック２２の設定温度Ｔ（℃）に基づいて制御する。具体的には、温度検出部４８によって検出されるウェーハチャック２２の温度（℃）が、ウェーハチャック２２の設定温度Ｔ（℃）となるようにチャックヒータ５０のヒータ出力Ｈ（Ｗ）を制御する。

メモリ部５２には、ウェーハチャック２２の設定温度Ｔ（℃）に応じた、ヒータ出力Ｈ（Ｗ）をフィードバック制御するための、制御定数マップが記憶されている。この制御定数マップは、例えば、あらかじめ実験等により、設定温度Ｔ（℃）毎に制御定数を求めて作成されたものである。

このように構成されたチャックヒータ制御系４２によれば、温度設定部４４からヒータ制御部４６にウェーハチャック２２の設定温度Ｔ（℃）が与えられると、ヒータ制御部４６は、メモリ部５２の制御定数マップから、対応する制御定数を読み出し、その値を用いてチャックヒータ５０のフィードバック制御を行う。そして、ヒータ制御部４６は、温度検出部４８にて検出されたウェーハチャック２２の温度（℃）が設定温度Ｔ（℃）となるように、チャックヒータ５０のヒータ出力Ｈ（Ｗ）をフィードバック制御する。これにより、実施形態のチャックヒータ制御系４２によれば、ウェーハチャック２２の温度（℃）を設定温度Ｔ（℃）に制御することができる。

図３は、チラー制御系５４の機能ブロック図である。

図３に示すチラー制御系５４は、不図示のＣＰＵ（central processing unit）を含む各演算処理回路、及びＲＯＭ（Read Only Memory）又はＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリによって構成されており、メモリに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることにより、三方弁制御部５６と、メモリ部５８として機能する。

三方弁制御部５６は、チャックヒータ制御系４２のヒータ制御部４６から与えられるウェーハチャック２２の温度（℃）及びヒータ出力Ｈ（Ｗ）に基づいて三方弁３６の開度Ｖ（％）を調整し、ウェーハチャック２２に対する冷却液の供給量を制御する。

メモリ部５８には、ウェーハチャック２２の温度（℃）とヒータ出力Ｈ（Ｗ）とに応じた三方弁３６の開度Ｖ（％）のデータが温度（℃）及びヒータ出力Ｈ（Ｗ）毎に予め記憶されている。すなわち、メモリ部５８は、温度（℃）及びヒータ出力Ｈ（Ｗ）と開度Ｖ（％）との関係が対応づけられた換算マップを有している。この換算マップは、例えば、あらかじめ実験等により温度（℃）及びヒータ出力Ｈ（Ｗ）と開度Ｖ（％）との関係を求めて作成されたものである。

このように構成されたチラー制御系５４によれば、チャックヒータ制御系４２のヒータ制御部４６から三方弁制御部５６に、ウェーハチャック２２の温度（℃）と、そのときのヒータ出力Ｈ（Ｗ）とが与えられると、三方弁制御部５６は、メモリ部５８の換算マップから対応する開度Ｖ（％）を読み出して、三方弁３６の開度Ｖ（％）を調整する。これにより、実施形態の冷却システムによれば、ウェーハチャック２２に供給される冷却液の流量を、ウェーハチャック２２の温度（℃）及びヒータ出力Ｈ（Ｗ）に応じた流量に制御することができる。

したがって、実施形態の冷却システムによれば、ウェーハチャック２２を設定温度Ｔ（℃）に制御するウェーハチャック２２の温度（℃）及びヒータ出力Ｈ（Ｗ）に基づいて、チラー制御系５４が三方弁３６の開度Ｖ（％）を調整するので、ウェーハチャック２２の設定温度Ｔ（℃）に応じた流量の冷却液をウェーハチャック２２に供給することが可能となる。

ところで、実施形態の冷却システムは、高温域での運転時において、ウェーハチャック２２から第２流路３２に流れた高温の冷却液は、熱交換器３４の通過中に、第１流路３０に流れる低温の冷却液との間で熱交換が行われて冷却され、その後、第２流路３２を介して冷却液タンク２８に戻される。これにより、冷却液タンク２８に戻された冷却液は、熱交換器３４を介さずに冷却液タンク２８に戻された冷却液と比較して低温化されているので、ウェーハチャック２２から冷却液タンク２８に戻された冷却液を、冷凍機２４に安定供給することができる。

したがって、実施形態の冷却システムによれば、上記の熱交換器３４を備えることにより、高温域での運転時においても冷却液を使用することができるので、高温域での冷却能力を得ることができる。

また、実施形態の冷却システムによれば、上記の熱交換器３４を備えることにより、第１流路３０を流れる低温の冷却液を、熱交換器３４によってウェーハチャック２２に要求される温度近傍まで昇温させることができるので、ヒータ３８のヒータ出力を低減することができる。

このように実施形態の冷却システムによれば、ウェーハチャック２２と冷凍機２４と冷却液タンク２８との間で冷却液を循環させる循環流路（第１流路３０及び第２流路３２）に熱交換器３４と、ヒータ３８と、流量調整バルブ（三方弁３６）とを設け、温度検出部４８によって検出されたウェーハチャック２２の温度に応じて、流量調整バルブ（三方弁３６）の開度を調整して、冷凍機２４からウェーハチャック２２に供給される冷却液の流量を制御する構成としたので、空気では十分な冷却能力を得ることが困難な低温域の設定温度であっても、また、冷凍機を使用することが困難であった高温域の設定温度であっても、ウェーハチャック２２を良好に冷却することができる。

また、このように構成された実施形態の冷却システムによれば、例えば−５０℃程度で流動性を有し、かつ沸点が１６０℃以上の冷却液を適用することが可能であり、ウェーハチャック２２の設定温度が−４０℃以上１５０℃以下の広い温度域であっても、十分な冷却能力を発揮することができる。

したがって、実施形態の冷却システムによれば、低温域から高温域に至る広範囲の温度域において有効な冷却能力を有する。

また、実施形態の冷却システムによれば、高温域での運転時において、第１流路３０の途中に設けられた三方弁３６によって、冷凍機２４にて冷却された冷却液の少なくとも一部を、ヒータ３８にて加熱することなく、第３流路４０を介して冷却液タンク２８に戻すことが可能となっている。これにより、熱交換器３４から第２流路３２を介して冷却液タンク２８に戻された冷却液を、前述の一部の冷却液によってより一層冷却することが可能となるので、より効果的に冷却液を循環させることが可能となる。

図４は、２台のウェーハチャック２２Ａ、２２Ｂを備えた２系統の冷却システムに、本発明の冷却システムを適用した構成を示すブロック図である。なお、図４において、図１と共通する構成要素については同一の符号を付してその説明は省略する。

図４に示す冷却システムは、冷凍機２４と、ポンプ２６と、冷却液タンク２８と、ヒータ３８とを使用して、２台のウェーハチャック２２Ａ、２２Ｂに対して冷却液を循環させることを可能とした２系統の冷却システムである。

図４に示す冷却システムによれば、第１流路３０は、分岐部Ｐを分岐点として２つの分岐流路３０Ａ、３０Ｂに分岐されている。ヒータ３８は、第１流路３０において分岐部Ｐよりも冷凍機２４側に配置されている。

一方の分岐流路３０Ａは、分岐部Ｐとウェーハチャック２２Ａとを接続する流路であり、この分岐流路３０Ａには、ウェーハチャック２２Ａの冷媒流路２３Ａを介して第２流路３２Ａが接続されている。この第２流路３２Ａは、ウェーハチャック２２Ａと冷却液タンク２８とを接続する流路である。また、分岐流路３０Ａと第２流路３２Ａには、熱交換器３４Ａが取り付けられており、この熱交換器３４Ａは分岐流路３０Ａを流れる冷却液と第２流路３２Ａを流れる冷却液との間で熱交換を行う。また、分岐流路３０Ａにおいて、熱交換器３４Ａと分岐部Ｐとの間に三方弁３６Ａが取り付けられている。この三方弁３６Ａは、分岐流路３０Ａ上で冷却液を、第３流路４０Ａを介して冷却液タンク２８へ分岐することができる。

他方の分岐流路３０Ｂは、分岐部Ｐとウェーハチャック２２Ｂとを接続する流路であり、この分岐流路３０Ｂには、ウェーハチャック２２Ｂの冷媒流路２３Ｂを介して第２流路３２Ｂが接続されている。この第２流路３２Ｂは、ウェーハチャック２２Ｂと冷却液タンク２８とを接続する流路である。また、分岐流路３０Ｂと第２流路３２Ｂには、熱交換器３４Ｂが取り付けられており、この熱交換器３４Ｂは分岐流路３０Ｂを流れる冷却液と第２流路３２Ｂを流れる冷却液との間で熱交換を行う。また、分岐流路３０Ｂにおいて、熱交換器３４Ｂと分岐部Ｐとの間に三方弁３６Ｂが取り付けられている。この三方弁３６Ｂは、分岐流路３０Ｂ上で冷却液を、第３流路４０Ｂを介して冷却液タンク２８へ分岐することができる。

三方弁３６Ａ、３６Ｂの開度Ｖ（％）の調整は、チャックヒータ制御系４２（図２参照）とチラー制御系５４（図３）とに基づいて実行される三方弁３６の開度Ｖ（％）の調整と同様なので、ここでは説明を省略する。したがって、このような２系統の冷却システムであっても、ウェーハチャック２２Ａ、２２Ｂの温度を低温域から高温域に至る広範囲な温度域で良好な冷却能力を有する。

なお、図４では、２系統の冷却システムを例示したが、これに限定されるものではなく、冷凍機２４と、ポンプ２６と、冷却液タンク２８と、ヒータ３８とを使用した３系統以上の冷却システムであっても本発明の冷却システムを適用することができる。

以上説明した実施形態の冷却システムでは、ウェーハチャック２２の温度（℃）及びヒータ出力Ｈ（Ｗ）に基づいて三方弁制御部５６が三方弁３６の開度Ｖ（％）を調整する構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、ウェーハチャック２２の温度（℃）に基づいて三方弁制御部５６が三方弁３６の開度Ｖ（％）を調整する構成としてもよい。

また、実施形態の冷却システムでは、本発明の流量調整バルブとして三方弁３６を例示したが、これに限定されず、ウェーハチャック２２に供給される冷却液の流量を調整可能なバルブであれば適用することができる。

１０…プローバ、１２…プローブ、１４…プローブカード、１６…テスタ、１８…テスタ本体、２０…インターフェイス、２２…ウェーハチャック、２３…冷媒流路、２４…冷凍機、２６…ポンプ、２８…冷却液タンク、３０…第１流路、３０Ａ、３０Ｂ…分岐流路、３２、３２Ａ、３２Ｂ…第２流路、３４、３４Ａ、３４Ｂ…熱交換器、３６、３６Ａ、３６Ｂ…三方弁、３６…ヒータ、４０、４０Ａ、４０Ｂ…第３流路、４２…チャックヒータ制御系、４４…温度設定部、４６…ヒータ制御部、４８…温度検出部、５０…チャックヒータ、５２…メモリ部、５４…チラー制御系、５６…三方弁制御部、５８…メモリ部

Claims

ウェーハを保持するウェーハチャックと、
冷却液を冷却する冷凍機と、
前記冷凍機に接続された冷却液タンクと、
前記冷凍機と前記ウェーハチャックとを接続する第１流路と、
前記第１流路に前記ウェーハチャックを介して連通されて前記ウェーハチャックと前記冷却液タンクとを接続する第２流路と、
前記第１流路及び前記第２流路に取り付けられ、前記第１流路を流れる前記冷却液と前記第２流路を流れる前記冷却液との間で熱交換を行う熱交換器と、
前記第１流路に設けられ、前記熱交換器と前記冷凍機との間に配置されたヒータと、
前記第１流路に設けられ、前記熱交換器と前記冷凍機との間に配置された流量調整バルブと、
前記ウェーハチャックの温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部にて検出された温度に基づき前記流量調整バルブの開度を調整して、前記冷凍機から前記ウェーハチャックに供給される前記冷却液の流量を制御する制御部と、
を備える、プローバの冷却システム。
前記流量調整バルブは、前記第１流路において前記ヒータよりも前記冷凍機側に配置され、
前記流量調整バルブは、前記第１流路上で冷却液を前記冷却液タンクへ分岐する三方弁である、請求項１に記載のプローバの冷却システム。
前記ウェーハチャックにはチャックヒータが備えられ、
前記制御部は、前記チャックヒータのヒータ出力と前記温度検出部にて検出された温度とに基づき前記流量調整バルブの開度を調整する、請求項１又は２に記載のプローバの冷却システム。