JP4125736B2 - プローバ装置の温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、プローバ装置及びその温度制御方法に関し、更に詳しくは、半導体ウエハ上のデバイスの電気的試験に採用されるプローバ装置、及び、プローバ装置における温度制御方法に関する。

半導体ウエハ上のデバイスを試験又は検査する方法として、デバイスの電極ＰＡＤにプローブを押し当てて電気的測定を行う手法が一般的に行われている。この手法は、プローバ装置として自動化が実現され、ウエハ上に形成されたデバイスの試験及び検査に広く利用されている。ウエハ上で電気的測定を行う際に、ウエハは、プローバチャック（ステージ）上に搭載／固定され、その状態でデバイスのＰＡＤ電極にプローブの針が接触して電気的特性が測定される。プローバチャックには、デバイス試験時の温度環境を一定に保つ目的で、加熱及び／又は冷却機構（以下、加熱／冷却機構又は単に加熱機構と呼ぶ）がウエハ搭載面に隣接して装備されている。プローバチャックは、この加熱機構によって、ウエハが所望の温度状態に且つ一定温度に保たれるように制御されている。

プローバチャックの温度制御は、プローバチャック内に搭載された温度センサと、温度センサからの情報に基づいて加熱機構を制御する温度制御装置とにより実現される。従来は、一般的にプローバチャック内に１つの温度センサを配備し、その温度センサの検出温度に基づいてプローバチャックの温度制御が行われていた。

昨今のウエハ口径の拡大に伴い、プローバチャックの口径も拡大し、１つの温度センサによる検出温度のみでは、プローバチャック全体の温度を均一に保つことが困難になってきた。特にデバイス特性の測定時においては、被測定デバイスが発熱するため、所望の温度での測定が困難な事態が生じている。これは、ウエハ上に形成されるデバイスには、その位置により温度センサから近いものと遠いものとが存在し、それぞれのデバイス測定時の発熱による温度上昇に対する応答速度に差が生じてしまうためである。このように、同じウエハ内のデバイスであっても、ウエハ上の何処の場所にあるかで測定環境が異なり、正しい測定が出来ない状況は、微細加工が進み測定マージンに余裕の少ない昨今の半導体製品にとっては致命的であり、測定手法の改善が望まれている。

特許文献１には、上記問題を解決するプローバチャックが記載されている。図９にそのようなプローバチャックを有するプローバ装置３０の平面図を示した。同図において、プローバチャック３１には、加熱／冷却機構（以下、ヒータと呼ぶ）３２を複数のエリアに分割して配置し、各エリアに、１つの温度センサ３３を設ける。温度制御装置３４は、温度センサ３３の検出温度に基づいて、各ヒータ３２を個別に温度制御する。これによって、プローバチャック３１上の位置やデバイスの発熱の有無に拘わらず、均一温度でのデバイス特性の測定を実現している。
特開２００１−２１０６８３号公報

上記公報に記載のプローバチャック３１では、ヒータ３２を各エリアに分けて配置している。このため、温度制御に際して、各ヒータ３２の境界部分では、プローバチャック３１の各エリアに温度差が生じ、この温度差によってチャック表面に歪みや段差が生ずるおそれがある。この様子を、図９のＡ−Ａ’線に沿う断面図である図１０に示した。プローバチャック３１上の段差や歪みは、その上に搭載される半導体ウエハ３８の表面形状に反映され、更に、プローブカード３５から延び、半導体ウエハ３８の図示しないパッドに接触するプローブ針３６の針圧に影響する。このため、プローブ試験に際して、安定したプローブコンタクトができなくなる恐れがある。

また、上記プローバチャックでは、加熱／冷却機構としてヒータ及びクーラーを備える構成を採用すると、ヒータ及びクーラーの双方をエリア毎に分割する必要が生じ、プローバチャックの構造が複雑となり、その製造コストも増大するという問題もある。特に分割するエリアの数を多くすれば、温度制御は正確になるものの、プローバチャックの構造の複雑さ及び製造コストは、エリアの分割数の増加によって飛躍的に増大するという問題もある。

本発明は、上記に鑑み、半導体ウエハ上に形成されるデバイス毎に測定温度の制御が可能であり、且つ、プローバチャックの構造の複雑化及びコストの増大を抑えたプローバ装置及びその温度制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のプローバ装置は、ウエハ下面に隣接する加熱／冷却面を有する加熱／冷却機構と前記加熱／冷却面の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサとを有するプローバチャックと、前記温度センサの検出温度に基づいて温度制御を行う温度制御装置とを備え、前記プローバチャックに搭載された半導体ウエハ上のデバイスの電気的特性をプローブで測定するプローバ装置において、
前記温度制御装置は、前記プローブがテストしているプローブエリアの中心に最も近い温度センサを選択し、該選択した温度センサの検出温度に基づいて前記加熱／冷却機構を制御することを特徴とする。

また、本発明のプローバ装置の温度制御方法は、半導体ウエハを搭載するプローバチャックと、半導体ウエハ上のデバイスの電気的特性を測定するプローブとを備えるプローバ装置の温度制御方法において、
前記プローバチャックに、ウエハ下面に隣接する加熱／冷却面を有する加熱／冷却機構と、前記加熱／冷却面の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサとを配設し、
前記プローブがテストしているプローブエリアの中心に最も近い温度センサ選択し、
前記選択した温度センサの検出温度に基づいて前記加熱／冷却機構を制御してウエハの温度制御を行うことを特徴とする。

本発明のプローバ装置及びその温度制御方法では、プローバチャックのウエハ搭載面に加熱／冷却機構と複数の温度センサとを配設しておき、プローブが行われるプローブエリアの中心に最も近い温度センサを選択し、その選択した温度センサによる検出温度でヒータを制御する構成により、半導体ウエハ上に形成されるデバイス毎に測定温度の制御が可能である。なお、プローバチャック上に配設される加熱／冷却機構は、１つには限らない。この場合、例えば、１つの加熱／冷却面毎に複数の温度センサが存在すればよい。

本発明の好ましい態様では、複数の温度センサに予め優先順位を設定しておき、プローブエリアの中心からの距離がほぼ等しい温度センサが複数あるときには、この優先順位に基づいて１つの温度センサを選択することも好ましい。なお、配設する温度センサの数を多くすることで、精度が高い温度制御が可能になり、一方、温度センサの数をある程度以下に制限することで、プローバ装置の構成の複雑化が抑えられ、また、コストの低減も可能である。

前記プローブエリア内に複数の温度センサが存在するときには、前記プローブエリアの中心に最も近い温度センサの選択に代えて、複数の温度センサの検出温度の平均値に基づいて前記加熱／冷却機構を制御することが出来る。加熱／冷却機構の構造の複雑化を抑えると共に、より正確な温度制御が可能になる。なお、これに代えて、複数の温度センサの内で最高の検出温度を示す１つの温度センサを選択してもよい。

なお、本発明で使用する用語「プローブエリア」とは、複数のプローブ針を有するプローブが現に測定しているエリアのことをいう。

以下、図面を参照し本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るプローバ装置１０におけるプローバチャック１１を、プローバチャック１１の温度制御を行う温度制御装置１４と共に示している。プローバチャック１１は、円板形状のステージとして構成され、その表面部分のほぼ全面に配置されたヒータ１２を備える。また、５つの温度センサ１３が、プローバチャック１１の表面の各エリアに均等に配置される。温度センサ１３からの信号１０１は、温度制御装置１４に送られ、温度制御装置１４は、温度センサ１３の検出信号１０１に基づいてヒータ電流１０２をフィードバック制御する。なお、ヒータ１２は、ヒータ及び／又はクーラーを意味する。

図２は、図１に示したプローバチャック１１を備えるプローバ装置１０の全体構成を示している。プローバ装置１０は、多数のプローブ針から成るプローブ部分２１と、プローブ部分２１を支持するプローブカード２２とを有するプローブ（プローブ装置）２０と、半導体ウエハ２５を支持するプローバチャック１１とを備える。同図の例では、プローブカード２２は所定位置に固定されており、プローバチャック１１が駆動制御装置１５によってＸ方向/Ｙ方向に駆動される。これにより、プローバチャック１１上のウエハ２５が所望位置に移動させられ、ウエハ２５上の所望のデバイスがプローブカード２２のプローブ部分２１とコンタクトされて、電気的な測定が実現される。

プローバチャック１１の移動は、駆動制御装置１５からの駆動制御信号１０３により制御される。駆動制御装置１５からは、プローバチャック１１の座標情報１０４が温度制御装置１４に伝達される。温度制御装置１４は、プローバチャックの座標情報１０４と各温度センサ１３の位置情報とを参照し、被測定デバイスの最も近傍にある温度センサがどれであるかを認識する。次いで、最も近傍に位置する温度センサ１３からの検出温度１０１を温度制御に採用する。温度制御装置１４から供給されるヒータ電流１０２の制御によって、プローバチャック１１の表面温度が制御される。

図３及び４を参照して、上記実施形態のプローバ装置１０における温度制御の詳細を更に説明する。これらの図は、プローブ針を含むプローブ部分２１により電気測定が行われるウエハ上のプローブエリア２３と、プローバチャック１１の温度センサ１３との間の位置関係を例示している。また、各温度センサ１３には、番号１３₁〜１３₅を付けて示した。図示したプローブエリア２３は、測定対象となるデバイスがそのエリア内に存在することを示している。

図３に示した位置関係では、プローブエリア１１の中心と各温度センサ１３の位置との関係に着目すると、第１の温度センサ１３₁は、プローブエリア２３の内側に在り、従ってプローブ部分２１の最も近傍にある。このとき、温度制御装置１４は、駆動制御装置１５から、現在のプローブエリア２３の座標情報を受け、温度センサ１３の位置情報を参照し、第１の温度センサ１３₁を選択する。従って、第１の温度センサ１３₁の情報が有効となり、プローバチャック１１では、この第１の温度センサ１３₁の検出温度に基づいてヒータ１２が制御される。他の温度センサ１３₂〜１３₅の情報は無視される。

図４に示した位置関係では、現在のプローブエリア２３内には、温度センサ１３が存在せず、プローブエリア２３の近傍には、温度センサが複数存在している。具体的には、プローブエリア２３の中心２４が温度センサ１３₁、１３₂、１３₃の３箇所からほぼ等距離に位置している。このような場合を想定しておき、温度制御に採用すべき温度センサ１３には予め優先順位をつけておく。例えば、優先順位を予め「１３₃→１３₁→１３₂→１３₄→１３₅」と設定しておけば、図４の例では、温度センサ１３₃の情報みが有効となり、ヒータ１２は温度センサ１３₃の検出温度によって制御される。他の温度センサ１３₁、１３₂、１３₄、１３₅の検出温度は無視される。

図５は、上記実施形態における温度制御装置１４による処理を示している。温度制御装置１４では、温度制御を開始するに先だって、温度設定値（Ａ）がセットされる（ステップＳ１）。次いで、プローバチャック１１の現在のＸ−Ｙ座標を、駆動制御装置１５から取得し認識する（ステップＳ２）。次いで、Ｘ−Ｙ座標から、現在のプローブエリア２３の中心座標を求め、求められた中心座標が新たな座標の場合には（ステップＳ３）、その中心座標に最も近い温度センサを選択する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、中心座標から等距離にある温度センサが複数存在するときには、その複数の温度センサ間の優先順位を取得して１つの温度センサを選択する。

温度制御装置１４は、選択した温度センサの検出温度（Ｂ）を取得し（ステップＳ５）、その検出温度（Ｂ）と設定温度（Ａ）とを比較し、比較結果に基づいてヒータ電流を制御してプローバチャックの温度を上昇又は下降させる（ステップＳ７、Ｓ８）。その後、ステップＳ２に戻り、再びプローバチャックの座標を取得し、その座標が新たな座標であれば（ステップＳ３）、新たに温度センサを選択し（ステップＳ４）、温度制御が行われる（ステップＳ５）。取得した座標が以前と同じ座標であれば、同じ温度センサで更に温度制御が行われ、再びステップＳ２に戻る。

上記の通り、本実施形態のプローバ装置１０では、プローバチャック１１上に複数の温度センサ１３₁〜１３₅を配置し、プローバ装置１０の測定対象のデバイスと温度センサ１３₁〜１３₅との位置関係に基づいて、最適な温度センサ１３を選択し、選択した温度センサ１３に基づいてプローバチャック１１の温度制御を行う。このため、プローブエリアがウエハ上のどの位置にあるかに拘わらず、測定対象のデバイスについて、一定な温度での特性測定が行われる。また、ヒータ１２をエリア毎に分割しない単純な構造を採用したので、プローバチャック１１の歪みや段差などは生じず、プローブ針の接触不良などの問題は生じない。また、製造コストが上昇することもない。

図６は、本発明の第２の実施形態に係るプローバ装置におけるプローバチャック１１Ａを示している。本実施形態は、図１の実施形態に比して、より多数の温度センサ１３を配置している。このため、現在のプローブエリア２３内には、複数の温度センサ１３₁〜１３₃が存在する。本実施形態では、これら現在のプローブエリア２３内に存在する複数の温度センサ１３₁〜１３₃は、プローブエリアの中心からの距離がほぼ等しい温度センサであるものと見なされ、これら温度センサによる検出温度を平均して、温度制御の際の検出温度とする。平均値は、リアルタイムに算出され、最新の温度情報として、温度制御装置１４における温度制御に利用される。

第２の実施形態では、上記検出温度の平均値に代えて、プローブエリア２３内に存在する複数の温度センサ１３₁〜１３₃の内で最高の温度検出値を示す温度センサの検出値を温度制御に利用することも出来る。最高の温度検出値を持つ温度センサの値を採用するのは以下の理由による。つまり、プローブエリア２３内に複数のデバイスが存在するケースでは、一般に、プローブエリア２３内には、これから測定が行われるデバイス、測定が終了したデバイス、試験途中で不良と判定され測定を中止したデバイス、及び、測定を継続しているデバイスが混在する。これは、同一プローブエリア２３内であっても、発熱するデバイスと発熱しないデバイスとが混在し、プローブエリア２３内にも温度分布が存在することを意味する。ここで、複数の温度センサ１３で測定されるエリアの内で、最高温度を示すエリアは、現時点で測定が行われている、或いは、最近にデバイス特性の測定が行われた場所である可能性が高い。従って、この最高温度を示すエリアの検出温度で制御を行うことは、現在測定が行われているデバイス部分又はそれに最も近いデバイス部分の検出温度に基づいて温度制御を行うことを意味する。従って、デバイス特性の測定時の温度をデバイス間で一定にするという意味で、また、測定が行われていないデバイスや、測定を中止したデバイスは、温度制御の対象とする必要がないという意味でも、最高温度の測定温度を温度制御に採用することは、最も理に適っている。

図７は、複数の温度センサの検出値を平均して温度制御に用いる処理を示すフローチャートである。図５との違いは、図５のステップＳ４及びＳ５に代えて、プローブエリア内に存在する複数の温度センサを抽出するステップＳ１１、複数の温度センサ１３₁〜１３₃の検出値を取り込むステップＳ１２、及び、その複数の温度センサの検出値を平均するステップＳ１３を有することである。その他のステップは、図５に示したステップと同様であり、図５の符号と同じ符号を付して説明を省略する。

図８は、最高温度を検出した温度センサの値を温度制御に用いる処理を示すフローチャートである。図７との違いは、図７のステップＳ１３に代えて、複数の温度センサの検出値を相互に比較して、最高温度を検出した温度センサの検出値を温度制御に採用するステップＳ１４を有することである。その他の処理は、図７と同様であり、図７と同様な符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態の構成によると、第１の実施形態に比して、より大口径のウエハ、又は、より微細なデバイスに対して、きめ細かな温度制御が可能になるという効果がある。

なお、第１の実施形態では、プローブエリア内に温度センサが存在しない場合には、プローブエリアの中心と温度センサとの間の距離に基づいて１つの温度センサを選択する例を挙げたが、これに代えて、エリア近傍の複数の温度センサの検出温度について、第２の実施形態のように平均値又は最高値を選択してもよい。

また、第１の実施形態と第２の実施形態の双方の構成を組み合わせることも可能である。つまり、プローブエリア内に複数の温度センサが存在している場合に、中心から最も近い１つの温度センサを選択する第１の選択と、複数の温度センサの平均値（又は最高温度値を示す温度センサの検出温度）を選択する第２の選択とを切り替えることも可能である。

以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明のプローバ装置及びその温度制御方法は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。また、本発明の好適な態様として記載した各構成や実施形態で記載した各構成については、本発明の必須の構成と共に用いることが好ましいが、単独であっても有益な効果を奏する構成については、必ずしも本発明の必須の構成として説明した全ての構成と共に用いる必要はない。

本発明のプローバ装置及びその温度制御方法は、半導体装置のプローブテストに利用可能である。

本発明の第１の実施形態に係るプローバ装置のプローバチャックを示す平面図。 図１のプローバチャック装置を含むプローバ装置の全体構成を示す模式的斜視図。 図１のプローバチャックの詳細構成を示す平面図。 図３のプローバチャックの温度センサとプローブエリアとの位置関係を示す平面図。 図３のプローバチャックの温度センサとプローブエリアとの位置関係を示す平面図。 第１の実施形態のプローバ装置の処理を示すフローチャート。 第２の実施形態のプローバ装置の処理例を示すフローチャート。 第２の実施形態のプローバ装置の処理の別例を示すフローチャート。 従来のプローバチャックを示す平面図。 図９のプローバチャックを有するプローバ装置のＡ−Ａ’断面図。

符号の説明

１０：プローバ装置
１１、１１Ａ：プローバチャック
１２：ヒータ（ヒータ／クーラー）
１３：温度センサ
１４：温度制御装置
１５：駆動制御装置
２０：プローブ装置
２１：プローブ部分
２２：プローブカード
２３：プローブエリア
２４：プローブエリア中心
２５：ウエハ
３０：プローバ装置
３１：プローバチャック
３２：ヒータ（ヒータ／クーラー）
３３：温度センサ
３４：温度制御装置

Claims (2)

1. 半導体ウエハを搭載するプローバチャックと、半導体ウエハ上のデバイスの電気的特性を測定するプローブとを備えるプローバ装置の温度制御方法において、
   前記プローバチャックに、ウエハ下面に隣接するヒータ面を有するヒータと、前記ヒータ面の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサとを配設し、
   前記プローブがテストしているプローブエリアの中心から最も近い温度センサを選択し、前記選択した温度センサの検出温度に基づいて前記ヒータを制御してウエハの温度制御を行い、
   選択する温度センサに予め優先順位を設定しており、前記プローブエリアの中心からの距離がほぼ等しい温度センサが複数あるときには、１つの温度センサを前記優先順位に基づいて選択することを特徴とするプローバ装置の温度制御方法。
2. 前記プローブエリア内に複数の温度センサが存在するときには、前記プローブエリアの中心に最も近い温度センサの選択に代えて、前記複数の温度センサの内で最高の検出温度を示す温度センサを選択し、
   前記最高の検出温度を示す温度センサが複数あるときには、１つの温度センサを前記優先順位に基づいて選択することを特徴とする請求項１に記載のプローバ装置の温度制御方法。

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