JP4732978B2 - サーモチャック装置およびサーモチャック装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体検査工程において半導体ウエハの加熱および冷却を行うためのサーモチャック装置およびそれに用いる加熱・冷却ユニットに関する。

半導体検査工程では、半導体ウエハに多数形成された半導体チップの常温、低温および高温での電気的特性検査などを行うために、サーモチャック装置を用いて半導体ウエハの加熱および冷却を行っている。サーモチャック装置は、プローバおよびテスタと組み合わせて使用されるもので、半導体ウエハを載置するチャックトップと、チャックトップを加熱する加熱体と、チャックトップを冷却する冷却体とを備えている（例えば、特許文献１〜３参照）。

従来、上述したサーモチャック装置として、図４に示すように、冷却体１０２上に加熱体１０４を配置し、加熱体１０４上にチャックトップ１０６を配置したものがある。冷却体１０２は、内部に空間部を有し、この空間部内に気体、液体などの冷却媒体を流すものである。加熱体１０４は、ヒータ（電熱ヒータ）やペルチェ素子からなる。チャックトップ１０６は、半導体ウエハを載置する計測電極を有する。上記のように冷却体の上方に加熱体を配置しているのは、冷却媒体の熱伝導が悪いこと、加熱体による加熱により冷却媒体が熱的影響を受けやすいことからである。

特開平２−１６２７４７号公報 特開平８−３３０３９９号公報 特開平１１−３１７２４号公報

しかし、図４に示したサーモチャック装置は、冷却体上に加熱体を配置し、加熱体上にチャックトップを配置した構造を有するため、加熱体から発生したノイズがチャックトップに伝わるものであった。サーモチャック装置は、半導体ウエハの電気的測定に供されることから、半導体ウエハが載置されるチャックトップにノイズ成分が存在することは問題となる。

この場合、加熱体にペルチェ素子を用いたサーモチャック装置においては、ペルチェ素子の駆動電源は直流であり、基本的には低ノイズと思われているが、実際には温度制御を行うと直流電力が常に変化するため、チャックトップに発生する電流ノイズを１ｐＡ（ピコアンペア）以下にすることは極めて困難であった。

加熱体にヒータを用いたサーモチャック装置においては、ヒータから発生するノイズがチャックトップに伝わる不具合を避けるため、ヒーターの駆動電源として直流を用いているが、交流から直流に変換する部分でスイッチング電源などを使用するため、高周波成分は直流成分に重なり、したがって直流電源を使用しても完璧にノイズを低減することは不可能であった。また、ヒータの加熱に直流電源を用いることには、装置の価格を上昇させる問題があった。

また、図４に示したサーモチャック装置は、チャックトップの冷却時の温度分布にムラが生じることがあった。すなわち、図４のサーモチャック装置では、図５に示すように、冷却体１０２の周辺部に設けた冷却媒体流入口１０８から冷却体内の空間部１１０に冷却媒体１１２を流入させるとともに、空間部を流れた冷却媒体を冷却体の周辺部に設けた冷却媒体流出口１１４から流出させている。そのため、冷却体内の空間部で冷却媒体が流れにくい箇所が生じ、冷却体に温度のバラツキが生じるものであった。また、冷却体を気体の冷却溶媒により冷却するサーモチャック装置では、冷却溶媒が気体であるため熱容量が小さく、特許文献１に示された冷却体のような溝構造では、大きい温度分布のムラが発生する問題があった。

さらに、図４に示したサーモチャック装置は、大型化するウエハへの対応、温度範囲などの点で下記のような問題も有していた。
１．加熱体としてペルチェ素子を使用したサーモチャック装置では、ペルチェ素子を冷却するための冷却体上にペルチェ素子を配置することで、チャックトップの加熱、冷却を行っており、ペルチェ素子に印加される電力は直流で２〜３ｋＷが必要となる（１２インチウエハの場合）。ペルチェ素子の最大電力は４０Ｗ程度であるから、素子は５０個以上集積せねばならず、サーモチャック装置の製造コストを押し上げる結果を招いていた。
２．冷却体を液体の冷却溶媒により冷却するサーモチャック装置では、−４５℃以下の液体を流せる冷却チャンバとその上に設置された加熱体とで所定の温度を発生させている。この場合、冷却溶媒の熱伝達は液体の流量と最低温度で決定され、−４５℃で安全な冷媒はガルデン、フロリナー卜（いずれも商品名）しかなく、これ以下の温度に対応ができないため、チャックトップの最低温度に限界が生じていた。また、同様の制限から高温での使用にも問題があり、−４０℃〜１５０℃が実用上の限界であった。
３．従来のサーモチャック装置では、加熱体、冷却体およびチャックトップからなるチャック構造を全て形成しないとチャック構造の電気的特性、冷却・加熱特性、温度分布などが計測できない問題があった。そのため、チャック構造に温度分布などの不具合があった場合、加熱体構造、冷却体構造などの全部の修正が必要となり、膨大な設計、修正作業の時間が必要であった。これは、一箇所を変えると全て（温度分布、ノイズ、絶縁性、機械的精度）に影響を受けるためである。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたもので、加熱体からのノイズがチャックトップに伝わることを防止することができるとともに、チャックトップの温度分布にムラが生じることを防止することができる加熱・冷却ユニットを用いたサーモチャック装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するため、半導体検査工程において半導体ウエハの加熱および冷却を行うためのサーモチャック装置であって、
内部に空間部が形成された下側冷却体と、内部に空間部が形成された上側冷却体と、駆動電源として交流を用いるシーズヒータからなり、前記下側冷却体と上側冷却体との間に配置された加熱体とを備え、前記下側冷却体には冷却媒体流入口および冷却媒体流出口が形成され、前記下側冷却体の空間部と前記上側冷却体の空間部とは、上側冷却体の周辺部に形成された冷却媒体噴出孔および中心部に形成された冷却媒体回収孔により連通しており、前記冷却媒体流入口から下側冷却体の空間部に冷却媒体を流入させ、この冷却媒体を前記冷却媒体噴出孔から上側冷却体の空間部に噴出させるとともに、上側冷却体の空間部を流れた冷却媒体を前記冷却媒体回収孔を通して下側冷却体の空間部に回収し、さらに前記冷却媒体流出口から流出させる加熱・冷却ユニットと、
前記加熱・冷却ユニットの上側冷却体上に配置された上部に計測電極を有するチャックトップとを具備することを特徴とするサーモチャック装置を提供する。

本発明のサーモチャック装置では、加熱体とチャックトップとの間に加熱・冷却ユニットの上側冷却体が存在するので、加熱体から発生したノイズ成分は上記上側冷却体に吸収され、チャックトップ側に漏れ出てくることはなく、したがって加熱体からのノイズがチャックトップに伝わることが防止される。

上述したことは、図３の等価回路に示すようなモデルおよびシミュレーションで確認することができる。図３において、（ａ）は図４に示した従来のサーモチャック装置のモデル、（ｂ）は本発明に係るサーモチャック装置のモデルである。（ａ）において、Ｒｌはヒータの絶縁（１００メガオーム程度）、Ｃ１はヒータ絶縁材の容量（１０００ＰＦ以下）、Ｒ２はチャックトップの絶縁（５００Ｍオーム）である。図３（ａ）より、計測ポイントＭでは、ＲｌとＲ２で分割された電位（ＶＡＣ）が発生することが理解される。（ｂ）において、Ｒｌ、Ｃ１、Ｒ２は（ａ）と同じもの、Ｒ３は冷却体の電気的抵抗（通常、数オーム）を示す。図３（ｂ）より、（ａ）同様にＶＡＣがノイズ成分でもＲｌ、Ｒ３の分割抵抗分の電位が測定ポイントＭに発生するが、Ｒ３の抵抗値が極めて低いため（仮に１オームとすれば）、測定ポイントには１０^−８の電圧しか発生しないことが理解される。後述するように加熱体にシーズヒータを用いた場合は、計算上は３段のノイズ抑制効果が得られる。

また、本発明のサーモチャック装置は、下側冷却体の空間部に流入させた冷却媒体を上側冷却体の周辺部に設けた冷却媒体噴出孔から上側冷却体の空間部に噴出させるとともに、この冷却媒体を上側冷却体の中心部に設けた冷却媒体回収孔から流出させるので、上側冷却体の空間部において冷却媒体は周辺部から中心部に向けて流れる。そのため、上側冷却体の空間部における熱分布が均一となり、その結果、チャックトップの温度分布にムラが生じることが防止される。すなわち、冷却や加熱の場合、通常、表面積の大きい周辺部で温度が低い状態（加熱時）あるいは温度が高い状態（冷却時）が出現する。これは、加熱体や冷却体と周辺（主に大気）との熱交換が面積と比例するためで、その対策として加熱体では周辺部での熱損失を補う構造が採られるが、加熱体は設計が比較的容易であるのに対し、冷却体では冷却媒体を均一に流すことは極めて難しい。これに対し、本発明では、上側冷却体において冷却媒体を周辺部全体から噴出させ、中心部に集めるように冷却媒体の流れ制御を行うことにより、周辺部での熱分布が向上して周辺部の冷却効率が良くなり（周辺部におけるエッジ効果による放熱量の補正）、冷却の均一性を得ることができる。

以下、本発明につきさらに詳しく説明する。本発明において、下側冷却体および上側冷却体は金属により一体に形成することが好ましい。金属としては、例えば、銅、黄銅、青銅、アルミニウム、ジュラルミン、鉄、ＳＵＳ、チタン、モリブデン等を用いることができる。また、下側冷却体および上側冷却体と加熱体も一体に形成することが好ましい。下側冷却体、上側冷却体および加熱体を一体化することにより、大量生産した場合の安定性およびハンドリング性を向上させることができる。

本発明においては、上側冷却体の空間部の下壁部と上壁部との間に柱状突起を適宜設けることができる。これにより、上側冷却体の空間部に導入された冷却媒体が上記柱状突起に当たって攪拌され、上側冷却体の空間部の温度分布がより均一になるとともに、上側冷却体における熱伝導が上記柱状突起を経由して行われることにより、チャックトップの温度分布のムラがより効果的に防止される。また、加熱時においても、上側冷却体における熱伝導が柱状突起を経由して行われることにより、上側冷却体における熱伝導性が確保され、チャックトップの温度分布にムラが生じることが防止される。

また、本発明では、上述したように、上側冷却体の熱伝導性を確保するために、上側冷却体の空間部に柱状突起を設け、加熱体からの熱伝導および冷却性能の向上を図るとともに、温度分布の修正を柱状突起の密度、形状、位置などの調整で行うことができる。すなわち、上側冷却体における熱伝導は殆どが柱状突起を経由して行われるので、チャックトップの温度分布に問題がある場合、例えば中心部の温度が高い場合は、中心部の柱状突起を除去するか、中心部に極めて細い柱状突起を設ければよい。また、チャックトップに温度の低い箇所があれば、その箇所の柱状突起数を増加することで、温度分布を改善することが可能となる。したがって、本発明では、加熱体を一度固定しても、柱状突起の再加工のみで温度分布を改善することができる。これに対し、従来はヒータの巻き方を変えるなどでしか温度分布の改善が見込めなかったが、ヒータの設計は非常に専門的であり、費用も高価であった。

本発明においては、加熱体としてヒータ線を金属で被覆したシーズヒータを用いる。シーズヒータとは、ヒータ線を金属で被覆し、ヒータ線と金属とを絶縁体により絶縁した構造のヒータをいう。加熱体としてシーズヒータを用いた場合、ヒータ線を被覆する金属がノイズ成分を吸収するため、さらに効果的なノイズ抑制効果を得ることができる。

本発明において、加熱体は、上側冷却体および下側冷却体を構成する金属に設けた溝に埋め込んだり、全体を溶融金属中に埋め込んだりすることにより、上側冷却体と下側冷却体との間に配置することができる。

本発明においては、加熱体の駆動電源として交流を用いる。すなわち、前述したように、サーモチャック装置は半導体ウエハの電気的測定に供されることから、チャックトップのノイズが問題となるが、本発明では加熱体からのノイズがチャックトップに伝わることが防止されるため、加熱体の駆動電源としてノイズを発生させやすい交流を用いることができる。

本発明のサーモチャック装置では、チャックトップとして、半導体ウエハを載置する金属製の計測電極を上部に有し、かつ、加熱・冷却ユニットの上側冷却体と上記計測電極との間に絶縁材層を有するものを用いることができる。これにより、上記絶縁材層がノイズ成分を吸収し、さらに効果的なノイズ抑制効果を得ることができる。

本発明のサーモチャック装置において、冷却媒体として気体または液体を用いることができる。気体または液体の冷却媒体としては、例えば、気体あるいは液体の水素、ヘリウム、窒素、アルゴン、酸素またはこれらの２種以上の混合体（空気など）や、フレオン、ガルデン、フロリナー卜（いずれも商品名）等のフッ素化合物等を挙げることができる。これらの中で、水素、ヘリウムは熱伝導性が高いため好ましい。また、本発明では、冷却した気体状の空気を冷却媒体として好適に使用することができる。

本発明のサーモチャック装置を製造する場合、加熱・冷却ユニットおよびチャックトップを別々に作製し、これら加熱・冷却ユニットおよびチャックトップの性能を評価した後、チャックトップを加熱・冷却ユニットの上側冷却体上に配置する方法を採ることができる。この場合、加熱・冷却ユニットとチャックトップとは一体化することが好ましい。評価する性能としては、加熱・冷却ユニットは温度分布、昇温速度、降温速度などが挙げられ、チャックトップは絶縁、ノイズ等の電気的特性などが挙げられる。

本発明のサーモチャック装置は、加熱体からのノイズがチャックトップに伝わること、およびチャックトップの温度分布にムラが生じることを効果的に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明は下記例に限定されるものではない。図１は本発明に係るサーモチャック装置の一実施形態を示す模式的断面図である。図中１０は加熱・冷却ユニット、１２はチャックトップを示す。チャックトップ１２は加熱・冷却ユニット１０上に配置され、加熱・冷却ユニット１０と一体化されている。

加熱・冷却ユニット１０は、内部に空間部１４が形成された下側冷却体１６と、内部に空間部１８が形成された上側冷却体２０と、下側冷却体１６と上側冷却体２０との間に配置された加熱体２２とを備えている。下側冷却体１６および上側冷却体２０は金属により一体に成形されている。加熱体２２は、ヒータ線を金属管で被覆し、ヒータ線と金属管とを絶縁体により絶縁したシーズヒータを巻いて作製されたもので、下側冷却体１６および上側冷却体２０を形成する金属中に埋め込まれている。

下側冷却体１６には冷却媒体流入口２４および冷却媒体流出口２６が形成されている。また、下側冷却体１６の空間部１４と上側冷却体２０の空間部１８とは、上側冷却体２０の周辺部にほぼ等間隔で複数形成された冷却媒体噴出孔２８と、上側冷却体２０の中心部に形成された冷却媒体回収孔３０により連通している。さらに、上側冷却体２０の空間部１８の下壁部と上壁部との間には、複数の柱状突起３２が一体に設けられている。

チャックトップ１２は、金属製伝熱板３４、絶縁材層３６、金属製伝熱板３８、絶縁材層４０および計測電極４２が積層されたものである。

本例のサーモチャック装置は、チャックトップ１２を冷却する場合、加熱体２２への通電を停止するとともに、加熱・冷却ユニット１０の冷却媒体流入口２４から下側冷却体１６の空間部１４に冷却媒体（気体状の空気）４４を流入させ、この冷却媒体を冷却媒体噴出孔２８から上側冷却体２０の空間部１８に上方に向けて噴出させる。そして、上側冷却体２０の空間部１８を流れた冷却媒体を冷却媒体回収孔３０を通して下側冷却体１６の空間部１４に回収し、さらに冷却媒体流出口２６から流出させる。この場合、本例のサーモチャック装置では、図２に示すように、上側冷却体の空間部１８において冷却媒体４４が周辺部から中心部に向けて流れ、そのため上側冷却体の空間部１８における熱分布が均一となる。なお、本例のサーモチャック装置では、加熱体２２を上下から冷却するので、加熱体２２の降温速度が速い。

また、チャックトップ１２を加熱する場合は、下側冷却体１６および上側冷却体２０への冷却媒体の導入を停止するともに、加熱体２２への通電を行う。この場合、加熱体２２の駆動電源としては交流を用いることができる。

本例のサーモチャック装置では、０．５％以下の温度分布のムラ、交流電源使用時で０．１ｐＡ以下のノイズを達成することができた。

本発明に係るサーモチャック装置の一実施形態を示す模式的断面図である。 図１のサーモチャック装置の上側冷却体における冷却媒体の流れを示す図である。 （ａ）は従来のサーモチャック装置の等価回路、（ｂ）は本発明に係るサーモチャック装置の等価回路である。 従来のサーモチャック装置の一例を示す模式的断面図である。 図４のサーモチャック装置の冷却体における冷却媒体の流れを示す図である。

符号の説明

１０ 加熱・冷却ユニット
１２ チャックトップ
１４ 空間部
１６ 下側冷却体
１８ 空間部
２０ 上側冷却体
２２ 加熱体
２４ 冷却媒体流入口
２６ 冷却媒体流出口
２８ 冷却媒体噴出孔
３０ 冷却媒体回収孔
３２ 柱状突起
４２ 計測電極
４４ 冷却媒体

Claims (6)

1. 半導体検査工程において半導体ウエハの加熱および冷却を行うためのサーモチャック装置であって、
   内部に空間部が形成された下側冷却体と、内部に空間部が形成された上側冷却体と、駆動電源として交流を用いるシーズヒータからなり、前記下側冷却体と上側冷却体との間に配置された加熱体とを備え、前記下側冷却体には冷却媒体流入口および冷却媒体流出口が形成され、前記下側冷却体の空間部と前記上側冷却体の空間部とは、上側冷却体の周辺部に形成された冷却媒体噴出孔および中心部に形成された冷却媒体回収孔により連通しており、前記冷却媒体流入口から下側冷却体の空間部に冷却媒体を流入させ、この冷却媒体を前記冷却媒体噴出孔から上側冷却体の空間部に噴出させるとともに、上側冷却体の空間部を流れた冷却媒体を前記冷却媒体回収孔を通して下側冷却体の空間部に回収し、さらに前記冷却媒体流出口から流出させる加熱・冷却ユニットと、
   前記加熱・冷却ユニットの上側冷却体上に配置された上部に計測電極を有するチャックトップとを具備することを特徴とするサーモチャック装置。
2. 前記上側冷却体の空間部の下壁部と上壁部との間に柱状突起が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のサーモチャック装置。
3. 前記冷却媒体として気体を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のサーモチャック装置。
4. 前記冷却媒体として液体を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のサーモチャック装置。
5. 前記チャックトップは、加熱・冷却ユニットの上側冷却体と前記計測電極との間に絶縁材層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のサーモチャック装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のサーモチャック装置の製造方法であって、前記加熱・冷却ユニットおよびチャックトップを別々に作製し、これら加熱・冷却ユニットおよびチャックトップの性能を評価した後、チャックトップを加熱・冷却ユニットの上側冷却体上に配置することを特徴とするサーモチャック装置の製造方法。

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