JP4766797B2 - プローバのステージ構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウェハ上に形成された多数の半導体デバイスの電気的特性を測定するために、ウェハをステージに載置してステージを移動し、テスタに接続される触針（プローブニードル）に各半導体デバイスの電極パッドを順次接触させるプローバに関し、特にそのステージ構造の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造工程においては、製造効率を向上させるために、ウェハに形成された多数の半導体デバイスの電極パッドに触針を接触させて、ＩＣテスタからの試験信号を印加して半導体デバイスからの出力信号を検出し、正常に動作しないデバイスは後の組み立て工程から除くと共に、その検査結果が速やかにフィードバックされる。この検査に使用されるのがプローバである。
このプローバは、例えば真空吸着等によりウェハを保持するステージを備えており、このステージの上方には、半導体デバイスの電極パッドに対応した、テスタに接続される多数の触針を備えたプローブカードが固定されている。そして駆動機構によりステージを３次元方向に移動させ、ウェハの半導体デバイスの電極パッドに触針を接触させ、この触針を介してテスタにより試験測定を行うように構成されている。
【０００３】
近年においては、半導体デバイスの耐久性のテスト及び半導体デバイスの使用環境と同様の温度環境での性能検査及び品質検査を行う必要性等から、ウェハを保持するステージ部内部に加熱／冷却装置を設けて、プローバのスペック範囲として、例えば−４０℃〜＋１５０℃の温度範囲で半導体デバイスの試験測定が行われている。
【０００４】
しかしながら、この加熱／冷却装置によるステージ部の温度変化が、ステージ部を移動させるステージ機構部に伝熱し、この熱による熱膨張等の影響により、ステージの位置決め精度が悪化してしまうという問題があった。
そこで、従来のステージ構造においては、図２に示すようにこの冷／熱源１１によるステージ部１の温度変化がステージ機構部２に影響しないように、ステージ部１とステージ機構部２との接続部分を熱伝導率の悪い断熱材料である単一の断熱体３を用いた断熱構造としたり、又は高温の場合には、プローバの筺体内の温度変化を防ぐためにファン４などを用いたステージ冷却構造を採用していた。
しかしながら、この従来のステージ構造では、ステージ部の温度変化のステージ機構部への影響を十分に防止しきれず、半導体デバイスの位置決め精度を依然として悪化させていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ステージ部の温度変化によるステージ機構部への影響を排除し、高低温測定時に関係なく、半導体デバイスの位置決めを高精度で行うことが可能なプローバのステージ構造を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のプローバのステージ構造を提供する。
請求項１に記載のプローバのステージ構造は、ステージが、ウェハを保持し、加熱／冷却源でもあるステージ部と、このステージ部を移動させるステージ機構部と、その両者の間に介在する断熱部とより構成され、この断熱部が、少なくとも２つの断熱体と、これらの断熱体間に挟持される放熱体とからなっている。このように断熱層と放熱層とを重ね合わせた多層構造とすることにより、より高い断熱性を得ることができる。したがって、従来のものに比べ、断熱部を同性能で薄くコンパクトに形成できるので、高いスペース効率を有するステージ構造が得られる。また、高低温測定時の温度変化によるステージ機構部への影響を排除でき、高精度な位置付けが行える。
【０００７】
請求項２の該ステージ構造は、放熱体の形状をステージ部の下面と側面とを包囲するような形状としたものであり、これにより、冷熱源であるステージ部からステージ機構部への空気による熱の伝播を遮断するようにしている。
請求項３の該ステージ構造は、放熱体のステージ部に面する表面を断熱シート被覆したものであり、これにより、ステージ部からの熱の空気伝播を一層効率良く遮断している。
【０００８】
請求項４の該ステージ構造は、断熱部の断熱体がセラミックから形成され、放熱体の断熱シートがスポンジ材にアルミ蒸着が施されているものである。ステージ部はプローブカードの触針から約１００〜１２０kgの荷重を受けるものであり、そのため断熱体も強度が必要であり、断熱材料としてセラミックは好適である。
請求項５の該ステージ構造は、放熱体の放熱を促進するためにファンを設けたものであり、これにより、放熱体を通り抜ける空気の流通をよくし、放熱効果を一層改善でき、ステージ部からステージ機構部への熱の伝達量を大幅に低減でき、断熱効果を高めることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態のプローバのステージ構造について説明する。図１は、本発明のプローバのステージ構造の縦断面の概略構成図である。ステージは、多数の半導体デバイスが形成されたウェハＷを、その表面上に載置して保持するステージ部１と、このステージ部１を３次元方向に移動させるためのステージ機構部２と、ステージ部１とステージ機構部２間に介在し、両者間を断熱する断熱部３とより構成されている。
なお、図示されていないが、ステージの上方にはテスタに接続する多数の触針を有するプローブカードが固定されているテスタヘッド部が配置されている。
【００１０】
ステージ部１の表面には、ウェハＷを保持するため、例えば吸引通路に連通している吸引空気用の溝（図示せず）が形成されており、ウェハＷは吸着保持される。またステージ部１の内部には、半導体デバイスを高温状態、例えば最高で１５０℃、又は低温状態、例えば最低で−４０℃、で電気的特性検査が行えるように、加熱／冷却源としての加熱／冷却装置１１が設けられている。これらの加熱／冷却装置１１は、公知の適宜の加熱／冷却器が採用できるものであり、例えば、面ヒータの加熱層と冷却流体の通路を設けた冷却層との二重層構造にしたものや、熱伝導体内に加熱ヒータを巻き付けた冷却管を埋設した一層構造の加熱／冷却装置等、様々のものが考えられる。また、電気加熱ではなく、熱流体を循環させるものでもよく、またペルチェ素子を使用してもよい。
【００１１】
ステージ機構部２は、一般的に良く知られた構造であるので、簡単に説明すると、水平面の２方向であるＸ方向とＹ方向、上下方向であるＺ方向の３つの１次元の移動テーブル２１，２２，２３を組み合わせて構成されている。例えば、Ｘ方向の移動テーブル２３の上にＹ方向の移動テーブル２２を載せ、その上にＺ方向の移動テーブル２１を載せている。それぞれの移動テーブルの駆動方式には、公知のボールねじ駆動、またはリニアモータ駆動が採用されている。即ち、例えば移動テーブル２１は、移動部２１ａ、案内部２１ｂ、ボールねじ部２１ｃ、ナット部２１ｄ、モータ部２１ｅ及びボールベアリング部２１ｆ等から構成されている。モータ部２１ｅを駆動することで移動部２１ａが上下動する。
ステージ機構部２の上面、即ち、最上部に位置しているＺ方向の移動テーブル２１の上面（移動部２１ａ）には、後述する断熱部３を嵌合して固定するための円筒状の凸部２ａが形成されている。なお、Ｚ方向の移動テーブル２１は、θ方向にも回動できるようになっている。
【００１２】
本発明の特徴である断熱部３は、図１に示される実施例では、２つの第１と第２の断熱体３１，３２と、これらの断熱体に挟持された放熱体３３とから構成されている。なお、この断熱体の数を、２つ以上とし、放熱体の数も１つ以上として、交互に断熱体と放熱体とを積み重ねた多層構造とすれば、断熱効果は一層向上するが、一つ当りの断熱体の厚さが薄くなり、強度的に弱くなるので、適切な数を選択することが好ましい。
【００１３】
第１と第２の断熱体３１，３２は、一般には、ステージ部１の形状と同様に円筒形に形成され、下方に配置される第２の断熱体３２の下面は、駆動機構部２の上面の円筒状凸部２ａに嵌合するように円柱状の凸部３２ａが形成されている。これらの断熱体３１，３２は、約１００〜１２０kg程の荷重を受けるものであり、強度を必要するのでセラミック、好ましくはジルコニア系のセラミックで作られている。
【００１４】
２つの第１と第２の断熱体３１，３２に挟持される放熱体３３は、図１に示される実施例では、ステージ部１の下面と側面とを包囲するように水盤のような形状に形成されていて、そのほぼ中央部分で第１と第２の断熱体３１，３２に挟持されている。放熱体３３は、熱伝導の良好な金属材であるアルミニウム、銅及びこれらの合金等から作られており、ステージ部１に面していて、断熱体３１，３２から露出している表面には、断熱シート３４が被覆されている。この断熱シート３４は、例えばシリコン樹脂系のスポンジ材の表面にアルミ蒸着したものが使用される。なお、放熱体３３は、図１のものではその表面が平坦であるが、表面積を大きくするために、その表面を凹凸状にしたり、波形状にすることも可能である。
【００１５】
上述したステージ部１、断熱部３及びステージ機構部（最上部の移動部２１ａ）２は、最終的には通しボルト等で着脱自在に固定されている。
また、プローバの筺体内には、放熱体３２に対して強制的に空気を送って冷却するためのファン４が設けられている。
【００１６】
上記のように構成された本発明のプローバのステージ構造においては、加熱／冷却源であるステージ部１からの熱が断熱部３によって遮断され、ステージ機構部２へ熱伝達しないようになっている。即ち、ステージ部１からの熱は断熱部３の上部の第１の断熱体３１によって１次断熱され、熱伝達量が絞り込まれる。次に１次断熱によって低減された熱量は、放熱体３３によって放熱され、更に断熱部３の下部の第２の断熱体３２への熱伝達量が絞り込まれる。次いで、放熱後の絞り込まれた熱量を第２の断熱体３２で２次断熱する。このように、断熱−放熱−断熱という多層の組み合せ構造を断熱部３に採用することによって、断熱効果を高めることができる。これにより、ステージ部１の温度変化がステージ移動機構部であるステージ機構部２に伝わることを防止でき、その熱膨張又は熱収縮による影響を排除でき、半導体デバイスの触針に対する高精度な位置決めを安定して確保できる。
【００１７】
また、放熱体３３がステージ部１の下面と側面とを間隔をあけて包囲するような水盤形状となっていて、そのステージ部１に面する表面を断熱シート３４で被覆していることにより、ステージ部１からの熱が空気伝播によりステージ機構部２へと伝熱するのが遮断されるようになっており、その断熱効果が一層高められる。
更に、放熱体３３の第１と第２の断熱体３１，３２で挟持されている中央部分以外の外部に拡張している部分を、プローバの筺体内に設けたファン４により冷却し、放熱量を向上させて第２の断熱体３２への熱伝達量を一層減少させることで、更に一層の断熱効果が高められる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプローバのステージ構造においては、従来の単体の断熱層のみの構造と比較して、加熱／冷却源であるステージ部からステージ機構部への熱伝達量を大幅に低減することができ、高精度な位置決めが確保できる。したがって、高低温測定時の温度変化による精度への悪影響を排除でき、高低温測定時でのプローバの精度を従来の数μｍ程度から更に高精度まで保証できる。
また、微細化、大口径化が進むシリコンウェハの測定において、精度への要求は高まっており、プローバの精度向上は、更なる微細化、大口径化を可能としている。更には、高低温測定時の高精度化の実現により、現状の測定温度（約１５０℃〜−４０℃）よりも、更なる高温（約２００℃）、低温での測定が可能となり、より劣要な環境でも安定動作が可能な更なる高品質、高性能な半導体の開発に寄与できる。また特殊環境で使用する機器類の開発や航空宇宙開発の分野で使用する半導体の開発に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のプローバのステージ構造の縦断面の概略構成図である。
【図２】従来のステージ構造の概略図である。
【符号の説明】
１…ステージ部
１１…加熱／冷却装置
２…ステージ機構部
３…断熱部
３１，３２…断熱体
３３…放熱体
３４…断熱シート
４…ファン

Claims (5)

1. ウェハ上に形成された多数の半導体デバイスの電気特性を検査するために、プローブカードの触針に対してウェハを保持したステージを移動させるプローバのステージ構造において、
   前記ステージが、ウェハを保持するチャック機構と内部に加熱／冷却装置とを有するステージ部と、該ステージ部を３次元方向に移動させるためのステージ機構部と、該ステージ部と該ステージ機構部間に介在し、両者間を断熱する断熱部とからなっていて、
   前記断熱部が、少なくとも２つの断熱体と、該断熱体間に挟持され、該断熱体より横方向に突出する少なくとも１つの放熱体とからなることを特徴とするプローバのステージ構造。
2. 前記放熱体が、前記ステージ部の下面と側面とを包囲するように水盤形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプローバのステージ構造。
3. 前記放熱体のステージ部に面する表面が、断熱シートで被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプローバのステージ構造。
4. 前記断熱体が、セラミックより形成されており、前記断熱シートが、スポンジ材にアルミの蒸着が施されていることを特徴とする請求項３に記載のプローバのステージ構造。
5. 前記放熱体の放熱を促進するために、ファンが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のプローバのステージ構造。

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