JP4825812B2 - 温度を調整可能なチャック装置を用いた半導体ウエハ検査方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度調整されたチャック装置(クランプ装置として以下に参照される)によって半導体ウエハの検査を行うための方法および装置に関する。

知られているように、半導体ウエハに関する検査測定は−６０℃から＋４００℃の間の温度範囲で通常実行される。温度制御のために、半導体ウエハは、プローブテーブルまたはクランプ装置に配置される。このとき、所望の温度に応じて、冷却および／または加熱されている。

この場合、まず第１に、半導体ウエハの温度を周囲の気体媒質の露点下におかないように注意することが必要である。さもなければ、水分の凝縮が半導体ウエハの表面上に生じたり、着氷してしまい、検査測定の障害となったり、検査測定を不可能にさせてしまうからである。

第２に、高チップパワーを有する検査測定の場合、半導体ウエハおよびクランプ装置間の有限熱伝達抵抗により、熱の散逸が遅れるため、電流領域において、半導体ウエハは、クランプ装置に接触して加熱される後面側の温度より前面側において局所的に高温となる問題が生じる。一般的に、１００Ｗを超える電力の場合、半導体ウエハの前面側およびクランプ装置の保持面側間でおよそ９０Ｋの局所的な温度差が生じる。この温度差は、検査測定に支障をきたす。特に、半導体ウエハ内の集積回路の定温電気特性に影響することを意味する。同時に、比較的高い電力では、チップは、最大許容温度以上に加熱される可能性があり、電気系統のトラブルを生じる原因となり得る。

図２は、温度調整されたクランプ装置によって半導体ウエハを検査するための米国特許5010296によって明らかにされた装置の横断面図を示している。

図２において、参照符号６’は、温度調整が可能なクランプ装置を示している。クランプ装置６’は駆動装置７’に接続されており、垂直および平面方向に移動可能とされている。クランプ装置６’の上方には、プローブカード１２’が設けられており、半導体ウエハ３０’上の集積回路に接触させ、そこで電気測定を実施するために使用されるプローブ１’を有している。プローブ１’は、例えば細い針に形成される。

参照符号１３’は、前記プローブ１’が予め定義された検査プログラムに従って駆動可能され得る検査装置を示している。半導体ウエハ３０’の特定の集積回路にプローブ１’を接続させるために、制御装置７’も同様に検査装置１３’により駆動可能とされる。

気体供給装置１０’に接続された気体搬送装置８’は、クランプ装置６’の一端側に設けられている。

クランプ装置６’の他端側には、吸引装置１１’に接続された吸引管装置９’が設けられる。気体搬送装置８’および吸引管装置９’は、略平面である断面形状を有しており、このため、気体を半導体ウエハ３０’の表面全体に一様に流すことができる。このように公知の半導体ウエハ検査装置における気体置換は、外的要因またはプローブ１の影響を受けた結果として半導体ウエハの表面に堆積する汚染粒子を除去するために用いられる。

半導体ウエハを検査するためのプローブカードの構造は、「エレクトロニクス、製造および検査技術」（原題「Elektronik, Produktion und Pruftechik」）７月／８月 １９８２年、４８５−４８７ページや、「ウエハの配置と接続」（原題「Positionieren und Kontaktieren von Wafern」）により知られている。

欧州特許0438957B1には、クランプ表面に対応する温度分布を記録する数多くの温度センサがクランプ装置に取り付けられた半導体−半導体ウエハの検査装置が開示されている。

欧州特許0511928B1には、締め付け装置の温度制御のための流体が導かれる数多くの迷路状の通路を有するクランプ装置が開示されている。迷路のような構造を有する結果、高い冷却能力と均質の温度分布が達成される。

米国特許5977785には、流体ベースの加熱／冷却装置を有する温度調整されたクランプ装置によって半導体ウエハを検査する方法および装置が開示されている。検査されたチップの温度が検査の間記録され、加熱／冷却装置の制御についてドリフト補正が記録結果に基づいて実行される。米国特許5977785は、代替の加熱装置として、抵抗および誘導電気加熱装置について言及している。

米国特許5084671には、流体ベースの冷却装置および電気加熱装置を有する温度調整されたクランプ装置によって半導体ウエハを検査する他の方法および装置が開示されている。

本発明の目的は、半導体ウエハの調整を行うことができる温度調整されたクランプ装置による半導体ウエハを検査する方法および装置を特定することである。

請求項１の特徴を有する本発明に係る方法および請求項７に対応する装置は、公知の解決策に比較して、例え高い電力を用いても、半導体ウエハの前面側とチャックの保持面側との間で非常に低い温度差しか生じないという利点を有している。

本発明の基礎となっている着想は、クランプ装置の温度が、予め定義された加熱電力であって、予め定義された検査電力より実質的に大きい加熱電力を有する加熱装置および予め定義された冷却能力を有する冷却装置によって予め決められた測定温度に制御されることである。検査装置から検査電力を印加して半導体ウエハを検査する間において、冷却能力を略一定に維持した状態で、検査中の検査電力の大きさだけ加熱電力を減少させる。

これは、検査電力の供給に対する反応として温度調整されたクランプ装置において非常に速い反応速度が得られるという利点を有している。

本発明に関連する有益な開発と改良は従属請求項に示されるだろう。

本発明の例示的な実施形態は、図面で例示されるとともに以下の記述より詳細に説明される。

図１は、温度調整されたクランプ装置によって半導体ウエハを検査するための本発明に係る装置の実施形態を示す概略図である。なお、図中、図２におけると同一または相当部材には同一符号を付している。

図１において、参照符号１は、垂直方向および平面内を移動可能な温度調整されたクランプ装置を示している。

クランプ装置１は、真空溝５０が設けられた上方領域１ａを有している。クランプ装置１の上方領域１ａ上には、当該クランプ装置１の保持面ＡＦに後面Ｒが接触される半導体ウエハ５がある。

クランプ装置１の中央領域１ｂには、供給電力ＰＷによってクランプ装置１を加熱させるために設けられた電気加熱装置ＨＥがある。

最後に、クランプ装置１の下方領域１ｃには、迷路状の冷却通路システム１１ｃがあり、入力温度Ｔｉｎに前もって冷却された液体Ｆが入力１１ａに供給され、この液体Ｆが上昇温度Ｔｏｕｔで出力１１ｂから再び排出される。図示されない温度制御システムによって、液体Ｆは、クランプ装置１の外部で予め定義された所望の温度に達する。

半導体ウエハ５の上には、段状領域７’ａを有し、当該段状領域７’ａからプローブ針９１，９２が半導体ウエハ５の前面Ｏ上のチップ領域ＣＨ上に位置されるプレート状のプローブ装置７’がある。

検査装置ＴＶにより、電気的検査シーケンスは、前記プローブ９１，９２を介してチップ領域ＣＨに伝達される。電力ＰＴは、チップ領域ＣＨに送られ、半導体チップ５の局所加熱を生じさせる。したがって、所望の定温検査測定を実行するために前記電力ＰＴを冷却する必要がある。

本発明に係るこの実施形態においては、幾つかの温度記録装置ＴＳ１〜ＴＳ６が設けられている。第１温度記録装置ＴＳ１は、プローブ装置７’に配置されており、赤外線光学導波路１２０および評価回路１２１を備えた赤外線温度計ＩＲを有している。

評価装置１２１は、赤外線光伝導体（図示せず）および下流に接続されたアンプによってチップ領域ＣＨにおける温度を直接的に記録する。

第２温度記録装置ＴＳ２は、クランプ装置１の上方領域１ａに配置され、第３温度記録装置ＴＳ３は、クランプ装置１の中央領域１ｂに配置され、第４温度記録装置ＴＳ４は、クランプ装置１の下方領域１ｃに配置され、第５温度記録装置ＴＳ５は、液体Ｆの入力１１ａに配置され、第６温度記録装置ＴＳ６は、液体Ｆの出力１１ｂに配置される。温度記録装置ＴＳ２〜ＴＳ４を用いることで、特に、クランプ装置１が熱平衡にあるかどうかを決定することが可能となる。

検査測定の実行前に、半導体ウエハ５が設置され、プローブ９１，９２が配置された状態で、クランプ装置１の温度は、予め定義された加熱電力ＰＷを備えた加熱装置ＨＥおよび予め定義された冷却能力ＰＫを備えた冷却装置１１ａ，１１ｂ，１１ｃによって、予め決められた測定温度、例えば、−２０℃、に制御される。ここで、加熱電力ＰＷは、予め定義された検査電力ＰＴより十分に大きく、例えば、ＰＷ＝１ｋＷ、ＰＴ＝２００Ｗである。

このとき、半導体ウエハ５の検査は、プローブカード７’に配置されたプローブ９１，９２によって、検査装置ＴＶから検査電力ＰＴが半導体ウエハ５の表面にあるチップ領域ＣＨに印加されることにより実行される。

本実施形態によれば、加熱電力ＰＷから差し引かれるべき検査電力ＰＴは、検査中における冷却のための冷却装置１１ａ，１１ｂ，１１ｃによってクランプ装置１に供給される液体Ｆの入力温度Ｔｉｎおよび出力温度Ｔｏｕｔをそれぞれ記録する第２および第３の温度記録装置（前記第５および第６温度記録装置）ＴＳ５，ＴＳ６からの信号を考慮しつつ、予め定義される。というのも、検査電力ＰＴの上昇に伴って温度が上昇するからである。

加えて、加熱電力ＰＷから差し引かれるべき検査電力ＰＴは、検査中、非接触でチップ領域ＣＨの温度を直接的に記録する第１温度記録装置ＴＳ１からの信号を考慮しつつ、予め定義される。

本発明は、気体乾燥空気に限定されず、原則としていかなる所望の液体にも適用可能である。

図１は、温度調整されたクランプ装置によって半導体ウエハを検査するための本発明に係る装置の実施形態を示す概略図である。 図２は、プローブカードによって半導体ウエハを検査するための米国特許5010296に開示された装置の横断面図である。

符号の説明

１…クランプ装置
１ａ…上方領域
１ｂ…中央領域
１ｃ…下方領域
ＡＦ…保持面
５…半導体ウエハ
Ｒ…後面
Ｏ…前面
ＣＨ…チップ領域
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…冷却装置
７’，７’ａ…プローブカード
９１，９２…プローブ
ＴＶ…検査装置
ＴＳ１…第１の温度記録装置
１２０，１２１…赤外線温度計
ＴＳ５，ＴＳ６…第２および第３の温度記録装置（実施形態における第５および第６温度記録装置）
ＰＷ…加熱電力
ＨＥ…電気加熱装置
Ｆ…液体
Ｔｉｎ…入力温度
Ｔｏｕｔ…出力温度
ＰＴ…検査電力
ＰＫ…冷却能力

Claims (12)

1. 温度調整されたクランプ装置によって半導体ウエハ（５）を検査する方法であって、
   予め定義された検査電力（ＰＴ）より実質的に大きい予め定義された加熱電力（ＰＷ）を有する電気加熱装置（ＨＥ）および液体（Ｆ）が冷却のために通過することにより予め定義された冷却能力を有する冷却装置（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）を用いて、クランプ装置（１）の温度を予め決められた測定温度に制御する工程と、
   温度調整された前記クランプ装置（１）の保持面（ＡＦ）上に前記半導体ウエハ（５）の後面（Ｒ）を設置する工程と、
   前記半導体ウエハ（５）の前面（Ｏ）上にプローブカード（７’，７’ａ）を配置する工程と、
   前記プローブカード（７’，７’ａ）に配置されたプローブ（９１，９２）によって前記半導体ウエハ（５）の前面（Ｏ）のチップ領域（ＣＨ）に検査装置（ＴＶ）から検査電力（ＰＴ）を印加することにより、前記半導体ウエハ（５）を検査する工程と、
   検査中における前記液体（Ｆ）の前記検査電力（ＰＴ）に応じた温度上昇を記録する工程と、
   検査中に記録された前記液体（Ｆ）の温度上昇を考慮して、略一定の冷却能力（ＰＫ）のままで、検査中における前記加熱電力（ＰＷ）を減少させる工程とを含むことを特徴とする方法。
2. 前記液体の前記温度上昇は、前記検査中の冷却のために前記冷却装置（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）により前記クランプ装置（１）に供給される前記液体（Ｆ）の入力温度（Ｔｉｎ）および出力温度（Ｔｏｕｔ）を記録する第２および第３の温度記録装置（ＴＳ５，ＴＳ６）からの信号を考慮して記録されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記加熱電力（ＰＷ）は、検査中、非接触で前記チップ領域（ＣＨ）の温度を記録する第１の温度記録装置（ＴＳ１）からの信号によって記録された前記チップ領域（ＣＨ）における温度上昇を考慮して減少されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記第１の温度記録装置（ＴＳ１）は、赤外線温度計（１２０，１２１）を備えていることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記クランプ装置（１）は、上方領域（１ａ）、中央領域（１ｂ）および下方領域（１ｃ）を有し、前記上方領域（１ａ）は、前記半導体ウエハ（５）の後面（Ｒ）に接触する保持面（ＡＦ）を有し、前記中央領域（１ｂ）は、前記加熱装置（ＨＥ）を有し、前記下方領域（１ｃ）は、前記冷却装置（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記検査電力（ＰＴ）は、１００〜数百ワットオーダの大きさであり、前記加熱電力（ＰＷ）は、１〜数キロワットオーダの大きさであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 温度調整されたクランプ装置によって半導体ウエハ（５）を検査する装置であって、
   予め定義された検査電力（ＰＴ）より実質的に大きい予め定義された加熱電力（ＰＷ）を有する電気加熱装置（ＨＥ）および液体（Ｆ）が冷却のために通過することにより予め定義された冷却能力を有する冷却装置（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）を用いて、クランプ装置（１）の温度を予め決められた測定温度に制御する温度制御装置と、
   前記プローブカード（７’，７’ａ）のプローブ（９１，９２）によって前記半導体ウエハ（５）の前面（Ｏ）のチップ領域（ＣＨ）に検査電力（ＰＴ）を印加することにより、前記半導体ウエハ（５）を検査する検査装置（ＴＶ）と、
   検査中における前記液体（Ｆ）の前記検査電力（ＰＴ）に応じた温度上昇を記録する温度記録装置（ＴＳ５，ＴＳ６）とを具備し、
   前記温度制御装置は、前記検査中において記録された前記液体（Ｆ）の温度上昇を考慮して、略一定の冷却能力（ＰＫ）のままで前記検査中における前記加熱電力（ＰＷ）が減少されるように構成されていることを特徴とする装置。
8. 前記液体の前記温度上昇は、前記検査中の冷却のために前記冷却装置（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）により前記クランプ装置（１）に供給される前記液体（Ｆ）の入力温度（Ｔｉｎ）および出力温度（Ｔｏｕｔ）を記録する第２および第３の温度記録装置（ＴＳ５，ＴＳ６）からの信号を考慮して、前記温度記録装置（ＴＳ５，ＴＳ６）によって記録可能とされることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 前記加熱電力（ＰＷ）は、検査中、非接触で前記チップ領域（ＣＨ）の温度を記録する第１の温度記録装置（ＴＳ１）からの信号によって記録された前記チップ領域（ＣＨ）における温度上昇を考慮して、減少させ得ることを特徴とする請求項７または８記載の装置。
10. 前記第１の温度記録装置（ＴＳ１）は、赤外線温度計（１２０，１２１）を備えていることを特徴とする請求項９記載の装置。
11. 前記クランプ装置（１）は、上方領域（１ａ）、中央領域（１ｂ）および下方領域（１ｃ）を有し、前記上方領域（１ａ）は、前記半導体ウエハ（５）の後面（Ｒ）に接触する保持面（ＡＦ）を有し、前記中央領域（１ｂ）は、前記加熱装置（ＨＥ）を有し、前記下方領域（１ｃ）は、前記冷却装置（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）を有することを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の装置。
12. 前記検査電力（ＰＴ）は、１００〜数百ワットオーダの大きさであり、前記加熱電力（ＰＷ）は、１〜数キロワットオーダの大きさであることを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の装置。

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