JP5121322B2 - プローバおよびプローバのウエハチャックの温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ上に形成された複数の半導体チップ（ダイ）の電気的な検査を行うためにダイの電極をテスタに接続するプローバおよびそのウエハチャックの温度制御方法に関し、特にウエハを保持するウエハチャックの表面を加熱及び冷却して高温及び低温環極で検査が行えるプローバおよびそのウエハチャックの温度制御方法に関する。

半導体製造工程では、薄い円板状の半導体ウエハに各種の処理を施して、半導体装置（デバイス）をそれぞれ有する複数のチップ（ダイ）を形成する。各チップは電気的特性が検査され、その後ダイサーで切り離なされた後、リードフレームなどに固定されて組み立てられる。上記の電気的特性の検査は、プローバとテスタで構成されるウエハテストシステムにより行われる。プローバは、ウエハをステージに固定し、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、電源および各種の試験信号を供給し、チップの電極に出力される信号をテスタで解析して正常に動作するかを確認する。

半導体装置は広い用途に使用されており、−６０°Ｃのような低温環境や、２００°Ｃのような高温環境でも使用される半導体装置（デバイス）もあり、プローバにはこのような環境での検査が行えることが要求される。そこで、プローバにおいてウエハを保持するウエハチャックのウエハ載置面の下に、例えば、加熱機構（ヒータ）、冷却機構（チラー機構）などのウエハチャックの表面の温度を変えるウエハ温度調整機構を設けて、ウエハチャックの上に保持されたウエハを加熱又は冷却することが行われる。

図１は、ヒータとチラー機構で構成されるウエハ温度調整機構を有するプローバを備えるウエハテストシステムの概略構成を示す図である。プローバは、ウエハＷを保持するウエハチャック１１と、検査する半導体チップの電極配置に合わせて作られたプローブ１８を有するプローブカード１７と、制御部１６と、を有する。ウエハチャック１１内には、冷却液経路１２及びヒータ１３が設けられる。冷却液経路１２には冷却液源１４から経路１５を介して冷却液が流され、ウエハＷを保持するウエハチャック１１の表面を冷却する。また、ヒータ１３は発熱してウエハＷを保持するウエハチャック１１の表面を加熱する。制御部１６は、ウエハチャック１１の表面の近くに設けられた温度センサ１９の検出した温度に基づいて、冷却液源１４及びヒータ１３を制御して、ウエハチャック１１の表面が所望の温度になるようにする。なお、ここでは、ウエハチャック１１の表面に近い側にヒータ１３を設け、その下に冷却液経路１２を設ける例を示したが、冷却液経路１２を上にその下にヒータ１３を設ける場合もある。プローバは、この他にも、ウエハチャック１１のＸ、Ｙ及びＺ方向の３軸移動・回転機構、ウエハ上に形成されたダイの配列方向を検出するアライメント用カメラと、プローブの位置を検出する針位置検出カメラと、それらを収容する筐体などが設けられ、上記のプローブカード１７は、筐体に設けられたカードホルダに取り付けられる。このような構成要素は本発明に直接関係しないので、ここでは図示を省略している。

テスタは、テスタ本体２１と、テスタ本体２１の端子とプローブカード１７の端子を電気的に接続するコネクション部２２と、を有する。コネクション部２２は、バネを使用した接続端子機構、いわゆるスプリングピン構造を有する。プローバは、ウエハテストにおいてテスタと連携して測定を行うが、その電源系や機構部分はテスタ本体及びテストヘッドとは独立した装置である。

ウエハチャック１１内には、他にもウエハＷを真空吸着するための真空経路などが設けられ、ウエハチャック１１内における冷却液経路１２、ヒータ１３及び真空経路の配置については各種の変形例がある。

ウエハを所定の温度にして検査を行う場合、ウエハＷをウエハチャック１１に保持した状態で、制御部１６は温度センサ１９の検出した温度に基づいてウエハチャックのヒータ及びチラー機構を制御し、ウエハチャック１１が所定の温度になるようにする。ウエハチャック１１は、アルミニューム、銅などの金属や、熱伝導性の良好なセラミックなどの材料で作られている。

以上説明したプローバ及びウエハテストシステムの構成は、例えば特許文献１などに、またヒータおよび冷却液経路を有するウエハチャックの構造については特許文献２などに記載されており、広く知られているので、ここではこれ以上の説明を省略する。また、特許文献３は、ウエハチャックのチラー機構を記載している。

図２は、チラー機構の構成を示す図である。図２に示すように、ポンプ３２は、タンク３１内に保持された低温の冷却液を、経路３３、ウエハチャック１１内の冷却液経路、経路３４、タンク３１の順に循環させ、ウエハチャック１１を冷却する。ここでは、冷却液が、ポンプ３２、経路３３、ウエハチャック１１内の冷却液経路、経路３４およびタンク３１の順に循環するラインを、ウエハチャック冷却経路と称する。タンク３１は、ほぼ密閉された断熱構造を有し、タンク３１の上部と外部をつなぐ空気経路３５が設けられているので、タンク３１の上部の空間は大気開放されている。従って、経路３４はタンク３１の大気開放部分に接続され、循環した冷却液はタンク３１の大気開放部分に出力され、タンク３１内に回収される。なお、ウエハチャック１１にはヒータも設けられているが、ここでは図示を省略しており、これは以下の図でも同様である。

タンク３１内の冷却液は、ポンプ４１により、経路４３、冷却器４５、流量調整弁４２、経路４４、タンク３１の順に循環され、冷却器４５で冷却されてタンク３１に戻る。流量調整弁４２により循環する冷却液の量を調整することにより、タンク３１内に保持される冷却液の温度が調整される。ここでは、冷却液が、ポンプ４１、経路４３、冷却器４５、流量調整弁４２、経路４４およびタンク３１の順に循環するラインを、冷却液冷却経路と称する。

冷却器４５には、圧縮機（コンプレッサ）５１、経路５３、凝縮機５５、経路５４、膨張弁５２、冷却器４５の順に代替フロンが循環する循環ラインにより代替フロンが供給されて蒸発することにより、冷却器４５を冷却する。冷却器４５で気化した代替フロンは、圧縮機５１で圧縮された後、凝縮機５５で冷却されて液化し、膨張弁５２を経て冷却器４５で蒸発する。膨張弁５２は、キャピラリ（毛細管）チューブの場合もある。凝縮機５５は、ファン５６により空冷されるが、水冷の場合もある。

ウエハチャック１１を冷却する場合、温度が低いほど周囲との温度差が大きくなり、冷却液の温度が上昇するので、その分チラー機構で消費するエネルギーが増加する。

ウエハを所定の温度にして検査を行う場合、ウエハＷをウエハチャック１１に保持した状態で、制御部１６は温度センサ１９の検出した温度に基づいてウエハの冷却及び加熱機構を制御し、ウエハチャック１１が所定の温度になるようにする。ウエハチャック１１は、アルミニューム、銅などの金属や、熱伝導性の良好なセラミックなどの材料で作られている。

以上説明したプローバ及びウエハテストシステムの構成は、広く知られているので、ここではこれ以上の説明を省略する。

高温又は低温で検査を行う場合、ウエハチャック１１の部分のみが高温又は低温に保持されるので、周囲との温度差のためにウエハチャック１１の温度が変化する。また、上記のように検査に伴うチップの発熱のためにウエハチャック１１の温度が変化する。そこで、制御部１６は温度センサ１９の検出する温度に応じてチラー機構やヒータなどの加熱機構を制御するが、正確な温度制御を行うにはそれらの応答性能（レスポンス）が問題になる。例えば、温度センサ１９が目標温度からのずれを検出して直ぐに温度ずれを補正するようにチラー機構や加熱機構を制御しても、レスポンスが遅いと、補正されるまでには長い時間を要するために、その間に温度ずれが大きくなり目標温度に正確に制御することができないという問題を生じる。

一般に、ヒータは電流を増加させると直ぐに発熱するので比較的レスポンスが速いが、チラー機構は冷却液源１４内の冷却液の温度を変化させるのに時間を要する上、温度が変化された冷却液が経路１５を通って冷却液経路１２内を循環してウエハチャック１１を冷却するので、レスポンスが非常に遅い。

そこで、低温条件で検査を行う時には、ウエハチャック１１を目標温度より低いチラー目標温度になるようにチラー機構を一定の条件で動作させた上で、ヒータを発熱させて目標温度になるように制御している。ウエハチャックの温度変化に対しては、ヒータの発熱量を変化させて目標温度になるように調整する。目標温度とチラー目標温度の差が下側の調整範囲である。高温条件で検査を行う時には、チラー機構を動作させず、ヒータのみを動作させて目標温度になるように調整を行う。

図３は、上記のように、ウエハチャック１１を目標温度Ｔより低いチラー目標温度Ｃになるようにチラー機構を動作させた上で、ヒータを発熱させて目標温度になるように制御する場合の温度変化例を示す図である。目標温度Ｔが室温より低い場合には、目標温度Ｔより低温のチラー目標温度Ｃを決定し、チラー機構だけを動作させた場合にはウエハチャックがチラー目標温度Ｃになるようにチラー機構を制御する。その上で、ウエハチャック１１の温度が目標温度Ｔになるように、ヒータをオン・オフ動作させる。上記のように、ヒータのオン・オフ動作による加熱動作の制御は比較的レスポンス時間が短いがそれでもある程度の時間遅れがあるため、ウエハチャックの温度は図３に示すように変動する。

特開２００１−２１０６８３号公報（全体） 特開２００２−１２４５５８号公報（全体） 特開２００３−１４８８５２号公報（全体）

上記のように、低温条件で検査を行う時には、チラー機構とヒータを併用して温度制御を行うが、このような制御はエネルギー消費の点からは非効率な制御である。すなわち、チラー機構により目標温度とチラー目標温度の差だけさらに温度を低下させる分とヒータが、チラー目標温度から目標温度まで温度を上昇させる分は、本来不要なエネルギ消費である。

従来、プローバなどの半導体製造装置は性能優先であったが、近年プローバにおいても消費電力の低下が求められるようになってきた。

本発明は、各種の検査条件に対応可能で、消費電力を低減したプローバおよびプローバのウエハチャックの温度制御方法を実現することを目的とする。

上記目的を実現するため、本発明のプローバおよびプローバのウエハチャックの温度制御方法は、ウエハチャックを低温にする制御を開始する時点では、チラー目標温度を従来と同様に決定し、実際に温度制御を行っている際のウエハチャックの温度変化を検出し、その変動幅に応じてチラー目標温度を変化させることを特徴とする。具体的には、ウエハチャックの温度変化の変動幅が目標温度とチラー目標温度の差より十分に小さい場合には、チラー目標温度を増加する。

すなわち、本発明のプローバは、ウエハを保持するウエハチャックと、各部を制御する制御部と、を備え、ウエハ上に形成された複数の半導体装置をテスタで検査をするために、前記テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバであって、前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面を冷却する冷却手段と、前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面を加熱する加熱手段と、を備え、前記制御部は、前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面を低温にする時には、前記ウエハチャックの表面を目標温度より低温のチラー目標温度にするように前記冷却手段を動作させると共に、前記加熱手段を動作させて前記目標温度になるように制御するプローバにおいて、前記制御部は、前記ウエハチャックを前記目標温度になるようにする制御が行われている時に、前記ウエハチャックの表面温度の変化を検出して変動幅を算出し、算出した変動幅を、前記目標温度と前記チラー目標温度の差と比較し、比較結果に基づいて前記チラー目標温度を変化させることを特徴とする。

また、本発明のプローバのウエハチャックの温度制御方法は、ウエハチャックの表面を低温にする時には、冷却手段により、前記ウエハチャックの表面を目標温度より低温のチラー目標温度にするように制御すると共に、加熱手段により前記目標温度になるように制御するプローバのウエハチャックの温度制御方法において、前記ウエハチャックを前記目標温度になるようにする制御が行われている時に、前記ウエハチャックの表面温度の変化を検出し、検出した表面温度の変化から変動幅を算出し、算出した変動幅を、前記目標温度と前記チラー目標温度の差と比較し、比較結果に基づいて前記チラー目標温度を変化させることを特徴とする。

上記比較は、変動幅の、目標温度とチラー目標温度の差に対する比率を算出し、算出した比率が所定値より小さいかを判定することにより行わる。そして、変動幅が小さい時にチラー目標温度を所定温度増加する。

上記のようなウエハチャックの温度制御を行う場合、ウエハチャックの温度は、目標温度、室温、ウエハの種類、搭載されたデバイスの特性など各種の要因に影響されるため、変動幅は一定しない。プローバには、どのような場合でも目標温度での検査が行えることが要求される。チラー目標温度と目標温度の差が変動幅より小さい場合、ウエハチャックを目標温度にすることが不可能であるという事態が生じるが、プローバにはこのような事態が生じないようにすることが要求される。そのため、チラー目標温度と目標温度の差を十分に小さくすることはできない。

上記のように、変動幅に影響する要因は各種あるが、実際に温度制御した時の変動幅がこれらの要因の総合的な結果である。本発明はこの点に着目して、実際に温度制御した時の変動幅を求め、変動幅を目標温度とチラー目標温度の差と比較し、比較結果に基づいてチラー目標温度を最適な値になるように変化させる。これにより、温度変化の変動幅が大きい場合にも対処可能で、かつチラー目標温度を目標温度に近づけられる場合にはそのサを小さくするので消費電力を低減することが可能である。

半導体製造工程のプローブ検査では、同種のウエハが同一の温度条件で連続して測定される場合がある。このような場合には、検査するウエハを交換しても類似の変動幅になることが予測されるので、前のウエハを検査した時のチラー目標温度を利用することが可能である。

本発明によれば、制御シーケンスを変更するだけで、各種の検査条件に対応可能でかつ消費電力を低減したプローバおよびプローバのウエハチャックの温度制御方法が実現できる。

以下本発明の実施例のプローバを説明するが、実施例のプローバのハードウエア構成は、図１および図２で説明した従来のプローバと同じであり、低温条件での制御部１６の制御シーケンスのみが異なる。

図４は、本発明による低温時のウエハチャックの温度制御を説明する図である。ウエハチャック１１を低温の目標温度Ｔにする場合には、従来と同様にチラー目標温度Ｃ１を決定し、従来と同様の方法でウエハチャック１１を目標温度Ｔにする制御を実行する。当然のことながら、ウエハチャック１１が目標温度Ｔに対して所定範囲内になった段階で検査が開始される。制御部１６は、検査と並行して温度センサ１９の出力を読み取り、ウエハチャック１１の表面付近の温度を検出する。

ウエハチャック１１の表面付近の温度が、図４の（Ａ）に示すように、比較的小さな変動幅で変化した時には、チラー目標温度をＣ１から、目標温度Ｔに近いＣ２に上昇させる。また、ウエハチャック１１の表面付近の温度が、図４の（Ｂ）に示すように、変動幅が大きい時には、チラー目標温度をＣ１のまま維持する。

図５は、実施例のプローバにおける低温時のウエハチャックの温度制御シーケンスを示すフローチャートである。

ステップ１０１では、従来と同様に目標温度Ｔに応じてチラー目標温度Ｃ１を決定する。

ステップ１０２では、従来と同様にウエハチャック１１を目標温度Ｔにするように、ヒータ１３およびチラー機構を制御する。もしウエハチャック１１が目標温度Ｔに対して所定範囲内になった時には検査を開始する。

ステップ１０３では、温度センサ１９の出力するウエハチャック１１の温度を検出して、その変動幅を算出する。

ステップ１０４では、算出した変動幅の、目標温度Ｔとチラー目標温度Ｃの差Ｔ−Ｃに対する比率Ｒを算出する。

ステップ１０５では、比率Ｒが、ＴＲより小さいかを判定する。Ｔは例えば０．７程度の値である。ＲがＴＲより小さければステップ１０６に進み、そうでなければステップ１０２に戻る。

ステップ１０６では、チラー目標温度ＣをΔ（Ｔ−Ｃ）だけ上昇させる。ここでΔは例えば０．１乃至０．２の値である。ステップ１０６の後、ステップ１０２に戻る。

図５に示した動作を繰り返すことにより、ウエハチャックの温度の変動幅が小さい場合には、チラー目標温度が目標温度に近くなる。これにより、消費電力（消費エネルギー）が低減される。

以上本発明の実施例を説明したが、各種の変形例が可能であるのはいうまでもない。例えば、図５のフローチャートに示した以外の制御方法も可能である。また、ウエハチャックを加熱する加熱機構と、冷却するチラー機構と、を有する構成であれば、どのような構成にも本発明を適用することができる。

本発明は、ウエハチャックの加熱機構とチラー機構を有するプローバであれば、どのようなものにも適用可能である。

ウエハ温度調整機構を有するプローバを備えるウエハテストシステムの概略構成を示す図である。 チラー機構の構成を示す図である。 ウエハチャックの加熱機構とチラー機構の両方を利用して低温にする従来の制御を説明する図である。 本発明の実施例の温度制御を説明する図である。 本発明の実施例の温度制御動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ ウエハチャック
１２ 冷却液経路
１３、１３Ａ、１３Ｂ ヒータ
１４ 冷却液源
１６ 制御部
１９、１９Ａ、１９Ｂ 温度センサ
Ｗ ウエハ

Claims (4)

1. ウエハを保持するウエハチャックと、
   各部を制御する制御部と、を備え、ウエハ上に形成された複数の半導体装置をテスタで検査をするために、前記テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバであって、
   前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面を冷却する冷却手段と、
   前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面を加熱する加熱手段と、を備え、
   前記制御部は、前記ウエハを保持する前記ウエハチャックの表面を低温の目標温度にする時には、前記ウエハチャックの表面を前記目標温度より低温のチラー目標温度にするように前記冷却手段を動作させると共に、前記加熱手段を動作させて前記目標温度になるように制御するプローバにおいて、
   前記制御部は、前記ウエハチャックの表面を低温の前記目標温度になるようにする制御が行われている時に、前記ウエハチャックの表面温度の変化を検出して変動幅を算出し、算出した変動幅を、前記目標温度と前記チラー目標温度の差と比較し、比較結果に基づいて前記チラー目標温度を変化させることを特徴とするプローバ。
2. 前記制御部は、前記変動幅の、前記目標温度と前記チラー目標温度の差に対する比率を算出し、算出した比率が所定値より小さい時に、前記チラー目標温度を所定温度増加する請求項１に記載のプローバ。
3. ウエハチャックの表面を低温の目標温度にする時には、冷却手段により、前記ウエハチャックの表面を前記目標温度より低温のチラー目標温度にするように制御すると共に、加熱手段により前記目標温度になるように制御するプローバのウエハチャックの温度制御方法において、
   前記ウエハチャックの表面を低温の前記目標温度になるようにする制御が行われている時に、前記ウエハチャックの表面温度の変化を検出し、
   検出した表面温度の変化から変動幅を算出し、
   算出した変動幅を、前記目標温度と前記チラー目標温度の差と比較し、
   比較結果に基づいて前記チラー目標温度を変化させることを特徴とするプローバのウエハチャックの温度制御方法。
4. 前記比較では、前記変動幅の、前記目標温度と前記チラー目標温度の差に対する比率を算出し、算出した比率が所定値より小さいかを判定し、
   小さい時に、前記チラー目標温度を所定温度増加する請求項３に記載のプローバのウエハチャックの温度制御方法。

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