JP5125272B2 - ウエハプローバ用ウエハ保持体及びウエハプローバ - Google Patents

Description

本発明は、ウエハ載置面に載置した半導体ウエハの電気的特性を検査するためのウエハプローバに使用されるウエハ保持体、及びそれを搭載したウエハプローバに関するものである。

従来、半導体の検査工程では、被処理物である半導体基板（ウエハ）に対して加熱処理が行われる。即ち、ウエハを通常の使用温度よりも高温に加熱して、不良になる可能性のある半導体チップを加速的に不良化させて取り除き、出荷後の不良の発生を予防するバーンインが行われている。

このバーンイン工程では、半導体ウエハに半導体回路を形成した後、個々のチップに切断する前に、ウエハを加熱しながら各チップの電気的な性能を測定して、不良品を取り除いている。このバーンイン工程においては、スループットの向上のために、プロセス時間の短縮が強く求められている。

このようなバーンイン工程で用いるチャックトップは、載置したウエハを加熱するためのヒータを備えている。従来のヒータを備えたチャックトップは、ウエハの裏面全面をグランド電極に接触させる必要があるので、金属製のものが用いられていた。そして、この金属製のチャックトップの上に、回路を形成したウエハを載置し、チップの電気的特性を測定する。

測定時には、通電用の電極ピンを多数備えたプローブカードと呼ばれる測定子が、ウエハに数十ｋｇｆから数百ｋｇｆの力で押し付けられるため、チャックトップが薄いと変形してしまい、ウエハとチャックトップとの間に接触不良が発生することがある。そのため、チャックトップの剛性を保つ目的で、厚さ１５ｍｍ以上の厚い金属板を用いる必要があるが、その場合にはヒータの昇降温に長時間を要し、スループット向上の大きな障害となっていた。

また、バーンイン工程では、ウエハに電気を流して電気的特性を測定するが、近年のチップの高出力化に伴い、電気的特性の測定時にウエハが大きく発熱し、場合によっては自己発熱によって破壊することがあるため、測定後には急速に冷却することが求められる。しかも、測定中は、できるだけ均熱であることが求められている。そこで、チャックトップを構成する金属の材質として、熱伝導率が４０３Ｗ／ｍＫと高い銅（Ｃｕ）が用いられていた。

一方、特開２００１−０３３４８４号公報には、上記した厚い金属板の代わりに、薄くても剛性が高く、変形しにくいセラミックス基板を用い、その表面に薄い金属層を形成することにより、変形しにくく且つ熱容量の小さいチャックトップが提案されている。このチャックトップによれば、剛性が高いので変形による接触不良を起こすことがなく、しかも熱容量が小さいため短時間で昇温及び降温が可能であるとされている。

また、上記特開２００１−０３３４８４号公報によれば、チャックトップを設置するための支持台として、アルミニウム合金やステンレス等を使用することができるとされている。しかし、上記公報に記載されているように、その最外周のみでチャックトップを支持すると、プローブカードの押圧によってチャックトップが反ることがあるので、多数の支柱を設ける等の工夫が必要であった。

更に、近年の半導体プロセスの微細化に伴い、プロービング時の単位面積あたりの荷重が増加すると共に、プローブカードとプローバとの位置合わせの精度も求められている。ウエハプローバは、通常、ウエハを所定の温度に加熱し、プロービング時に所定の位置に移動し、プローブカードを押し当てるという動作を繰り返す。このとき、ウエハプローバを所定の位置にまで動かすために、その駆動系に関しても高い位置精度が要求されている。

しかしながら、ウエハを所定の温度、即ち１００〜２００℃程度の温度に加熱した際に、その熱が駆動系に伝わり、駆動系の金属部品類が熱膨張し、これにより位置精度が損なわれるという問題点がある。更には、プロービング時の荷重の増加により、ウエハを載置するチャックトップ自体の剛性も要求されるようになってきた。即ち、チャックトップ自体がプロービング時の荷重により変形すると、プローブカードのピンがウエハに均一に接触できず、検査ができなくなるか、あるいは最悪の場合にはウエハが破損するという問題点がある。

このため、チャックトップの変形を抑える必要から、チャックトップが大型化してしまい、その重量が増加するに伴って、この重量増が駆動系の位置精度に影響を及ぼすという問題点があった。また更には、チャックトップの大型化に伴い、チャックトップの昇温時間及び冷却時間が非常に長くなり、スループットが低下するという問題点も存在していた。

更に、スループットを向上するために、チャックトップの昇降温速度を向上する目的で、冷却機構が設けられることが多い。しかしながら、従来は、冷却機構が空冷であったり、金属製ヒータの直下に冷却板を設けたりしていた。前者の場合には、空冷であるがために、冷却速度が遅いという問題点があった。また後者の場合でも、冷却板が金属であり、プロービング時に冷却板に直接プローブカードの圧力がかかるため、冷却板が変形しやすいという問題点があった。

また、上記のごとくチャックトップがセラミックスの場合、ウエハを所定の温度、即ち１００〜２００℃程度の温度に加熱した際に、支持体の熱膨張とチャックトップの熱膨張の差により、チャックトップに負荷がかかる。そのため、チャックトップ自身の破壊強度をこえることにより割れに至ってしまい、プローブカードのピンがウエハに均一に接触できず、検査ができなくなる、あるいは最悪の場合チャックトップが破損して、ウエハを破損させるという問題点があった。
特開２００１−０３３４８４号公報

本発明は、上記した従来の事情に鑑み、急速な昇温や冷却時にもチャックトップの平面度を維持することができ、またプロービングによる押圧に対してチャックトップの変形や破損を防止することができ、且つ繰り返し使用しても正確な測定を実現できるウエハプローバ用ウエハ保持体、及びそれを搭載したウエハプローバを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明が提供するウエハプローバ用ウエハ保持体は、表面にチャックトップ導体層を有し且つ加熱体を備えるチャックトップと、チャックトップの裏面外周部を支持する支持体と、チャックトップの裏面中心部を含む内周部を部分的に支持する支持棒とからなり、チャックトップと支持体及び支持棒との間に空隙を有し、支持体の熱膨張係数が支持棒の熱膨張係数より大きいことを特徴とする。

上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体においては、前記支持棒が、少なくともチャックトップの裏面中心部に配置されていることを特徴とする。また、上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体においては、前記支持棒が、前記支持体に対して同心円状に複数配置されていることを特徴とする。

上記本発明によるウエハプローバ用ウエハ保持体の一具体例では、前記支持棒が、チャックトップの裏面中心部に配置されると共に、前記支持体に対して１つの同心円状に複数配置され、これら支持棒及び支持体の熱膨張係数の関係が、中心部に配置された支持棒の熱膨張係数≦同心円状に配置された支持棒の熱膨張係数＜支持体の熱膨張係数であることを特徴とする。

上記本発明によるウエハプローバ用ウエハ保持体の他の具体例では、前記支持棒が、前記支持体に対して２つの同心円状に複数配置され、これら支持棒及び支持体の熱膨張係数の関係が、同心円状に配置された内側の支持棒の熱膨張係数≦同心円状に配置された外側の支持棒の熱膨張係数＜支持体の熱膨張係数であることを特徴とする。

上記本発明によるウエハプローバ用ウエハ保持体の別の具体例では、前記支持棒が、チャックトップの裏面中心部に配置されると共に、前記支持体に対して２つの同心円状に複数配置され、これら支持棒及び支持体の熱膨張係数の関係が、中心部に配置された支持棒の熱膨張係数≦同心円状に配置された内側の支持棒の熱膨張係数≦同心円状に配置された外側の支持棒の熱膨張係数＜支持体の熱膨張係数であることを特徴とする。

上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体において、前記支持体は有底円筒状であることが好ましく、前記支持棒は柱状体もしくは筒状体であることが好ましい。また、上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体において、前記チャックトップは裏面側に加熱体を挟んで押さえ板を備えることができ、押さえ板とチャックトップとの熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋ以下であることが好ましい。

上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体では、前記チャックトップと前記支持体及び前記支持棒とはネジで固定され、ネジの熱膨張係数が前記支持体の熱膨張係数以上であり、且つその熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋ以下であることが好ましい。

本発明は、また、上記した本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体を備えたことを特徴とするウエハプローバ用ヒータユニットを提供する。更に、そのウエハプローバ用ヒータユニットを搭載したことを特徴とするウエハプローバを提供するものである。

本発明によれば、位置精度の向上や均熱性の向上と共に、チップの急速な昇温や冷却時にもチャックトップの平面度を維持することができ、またプロービングによる押圧に対してもチャックトップの変形や破損を防止することができ、繰り返し使用しても正確な測定を実現できるウエハプローバ用ウエハ保持体を提供することができる。更に冷却モジュールを搭載することで、チャックトップの昇降温時間を短縮し、スループットを向上させることができる。

従って、本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体をウエハプローバやハンドラ装置あるいはテスター装置等の半導体検査装置に用いれば、均熱性が向上すると共に、スループットを向上でき、正確な測定が可能となる。このため、本発明のウエハプローバなどの半導体検査装置は、チャックトップの変形や反りによる接触不良を起こすことなく、かつウエハ全面において均熱性に優れ、更に短時間で昇温、降温が可能な半導体検査装置とすることができる。

本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体は、例えば図１及び図２に示すように、表面にチャックトップ導体層２を有するチャックトップ１と、チャックトップ１のウエハ載置面１ａと反対側の裏面側に設けた加熱体３とを備え、チャックトップ１はその裏面の外周部を支持体４で支持されると共に、その裏面の中心部を含む内周部を少なくとも１つの支持棒５によって部分的に支持されている。尚、図１はチャックトップ１の裏面の中心部に１つの支持棒５を配置した例であり、図２は支持体４に対して同心円状に複数の支持棒５を配置した例である。

上記支持体４はチャックトップ１の裏面外周部を支持するものであり、これによりチャックトップ１と支持体４との接触面積を小さくすることができると同時に、チャックトップ１と支持体４の間に空隙６を形成することができる。このような空隙６を形成することにより、チャックトップ１と支持体４の間は大部分が空気層となり、効率的な断熱構造とすることができる。空隙６の形状には特に制約はなく、チャックトップ１で発生した熱あるいは冷気が支持体４に伝わる量を極力抑える形状とすればよい。

また、上記チャックトップ１は、プロービングにおいてウエハを１００〜２００℃の温度に加熱する場合が多いため、加熱体３を備えている。このため、加熱体３の熱が支持体４に伝わることを防止できなければ、支持体４の下部に設けられた駆動系に熱が伝わり、各部品の熱膨張差によって機械精度にズレを生じ、チャックトップ１のウエハ載置面１ａの平面度並びに平行度を著しく劣化させる原因となる。しかし、本発明のチャックトップ１では、加熱体３が支持体４と接触しないように空隙６内に収納した断熱構造であることから、熱の伝わり方を大幅に低減できるため、平面度並びに平行度を著しく劣化させることはない。更に、中空構造であることから、円柱状の支持体に比べ軽量化を図ることができる。

次に、上記支持体と支持棒の配置関係を、チャックトップの裏面側からみた図３〜図７により具体的に説明する。まず、図３の場合、１つの支持棒５ａがチャックトップの裏面の中心部、即ち支持体４の中心部にのみ配置されている。このように、少なくとも支持体４の中心部に支持棒５ａを配置することで、チャックトップにプローブカードが押し付けられた際に、チャックトップの変形を抑えることができる。この両者の熱膨張係数の関係は、支持棒５ａの熱膨張係数α１が、チャックトップの裏面外周部を支持する支持体４の熱膨張係数α４以下であることが必要である。

即ち、加熱体によりチャックトップを２００℃に昇温する際、支持体及び支持棒ともに加熱体からの熱を受けて熱膨張する。加熱体は、ウエハ載置面の反対側、即ちチャックトップ裏面側に備えられているため、昇温時のチャックトップは自身の温度分布によって中央部が凹状に変形する。更に、支持体の底部は、自身の温度分布によって中央部が凸状に変形する。この時、支持棒の熱膨張係数が支持体の熱膨張係数より大きいと、支持体や支持棒はチャックトップに対して動かないようにネジ止め等により固定されているため、支持体と支持棒の熱膨張係数差により支持棒がチャックトップ中心部近傍を押し上げることになり、これによってチャックトップが変形や割れを発生しやすくなるからである。

また、図４では、チャックトップの裏面の中心部を含む内周部に、具体的には支持体４の中心部の周囲に、複数の支持棒５ｂが支持体４に対して同心円状に均等に配置されている。プロービング時の加圧の力を均等に支持するため、同心円上に配置する複数の支持棒５ｂは均等配置が好ましい。この場合、支持棒５ｂの熱膨張係数α２は、上記図３の場合と同様の理由により、支持体４の熱膨張係数α４以下とする必要がある。

更に、図５の場合は、チャックトップ裏面の中心部に１つの支持棒５ａが配置されると共に、支持体４に対して１つの同心円状に複数の支持棒５ｃが配置されている。これらの支持棒５ａ、５ｃ及び支持体４の熱膨張係数αの関係は、中心部に配置された支持棒５ａの熱膨張係数α１、同心円状に配置された支持棒５ｃの熱膨張係数α３、及び支持体４の熱膨張係数α４が、α１≦α２≦α４であることが好ましい。

また、図６の場合、支持体４に対して２つの同心円状に支持棒５ｂ、５ｃが複数配置されている。この場合、各々の支持棒及び支持体の熱膨張係数αの関係は、同心円状に配置された内側の支持棒５ｂの熱膨張係数α２、同心円状に配置された外側の支持棒５ｃの熱膨張係数α３、及び支持体の熱膨張係数α４が、α２≦α３≦α４であることが好ましい。

更に、図７の場合、チャックトップの中心部に配置される支持棒５ａと共に、支持体４に対して２つの同心円状に複数の支持棒５ｂ、５ｃが配置されている。この場合、これら支持棒及び支持体の熱膨張係数αの関係は、中心部に配置された支持棒５ａの熱膨張係数α１、同心円状に配置された内側の支持棒５ｂの熱膨張係数α２、同心円状に配置された外側の支持棒５ｃの熱膨張係数α３、及び支持体４の熱膨張係数α４が、α１≦α２≦α３≦α４であることが好ましい。

尚、上記支持体と各支持棒の熱膨張係数の関係は、α１＝α２＝α３＝α４であってもよいが、チャックトップを２００℃に昇温する際、上記したチャックトップ自身の変形や支持体底部の変形によって割れないためには、チャックトップ中心部を支持する支持棒の熱膨張係数は他の支持棒や支持体の熱膨張係数に比べて小さい方が好ましい。

特に、上記支持体と各支持棒の熱膨張係数の関係は、α１＜α２＜α３＜α４であることが好ましい。この場合、更にα１〜α４の熱膨張係数差が７.５ｐｐｍ／Ｋ以下であると、２００℃での支持棒及び支持体の熱膨張係数差による伸びの差を３０μｍ以下とすることができるため好ましい。特にα１〜α４の熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋ以下であると、２００℃での支持棒及び支持体の熱膨張係数差による伸びの差を２０μｍ以下とすることができるので更に好ましい。

逆に、上記支持体と各支持棒の熱膨張係数の関係がα１＞α２＞α３＞α４の場合、２００℃でチャックトップは自身の温度分布により中央部が凹状に変形するのに加え、中心部近傍の支持棒の熱膨張による伸びが、外周部近傍の支持棒や支持体の伸びよりも大きいため、チャックトップ中心部が突き上げられることにより、チャックトップが変形や割れを発生しやすくなるため好ましくない。

上記支持棒の数は、多いほどプロービング時の押圧に対して強く、チャックトップの変形を小さくできるので好ましい。しかし、支持棒の数が多くなると、昇温時にはチャックトップの熱が多数の支持棒に伝わり易く、断熱効果が得られなくなる。即ち、無制限に支持棒の数を増やすと、支持体底部や、更には支持体底部に備えられている駆動系に熱が伝わり易くなり、かえってチャックトップの平面度を低下させる。また、加熱体及び冷却モジュールには支持棒の回避穴を設ける必要があるため、支持棒の数が多いと回避穴を多数設けこととなる。その結果、発熱パターンや冷却モジュールの流路面積が小さくなり、昇温時及び冷却時の均熱性の悪化や、昇温速度や冷却速度の低下を招き、スループットを低下させることになるため好ましくない。

従って、支持棒の適度な配置としては、チャックトップの直径が３００ｍｍ程度の場合、支持体の中心部及び同心円状に１〜２周程度であることが好ましい。例えば、図５の場合、チャックトップ中心部を支持する支持棒５ａと、支持体４に対して同心円状にチャックトップを支持する複数の支持棒５ｂとを、均等に配置している。

上記支持棒の大きさとしては、特に制約はないが、外径が５〜２０ｍｍであることが好ましい。外径が５ｍｍ未満では支持の効果が十分でなく、支持棒が変形しやすくなる。また、外径が２０ｍｍを超えると、接触面積が大きくなり、断熱効果が得られない。また、冷却モジュールを備える場合、冷却モジュールに支持棒との接触回避のための回避穴を設ける必要があるが、この回避穴が大きくなるうえ、穴径が不十分で冷却モジュールが支持棒と接触すると、冷却モジュールから支持棒に熱の流出が起こり、冷却能力を損なうため好ましくない。

また、支持棒の形状としては、特に制約はないが、円柱、三角柱、四角柱などの柱状体が一般的である。支持棒を固定する方法としては、特に制約はないが、活性金属によるロウ付けや、ガラス付け、ネジ止め等が挙げられる。これらの中では、ネジ止めが特に好ましい。ネジ止めの場合、脱着が容易となるうえ、固定時に熱処理を行わないため、支持体や支持棒の熱による変形を抑えることができるためである。また、支持棒の形状を筒状体とすれば、その内側にネジを貫通させることで無駄な加工を施すことなく固定ができるため特に好ましい。

支持棒は支持体と一体になっていても良いが、両者は分離していた方が好ましい。支持棒と支持体を分離した別体のものとすることにより、接触界面を増やすことで断熱効果を高めることができるため、下部の駆動装置への熱の伝達を遮断することができ、長期的に精度の良いプロービングを行うことができる。

チャックトップと支持体及び支持棒とは、ネジで固定することもできる。この場合、ネジの熱膨張係数は支持体及び支持棒の熱膨張係数以上であることが好ましい。ネジの熱膨張係数が支持体及び支持棒の熱膨張係数より小さい場合、昇温したときにネジの熱膨張による伸びよりも支持体や支持棒の伸びの方が大きくなり、ネジがチャックトップの雌ネジ部を引き抜く方向に力が働くため、平面度を悪化させたり、チャックトップの雌ネジ部のネジ山を破壊したりすることもあり、最悪チャックトップの破損に至ることもある。

また、ネジの熱膨張係数は支持体及び支持棒の熱膨張係数以上であり、且つその熱膨張係数差は５×１０^−６／Ｋ以下であることが望ましい。ネジの支持体や支持棒との熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋよりも大きいと、昇温時にネジがシャックトップの雌ネジ部を突き上げる方向に力が働き、平面度を悪化させる。室温時にチャックトップの反り及び平行度が３０μｍ以下で良好であっても、２００℃でのプロービング時に反り及び平行度が３０μｍ以上となり好ましくない。更には、雌ネジ部を破損させてしまう可能性もある。

逆に、冷却時には、ネジがチャックトップの雌ネジ部を引き抜く方向に力が働き、室温時にチャックトップの反り及び平行度が３０μｍ以下で良好であっても、−６０℃でのプロービング時に反り及び平行度が３０μｍ以上となり好ましくない。更にはチャックトップの雌ネジ部のネジ山を破壊することもあり、最悪チャックトップの破損に至ることもある。このように、ネジの支持体及び支持棒との熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋ以下であれば、プロービングを行う温度範囲全域において反り及び平行度ともに３０μｍ以下とすることができる。

また、チャックトップと支持体及び支持棒を固定するネジの熱膨張係数は、チャックトップの熱膨張係数と同等であることが好ましく、熱膨張係数差が±５×１０^−６以下であると更に好ましい。ネジの膨張係数がチャックトップより大きすぎると、昇温時にネジが膨張してチャックトップ雌ネジ部より大きくなり、雌ネジ部を破損することがある。逆にチャックトップの熱膨張係数が大きすぎると、冷却時にネジに対して雌ネジ部が小さく収縮するため、雌ネジ部を破損することがある。ネジとチャックトップの熱膨張係数差が±５×１０^−６以下であれば、プロービングを行う温度範囲全域において、チャックトップの雌ネジ部を破損させることはなく良好である。

上記支持体のヤング率は、２００ＧＰａ以上であることが好ましい。支持体のヤング率が２００ＧＰａ未満である場合には、支持体底部の厚みを薄くできないため、空隙の容積を十分確保できず、断熱効果が期待できない。また、冷却モジュールを搭載する場合、そのスペースの確保が難しくなる。より好ましいヤング率は３００ＧＰａ以上であり、３００ＧＰａ以上のヤング率を有する材料を用いれば、支持体の変形も大幅に低減することができるため、支持体の小型化及び軽量化を図ることができる。

また、支持体の熱伝導率は、４０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。支持体の熱伝導率が４０Ｗ／ｍＫを超えると、チャックトップに加えられた熱が容易に支持体に伝わり、駆動系の位置精度に影響を及ぼすため好ましくない。近年ではプロービング時の温度として１５０〜２００℃という高温が要求されるため、支持体の熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫ以下であることが更に好ましく、５Ｗ／ｍＫ以下が特に好ましい。この程度の熱伝導率になると、支持体から駆動系への熱の伝達量が大幅に低下する。

これらの条件を満たす具体的な支持体の材質としては、ムライト、アルミナ、ムライトとアルミナの複合体（ムライト−アルミナ複合体）が好ましい。ムライトは熱伝導率が小さく断熱効果が大きい点が好ましく、アルミナはヤング率が大きく、剛性が高い点で好ましい。ムライト−アルミナ複合体は熱伝導率がアルミナより小さく、且つヤング率がムライトより大きいため、総合的に好ましい。

更に、上記支持棒のヤング率は、１００ＧＰａ以上であることが好ましい。支持棒のヤング率が１００ＧＰａ未満である場合には、所望の効果を得るために多数の支持棒を配置する必要があるが、支持棒を多数配置すると冷却モジュールの回避穴を増やす必要があり、冷却能力を損なうことになるため好ましくない。また、より好ましい支持棒のヤング率は、２００ＧＰａ以上である。

支持棒の熱伝導率も、支持体同様４０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。支持棒の熱伝導率が４０Ｗ／ｍＫを超えると、チャックトップに加えられた熱が容易に支持棒に伝わり、駆動系の位置精度に影響を及ぼすため好ましくない。近年ではプロービング時の温度として１５０〜２００℃という高温が要求されるため、支持棒の熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫ以下であることが更に好ましく、５Ｗ／ｍＫ以下であることが特に好ましい。この程度の熱伝導率になると、支持棒から駆動系への熱の伝達量が大幅に低下する。

支持棒の材質としては、支持体より熱膨張係数が小さいものが好ましいため、支持体がムライト、アルミナ、ムライト−アルミナ複合体の場合、窒化珪素やコージライト、あるいは、コバールや４２アロイ、石英ガラスであることが好ましい。窒化珪素は熱膨張係数が小さく剛性が高い点が好ましく、コージライトや石英ガラスは特に熱膨張係数が小さい点が好ましい。

上記支持体においては、円筒部の肉厚は２０ｍｍ以下であることが好ましい。円筒部の肉厚が２０ｍｍを超えると、チャックトップから支持体への熱伝達量が大きくなるため好ましくない。ただし、円筒部の肉厚が１ｍｍ未満になると、ウエハを検査する際に、ウエハに押し当てるプローブカードの圧力により、支持体の円筒部が変形したり、最悪の場合は破損したりするため好ましくない。円筒部の最も好ましい肉厚は１０〜１５ｍｍである。尚、円筒部のうちチャックトップと接触する部分の肉厚は、支持体の強度と断熱性とのバランスの点で２〜５ｍｍが好ましい。

また、支持体の円筒部の高さは、１０ｍｍ以上であることが好ましい。高さが１０ｍｍ未満であると、ウエハ検査時にプローブカードからの圧力がチャックトップに加わり、更に支持体にまで伝わる結果、支持体の底部に撓みを生じ、このためチャックトップの平面度を悪化させるため好ましくない。

更に、支持体の底部の厚みは、１０ｍｍ以上であることが好ましい。支持体底部の厚みが１０ｍｍ未満であると、ウエハ検査時にプローブカードからの圧力がチャックトップに加わり、更に支持体にまで伝わるため、支持体の底部に撓みを生じる。また、チャックトップの熱が支持体の底部まで容易に伝わり、支持体に熱膨張による反りを生じるため、チャックトップの平面度及び平行度を劣化させるため好ましくない。尚、支持体の底部の厚みが３５ｍｍ以下であれば、小型化でき好適である。

また、上記支持体は有底円筒状であることが好ましいが、その円筒部と底部が一体ではなく、分離した構造とすることも可能である。この場合、分離された円筒部と底部は互いに界面を有するため、この界面が熱抵抗層となって、チャックトップから支持体に伝わる熱が一旦遮断され、底部の温度が上昇しにくくなるため好ましい。

支持体のチャックトップを支持する支持面には、断熱構造を設けることが好ましい。この断熱構造としては、支持体の円筒部表面に切り欠き溝などを設け、チャックトップとの接触面積を小さくすることで、断熱構造を形成することができる。チャックトップの裏面に切り欠き溝などを形成して、断熱構造とすることも可能であるが、この場合はチャックトップのヤング率が２５０ＧＰａ以上であることが必要である。チャックトップにはプローブカードの圧力が加わるため、切り欠き溝が存在すると、ヤング率が小さい材料では変形量が大きくなり、ウエハの破損やチャックトップ自身の破損を招くからである。

支持体のチャックトップ支持面に設ける断熱構造の具体例としては、図８（ａ）に示すように支持体４の外周部のチャックトップ支持面に同心円状の溝７ａを形成するか、図８（ｂ）に示すように放射線状の溝７ｂを形成することが好ましい。また、支持体の外周部のチャックトップ支持面に、多数の突起を形成してもよい。これらの溝や突起の形状には特に制約はないが、いずれの場合も対称な形状にする必要がある。形状が対称でない場合は、チャックトップに掛かる圧力を均一に分散することができなくなり、チャックトップの変形や破損に影響するため好ましくない。

また、上記断熱構造の別の形態として、図８（ｃ）に示すように、チャックトップと支持体４の円筒部との間に、複数の柱状部材７ｃを設置することができる。柱状部材７ｃの数と配置は、支持体４の外周部と同心円状の均等配置か又はそれに類似した配置で、８個以上あることが好ましい。特に近年ではウエハの大きさが８〜１２インチと大型化しているため、これよりも少ない数では柱状部材間の距離が長くなり、プローブカードのピンをチャックトップに載置されているウエハに押し当てたとき柱状部材間で撓みが発生しやすくなる。

このように支持体とチャックトップの間に複数の柱状部材を設ける場合、柱状部材がない場合に比べて、両者の接触面積が同一であれば、チャックトップと柱状部材の間及び柱状部材と支持体の間に２つの界面を形成でき、その界面が熱抵抗層となることで熱抵抗層を２倍に増加できるため、チャックトップで発生した熱を効果的に断熱することが可能となる。柱状部材の形状は、円柱状であっても良いし、三角柱状、四角柱状、更には多角形状であっても良く、その形状に対しては特に制約はない。

上記断熱構造に使用する柱状部材は、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫより高い場合、断熱効果が低下するため好ましくない。柱状部材の熱膨張係数は、支持体と同程度であることが好ましい。支持体より大きい場合は、チャックトップ内周部を支持する支持棒との熱膨張係数差により、昇温時にチャックトップの平面度を悪化させるため好ましくない。柱状部材と支持体との熱膨張係数差は、５ｐｐｍ以下が特に好ましい。

柱状部材の材質としては、窒化珪素、ムライト、ムライト−アルミナ複合体、ステアタイト、コージライト、ステンレス、ガラス（繊維）、ポリイミドやエポキシ、フェノール等の耐熱樹脂、又はこれらの複合体を使用することができる。昇温時や冷却時におけるチャックトップの平面度変化（反り）を抑えるためには、支持体と熱膨張係数ができるだけ近い材質であることが好ましい。

支持体とチャックトップ若しくは柱状部材との接触部分の表面粗さは、Ｒａで０.１μｍ以上であることが好ましい。表面粗さがＲａで０.１μｍ未満である場合、支持体とチャックトップ若しくは柱状部材との接触面積が増加すると共に、両者の間の隙間が相対に小さくなり、Ｒａが０.１μｍ以上の場合に比較して熱の伝達量が大きくなるため好ましくない。また、表面粗さの上限は、特に制限はないが、Ｒａが５μｍ以上では、その表面を処理するためのコストが高くなることがある。尚、表面粗さをＲａで０.１μｍ以上にするための手法としては、研磨加工やサンドブラスト等を用い、その研磨条件やブラスト条件を適切化して、Ｒａで０.１μｍ以上の表面粗さを得ることができる。

また、支持体の底部の表面粗さは、Ｒａで０.１μｍ以上であることが好ましい。支持体の底部の表面粗さが粗いことによって、駆動系への熱の伝達量も小さくすることができる。また、支持体の底部と円筒部が分離できる場合、その接触部の表面粗さは、Ｒａで少なくとも片方が０.１μｍ以上であることが好ましい。これより小さい表面粗さでは、円筒部から底部への熱の遮断効果が小さいくなる。

柱状部材の支持体との接触面、更にはチャックトップとの接触面についても、表面粗さがＲａで０.１μｍ以上であることが好ましい。柱状部材についても、同様に表面粗さを大きくすることで、支持体への熱の伝わりを小さくすることができる。以上のように、各部材間に界面を形成し、且つその界面の表面粗さをＲａで０.１μｍ以上とすることによって、支持体底部への熱の伝達量を低減することができるため、均熱性が向上すると共に、結果的に加熱体への電力供給量も低減することができる。

支持体の円筒部の外周面と支持体のチャックトップとの接触面との直角度、及び支持体の円筒部の外周面と柱状部材のチャックトップとの接触面との直角度は、測定長１００ｍｍに換算して、いずれも１０ｍｍ以下であることが好ましい。これらの直角度が１０ｍｍを超えると、チャックトップから加わった圧力が支持体の円筒部に加わる際に、円筒部自身の変形が発生しやすくなるため好ましくない。

支持体の表面には、金属層が形成されていることが好ましい。チャックトップを加熱するための加熱体、プローバの駆動部、更には周囲の機器等から発生する電場や電磁波が、ウエハの検査時にノイズとなって影響を及ぼすが、支持体に金属層を形成すれば、この電磁波を遮断することができるため好ましい。金属層を形成する方法としては、特に制約はないが、例えば、銀や金、ニッケル、銅等の金属粉末にガラスフリットを添加した導体ペーストを、はけ等で塗布して焼き付けても良い。

また、アルミニウムやニッケル等の金属を溶射して、金属層を形成することもできる。また、表面にメッキで金属層を形成することも可能である。更に、これらの手法を組み合わせることも可能である。例えば、導体ペーストを塗布して焼き付けた後、ニッケル等の金属をメッキしても良いし、あるいは溶射後に金属をメッキしても良い。これらの手法のうち、メッキは密着強度が強く、信頼性が高いため好ましく、溶射は比較的低コストで金属膜を形成することができるため好ましい。

また、上記金属層としては、支持体の表面の少なくとも一部に、導体を具備することでもよい。導体の材質については、特に制約はないが、ステンレス、ニッケル、アルミニウム等を挙げることができる。導体を具備する方法としては、例えば、上記材質の金属箔を支持体の外径よりも大きい寸法でリング形状に成形し、これを支持体の側面に取り付けることができる。また、支持体の底面に、金属箔あるいは金属板を取り付けてもよく、これを側面に取り付けた金属箔と接続することでより、電磁波を遮断する効果（ガード効果）を高めることができる。また、支持体内部の空隙内に金属箔あるいは金属板を取り付けても良く、これを側面及び底面に取り付けた金属箔と接続することでよりガード効果を高めることができる。

このような導体を具備する手法を採用することによって、メッキや導体ペーストを塗布する場合に比較して、比較的安価にガード効果を得ることができるため好ましい。尚、導体を具備する場合、金属箔や金属板と支持体との固定方法に関しては、特に制約はないが、例えば金属ネジを用いて、金属箔や金属板を支持体に取り付けることができる。また、支持体の底面と側面の金属箔や金属板は、一体化することが好ましい。

本発明のウエハ保持体におけるチャックトップの材質は、金属−セラミックス複合体、セラミックス、あるいは金属が好ましい。金属−セラミックス複合体としては、比較的熱伝導率が高く、ウエハを加熱した際に均熱性が得られやすいアルミニウム−炭化珪素複合体、シリコン−炭化珪素複合体、又はアルミニウム−シリコン−炭化珪素複合体のいずれかであることが好ましい。これらのうちシリコン−炭化珪素複合体はヤング率が高く、熱伝導率も高いため特に好ましい。

これらの金属−セラミックス複合体は導電性を有するため、金属−セラミックス複合体のチャックトップに加熱体を形成する手法としては、例えば、ウエハ載置面の反対側の面（裏面）に、溶射やスクリーン印刷等によって絶縁層を形成し、その上に導体層をスクリーン印刷するか、あるいは蒸着等によって導体層を所定のパターンに形成することで、加熱体とすることができる。

また、ステンレス、ニッケル、銀、モリブデン、タングステン、クロム及びこれらの合金等の金属箔を、エッチングにより所定のパターンに形成して加熱体とすることができる。この手法においては、金属−セラミックス複合体のチャックトップとの絶縁を上記と同様の手法によって形成することもできるが、例えば、絶縁性のシートをチャックトップと加熱体の間に挿入することができる。この場合、上記の手法に比べ非常に安価に、しかも容易に絶縁層を形成することができるため好ましい。この場合にシートとして使用できる樹脂としては、耐熱性の観点から、マイカ、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。この中でも特にマイカは、耐熱性、電気絶縁性に優れ、加工し易く、しかも安価であるため特に好ましい。

また、チャックトップの材質としてのセラミックスは、上記のように絶縁層を形成する必要がないため、比較的利用しやすい。この場合の加熱体の形成方法としては、上記と同様の手法を選択することができる。セラミックスの中でも、特にアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、ムライト、アルミナ−ムライト複合体が好ましい。これらの材料はヤング率が比較的高いため、プローブカードの押し当てによる変形が小さいからである。これらのうち、アルミナに関しては、比較的コストも安く、また高温における電気的特性も優れているため、最も優れている。

また、チャックトップの材質として、金属を適用することも可能である。この場合、特にヤング率の高いタングステンやモリブデン、及びこれらの合金を使用することも可能である。具体的な合金としては、タングステンと銅の合金、モリブデンと銅の合金が挙げられる。これらの合金は、タングステンやモリブデンに銅を含浸させて作製することができる。これらの金属に対しても、上記金属−セラミックス複合体と同様に導電体であるため、上記の手法をそのまま適用して加熱体を形成することができる。

チャックトップには、ウエハの検査時にプローブカードから多数のピンがウエハに押し付けられるため、その圧力がチャックトップにも影響を及ぼし、少なからずチャックトップにも撓みが生じる。その際、チャックトップに３.１ＭＰａの荷重を加えたときに、その撓み量は３０μｍ以下であることが好ましい。このときの撓み量が３０μｍを超えると、プローブカードのピンをウエハに均一に押し当てることができず、ウエハの検査ができなくなる。この圧力を加えた場合の撓み量としては、更に好ましくは１０μｍ以下である。

チャックトップのヤング率は、２５０ＧＰａ以上であることが好ましい。ヤング率が２５０ＧＰａ未満であると、プロービング時にチャックトップに加わる荷重によりチャックトップに撓みが発生するので、チャックトップのウエハ載置面の平面度や平行度が著しく低下する。このため、プローブピンの接触不良が発生して正確な検査ができず、更にはウエハの破損を招くこともある。従って、チャックトップのヤング率は、２５０ＧＰａ以上が好ましく、３００ＧＰａ以上が更に好ましい。

また、チャックトップの熱伝導率は、１５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ未満である場合、チャックトップ上に載置するウエハの温度分布が悪くなり好ましくない。チャックトップの熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以上であれば、プロービングに支障の無い程度の均熱性を得ることができる。

チャックトップの厚みは、８ｍｍ以上であることが好ましい。厚みが８ｍｍ未満であると、プロービング時にチャックトップに加わる荷重によりチャックトップに撓みを生じ、チャックトップ上面の平面度や平行度が著しく劣化することにより、プロービングの接触不良により正確な検査ができず、更にはウエハの破損を招くこともある。このため、チャックトップの厚みは、８ｍｍ以上が好ましく、１０ｍｍ以上が更に好ましい。

チャックトップの反りが３０μｍ以上であると、プロービング時のプローバの針が片あたりを起こし、特性を評価できなかったり、接触不良により誤って不良判定をしたりすることで、歩留まりを必要以上に悪く評価してしまうため好ましくない。また、チャックトップ導体層の表面と支持体の底部裏面との平行度が３０μｍ以上であっても、同様に接触不良を生じるため好ましくない。室温時にチャックトップの反り及び平行度が３０μｍ以下であっても、２００℃でのプロービング時に３０μｍ以上となる場合も同様に好ましくない。−７０℃でのプロービング時においても同様である。即ち、プロービングを行う温度範囲全域において、反り及び平行度ともに３０μｍ以下であることが好ましい。

チャックトップのウエハ載置面には、チャックトップ導体層を形成する。チャックトップ導体層を形成する目的としては、半導体製造で通常使用される腐食性のガス、酸、アルカリの薬液、有機溶剤、水等からチャックトップを保護すること、及びチャックトップに載置するウエハとの間でチャックトップより下部からの電磁ノイズを遮断してアースに落とすことなどの役割がある。

チャックトップ導体層の形成方法としては、特に制約はなく、導体ペーストをスクリーン印刷によって塗布した後焼成するか、あるいは蒸着やスパッタ等の手法、あるいは溶射やメッキ等の手法が挙げられる。特に溶射法とメッキ法は、導体層を形成する際に熱処理を伴わないため、チャックトップ自体に熱処理による反りが発生せず、またコストが比較的安価であるため好ましい。特にチャックトップ上に溶射膜を形成し、その上にメッキ膜を形成することが好ましい。溶射膜は、セラミックスや金属−セラミックス複合体との密着性がメッキ膜より優れているからである。その理由は、溶射される材料、例えばアルミニウムやニッケル等は、溶射時に若干の酸化物や窒化物あるいは酸窒化物を形成し、これらの化合物がチャックトップの表面層と反応して強固に密着することによる。

しかし、溶射膜には上記の化合物が含まれるため、膜の導電率が低くなる。これに対してメッキ膜は、ほぼ純粋な金属を形成することができるため、チャックトップとの密着強度は溶射膜ほど高くはない代わりに、導電性に優れた導体層を形成することができる。そこで、下地に溶射膜を形成し、その上にメッキ膜を形成すると、溶射膜が金属であることからメッキ膜は溶射膜に対して良好な密着強度を有し、更には良好な電気伝導性も付与することができるため、特に好ましい。

更に、チャックトップ導体層の表面粗さは、Ｒａで０.５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さが０.５μｍを超えると、発熱量の大きな素子の測定をする場合、プロービング時に素子自身の発熱により発生する熱をチャックトップから放熱することができず、素子自身が昇温されて熱破壊してしまうことがある。表面粗さがＲａで０.０２μｍ以下であると、一層効率よく放熱できるため更に好ましい。

チャックトップを加熱する加熱体としては、図９に示すように、抵抗発熱体３ａをマイカ等の絶縁体３ｂで挟み込んだ加熱体３が、構造として簡便であるため好ましい。抵抗発熱体は、金属材料を使用することができ、例えば、ニッケル、ステンレス、銀、タングステン、モリブデン、クロム、又はこれらの金属の合金を用いることができる。これらの金属の中では、ステンレスとニクロムが好ましい。ステンレス及びニクロムは、抵抗発熱体の形状に加工する際に、例えばエッチング等の手法により、金属箔を所定の回路パターンに比較的に精度良く形成することができる。また、安価であり、耐酸化性を有するので、使用温度が高温であっても長期間の使用に耐えることができる利点がある。

また、抵抗発熱体を挟み込む絶縁体としては、耐熱性を有する絶縁体であれば特に制約はない。例えば、上記のマイカのほか、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等を用いることができる。このような絶縁性の樹脂で抵抗発熱体を挟み込む場合、抵抗発熱体で発生した熱をよりスムースにチャックトップに伝えるために、樹脂中にフィラーを分散させることができる。フィラーの役割は樹脂の熱伝導性を高めることにあり、その材質は樹脂との反応性がなければ特に制約はなく、例えば、窒化硼素、窒化アルミニウム、アルミナ、シリカ等を挙げることができる。

チャックトップと加熱体との間にも、電磁波を遮断（シールド）するための金属層を形成することが好ましい。この電磁シールド電極層は、加熱体等で発生した電磁波や電場等のウエハのプロービングに影響を与えるノイズを遮断する役割がある。これらのノイズは通常の電気特性の測定には大きな影響は与えないが、特にウエハの高周波特性を測定する場合に顕著に影響するものである。この電磁シールド電極層は、例えば金属箔を加熱体とチャックトップとの間に挿入することができるが、チャックトップ及び加熱体とは絶縁されている必要がある。この場合、使用する金属箔としては特に制約はないが、加熱体が２００℃程度の温度になるため、ステンレス、ニッケル、アルミニウム等の箔が好ましい。

チャックトップと電磁シールド電極層との間の絶縁層の役割は、チャックトップが絶縁体である場合にはチャックトップ導体層との間、またチャックトップが導体である場合にはチャックトップ自身と電磁シールド層との間に、電気回路上コンデンサが形成され、このコンデンサ成分がウエハのプロービング時にノイズとして影響することがあるため、電磁シールド層とチャックトップとの間に絶縁層を形成することで上記ノイズを低減することができる。

更に、チャックトップと電磁シールド電極層との間に、絶縁層を介してガード電極層を備えることが好ましい。ガード電極層は、前記支持体に形成される金属層と接続することで、ウエハの高周波特性を測定するときに影響するノイズを更に低減することができる。即ち、加熱体を含む支持体全体を導体で覆うことで、高周波におけるウエハ特性測定時のノイズの影響を小さくすることができる。更に、ガード電極層を支持体に設けた金属層に接続することにより、ノイズの影響を一層小さくすることができる。

また、有底円筒状の支持体の円筒部には、加熱体に給電するための電極や電磁シールド電極を挿通するための貫通孔が形成されていることが好ましい。この場合、貫通孔の形成位置としては、支持体の円筒部の中心部付近が特に好ましい。形成される貫通孔が外周面に近い場合、ブローブカードの圧力による影響で、円筒部で支える支持体の強度が低下し、貫通孔近傍で支持体が変形するため好ましくない。

上記の絶縁層で絶縁された加熱体、電磁シールド電極層及びガード電極層は、チャックトップの裏面に押さえ板によりにネジ等で固定することが好ましい。その場合、押さえ板とチャックトップの熱膨張係数の差が５×１０^−６／Ｋ以下であることが望ましい。押さえ板とチャックトップの熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋ以下であれば、プロービングを行う温度範囲全域において、上記したチャックトップの反り及びチャックトップ導体層の表面と支持体の底部裏面との平行度ともに３０μｍ以下とすることができる。

押さえ板がチャックトップに比べて５×１０^−６／Ｋを超える熱膨張係数差を有する場合には、１００〜２００℃の昇温時に、バイメタル効果により押さえ板がチャックトップより大きくなるため、チャックトップに中央部が凹状になるように応力がかかり、室温時に反り及び平行度が３０μｍ以下であっても、２００℃でのプロービング時に反り及び平行度が３０μｍ以上となる。更に、チャックトップの中心部に支持棒を配置している場合には、支持棒が更にチャックトップを突き上げるため、ひどい場合はチャックトップを破損させ、プロービングが継続できなくなることもある。

逆に、押さえ板がチャックトップに比べて５×１０^−６／Ｋよりも小さい熱膨張係数差を有する場合には、押さえ板がチャックトップより小さくなるため、チャックトップに中央部が凸状になるような応力がかかり、室温時に上記反り及び平行度が３０μｍ以下であっても、−６０℃でのプロービング時において反り及び平行度が３０μｍ以上となってしまう。

本発明のウエハ保持体は、図１０に示すように、チャックトップ１のウエハ載置面２ａの反対側である裏面側に、冷却モジュール８を具備することができる。冷却モジュールは、チャックトップを冷却する必要が生じた際に、その熱を奪うことでチャックトップを急速に冷却することができる。また、チャックトップを加熱する際は、冷却モジュールをチャックトップから離間させることで、効率よく昇温することができるため、冷却モジュールは可動式であることが好ましい。

冷却モジュールを可動式にする手法としては、エアシリンダー等の昇降手段を用いることができる。また、可動式の冷却モジュールを用いることで、チャックトップの冷却速度を大幅に向上させ、スループットを増加させることができるため好ましい。また、可動式の冷却モジュールでは、冷却モジュールにプロービング時にプローブカードの圧力が全くかからず、圧力による冷却モジュールの変形がないため好ましい。

また、チャックトップの冷却速度を優先する場合は、冷却モジュールをチャックトップに固定しても良い。固定の形態としては、チャックトップの裏面に抵抗発熱体を絶縁体で挟み込んだ構造の加熱体を設置し、その下面に冷却モジュールを固定することができる。別の固定の形態としては、チャックトップの裏面に直接冷却モジュールを設置し、その下面に抵抗発熱体を絶縁体で挟み込んだ構造の加熱体を固定する方法がある。この時、チャックトップの裏面と冷却モジュールの間に、変形能と耐熱性を有し、且つ熱伝導率の高いシリコーン樹脂等の軟性材を挿入することもできる。この軟性材を備えることで、チャックトップと冷却モジュールの間で互いの平面度や反りを緩和できるうえ、接触面積をより広くすることができるため、冷却モジュールが本来備える冷却能力を発揮することができる。

上記いずれの固定形態においても、固定方法については特に制約はないが、例えば、ネジ止めやクランプといった機械的な手法で固定することができる。特にネジ止めでチャックトップと冷却モジュール及び加熱体を固定する場合、ネジの個数を３個以上、更には６個以上とすることで、相互の密着性が高まり、チャックトップの冷却能力がより向上するため好ましい。

チャックトップの裏面に直接冷却モジュールを設置し、その下面に抵抗発熱体を絶縁体で挟み込んだ構造の加熱体を固定する方法の場合、加熱体を押さえ板でチャックトップにネジ等により固定することができる。このとき、押さえ板の熱膨張係数が冷却モジュールの熱膨張係数以下であることが望ましい。押さえ板の熱膨張係数が冷却モジュールの熱膨張係数よりも大きいと、２００℃に昇温したとき、冷却モジュールと押さえ板のバイメタル効果により中央部が凹状に反り、この影響でチャックトップに中央部を凹状に反らせる力が強く働き、チャックトップの平面度を悪化させてしまう。

また、押さえ板と冷却モジュールの熱膨張係数が同じ場合には、冷却モジュールの下側に加熱体があることから、２００℃に昇温したとき、やはり中央部が凹状に反ることになる。その結果、上記と同様にチャックトップの平面度を悪化させてしまう。尚、上記と同様に、室温時にチャックトップの反り及び平行度が３０μｍ以下と良好であっても、２００℃でのプロービング時に反り及び平行度が３０μｍ以上となると好ましくない。

冷却時も同様であり、押さえ板の熱膨張係数が冷却モジュールの熱膨張係数よりも大きいと、バイメタル効果により中央部が凸状に反り、この影響でチャックトップに中央部を凸状に反らせる力が強く働き、チャックトップの平面度を悪化させてしまう。その結果、室温時にチャックトップの反り及び平行度が３０μｍ以下で良好であっても、−６０℃でのプロービング時において平行度が３０μｍ以上となり上記と同様に好ましくない。

このように、押さえ板の熱膨張係数を冷却モジュールの熱膨張係数よりも小さくすることで、冷却モジュールと押さえ板のバイメタルを防止でき、２００℃の昇温時及び−７０℃の冷却時に、チャックトップの平面度を良好に保つことができ、プロービングを行う温度範囲全域において反り及び平行度をともに３０μｍ以下とすることができる。

また、冷却モジュールをチャックトップに固定する場合、通常は冷却モジュールを有底円筒状の支持体の空隙内に収納するが、冷却モジュールを支持体上に搭載し、その上にチャックトップを搭載するような構造にしても良い。いずれの方法においても、チャックトップと冷却モジュールが固定されているため、冷却速度を可動式の場合に比べて速くすることができる。また、冷却モジュールが支持体上に搭載されることで、冷却モジュールのチャックトップとの接触面積が増加し、より素早くチャックトップを冷却することができる。

このようにチャックトップに対して冷却モジュールを固定する場合には、冷却モジュールに冷媒を流さずに昇温することも可能である。この場合、冷却モジュール内に冷媒が流れないため、加熱体で発生した熱が冷媒に奪われて系外に逃げることがなく、より効率的な昇温が可能となる。しかし、この場合であっても、冷却時に冷却モジュールに冷媒を流すことで、効率的にチャックトップを冷却することが可能である。

更に、チャックトップと冷却モジュールを一体化することも可能である。チャックトップと冷却モジュールを一体化させることによって、チャックトップに冷却モジュールを固定した場合に比較して、更に素早くチャックトップを冷却することができる。この場合、一体化する際に使用するチャックトップ及び冷却モジュールの材質としては、特に制約はないが、冷却モジュール内に冷媒を流すための流路を形成する必要があること等から、チャックトップ部と冷却モジュール部との熱膨張係数差は小さい方が好ましく、当然のことながら同材質であることが更に好ましい。

この場合に使用する材質としては、チャックトップの材質として先に説明したセラミックスや、セラミックスと金属の複合体を使用することができる。この場合、チャックトップのウエハ載置面側にはチャックトップ導体層を形成すると共に、その反対側の裏面側には、冷媒を流すための流路を形成し、更にチャックトップと同材質の基板を、例えばロウ付けやガラス付け等の手法で一体化することができる。また当然のことながら、チャックトップに貼り付ける基板側に流路を形成しても良いし、両方の基板に流路を形成しても良い。また、ネジ止めにより一体化することも可能である。

また、一体化されたチャックトップと冷却モジュールの材質として、金属を使用することもできる。金属は、セラミックスやセラミックスと金属の複合体に比較して、加工が容易で且つ安価であるため、冷媒の流路を形成しやすい利点がある。しかし、金属を使用した場合、プロービング時に加わる圧力によって、撓みが発生することがある。その場合には、冷却モジュールと一体化したチャックトップの裏面側に、チャックトップ変形防止用基板を設置することによって、撓みを防止することができる。チャックトップ変形防止用基板としては、ヤング率が２５０ＧＰａ以上の基板が好ましく用いられる。

このチャックトップ変形防止用基板は、支持体の空隙内に収容しても良いし、チャックトップと一体化させて支持体との間に挿入するようにしても良い。このチャックトップ変形防止用基板とチャックトップの一体化は、ネジ止め等の機械的な手法によって固定しても良いし、ロウ付けやガラス付け等の手法によって固定しても良い。尚、このようにチャックトップと冷却モジュールを一体化する場合も、上記したチャックトップに冷却モジュールを固定する場合と同様に、チャックトップを昇温あるいは高温でキープする場合は冷媒を流さず、冷却時に冷媒を流すことによって一層効率的に昇降温できるため好ましい。

また、一体化されたチャックトップと冷却モジュールが金属である形態においては、例えばチャックトップの表面が酸化や変質が発生しやすい場合、または電気導電性が高くない場合に、ウエハ載置面の表面に改めてチャックトップ導体層を形成することができる。この手法に関しては、上記したように、ニッケル等の耐酸化性を有するメッキを施したり、溶射との組み合わせによってチャックトップ導体層を形成し、ウエハ載置面の表面を研磨したりすることで形成することができる。

また、チャックトップが冷却モジュールを具備する構造においても、必要に応じて上記した電磁シールド層やガード電極層の形成が可能である。この場合は、絶縁された加熱体を上記のように金属で覆い、更に絶縁層を介してガード電極層を形成し、ガード電極層とチャックトップとの間に絶縁層を形成する。更に、チャックトップ変形防止用基板によって、一体的にチャックトップに固定すればよい。

冷却モジュールと一体化されたチャックトップの支持体に対する設置方法としては、冷却モジュール部を支持体に形成された空隙内に設置しても良いし、またチャックトップと冷却モジュールとをネジ止めした場合と同様に、冷却モジュール部を支持体上に搭載する構造としても良い。

上記冷却モジュールの材質としては、特に制約はないが、アルミニウムや銅及びその合金は、熱伝導率が比較的高いため、急速にチャックトップの熱を奪うことができるため好ましく用いられる。また、ステンレスやマグネシウム合金、ニッケル、その他の金属材料を使用することもできる。冷却モジュールに耐酸化性を付与するために、ニッケル、金、銀といった耐酸化性を有する金属膜をメッキや溶射等の手法を用いて形成することができる。

また、冷却モジュールの材質として、セラミックスを使用することもできる。この場合の材質としては、特に制約はないが、窒化アルミニウムや炭化珪素は熱伝導率が比較的高く、チャックトップから素早く熱を奪うことができるため好ましい。窒化珪素や酸窒化アルミニウムにおいては、機械的強度が高く、耐久性に優れているため好ましい。また、アルミナやコージェライト、ステアタイト等の酸化物セラミックスは、比較的安価であるため好ましい。

上記した冷却モジュールの材質は、種々選択できるため、用途によって材質を選択すればよい。これらの中では、アルミニウムにニッケルメッキを施したものや、銅にニッケルメッキを施したものが、耐酸化性に優れ、また熱伝導率も高いうえ、価格的にも比較的安価であるため、特に好ましい。

上記冷却モジュールには、冷媒を流すことも可能である。冷媒を流すことによって、加熱体から冷却モジュールに伝達された熱を素早く取り除くことができるため、更に加熱体の冷却速度を向上できるため好ましい。冷却モジュール内に流す冷媒としては、水やフロリナート等が選択でき、特に制約はないが、比熱の大きさ及び価格を考慮すると水が最も好ましい。

冷却モジュールに流路を形成する好適な例としては、２枚のアルミニウム板を用意し、その一方のアルミニウム板に流路を機械加工等によって形成する。そして、耐食性、耐酸化性を向上させるために、ニッケルメッキを全面に施す。残り１枚のアルミニウム板にもニッケルメッキを施し、これら２枚のアルミニウム板を張り合わせる。このとき流路の周囲には、水が漏れないように、例えばＯ−リング等を挿入し、ネジ止めや溶接によって２枚のアルミニウム板を張り合わせることにより、内部に流路を有する冷却モジュールとすることができる。

あるいは、２枚の銅（無酸素銅）板を用意し、その一方の銅板に流路を機械加工等によって形成した後、この銅板に他方の銅板と冷媒の出入口となるステンレス製パイプとを、同時にロウ付け接合する方法もある。接合した銅板には、耐食性及び耐酸化性を向上させるために、ニッケルメッキを全面に施す。また、別の形態としては、アルミニウム板もしくは銅板等の冷却板に、冷媒を流すパイプを取り付けることで冷却モジュールとすることができる。この場合、パイプの断面形状に近い形状のザグリ溝を冷却板に形成し、パイプを密着させることで更に冷却効率を上げることができる。また、冷却パイプと冷却板の密着性を向上させるために、介在層として熱伝導性の樹脂やセラミックス等を挿入しても良い。

チャックトップの発熱体を加熱して、例えば２００℃でプロービングする際には、支持体の底部下面の温度が１００℃以下であることが好ましい。１００℃を超えると、支持体の下部に配置されたプローバの駆動系に熱が伝わり、熱膨張係数差による歪みを生じるため、プロービング時の位置ずれ、反り、平行度の悪化によるプローブの片あたり等の不具合を生じ、ウエハの正確な評価ができなくなる。また、２００℃での昇温測定後に室温測定をする際に、２００℃から室温までの冷却に時間を要することとなり、スループットが悪くなる。

本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体は、ウエハ等の被処理物を加熱、検査するために好適に用いることができる。例えば、ウエハプローバあるいはハンドラ装置やテスター装置に適用すれば、高剛性、高熱伝導率である特性を特に活かすことができるので好適である。

［実施例１］
直径３１０ｍｍ、厚み１５ｍｍのアルミナ基板を用意した。このアルミナ基板の表面に、ウエハを真空チャックするための同心円状の溝と貫通孔を形成し、更にニッケルメッキを施して、表面にチャックトップ導体層及び裏面にガード電極層を形成した。その後、チャックトップ導体層及びガード電極層を研磨加工し、表面粗さをＲａで０.０２μｍに仕上げてウエハ載置面を形成すると共に、全体の反り量を１０μｍとしてチャックトップとした。

また、上記チャックトップには、電磁シールド電極層としてシリコーン樹脂シートで絶縁したステンレス箔を取り付け、更に抵抗発熱体をシリコーン樹脂シートで挟み込んだ構造の加熱体を裏面に取り付けた。この抵抗発熱体は、ステンレスの箔を所定のパターンでエッチングして形成した。

次に、支持体として、直径３１０ｍｍ、厚み４０ｍｍの円柱状のアルミナを準備し、内径２９５ｍｍ、深さ２０ｍｍのザグリ加工を施して有底円筒状とした。この支持体の外周側面及び底面にはＳＵＳのガード板を設置し、上記チャックトップのガード電極層と接続した。また、支持体の円筒部内に貫通孔を形成し、抵抗発熱体に給電するための電極を接続した。

更に、支持棒として、下記表１に示すように、ＳＵＳ、アルミナ、アルミナ−ムライト複合体、コバール、ＳｉＣ、Ｓｉ−ＳｉＣ、窒化珪素、コージライト、石英ガラスからなり、直径１５ｍｍ、内径１０ｍｍの円筒状体を準備し、上記支持体のザグリ深さと同じ２０ｍｍの高さに加工した。支持棒に使用した各材料の材質と共に、熱膨張係数α、ヤング率、熱伝導率を、下記表１に示した。

その後、有底円筒状の支持体の内側に、上記表１の各材質の支持棒を下記表２に示すＡ〜Ｆの配置となるように取り付けた。この支持体と支持棒の上に、上記のごとく加熱体と電磁シールド電極層を取り付けたチャックトップを搭載し、それぞれウエハプローバ用ウエハ保持体とした。尚、下記表２において、α１は中心部に配置した支持棒の熱膨張係数、α２は内側（小さな直径）の同心円上に配置した支持棒の熱膨張係数、α３は外側（大きな直径）の同心円上に配置した支持棒の熱膨張係数、及びα４は支持体の熱膨張係数である。

下記表２に示す支持棒の配置は、Ａ：支持部なし、Ｂ：チャックトップ及び支持体に対して中心部に１箇所配置、Ｃ：チャックトップ及び支持体に対して１つの同心円（直径１００ｍｍ）上に均等に３箇所配置、Ｄ：チャックトップ及び支持体に対して中心部に１箇所、及び１つの同心円（直径２００ｍｍ）上に均等に６箇所配置、Ｅ：チャックトップ及び支持体に対して内側の同心円（直径１００ｍｍ）上に均等に３箇所、及び外側の同心円（直径２００ｍｍ）上に均等に６箇所配置、Ｆ：チャックトップ及び支持体に対して中心部に１箇所、内側の同心円（直径１００ｍｍ）上に均等に３箇所、及び外側の同心円（直径２００ｍｍ）上に均等に６箇所配置とした。

これらのウエハプローバ用ウエハ保持体について、加熱体に通電することでウエハを２００℃に加熱し、プロービングを実施した結果を下記表３に示した。即ち、初期評価として、ウエハ全面にわたり良好にプロービングできるものを○、割れ等により一部でも不良なものは×とした。更に、この初期評価で不良の物を除き、良好なものについては２４時間連続プロービングを実施して、良好なものを○、一部でも不良のものを×とした。

また、２００℃昇温時のチャックトップの反り（ＣＴ反り）を測定し、２０μｍ以下を◎、３０μｍ以下を○、５０μｍ以下を△とした。更に、１００ｋｇ／直径２０ｍｍの荷重をかけたときのチャックトップの撓み（ＣＴ撓み）を測定し、２０ミクロン以下を◎、３０μｍ以下を○、５０μｍ以下を△、１００μｍ以上を×とした。加えて、２４時間連続プロービング後の支持体底部の温度を測定し、１７０℃以下のものを△、１５０℃以下のものを○、１３０℃以下のものを◎とした。得られた結果を併せて下記表３に示した。

［実施例２］
支持体の材質をムライト−アルミナ複合体とした以外は上記実施例１と同様にして、ウエハプローバ用ウエハ保持体を作製した。これらのウエハプローバ用ウエハ保持体について、上記実施例１と同様にプロービング評価を実施した。得られた結果を下記表４に示した。

［実施例３］
チャックトップの材質をＳｉ−ＳｉＣにした以外は上記実施例１と同様にして、ウエハプローバ用ウエハ保持体を作製した。これらのウエハプローバ用ウエハ保持体について、上記実施例１と同様にプロービング評価を実施したところ、上記実施例２と同じ結果が得られた。

上記した実施例１〜３で得られた結果から、チャックトップを支持する支持棒をチャックトップの中心部に配置する配置Ｂの場合、チャックトップの中心部を支持する支持棒の熱膨張係数α１を、チャクトップ外周部を支持する支持体の熱膨張係数α４以下とすることによって、２００℃昇温時のチャックトップの変形を小さくでき、チャックトップの割れや損傷を防ぐことができることが分る。

また、チャックトップを支持する支持棒を、支持体に対して１つの同心円状に配置する配置Ｃの場合、支持棒及び支持体の熱膨張係数αを、同心円状に配置された支持棒の熱膨張係数α２≦支持体の熱膨張係数α４とすることにより、２００℃昇温時のチャックトップ変形を小さくでき、チャックトップの割れや損傷を防ぐことができることが分る。

更に、チャックトップを支持する支持棒を、チャックトップの中心部と共に、更に支持体に対して同心円状に配置する配置Ｄの場合、各々の支持棒及び支持体の熱膨張係数αを、中心部の支持棒の熱膨張係数α１≦同心円状に配置された支持棒の熱膨張係数α３≦支持体の熱膨張係数α４とすることにより、２００℃昇温時のチャックトップ変形を小さくでき、チャックトップの割れや損傷を防ぐことができることが分る。

また、チャックトップを支持する支持棒を、支持体に対して２つの直径の同心円状に配置する配置Ｅの場合、各々の支持棒及び支持体の熱膨張係数αを、同心円状に配置された内側の支持棒の熱膨張係数α２≦同心円状に配置された外側の支持棒の熱膨張係数α３≦支持体の熱膨張係数α４とすることにより、２００℃昇温時のチャックトップ変形を小さくでき、チャックトップの割れや損傷を防ぐことができることが分る。

更に、チャックトップを支持する支持棒を、チャックトップの中心部と共に、支持体に対して２つの直径の同心円状に配置する配置Ｆの場合、各々の支持棒及び支持体の熱膨張係数αを、中心部の支持棒の熱膨張係数α１≦同心円状に配置された内側の支持棒の熱膨張係数α２≦同心円状に配置された外側の支持棒の熱膨張係数α３≦支持体の熱膨張係数α４とすることにより、２００℃昇温時のチャックトップ変形を小さくでき、チャックトップの割れや損傷を防ぐことができることが分る。

また、支持棒と支持体の熱膨張差を５×１０^−６／℃以下とすることで、更に２００℃昇温時のチャックトップ変形を小さくでき好ましいことが分る。更に、ヤング率の高い支持棒を用いた場合には、プロービング時の荷重に対する剛性が高いためチャックトップの変形を小さくすることができ、特にヤング率が２００ＧＰａ以上であると、プロービング加重時の撓みを小さくできるため好ましいことが分る。

［実施例４］
上記実施例１と同様にしてウエハプローバ用ウエハ保持体を作製したが、チャックトップを下記表５の材質とし、チャックトップの外周部を支持する有底円筒状の支持体及びチャックトップの中心部１箇所を支持する支持棒としてムライト−アルミナ複合体を使用して、それぞれウエハプローバ用ウエハ保持体を作製した。

尚、上記チャックトップには、ウエハ載置面と反対側の裏面に電磁シールド層及びガード電極層としてステンレス箔を取り付け、ガード電極層と電磁シールド層及びガード電極層とチャックトップの間をシリコーン樹脂で絶縁した。また、ガード電極は、支持体の金属層と接続した。更に、抵抗発熱体をシリコーン樹脂シートで挟み込んだ構造の加熱体を、下記表５に示す押さえ板を介して、チャックトップにネジ止めにより取り付けた。この抵抗発熱体は、ステンレスの箔を所定のパターンでエッチングして形成した。絶縁層及び押さえ板の外径は３００ｍｍとした。

次に、上記有底円筒状の支持体の上に、上記のごとく押さえ板を介して加熱体などをネジで取り付けたシャックトップを搭載し、ウエハプローバ用ウエハ保持体とした。これらのウエハ保持体を用いて、上記実施例１と同様に２００℃でプロービングを行い、上記実施例１と同様に評価した結果を下記表５に示した。

この結果から分るように、押さえ板とチャックトップとの熱膨張係数差が５ｐｐｍ／Ｋ以下であれば、昇温時のチャックトップ変形を小さくすることができ、チャックトップの割れや損傷を防ぐことができ、良好なプロービングを実施することができる。また、押さえ板の熱膨張係数がチャックトップの熱膨張係数よりも小さいと、２００℃に昇温した時のチャックトップの反りを抑えることができるため、特に好ましいことが分る。

［実施例５］
上記実施例２と同様に、アルミナのチャックトップと、ムライト−アルミナ複合体からなる有底円筒状の支持体、及びチャックトップの中心部を支持するムライト−アルミナ複合体の支持棒を備えたウエハプローバ用ウエハ保持体を作製した。

上記チャックトップ裏面側には、下記表６に示す材質からなり、内部に冷媒用の流路が形成されている冷却モジュールを搭載し、冷却モジュールの下面に抵抗発熱体を絶縁体で挟み込んだ構造の加熱体を配置して、表６に示す材質の押さえ板を介して冷却モジュールごとネジでチャックトップに固定した。

これらのウエハ保持体を用いて、−６０℃〜２００℃の温度範囲でプロービングを行った。その際、高温時は冷却モジュールに冷媒を流さず、冷却時にのみチラーで温度管理した冷媒を流すことで冷却させた。上記実施例１と同様に評価した結果を、下記表６に示した。

上記の結果から、押さえ板の熱膨張係数が冷却モジュールの熱膨張係数以下であると、昇温時及び降温時のチャックトップの変形を小さくすることができ、チャックトップの割れや損傷を防ぐことができ、良好なプロービングができることが分る。

［実施例６］
チャックトップと支持体と支持棒をネジで固定した以外は、上記実施例１と同様にしてウエハプローバ用ウエハ保持体を作製した。ただし、支持棒として、下記表７に示すように、アルミナ−ムライト複合体とＳＵＳを使用した。また、ネジは、下記表７に示すように、Ａｌ、ＳＵＳ、Ｔｉ、コバールとした。

これらのウエハ保持体を用いて、上記実施例１と同様に２００℃でプロービングを行い、上記実施例１と同様に評価した結果を下記表７に示した。この結果から、ネジの熱膨張係数が支持棒の熱膨張係数以上で且つその差が５×１０^−６／Ｋ以下であると、昇温時のチャックトップの変形を小さくすることができ、チャックトップの割れや損傷を防ぐことができ、良好なプロービングができることが分る。

本発明によるウエハプローバ用ウエハ保持体の一具体例を示す概略の断面図である。 本発明によるウエハプローバ用ウエハ保持体の他の具体例を示す概略の断面図である。 本発明における支持体と支持棒の配置の一例を示す概略の平面図である。 本発明における支持体と支持棒の配置の一例を示す概略の平面図である。 本発明における支持体と支持棒の配置の一例を示す概略の平面図である。 本発明における支持体と支持棒の配置の一例を示す概略の平面図である。 本発明における支持体と支持棒の配置の一例を示す概略の平面図である。 本発明における断熱構造の具体例（ａ）〜（ｃ）を示す支持体の概略の平面図である。 本発明における加熱体の一例を示す概略の断面図である。 本発明によるウエハプローバ用ウエハ保持体の別の具体例を示す概略の断面図である。

符号の説明

１ チャックトップ
１ａ ウエハ載置面
２ チャックトップ導体層
３ 加熱体
４ 支持体
５、５ａ、５ｂ、５ｃ 支持棒
６ 空隙
７ａ 同心円状の溝
７ｂ 放射線状の溝
７ｃ 柱状部材
８ 冷却モジュール

Claims (12)

1. 表面にチャックトップ導体層を有し且つ加熱体を備えるチャックトップと、チャックトップの裏面外周部を支持する支持体と、チャックトップの裏面中心部を含む内周部を部分的に支持する支持棒とからなり、チャックトップと支持体及び支持棒との間に空隙を有し、支持体の熱膨張係数が支持棒の熱膨張係数より大きいことを特徴とするウエハプローバ用ウエハ保持体。
2. 前記支持棒が、少なくともチャックトップの裏面中心部に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
3. 前記支持棒が、前記支持体に対して同心円状に複数配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
4. 前記支持棒が、チャックトップの裏面中心部に配置されると共に、前記支持体に対して１つの同心円状に複数配置され、これら支持棒及び支持体の熱膨張係数の関係が、中心部に配置された支持棒の熱膨張係数≦同心円状に配置された支持棒の熱膨張係数＜支持体の熱膨張係数であることを特徴とする、請求項１に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
5. 前記支持棒が、前記支持体に対して２つの同心円状に複数配置され、これら支持棒及び支持体の熱膨張係数の関係が、同心円状に配置された内側の支持棒の熱膨張係数≦同心円状に配置された外側の支持棒の熱膨張係数＜支持体の熱膨張係数であることを特徴とする、請求項１に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
6. 前記支持棒が、チャックトップの裏面中心部に配置されると共に、前記支持体に対して２つの同心円状に複数配置され、これら支持棒及び支持体の熱膨張係数の関係が、中心部に配置された支持棒の熱膨張係数≦同心円状に配置された内側の支持棒の熱膨張係数≦同心円状に配置された外側の支持棒の熱膨張係数＜支持体の熱膨張係数であることを特徴とする、請求項１に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
7. 前記支持体が有底円筒状であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
8. 前記支持棒が柱状体もしくは筒状体であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
9. 前記チャックトップは裏面側に加熱体を挟んで押さえ板を備え、押さえ板とチャックトップとの熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋ以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
10. 前記チャックトップと前記支持体及び前記支持棒とはネジで固定され、ネジの熱膨張係数が前記支持体の熱膨張係数以上であり、且つその熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋ以下であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載したウエハプローバ用ウエハ保持体を備えたことを特徴とするウエハプローバ用ヒータユニット。
12. 請求項１１に記載のウエハプローバ用ヒータユニットを搭載したことを特徴とするウエハプローバ。

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