JP5242340B2 - デバイス試験装置およびデバイス試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、デバイス試験装置およびデバイス試験方法に関する。

近年、光半導体デバイスの温度特性保証範囲の要求が厳しくなる傾向があり、広範囲な温度範囲（例えば−４０℃〜９０℃）の特性保証が要求されている。この要求を満足するために、冷却および加熱が可能な半導体試験装置が提案されている。

一般的に、高速に短手番でかつ効率的に被試験デバイスの低温試験を行う方法として、ペルチェ方式等の方法が取られている。この方法では、ペルチェ素子で温度制御される熱伝導ブロックと被試験デバイスとを密着させることが好ましい。そこで、被試験デバイスの試験装置において、温度制御可能なステージ上に被試験デバイスが設置されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１９６９２０号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、被試験デバイスとステージとの界面の状態、形状等に起因して、被試験デバイスとステージとの間の熱的な安定接触を確保することは困難である。

そこで、被試験デバイスとステージとの間の密着性、熱伝導性等を向上させることが考えられる。しかしながら、被試験デバイスとステージとの密着性を向上させようとすると、被試験デバイスに荷重をかける必要性が生じてしまう。

また、被試験デバイスとステージとの熱伝導性等を向上させようとすると、シリコン系の熱伝導性シート等を被試験デバイスとステージとの間に配置する必要性が生じる。この場合、シリコン等によって被試験デバイスが汚染されることがある。

本発明の目的は、荷重の必要性および被試験デバイスの汚染を抑制できるとともに、ステージと被試験デバイスとの熱的な安定接触を確保することができるデバイス試験装置およびデバイス試験方法を提供することを目的とする。

本発明に係るデバイス試験装置は、被試験デバイスを搭載するためのステージと、ステージ上に気体からなる媒介物を供給する媒介物供給手段と、ステージ上の温度を制御する温度制御手段と、を備え、温度制御手段は、ステージを媒介物が結露する温度にせしめる制御と、結露した媒介物がステージと被試験デバイスとの間に介在した状態で、ステージを媒介物が凍結する温度以下にせしめる制御と、をなすことを特徴とするものである。一般的なデバイス試験装置においては、被試験デバイスへの結露を防止するためにデバイス試験装置の内部は乾燥した状態に保たれているため、このままでは氷結されにくい。そこで、本発明では、媒介物供給手段によってステージ上に供給された媒介物によって、ステージ上に被試験デバイスを氷結させることができる。この場合、荷重の必要性および被試験デバイスの汚染を抑制できるとともに、ステージと被試験デバイスとの熱的な安定接触を確保することができる。

媒介物は、水蒸気であってもよい。

温度制御手段は、被試験デバイスの温度を目標温度よりも低い温度に低下させた後に目標温度に到達させる制御をしてもよい。この場合、被試験デバイスの温度を容易に目標温度に制御することができる。

媒介物供給手段は、ステージ上面の外周部に媒介物を供給する複数の供給部を備えていてもよい。デバイス試験装置にドライガスを供給する手段を備えていてもよい。

本発明に係るデバイス試験方法は、被試験デバイスを搭載するためのステージの温度を気体からなる媒介物が結露する温度に制御するステップと、ステージ上に媒介物を供給する媒介物供給ステップと、ステージ上に被試験デバイスを配置する配置ステップと、配置ステップ後に結露した媒介物がステージと被試験デバイスとの間に介在した状態でステージの温度を媒介物の凍結温度以下に制御する温度制御ステップと、を含むことを特徴とするものである。一般的なデバイス試験方法においては、被試験デバイスへの結露を防止するためにデバイス試験装置の内部は乾燥した状態に保たれているため、このままでは氷結されにくい。そこで、本発明では、媒介物供給ステップによってステージ上に供給された媒介物によって、ステージ上に被試験デバイスを氷結させることができる。この場合、荷重の必要性および被試験デバイスの汚染を抑制できるとともに、ステージと被試験デバイスとの熱的な安定接触を確保することができる。

媒介物は、水蒸気であってもよい。

温度制御ステップは、被試験デバイスの温度を目標温度よりも低い温度に低下させた後に目標温度に到達させる制御をするステップであってもよい。この場合、被試験デバイスの温度を容易に目標温度に制御することができる。

媒介物供給ステップにおいて、ステージ上面の外周部に複数箇所から媒介物を供給してもよい。ステージ上面にドライガスを供給するドライガス供給ステップを含んでいてもよい。

本発明によれば、荷重の必要性および被試験デバイスの汚染を抑制できるとともに、ステージと被試験デバイスとの熱的な安定接触を確保することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係るデバイス試験装置１００の模式図である。図１を参照して、デバイス試験装置１００は、冷却ファン１０上に放熱フィンブロック２０、ペルチェ素子３０およびステージ４０が順に配置された構造を有する。冷却ファン１０およびペルチェ素子３０には、コントローラ５０が接続されている。

ステージ４０は、熱伝導性の高い材料からなる熱伝導ブロックであり、ペルチェ素子３０とデバイスユニット１１０とを熱的に接続する機能を有する。ペルチェ素子３０は、デバイスユニット１１０の温度を制御するための温度制御手段として機能し、ステージ４０を介してデバイスユニット１１０の温度を制御する。放熱フィンブロック２０は、フィンを介して、ペルチェ素子３０で生じる熱を外部に放出するための装置である。空冷ファン１０は、放熱フィンブロック２０のフィンを空冷する装置である。

デバイス試験装置１００は、気密された箱９０に搭載されている。箱９０にはドライガス供給部８５が設けられている。箱９０には、ドライガス供給部８５からドライガスが供給されている。そのため、ステージ４０の上面は乾燥した状態になっている。

コントローラ５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。コントローラ５０は、空冷ファン１０、ペルチェ素子３０、後述するガス供給部８０およびデバイスユニット１１０を制御する。

ペルチェ素子３０およびステージ４０の外周には、シーリング部材６０が設けられている。それにより、ペルチェ素子３０がシールされる。シーリング部材６０の外周には、断熱パッキン７０が設けられている。それにより、ペルチェ素子３０およびステージ４０からの放熱が抑制される。ステージ４０の上面の外周部には、ステージ４０の上面へ気体を放出するための放出孔８１を備えるガス供給部８０が設けられている。ガス供給部８０は、ファン等である。

デバイスユニット１１０は、実装ブロック１２０上に被試験デバイス１３０が固定された構造を有する。被試験デバイス１３０は、例えば半導体レーザ等の光半導体デバイスである。被試験デバイス１３０の試験の際には、デバイスユニット１１０は、ステージ４０の上面に配置される。このとき、被試験デバイス１３０が結露しないように、箱９０にはドライガスが供給されている。そのため、ステージ４０の上面は乾燥した状態になっている。

続いて、図２（ａ）〜図２（ｃ）および図３を参照して、デバイス試験装置１００の動作の概略について説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、ステージ４０を上側から見た模式図である。図２（ｃ）は、ステージ４０と実装ブロック１２０との界面付近における模式的な断面図である。図３は、デバイス試験装置１００を用いたデバイスユニット１１０の試験手順のフローの一例を説明するための図である。

図３を参照して、ペルチェ素子３０は、コントローラ５０の指示に従って、ステージ４０の上面を冷却する（ステップＳ１）。例えば、ペルチェ素子３０は、ガス供給部８０によってステージ４０の上面に供給されるガス中の水分が結露するように、ステージ４０の温度を制御する。すなわち、ペルチェ素子３０は、ステージ４０の温度を、ステージ４０上面に供給されるガスの結露温度以下に制御する。ガス中の水分が結露する温度は、飽和水蒸気曲線等から求めることができる。このように、ガス供給部８０は、ステージ４０上面に液体もしくは気体からなら媒介物を供給する媒介物供給手段として機能する。

次に、図２（ａ）に示すように、ガス供給部８０は、コントローラ５０の指示に従って、水分を含んだエア等を放出孔８１からステージ４０の上面に放出する（ステップＳ２）。ステージ４０上面の温度がエアの結露温度以下であれば、エア中の水蒸気がステージ４０上面で液化する。それにより、図２（ｂ）のように、細かい霧状の水滴９０をステージ４０上面に分布させることができる。この場合、ステージ４０上面の凹部にも霧状の水滴９０を分布させることができる。

次に、デバイスユニット１１０をステージ４０上面に配置する（ステップＳ３）。この状態で、コントローラ５０は、ステージ４０上面の温度が氷点下になるようにペルチェ素子３０を制御する（ステップＳ４）。この場合、ステージ４０上面の水滴が凍結する。それにより、図２（ｃ）のように、ステージ４０上面にデバイスユニット１１０を氷結させることができる。その結果、ステージ４０にデバイスユニット１１０が固定される。

毛細管現象によってステージ４０とデバイスユニット１１０との間の隙間に水滴が充填されていることから、ステージ４０とデバイスユニット１１０との間の熱伝導面積が増大する。それにより、ステージ４０とデバイスユニット１１０との熱的接触の安定性が向上する。また、ステージ４０とデバイスユニット１１０との間の隙間で水滴が凍結によって膨張することから、ステージ４０とデバイスユニット１１０との密着性が向上する。

その後、コントローラ５０は、被試験デバイス１３０の温度が目標試験温度になるまでペルチェ素子３０を制御する（ステップＳ５）。この状態で、コントローラ５０は、被試験デバイス１３０の試験を実施する。試験終了後、コントローラ５０は、被試験デバイス１３０の温度を常温に復帰させる（ステップＳ６）。以上のフローにより、被試験デバイス１３０の試験が終了する。

本実施の形態に係るデバイス試験装置１００によれば、デバイスユニット１１０のステージ４０に対する荷重の必要性を抑制することができる。また、シリコン等を用いずにすむので、デバイスユニット１１０の汚染を抑制することができる。さらに、ステージ４０とデバイスユニット１１０との熱的な安定接触を確保することができる。

ここで、ステージ４０とデバイスユニット１１０との間に熱伝導性の高いサーマルシートを配置することも考えられる。しかしながら、この場合、ステージ４０とデバイスユニット１１０との間の小さい隙間を埋めることは困難である。また、冷却時の収縮によって、ステージ４０とデバイスユニット１１０との間の接触の安定性が低下するおそれがある。したがって、本実施の形態のようにステージ４０とのデバイスユニット１１０との間に液体を充填して凍結させることによって、熱的な安定接触をより確保することができる。なお、サーマルシートに水分を加えることによってステージ４０とデバイスユニット１１０との間の密着性を上げることができる。しかしながら、密着性、デバイス試験装置１００の操作性等を考慮すると、サーマルシートを用いない方が好ましい。

また、霧状の水滴をステージ４０上面に分布させることから、ステージ４０上面における水滴の分布の均一化を図ることができる。それにより、デバイスユニット１１０とステージ４０との密着性および熱伝導性を向上させることができる。なお、霧状の水滴を用いれば、ステージ４０の上面が撥水性を有していても、ステージ４０上面において水滴の分布の均一化を図ることができる。ただし、ステージ４０上面が親水性を有していれば、ステージ４０上面における水滴分布の均一化をより図ることができる。例えば、ステージ４０上面に、接触角が９０度以下の材料を配置することによって、ステージ４０上面を親水性にすることができる。

一般に、半導体の製造工程を実施するエリアにおいては、製品保護を目的として電子部品のＥＳＤ対策等を講じることがある。この場合、湿度は室温において４０％〜５０％程度に制御されることが多い。したがって、ステージ４０上面の温度を１５℃程度に低下させることによって、エア中の水蒸気を結露させることができる。例えば、ステージ４０の上面にエアを１分間程度放出することによって、ステージ４０上に霧状の水滴を付着させることができる。

なお、本実施の形態に係るデバイス試験装置１００を用いて、低温側の試験を実施した後に高温側の試験を連続して実施することができる。ペルチェ素子３０を用いてデバイスユニット１１０を加熱する場合、凍結している水分が液化し、デバイスユニット１１０の固定状態は解除される。デバイスユニット１１０の高温試験時には、被試験デバイス１３０自身が発熱することから、ステージ４０とデバイスユニット１１０との密着性が低下しても、デバイスユニット１１０の昇温は容易である。

この場合、デバイスユニット１１０の固定には、簡易な補助的固定方法（例えば、デバイスユニット１１０のフランジをクリップで固定する）等の方法により、被試験デバイス１３０を十分に試験することができる。デバイスユニット１１０の昇温が可能であれば、デバイスユニット１１０をステージ４０に固定しなくてもよい。

なお、一般的に、発熱するデバイスを冷却する場合には、ステージ温度とデバイス温度との間に差が生じる傾向にある。この温度差は、低温になればなるほど顕著になる。そこで、本実施形態に係るデバイス試験装置１００を用いて被試験デバイス１３０の試験を実施する場合、ステージ４０の温度を一度、目標温度よりも低い温度に低下させてから目標温度に制御することが好ましい。例えば、試験温度が−５℃である場合、ステージ４０の温度を−２０℃程度まで低下させることによって、ステージ４０の温度を容易に−５℃に制御することができる。このように、本実施形態に係るデバイス試験装置１００を用いることによってデバイスユニット１１０の冷却が容易になることから、デバイスユニット１１０の温度を容易に試験温度に制御することができる。

なお、霧状の水滴を用いずに、水分を含んだ布、高分子吸収シート等に水分を付着させた後に、ステージ４０上にデバイスユニット１１０を配置してもよい。この場合においても、ステージ４０上にデバイスユニット１１０を氷結させることができる。また、水の他に、フッ素系不活性溶液等を用いることができる。

（実施例）
実施例においては、第１の実施の形態に係る試験装置１００を用いてステージ４０上にデバイスユニット１１０を氷結させて、デバイスユニット１１０を冷却した。

（比較例）
比較例においては、ステージ４０とデバイスユニット１１０との間にサーマルシートを配置し、氷結させずにデバイスユニット１１０を冷却した。

（分析）
図４は、冷却結果を説明するための図である。図４において、横軸は経過時間であり、縦軸は温度である。図４に示すように、ステージ４０の温度の低下とともに実施例および比較例いずれのデバイスユニット１１０の温度も低下した。しかしながら、比較例においてはデバイスユニット１１０の温度が−３５℃までしか到達しなかったのに対して、実施例においてはデバイスユニット１１０の温度が−４０℃まで到達した。

比較例においては、ステージ４０とデバイスユニット１１０との間に十分な熱的接触が得られなかったと考えられる。一方、実施例においては、デバイスユニット１１０とステージ４０とを水滴によって氷結させたことによって、熱伝導ブロックとデバイスユニット１１０との熱交換性が向上したと考えられる。

第１の実施の形態に係るデバイス試験装置の模式的断面図である。 ステージの詳細を説明するための図である。 デバイス試験装置を用いたデバイスユニットの試験手順のフローの一例を説明するための図である。 冷却結果を説明するための図である。

符号の説明

１０ 冷却ファン
２０ 放熱フィンブロック
３０ ペルチェ素子
４０ ステージ
５０ コントローラ
６０ シーリング部材
７０ 断熱パッキン
８０ ガス供給部
８５ ドライガス供給部
９０ 箱
１００ デバイス試験装置
１１０ デバイスユニット
１２０ 実装ブロック
１３０ 被試験デバイス

Claims (10)

1. 被試験デバイスを搭載するためのステージと、
   前記ステージ上に気体からなる媒介物を供給する媒介物供給手段と、
   前記ステージ上の温度を制御する温度制御手段と、を備え、
   前記温度制御手段は、
   前記ステージを前記媒介物が結露する温度にせしめる制御と、
   結露した前記媒介物が前記ステージと前記被試験デバイスとの間に介在した状態で、前記ステージを前記媒介物が凍結する温度以下にせしめる制御と、をなすことを特徴とするデバイス試験装置。
2. 前記媒介物は、水蒸気であることを特徴とする請求項１記載のデバイス試験装置。
3. 前記温度制御手段は、前記被試験デバイスの温度を目標温度よりも低い温度に低下させた後に前記目標温度に到達させる制御をすることを特徴とする請求項１または２に記載のデバイス試験装置。
4. 前記媒介物供給手段は、前記ステージ上面の外周部に前記媒介物を供給する複数の供給部を備えていることを特徴とする請求項１記載のデバイス試験装置。
5. 前記デバイス試験装置にドライガスを供給する手段を備えることを特徴とする請求項１記載のデバイス試験装置。
6. 被試験デバイスを搭載するためのステージの温度を気体からなる媒介物が結露する温度に制御するステップと、
   前記ステージ上に前記媒介物を供給する媒介物供給ステップと、
   前記ステージ上に前記被試験デバイスを配置する配置ステップと、
   前記配置ステップ後に結露した前記媒介物が前記ステージと前記被試験デバイスとの間に介在した状態で前記ステージの温度を前記媒介物の凍結温度以下に制御する温度制御ステップと、を含むことを特徴とするデバイス試験方法。
7. 前記媒介物は、水蒸気であることを特徴とする請求項６記載のデバイス試験方法。
8. 前記温度制御ステップは、前記被試験デバイスの温度を目標温度よりも低い温度に低下させた後に前記目標温度に到達させる制御をするステップであることを特徴とする請求項６または７記載のデバイス試験方法。
9. 前記媒介物供給ステップにおいて、前記ステージ上面の外周部に複数箇所から前記媒介物を供給することを特徴とする請求項６記載のデバイス試験方法。
10. 前記ステージ上面にドライガスを供給するドライガス供給ステップを含むことを特徴とする請求項６記載のデバイス試験方法。

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