JP6003060B2 - ウエハプローバ用ウエハ保持体 - Google Patents

Description

本発明は、加熱した半導体ウエハにプローブカードを押し当てて電気的特性の検査を行うウエハプローバのウエハ保持体に関する。

従来、半導体の検査工程では、出荷後の不良品の発生を予防するため、検査対象物である半導体基板（以降、半導体ウエハ又は単にウエハとも称する）に対して通常の使用温度よりも高温に加熱する処理を行い、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くバーンインが行われている。

かかるバーンイン工程で不良品を取り除くためには、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半導体ウエハを加熱しながら各チップの電気的な性能を測定する必要がある。従って、バーンイン工程においてスループットを向上させるためには、加熱プロセスや冷却プロセスに要する時間を短縮することが必要となる。

バーンイン工程では、上記のように半導体ウエハを保持した状態で該半導体ウエハを加熱することが必要となるため、ウエハ載置面を備えたヒータが用いられている。また、ウエハ載置面に載置した半導体ウエハは、その裏面全面をグランド電極に接触させる必要があるため、ヒータには従来から金属製のものが用いられていた。すなわち、バーンイン工程では金属製の平板状ヒータの上に回路が形成された半導体ウエハを載置し、この状態で所定の温度まで加熱しながらチップの電気的特性が測定される。

電気的特性の測定の際は、通電用の電極ピン（プローブピン）を多数備えたプローブカードと呼ばれる測定子が、半導体ウエハに数１０ｋｇｆから数百ｋｇｆの力で押さえつけられる。そのため、ヒータが薄いと変形してしまい、半導体ウエハとプローブピンとの間に接触不良が発生することがあった。これを避けるため、ヒータの剛性を保つ目的で、厚さ１５ｍｍ以上の厚い金属板を用いることが行われていたが、金属板の厚みが増すとヒータ自身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。

上記の問題を解決するため、特許文献１や特許文献２ではチャックトップに高剛性のセラミックス材料を用いる技術が開示されており、特に特許文献２では、スループット向上のために接触部と冷却部を断熱する構造が示されている。また、特許文献３では図９に示すようなウエハ保持体が開示されており、この構造により高均熱性と高剛性とを併せ持つことが可能になると記載されている。

すなわち、特許文献３のウエハ保持体は、金属製のウエハ載置台１と、それを保持する保持部材２と、保持部材２の下部を支持する複数の支持柱４と、セラミックス製の支持部材５とからなり、ウエハ載置台１と支持部材５が結合部材８で直接結合されている。また、保持部材２の下面側に冷却モジュールと発熱体とからなる温度制御モジュール３が配置されている。

特開２００１−０３３４８４号公報 特開２００６−２５３６３０号公報 特開２００７−１４９７２７号公報

上記したようなプローブカードを用いて半導体ウエハの検査を行うウエハプローバにおいては、ウエハ載置面に載置した半導体ウエハのウエハ面内での均熱性が良好であることが求められており、たとえば直径３００ｍｍのウエハ面内では温度レンジを±０.５℃の範囲内にすることが要求されている。これに対してチャックトップに高絶縁性が要求される静電チャックにおいては、熱伝導率がある程度犠牲になるため、温度レンジが±３℃程度とかなり悪くなることが問題になっていた。

また、近年はスループット向上のため、半導体ウエハの全面を一度に検査するいわゆる一括コンタクト方式のウエハプローバが主流になりつつある。この一括コンタクト方式では、温度変化によって生ずるウエハ載置面の平面度変化をより一層抑制することが必要になってきており、この要求を満足できるウエハ保持体が求められている。

これに対して、特許文献３の技術では、金属からなるウエハ載置台１の熱膨張係数がセラミックスからなる支持部材５の熱膨張係数に対して大きく、さらに断熱性能を向上させた構造になっているため、高温時はウエハ載置台１の方が支持部材５よりも温度が高くなり、ウエハ載置台１の熱膨張量が支持部材５の熱膨張量よりもおおよそ２倍以上大きくなる。そして、ウエハ載置台１と支持部材５が結合部材８で直接結合されているため、上記温度変化による熱膨張に伴ってウエハ載置面の平面度が大きく変化することが問題になっていた。

本発明は上記した従来の事情に鑑みてなされたものであり、高剛性を損なわずに高均熱性を達成すると共に、温度変化によって生じるウエハ載置面の平面度変化を抑制することが可能なウエハ保持体を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、熱拡散を企図して高熱伝導率材料で形成したウエハ載置面を有するウエハ載置台の下面に高剛性材料からなる支持板を取り付け、この支持板から下部に伝わる熱を断熱するために当該支持板を低熱伝導材からなる複数の支持柱で支持し、さらにこれら複数の支持柱を保持台で保持し、温度制御のための温度制御ユニットを支持板と保持台の間に設置してなるウエハプローバ用のウエハ保持体について本発明者らは鋭意研究を行った。そして、上記構造のウエハ保持体において、ウエハ載置台と保持体とを直接結合しないよう試みたところ、高均熱性と高剛性とを満たしながら、温度変化が生じてもウエハ載置面の平面度変化を抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体は、上面にウエハ載置面を有するウエハ載置台と、前記ウエハ載置台をその下面から支持する支持板と、前記支持板をその下面から支持する複数の支持柱と、前記複数の支持柱を保持する保持台と、前記支持板の下面に当接して前記ウエハ載置台の温度を制御する温度制御ユニットとからなるウエハプローバ用のウエハ保持体であって、前記複数の支持柱は各々高さ方向に貫通する貫通孔を有しており、該貫通孔を挿通させた結合部材によって前記支持板と前記保持台とが結合されていることを特徴としている。

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、支持板及び温度制御ユニットが、それらの厚み方向で互いに連通する貫通孔を有しており、該連通する貫通孔を挿通させたネジ部材でウエハ載置台と温度制御ユニットとが結合されていてもよい。また、上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体は、温度制御ユニットが、保持台に対向する面から押え板で押さえつけられていてもよい。さらに、上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体は、結合部材の熱膨張係数が複数の支持柱の熱膨張係数以上であるのが好ましい。

本発明によれば、高剛性及び高均熱性であることに加えて、温度変化が生じてもウエハ載置面の平面度変化が抑えられたウエハプローバ用のウエハ保持体を提供することが可能となる。また、断熱効果が高められているので高い位置精度が得られる上、ウエハの急速な昇温や冷却が可能となる。よって、一括コンタクト方式のウエハプローバにおいても高精度且つ高スループットの検査を実現することが可能となる。

本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体の第１の実施形態を模式的に示す縦断面図である。 図１のウエハ保持体の代替例を示す縦断面図である。 本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体が備える温度制御ユニットの具体例を模式的に示す縦断面図である。 本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体の第２の実施形態を模式的に示す縦断面図である。 本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体の第３の実施形態を模式的に示す縦断面図である。 第３の実施形態のウエハ保持体が備える押え板を温度制御ユニットと共に示す縦断面図である。 本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体が備えるウエハ載置台に設けられた吸着溝パターンの一具体例を示す平面図である。 本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体が備える支持板に設けられた貫通孔の位置関係の例を示す平面図である。 特許文献３のウエハプローバ用ウエハ保持体を示す縦断面図である。

先ず、本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体の第１の実施形態を、図１を参照しながら説明する。図１には、本発明の第１の実施形態のウエハ保持体１０の縦断面図が模式的に示されている。このウエハ保持体１０は、上面にウエハ載置面１１ａを有するウエハ載置台１１と、このウエハ載置台１１をその下面から支持する支持板１２と、この支持板１２をその下面から支持する複数の支持柱１４と、これら複数の支持柱１４を保持する保持台１５と、支持板１２の下面に当接してウエハ載置台１１の温度を制御する温度制御ユニット１３とからなる。そして、複数の支持柱１４は各々高さ方向に貫通する貫通孔１４ａを有しており、各貫通孔１４ａを挿通させた結合部材１８によって支持板１２と保持台１５とが結合されている。

より具体的に説明すると、ウエハ載置台１１は円板形状を有しており、その上面側が検査対象物であるウエハを載置するウエハ載置面１１ａになっている。このウエハ載置面１１ａには、たとえば同心円状や放射状の複数のウエハ吸着溝（図示せず）が形成されているのが好ましく、この吸着溝内の空気を真空引きすることによって、載置されたウエハをウエハ載置面１１ａに吸着させることができる。

ウエハ載置面１１ａでは均熱性が高いことが望まれるため、ウエハ載置台１１は高い熱伝導率を有していることが要求される。具体的には、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上であり、且つヤング率が１００ＧＰａ以上の金属でウエハ載置台１１を形成するのが好ましい。このような物性を有するものであれば具体的な金属の材料は特に問わないが、たとえば、アルミニウムや銅、アルミニウム合金や銅合金が好ましい。

このウエハ載置台１１におけるウエハ載置面１１ａとは反対側の下面に、ウエハ載置台１１を支持すべくウエハ載置台１１と略同径の円板状の支持板１２が当接している。これらウエハ載置台１１と支持板１２とは、ウエハ載置台１１又は支持板１２に設けた吸着溝（図示せず）内の空気を真空引きして互いに吸着させるか、又は図２に示す第１の実施形態の代替例のウエハ保持体１００のように、ステンレス製のネジ等の取付手段１１６ａを用いることによって取り付けることができる。

なお、図２のように取付手段１１６ａで支持板１１２をウエハ載置台１１１に取り付けると、ウエハ載置台１１１と支持板１１２の熱膨張係数が互いに異なる場合、温度変化の際生じた熱膨張差によってウエハ載置面１１１ａが反ることが考えられる。この場合は、温度制御ユニット１１３をウエハ載置台１１１とほぼ同じ熱膨張係数の材質にすることによって応力を打ち消しあうことが可能となり、よってウエハ載置面１１１ａの反りを抑制できる。

再び図１に戻ると、支持板１２は、その下面から複数の支持柱１４で支持されており、さらにこれら複数の支持柱１４は保持台１５で保持されている。支持板１２や保持台１５は、ウエハ載置台１１にかかる荷重に耐えうるよう高剛性である必要があるため、高いヤング率を有していることが要求される。具体的には、ヤング率が２００ＧＰａ以上のセラミックス又は金属−セラミックス複合体で形成されているのが好ましい。

このような物性を有するものであれば金属やセラミックスの具体的な材料は特に問わないが、炭化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミックスや、アルミニウムと炭化ケイ素との複合体、又はシリコンと炭化ケイ素との複合体のうちのいずれかであることが好ましい。さらに、保持台１５の熱膨張係数が支持板１２の熱膨張係数よりも大きくなるように材質を組み合わせることがより好ましい。

上記支持板１２と保持台１５とは、結合部材１８で直接結合されている。すなわち、複数の支持柱１４の各々には、その高さ方向に貫通する貫通孔１４ａが設けられている。さらに、支持板１２及び保持台１５において、各支持柱１４の上下両端がそれぞれ当接する位置に、厚み方向に貫通する貫通孔１２ａ、１５ａが設けられている。そして、ウエハ載置面１１ａに垂直な方向で連通するこれら３つの貫通孔１２ａ、１４ａ、及び１５ａに対して１本の結合部材１８が挿通されており、これにより支持板１２と保持台１５とが直接的に結合されている。

複数の支持柱１４の本数や配置態様には特に制約はないが、４〜２５本程度の支持柱１４を中心部と外周付近に同心円状で且つ周方向に均等な間隔で配置するのが好ましい。また、各支持柱１４の材質や形状にも特に制約はないが、ムライト、アルミナ、又は窒化珪素などのセラミックス、又はムライトとアルミナとの複合体、金属のうちのいずれかからなる円筒形状であることが好ましい。

結合部材１８の材質にはコバールやステンレスなどの金属を使用することができるが、結合部材１８の熱膨張係数が複数の支持柱１４の熱膨張係数以上となるように材質を選択するのがより好ましい。なぜなら、結合部材１８の熱膨張係数が複数の支持柱１４の熱膨張係数よりも小さい場合、温度変化に伴って支持板１２と保持台１５とが過剰に引っ張り合うことになり、ウエハ載置面１１ａにおける平面度の悪化につながるからである。

結合部材１８の構造及び結合方法については特に問わないが、たとえば、ステンレス製のボルトを支持板１２の貫通孔１２ａに上側から差し込み、支持柱１４の貫通孔１４ａ及び保持台１５の貫通孔１５ａを挿通させた後、保持台１５の下側からステンレス製のナットで該ボルトの先端部をネジ締めすればよい。なお、支持板１２及び保持台１５の両方に貫通孔を設ける代わりに、それらのうちのいずれか一方には螺刻した有底穴を設け、他方の貫通孔と支持柱１４の貫通孔とを挿通させたボルトの先端部を該有底穴に螺合させることによって、支持板１２と保持台１５とを直接結合してもよい。

支持板１２の下面には、さらにウエハ載置台１１の加熱及び冷却を行う温度制御ユニット１３が当接している。この温度制御ユニット１３は支持板１２と保持台１５との間に設置されるので、同じく支持板１２と保持台１５との間に設置される前述した複数の支持柱１４に接触しないように、貫通穴１３ａが設けられている。温度制御ユニット１３は、支持板１２に接着剤などの化学的接合手段（図示せず）により接合してもよいし、あるいは図２に示すようにネジなどの機械的な結合手段１１６ｂにより結合してもよい。

温度制御ユニット１３の構造については特に限定はなく、たとえば図３（ａ）に示すように基材５０内に加熱のために埋め込まれた埋設発熱体５０ａと、冷却のための冷媒が流れる流路５０ｂとを備えたものや、図３（ｂ）に示すように板状発熱体５１と、その下面に設けられた冷却のための冷媒が流れる流路５２ａを備えた冷却ユニット５２とが組み合わさったものなどが挙げられる。

上記の埋設発熱体５０ａや板状発熱体５１には、たとえば金属箔などの金属材料からなる抵抗発熱体を使用することができる。具体的には、ニッケル、ステンレス、銀、タングステン、モリブデン、クロム、又はこれら金属の少なくともいずれかの合金からなる抵抗発熱体を使用することができる。この中では、ステンレスやニクロムが好ましい。ステンレスやニクロムは、抵抗発熱体の回路パターンを加工する際、エッチングなどの手法により比較的精度良く形成することができるからである。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点においても好ましい。

また、上記埋設発熱体５０ａや板状発熱体５１には、他の部品との絶縁を確保するために、抵抗発熱体を電気絶縁体で挟み込んだ発熱モジュールを使用するのが望ましい。抵抗発熱体を挟み込む電気絶縁体としては、耐熱性を有するものであれば特に制約はなく、たとえばマイカやポリイミド、シリコン樹脂やエポキシ樹脂、フェノール樹脂などを使用することができる。

電気絶縁性の樹脂で抵抗発熱体を挟み込む場合は、抵抗発熱体で発生した熱をよりスムースにウエハ載置台１１に伝えるため、樹脂中にフィラーを分散させてもよい。これは、樹脂中にフィラーを分散することによって、シリコン樹脂等の熱伝導を高めることができるからである。フィラーの材質としては、樹脂との反応性が無ければ特に制約はなく、たとえば窒化硼素、窒化アルミニウム、アルミナ、シリカなどの物質を挙げることができる。

上記の基材５０や冷却ユニット５２の材質には特に制約はないが、アルミニウム、銅、又はその合金は熱伝導率が比較的高いため、特に好ましく用いられる。また、ステンレス、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。耐酸化性を付与するため、基材５０や冷却ユニット５２の表面にニッケル、金、銀などの耐酸化性を有する金属膜をメッキや溶射などの手法を用いて形成してもよい。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も優れ、また熱伝導率も高く、価格的にも比較的安価であるため、特に好ましい。

また、基材５０や冷却ユニット５２の材質にセラミックスを使用することもできる。この場合のセラミックスとしては、限定するものではないが、熱伝導率が比較的高く、素早く熱を奪うことができるので、窒化アルミニウムや炭化ケイ素が好適に使用される。あるいは、窒化ケイ素や窒化アルミニウムを使用してもよい。これらは機械的強度が高く、耐久性に優れていることを特徴としている。さらに、比較的安価な、アルミナ、コージライト、ステアタイトなどの酸化物セラミックスを使用してもよい。このように、基材５０や冷却ユニット５２の材質は種々の中から選択することができ、用途に応じて適宜材質を選択すればよい。

温度制御ユニット１３においては、図３（ａ）や図３（ｂ）に示すように、流路５０ｂ、５２ａに冷媒を流すことによって、加熱された部材から温度制御ユニット１３に伝熱された熱を素早く取り除くことができるため、冷却速度を向上させることができる。流路５０ｂ、５２ａ内に流す冷媒としては、水のほか、フロリナートなどの液体、窒素や大気などの気体などが選択できる。この中では、比熱の大きさ、価格などを考慮すると水が最も好ましい。

流路５２ａを備えた冷却ユニット５２は、たとえば、２枚のアルミニウム板を用意し、一方のアルミニウム板の片面に冷媒を流す流路を機械加工等によって形成した後、このアルミニウム板の流路が形成された面に他方のアルミニウム板を張り合わせることによって得られる。これらのアルミニウム板には、耐食性及び耐酸化性を向上させるため、全面にニッケルメッキを施すことが好ましい。また、水などの冷媒が漏れないように、たとえば流路の周囲に設けた溝にＯ−リング等を挿入したうえで、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のが好ましい。

冷却ユニット５２の別の作製方法としては、２枚の銅（無酸素銅）板を用意し、その一方の銅板の片面に流路を機械加工等によって形成した後、この銅板と他方の銅板とを流路の形成された面が内側となるように対向させ、冷媒の出入口となるステンレス製のパイプと共に、同時にロウ付け接合する方法を挙げることができる。この方法で得られた冷却ユニット５２にも、上記と同様に、耐食性及び耐酸化性を向上させるため、ニッケルメッキを全面に施すことが好ましい。なお、基材５０にも上記と同様にして流路５０ｂを形成することができる。

このように、本発明のウエハ保持体においては、ウエハ載置台と保持台とを直接結合しない構造を採用しているので、ウエハ載置面の反りを著しく抑えることが可能となる。すなわち、ウエハ載置台と保持台とを結合部材を用いて直接結合すると、温度制御ユニットの発熱体が発熱している状態では、温度制御ユニットから下方への伝熱が複数の支持柱により断熱されているので、ウエハ載置台の温度は保持台の温度よりも十分に高くなる。

その結果、ウエハ載置台の熱膨張量が保持台の熱膨張量よりも著しく大きくなって、該結合部材により保持台に引っ張られることになり、ウエハ載置面の平面度が大きく変化してしまう。これに対して本発明のウエハ保持体では、剛性の高い支持板と保持台とは結合部材で直接結合しているものの、ウエハ載置台と保持台とは直接結合していないので、ウエハ載置面の平面度変化を抑制することが可能となる。

次に、図４を参照しながら本発明の第２の実施形態のウエハ保持体２０を説明する。この第２の実施形態のウエハ保持体２０も、前述した第１の実施形態のウエハ保持体１０と同様に、ウエハ載置面２１ａを備えたウエハ載置台２１、ウエハ載置台２１をその下面から支持する支持板２２、支持板２２をその下面から支持する複数の支持柱２４、複数の支持柱２４を保持する保持台２５、及びウエハ載置台２１の温度を制御する温度制御ユニット２３からなる。

この第２の実施形態のウエハ保持体２０は、さらに支持板２２と温度制御ユニット２３に、それらの厚み方向で互いに連通する貫通孔２２ｂ、２３ｂが複数（図４では連通する２組の貫通孔が示されている）設けられていることを特徴としている。そして、各連通する貫通孔を挿通させた第２結合部材２７でウエハ載置台２１と温度制御ユニット２３とが結合されている。

第２結合部材２７の形状や材質は特に問わないが、加熱時の支持板２２の熱膨張量と温度制御ユニット２３の熱膨張量とを足し合わせた熱膨張量に対してほぼ同等の熱膨張量になるような熱膨張係数の材質を選ぶのが好ましい。たとえば、支持板２２がアルミナもしくはシリコンと炭化ケイ素との複合体、温度制御ユニット２３が銅製でそれぞれ形成されており、且つこれら支持板２２と温度制御ユニット２３がほぼ同じ厚みを有しているのであれば、ステンレス製のネジを使用することができる。

さらに、温度変化によるウエハ載置面での反りを低減するために、ウエハ載置台２１の熱膨張係数が温度制御ユニット２３の熱膨張係数と同程度となる材質を使用するのが好ましく、同じ材質を使用するのがより好ましい。たとえば、ウエハ載置台２１が銅（熱膨張係数１７.５×１０^−６／Ｋ）の場合、温度制御ユニット２３の冷却ユニット５２にも同じ銅を使用するのがより好ましい。

次に、図５を参照しながら本発明の第３の実施形態のウエハ保持体３０を説明する。この第３の実施形態のウエハ保持体３０も、前述した第１の実施形態や第２の実施形態のウエハ保持体１０、２０と同様に、ウエハ載置面３１ａを備えたウエハ載置台３１、ウエハ載置台３１をその下面から支持する支持板３２、支持板３２をその下面から支持する複数の支持柱３４、複数の支持柱３４を保持する保持台３５、及びウエハ載置台３１の温度を制御する温度制御ユニット３３からなる。この第３の実施形態のウエハ保持体３０は、温度制御ユニット３３が、その保持台３５に対向する面（すなわち、温度制御ユニット３３の下面）から押え板３９で押さえつけられていることを特徴としている。

押え板３９及びこれにより押さえつけられる温度制御ユニット３３の組み合わせとしては、図６（ａ）に示すような板状発熱体５１とそれを押える押え板３９や、図６（ｂ）に示すように冷却ユニット５２及び板状発熱体５１と、これらを押さえつける押え板３９などが挙げられる。押え板３９の取り付け方法としては、図５に示すように、ウエハ載置台３１に螺合する第２結合部材３７で結合する方法を挙げることができる。なお、押え板３９には、複数の支持柱３４に接触しないように、貫通穴３９ａが設けられている。

温度制御ユニット３３の発熱体が発熱している状態では、ウエハ載置台３１よりも押え板３９の方が温度が高くなるので、押え板３９と温度制御ユニット３３とが図６（ｂ）に示すような位置関係の場合、ウエハ載置台３１と冷却ユニット５２とを直接結合するのではなく、ウエハ載置台３１と押え板３９を直接結合する方が、各部材間の熱膨張量のバランスを取りやすくなり、温度変化に対する平面度変化をより一層抑制することが可能となる。

以上説明したように、本発明のウエハ保持体は、高剛性で反りの心配がない上、ウエハ載置台の熱伝導率が高いので、ウエハ載置面において高い均熱性を確保することが可能となる。さらに、温度変化に対するウエハ載置面の平面度変化を顕著に抑えることが可能となる。従って、このウエハ保持体はウエハプローバに好適に用いることができる。

以上、本発明のウエハ保持体を、複数の実施形態に基づいて説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲内で種々の代替例や変形例を考えることができる。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲及びその均等物に及ぶことに留意すべきである。

［実施例１］
図１に示す構造のウエハ保持体１０において、材質が異なることによる均熱性、剛性及び平面度変化への影響を調べるため、各部材の材質を変えた複数種類のウエハ保持体の試料を下記の方法で作製した。なお、本実施例で使用した各部材の材質及びそれらの物性を下記表１に示す。

具体的に説明すると、ウエハ載置台１１として、直径３１０ｍｍ、厚み８ｍｍの炭素繊維強化アルミニウム複合材料(Ａｌ−Ｃ)を用意した。このウエハ載置台１１のウエハ載置面１１ａに、ウエハを真空チャックするため、図７に示すような同心円状の４つのウエハ吸着溝１１ｂと、これらに連通し、ウエハ載置面１１ａの中心から半径方向に延びる４本の連通溝１１ｃとを形成した。なお、真空引きできるように、４本の連通溝１１ｃの内１本についてはウエハ載置台１１の外縁部まで延在させた。さらに、ウエハ載置台１１の上下面を研磨加工し、平面度及び平行度を３μｍとし、表面粗さをＲａで０.０２μｍに仕上げた。

次に支持板１２として、直径３１０ｍｍ、厚み６ｍｍの窒化アルミニウム(ＡｌＮ)を用意した。この支持板１２に、図８（ａ）に示すように、中心とＰ.Ｃ.Ｄ.２５０ｍｍの周上の６等配位置に、内径６ｍｍの貫通孔１２ａを設けた。また、ウエハ載置台１１を真空吸着するため、支持板１２の上面にウエハ載置面１１ａに設けたウエハ吸着溝１１ｂ及び連通溝１１ｃと同様の吸着溝及びこれらに連通する連通溝を形成した。さらに、支持板１２の下面には、図８（ａ）に示すように、Ｐ.Ｃ.Ｄ.２４０ｍｍの周上の６等配位置に、後述する結合手段１１６ｂを結合するためのＭ４タップを設けた。その後、上下面を研磨加工し、平面度及び平行度を３μｍとした。

次に温度制御ユニット１３として、図３（ｂ）に示すような板状発熱体５１と冷却ユニット５２とを用意した。板状発熱体５１には、ステンレス箔に所定のパターンでエッチング加工して抵抗発熱体を形成し、これをマイカシートで圧着して挟み込んだもの（直径３１０ｍｍ、厚み０.６ｍｍ）を使用した。

一方、冷却ユニット５１には、直径３１０ｍｍ、厚み４ｍｍの無酸素銅板を２枚用意し、その一方の無酸素銅板の片面に機械加工等によって流路を形成した後、この無酸素銅板と他方の無酸素銅板とを流路が形成された面が内側となるように対向させ、冷媒の出入口となるステンレス(ＳＵＳ３０４)製のパイプと共に、同時にロウ付け接合したものを使用した。なお、耐食性及び耐酸化性を向上させるため、冷却ユニット５１の全面にニッケルメッキを施した。

次に結合部材１１６ｂとして、長さ１０ｍｍのＭ４ステンレス(ＳＵＳ３０４)製ネジ６本を用意し、支持板１２の下に温度制御ユニット１３としての板状発熱体５１及び冷却ユニット５２をこの順序で支持板１２から遠くなるように配置し、これら冷却ユニット５２及び板状発熱体５１にあらかじめ設けておいた貫通孔に図２に示すような結合手段１１６ｂを挿通させて、支持板１２に螺合した。これにより温度制御ユニット１３を支持板１２に固定した。

次に保持台１５として、直径３１０ｍｍ、厚み２０ｍｍの純度９９.６％のジルコニア(ＺｒＯ_２)を用意した。この保持台１５に対して、ウエハ載置面１１ａに垂直な方向から見て図８（ａ）の貫通孔１２ａと同じ位置に、貫通孔１５ａを設けた。その後、保持台１５の上下面を研磨加工し、平面度及び平行度２μｍとした。

次に複数の支持柱１４として、外径１４ｍｍ、内径６ｍｍ、高さ１５ｍｍの円筒状のムライト−アルミナ複合体（以下、ムライト）を７個準備した。これら７個の支持柱１４が有する高さ方向に貫通する貫通孔１４ａが、それぞれ図８（ａ）に示した貫通孔１２ａに連通するように、支持板１２の下面に並べた。

次に結合部材１８として、長さ４０ｍｍのＭ４ステンレス(ＳＵＳ３０４)製ネジ７本とステンレス製Ｍ４ナット７個を用意した。それらの先端部側をそれぞれ支持板１２の貫通孔１２ａに上面から挿通させ、さらに７個の支持柱１４の貫通孔１４ａ及び保持台１５の貫通孔１５ａを挿通させて、該先端部をステンレス(ＳＵＳ３０４)製Ｍ４ナットでネジ締めした。これにより、支持板１２と保持台１５とを直接結合した。このようにしてウエハ保持体の試料を作製した。

同様にして、ウエハ載置台１１における熱伝導率の違いが均熱性に及ぼす影響を調べるため、さらには支持板１２と保持台１５の熱膨張係数の関係が温度変化に伴うウエハ載置面の平面度変化にどのように影響するかを調べるため、各部材の材質を変えた複数種類のウエハ保持体の試料を作製した。

すなわち、下記表２に示すように、Ａｌ−Ｃ、Ｃ１０２０、ＣｒＣｕ、ＣｕＷ、コルソン合金、及びアルミニウムの６種類のウエハ載置台１１と、ＡｌＮ、炭化珪素(ＳｉＣ)、及びシリコンと炭化珪素との複合体(Ｓｉ−ＳｉＣ)の３種類の支持板１２と、ジルコニア、アルミナ、ムライト、及びコージライトの４種類の保持台１５とを組み合わせた７２種類のウエハ保持体の試料を作製した。

このようにして作製した複数のウエハ保持体の試料の各々に対して、そのウエハ載置面に直径３００ｍｍのウエハを載置して真空チャックした。さらに、ウエハ載置台と支持板との間も真空吸着させた状態で、抵抗発熱体に通電して当該ウエハを２００℃に加熱した。そして、２００℃で温度が安定したときのウエハ面内の温度レンジを測定した。次に、２００℃に加熱した状態でウエハの全面に５００ｋｇの荷重を印加し、そのときのウエハの荷重たわみ量を測定した。さらに、２００℃に加熱した状態での平面度を測定し、加熱前に測定した平面度を差し引いた値を平面度変化量とした。これら測定結果を各部材に使用した材質と共に下記表２に示す。

また、比較例として、図９に示すような特許文献３の実施形態と同じ結合方法となるように、ウエハ載置台１と保持台５とを結合部材８で直接結合し、ウエハ載置台１の材質をＡｌ−Ｃを除く５種類とした以外は上記と同様に材質を変えて６０種類のウエハ保持体の試料を作製した。そして、上記と同様にして２００℃で温度が安定したときのウエハ面内の温度レンジ、２００℃において５００ｋｇの荷重を印加したときのウエハの荷重たわみ量、及び平面度変化量を測定した。この比較例の測定結果を各部材に使用した材質と共に下記表３に示す。

上記表２の結果より、ウエハ載置台１１の熱伝導率が高いほど均熱性が良い（温度レンジが小さい）ことが分かった。また、荷重たわみは、ウエハ載置台１１のヤング率が低いＡｌ製の試料で大きくなった。さらに表２と表３とを比較して分かるように、ウエハ載置台１１と保持台１５とを直接結合しないことにより平面度変化の抑制に大きな効果が得られることが分かった。また、平面度変化量は、ウエハ載置台１１のヤング率が１２０ＧＰa以上であって、支持板１２の熱膨張係数（α１２）が保持台１５の熱膨張係数（α１５）より小さければ、１０μｍ以下になることも見出した。

特に、α１２がα１５の半分以下となる材質の組み合わせでは、平面度変化量が６μｍ以下と非常に良くなることがわかった。これは、複数の支持柱１４による断熱効果のため、加熱時は支持板１２が２００℃であるのに対して保持台１５は１００℃程度となり、１００℃程度の温度差が生じたため、α１２がα１５の半分以下程度であれば、支持板１２の熱膨張量と保持台１５の熱膨張量がほぼ等しくなることで、ウエハ載置面１１ａの反りが抑制できたと解釈できる。

［実施例２］
図２に示す構造のウエハ保持体１００を採用した以外は上記実施例１と同様にして各部材の材質を変えた７２種類のウエハ保持体の試料を作製し、それらの均熱性及び剛性を試験した。すなわち、ウエハ載置台１１１においては、ウエハ載置面１１１ａとは反対の面に、Ｐ.Ｃ.Ｄ.２４０ｍｍの周上の６等配位置にＭ４のタップを設け、さらにウエハ載置台１１１の表面にニッケルメッキを施した以外は実施例１のウエハ載置台１１と同様にした。

支持板１１２においては、図８（ｂ）に示すように、真空吸着のための吸着溝や連通溝の代わりに、Ｐ.Ｃ.Ｄ.２４０ｍｍの周上の６等配位置に取付手段１１６ａを挿通させる内径６ｍｍの貫通孔を設け、さらに下面のＰ.Ｃ.Ｄ.２８０ｍｍの周上の６等配位置に、結合手段１１６ｂを結合するためのＭ４タップを設けた以外は実施例１の支持板１２と同様にした。

これにより、実施例１の真空吸着に代えて結合部材１１６ａを用いてウエハ載置台１１１と支持板１１２と結合させた。取付手段１１６ａには、長さ１０ｍｍのＭ４ステンレス(ＳＵＳ３０４)製ネジ６本を用意し、これらをウエハ載置台１１１に設けたタップに差し込んでネジ締めした。その他、温度制御ユニット１１３や複数の支持柱１１４及び保持台１１５は実施例１と同様のものを使用した。また、結合手段１１６ｂによる温度制御ユニット１１３と支持板１１２との固定方法や、結合部材１１８による保持台１１５と支持板１１２との結合方法も実施例１と同様にした。

このようにして作製した複数のウエハ保持体の試料の各々に対して、実施例１と同様にして２００℃で温度が安定したときのウエハ面内の温度レンジ、２００℃において５００ｋｇの荷重を印加したときのウエハの荷重たわみ量、及び平面度変化量を測定した。この比較例の測定結果を各部材に使用した材質と共に下記表４に示す。

上記表４の結果から、ウエハ載置台１１１の熱伝導率が高ければ高いほど均熱性が良くなる（すなわち、温度レンジが小さくなる）ことが分かった。また、荷重たわみはウエハ載置台１１１のヤング率が低いＡｌ製のウエハ保持体で大きくなった。平面度変化量は、ウエハ載置台１１１のヤング率が１２０ＧＰa以上であって、支持板１１２の熱膨張係数（α１１２）が保持台１１５の熱膨張係数（α１１５）より小さければ、１０μｍ以下になることも見出した。特に、実施例１と同様に、α１１２がα１１５の半分以下となる材質の組み合わせの試料では、平面度変化量は６μｍ以下と非常に良くなることが分かった。

［実施例３］
図４に示す構造のウエハ保持体２０を採用した以外は上記実施例１と同様にして各部材の材質を変えた複数のウエハ保持体の試料を作製し、それらの均熱性及び剛性を試験した。すなわち、ウエハ載置台２１においては、実施例１と同様のものを用いたが、ウエハ載置面２１ａとは反対の面には、結合手段１１６ｂ用のタップの代わりに、後述する支持板２２におけるＰ.Ｃ.Ｄ.１００ｍｍの周上の３等配位置とＰ.Ｃ.Ｄ.２７０ｍｍの周上の６等配位置に対応する位置に、Ｍ４のタップを設け、さらにウエハ載置台２１の表面にニッケルメッキを施した。

支持板２２においても上記実施例１と同様のものを用いたが、図８（ｃ）に示すように、中心とＰ.Ｃ.Ｄ.２５０ｍｍの周上の６等配位置に設けた内径６ｍｍの貫通孔２２ａに加えて、真空吸着のための吸着溝や連通溝の代わりにＰ.Ｃ.Ｄ.１００ｍｍの周上の３等配位置とＰ.Ｃ.Ｄ.２７０ｍｍの周上の６等配位置に内径６ｍｍの貫通孔２２ｂを設けた。

温度制御ユニット２３においても上記実施例１と同様のものを用いたが、厚み５ｍｍの無酸素銅板を２枚使用し、温度制御ユニット２３のＰ.Ｃ.Ｄ.１００ｍｍの周上の３等配位置とＰ.Ｃ.Ｄ.２７０ｍｍの周上の６等配位置に内径６ｍｍの貫通孔２３ｂを設けた。

この実施例３では、実施例１の結合部材１１６ｂに代えて結合部材２７で温度制御ユニット２３を取り付けた。すなわち、支持板２２の下に板状発熱体５１及び冷却ユニット５２からなる温度制御ユニット２３を配置し、温度制御ユニット２３及び支持板２２に設けられた貫通孔２３ｂ、２２ｂに結合部材２７を挿通させ、ウエハ載置台２１に設けた上記タップに差し込みながらネジ締めした。これにより温度制御ユニット２３をウエハ載置台２１に固定した。なお、結合部材２７としては、長さ１８ｍｍのＭ４ステンレス(ＳＵＳ３０４)製ネジ９本を使用した。

その他、複数の支持柱２４及び保持台２５には実施例１と同様のものを使用した。また、結合部材２８による保持台２５と支持板２２との結合方法も実施例１と同様にした。なお、ウエハ載置台２１と温度制御ユニット２３の熱膨張係数の違いによる影響を調べるため、支持板２２がＡｌＮ、保持台２５がジルコニアのウエハ保持体に対しては、冷却ユニット５２をＣ１０２０で形成した試料ほか、Ａｌで形成した試料も作製した。

このようにして作製した複数のウエハ保持体の試料の各々に対して、実施例１と同様にして２００℃で温度が安定したときのウエハ面内の温度レンジ、２００℃において５００ｋｇの荷重を印加したときのウエハの荷重たわみ量、及び平面度変化量を測定した。この比較例の測定結果を各部材に使用した材質と共に下記表５に示す。

上記表５の結果より、ウエハ載置台１の熱伝導率が高いほど均熱性が良い（温度レンジが小さい）ことがわかった。また、荷重たわみは、ウエハ載置台２１のヤング率が低いＡｌ製の試料で大きくなった。平面度変化量は、ウエハ載置台２１のヤング率が１２０ＧＰa以上であって、支持板２２の熱膨張係数（α２２）が保持台２５の熱膨張係数（α２５）より小さければ、１０μｍ以下になることも見出した。特に、実施例１と同様に、α２２がα２５の半分以下となる組み合わせの試料では、平面度変化量は６μｍ以下と非常に良くなることがわかった。

また、冷却ユニット５２の材質が互いに異なる２つの試料を比較して分かるように、ウエハ載置台２１の熱膨張係数が冷却ユニット５２の熱膨張係数よりも小さいと、平面度変化量は大きくなる傾向があることも分かった。

［実施例４］
図５に示す構造のウエハ保持体３０の均熱性及び剛性を試験するため、図３（ｂ）の温度制御ユニットの構造に代えて図６（ｂ）の温度制御ユニット及び押え板の組み合わせ構造にした以外は実施例３と同様にして複数のウエハ保持体の試料を作製した。なお、この実施例４では、支持板３２の材質はＳｉ−ＳｉＣに、保持台３５の材質はアルミナに限定した。

押え板３９には、直径３１０ｍｍ、厚み２ｍｍの円板状部材を使用し、材質は、ウエハ載置台３１と押え板３９の熱膨張係数の違いが与える性能への影響を調べるため、ステンレス(ＳＵＳ３０４)、Ｃ１０２０、ＳＵＳ３１６、インコネル、及びチタンの５種類を使用した。この押え板３９において、ウエハ載置面３１ａに垂直な方向から見て支持板３２の貫通孔３２ｂと同じ位置に、該貫通孔３２ｂと同心軸となるように内径８ｍｍの貫通孔３９ｂを設けた。

そして、第２結合部材３７として、長さ２０ｍｍのＭ４ステンレス(ＳＵＳ３０４)製ネジ９本を用意した。支持板３２の下に冷却ユニット５２、発熱体５１、及び押え板３９をこの順で支持板３２から遠くなるように配置し、第２結合部材３７を押え板３９、発熱体５１、及び冷却ユニット５２にそれぞれ設けられた貫通孔に挿通させて、ウエハ載置台３１に設けたタップに差し込みながらネジ締めした。このようにして押え板３９をウエハ載置台３１に固定した。

結合部材３８としては、長さ４０ｍｍのＭ４ステンレス(ＳＵＳ３０４)製ネジ７本とステンレス(ＳＵＳ３０４)製Ｍ４ナット７個を使用した。上記以外は実施例３と同様にして複数種類のウエハ保持体の試料を作製した。

このようにして作製した複数のウエハ保持体の試料の各々に対して、ウエハ載置面３１ａに直径３００ｍｍのウエハを載置し、抵抗発熱体に通電して当該ウエハを２００℃に加熱した。そして、２００℃で温度が安定したときのウエハ面内の温度レンジを測定した。次に、２００℃に加熱した状態での平面度を測定し、加熱前に測定した平面度を差し引いた値を平面度変化量とし、これら測定結果を、ウエハ載置台３１と押え板３９の材質の組み合わせと共に下記表６に示す。

上記表６の結果から、冷却ユニット５２や押え板３９の材質の違いによる温度レンジへの影響はないことが分かった。さらにウエハ載置台３１の熱膨張係数が押え板３９の熱膨張係数以上であれば、平面度変化量は小さくなることが分かった。ただし、ウエハ載置台３１の熱膨張係数が押え板３９の熱膨張係数の２倍近くになってくると平面度変化量は大きくなる傾向があることも分かった。

［実施例５］
上記実施例４と同様にして図５に示すような構造のウエハ保持体の試料を作製したが、ＳＵＳ３０４、コバール、及びタングステンの３種類の結合部材３８と、Ａｌ−Ｃ、Ｃ１０２０、ＣｒＣｕ、ＣｕＷ、コルソン合金、及びＡｌの６種類のウエハ載置台３１と、ＡｌＮ、ＳｉＣ、及びＳｉ−ＳｉＣの３種類の支持板３２と、ジルコニア、アルミナ、ムライト、及びコージライトの４種類の保持台３５と、ＳＵＳ３１６及びムライトの２種類の支持柱３４とを組み合わせた４３２種類のウエハ保持体の試料を作製した。なお、押え板３９の材質はＳＵＳ３１６とした。

このようにして作製した複数のウエハ保持体の試料の各々に対して、２００℃に加熱した状態での平面度を測定し、加熱前に測定した平面度を差し引いた値を平面度変化量とした。それら測定結果を各部材に使用した材質と共に下記表７〜９に示す。なお、表７は支持板の材料にＡｌＮを用いた場合、表８は支持板の材料にＳｉＣを用いた場合、表９は支持板の材料にＳｉ−ＳｉＣを用いた場合である。

上記表７〜９の結果から、結合部材３８の熱膨張係数が支持柱３４の熱膨張係数よりも小さい場合は、ウエハ載置面３１ａの平面度変化量が大きくなることがわかった。

１０、２０、３０、１００ ウエハ保持体
１１、２１、３１、１１１ ウエハ載置台
１１ａ、２１ａ、３１ａ、１１１ａ ウエハ載置面
１２、２２、３２、１１２ 支持板
１３、２３、３３、１１３ 温度制御ユニット
１４、２４、３４、１１４ 複数の支持柱
１５、２５、３５、１１５ 保持台
１８、２８、３８、１１８ 結合部材
３９ 押え板

Claims (4)

1. 上面にウエハ載置面を有するウエハ載置台と、前記ウエハ載置台をその下面から支持する支持板と、前記支持板をその下面から支持する複数の支持柱と、前記複数の支持柱を保持する保持台と、前記支持板の下面に当接して前記ウエハ載置台の温度を制御する温度制御ユニットとからなるウエハプローバ用のウエハ保持体であって、前記複数の支持柱は前記保持台の中心部と外周部とに同心円状で且つ周方向に均等な間隔で配置されており、且つそれらの各々は高さ方向に貫通する貫通孔を備えた円筒形状を有しており、該貫通孔を挿通させた第１の結合部材によって前記支持板と前記保持台とが結合され、前記ウエハ載置台と前記温度制御ユニットとは第２の結合部材で結合され、前記ウエハ載置台、前記支持板、前記保持台、前記複数の支柱柱及び前記温度制御ユニットは、いずれも隣接する部材とは前記第１又は第２の結合部材で直接結合されていないことを特徴とするウエハプローバ用ウエハ保持体。
2. 前記支持板及び前記温度制御ユニットは、それらの厚み方向で互いに連通する貫通孔を有しており、前記第２の結合部材は該連通する貫通孔を挿通させたネジ部材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。
3. 前記温度制御ユニットは、前記保持台に対向する面から押え板で押さえつけられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
4. 前記結合部材の熱膨張係数が前記複数の支持柱の熱膨張係数以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。

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