JP7398037B2 - 冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハに形成された複数のチップの電気的な検査を行うプローバに関し、特にウェーハチャックを冷却する冷却システムに関する。

半導体製造工程では、半導体ウェーハに各種の処理を施して、デバイスを有する複数のチップを形成する。各チップは電気的特性が検査され、その後ダイサーで分断された後、リードフレーム等に固定されて組み立てられる。電気的特性の検査は、テスタを備えたプローバによって実施される。プローバは、ウェーハをウェーハチャックに保持させて、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及び各種の試験信号をチップに供給し、チップの電極に出力される信号を解析することにより正常に動作するかを確認する。

製品化されたデバイスは広い用途に使用され、例えば－５５℃以下の低温環境下、又は２００℃以上の高温環境下で使用される場合がある。このため、プローバにはこのような高低温環境下での検査が行えることが要求される。そこで、チラー機構等の冷却システム、又はヒータ機構等の加熱システムをプローバに搭載し、これらの冷却システム又は加熱システムによってウェーハチャックを設定温度に冷却又は加熱することにより、上記の高低温環境下での検査を可能としている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－３１１４８３号公報

近年のプローバによるウェーハ検査では、測定時間の短縮及びテストコストを低減するため、同時測定するチップ数が増大している。その際、１個のチップでは発熱量の小さいＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）又はフラッシュメモリ等のデバイスであっても、同時測定数が多くなることによってその発熱量が大きくなっている。この場合、ウェーハチャックは、ウェーハ検査時に生じるデバイスの発熱により加熱されて昇温する。

デバイスの低温域の検査温度（冷却システムによるウェーハチャックの設定温度）として、例えば－５５℃が要求される冷却システムには、低温域での流動性を確保するため、沸点８０℃以下の低沸点の冷却液が使用される。しかしながら、冷却液の沸点を超える温度にウェーハチャックが昇温した場合、冷却液が気化するので冷却液を使用することができない。また、ウェーハチャックの温度が冷却液の沸点以下であっても沸点近傍の温度では冷却液にキャビテーションが発生するので、同様に冷却液を使用することができない。つまり、従来の冷却システムでは、冷却液の沸点近傍以上の温度にウェーハチャックが昇温される高温域では、冷却液を使用することができなかった。このような問題は、ウェーハチャックの温度に対応した沸点の異なる液体に交換することが考えられるが、段取り替えの作業が必要となるので実運用は困難である。

このような事情により、従来の冷却システムは、冷却液を使用することができない高温域では、ウェーハチャックの冷却能力が低下する。このため、特に発熱量の大きなデバイスを検査する場合、ウェーハチャックの温度が検査に要求される検査温度を超えてしまうという問題があった。

一方、冷却液に代えて空気により、ウェーハチャックの温度を広範囲の温度域で制御することが考えられる。しかしながら、空気は熱容量が小さいため、冷却液を使用した冷却システムと比較して、低温域での冷却能力が劣るという欠点があった。

つまり、従来のプローバの冷却システムには、低温域から高温域に至る広範囲の温度域において、有効な冷却能力を有するものがなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、低温域から高温域に至る広範囲の温度域において有効な冷却能力を有するプローバの冷却システムを提供することを目的とする。

本発明のプローバの冷却システムは、本発明の目的を達成するために、ウェーハを保持するウェーハチャックと、ウェーハチャックに第１流路を介して接続されて冷却液をウェーハチャックに供給する冷却液供給部と、ウェーハチャックに第２流路を介して接続されて常温よりも高温の空気をウェーハチャックに供給する高温空気供給部と、ウェーハチャックの温度を設定する温度設定部と、第１流路と第２流路とのいずれか一方の流路を開状態とし、他方の流路を閉状態とする弁部材と、温度設定部によって設定されたウェーハチャックの設定温度が予め設定された基準温度未満の場合には、第１流路を介して冷却液をウェーハチャックに供給し、設定温度が基準温度以上の場合には、第２流路を介して高温の空気をウェーハチャックに供給するように弁部材を切り替える切替部と、を備える。

本発明の一形態は、高温空気供給部は、常温の空気を圧縮する空気圧縮部と、空気圧縮部に第３流路を介して接続されるとともに、ウェーハチャックに第２流路を介して接続され、空気圧縮部からの圧縮空気を高温の空気と低温の空気とに分離して高温の空気をウェーハチャックに供給するボルテックスチューブと、を備えることが好ましい。

本発明の一形態は、高温空気供給部は、設定温度に応じた温度に高温の空気の温度を調整する温度調整部を備えることが好ましい。

本発明の一形態は、温度調整部は、第２流路と第３流路とに接続された第４流路と、第４流路に設けられ、第３流路を介してボルテックスチューブに流れる圧縮空気の量と、第３流路から第４流路を介して第２流路に流れる圧縮空気の量とを比例的に調整する比例制御弁と、第２流路に対する第４流路の合流点よりも下流側の第２流路に設けられ、ボルテックスチューブからの高温の空気と第４流路を介して第２流路に流れる圧縮空気とが混合された混合空気の温度を検出する空気温度検出部と、空気温度検出部によって検出された温度が設定温度に応じた温度になるように比例制御弁を制御する制御部と、を備えることが好ましい。

本発明の一形態は、高温空気供給部は、ウェーハチャックに接続されてウェーハチャックに供給された高温の空気を排気する第１排気流路と、ボルテックスチューブに接続されて低温の空気を排気する第２排気流路と、第１排気流路と第２排気流路の各々の端部が接続された排気部と、を備えることが好ましい。

本発明によれば、低温域から高温域に至る広範囲の温度域において有効な冷却能力を有する。

実施形態の冷却システムが適用されたプローバの構成を示すブロック図 冷却液供給部の構成の一例を示すブロック図 高温空気供給部の構成の一例を示すブロック図 冷却液供給部から高温空気供給部に切り替えた場合の動作を示したフローチャート 高温空気供給部から冷却液供給部に切り替えた場合の動作を示したフローチャート

以下、添付図面に従って本発明に係るプローバの冷却システムの好ましい実施形態について詳説する。

図１は、実施形態の冷却システムが適用されたプローバ１０の構成を示すブロック図である。

まず、プローバ１０について説明すると、このプローバ１０は、検査するチップの電極に接触されるプローブ１４を有するプローブカード１６と、テスタ３０と、を備えている。このテスタ３０は、テスタ本体３２と、テスタ本体３２の端子とプローブカード１６の端子とを電気的に接続するインターフェイス３４と、を有する。テスタ３０は、プローブ１４に接続される端子から電源及び各種の試験信号をチップに供給し、チップの電極に出力される信号を解析することによりチップが正常に動作するかを確認する。

次に、プローバ１０の冷却システムについて説明する。実施形態の冷却システムは、ウェーハＷを保持するウェーハチャック１２と、ウェーハチャック１２に第１流路１８を介して接続されて冷却液をウェーハチャック１２に供給する冷却液供給部２０と、ウェーハチャック１２に第２流路２２を介して接続されて常温よりも高温の空気をウェーハチャック１２に供給する高温空気供給部２４と、冷却液供給部２０からの冷却液、又は高温空気供給部２４からの高温の空気をウェーハチャック１２に供給するように切り替える切替部２６と、を有する。また、プローバ１０の冷却システムは、ウェーハチャック１２の温度を設定する温度設定部３６を有している。

ウェーハチャック１２はアルミニウム、銅等の金属、又は熱伝導性の良好なセラミック等の材料によって製作される。ウェーハチャック１２の内部には、冷媒流路２８が設けられる。前述の切替部２６によって図３に示す電磁弁２７が閉側に切り替えられるとともに電磁弁４９が開側に切り替えられた場合、冷媒流路２８には、冷却液供給部２０からの冷却液が第１流路１８を介して供給可能となる。これにより、ウェーハチャック１２の表面が冷却液により低温域（例えば、－５５℃以上４０℃未満）で冷却される。また、切替部２６によって図３に示す電磁弁２７が開側に切り替えられるとともに電磁弁４９が閉側に切り替えられた場合、冷媒流路２８には、高温空気供給部２４からの高温の空気が第２流路２２を介して冷媒流路２８に供給可能となる。これにより、ウェーハチャック１２の表面が高温の空気により高温域（例えば、４０℃以上１５０℃未満）で冷却される。なお、電磁弁２７と電磁弁４９とによって、本発明の弁部材が構成されている。

実施形態の高温空気供給部２４は、高温空気供給部２４にて生成される高温の空気よりも高温に温度上昇したウェーハチャック１２を高温域で冷却する装置である。高温空気供給部２４の具体的な構成（図３参照）については後述する。

図２は、冷却液供給部２０の構成の一例を示すブロック図である。

図２に示すように、冷却液供給部２０はポンプ４０、タンク４２及び冷却器４４等を有している。ポンプ４０は、タンク４２に溜められた低温の冷却液４６を、第１流路１８、ウェーハチャック１２の冷媒流路２８、流路４８、及びタンク４２の順に循環させることにより、ウェーハチャック１２を前述の低温域で冷却する。なお、第１流路１８には逆止弁４１が取り付けられ、流路４８には電磁弁４９が取り付けられている。

一方、タンク４２の冷却液４６は、ポンプ５０によって流路５２、冷却器４４、流路５６及びタンク４２の順に循環され、冷却器４４にて冷却されてタンク４２に戻る。また、流路５６には流量調整弁５４が取り付けられており、この流量調整弁５４によって循環する冷却液４６の量を調整することにより、タンク４２に溜められる冷却液４６の温度が調整される。

冷却器４４には、代替フロン（例えば、ハイドロフルオロカーボン）の循環ライン５８が設けられている。この循環ライン５８によれば、コンプレッサ（圧縮機）６０、流路６２、凝縮機６４、流路６６及び冷却器４４の順に代替フロンが循環される。また、流路６６には膨張弁６８が取り付けられている。冷却器４４に供給された代替フロンは、冷却器４４に供給された冷却液４６に加熱されて気化する。なお、このとき、冷却液４６は代替フロンによって冷却される。冷却器４４にて気化した代替フロンは、コンプレッサ６０によって圧縮された後、凝縮機６４によって冷却されて液化し、その後、膨張弁６８を経て冷却器４４に供給される。なお、図２に示した凝縮機６４は、ファン７０による空冷式であるが水冷式であってもよい。

ところで、図１に示したテスタ３０によるチップの検査時に、ウェーハチャック１２がチップによって加熱されて、例えば７０℃以上の高温になると、ウェーハチャック１２を冷却液４６にて冷却することが困難になる。つまり、冷却液４６として、例えば－５５℃の低温でも流動性を有するフッ素系の不凍液を使用した場合、その冷却液４６は例えば７６℃（沸点）で気体となり、１００℃以上で熱分解する。よって、このような低沸点の冷却液４６は、高温域での冷媒として使用することができない。

そこで、実施形態のプローバ１０の冷却システムは、低温域で冷却能力を発揮する冷却液供給部２０に加えて、高温域で冷却能力を発揮する高温空気供給部２４を備えている。このように冷却システムを構成することにより、実施形態の冷却システムは、低温域から高温域に至る広範囲の温度域において有効な冷却能力を有している。以下、高温空気供給部２４について説明する。

図３は、高温空気供給部２４の構成の一例を示すブロック図である。なお、図３では、冷却液供給部２０を構成する逆止弁４１及び電磁弁４９も図示されている。

図３に示すように、高温空気供給部２４は、常温の空気を圧縮する空気圧縮部（例えば、コンプレッサ）７２と、空気圧縮部７２に第３流路７４を介して接続されるとともに、ウェーハチャック１２に第２流路２２を介して接続されたボルテックスチューブ７６と、を備えている。このボルテックスチューブ７６は、空気圧縮部７２からの圧縮空気を高温の空気と低温の空気とに分離して高温の空気をウェーハチャック１２側に供給する。なお、第２流路２２には逆止弁２３が取り付けられている。

ボルテックスチューブ７６は公知のものであり、ノズル７８から本体８０に供給された圧縮空気を冷気と暖気とに分離させる装置である。ノズル７８から本体８０に供給された圧縮空気は、本体８０の内部で断熱膨張して超音速或いは亜音速の旋回流となる。旋回流の外周部のエンタルピーは増加する一方、中心部のエンタルピーは低下するため冷気と暖気とに分離される。分離された暖気はチューブ８２の先端から第２流路２２に排出され、冷気は排気口８４から排出される。チューブ８２から排出される暖気の温度は、運転条件によるが４０℃から１５０℃に設定することが可能である。また、冷気の温度は０℃以下に設定することが可能である。なお、第３流路７４には、空気圧縮部７２からの圧縮空気を一定の圧力に減圧するレギュレータ８６と、流路遮断用の電磁弁８８と、が設けられている。

また、高温空気供給部２４は、温度調整部９０を備えている。この温度調整部９０は、ウェーハチャック１２に供給する高温の空気の温度を、ウェーハチャック１２の設定温度に応じた温度に調整する機能を有する。前述の設定温度とは、温度設定部３６にて設定される温度であって、実施形態の冷却システムによって制御するウェーハチャック１２の温度である。

温度調整部９０は、第４流路９２と、比例制御弁９４と、空気温度検出部（例えば、温度センサ）９６と、制御部９８と、を備えている。

第４流路９２は、第２流路２２と第３流路７４とに接続されている。より具体的には、第４流路９２は、電磁弁８８よりも下流側の第３流路７４と、ボルテックスチューブ７６と逆止弁２３との間の第２流路２２とに接続されている。この第４流路９２は、空気圧縮部７２からの圧縮空気の一部を、ボルテックスチューブ７６をバイパスさせて第２流路２２に直接流すための流路である。

比例制御弁９４は、第４流路に設けられている。この比例制御弁９４は、比例制御弁を作動させる制御信号の値に比例して、その開度が制御可能な公知の弁部材である。この比例制御弁９４は、制御部９８からの制御信号によって開度が制御されることにより、第３流路７４を介してボルテックスチューブ７６に流れる圧縮空気の量と、第３流路７４から第４流路９２を介して第２流路２２に流れる圧縮空気の量とを比例的に調整する。

空気温度検出部９６は、第２流路２２に設けられている。より具体的には、空気温度検出部９６は、第２流路２２に対する第４流路９２の合流点９３よりも下流側で、かつ逆止弁２３よりも上流側の第２流路２２に設けられている。この空気温度検出部９６は、ボルテックスチューブ７６から排出された高温の空気と、第４流路９２を介して第２流路２２に流れる常温の圧縮空気と、が混合された混合空気の温度を検出する。

制御部９８は、ＣＰＵ（central processing unit）を含む演算処理回路１００、及びメモリ等の記憶媒体１０２を備えている。記憶媒体１０２には、ウェーハチャック１２の設定温度（例えば、１００℃）に応じた高温の空気の温度（例えば、９７℃）のデータが設定温度毎に予め記憶されている。すなわち、記憶媒体１０２は、ウェーハチャック１２の設定温度と高温の空気の温度との関係が対応づけられた換算マップを有している。

演算処理回路１００は、温度設定部３６にてウェーハチャック１２の設定温度（例えば、１００℃）が設定されると、その設定温度に応じた高温の空気の温度（例えば、９７℃）を記憶媒体１０２から読み出す。そして、演算処理回路１００は、空気温度検出部９６にて検出される高温の空気（混合空気）の温度が、読み出した高温の空気の温度（例えば、９７℃）となるように比例制御弁９４に制御信号を送信し、比例制御弁９４の開度を制御する。つまり、制御部９８は、空気温度検出部９６によって検出された温度が設定温度に応じた温度になるように比例制御弁９４を制御する。これにより、実施形態の温度調整部９０によれば、ボルテックスチューブ７６からウェーハチャック１２に供給される高温の空気の温度を、ウェーハチャック１２の設定温度に応じた温度に調整することができる。

更に、高温空気供給部２４は、第１排気流路１０４と、第２排気流路１０６と、排気チャンバ１０８と、を備えている。この排気チャンバ１０８は、本発明の排気部の一例である。

第１排気流路１０４は、ウェーハチャック１２に接続されてウェーハチャック１２に供給された高温の空気を排気する流路である。第２排気流路１０６は、ボルテックスチューブ７６の排気口８４に接続されて低温の空気を排気する流路である。排気チャンバ１０８には、第１排気流路１０４と第２排気流路１０６の各々の端部が接続されている。よって、このように構成された高温空気供給部２４の排気系によれば、第１排気流路１０４から排出された高温の空気と、第２排気流路１０６から排出された低温の空気と、を排気チャンバ１０８にて混合して外部に排気することができる。このように低温の空気を高温の空気によって加温して外部に排気することにより、プローバ１０及びプローバ１０の近傍に存在する装置機器の結露を防止することができる。

次に、上記の如く構成された冷却システムの動作の一例について説明する。以下の説明では、冷却液供給部２０と高温空気供給部２４との運転を切り替えるために設定される切替温度として４０℃を例示する。この切替温度が本発明の基準温度に相当する。なお、基準温度は４０℃に限定されるものではない。

図４は、冷却システムの運転を冷却液供給部２０から高温空気供給部２４に切り替えた場合の動作の一例を示したフローチャートである。図４によれば、温度設定部３６によってウェーハチャック１２の設定温度を１００℃（基準温度以上）に設定すると（Ｓ１０）、冷却液４６（図２参照）をタンク４２に回収する動作が実行される。具体的には、乾燥空気を第１流路１８に供給して、第１流路１８、冷媒流路２８及び流路４８に溜まっている冷却液４６をタンク４２に回収する（Ｓ２０）。

冷却液４６の回収動作が完了すると（Ｓ３０）、図１の切替部２６によって図３の電磁弁２７が開側に切り替えられるとともに電磁弁４９が閉側に切り替えられ、その後、高温空気供給部２４が起動される（Ｓ４０）。この後、温度調整部９０によって、ボルテックスチューブ７６から排出される高温の空気の温度を、ウェーハチャック１２の設定温度（１００℃）に応じた温度（９７℃）に制御してウェーハチャック１２に供給し（Ｓ５０）、ウェーハチャック１２を冷却する。

これにより、実施形態の冷却システムによれば、低沸点の冷却液４６を使用することが困難な１００℃の高温域の設定温度であっても、ウェーハチャック１２を良好に冷却することができる。また、ボルテックスチューブ７６は、１５０℃程度の高温の空気を生成することが可能なので、ウェーハチャック１２の設定温度が１５０℃程度であっても実施形態の高温空気供給部２４によってその設定温度に対応することができる。更に、高温域の冷却媒体として常温よりも高温の空気を使用したので、ウェーハチャック１２の表面の温度分布を略均一にすることができる。これにより、ウェーハチャック１２に保持されるウェーハＷの温度分布もその表面において略均一となるので、チップの検査を良好に行うことができる。

図５は、冷却システムの運転を高温空気供給部２４から冷却液供給部２０に切り替えた場合の動作の一例を示したフローチャートである。図５によれば、温度設定部３６によってウェーハチャック１２の設定温度を、例えば－３０℃（基準温度未満）に設定すると（Ｓ６０）、まず、高温空気供給部２４が停止される（Ｓ７０）。高温空気供給部２４の停止が完了すると、図１の切替部２６によって図３の電磁弁２７が閉側に切り替えられるとともに電磁弁４９が開側に切り替えられ、その後、冷却液供給部２０が起動される（Ｓ８０）。この後、冷却液供給部２０によって冷却液４６の温度を、ウェーハチャック１２の設定温度（－３０℃未満）に応じた温度に制御して、ウェーハチャック１２に冷却液４６を供給し（Ｓ９０）、ウェーハチャック１２を冷却する。なお、冷却液４８の冷却温度は、例えばコンプレッサ６０（図２参照）のモーター回転数をインバーターで制御することにより制御可能である。

これにより、実施形態の冷却システムによれば、空気では十分な冷却能力を得ることが困難な－３０℃の低温域の設定温度であっても、ウェーハチャック１２を良好に冷却することができる。また、冷却液４６として、－５５℃程度であっても流動性を有するフッ素系の不凍液を使用すれば、ウェーハチャック１２の設定温度が－５５℃であっても実施形態の高温空気供給部２４によってその設定温度に対応することができる。

以上の如く、実施形態のプローバ１０の冷却システムによれば、低温域から高温域に至る広範囲の温度域において有効な冷却能力を有する。

なお、実施形態では、高温の空気の供給装置としてボルテックスチューブ７６を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、電気ヒータと送風機とを備えた供給装置を構成し、電気ヒータにて加熱された高温の空気を送風機にてウェーハチャック１２に供給するようにしてもよい。

１０…プローバ、１２…ウェーハチャック、１４…プローブ、１６…プローブカード、１８…第１流路、２０…冷却液供給部、２２…第２流路、２３…逆止弁、２４…高温空気供給部、２６…切替部、２７…電磁弁、２８…冷媒流路、３０…テスタ、３２…テスタ本体、３４…インターフェイス、３６…温度設定部、４０…ポンプ、４１…逆止弁、４２…タンク、４４…冷却器、４６…冷却液、４８…流路、４９…電磁弁、５０…ポンプ、５２…流路、５４…流量調整弁、５６…流路、５８…循環ライン、６０…コンプレッサ、６２…流路、６４…凝縮機、６６…流路、６８…膨張弁、７０…ファン、７２…空気圧縮部、７４…第３流路、７６…ボルテックスチューブ、７８…ノズル、８０…本体、８２…チューブ、８４…排気口、８６…レギュレータ、８８…電磁弁、９０…温度調整部、９２…第４流路、９４…比例制御弁、９６…空気温度検出部、９８…制御部、１００…演算処理回路、１０２…記憶媒体、１０４…第１排気流路、１０６…第２排気流路、１０８…排気チャンバ

Claims (3)

1. 被冷却体と、
   前記被冷却体に冷却液を供給する冷却液供給部と、
   前記被冷却体に常温よりも高温の空気を供給する高温空気供給部と、
   前記被冷却体の温度を設定する温度設定部と、
   前記温度設定部によって設定された前記被冷却体の設定温度が予め設定された基準温度未満の場合には、前記冷却液を前記被冷却体に供給し、前記設定温度が前記基準温度以上の場合には、前記高温の空気を前記被冷却体に供給する切替部と、
   を備える、冷却システム。
2. 前記高温空気供給部は、前記設定温度に応じた温度に前記高温の空気の温度を調整する温度調整部を備える、請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記被冷却体は、プローバに備えられるウェーハチャックである、
   請求項１又は２に記載の冷却システム。

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