JPH01278739A - 半導体ウェハー低温試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、半導体ウェハーの低温における特性を試験す
る装置に関する。

〈従来の技術〉 最近、例えばコンピュータの計算速度をより高速化する
目的で、低温で動作する半導体素子の開発が盛んである
。しかし、そのために必要な低温における半導体素子の
特性をテストするに際し、半導体ウェハー上に形成され
たチップを個々に切り出し、各チップ毎に液体窒素等の
寒剤に浸けてその電気的特性を調べるのでは、当然のこ
とながら膨大な時間と労力および経費が必要となる。こ
のような欠点を排除する目的で、特公昭６２−３６３８
７に開示されたような低温でウェハーのテストを行う、
半導体ウェハーの試験装置が知られている。

この装置は、内部にテストすべきウェハーを保持するウ
ェハー保持台を設けた金属性のデユワ−瓶と、その上面
に同デユワー瓶の開口部を取り囲んで設けられたベロー
ズと、このベローズの上部にプローブ・カードを載置す
る手段と、プローブ・カードの上にかぶせて、デユワ−
瓶内部と上記ベローズで構成される空間を大気に対して
気密に保つためのキャップと、デユワ−瓶を所定の範囲
内で２次元方向に変位させることのできる位置決め機構
を有するデユワ−瓶装置架台と、ベローズとキャップの
間に位置する上記のプローブ・カードをベローズの伸縮
可能範囲内で上下に変位させるプローブ・カード高さ調
節機構で構成されている。以上の全体構成において、最
上部に位置する上記のキャップには、デユワ−瓶内に液
体窒素等の寒剤を注入し、また、そこから寒剤を排出す
るための配管と、プローブ・カードの開口部に対応して
、デユワ−瓶の内部を視認するための、透明板より成る
窓が設けられている。

上記の構成を有する装置において、ウェハー保持台上に
テストすべきウェハーを載せ、プローブ・カードをセッ
トし、キャップをかぶせた後、所定のプロセス（詳細は
省く）を経てデユワ−瓶内に、ウェハー保持台の上面に
達することのない所定の高さまで液体窒素等の寒剤を注
入する。ウェハー保持台の熱伝導を通じてウェハーが所
定の低温に達すると、キャップに設けた上記の窓を通じ
て、顕微鏡により、ウェハー保持台に載せられたウェハ
ーの上面を観測しながら、プローブ・カード高さ調節機
構と、デユワ−瓶装置架台に設けられた位置決め機構と
を操作して、プローブ・カードよりウェハーに延びる探
針を、ウェハー上に構成されている所定のチップの所定
の端子に電気接触させ、テストに必要な電気的測定を行
なう。このような方法によれば、−度つエバーを装置内
にセントすれば、上記の位置決め機構とプローブ・カー
ド高さ調節機構を操作するだけで、ウェハー上に構成さ
れたすべてのチップの所定の端子に、プローブ・カード
の探針を順次接触させることができる。従って、個々の
チップをテスト測定のたび毎に低温槽に出し入れする方
法にくらべ、一連の回路テストに要する時間と労力は、
この特公昭６２−３６３８７の装置により大幅に改善さ
れた。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかし、上に説明した従来技術による装置においては、
当然のことながら低温槽内のウェハー保持台に載せるこ
とのできるウェハーの面積、従って、チップの数には一
定の限度がある。従って、多数のウェハーについてテス
トを継続する必要のあるのが普通である。そのため１枚
のウェハー上のすべてのチップに対するテストが完了す
れば、その都度テスト済ウェハーを新しい次のウェハー
と取り換えねばならない。ウェハーの取すｔＡえには、
先ず、テスト済ウェハーの取り出しに先立って、デユワ
−瓶内の液体窒素を外部に′ｆ＄備した液体窒素貯蔵容
器に完全に移送した後、デユワ−瓶内部に残る低温の窒
素ガスを、デユワ−瓶の急激な温度上昇を避けながら、
室温の乾燥ガス（普通窒素ガスを用いる）で置換し、デ
ユワ−瓶の内部、特にウェハー保持台とその上に保持さ
れているテスト済ウェハーの温度が室温にまで上昇する
のを待って、キャップとプローブ・カードを取りはずす
というプロセスを実行する必要がある。次にウェハーを
取り換え、プローブ・カードとキャップを所定の位置に
セットし、デユワ−瓶内部の空気を真空排気した後、そ
こへ徐々に液体窒素を再注入する。ウェハーの取り換え
毎に必要な以上の作業は、長時間にわたる多大の労力を
必要とすることは勿論である。このような欠点に加え、
プローブ・カードに設けられている探針は、特にその上
部は、寒剤の液面より非常に高い位置にあり、しかも周
囲はデユワ−瓶の外でベローズとキャップで囲まれてい
るだけであるから、事実上室温に近い温度にある。従っ
て低温に保たれたウェハーとの温度差が大きく、ウェハ
ーの収縮の度合によっては、ウェハーに形成された各チ
ップのテスト用端子の位置と、探針先端の配列パターン
の間にずれが生じ、探針をチップの所定の端子に正しく
接触させ得なくなることもある。

〈課題を解決するための手段〉 上記のような欠点を排除するため、本発明による半導体
ウェハー低温試験装置の主要部は、寒剤を収容する空間
と温度調節用ヒータとを存し上面にテストすべき半導体
ウェハーを保持するよう構成されたウェハー低温保持台
と、上記ウェハー低、温保持台を所定の範囲内で３次元
的に変位させるウェハー台位置調節手段と、半導体ウェ
ハーをテストするためのプローブ・カードを保持すると
共に同プローブ・カードの探針を冷却する手段であって
、寒剤による被冷却手段と寒剤の温度をプローブ・カー
ドの探針に伝える熱伝達手段とを有する、プローブ・カ
ード低温保持板と、このプローブ・カード低温保持板を
支持するためのプローブ・カード低温保持板支持手段と
、テストすべき半導体ウェハーを予冷するためのウェハ
ー予冷台と、テスト済半導体ウェハーの温度を事実上室
温に上昇させるためのウェハー与熱台と、半導体ウェハ
ーを取り込み、上記ウェハー予冷台と、上記ウェハー低
温保持台と、上記ウェハー与熱台に順次移送した後外部
に送出するためのウェハー移送手段と、上記ウェハー低
温保持台、上記ウェハー台位置調節手段、上記プローブ
・カード低温保持板、上記プローブ・カード低温保持板
支持手段、上記ウェハー予冷台、上記ウェハー与熱台、
および上記ウェハー移送手段を外部環境より断熱・収容
するための断熱室と、テストすべき複数個の半導体ウェ
ハーを収容し、開閉自在な気密のウェハー取り込みドア
を介して上記断熱室に併設された被検体ウェハー収容室
と、テスト済半導体ウェハーを収容し、開閉自在な気密
のウェハー送り出しドアを介して上記断熱室に併設され
たテスト済ウェハー収容室で構成されている。装置のこ
のような構成のもとに、テストすべきウェハーが被検体
ウェハー収容室に残存している間は、断熱容器、被検体
ウェハー収容室およびテスト済ウェハー収容室を共に真
空に保ち、ウェハー取り込みドアとウェハー送り出しド
アを開放した状態で、ウェハー支持台上に置かれたウェ
ハーのテストが完了する毎に、ウェハー移送手段が、ウ
ェハー与熱台上のテスト済ウェハーをテスト済ウェハー
収容室に送り出した後、ウェハー低温保持台上にあるテ
スト完了直後のウェハーをウェハー与熱台上へ、ウェハ
ー予冷台上のウェハーをウェハー低温保持台上へ順次移
送し、そのあとで被検体ウェハー収容室より１枚のウェ
ハーを取り込み、ウェハー予冷台上に載せる。

被検体ウェハー収容室のウェハーがなくなれば、ウェハ
ー取込ドアを閉じて被検体ウェハー収容室を断熱室より
孤立させ、同収容室の蓋をあけて新しいウェハーを追加
する。次に蓋を閉じて内部を真空排気した後ウェハー取
り込みドアを開く。またテスト済ウェハー収容室内に蓄
積されたテスト済ウェハーを取り出す場合には、ウェハ
ー送り出しドアを利用してテスト済ウェハー収容室を一
旦断熱室より孤立させてからウェハー取り出し、その後
内部を再び真空排気し、ウェハー送り出しドアを開く。

〈作用〉 以上の説明より明らかなように、被検体ウェハーの貯蔵
、ウェハーのテストおよびテスト済ウェハーの送り出し
がすべて共通の真空空間内で行われ、しかも、被検体ウ
ェハーの追加やテスト済ウェハーの取り出しも、断熱室
を真空状態に孤立させた状態で行われるので、低温部を
室温に戻すために要する無駄な時間と労力を要しない。

長時間にわたり多数のウェハーをテストする場合には途
中でウェハー保持台に寒剤追加の必要はあるものの、原
理的には永久に、事実上連続して多数のウェハーをテス
トすることが可能となっている。

また、ウェハーの探針は、低温に保たれたプローブ・カ
ード保持板と熱接触を有して、事実上、テスト中のウェ
ハーと同じ温度に保たれているので、ウェハー上のテス
ト用端子の配置と探針の配列パターンの間に不整合を生
じることはない。

〈実施例〉 以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例におけるウェハー低温保持台１
とその周辺要素が断熱室８の内部に設けられている様相
を示す断面図で、ウェハー低温保持台１の上面にテスト
すべきウェハーＷがおさえバネＩＣで固定保持されてい
る状態を示している。

断熱室８の側壁には同室内を真空排気するための排気バ
ルブ８ａが設けられている。ウェハー低温保持台１には
液体窒素の液溜１ａが設けられており、配管１ｅを通じ
てそこに断熱室８の外部から液体窒素が供給される。蒸
発窒素ガスは配管１ｆを通じて断熱室８の外へ放出され
る。液体窒素により低温に冷却されたウェハー低温保持
台１の温度のコントロールは、ヒータ１ｂの電流を調節
することによって行われる。ウェハー低温保持台１の上
方にはプローブ・カード低温保持板３に保持されてプロ
ーブ・カード１１が位置し、同プローブ・カードより探
針１１ａが、ウェハー低温保持台１の上に置かれたウェ
ハーＷに接している。プローブ・カード低温保持板３に
は液体窒素を貫流させるパイプ３ａが設けられており、
液体窒素の寒冷は、プローブ・カード低温保持板３にプ
ローブ・カード１１を結合している熱伝導板３ｂを通し
てプローブ・カード１１とその探針１１ａに伝えられる
。このようにしてプローブ・カード１１と探針１１ａは
、ウェハー低温保持台に保持されたテストすべきウェハ
ーＷと事実上同じ低温に保たれるので、室温において調
整された、探針の配置とウェハー上のテスト端子の配置
との間の対応関係は、低温においても損われることはな
い。なお、ウェハー低温保持台１およびプローブ・カー
ド低温保持板３には、それぞれ、温度調節用のヒータ１
ｂおよび３ｃと、温度センサ１ｇおよび３ｄが設けられ
ており、液体窒素温度より高い温度においてもウェハー
の試験ができるようになっている。

また、ウェハー低温保持台１は熱絶縁体１ｄを介してウ
ヱハー台位置調節機構２の上に固定され、同機構により
その位置が調節されるようになっている。このウェハー
台位ＷＩＩ節機構２はウアーム・アンド・ギア、ラック
・アンド・ビニオン等の組み合わせから成り、モータ２
ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄによって駆動されて所定の範囲内
でウェハー低温保持台１に、水平面内での回軸と、上下
左右の直線変位を与えるが、既知の機構でありその詳細
は省く。

次に第２図は、第１図の断面線Ａ−Ａに沿った切断面を
表した図である。断熱室８にはウェハー低温保持台１の
ほかにそれを挟んで同一円周上にウェハー予冷台５とウ
ェハー与熱台６が配設され、中心には伸縮自在でかつ、
回転自在なウェハー移送手段７が設けられている。ウェ
ハー予冷台５は、テストすべき被検体ウェハーをウェハ
ー低温保持台１に載せる前に予冷するための冷却台であ
って、ウェハー低温保持台１と同様な液体窒素用液溜を
独自に設けるか、あるいは、フレキシブルな熱伝導体（
銅線または銅網の束等）を介してウェハー低温保持台１
に熱接触させる等の方法により低温に保持されるが、図
の複雑化を避けるため、そのような寒冷化手段の図示は
省略する。また、ウェハー与熱台６は、テスト済ウェハ
ーの温度を室温に戻すための加熱台であり、必要に応じ
てヒータ（図示せず）が設けられている。またウェハー
移送手段７はパンタグラフ７ａの先端にウェハーをつか
むトングズ７ｂを設けた構造を有するが、その回転、伸
縮およびトングズ開閉の具体的な機構は既知の技術分野
に属するものであり詳細な説明は省略する。なお、トン
グスには、ウェハ表面に損傷を与えないよう、柔軟物質
をコーティングしておく。以上の各構成要素を内包する
断熱室８には、開閉自在な気密のウェハー取り込みドア
９ｂとウェハー送り出しドア１０ｂを介して、それぞれ
被検体ウェハー収容室９とテスト済ウェハー収容室１０
が付属している。なお、ウェハー取り込みドア９ｂとウ
ェハー送り出しドア１０ｂは、いづれもスライド式で外
部より電動操作される（ドア開閉機構は図示せず）。被
検体ウェハー収容室９とテスト済ウェハー収容室１０に
はそれぞれ多数のウェハーを収納できる多段式のラック
１２および１３が、それぞれのガイド９ｃおよび１０ｃ
に沿って上下方向に滑動自在に収容されている。被検体
ウェハー収容室９およびテスト済ウェハー収容室１０は
、共に上面に気密な蓋（図示せず）が設けてあり、それ
をあけることにより、それぞれのラック１２゜１３は外
部に取り出すことができるようになっている。

なお、第１図および第２図において、第１図に限りウェ
ハー低温保持台１の液体窒素溜１ａに係わる配管１ｅと
１ｆは図示したが、プローブ・カード低温保持台３の液
体窒素貫流パイプ３ａへの配管やプローブ・カードに係
わる配線、並びにヒータ３ｃＨ１ｂ−、温度センサ３ｄ
、Ｉｇ、モータ２ａ。

２ｂ、２ｃ、２ｄおよび上記各種の電動機構への配線等
は、図の複雑化を避けるため図示を省略した。

これらの配管と配線は適当な気密ブッシングやハーメチ
ック・シールを用い、断熱容器８ないしは被検体ウェハ
ー収容室９およびテスト済ウェハー収容室１０の側壁を
貫いて外部に導かれている。

次のこの実施例の装置により一連のウェハー試験を行な
う方法を説明する。先ず被検体ウェハー用のラック１２
の全段にテストすべきウェハーを充填して同ラックを被
検体ウェハー収容室９に挿入し、テスト済ウェハー収容
室１ｏには空のテスト済ウェハー用ラック１３を挿入し
ておく。両ウェハー収容室９および１０の蓋（図示せず
）を閉じ、両ウェハー収容室９．１０と断熱室８を隔て
ているウェハー取り込みドア９ｂとウェハー送り出しド
ア１０ｂを全開する（共に外部よりの電動操作による）
。次に断熱室８、被検体ウェハー収容室９およびテスト
済ウェハー収容室１０を排気するためのそれぞれの排気
バルブ８ａ、９ａおよび１０ａの全部または一部を通じ
て（全バルブを使用することが望ましい）断熱室８と両
ウェハー収容室９および１０を同時に真空排気する。真
空度が所定の値に達すると、ウェハー低温保持台の液体
窒素溜め１ａと、プローブ・カード低温保持板３の液体
窒素還流用のパイプに液体窒素を供給する。（ウェハー
予冷台５が液体窒素による直接冷却型の場合には勿論そ
こにも供給する。）温度計１ｇを観視しながら、液体窒
素供給量とヒータ１ｂへの電流供給量をコントロールし
てウェハー低温保持台の温度を所定の値に調整する。

ウェハー低温保持台の温度が所定の値に安定すれば、ウ
ェハー移送手段７を操作しく外部よりの電動操作による
）、被検体ウェハー収容室９のラック１２よりウェハー
を取り出し、ウェハー予冷台５に載せる。現在は一連の
ウェハーテスト過程開始の段階にあるので、経験より得
られたウェハーの予冷に必要な時間経過したのち、ウェ
ハー予冷台上のウェハーをウェハー低温保持台１に移す
と共に、被検体ウェハー収容室９のランクより次のウェ
ハーを取り出しウェハー予冷台５に載せる。

（ラック１２よりウェハーを取り出す毎にラックが１段
づつ上方または下方に移動させ、常にウェハー移送手段
７によるウェハーの取り出しが可能な状態にしておく。

） 次に、断熱容器８の透明な天窓８ｂを通して、顕微鏡Ｍ
（第１図）でウェハー面をみながら、ウェハー台位置調
節機構２を操作して（外部より電気的にモータ２ａ、２
ｂ、２ｃ、２ｄを操作する）、ウェハー上の所定のチッ
プに設けられたテスト用端子とプローブ・カード１１の
探針１１ａ間に電気的接触を行わせ、チップの電気特性
をテストする。

・この操作がウェハー上のすべてチップについて完了す
れば、このテスト済ウェハーをウェハー与熱台６に移送
した後、直ちにウェハー予冷台５のチップをウェハー低
温保持台１に移送しく先行のウェハーのテスト期間中に
ウェハー予冷台上のチップは予冷完了している）、次の
チップを被検体ウェハー収容室９より取り出しウェハー
予冷台５に載せる。次にウェハー低温保持台上のウェハ
ーに対するテスト操作を開始する。テストが完了すれば
、ウェハー与熱台上のチップをテスト済チップ収容室１
０のラック１３へ送り出す。（ラック１３はチップが送
り込まれる毎に１段づつ上方または下方に移動させ、常
にテスト済チップの受は入れができるようにしておく。

）以後、ウェハーのテストが完了する毎に上記の過程を
、被検体チップ収容室のラック１２が空になるまで継続
する。

被検体ウェハー収容室９のラック１２が空になれば、ウ
ェハー取り出しドア９ｂを閉じ、バルブ９ａを通じて内
部に大気を導入、ラック１２を取り出して新たにウェハ
ーを供給する。ラック１２を再び被検体ウェハー収容室
９に挿入して後パルプ９ａを通じて再び内部を真空排気
し、それが完了すればウェハー取り出しドア９ｂを開き
、ウェハーのテスト作業を再開する。テスト済ウェハー
収容室１０のラック１３が満杯になった場合も、ウェハ
ー送り出しドア１０ｂとバルブ１０ａに関して上と全く
同様な一連の操作を行なう。

本発明はまた次のように変形実施することもできる。こ
の変形実施例では、ウェハー与熱台６に、加熱用ヒータ
だけでなく、ウェハー低温保持台１と同様な液体窒素に
よる寒冷化手段を設けると共に、テスト済ウェハー収容
室１０に赤外線等によるウェハー加熱装置が設けられて
いる。このように構成された変形実施例においても、上
記の寒冷手段に液体窒素を供給せず、また、赤外線によ
るウェハー加熱装置を作動させない状態では、その機能
は先に述べた実施例の場合と全く同様である。

しかし、この変形実施例によれば、ウェハーの試験項目
が少なく、テストのためにウェハーをウェハー低温保持
台１に保持して所定のテストを行なうに要する時間が非
常に短いために、ウェハー予冷台５に待機中の次の被検
体ウェハーが充分冷却されないというような場合でも、
与熱台６を（ヒータが設けられている場合にはヒータの
通電を止めて）、そこに液体窒素を供給することにより
第２の予冷台に転用してウェハーを充分に冷却すること
が可能になる。即ち、被検体ウェハーを本来の予冷台５
と、与熱台６を転用した第２の予冷台の２つの予冷台を
経てウェハー低温保持台１に移送させることにより、ウ
ェハーの検査時間が短くなっでも、被検体ウェハーは充
分予冷されることになる。また、テスト済ウェハーはウ
ェハー低温保持台１よりテスト済ウェハー収容室１０に
直接送り出され、上記の赤外線による加熱装置により、
同室内で室温に加熱される。

なお、上記いずれの実施例における操作も、その一部ま
たは全部を既知の自動化技術を応用して自動化できるこ
とは勿論である。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように、本発明によれば多数の
ウェハーをテストするに際して、ウェハーの供給、移送
、取り出しのいづれの段階においても、途中で低温領域
の真空を破り、同領域の温度をいったん室温に戻す必要
がないので、無駄な待時間と労力が事実上完全に排除さ
れるだけでなく、寒剤の消費が削減され、従って大幅な
エネルギー節約の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の一断面図である。 第２図は、第１図に示した断面線Ａ−Ａに沿った断面の
俯脆図である。 １・・・ウェハー低温保持台 ２・・・ウェハー台位置調節機構 ３・・・プローブ・カード低温保持板 ４・・・プローブ・カード低温保持板支持体５・・・ウ
ェハー予冷台 ６・・・ウェハー与熱台 ７・・・ウェハー移送手段 ８・・・断熱室 ９・・・被検体ウェハー収容室 １０・・・テスト済ウェハー収容室

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）寒剤を収容する空間と温度調節用ヒータとを有し
   上面にテストすべき半導体ウェハーを保持するよう構成
   されたウェハー低温保持台と、上記ウェハー低温保持台
   を所定の範囲内で３次元的に変位させるウェハー台位置
   調節手段と、半導体ウェハーをテストするためのプロー
   ブ・カードを保持すると共に同プローブ・カードの探針
   を冷却する手段であって、寒剤による被冷却手段と寒剤
   の温度をプローブ・カードの探針に伝える熱伝達手段と
   を有するプローブ・カード低温保持板と、このプローブ
   ・カード低温保持板を支持するためのプローブ・カード
   低温保持板支持手段と、テストすべき半導体ウェハーを
   予冷するための寒剤を収容する空間を有するウェハー予
   冷台と、テスト済半導体ウェハーの温度を事実上室温に
   上昇させるためのウェハー与熱台と、半導体ウェハーを
   取り込み、上記ウェハー予冷台と、上記ウェハー低温保
   持台と、上記ウェハー与熱台に順次移送した後外部に送
   出するためのウェハー移送手段と、上記ウェハー低温保
   持台、上記ウェハー台位置調節手段、上記プローブ・カ
   ード低温保持板、上記プローブ・カード低温保持板支持
   手段、上記ウェハー予冷台、上記ウェハー与熱台、およ
   び上記ウェハー移送手段を外部環境より断熱・収容する
   ための断熱室と、テストすべき複数個の半導体ウェハー
   を収容し、開閉自在な気密のウェハー取り込みドアを介
   して上記断熱室に併設された被検体ウェハー収容室と、
   テスト済半導体ウェハーを収容し、開閉自在な気密のウ
   ェハー送り出しドアを介して上記断熱室に併設されたテ
   スト済ウェハー収容室とを有し、上記断熱室だけでなく
   、上記被検体ウェハー収容室と上記テスト済ウェハー収
   容室にも真空排気手段が設けられて成る、半導体ウェハ
   ー低温試験装置。
2. （２）上記プローブ・カード低温保持板に温度調節用の
   ヒータが設けられていることを特徴とする、特許請求の
   範囲第１項記載の半導体ウェハー低温試験装置。
3. （３）上記ウェハー与熱台に温度調節用ヒータを設けた
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の半導体ウェハー低温試験装置。
4. （４）上記ウェハー与熱台に加熱用ヒータと寒剤を収容
   するための空間を設けると共に、上記テスト済ウェハー
   収容室にテスト済ウェハーの温度を室温に上昇させるた
   めの加熱手段を設けたことを特徴とする、特許請求の範
   囲第１項、第２項または第３項記載の半導体ウェハー低
   温試験装置。
5. （５）上記ウェハー移送手段が、回転自在で、かつ、伸
   縮自在なアームと、このアームの先端に設けられたトン
   グズより成ることを特徴とする、特許請求の範囲第１項
   、第２項、第３項、または第４項記載の半導体ウェハー
   低温試験装置。