JPH02312254A - 低温特性測定装置 - 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】 〔｝概要〕 半導体装置の低温特性を測定する装置に関し、プローブ
用針と測定電極との接触位置への水の凝縮による誤測定
を無くすることを目的とし、半導体装置の低温特性を測
定する装置が、排気系（５）を備えた真空チャンバ（１
）のステージ（２）の上に半導体装置（３）を載置し、
該ステージ（２）を真空の状態で極低温にまで冷却可能
な冷却系（４）と、半導体装置（３）に設けられている
複数の電極にプローブ用針（９）を接触させ、該半導体
装置（３）の電気的特性を測定するプローブカード（８
）と、該半導体装置（３）に設けられている電極とプロ
ーブ用針（９）との接触領域にマイクロ波（１２）を放
射するマイクロ波発生器（ｌｌ）とを少なくとも備えて
低温特性測定装置を構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置の低温特性を信幀性良く測定できる
低温特性測定装置に関する。

大量の情報を高速に処理する必要からスーパーコンピュ
ータなどの高速演算装置や高速情報通信システムなどの
性能向上が要望されており、この高速動作を実現する方
法として、半導体装置の低温駆動が実用化されつ＼ある
。

こ＼で設定される温度は冷却による半導体装置の性能向
上の度合と、実用化された場合の冷却に要するコストの
両面から、液体窒素の沸点（絶対温度７７に、以下液体
窒素温度と呼ぶ）が用いられている。

さて、半導体装置の製造においては、製造プロセスが終
わってパッケージング工程に入る前に、ウェハの状態で
半導体素子の表面に設けられている電極にプローブ用針
を接触させて電気的特性を測定し、特性の評価を行う必
要がある。

そこで、低温特性を測定するためにウェハを冷却すると
、半導体素子の表面に水の凝結が生じ、表面にパターン
形成されている取り出し電極（以後パッド）とプローブ
用針との電気的接触を妨げ、正確な測定ができないだけ
でなく、絶縁状態になることが多い。

そのため、半導体装置の低温特性を測定するためには接
触部分に水の凝縮が起こらないような測定装置を使用す
る必要がある。

〔従来の技術〕

第５図は低温におけるウェハ・ブロービングに使用する
装置の断面を示すもので、真空チャンバ１の中にはステ
ージ２があって、半導体装置（以下略してウェハ）３を
固定すると共に、この下側には冷却系４があり、液体Ｎ
２を供給することによりステージ２を通してウェハ３を
冷却できるようになっている。

また、真空チャンバ１には排気系５があり弁６により高
真空排気や給気が可能なように構成されている。

次に、真空チャンバ１の上にはウェハ３の出し入れを行
うための窓７があり、また真空チャンバＩの中にはブロ
ービングを行うためのプローブカード８があり、この下
面は多数のプローブ用針９が備えられていて、プローブ
用針９がウェハ３のバンドに正しく接触するようにプロ
ーブカード８の移動機構が設けられている。

そして、測定方法としては排気系５を動作させて真空チ
ャンバ１の中を高真空に排気した後、冷却系４に液体Ｎ
！を循環し、ステージ２を通してウェハ３の冷却が行わ
れている。

こ＼で、冷却を高真空の下で行う理由は空気と共に空気
中の水分を真空チャンバｌの外に排出することによって
冷却したウェハ３の表面に水が凝結するのを防ぐためで
ある。

然しなから、真空チャンバ１の中にはプローブカード８
を駆動させる機構部分や動力源となるモータなども収納
されているために容積が大きく、またウェハ３の交換や
測定する半導体装置の種類の変更に従ってプローブカー
ド８の交換が必要となることなどから、真空チャンバ１
を頻繁に大気圧に戻す必要がある。

これらのことから、分子ターボポンプを動作させても室
温で精々１０−５ｔｏｒｒ程度までにしか下げることが
できない。

このため、真空チャンバ１の中に残留している水分子が
冷却によって低温となっているウェハ３の表面やステー
ジ２の表面に次第に凝結し、３０分〜１時間の掻く短い
時間内に測定が終る場合を除いてプローブ用針９七パッ
ドとの間に正しい電気的接触を得ることができなくなり
、場合によっては絶縁状態となる。

そして、多数のプローブ用針９の内の一本でも絶縁状態
となると半導体素子の特性評価は不可能となることから
、この解決が必要であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上記したように、ウェハ・ブロービングにより半導体
素子の低温特性を測定する際に、真空チャンバ内の容積
が大きく、駆動機構があり、また頻繁に大気圧に戻す必
要があることなどから、強力な排気系を用いても１０−
’ｔｏｒｒ程度までにしか真空度を上げることができず
、プローブ用針とパッドとの間に安定した電気的接触を
得ることができないのが問題で、この解決が課題である
。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は排気系を備えた真空チャンバのステージ上
にウェハを載置し、このステージを真空の状態で極低温
にまで冷却可能な冷却系と、ウェハ上の半導体素子に設
けられている複数のパッドにプローブ用針を接触させ、
半導体素子の電気的特性を測定するプローブカードと、
この半導体素子に設けられているパッドとプローブ用針
との接触領域にマイクロ波を照射するマイクロ波発生器
とを少なくとも備えた低温特性測定装置を使用すること
により解決することができる。

〔作用） 第４図は水の状態図であって、横軸には温度（”Ｃ）を
、また縦軸には気圧（ａｔｍ）がとっである。

すなわち、１気圧に保って低温より温度を上げてゆくと
、０°Ｃで固相（氷）より液相（水）に変わり、１００
°Ｃで気相（水蒸気）となるが、気圧が０．００６　ａ
ｔｍ　＝４．５７９　ｔｏｒｒ以下となると、平衡状態
では固相（氷）と気相（水蒸気）のみが存在するので水
の影響を無くすることができる。

この原理を利用して従来はウェハ・ブロービングによる
低温特性の評価が行われてきた。

然し、現実には平衡状態に達するには時間を要し、また
、充分には気圧が下がらぬことから液体Ｎ２の温度にお
いても半導体素子の表面に氷或いは水の凝縮が起こるこ
とになる。

本発明は真空チャンバ内の気圧を充分に下げて気相（水
蒸気）のみとすることは実際には困難なことがらウェハ
とプローブ用針の表面に凝結した氷或いは水にマイクロ
波を照射して加熱し、水蒸気とすることにより半導体素
子に設けられているパッドとプローブ用針の針先との電
気的接触を長時間に亙って安定に保持するものである。

こ＼で、加熱の方法としてヒータ加熱や赤外線の照射な
どの加熱法を用いず、マイクロ波の放射による加熱法を
用いる理由は、半導体素子を加熱することなく、氷或い
は水だけを加熱して除去するためである。

そのためには、マイクロ波の周波数として水の［員失係
数（εＸ　ｔａｎ　δ）（こ−でεは比誘電率、　ｔａ
ｎδは誘電体損失角）が大きくなる周波数を用いるのが
効果的であり、その周波数は８９０〜９４０　ＭＨｚ或
いは２４２０〜２４８０ＭＨｚである。

このように減圧された低温のもとで特定の周波数のマイ
クロ波をプローブ用針とパッドの接触部の周辺に照射す
る場合の利点は、 ■　氷或いは水目体が発熱源となるので余分な熱量は発
生せず、氷或いは水がなくなれば発熱が止まること。

■　真空チャンバ内は減圧下にあるために沸点が低く、
表面に凝結している氷或いは水も微量なので、気化（昇
華）に要する熱量は少なく、そのため、半導体素子やプ
ローブ用針の温度上昇を起すことはない。

■　半導体素子やプローブ用針は氷或いは水を含んでい
ないので直接に加熱されることはない。

以上のことから、本発明に係る低温特性測定装置を使用
して測定を行うには、排気系を動作させて真空チャンバ
内の気圧が１０−４〜ＩＯ−’ｔｏｒｒにまで減圧した
後、冷却系を動作させて冷却を行う。

そして、ウェハの温度が下がって０〜数°Ｃになるとス
テージ付近の冷えた部分に水が結露して気圧が急激に下
がり始めるので、マイクロ波発生器を動作させて真空チ
ャンバ内にマイクロ波を放射して周囲についた水（氷）
を気化させる。

以後、冷却を行う間マククロ波の放射を続け、ウェハ表
面とプローブ用針に水が凝結するのを防ぐようにする。

ウェハが所定の温度にまで冷却してからプローブカード
を駆動系により移動させて、プローブ用針の先端を半導
体素子のパッドに接触せしめる。

この状態で電気的測定を行う間だけマイクロ波の放射を
止めて特性の評価を行えばよい。

〔実施例〕

第１図および第２図は本発明に係る低温特性測定装置の
構成を示すもので、マイクロ波発生器１１と導波管１３
などのマイクロ波照射設備が付加した以外は従来の装置
と変わらない。

すなわち、真空チャンバ１の中にはウェハ３を固定する
ステージ２があって、この下側には液体Ｎ２が循環する
冷却系４がある。

また、真空チャンバｌには弁６を伴う排気系５があって
高真空にまで排気が可能である。

一方、ウェハ３の交換は真空チャンバｌの上部に設けた
窓７を通じて行われるが、この窓はＯリングなどの使用
により気密封止されている。

また、真空チャンバ１の中には多数のプローブ用針９を
備えたプローブカード８があり、図示を省略した移動機
構によりウェハ３の多数の半導体素子に設けられている
パッドにプローブ用針９が当接できるように構成されて
いる。

第１図はマイクロ波発生器１１から放射され、図では破
線で示すマイクロ波１２を導波管１３により真空チャン
バ１に導き、モータ１４によって回転するスター子１５
によってマイクロ波１２を散乱させ、ウェハ３やプロー
ブ用針９に凝結する水（氷）を均一に加熱させる構造で
ある。

こ−でモータ１４により回転するスター子１５はマイク
ロ波の反射板として働いている。

また、第２図は導波管１３を真空チャンバ１の上部に設
け、スター子１５の代わりにマイクロ波の出口を複数個
設けることにより、マイクロ波の電界の向きをなるべく
揃えないようにすることにより均一加熱を行うものであ
る。

なお、本発明に係る測定装置を使用する場合にはマイク
ロ波発生器１１から見た負荷は真空チャンバｌの中のス
テージ２やウェハ３の上に付着している微量の水（氷）
であることから、マイクロ波発生器（マグネトロンまた
はタライストロン）と負荷とのインピーダンス整合を行
う必要があり、整合がとれていない場合は、マイクロ波
発生器から放射されたマイクロ波が反射されて発振器側
へ戻ってきて、マイクロ波発生器を破損する恐れがある
。

そこで、第３図に示すようにマイクロ波発生器１１と真
空チャンバ１との間にアイソレータ１６．パワーモニタ
１７およびインピーダンス調整器１８を配置する必要が
ある。

すなわち、パワーモニタ１７で進行波は反射波の電力を
測定し、インピーダンス調整器１８で位相を調整してイ
ンピーダンス整合を行うようにすればよい。

なお、アイソレータエ６は反射波を内部で吸収する装置
でマイクロ波発生ｆｉｌｌを保護するためのものであり
、この代わりにサーキュレータを用いてもよい。

〔発明の効果〕

本発明に係る低温特性測定装置を使用すれば、長時間に
亙ってプローブカードのプローブ用針とウェハのパッド
との間の電気的接触を確保できるので、半導体装置の低
温特性を信幀性よく連続して測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置構成の一例を示す断面図、 第２図は本発明に係る装置構成の他の例を示す断面図、 第３図はインピーダンス整合回路、 第４図は水の状態図、 第５図は従来の装置構成を示す断面図、である。 図において、 １は真空チャンバ、　　　　２はステージ、３はウェハ
、　　　　　　　４は冷却系、５は排気系、　　　　　
　　８はプローブカード、９はプローブ用針、　　　１
１はマイクロ波発生器、１２はマイクロ波、　　　　１
３は導波管、１５はスター子、 １６はアイソレータまたはサーキュレータ、１７はパワ
ーモニタ、 １８はインピーダンス調整器、 である。 な７し・ 第　１　図 本免明１：條３侵置構成のイナクー例に示す断酊図イニ
ビーダンス整合口６ 第３図 １屓（Ｃ） 永の伏組図 第４７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体装置の低温特性を測定する装置が、 排気系（５）を備えた真空チャンバ（１）のステージ（
   ２）上に半導体装置（３）を載置し、該ステージ（２）
   を真空の状態で極低温にまで冷却可能な冷却系（４）と
   、 半導体装置（３）に設けられている複数の電極にプロー
   ブ用針（９）を接触させ、該半導体装置（３）の電気的
   特性を測定するプローブカード（８）と、該半導体装置
   （３）に設けられている電極とプローブ用針（９）との
   接触領域にマイクロ波（１２）を放射するマイクロ波発
   生器（１１）とを少なくとも備えてなることを特徴とす
   る低温特性測定装置。