JPS6258660B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体素子の超低温における諸特性
の測定を、ウエハー状態で行うことができ、しか
も測定すべき素子の選択を冷却状態を保ちつつ行
うことができる低温用プローバに関する。

従来、ジヨセフソン素子等の低温動作デバイス
の特性測定やDLTS（Deep Level Transient
Spectroscopy）法を始めとする半導体材料・素
子の評価を行う場合には、クライオスタツトが用
いられていた。ところが、クライオスタツトは一
般に冷却空間が狭く、しかも被測定物と直接電気
的コンタクトをとるためのプローブを通常備えて
いない。従つて、このクライオスタツトを用いて
半導体素子の低温における諸測定を行うために
は、被測定素子をウエハーから切り出した後、パ
ツケージに入れてボンデイング・封入するか、あ
るいは適当な治具を用いて導電性接着剤により電
気的コンタクトをとり、クライオスタツトに入れ
て冷却するという手順がとられていた。しかしな
がら、このような方法では、素子の良否の判定を
ウエハー段階で行うことができない、素子の切り
出し等に多大の手間が掛るとともに、歩留りが悪
化する、多数の素子を１回の冷却で測定すること
とが困難である関係上、被測定素子の交換毎に冷
却しなければならず、多量の冷媒、電力を必要と
し、不経済である等、多くの問題があつた。

そこで最近、プローブを備え、ウエハー状態で
低温における素子特性の測定を行うことができる
装置が提案されている。ところが、この装置にあ
つては、プローブと被測定素子との電気的コンタ
クトの調整、あるいは、測定すべき素子の選択を
冷却室外から行うことができない。このため、素
子の切り出しおよびパツケージ封入の手間を省け
るものの、電気的コンタクトの調整、あるいは測
定すべき素子の選択を行う必要がある場合には、
その都度冷却、昇温を繰り返さなければならず、
クライオスタツトによる測定と同様、きわめて不
経済であつた。

このように、従来の技術では、半導体材料・素
子の低温における諸特性の簡単な測定、特性のウ
エハー面内分布、ウエハー段階における素子の良
否の判定等、進歩を続ける半導体材料・素子技術
からの要求に対処することができなくなつてい
る。

本発明は、これらの欠点を除去し、半導体デバ
イスの試験、評価等をウエハー状態で効率よく行
うため、試料台と低温熱源とをそれぞれ別個の真
空室内に設置し、しかも、プローブの電気的コン
タクトの調整および被測定物の選択を試料台が設
置された真空室の外部から行うことができる構造
を実現したものである。

以下、本発明の一実施例について第１図ないし
第４図を参照して説明する。なお、第１図は本発
明に係る低温用プローバの一部を切欠いて示す正
面図である。

図中符号１は基台で、その上部には断熱構造の
箱体２が固定されている。この箱体２の内部空間
が第１の真空室３になつている。この第１の真空
室３の内部には、冷却装置４によつて冷却される
低温熱源５が設置されている。この低温熱源５
は、伝熱ワイヤ６を介して箱体２の上壁中央部に
形成された孔２ａから上方へ突出した移動片７に
熱的に接続されている。この移動片７は、油圧シ
リンダ等の駆動源８によつて上下方向に移動し得
るようになつている。また、箱体２の上壁には、
孔２ａを囲むようにして筒状の支柱９が立設され
ている。この支柱９の上端部の内側には、試料台
１０が固定されている。この試料台１０は、熱伝
導体によつて構成されており、その内部にはヒー
タ１１が設けられている。なお、符号１２は被測
定物としての半導体ウエハーである。また、試料
台１０の下端部には、前記移動片７とで熱スイツ
チＳを構成する固定片１３が固定されている。こ
の固定片１３の外周部にはベローズ１４の上端部
が固定されている。このベローズ１４の下端部
は、孔２ａを囲むようにして箱体２の上壁に固定
されている。従つて、孔２ａは固定片１３および
ベローズ１４によつて外部から密封され、ひいて
は第１の真空室３が外部から密封されている。

また、箱体２を跨ぐようにして基台１５が設置
されている。この基台１５の上面中央部には、孔
１５ａが明けられている。この孔１５ａの内周部
には、ベローズ１６の上端部が固定されており、
ベローズ１６の下端部は箱体２の上壁に固定され
ている。また、基台１５の上面には、断熱構造の
箱体１７が固定されている。この箱体１７の内部
空間が第２の真空室１８とされている。箱体１７
の底壁の孔１５ａに対応する部分には、孔１７ａ
が明けられている。そして、この孔１７ａを貫通
して前記支柱９が第２の真空室１８内に延在して
いる。従つて、試料台１０は第１の真空室３側に
固定されているものの、第２の真空室１８内に位
置するようになつている。また、箱体１７の上壁
には、試料台１０に対向する観察窓１７ｂが設け
られている。この観察窓１７ｂには、顕微鏡１９
が設置されている。なお、図中符号２０は被測定
物を交換する際に使用する交換窓である。

また基台１５の上面の図中左右両側部には、Ｘ
―Ｙステージ２１，２１が設置されている。この
Ｘ―Ｙステージ２１の上面には、位置合わせ構成
２２が設置されており、この位置合わせ機構２２
は、Ｘ―Ｙステージ２１を操作することにより、
図の表裏方向および左右方向に移動可能になつて
いる。しかも、位置合せ機構２２は、ねじ機構等
によつて図の左右方向に移動可能で、かつ上下方
向に揺動可能なプーロブアーム２２ａを備えてい
る。このプローブアーム２２ａは、箱体１７の側
壁に明けられた孔１７ｃを貫通し、第２の真空室
１８内に延在しており、その先端部には被測定物
１２に接触させられるプローブ２３が取り付けら
れている。このプローブ２３は、リード線２４お
よび気密コネクタ２５を介して図示しない測定器
に接続されている。なお、図中符号２６はベロー
ズで、一端が孔１７ｄを囲むようにして箱体１７
の側壁に固定され、他端がプローブアーム２２ａ
に固定されている。このベローズ２６により、プ
ローブアーム２２ａは第２の真空室１８の内部状
態を保持したままで、その長さ方向に移動できる
ようになつている。

次に、上記のように構成された低温用プローバ
の動作について説明する。

まず本発明を起動するにあたつて、第１の真空
室３の排気を行つた後、冷却装置４を動作させ、
低温熱源５を冷却して超低温に保持する。一方、
第２の真空室１８に設けられた交換窓２０からウ
エハー状の被測定物１２を試料台１０上に載せ
る。その後、交換窓２０を閉じ、第２の真空室１
８内を排気して真空にする。次に、熱スイツチＳ
をON状態にし、試料台１０および被測定物１２
を冷却する。被測定物１２が所定の温度に到達し
た後、観察窓１７ｂを通して顕微鏡１９で観察し
ながら、位置合せ機構２２によつてプローブ２３
の位置合せを行い、所望の素子に電気的コンタク
トをとる。そして、プローブ２３にリード線２４
および気密コネクタ２５を介して接続された測定
器により、所定の温度ないし温下掃引条件の下で
測定を行う。さらに、測定点を変更する場合に
は、Ｘ―Ｙステージ２１を駆動してプローブ２３
の概略の位置合せを行い、その後位置合せ機構２
２により、プローブ２３の正確な位置合せを行
う。

このように、本装置においては、第２の真空室
１８の外部からプローブ２３の位置合せを行うこ
とができるので、プローブ２３と被測定物１２と
の電気的コンタクト不良の調整や、同一の被測定
物１２上の他の素子の選択を、第２の真空室１８
内を大気圧に戻したり、被測定物１２を常温に戻
したりすることなく簡単に行うことができ、特性
のウエハー面内分布等も容易にかつ短時間で求め
ることができる等の利点がある。

また、被測定物１２を交換する場合には、熱ス
イツチＳをOFF状態にし、結露を避けるために
ヒータ１１により試料台１０および被測定物１２
を加熱して常温に戻す。その後、第２の真空室１
８内を大気圧にし、そして交換窓２０を通して被
測定物１２の交換を行う。その後、第１の真空室
１８内の排気、試料台１０および被測定物１２の
冷却、被測定素子の選定など、前述の手順を繰り
返す。

このように、本装置においては、試料交換に伴
なう昇温、冷却を熱容量の小さい試料台１０と被
測定物１２についてのみ行えばよく、しかも第１
の真空室３を常に真空状態に保持しておくととも
に、低温熱源５を超低温に保つているので、被測
定物交換毎に装置全体の昇温、冷却を繰り返す従
来の装置に比べると、冷却に要するエネルギーが
格段に少なくて済み、しかも、交換時間も短かく
て済む効果がある。また、本実施例においては、
位置合せ機構２２をＸ―Ｙステージ２１により試
料台１０に対して移動し得るように構成している
から、プローブ２３の位置決め自由度が位置合せ
機構２２のみで行う場合よりも高く、測定点の選
択および変更をより迅速にかつ正確に行うことが
できる利点がある。

以上が本装置の操作手順であるが、さらに、本
実施例においては、誤操作をさけて実験を安全に
行うとともに、操作を単純化する等の目的から、
プローブ２３の操作以外の全ての操作をマイクロ
プロセツサー内蔵の装置コントローラにより自動
シーケンス制御している。次に、そのような自動
シーケンス制御について第２図を参照して説明す
る。

制御シーケンスとしては、冷却装置起動、被測
定物冷却、温度保持、掃引（正、負）および被測
定物交換の４種類があり、さらにコントローラー
自身のシーケンスとして自己診断、キーボード割
込、外部インターフエース割込みの３種類があ
る。各シーケンスは、読出し専用メモリーROM
に書き込まれており、マイクロプロセツサー
CPUがこのシーケンスに従つてＩ／Ｏバス経由
のポートL₁〜L₆により排気バルブ、真空ポンプ
および冷却装置等を駆動制御し、センサーS₁〜S₃
およびＡ／Ｄコンバータにより真空度、温度を読
み込みメモリーRAMに記憶させるとともに、
ROMと比較しながらＤ／Ａコンバータを介して
ヒータＨを制御する等の動作を実行するように構
成されている。パネルPANELキーボードからの
マニユアル操作も無論可能である。さらに、外部
インターフエースIFが設けられており、外部コ
ントローラーによる本装置の制御も可能で、他の
測定器類と組合せて低温自動計測システムを構成
することもできる。

次に上記のような冷却装置を実際に動作させた
際のデータを示すことにより、本発明をより明ら
かにする。

第３図は、冷却装置として2KW程度の能力の
クライオポンプを用い、直径３インチのシリコン
ウエハーを冷却したときの温度時間特性の一例で
ある。この図から明らかなように、本装置におい
ては、比較的小さな能力の冷却装置を用いても、
室温から40〜77゜Ｋの低温までの冷却を、約１〜
２時間の短時間のうちに行うことができる。

また、第４図は温度シーケンスを実行した例
で、掃引レートは１、0.01k／secであつて良好な
直線性を得ることができる。

なお、上記実施例においては、位置合せ機構２
２を試料台１０に対して水平方向に移動可能にし
ているが、これとは逆に試料台１０を位置合せ機
構２２に対して水平方向に移動可能にしてもよ
い。また、位置合せ機構２２と試料台１０とは互
いに上下方向に相対移動可能な構成としてもよ
い。

また、上記実施例においては、第２の真空室１
８と試料台１０との位置を移動し得ない構成とし
ているが、これらを互いに水平方向および上下方
向に相対移動可能な構成としてもよい。このよう
な構成とすることにより、顕微鏡１９の被測定物
に対する位置を常に適正なものとすることができ
る。

以上説明したように、本発明の低温用プローバ
によれば、ウエハー状態の被測定物を切断した
り、パツケージに封入したりする手間を省くこと
ができるのは、勿論のこと、プローブの位置合せ
機構を第２の真空室に設置しているから、冷却状
態において、つまり第２の真空室内の昇温、冷却
を繰り返すことなく半導体素子へのプロービング
が可能となり、ひいては、特性のウエハー内分
布、ウエハー段階でのデバイスの良否判断等を短
時間で行うことができる。また、試料台と低温熱
源とをそれぞれ第２の真空室と第１の真空室とに
分離しているから、昇温、冷却に要する時間の短
縮を計ることができ、冷却エネルギを節約するこ
とができる。さらに、試料台にヒータを設けてい
るから、被測定物を交換する際に、測定を完了し
た被測定物の結露を防止することができる。さら
にまた、用途に応じて冷却装置の種類、能力を選
べるので融通性に富んだ装置を実現することがで
きる等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す一部切欠き正
面図、第２図はそのコントローラーを示す構成
図、第３図は本装置を用いた３インチシリコンウ
エハーの冷却特性例を示す図、第４図は温度、掃
引特性を示す図である。 ３…第１の真空室、５…低温熱源、１０…試料
台、１１…ヒータ、１２…被測定物（半導体ウエ
ハー）、１７ｂ…観察窓、１８…第２の真空室、
２１…Ｘ―Ｙステージ、２２…位置合せ機構、２
２ａ…プローブアーム、２３…プローブ、Ｓ…熱
スイツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 低温熱源を内蔵する第１の真空室と、観察窓
   が設けられた第２の真空室と、この第２の真空室
   内の前記観察窓から見える部分に設置され、前記
   低温熱源と熱スイツチを介して熱的に接続され、
   かつヒーターを有する熱伝導体製の試料台と、前
   記第２の真空室の外部に設けられ、前記試料台に
   載せられた半導体ウエハーに接触せしめられるプ
   ローブを、一端部が前記第２の真空室内に内部状
   態を保持して挿入されかつ移動自在なプローブア
   ームを介して位置決め移動させる位置合わせ機構
   とを備えてなることを特徴とする低温用プロー
   バ。 ２ 前記第２の真空室は、前記試料台に対して相
   対移動自在であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の低温用プローバ。