KR100986805B1 - 온도 가변형 프로브 스테이션 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 프로브 스테이션에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예는 반도체 소자의 전기적 특성을 측정하기 위한 프로브 스테이션에 있어서, 내부관찰을 위해 일측에 투명창이 설치되는 챔버, 챔버 내에 설치되고 반도체 소자를 지지하며 평면이동 가능한 척, 척의 내부에 삽입 설치되어 척을 가열하는 전열선, 척의 내부에 삽입 설치되어 척을 냉각시키며 액상 또는 기상의 냉매가 흐르는 냉각라인, 및 척의 상부 일측에 설치되고 반도체 소자의 표면에 접촉되도록 프로브를 이동시키는 매니퓰레이터를 포함하는 온도 가변형 프로브 스테이션을 제공한다.
프로브 스테이션, 반도체, 소자, 챔버, 척, 가열, 냉각, 매니퓰레이터

Description

온도 가변형 프로브 스테이션{PROBE STATION OF VARIABLE TEMPERATURE}
본 발명은 반도체 소자의 특성파악을 위해 사용되는 프로브 스테이션에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광소자 및 전자소자의 특성파악에 모두 용이한 극저온 및 고온 겸용 척을 구비한 온도가변형 프로브 스테이션에 관한 것이다.
일반적인 프로브 스테이션(Porbe Station)은 제작된 디스플레이 소자나 발광소자의 I-V 특성 및 C-V 특성 등을 통해 반도체 소자의 전기적인 특성을 파악하기 위해 사용하는 장비로서, 현미경으로 샘플을 관측하면서 미소거리를 이동한 후 탐침(Probe)으로서 샘플의 접촉을 가능하게 하며, 또한 이와 더불어 CCD 카메라 등을 통해 미세한 부분의 정밀관측 및 영상확인을 가능하게 하는 장비이다.
이러한 프로브 스테이션은 반도체 소자의 특성파악을 위해서는 꼭 필요한 기초적인 테스트 장비이며 반도체 관련 연구실이나 반도체 공장에서 필수적으로 구비하여야 할 장비이다.
그런데, 현재 이용되고 있는 대부분의 프로브 스테이션은 상온, 상압 조건에 서의 기본 특성만을 위해 적용된 것이며, 최근 고출력의 정밀도를 요하는 신소재의 개발을 위해, 광소자 및 전자소자의 특성파악에 모두 용이하고 극저온 및 고온(80K~570K) 겸용 척(chuck)을 구비한 온도가변형 프로브 스테이션에 대한 필요성이 증가하는 추세이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예는 반도체 소자의 전기적 특성을 측정하기 위한 프로브 스테이션에 있어서, 내부관찰을 위해 일측에 투명창이 설치되는 챔버, 챔버 내에 설치되고 반도체 소자를 지지하며 평면이동 가능한 척, 척의 내부에 삽입 설치되어 척을 가열하는 전열선, 척의 내부에 삽입 설치되어 척을 냉각시키며 액상 또는 기상의 냉매가 흐르는 냉각라인, 및 척의 상부 일측에 설치되고 반도체 소자의 표면에 접촉되도록 프로브를 이동시키는 매니퓰레이터를 포함하며, 극저온 및 고온에서 광소자와 전자소자의 특성을 확인할 수 있는 온도 가변형 프로브 스테이션과 관련된다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 반도체 소자의 전기적 특성을 측정하기 위한 프로브 스테이션에 있어서, 내부관찰을 위해 일측에 투명창이 설치되는 챔버, 챔버 내에 설치되고 반도체 소자를 지지하며 평면이동 가능한 척, 척의 내부에 삽입 설치되어 척을 가열하는 전열선, 척의 내부에 삽입 설치되어 척을 냉각시키며 액상 또는 기상의 냉매가 흐르는 냉각라인, 및 척의 상부 일측에 설치되고 반도체 소자의 표면에 접촉되도록 프로브를 이동시키는 매니퓰레이터를 포함하는 온도 가변형 프로브 스테이션이 제공된다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 척의 하부에서 척을 지지하는 스테 이지를 더 포함하되, 스테이지의 일측에는 척의 평면이동을 조절할 수 있는 한 쌍의 조절노브가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 척으로부터 스테이지로의 열전달을 방지하기 위해, 척의 저면과 스테이지의 상측면 사이에 적어도 하나 이상의 세라믹 단열체가 개재되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 챔버의 전면에는 전방투명창이 설치되고, 챔버의 상측면에는 상부투명창이 설치되며, 상부투명창의 상부에는 CCD 카메라가 설치되어 상부투명창을 통해 챔버의 내부 촬영이 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 척은 무산소동 재질에 골드코팅한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 온도 가변형 프로브 스테이션에 의하면, 고출력, 고휘도의 광소자뿐만 아니라, 고주파용 케이블 및 매니퓰레이터를 사용하여 고주파용의 전자소자에 대한 전기적 특성파악에도 유효하게 사용할 수 있고, 반도체 발광소자의 개발 초기에 극저온 실험을 통해 소자의 개발가능성을 확인할 수 있으며, 제작된 발광소자의 고온에 대한 내력 테스트를 통해 소자의 수명 및 온도변화 특성을 파악할 수 있다.
또한, 종래의 소형 챔버에 비해 넓은 공간을 확보할 수 있으므로 보다 다양한 구조의 설계 및 광소자 특성 파악에 유리한 장점이 있다.
또한, 챔버의 진공을 10-3torr 상태로 유지함으로써, 척 냉각시 척의 표면에 생성되는 습기 발생을 차단할 수 있어, 원하는 온도에 따른 샘플의 온도 특성을 정확히 파악할 수 있다.
또한, 척 내부에서 온도 조절이 이루어지므로, 챔버 내의 분위기 가스를 원하는대로 주입할 수 있어 다양한 가스 분위기에서 샘플의 특성을 확인할 수 있다.
또한, 세미-오토 방식의 매니퓰레이터를 사용함으로써, 챔버의 외부에서 프로브의 조절이 가능하므로 동일한 진공도, 온도, 무수증기, 분위기 가스의 조건에서 한 개의 샘플의 다른 부분에 대한 특성 파악이 용이해, 전체적인 특성파악의 용이함을 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라서 상세히 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 온도 가변형 프로브 스테이션의 사시도, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 가변형 프로브 스테이셔의 내부절개도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 전열선과 냉각라인을 구비한 척의 개략도, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플레이트링과 스테이지 및 척을 도시한 사시도, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 매니퓰레이터를 도시한 사시도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 온도 가변형 프로브 스테이션(100)은 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 크게 챔버(200)와, 챔버(200) 내에 설치되고 반도체 소자(미도시)를 지지하는 척(300)과, 척(300)을 가열하는 전열선(310)과, 척(300)을 냉각시키는 냉각라인(320), 및 프로브(510)를 이동시켜 반도체 소자의 표면에 접촉시키는 매니퓰레이터(500)를 포함한다.
여기서, 챔버(200)는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 샘플인 반도체 소자의 전기적 특성 측정작업이 진행되는 동안, 반도체 소자에 대한 습기 등 외부환경으로부터의 영향을 최소화하고 온도나 압력 등 일정한 조건을 부여할 수 있도록 밀폐된 공간을 제공하는 것으로, 전면과 상측면에 각각 전방투명창(210)과 상부투명창(220)이 설치되고 내부에 공간을 가진 육면체 형상의 상자이다.
이때, 챔버(200)는 전면의 도어(door)(230)에 의해 내부를 개폐할 수 있으며, 도어(230)의 개폐가 용이하고 밀폐가 잘 이루어지도록 도어(230)의 일측에는 잠금장치(231)가 구비된다.
또한, 챔버(200)의 양 측면과 후면에는 다수의 커넥터(240)가 구비되는데, 이 커넥터(240)를 통해서 챔버(200) 내부로 다양한 종류의 케이블이 연결될 수 있으며, 예를 들어 진공펌프(미도시)를 연결하여 챔버(200) 내부를 진공으로 유지시키거나, 전원케이블을 연결하여 챔버(200) 내부에서 전원을 필요로 하는 장치에 전원을 인가할 수도 있고, 분위기 가스를 주입할 수도 있다.
한편, 챔버(200)의 상측면 후단에는 지지대(250)가 결합되고, 이 지지대(250)에는 브래킷(251)에 의해 CCD 카메라(260)가 결합되며, CCD 카메라(260)는 상부투명창(220)을 통해 챔버(200) 내부의 실험과정을 촬영할 수 있게 된다.
도 2와 도 4에 도시된 바와 같이, 챔버(200) 내부의 바닥면에 베이스 플레이트(270)가 설치되고, 이 베이스 플레이트(270)의 상측에 육면체 블록 형상의 스테이지(280)가 설치되는데, 이 스테이지(280)는 후술하는 척(300)을 지지하는 한편, 척(300)을 평면방향 즉, 전후좌우로 이동시키는 역할을 하는 것으로, 스테이지(280) 전면에는 척(300)을 전후이동시키기 위한 전후이동노브(281)가 구비되고, 스테이지(280)의 일측면에는 척(300)을 좌우이동시키기 위한 좌우이동노브(282)가 구비된다.
더욱 상세하게 설명하자면, 스테이지(280) 상측 중앙에 원판형상의 이동블록(283)이 구비되고 이 이동블록(283)에 척(300)이 지지되는데, 사용자가 전후이동노브(281) 또는 좌우이동노브(282)를 조작함으로써 이동블록(283)이 전후이동 또는 좌우이동하게 되며, 아울러 이동블록(283)에 지지된 척(300)이 함께 전후이동 또는 좌우이동하게 되는 것이다.
스테이지(280)의 상측에 지지되는 척(300)은, 샘플인 반도체 소자를 지지하고 일정온도로 유지시키는 역할을 한다.
여기서, 척(300)은 소정 두께를 가진 원판형상이며 도 3에 도시된 바와 같이, 내부에는 전열선(310)과 냉각라인(320)이 서로 이격하여 지그재그 형태로 설치되는데, 이에 따라 냉각라인(320)을 따라 액체질소 등 액상 또는 기상의 냉매가 흐 르면서 척(300)을 냉각시키고, 전열선(310)에 전원이 인가되어 척(300)의 온도를 상승시키게 된다.
이때, 지속적으로 냉각라인(320)에 냉매를 공급하여 척(300) 내부의 온도를 균일하게 유지하면서, 전열선(310)에 인가되는 전류를 조절하여 요구되는 온도로 조절하는 것이 바람직하고, 냉각라인(320)의 입구(321)와 출구(322) 사이 즉, 척(300)의 중앙부에 온도감지센서(330)를 삽입 설치하여, 챔버(200)의 일측에 설치되는 온도조절장치(600)를 통해 척(300)의 내부 온도를 확인할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 온도편차를 최소화하면서 척(300) 내부의 온도를 균일하게 유지할 수 있고, 하나의 샘플에 대하여 온도를 상승시켜 가면서 다양한 온도범위에서 측정 작업 후, 다시 다른 샘플에 대하여 측정 작업을 계속하고자 하는 경우 냉각라인(320)에 의해 최초의 온도로 빠르게 냉각시켜 셋팅할 수 있으므로, 종래의 프로브 스테이션에 비해 더욱 정확한 측정값을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 측정에 소요되는 시간도 단축시킬 수 있게 되는 것이다.
아울러, 척(300) 내부에서 열전달이 빠르고 균일하게 이루어지도록, 척(300)은 무산소동에 골드코팅한 재질의 것을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 척(300)으로부터 스테이지(280)로 열전달에 의한 열손실을 방지하기 위해, 척(300)과 스테이지(280) 사이에는 세라믹 단열체(290)가 개재된다. 즉, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 작은 원기둥 형상을 한 다수의 세라믹 단열체(290) 가 이동블록(283)의 가장자리에 원주방향으로 둘러서게 되고, 이 세라믹 단열체(290)의 상측에 척(300)이 지지됨으로써, 척(300)으로부터 스테이지(280)로 열손실이 발생되는 것을 방지하게 되는 것이다.
스테이지(280)의 후방에 서로 이격하여 한 쌍의 가이드바(410)가 설치된다. 그리고, 이 가이드바(410)를 따라 플레이트링(400)이 승강하게 되는데, 플레이트링(400)은 '∩' 형상의 플레이트이고 후단이 브래킷(411)에 의해 가이드바(410)에 결합되며, 일측에 마련된 승강조절바(420)에 나사결합됨으로써 승강이 가능하다. 이때, 척(300)은 플레이트링(400) 양단의 돌출부(401) 사이에 위치하며, 승강조절바(420)에는 미세조절을 위해 마이크로미터(micrometer)가 구비되는 것이 바람직하다.
플레이트링(400) 양단의 돌출부(401)에 다수의 매니퓰레이터(500)가 장착되는데, 장착되는 매니퓰레이터(500)의 개수는 실험목적과 실험방법 등의 조건에 따라 사용자가 선택할 수 있고, 이 매니퓰레이터(500)는 척(300)에 지지된 반도체 소자에 프로브(510)를 이동시켜 접촉시키는 역할을 하는 것으로, 바닥면에 구비된 마그네트(미도시)에 의해 플레이트링(400)의 상측면에 흔들리지 않게끔 장착된다.
그리고, 프로브(510)는 프로브홀더(511)와, 프로브홀더(511)의 선단에 구비되는 프로브암(512)과, 프로브암(512)의 끝단에 구비되는 프로브팁(513)으로 구성되는데, 프로브홀더(511)의 일단부는 매니퓰레이터(500)에 장착되고 프로브팁(513) 은 반도체 소자의 표면에 접촉하게 된다.
이때, 반도체 소자의 표면에 정확하게 프로브팁(513)을 접촉시키기 위해 매니퓰레이터(500)를 작동시켜 프로브(510)를 이동시키게 되는데, 도 5에 도시된 바와 같이, 매니퓰레이터(500)에서 프로브홀더(511)가 장착되는 부분을 전면으로 볼 때, 매니퓰레이터(500)의 전면상단에 구비된 Z축노브(502)를 조작하여 프로브(510)를 승강시킬 수 있고, 측면후단에 구비된 X축노브(503)를 조작하여 전후이동시킬 수 있으며, 후면에 구비된 Y축노브(504)를 조작하여 좌우이동시킬 수 있다.
아울러, 매니퓰레이터(500) 내에 전동모터를 설치하고 외부에서 전원을 인가함으로써 세미-오토(semi-auto) 방식으로 프로브(510)의 이동을 제어하는 것도 물론 가능하며 이 경우, 챔버(200)의 외부에서 프로브(510)의 조절이 가능하므로 동일한 진공도, 온도, 무수증기, 분위기 가스의 조건에서 한 개의 샘플의 다양한 부분에 대한 특성 파악이 용이하다는 장점이 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도 가변형 프로브 스테이션(100)의 작동은 다음과 같이 이루어진다.
먼저, 척(300)의 상측에 측정샘플인 반도체 소자를 안착시키고, 승강조절바(420)와 스테이지(280)의 노브(281,282) 및 매니퓰레이터(500)를 조작하여 프로브팁(513)이 반도체 소자의 표면에 접촉되게 한다.
이후, 액체질소를 척(300)으로 공급하고 진공펌프(미도시)를 이용하여 챔버(200) 내부를 진공상태로 유지시켜서 측정작업을 개시하게 되는데 이때, 챔 버(200)의 진공은 10-3torr 상태로 유지하는 것이 바람직하고, 원하는 온도로 조절하는 것은 챔버(200)의 일측에 구비되는 온도조절장치(600)를 통해 전열선(310)에 인가되는 전류를 조절함으로써 이루어지며, 80K~570K의 온도범위에서 극저온 및 고온 실험이 가능하다.
또한, 챔버(200)의 전방투명창(210)과 상부투명창(220)을 통해 챔버(200) 내의 반도체 소자의 형상 확인과 척(300)의 상태 확인 및 챔버(200) 내부로 연결된 각종 케이블의 연결상태 등을 확인할 수 있고 특히, 반도체 소자와 프로브팁(513)의 접촉상태와 온도변화에 따른 반도체 소자의 물리적 변화를 관찰하는 것은 챔버(200) 상부의 CCD 카메라(260)에 의해 촬영되어 PC를 통해서도 확인할 수 있다.
한편, 다양한 실험조건을 부여하기 위해, 챔버(200) 내부에 분위기 가스를 공급하거나 다양한 종류의 센서 또는 케이블들을 설치할 수 있는데, 이는 챔버(200)의 양 측면과 후면에 구비되는 다수의 커넥터(240)를 통해, 챔버(200) 외부의 장치들을 챔버(200) 내부로 연결함으로써 가능하게 된다.
미설명된 도면부호 201은 챔버의 이동에 편리하도록 구비된 손잡이를 가리키며, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 온도 가변형 프로브 스테이션의 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 가변형 프로브 스테이셔의 내부절개도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 전열선과 냉각라인을 구비한 척의 개략도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플레이트링과 스테이지 및 척을 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 매니퓰레이터를 도시한 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 온도 가변형 프로브 스테이션 200 : 챔버
240 : 커넥터 260 : CCD 카메라
270 : 베이스 플레이트 280 : 스테이지
290 : 세라믹 단열체 300 : 척
310 : 전열선 320 : 냉각라인
330 : 온도감지센서 400 : 플레이트링
500 : 매니퓰레이터 510 : 프로브
511 : 프로브홀더 512 : 프로브암
513 : 프로브팁 600 : 온도조절장치

Claims (5)

  1. 반도체 소자의 전기적 특성을 측정하기 위한 프로브 스테이션에 있어서,
    내부관찰을 위해 일측에 투명창이 설치되는 챔버;
    상기 챔버 내에 설치되고 상기 반도체 소자를 지지하며 평면이동 가능한 척;
    상기 척의 내부에 삽입 설치되어 상기 척을 가열하는 전열선;
    상기 척의 내부에 삽입 설치되어 상기 척을 냉각시키며, 액상 또는 기상의 냉매가 흐르는 냉각라인; 및
    상기 척의 상부 일측에 설치되고, 상기 반도체 소자의 표면에 접촉되도록 프로브를 이동시키는 매니퓰레이터;를 포함하는 온도 가변형 프로브 스테이션.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 척의 하부에서 상기 척을 지지하는 스테이지를 더 포함하되, 상기 스테이지의 일측에는 상기 척의 평면이동을 조절할 수 있는 한 쌍의 조절노브가 구비되는 것을 특징으로 하는 온도 가변형 프로브 스테이션.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 척으로부터 상기 스테이지로의 열전달을 방지하기 위해, 상기 척의 저 면과 상기 스테이지의 상측면 사이에 적어도 하나 이상의 세라믹 단열체가 개재되는 것을 특징으로 하는 온도 가변형 프로브 스테이션.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버의 전면에는 전방투명창이 설치되고, 상기 챔버의 상측면에는 상부투명창이 설치되며, 상기 상부투명창의 상부에는 CCD 카메라가 설치되어 상기 상부투명창을 통해 상기 챔버의 내부 촬영이 가능한 것을 특징으로 하는 온도 가변형 프로브 스테이션.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 척은 무산소동 재질에 골드코팅한 것을 특징으로 하는 온도 가변형 프로브 스테이션.
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