KR101121946B1 - 웨이퍼 검사용 프로버의 척 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼 프로버용 척을 구성함에 있어서, 웨이퍼가 장착되는 척플레이트와, 척플레이트의 하단에 위치하여 하층에서 발생하는 열을 상층의 척플레이트에 전달하는 열전달플레이트와, 척플레이트 및 웨이퍼를 가열 및 냉각시키기 위한 열전반도체을 이용한 온도조절플레이트와, 열전반도체의 하층에 설치되어 열전반도체에 발생하는 발열 및 냉각열량을 흡수하는 열교환플레이트로 구성된 프로버용 척 장치를 제공하고, 척플레이트와 척의 외곽 가이드부는 전기적 절연층으로 구분시킴으로써 웨이퍼에 대한 고온 또는 저온검사의 동시 수행을 가능하게 하고 웨이퍼 검사의 정확성을 향상시킬 수 있다.

웨이퍼, 프로버, 척, 온도조절, 열전반도체

Description

웨이퍼 검사용 프로버의 척 장치{Unit of Chuck in Prober for Wafer Test}

본 발명은 반도체 직접회로가 형성된 실리콘 웨이퍼의 전기적 특성을 검사하는 웨이퍼 검사용 프로버의 척 장치에 관한 것으로, 웨이퍼가 장착되는 척플레이트의 정밀한 온도제어를 통하여 검사용 웨이퍼에 대한 온도균일성을 확보하여 검사의 신뢰성을 향상시키는 데에 있다. 특히 추가적인 장치의 설치 없이 반도체 웨이퍼에 대한 저온 및 고온 검사를 동시에 수행하게 함으로써 반도체 웨이퍼 제조공정에 있어서의 검사 효율을 높임과 동시에 생산수율을 향상시킬 수 있는 웨이퍼 검사용 프로버의 척 장치를 제공하는 것이다.

반도체 웨이퍼는 반도체 칩 제조를 위한 실리콘 기판으로써, 웨이퍼 제조공정을 거치는 동안에 하나의 웨이퍼 위에는 수백 개의 직접회로가 형성되게 된다. 그리고 직접회로가 형성된 웨이퍼는 이후 조립공정을 통하여 각각의 직접회로 칩 별로 분리 및 실장되고 최종 검사공정을 거쳐 하나의 완제품으로 생산된다. 하지만 반도체 제조공정은 그 제조공정이 매우 복잡하며 특히 웨이퍼가 투입되어 완제품으로 완성되기까지는 보통 수개월의 기간이 소요되기 때문에 최종검사과정 전에 제품 의 불량을 선별하는 과정이 필요하게 된다. 때문에 웨이퍼는 각각의 직접회로 칩 별로 분리되어 실장 및 조립되기 전에 웨이퍼 상태에서 검사하는 공정이 이루어지며, 이때 반도체 웨이퍼에 생성된 칩이 목적하는 전기적 특성을 갖추고 있는지를 웨이퍼 단계에서 검사하는 장비들 중의 하나가 바로 웨이퍼 프로버라는 장비이다. 즉 웨이퍼 프로버는 웨이퍼 상의 각 칩들을 전기적으로 테스트하여 웨이퍼 상의 각각의 반도체 칩들에 대한 불량여부를 사전에 검사하여 제거함으로써 후속되는 조립 및 테스트 공정을 거침으로 인한 물질적(원자재 및 비용), 시간적 손실을 절감시켜 주게 된다.

웨이퍼 검사공정은 도 1에서 설명하고 있는 바와 같이 웨이퍼 프로버라는 장비를 통하여 자동으로 이루어진다. 웨이퍼 검사용 프로버는 검사용 웨이퍼를 장착 및 이동시키는 웨이퍼 핸들러(15)와, 테스트 헤드(12)부분에 장착되어 웨이퍼와의 전기적 연결을 제공하고 전기적 신호를 송수신하게 되는 프로브 카드(11)와, 프로브 카드(11)가 장착되는 테스트 헤드(12)를 포함하여 웨이퍼로부터 송수신된 전기적 신호를 검사하여 웨이퍼가 목적하는 성능을 구현하는지의 여부를 검사하는 테스터(13)를 포함하여 구성하게 된다. 이때 웨이퍼 핸들러(15)는 다수의 웨이퍼가 삽입된 카세트로부터 웨이퍼를 척 위에 이동시키는 로더와 함께 웨이퍼 핸들러의 프레임 위에 X, Y, Z축 및 회전축의 기구부와 척(21)을 포함하는 스테이지부(14)로 구성되고, 이때 척(또는 핫척)(21)은 스테이지(14)의 상부에 위치하여 검사용 웨이퍼(31)가 설치 고정되게 된다.

도 2는 종래의 기술에 의한 스테이지부(14) 및 스테이지부 상부의 척(21)의 구성을 도시한 것으로, 웨이퍼(31)가 위치하는 척플레이트(32)는 일반적으로 알루미늄 재질로 구성되어 웨이퍼(31)를 진공 흡착하여 고정하며 웨이퍼에 대한 각종 검사를 수행하게 된다. 그리고 절연플레이트(33)는 주로 세라믹 재질로 구성되어 절연플레이트(33) 상하층의 전기적 분리와 함께 하부층의 열을 척플레이트(32)에 전달하는 열적 전도체의 역할을 하게 된다. 열전달플레이트(34)는 히터가 장착된 발열플레이트(35)에서 발생하는 열을 상부로 전달하는 동시에 전기적으로 접지와 연결되어 발열플레이트(35)에서 발생하는 노이즈를 차단하는 역할을 한다. 그리고 발열플레이트(35) 및 냉각플레이트(36)는 척의 온도를 상승시키고 온도를 유지 제어하는 역할을 하게 되며, 상기와 같은 척(21)의 구성은 일반적으로 하부의 냉각플레이트(36)로부터 척플레이트(32)까지 나사 등을 이용한 기계적 체결로 기구적 구성을 완성하게 된다.

일반적으로 웨이퍼 상에 제작되어진 반도체 칩은 조립 및 패키징 전에 웨이퍼 상태에서 정상 동작여부를 전기적으로 검사하며, 고온 또는 저온의 다양한 온도구역에서 검사가 이루어지게 된다. 이때 웨이퍼의 고온 검사를 위하여 척에 전기 히터 등을 설치하여 웨이퍼의 온도를 유지하고 있으며, 저온에서의 검사를 위해서는 척 및 웨이퍼의 저온 제어를 위한 별도의 장치가 추가적으로 설치되어야 하는 문제점이 발생한다. 특히 반복적인 고온 또는 저온에서의 웨이퍼 검사로 인한 열적 스트레스로 인하여 웨이퍼가 장착되는 척플레이트의 반복적인 팽창과 수축으로 인한 기구적 변형이 발생할 가능성이 존재하게 된다.

그리고 웨이퍼에 대한 신뢰성있는 정확한 검사를 위해서는 검사되는 웨이퍼 표면 전체에 걸쳐서 균일한 온도분포를 유지하는 것은 반드시 필요하며, 종래의 기술에서는 전기 히터 등의 배열 등을 조절하여 균일한 온도분포를 유지하려고 노력하고는 있지만 발열플레이트(전기 히터)에서 발생하는 중심부로의 열의 집중 현상 및 척플레이트에서 발생하는 중심부 및 외곽부에서의 주변으로의 열손실량 차이로 불균일한 온도분포는 쉽게 해결하기 어려운 문제이다. 이로 인하여 척플레이트 또는 웨이퍼 전체에 걸쳐서 균일한 온도분포를 유지하는 것이 어렵게 되며 결국 웨이퍼 상의 반도체 칩 전체에 대한 정확한 검사가 이루어지지 못하는 문제점을 가지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 반도체 칩이 구성된 웨이퍼의 검사장치에 있어서 고온에서의 검사뿐만 아니라 웨이퍼에 대한 저온검사가 가능하고, 고온 및 저온검사로 인한 반복적인 열응력에 대한 척플레이트의 열변형을 방지하며 웨이퍼 전체에 걸쳐 균일한 온도제어가 가능한 웨이퍼 프로버용 척 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 웨이퍼 프로버용 척을 구성함에 있어서 척(21)은 웨이퍼(31, 43)가 장착되는 척플레이트(32, 42)와, 척플레이트(32, 42)의 하단에 위치하여 하층에서 발생하는 열을 상층의 척플레이트에 전달하는 열전달플레이트(45)와, 척플레이트 및 웨이퍼를 가열 및 냉각시키는 열전반도체(46)와, 열전반도체(46)의 하층에 설치되어 열전반도체에 발생하는 발열 및 냉각열량을 흡수하는 열교환플레이트(47)로 구성된다.

열교환플레이트(47)는 다시 냉각수라인을 통하여 외부의 열교환기와 연결되어 있으며, 척플레이트 또는 열전달플레이트(45)의 내부에는 웨이퍼의 온도제어를 위한 다수의 온도센서가 삽입되고, 온도센서에서 받아들인 전기적 신호는 온도제어기로 보내져 열전반도체의 전원량을 제어하도록 구성함으로써 웨이퍼의 정밀한 온도제어를 가능하게 함을 그 특징으로 한다.

그리고 열전반도체(46)가 삽입 장착되는 플레이트의 외곽 주변은 우물형상의 구조를 취함으로써 척플레이트를 포함한 열전달플레이트를 감싸는 구조로 이루어지며, 이때 척플레이트 및 열전달플레이트와 열전반도체 장착부의 사이에는 고온 또는 저온 검사로 인한 척플레이트의 열충격을 이완시킬 수 있는 절연물질(44)로 채워지게 된다.

따라서 척플레이트 및 웨이퍼에서 중앙부 및 외곽부에서의 열손실량의 차이를 감소시켜 웨이퍼 전체면에서의 온도분포를 좀 더 균일하게 가지갈 수 있으며, 특히 척의 하층에서 발생하는 전기적 잡음을 감소시켜 웨이퍼 상의 반도체 칩에 대한 정확한 검사를 가능하게 한다.

본 발명은 웨이퍼 검사용 프로버의 척 장치에 있어서, 고온 또는 저온 평가가 가능하고 정밀한 온도제어가 가능한 신뢰성 있는 웨이퍼 검사용 프로버 장치를 제공하는 데에 있다. 본 발명을 통해서 추가적인 장치의 설치가 필요 없이 한 대의 프로버에서 웨이퍼 상의 반도체 칩에 대한 검사를 고온에서 저온까지 다양한 온도조건에서 검사할 수 있으며, 특히 외부와의 열간섭을 최소화하여 웨이퍼 전면에 걸쳐서 고른 온도분포를 유지하도록 하고 웨이퍼 검사과정에 영향을 줄 수 있는 잡음 등을 감소시킴으로써 정확하고 신뢰성있는 웨이퍼 검사를 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 실시에 따른 구체적인 내용을 첨부한 도면을 참고하여 설명하도록 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 척 장치의 구조를 보여주고 있는 것으로, 웨 이퍼(43)의 온도조절을 위하여 열전반도체(46)가 삽입 설치되어 있는 온도조절플레이트(48)와, 열전반도체의 발생열량을 제어하기 위한 열교환플레이트(47)와, 온도조절플레이트(48) 상부에 위치하여 온도조절플레이트에서 발생하는 열을 척플레이트(42)에 전달하는 열전달플레이트(45)와, 웨이퍼 위치하는 척플레이트(42)로 구성되어 있다.

척플레이트(42)는 검사용 웨이퍼(43)를 진공흡착하여 고정하며 프로브 카드(11)를 이용한 웨이퍼에 대한 실질적인 검사가 이루어지는 장소로써 척플레이트 및 검사용 웨이퍼에 대한 신속한 열전달을 위하여 일반적으로 알루미늄 등의 열전도율이 우수한 금속이 주로 이용된다. 하지만 척플레이트(42)는 웨이퍼에 대한 고온 검사 또는 저온 검사가 반복적으로 이루어짐으로써 지속적인 열응력으로 인하여 열변형이 발생할 수 있으며, 특히 척플레이트는 척플레이트를 둘러싼 가이드부(41)와의 접촉으로 인하여 척플레이트 중심부와 외곽부에서의 열손실량의 차이가 발생하여 척플레이트 전면에 걸친 고른 온도분포를 유지하기 어려운 문제점을 가지게 된다.

이를 해결하기 위하여 도3 및 도4에서 보는 바와 같이 척플레이트(42)는 열전반도체(46)가 설치되어 있는 온도조절플레이트(48)로부터 이어져있는 척플레이트의 외곽 가이드부(41)와 일정 간격을 두고 위치하게 되며 이들 공간은 척플레이트의 미세한 신축을 흡수할 수 있는 실리콘 및 에폭시 등의 절연물질(44)로 채워지게 된다. 특히 척플레이트(42)와 외곽 가이드부(41)는 일정 간격을 두고 절연물질(44)로 분리되어 있음으로 해서 하부에서 외곽부를 통해 전해지는 미세전류 등의 잡음 을 제거하여 웨이퍼 검사의 정확성을 높일 수 있다.

열전달플레이트(45)는 온도조절플레이트와 척플레이트 사이에 존재하여 온도조절플레이트에(48)서 발생하는 냉각 및 가열열량을 척플레이트(42)에 원활하게 전달하는 동시에 웨이퍼 검사에 영향을 줄 수 있는 미세전류 등 잡음을 최소화시키기 역할을 하게 되며, 따라서 열적 특성과 함께 절연 특성이 우수한 질화알루미늄 또는 산화알루미늄 등의 세라믹 재질로 구성한다.

웨이퍼의 고온 또는 저온 검사를 위한 척플레이트의 온도조절은 온도조절플레이트에 설치된 열전반도체(46)가 담당하게 된다. 열전반도체는 직류전원의 인가에 따라 일면은 발열되고 다른 일면은 흡열(냉각)이 되는 일종의 고체식 힛펌프로써, 인가되는 직류전원의 극성을 전환함으로써 발열면 및 흡열면의 전환이 가능한 특징을 가지고 있다. 즉 웨이퍼(43)의 고온검사를 수행하기 위하여 온도컨트롤러를 통해 열전반도체에 전원을 인가하면 열전반도체의 윗면에서 발열이 되고 발열량은 열전달플레이트(45)를 거쳐 척플레이트(42)에 전달되어 웨이퍼를 원하는 온도로 가열하게 되며, 저온 검사를 수행하기 위해서는 열전반도체에 인가되는 전원의 극성 전환만으로 얼마든지 웨이퍼에 대한 냉각 제어가 가능할 뿐만 아니라 열전반도체에 인가하는 전원의 양을 조절하여 척플레이트에 대한 ±0.1℃의 정밀 제어를 가능하게 해준다.

척플레이트 및 웨이퍼에 대한 온도조절수단으로써 열전반도체(46)는 웨이퍼 전면에 걸친 고른 온도분포를 유지하기 위해 다수개의 열전반도체가 삽입 설치되어야 한다. 도 5에서 보는 바와 같이, 열전반도체는 척플레이트 및 웨이퍼의 크기를 기준으로 하여 중앙부 및 4방향에 걸친 등간격의 배치가 필요하며 이때 중앙부 및 외곽부의 2채널로 구분하여 제어하거나, 중앙부 및 4방향에 대하여 5개의 채널로 묶어 열전반도체를 제어하는 것이 필요하며 이로 인해서 척플레이트 전면에 걸친 고른 온도분포를 더욱 가능하게 해줄 수 있다.

도 5는 척 장치의 시스템 구성을 보여주고 있으며, 열전반도체(46)의 전원공급선은 온도조절 및 열교환플레이트(48, 47))의 중앙부에 설치되어 있는 가공홀(51)과 열교환플레이트를 통과하여 온도제어기(53)와 연결되며 온도제어기(53)는 열전반도체의 각 채널에 대한 온도제어를 담당하게 된다. 또한 열전반도체가 삽입 설치되어 있는 온도조절플레이트는 열전반도체가 차지하는 여분의 공간에 대하여 절연물질(44)로 채워짐이 보다 바람직하다. 이때 충진용 절연물질로는 실리콘 및 에폭시 수지 등이 선택되어 질 수 있으며, 열전반도체의 운전으로 인해 발생하는 수분 응축으로 인한 전기적 위험을 사전에 차단함과 동시에 웨이퍼 검사에 영향을 줄 수 있는 전기적 잡음을 차단하는 효과를 가져다준다. 특히 열전반도체는 구조적으로 열전반도체의 양단이 절연능이 우수한 세라믹 재질의 기판으로 구성되어 있고 열전반도체의 측면 또한 실리콘 등의 절열재료로 밀봉되어져 있기 때문에 도 2에서 보는 바와 같이 종래의 기술에서 보는 바와 같은 발열소자(히터장착면)(35)의 상층에 열전달을 위한 금속플레이트(34)와 절연플레이트(33)의 이중구성을 단순화할 수 있는 장점을 가지게 된다.

열교환플레이트(47)는 내부에 냉각수 등의 유체가 흐를 수 있는 유로(52)가 형성되어 있는 구조로써 윗면에 열전반도체(46)가 접합되어진다. 열교환플레이 트(47)는 열전반도체의 아랫면에서 발생하는 열량을 플레이트의 내부를 흐르는 유체와 열교환을 시켜주어 열전반도체의 냉각량 및 발열량을 효과적으로 제거하는 수단으로 작용하게 되며, 열전도율이 우수한 알루미늄이나 구리 또는 내식성이 우수한 스테인레스 재질로 구성할 수 있다. 그리고 열교환플레이트는 도 5에서 보는 바와 같이 내부에 물이나 공기 등의 유체가 흐를 수 있는 형태(52)의 원형구조물에 상측면의 외곽부(41)는 우물형태를 취하며 스테이지 상부의 척플레이트(42)를 감싸는 구조로 이루어져 있으며 그 사이 공간을 절연물질(44)로 충진하여 구성함으로써 웨이퍼 검사에 영향을 줄 수 있는 잡음의 전달을 제거하게 된다.

이상과 같이 구체적 실시예 들을 통하여 설명한 본 발명의 내용은 웨이퍼 검사를 위한 프로버에 있어서 일반적 구성에 대한 설명은 생략하고 본 발명에 특화된 내용만을 중심으로 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며 본 발명이 속한 기술적 사상 안에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능함은 명백하다.

도 1은 일반적인 웨이퍼 프로버의 구성도이다.

도 2는 종래의 기술에 의한 일반적인 웨이퍼 프로버용 척의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 척의 구성에 대한 평면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 척의 구성에 대한 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 척 장치의 시스템 구성도이다.

Claims (3)

1. 웨이퍼가 장착되는 척플레이트와,

   열전반도체에서 공급하는 열량을 상기 척플레이트에 전달하는 열전달플레이트와,

   상기 웨이퍼에 대한 고온 및 저온 검사를 가능하도록 상기 척플레이트 및 웨이퍼에 대한 온도조절수단으로 상기 열전반도체가 설치되는 온도조절플레이트와,

   상기 열전반도체의 하면에서 발생하는 열량을 제어하는 열교환플레이트와,

   상기 척플레이트 및 열전달플레이트의 측면과 간격을 두면서 상기 열교환플레이트의 외곽으로부터 연결되어 있는 가이드부 및

   상기 가이드부의 내벽과, 상기 척플레이트 및 열전달플레이트 외벽과의 빈 공간에 채워지는 실리콘 또는 에폭시로, 미세전류의 잡음을 제거하여 웨이퍼 검사의 정확성을 높일 수 있도록 충진을 통해 상기 가이드부와 상기 척플레이트와의 공간을 분리시키는 절연재를 포함하는 웨이퍼 검사용 프로버의 척 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 온도조절플레이트는 2개 이상의 온도구역으로 구분되어 상기 열전반도체를 구역별로 제어하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 검사용 프로버의 척 장치.
3. 삭제

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