KR101185536B1 - 온도가 조절될 수 있는 척 장치를 이용한 반도체 웨이퍼테스트 장치 및 방법 - Google Patents

온도가 조절될 수 있는 척 장치를 이용한 반도체 웨이퍼테스트 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도가 조절되는 클램핑 장치(clamping device)를 이용하여 반도체 웨이퍼들(wafers)을 테스트하는 방법에 있어서, 미리 정의된 열 전력(heating power)을 가지는 전열 장치 및 냉각을 위하여 유동체가 관통하여 흐르고 미리 정의된 냉각 용량을 가지는 냉각 장치를 이용하여 상기 클램핑 장치의 온도를 미리 지정된 측정 온도까지 제어하는 단계- 상기 열 전력은 미리 정의된 테스트 전력(testing power)보다 실질적으로 큼-; 반도체 웨이퍼의 뒷면을 상기 온도가 조절되는 클램핑 장치의 지지면(supporting side)에 대향하도록 적층하는 단계; 프로브 카드(probe card)를 상기 반도체 웨이퍼의 앞면에 위치하는 단계; 상기 위치된 프로브 카드의 프로브들을 이용하여 테스트 기구로부터 상기 반도체 웨이퍼의 앞면의 칩 영역(chip region)으로 테스트 전력을 공급하여 상기 반도체 웨이퍼를 테스트하는 단계; 상기 테스트 전력을 반영하는 상기 테스트 동안의 상기 유동체의 온도 증가를 기록하는 단계; 및 상기 테스트 동안 기록되는 상기 유동체의 온도 증가를 고려하며, 실질적으로 냉각 용량을 일정하게 유지하면서 상기 테스트 동안 상기 열 전력을 감소시키는 단계를 포함하는 반도체 웨이퍼 테스트 방법을 제공한다. 본 발명은 또한 상응하는 장치를 제공한다.
반도체, 웨이퍼, 클램핑 장치

Description

온도가 조절될 수 있는 척 장치를 이용한 반도체 웨이퍼 테스트 장치 및 방법 {Method and Device for testing semiconductor wafers using a chuck device whose temperature can be regulated}
본 발명은 온도가 조절될 수 있는 척 장치(chuck device)(이하에서, '클램핑장치(clamping device)'로 칭함)를 이용한 반도체 웨이퍼들(semiconductor wafers)을 테스트 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 반도체 웨이퍼에 대한 테스트 측정은 일반적으로 -60℃ 내지 +400℃ 사이의 온도에서 수행된다. 온도 제어를 위하여, 소망되는 온도에 따라 냉각되거나 가열되는 프로브 테이블(a prober table) 또는 클램핑 장치위에 반도체 웨이퍼가 배치된다.
이 경우, 반도체 웨이퍼의 온도가 주위를 둘러싸는 기체 매질의 이슬점(dew point)보다 낮아 지지 않도록 주의하는 것이 첫 번째로 필요하다. 만약 그렇지 않은 경우 반도체 웨이퍼 표면에 테스트 측정을 방해하거나 불가능하게 하는 습기의 응축 또는 얼음 결정이 발생하기 때문이다.
두번째로, 높은 칩 전력으로 테스트 측정을 하는 경우 반도체 웨이퍼와 클램핑 장치간의 소량의 열 교환 저항(finite heat transfer resistance)때문에 열의 소실이 지연되므로, 클램핑 장치와 접촉하는 뒷면의 온도보다 높게 앞면에서 국부적으로 가열되는, 흐름 상의 영역에서, 문제점이 발생한다. 일반적으로, 100 W 보다 높은 전력에서, 반도체 웨이퍼의 앞면과 클램핑 장치의 지지면간에 대략 90K의 국부적인 온도 차이가 얻어진다. 이러한 온도차이는, 그 중에서도 반도체 웨퍼에 집적된 회로들의 등온선상의 전기적 특성을 조건으로 제안하는 경우, 테스트 측정을 방해한다. 동시에, 상대적으로 높은 전력을 지니는 칩들은 허용되는 최대 온도 이상으로 가열될 수 있고, 이는 전기적 오류의 위험과 관련된다.
도 2는 온도가 조절되는 클램핑 장치를 이용하여 반도체 웨이퍼들을 테스트 하는 미국 특허 US5010296에서 공지된 장치의 횡단면의 약도를 보여준다.
도 2에서, 참조번호 6'는 온도가 조절될 수 있는 클램핑 장치를 가리킨다. 클램핑 장치 6'는 수직 방향과 수평방향으로 움직임을 초래하는 운전 장치(7')에 연결된다. 클램핑 장치(6')위로, 예를 들어 날카로운 바늘들의 형태로, 반도체 웨이퍼(30')의 집적된 회로들과 접촉하기 위한 목적으로 사용되고, 그것들 위에서 전기적인 측정들을 수행하기 위한 프로브들(probes)(1')을 포함하는 프로브 카 드(probe card)(12')가 제공된다.
참조번호 13'는 테스트 기구를 가리키며, 테스트 기구에 의해서 프로브들 (1')은 미리 정의된 테스트 프로그램에 따라 운전될 수 있다. 마찬가지로 반도체 웨퍼(30')의 특정의 집적 회로들을 프로브들(1')에 연결하기 위하여 테스트 기구(13')에 의해 운전될 수 있는 것은 제어 장치(7')이다.
기체 공급 장치(10')에 연결되는 기체 주입 장치(8') 는 클램핑 장치(6')의 일 측면에 제공될 수 있다.
클램핑 장치(6')의 다른 측면에는, 흡입 장치(11')에 차례로 연결되는 흡입 라인 장치 9'가 제공될 수 있다. 기체 주입 장치(8')와 흡입 라인 장치(9')는 기체가 반도체 웨퍼(30')의 전체 표면에 균일하게 흘러갈 수 있도록 상대적으로 평탄한 횡단면 모양을 가진다. 이렇게 알려진 반도체 웨퍼 테스트 장치에서의 기체 흐름은 외부의 영향들의 결과 혹은 프로브들 (1')의 영향하에 반도체 웨퍼상에 놓여진 오염물들을 외부로 운반하기 위해 사용된다.
반도체 웨퍼들을 테스트하기 위한 프로브의 구조는 Elektronik, Produktion und Prㆌftechik [Electronics, Production and Testing Technology], July/August 1982, pages 485 to 487, Positionieren und Kontaktieren von Wafern [Positioning and making contact with wafers]에 알려져 있다.
EP 0438957B1은 클램핑 표면에 따른 온도 분포를 기록하는 수 많은 온도 센서들이 클램핑 장치에 끼워져 있는, 반도체 웨퍼들을 위한 테스트 장치를 개시한다.
EP 0511928B1 클램핑 장치의 온도 조절을 위한 유동체들이 흐르는 수 많은 미로 채널들을 포함하는 클램핑 장치를 개시한다. 미로 구조의 결과로서, 높은 냉각 용량과 균등한 온도 분배가 성취된다.
US 5977785는 테스트 되는 칩의 온도는 테스트 동안에 기록되고, 기록된 결과를 기초로 가열/냉각 장치의 제어를 정정하는, 유동체를 기초로 하는 가열/냉각 장치를 가지는, 온도가 조절되는 클램핑 장치를 이용하여 반도체 웨퍼들을 테스트 하는 장치 및 방법을 개시한다. US 5977785는 대신의 가열 장치들로서 저항적이고(resistive) 유도적인(inductive) 전기 가열 장치들을 언급한다.
US 5084671는 유동체를 기초로 하는 냉각 장치와 전기적 가열 장치를 가지는 온도가 조절되는 클램핑 장치를 이용한 반도체 웨퍼들을 테스트하는 다른 방법 및 다른 장치를 개시한다.
본 발명의 목적은 반도체 웨퍼의 검사를 가능하게 하는 온도가 조절되는 클램핑 장치를 이용한 반도체 웨퍼들을 테스트하는 방법 및 장치를 제안하는 것이다.
청구항 1항의 특징을 가지는 본 발명에 따른 방법과, 청구항 7항에 따른 장치는 심지어 높은 전력에도, 반도체 웨퍼의 앞면과 척(chuck)의 지지면 간에 발생하는 온도차이가 매우 적다는, 해결책에 대한 알려진 접근법보다 비교되는 장점을 가진다.
본 발명이 기초를 두고 있는 아이디어는 열 전력(heating power)이 미리 정의된 테스트 전력보다 실질적으로 크고, 미리 정의된 열 전력을 가지는 전열 장치 및 냉각을 위하여 유동체가 관통하여 흐르고 미리 정의된 냉각 용량을 가지는 냉각 장치를 이용하여 상기 클램핑 장치의 온도가 미리 지정된 측정 온도까지 제어되는 것이다. 테스트 기구로부터 테스트 전력을 공급함으로써 반도체 웨퍼를 테스트 하는 동안에 실질적으로 일정한 냉각 용량을 유지하면서 테스트 동안에 테스트 전력량에 따른 열 전력의 감소가 발생한다.
이것은 테스트 전력 공급에 따른 반응으로서 온도가 조절되는 클램핑 장치의 매우 빠른 반응을 가진다는 장점이 있다.
본 발명에 관련된 주제의 유리한 발전과 향상은 종속항에서 발견될 것이다.
본 발명의 실시예에는 도면에 예시되며 이하 설명에서 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 온도가 조절되는 클램핑 장치를 이용하여 반도체 웨퍼들을 테스트 하기 위한 장치의 횡단면 약도.
도 2는 프로브 카드를 이용하여 반도체 웨퍼들을 테스트하는 US 5010296에 공지된 장치의 횡단면 약도.
도면들에서, 동일하거나 기능적으로 동일한 구성 요소들에는 동일한 참조번호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 온도가 조절되는 클램핑 장치를 이용하여 반도체 웨퍼들을 테스트하는 장치의 약식 도면이다. 도 1에서, 참조번호 1은 수직 방향과 평면 범위 안에서 이동될 수 있는 온도가 조절 가능한 클램핑 장치를 가리킨다.
클램핑 장치 1은 진공 홈들(vacuum grooves)(50)을 구비하는 상부(1a)를 포함한다. 클램핑 장치의 상부(1a)에는 클램핑 장치(1)의 지지면 AF에 뒷면 R이 접촉하는 반도체 웨퍼(5)가 있다.
클램핑 장치(1)의 중심부(1b)에는 전기적 난방장치가 있고, 그것은 전력 PW를 제공함으로써 클램핑 장치를 가열하기 위해 구비되는 것이다.
마지막으로, 클램핑 장치(1)의 하부(1c)에는 입력 온도 Tin으로 미리 냉각된 유동체 F가 입구(11a)에 공급되고, 출구(11b)에서 상승된 온도 Tout로 제거되는 미로 냉각 채널 시스템(11c)가 있다. 온도 제어 시스템에 의해, 도시되지는 아니하였지만, 유동체 F는 미리 설정된 소망되는 온도로 클램핑 장치(1) 밖에서 만든다.
반도체 웨퍼(5) 위로 접시 모양의 프로브 장치(7')가 있고, 프로브 장치(7')는 계단이 있는 영역(7'a)를 가지며, 계단이 있는 영역(7')로부터 프로브 바늘들(91, 92)가 반도체 웨퍼(5)의 앞면 0의 칩 영역에 위치한다.
테스트 기구(TV)에 의하여, 전기적 테스트 시퀀스(sequence)들이 프로브들(91, 92)를 경유하여 칩 영역(CH)에 전송되고, 상당한 양의 전력(PT)가 칩 영역(CH)로 공급되어서, 반도체 칩(5)을 국부적으로 가열하게 되며 소망되는 등온선 의 테스트 측정을 수행하기 위하여 냉각되어야 한다.
본 발명의 실시예 따르면, 다양한 온도 기록 장치들(TS1 내지 TS6)이 제공된다. 제 1 온도 기록 장치(TS1)는 프로브 장치(7')에 위치하며 적외선 온도계 IR를 가지고, 적외선 온도계 IR은 광 도파관(optical waveguide)(120)과 평가 회로(121)을 포함한다.
평가 회로(121)는 IR 광전도체(미도시)와 밑부분(downstream)에 연결되는 증폭기에 의하여 직접 칩 영역(CH)에서의 온도를 기록한다.
제2 온도 기록 장치(TS2)는 클램핑 장치(1)의 상부(1a)에 위치하고, 제 3 온도 기록장치(TS3)은 클램핑 장치(1)의 중심부(1b)에 위치하며, 제 4 온도 기록 장치(TS4)는 클램핑 장치(1)의 하부(1c)에 위치하고, 제 5 온도 기록 장치는 유동체(F)를 위한 입구(11a)에 위치하며, 제 6 온도 기록 장치는 유동체(F)를 위한 출구(11b)에 위치한다. 온도 기록 장치들(TS2 내지 TS4)를 사용하여, 클램핑 장치(1)이 열적 평형(thermal equilibrium)에 있는지 여부를 판단하는 것이 특히 가능하다.
반도체 웨이퍼(5)가 얹혀지고 프로브들(91, 92)이 위치하여, 테스트 측정이 수행되기 전에, 열 전력 PW는 미리 정의된 테스트 파워 PT보다 충분히 크고, 예를 들어 PW = 1 kW, PT = 200 W, 미리 정의된 열 전력 PW와 미리 정의된 냉각 용량 PK를 가지는 냉각 장치(11a, 11b, 11c)에 의하여, 클램핑 장치(1)의 온도는 미리 지정된 측정 온도(예를 들어 20℃)로 제어된다.
테스트 기구 TV로부터, 반도체 웨이퍼(5)위에 위치하는 프로브 카드(7')의 프로브들(91, 92)에 의하여 반도체 웨이퍼(5)의 앞면 O의 칩 영역 CH로 테스트 파워 PW가 공급되면서 반도체 웨이퍼(5)에 대한 테스트가 수행된다.
실시예에 따르면, 제 2 및 제 3 온도 기록 장치(TS5, TS6)로부터의 신호들을 고려하면서 열 전력 PW으로부터 차감되는 테스트 파워 PT는 미리 정의되고, 제 2 및 제 3 온도 기록 장치(TS5, TS6)는, 왜냐하면 유동체의 온도 상승은 테스트 파워 PT를 반영하기 때문에, 테스트 동안에 냉각을 위한 냉각 장치(11a, 11b, 11c)에 의하여 클램핑 장치(1)에 공급되는 유동체 F의, 입력 온도 Tin 및 출력 온도 Tout을 각각 기록한다.
부가적으로, 테스트 동안 접촉 없이 직접 칩 영역 CH의 온도를 기록하는 , 제1 온도 기록 장치 TS1으로부터의 신호를 고려하여,열 전력 PW로부터 차감되는 테스트 파워 PT는 미리 정의된다.
본 발명은 기체상의 건조한 공기에 제한되지 않고, 원칙적으로 소망되는 어 떤 유동체들에도 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 온도가 조절되는 클램핑 장치(clamping device)를 이용하여 반도체 웨이퍼들(wafers)을 테스트하는 방법에 있어서,
    미리 정의된 열 전력(heating power)을 가지는 전열 장치 및 냉각을 위하여 유동체가 관통하여 흐르고 미리 정의된 냉각 용량을 가지는 냉각 장치를 이용하여 상기 클램핑 장치의 온도를 미리 지정된 측정 온도까지 제어하는 단계- 상기 열 전력은 미리 정의된 테스트 전력(testing power)보다 실질적으로 큼-;
    상기 반도체 웨이퍼의 뒷면을 상기 온도가 조절되는 클램핑 장치의 지지면(supporting side)에 대향하도록 적층하는 단계;
    프로브 카드(probe card)를 상기 반도체 웨이퍼의 앞면에 위치하는 단계;
    상기 위치된 프로브 카드의 프로브들을 이용하여 테스트 기구로부터 상기 반도체 웨이퍼의 앞면의 칩 영역(chip region)으로 테스트 전력을 공급하여 상기 반도체 웨이퍼를 테스트하는 단계;
    상기 테스트 전력을 반영하는 상기 테스트 동안의 상기 유동체의 온도 증가를 기록하는 단계; 및
    상기 테스트 동안 기록되는 상기 유동체의 온도 증가를 고려하며, 실질적으로 냉각 용량을 일정하게 유지하면서 상기 테스트 동안 상기 열 전력을 감소시키는 단계를 포함하는 반도체 웨이퍼 테스트 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유동체의 온도 증가는 제 2 및 제 3 온도 기록 장치로부터의 신호를 고려하여 기록되고,
    상기 제2 및 상기 제3 온도 기록장치는 상기 테스트 동안 냉각을 위하여 상기 냉각 장치에 의해 상기 클램핑 장치에 공급되는 상기 유동체의 입력 온도와 출력 온도를 각각 기록하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 테스트 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 열 전력은 제 1 온도 기록 장치로부터의 신호를 이용하여 기록되는 상기 칩 영역의 온도 증가를 고려하여 감소되고,
    상기 제1 온도 기록 장치는 상기 테스트 동안 접촉 없이 상기 칩 영역의 온도를 기록하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 테스트 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 온도 기록 장치는 적외선 온도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 테스트 방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 클램핑 장치는 상부, 중심부 및 하부를 포함하되,
    상기 상부는 상기 반도체 웨이퍼의 상기 뒷면과 접촉하는 지지면을 포함하고,
    상기 중심부는 상기 전열 장치를 포함하며,
    상기 하부는 상기 냉각 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 테스트 방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 테스트 전력은 1 내지 수 수 100 와트(watts) 크기이고,
    상기 열 전력은 1 내지 수 킬로와트(kilowatts) 크기인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 테스트 방법.
  7. 온도가 조절되는 클램핑 장치(clamping device)를 이용하여 반도체 웨이퍼들(semiconductor wafers)을 테스트 하는 장치에 있어서,
    미리 정의된 열 전력(heating power)을 가지는 전열 장치 및 냉각을 위하여 유동체가 관통하여 흐르고 미리 정의된 냉각 용량을 가지는 냉각 장치를 이용하여 미리 지정된 측정 온도까지 상기 클램핑 장치의 온도를 제어하는 온도 제어 장치- 상기 열 전력은 미리 정의된 테스트 전력보다 실질적으로 큼-;
    프로브 카드(probe card)의 프로브들을 이용하여 상기 반도체 웨이퍼 앞면의 칩 영역으로 테스트 전력을 공급함으로써 상기 반도체 웨이퍼를 테스트 하는 테스트 기구; 및
    상기 테스트 전력을 반영하는 상기 테스트 동안 상기 유동체의 온도 증가를 기록하는 온도 기록 장치를 포함하되,
    상기 온도 제어 장치는
    상기 테스트 동안 기록되는 상기 유동체에서의 온도 증가를 고려하며, 상기 열 전력에서의 감소가 상기 테스트 동안에 상기 냉각 용량이 실질적으로 일정하게 유지되면서 발생하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 테스트 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    제 2 및 제 3 온도 기록 장치로부터의 신호를 고려하며, 상기 온도 기록 장치에 의해 상기 유동체의 온도 증가가 기록될 수 있고,
    상기 제2 및 상기 제3 온도 기록 장치는 상기 테스트 동안 냉각을 위하여 상기 클램핑 장치에 제공되는 상기 유동체의 입력 온도 및 출력 온도를 각각 기록하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 테스트 장치.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 열 전력은 제 1 온도 기록 장치로부터의 신호를 이용하여 기록되는 상기 칩 영역의 온도 증가를 고려하여 감소되고,
    상기 제 1 온도 기록 장치는 상기 테스트 동안 접촉없이 상기 칩 영역의 온도를 기록하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 테스트 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 온도 기록 장치는 적외선 온도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 테스트 장치.
  11. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 클램핑 장치는 상부, 중심부 및 하부를 포함하되,
    상기 상부는 상기 반도체 웨이퍼의 뒷면과 연결되는 지지면을 포함하고,
    상기 중심부는 상기 전열 장치를 포함하며,
    상기 하부는 상기 냉각 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 테스트 장치.
  12. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 테스트 전력은 1 내지 수 100 와트(watts)의 크기이고,
    상기 열 전력은 1 내지 수 킬로와트(kilowatts) 크기인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 테스트 장치.
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