KR102419083B1 - 반도체 웨이퍼 측정 장치 - Google Patents

반도체 웨이퍼 측정 장치 Download PDF

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KR102419083B1 KR1020150145590A KR20150145590A KR102419083B1 KR 102419083 B1 KR102419083 B1 KR 102419083B1 KR 1020150145590 A KR1020150145590 A KR 1020150145590A KR 20150145590 A KR20150145590 A KR 20150145590A KR 102419083 B1 KR102419083 B1 KR 102419083B1
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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼 측정 장치에 있어서, 상부면 일측에서 하부면 일측까지 수직방향으로 연장되어 소정의 절연체로 둘러싸여 형성되는 전극 라인과 연결되는 감지 전극을 구비하며, 상부면에 검사대상 웨이퍼를 안착하는 웨이퍼 플레이트와; 복수 개의 접촉 프로브를 이용하여 상기 웨이퍼의 상면에 형성된 어느 하나의 반도체소자의 동일 전극의 서로 다른 두 지점에 각각 대응하는 영역과, 상기 전극 라인에 대응하는 상기 웨이퍼 플레이트의 하부면 상의 제1영역과, 상기 제1영역으로부터 소정 거리 이격된 상기 웨이퍼 플레이트의 하부면 상의 제2영역에 각각 접촉하여 상기 반도체소자의 전기적 특성을 측정하는 웨이퍼 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 고전압 측정 시 발생할 수 있는 아킹을 방지하고, 대전류 측정 시 발생할 수 있는 접촉저항을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

반도체 웨이퍼 측정 장치{MEASURING APPARATUS OF SEMICONDUCTOR WAFER}
본 발명은 반도체 웨이퍼 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 접촉 저항을 낮추고 아킹 발생을 방지할 수 있는 반도체 웨이퍼 측정 장치에 관한 것이다.
최근 전기에너지를 효율적으로 사용하기 위한 하나의 방편으로 전력 반도체의 사용이 급증하고 있다. 일반적으로 전력 반도체는 고전압과 대전류를 제어하기 때문에 전수검사를 해야 하는데, 만일 웨이퍼 수준(온-웨이퍼)에서 전력소자의 전기적인 특성을 측정할 수 있다면 전력 반도체 소자의 개발주기 및 개발비용을 절약할 수 있게 된다.
이와 관련된 전력전자 응용 분야의 경우, 대전류를 다루고 있기 때문에 아주 작은 값의 접촉저항(Rs) 성분이라 하더라도 소자의 전류-전압 특성 곡선에 영향을 미치게 된다. 그 중에서도 특히, 다이오드 전류는 애노드와 캐소드에 인가되는 전압 강하에 지수함수적으로 영향을 받기 때문에 매우 작은 접촉저항(Rs)의 변화에도 전류 크기는 지수함수적으로 영향을 받게 되므로, 이러한 대전류를 다루는 웨이퍼 수준의 장비는 순방향 특성에서 접촉저항을 배제시키는 구조로 제작되어야 한다.
또한, 다이오드의 역방향 특성을 정확하게 측정하기 위해서는 고전압(1kV 이상) 항복 특성 측정 시 발생하는 프로브 팁과 웨이퍼 사이에서 절연파괴로 일어나는 아킹(arcing)을 제거해야할 필요성이 있다.
KR 10-1381564 B1 KR 10-2015-0014394 A
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고전압 측정 시 아킹(arcing)을 방지하고, 대전류 측정 시 접촉저항을 감소시킬 수 있는 반도체 웨이퍼 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상부면 일측에서 하부면 일측까지 수직방향으로 연장되어 소정의 절연체로 둘러싸여 형성되는 전극 라인과 연결되는 감지 전극을 구비하며, 상부면에 검사대상 웨이퍼를 안착하는 웨이퍼 플레이트; 복수 개의 접촉 프로브를 이용하여 상기 웨이퍼의 상면에 형성된 어느 하나의 반도체소자의 동일 전극의 서로 다른 두 지점에 각각 대응하는 영역과, 상기 전극 라인에 대응하는 상기 웨이퍼 플레이트의 하부면 상의 제1영역과, 상기 제1영역으로부터 소정 거리 이격된 상기 웨이퍼 플레이트의 하부면 상의 제2영역에 각각 접촉하여 상기 반도체소자의 전기적 특성을 측정하는 웨이퍼 측정부; 중앙에 절연유를 밀폐 상태로 수용하기 위한 소정 크기의 수용 홀이 형성되며, 상기 웨이퍼가 안착한 상기 웨이퍼 플레이트의 상부면에 장착되어 상기 웨이퍼의 상부를 눌러 고정하는 웨이퍼 고정 척;을 포함하여 구성되며, 상기 웨이퍼 고정 척은 상기 웨이퍼 플레이트에 대응하는 크기로 형성되되 상기 수용 홀의 내주연 직경이 상기 웨이퍼의 외주연 직경보다 크게 형성되어 상기 웨이퍼 플레이트의 상부면에 장착되는 차폐부; 및 상기 웨이퍼의 상부를 눌러 고정하도록 상기 웨이퍼 플레이트의 상부면에 장착되되 상기 수용 홀에 대응하는 위치에 'X'자 형태로 배치되는 복수 개의 클립 형태의 고정 홀더와, 상기 고정 홀더의 일단을 고정하는 고정핀을 포함하는 고정부를 포함하며, 상기 웨이퍼의 상부는 상기 고정핀에 의해 고정되지 않은 상기 고정 홀더의 하부에 의해 눌려 고정되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 측정 장치를 기술적 요지로 한다.
본 발명에 따르면, 웨이퍼가 안착된 웨이퍼 플레이트의 상부면에 절연 상태의 감지 전극을 더 구비하고 상기 웨이퍼의 상부 전극에 대응되는 위치에 소정의 절연유가 수용되도록 함으로써, 대전류 측정 시 발생할 수 있는 접촉저항을 감소시키고, 고전압 측정 시 발생할 수 있는 아킹을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 이용하여 대전류 측정 시 측정방법에 따른 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 그래프이고,
도 5는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 이용하여 고전압 항복특성 측정 시 절연유의 사용 여부에 따른 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 이용하여 대전류 측정 시 측정방법에 따른 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 이용하여 고전압 항복특성 측정 시 절연유의 사용 여부에 따른 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치는 웨이퍼 플레이트(100) 및 웨이퍼 측정부(300)를 포함하여 구성된다.
먼저, 웨이퍼 플레이트(100)는 상부면에 검사대상 웨이퍼(10)를 안착하기 위한 것이다.
바람직하게는, 상기 웨이퍼 플레이트(100)는 가공하기 쉬운 재질로 형성되되, 표면은 녹이 슬지 않고 상기 웨이퍼(10)의 안착 시 발생하는 접촉저항을 낮추도록 금으로 도금할 수 있다.
여기서, 상기 웨이퍼 플레이트(100)는, 상부면 일측에서 하부면 일측까지 수직방향으로 연장되어 소정의 절연체로 둘러싸여 형성되는 전극 라인(110)과 연결되는 감지 전극(111)을 구비할 수 있다.
이때, 상기 감지 전극(111)은 상기 웨이퍼 플레이트(100)의 상부면 중앙부에 소정 높이만큼 돌출 형성된 형태일 수 있다.
바람직하게는, 상기 감지 전극(111)은 테플론과 같은 절연체로 둘러싸여 있되, 상기 접촉 프로브와 접촉하는 단부는 상기 접촉 프로브와의 접촉 시 발생하는 접촉저항을 낮추기 위해 금으로 코팅되어 상기 웨이퍼 플레이트(100)의 상부로부터 충분히 이격된 상태일 수 있다.
예컨대, 도 1을 참조하면, 상기 웨이퍼(10)가 상기 웨이퍼 플레이트(100)의 상부면에 안착하는 경우, 상기 감지 전극(111)은 상기 웨이퍼(10)의 안착 시 작용하는 가압력에 의해 눌려진 상태를 유지하게 된다.
다음으로, 웨이퍼 측정부(300)는 상기 웨이퍼(10)의 상부면 상의 동일 전극의 서로 다른 두 지점과, 상기 웨이퍼 플레이트(100)의 하부 전극 및 상기 감지 전극(111)을 이용하여 상기 반도체소자(11)의 전기적 특성을 측정하기 위한 것이다.
구체적으로, 상기 웨이퍼 측정부(300)는, 상기 웨이퍼(10)의 상면에 형성된 어느 하나의 반도체소자(11)의 동일 전극의 서로 다른 두 지점에 각각 대응하는 영역과, 상기 전극 라인(110)에 대응하는 상기 웨이퍼 플레이트(100)의 하부면 상의 제1영역과, 상기 제1영역으로부터 소정 거리 이격된 상기 웨이퍼 플레이트(100)의 하부면 상의 제2영역에 각각 접촉하는 복수 개의 접촉 프로브를 이용하여 상기 반도체소자(11)의 전기적 특성을 측정할 수 있다.
이때, 상기 복수 개의 접촉 프로브는 총 4개로 마련되어, 켈빈 프로빙(Kelvin probing) 방식에 따라 2개의 접촉 프로브를 통해 소정의 양 전압과 접지 전압을 각각 인가한 상태에서, 나머지 2개의 접촉 프로브를 이용하여 전위차를 측정하는 것이 바람직하다.
예컨대, 도 1을 참조하면, 제1 접촉 프로브(301)를 통해 상기 반도체소자(11)의 어느 하나의 전극의 소정 위치에 대응하는 영역에 소정의 전압을 인가하고, 제2 접촉 프로브(302)를 통해 상기 웨이퍼 플레이트(100)의 하부면 상의 상기 제1영역에 접지 전압을 인가한 상태에서, 제3 접촉 프로브(303)를 이용하여 상기 반도체소자(11)의 동일 전극의 다른 위치에 대응하는 영역의 전위를 측정하고, 제4 접촉 프로브(304)를 이용하여 상기 웨이퍼 플레이트(100)의 하부면 상의 상기 제2영역의 전위를 측정하게 된다.
이 경우, 상기 제2영역은 절연 상태인 전극 라인(110)과 연결돼 있어 접촉 프로브와의 접촉 시 발생하는 접촉 저항의 크기가 작아지므로, 상기 제2영역에서 측정된 전위는 전압 강하의 영향을 적게 받아 더욱 정확한 측정값을 얻을 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 이용하여 대전류 측정 시 측정방법에 따른 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
여기서, 'K-K'는 웨이퍼(10)의 상부 전극과 하부 전극 모두 켈빈 프로빙(Kelvin Probing) 방식을 이용하여 측정한 경우, 즉, 반도체소자(11)의 동일 전극의 서로 다른 두 지점과 웨이퍼 플레이트(100)의 하부면 및 감지 전극(111)을 측정한 경우를 나타내고, 'K-NK'는 웨이퍼(10)의 상부 전극만 켈빈 프로빙 방식을 이용하여 측정한 경우, 즉, 반도체소자(11)의 동일 전극의 서로 다른 두 지점과 웨이퍼 플레이트(100)의 하부면을 측정한 경우를 나타내고, 'NK-K'는 웨이퍼(10)의 하부 전극만 켈빈 프로빙 방식을 이용하여 측정한 경우, 즉, 반도체소자(11)의 어느 하나의 전극의 소정 위치와 웨이퍼 플레이트(100)의 하부면 및 감지 전극(111)을 측정한 경우를 나타내고, 'NK-NK'는 웨이퍼(10)의 상부 전극과 하부 전극 모두 켈빈 프로빙 방식이 아닌 방식을 이용하여 측정한 경우, 즉, 상기 반도체소자(11)의 어느 하나의 전극의 소정 위치와 웨이퍼 플레이트(100)의 하부면을 측정한 경우를 나타낸다.
예컨대, 도 4를 참조하면, 전류(A)-전압(V) 곡선상의 기울기의 크기는 'K-K'가 가장 크고, 다음으로 'NK-K','K-NK' 및 'NK-NK' 순인 것을 확인할 수 있고, 전류-전압 곡선의 기울기 값의 역수는 웨이퍼 플레이트(100)의 상부면과 웨이퍼(10)의 하부면 사이의 접촉저항의 크기에 해당하므로 상기 기울기 값이 클수록 가장 낮은 접촉저항을 나타내게 된다.
따라서, 본 발명에 의하면, 웨이퍼 플레이트(100)에 절연 상태로 형성된 전극 라인(110)에 연결된 감지 전극(111)을 이용하여 켈빈 프로빙 방식에 따른 전위 측정이 가능하므로, 대전류 측정 시 발생할 수 있는 웨이퍼 플레이트(100)의 상부면과 웨이퍼(10)의 하부면 사이의 접촉저항을 감소시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 웨이퍼 측정 장치는, 상기 웨이퍼(10)가 안착된 상기 웨이퍼 플레이트(100)의 상부면에 장착되어 상기 웨이퍼(10)의 상부를 눌러 고정하기 위한 웨이퍼 고정 척(200)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 웨이퍼 고정 척(200)은 상기 웨이퍼 플레이트(100)에 대응하는 크기로 형성되되 중앙에는 절연유(20)를 밀폐 상태로 수용하기 위한 소정 크기의 수용 홀(210)이 형성될 수 있다.
이때, 상기 수용 홀(210)의 내주연 직경은 상기 웨이퍼(10)의 외주연 직경보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.
예컨대, 도 2를 참조하면, 웨이퍼 플레이트(100)에 장착된 웨이퍼 고정 척(200)에 의해 웨이퍼(10)의 상면 가장자리 부분은 눌러져서 고정되고, 상기 웨이퍼 고정 척(200)의 수용 홀(210)의 위치에 대응하는 상기 웨이퍼(10)의 상면 중앙 부분에는 절연유(20)가 채워지게 된다.
또한, 상기 수용 홀(210)의 내주연 하부에는 유연성 재질의 완충부재(미도시)가 부착되는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 웨이퍼 고정 척(200)이 상기 웨이퍼(10)의 상부에 안착할 때 상기 웨이퍼(10)에 가해지는 압력을 상쇄시킬 수 있어 웨이퍼(10)를 보호할 수 있을 뿐 아니라, 절연유(20)가 내부 공간에서만 격리되어 절연유(20)를 제거하고자 할 때도 용이하다는 장점이 있다.
바람직하게는, 상기 웨이퍼 고정 척(200)은 상기 웨이퍼 플레이트(100)와 웨이퍼 측정부(300)의 프로브 팁 사이를 절연시키도록 테플론 또는 PEEK 재질 중 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다.
또한, 상기 웨이퍼 고정 척(200)의 두께는 절연하고자 하는 전압의 크기에 기초하여 설계 변경하는 것이 바람직하다.
예컨대, 절연하고자 하는 전압의 크기가 5kV일 때 상기 웨이퍼 고정 척(200)의 바람직한 두께는 0.8cm 내지 1.3cm일 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치를 이용하여 고전압 항복특성 측정 시 절연유의 사용 여부에 따른 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
예컨대, 도 5를 참조하면, 도 5(a)는 절연유를 사용하지 않은 경우의 항복 특성을 나타내고, 도 5(b)는 절연유를 사용한 경우의 항복 특성을 나타낼 때, 절연유를 사용하지 않은 경우, 항복전압의 범위는 700~800V이고 복수의 아크(arc)가 발생함에 따라 결과값이 여러 개의 경로로 분리되어 0~700V 범위의 성분이 중첩되는 불안정한 특성을 나타내지만, 절연유를 사용한 경우, 항복전압의 범위가 1200~1300V로 절연유를 사용하지 않은 경우보다 더 안정적인 전류-전압 특성과 항복 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 상기 접촉 프로브에 의해 접촉되는 반도체소자(11)의 전극을 제외한 상기 웨이퍼(10) 상면의 나머지 영역은 상기 절연유에 의해 절연되므로, 고전압 측정 시 발생할 수 있는 아킹을 방지할 수 있게 된다.
한편, 도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치도 웨이퍼 플레이트(100), 웨이퍼 고정 척(200) 및 웨이퍼 측정부(300)를 포함하여 구성되긴 하나, 이때 상기 웨이퍼 고정 척(200)은 차폐부(220) 및 고정부(240)를 포함한다는 점에서, 전술된 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치와는 차이가 있다.
구체적으로, 상기 차폐부(220)는 상기 웨이퍼 플레이트(100)에 대응하는 크기로 형성되되 상기 수용 홀(210)의 내주연 직경이 상기 웨이퍼(10)의 외주연 직경보다 크게 형성되어 상기 웨이퍼 플레이트(100)의 상부면에 장착되고, 상기 고정부(240)는 상기 웨이퍼(10)의 상부를 눌러 고정하도록 상기 웨이퍼 플레이트(100)의 상부면에 장착되는 복수 개의 클립 형태의 고정 홀더(242)와, 상기 고정 홀더(242)의 일단을 고정하는 고정핀(244)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 복수 개의 고정 홀더(242)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 수용 홀(210)에 대응하는 위치에 'X'자 형태로 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 웨이퍼 플레이트(100)의 상부면에 안착된 상기 웨이퍼(10)의 상부는 상기 고정핀(244)에 의해 고정되지 않은 상기 고정 홀더(242)의 하부에 의해 눌려 고정되게 된다.
예컨대, 도 3을 참조하면, 웨이퍼 플레이트(100)의 가장자리 부분에는 소정의 수용 홀(210)이 형성된 차폐부(220)가 장착되고, 상기 수용 홀(210)에 대응하는 위치에 'X'자 형태로 배치되어 일단이 고정핀(244)으로 고정된 고정 홀더(242)의 하부에 웨이퍼(10)를 끼워 안착시킨 후, 상기 수용 홀(210)에 절연유(20)가 채워지게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 측정 장치에 의하면, 웨이퍼가 안착된 웨이퍼 플레이트의 상부면에 절연 상태의 감지 전극을 더 구비하고 상기 웨이퍼의 상부 전극에 대응되는 위치에 소정의 절연유가 수용되도록 함으로써, 대전류 측정 시 발생할 수 있는 접촉저항을 감소시키고, 고전압 측정 시 발생할 수 있는 아킹을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
10: 웨이퍼 11: 반도체소자
20: 절연유 100: 웨이퍼 플레이트
110: 전극 라인 111: 감지 전극
200: 웨이퍼 고정 척 210: 수용 홀
220: 차폐부 240: 고정부
242: 고정 홀더 244: 고정핀
300: 웨이퍼 측정부 301: 제1 접촉 프로브
302: 제2 접촉 프로브 303: 제3 접촉 프로브
304: 제4 접촉 프로브

Claims (4)

  1. 상부면 일측에서 하부면 일측까지 수직방향으로 연장되어 소정의 절연체로 둘러싸여 형성되는 전극 라인과 연결되는 감지 전극을 구비하며, 상부면에 검사대상 웨이퍼를 안착하는 웨이퍼 플레이트;
    복수 개의 접촉 프로브를 이용하여 상기 웨이퍼의 상면에 형성된 어느 하나의 반도체소자의 동일 전극의 서로 다른 두 지점에 각각 대응하는 영역과, 상기 전극 라인에 대응하는 상기 웨이퍼 플레이트의 하부면 상의 제1영역과, 상기 제1영역으로부터 소정 거리 이격된 상기 웨이퍼 플레이트의 하부면 상의 제2영역에 각각 접촉하여 상기 반도체소자의 전기적 특성을 측정하는 웨이퍼 측정부;
    중앙에 절연유를 밀폐 상태로 수용하기 위한 소정 크기의 수용 홀이 형성되며, 상기 웨이퍼가 안착한 상기 웨이퍼 플레이트의 상부면에 장착되어 상기 웨이퍼의 상부를 눌러 고정하는 웨이퍼 고정 척;
    을 포함하여 구성되며,
    상기 웨이퍼 고정 척은 상기 웨이퍼 플레이트에 대응하는 크기로 형성되되 상기 수용 홀의 내주연 직경이 상기 웨이퍼의 외주연 직경보다 크게 형성되어 상기 웨이퍼 플레이트의 상부면에 장착되는 차폐부; 및
    상기 웨이퍼의 상부를 눌러 고정하도록 상기 웨이퍼 플레이트의 상부면에 장착되되 상기 수용 홀에 대응하는 위치에 'X'자 형태로 배치되는 복수 개의 클립 형태의 고정 홀더와, 상기 고정 홀더의 일단을 고정하는 고정핀을 포함하는 고정부를 포함하며,
    상기 웨이퍼의 상부는 상기 고정핀에 의해 고정되지 않은 상기 고정 홀더의 하부에 의해 눌려 고정되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 측정 장치.
  2. 삭제
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