KR20230042975A - 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션 - Google Patents

소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션 Download PDF

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이근택
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Abstract

수광소자와 발광소자 등 다양한 반도체 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성을 측정할 수 있는 프로브 스테이션을 개시한다.
실시예에 따른 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션은, 상면이 개방되고 바닥면에 홀이 형성된 함체; 함체의 상면을 밀폐시키고, 내측에 홀을 마주보는 창이 구비되는 커버; 함체 내부에 구비되되, 각각의 선단이 홀의 직상방에 위치하는 복수 개의 프로브; 함체의 홀에 체결되는 캡과, 함체의 내부 바닥면에 착탈 가능하게 구성된 변온블록을 구비하는 홀효과측정모듈; 및 함체의 홀에 위치되는 프리즘과, 프리즘의 하부를 감싸고 함체의 외부 바닥면에 착탈 가능하게 구성된 플랜지를 구비하는 광소자측정모듈;를 포함하고, 함체에는 홀효과측정모듈 내지 광소자측정모듈 중 어느 하나가 선택적으로 결합되는 것을 특징으로 한다.

Description

소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션{PROBE STATION FOR DETECTING ELECTRICAL, THERMAL AND OPTICAL CHARACTERISTICS OF DEVICE}
본 개시(The Disclosure)는 소자의 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션에 관한 것이다.
최근, 반도체 수광 소자를 이용한 수광 센서에 대한 연구와 차세대 디스플레이 후보 기술로 퀀텀닷 유기발광다이오드의 단점을 보완한 퀀텀닷 나노 발광다이오드(Quantum dot Nano Light Emitting Diode·QNED)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 과정에서 고출력의 정밀도를 요하는 신소재의 개발을 위해 다양한 온도 및 압력조건 및 후면발광의 측정에 대한 필요성이 요구되고 있으며, 이러한 소자들의 전기적 열적 그리고 광적인 특성을 파악할 수 있는 장비가 개발되고 있다.
한국 등록특허공보 제10-2015-0170342호에는 마이크로 진공 프로브 시스템을 개시한다.
동 공보에 개시된 마이크로 진공 프로브 시스템은, 상부가 개방되고 내부에 수용 공간이 형성된 프레임의 측면 중 적어도 하나 이상의 위치에 진공 포트가 형성되고, 상기 수용 공간 내부에 진공을 형성하기 위한 배기라인이 형성되고, 상기 프레임의 상면에 서로 연결되도록 적어도 하나 이상의 공기 통로가 형성된 진공 챔버; 상기 공기 통로 주위를 밀폐시키도록 구비되는 보조 오링; 상기 수용 공간에서 배기하거나 상기 수용 공간에 가스를 주입할 때 상기 수용 공간을 밀폐시키도록 상기 수용 공간의 주위에 구비되며, 상기 보조 오링의 높이보다 돌출되도록 구비되는 메인 오링; 상기 진공 챔버의 개방된 상부에 탑재되고 상기 진공 포트에서 진공 배기가 실행되면 상기 프레임에 밀폐되는 커버부; 상기 진공 챔버의 수용 공간 내부에 구비되어 시편이 안착되는 스테이지 블록; 상기 스테이지 블록 상에 상기 시편의 검사를 위한 검사단부가 위치하도록 구비되고 상기 검사단부의 타단부인 고정단부에는 스프링부가 형성된 복수의 프로브 핀; 상기 스테이지 블록의 주변에 구비되고 상기 복수의 프로브 핀에 각각 연결되어 상기 프로브 핀을 구동하는 복수의 구동부; 및 상기 진공 챔버 일측에 구비되어 상기 진공 챔버 내부로 냉각수를 제공하여 상기 스테이지 블록을 냉각시키는 냉각 블록;을 포함한다.
전술한 마이크로 진공 프로브 시스템은, 수광소자와 발광소자의 전기적, 광적 특성을 동시에 확인할 수 있는 시스템은 제공하지 못하고 있다. 특히, 최근 많은 연구개발이 진행되고 있는 QNED등의 소자에 대한 후면발광용 LED에 대한 특성 파악 기능은 제공하지 못하고 있다.
KR 10-2015-0170342 B1 (2017.12.16. 공고)
본 개시가 해결하고자 하는 과제는, 수광소자와 발광소자 등 다양한 반도체 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성을 측정할 수 있는 프로브 스테이션을 제공하는 것이다.
실시예에 따른 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션은, 상면이 개방되고 바닥면에 홀이 형성된 함체; 함체의 상면을 밀폐시키고, 내측에 홀을 마주보는 창이 구비되는 커버; 함체 내부에 구비되되, 각각의 선단이 홀의 직상방에 위치하는 복수 개의 프로브; 함체의 홀에 체결되는 캡과, 함체의 내부 바닥면에 착탈 가능하게 구성된 변온블록을 구비하는 홀효과측정모듈; 및 함체의 홀에 위치되는 프리즘과, 프리즘의 하부를 감싸고 함체의 외부 바닥면에 착탈 가능하게 구성된 플랜지를 구비하는 광소자측정모듈;를 포함하고, 함체에는 홀효과측정모듈 내지 광소자측정모듈 중 어느 하나가 선택적으로 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션은, 함체의 벽면에 구비되는 냉매공급관을 더 포함수 있으며, 변온블록은, 함체의 내부 바닥면에 착탈 가능하게 구성된 히터판; 및 히터판의 상부에 결합되고, 내부에 냉각라인이 구비되어 냉매공급관과 연결되는 냉각판;으로 구성될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션은, 'ㄷ'자 형상이되, 마주보는 양단부에 각각 자석이 구비되는 자석지그;를 더 포함할 수 있으며, 자석지그는, 일단부가 창의 상방에 위치하고 타단부가 홀의 하방에 위치하도록, 함체의 외벽면에 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션은, 창을 막는 암막커버와 히터판의 하부에 결합되는 단열재를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션은 측정 목적에 따라 모듈을 교체하여, 수광소자와 발광소자 등 다양한 반도체 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성을 측정하는데 사용된다.
또한, 실시예에 따른 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션은 소형으로 제작되어, 진공 배기와 가스 포화가 용이하다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 실시예에 따른 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션의 사시도이다.
도 2는 홀효과측정모듈과 광소자측정모듈의 사시도이다.
도 3은 자석지그의 사시도이다.
도 4는 홀효과측정모듈의 사용 방법을 나타낸다.
도 5는 자석 지그의 사용 방법을 나타낸다.
도 6 내지 도 7은 광소자측정모듈의 사용 방법을 나타낸다.
본 개시의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
실시예에 따른 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션[이하 '프로브 스테이션(100)'이라 함]은 진공 상태이거나 다양한 가스가 주입된 환경에서 소자(D)의 전기적 특성, 열적 특성, 광학적 특성을 측정할 수 있다. 본 명세서에서는 편의상 소자(D)를 사각형으로 표시하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 예시에 불과하며, 소자(D)는 발광소자, 수광소자 등 웨이퍼에 형성되는 다양한 종류의 반도체 디바이스 일 수 있다.
프로브 스테이션(100)의 사시도를 나타내는 도 1과 홀효과측정모듈(140)과 광소자측정모듈(150) 및 자석지그(160)의 사시도인 도 2 내지 도 3을 참조하면, 프로브 스테이션(100)은 함체(110), 커버(120), 프로브(130), 홀효과측정모듈(140), 광소자모듈(150) 및 자석지그(160)를 포함한다.
함체(110)는 상면이 개방되고 바닥면에 홀(111)이 형성된 함 형상이다. 또한, 함체(110)의 벽면에는 복수 개의 관이 구비된다.
냉매공급관(112)은 함체(110)의 벽면에 구비되며, 홀효과측정모듈(140)에 냉각수를 공급 및 배출시키는 한 쌍의 관으로 구성될 수 있다. 또한, 냉매공급관(120')은 함체(110)의 벽면에 추가로 구비한 뒤, 함체(110)의 벽면 또는 바닥면 내부에 구비되는 냉각라인에 냉각수를 공급하여 함체(110)를 냉각할 수 있다.
가스배출관(113)은 함체(110)의 벽면에 구비되며, 함체(110)의 내부의 기체가 배출된다. 가스배출관(113)은 함체(110) 내부의 기체를 배출시켜 함체(110)의 내부를 진공상태로 만들 수 있다.
가스공급관(114)는 함체(110)의 벽면에 구비되며, 함체(110)의 내부에 다양한 가스를 주입한다. 이로 인해, 다양한 가스가 주입된 상태에서 소자(D)의 특성을 측정할 수 있는 환경을 구성할 수 있게 해준다.
신호선(115)은 프로브(130)와 전기적으로 연결되어 프로브(130)로부터 전기적 신호를 송수신한다.
이러한 복수 개의 관은 함체(110)의 벽면을 따라 적당한 위치에 배치될 수 있다. 즉, 실시예에 의해 그 위치가 한정되는 것은 아니며, 함체(110)에 구비되는 관의 수와 위치들은 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
커버(120)는 함체(110)의 상면을 밀폐시키고, 내측에 홀(111)을 마주보는 창(121)이 구비된다. 창(121)은 석영, 사파이어, 일반 유리, 강화 유리 및 아크릴 등의 투명한 재질로 구성될 수 있다. 또한, 창(121)을 막는 암막커버(미도시)를 더 포함할 수 있다.
커버(120)는 함체(110)의 상면에 나사나 클램프와 같은 체결 수단을 이용해 결합될 수 있으나, 함체(110) 내부를 진공 상태로 유지함으로써 별도의 체결 수단 없이 함체(110)에 커버(120)가 고정될 수 있다.
프로브(130)의 구성은 본 출원인이 출원하여 등록받은 바 있는 한국특허등록 제10-0947322호의 반도체형 샘플 측정장치의 샘플홀더의 구성을 기초한다. 프로브(130)는 함체(110)의 내부 바닥면에 복수 개가 구비되며, 홀(111)의 외곽을 따라 서로 이격되어 구비된다. 또한, 프로브(130)는 측정단부(131)와 구동부(132)로 구성될 수 있다.
측정단부(131)는 홀(111)의 직상방에 위치하며, 소자(D)의 측정을 위해 일측이 소자(D)와 접촉된다.
구동부(132)는 측정단부(131)의 타측에서 결합되며, 측정단부(131)를 두 개의 직선 이동 또는 직선 이동 및 회전시킬 수 있게 구성될 수 있다. 하나의 예로, 구동부(132)는 계단 형상으로 절곡 형성되되, 일측부가 측정단부(131)에 결합되고, 타측부에 길이 방향으로 가이드홈이 형성된 프레임과 형성된 가이드홈을 관통하여 프레임을 몸체(110)에 고정시키되, 측정단부(131)가 가이드홈에 의해 전진 및 후진하거나 회전 가능하게 하는 고정핀을 포함할 수 있다.
또한, 프로브(130)는 실시예와 같이 그 형상을 한정하는 것이 아니며, 포고핀의 형상으로 대체할 수 있다. 즉, 소자에 접촉되어 소자의 특성을 측정할 수 있다면 어떠한 형상으로 제작되어도 무방하다.
도 2 (a)를 참조하면, 홀효과측정모듈(140)은 캡(141)과 변온블록(142)을 포함한다.
캡(141)은 함체(110) 내부가 밀폐될 수 있도록 홀(111)의 형상에 맞게 형성되며, 홀(111)에 결합되어 함체(110)를 밀폐시키는 기능을 한다. 캡(141)의 일단부는 외측으로 연장 형성되는 플랜지부가 형성될 수 있다. 이로 인해, 함체(110)가 진공 상태로 되었을 때, 홀(111)으로부터 캡(141)의 이탈이 방지된다.
변온블록(142)은 함체(110)의 내부 바닥면에 착탈 가능하게 구성되며, 히터판(142a)과 냉각판(142b)을 포함하며, 변온블록(142)의 상부에는 소자가 안착된다. 또는, 소자의 안착을 위한 별도의 척(미도시)이 결합될 수 있다.
히터판(142a)은 함체(110)의 내부 바닥면에 착탈 가능하게 구성되며, 함체(110)의 내부 바닥면과 이격되어 결합될 수 있도록 양단부에서 각각 하방으로 연장 형성되는 다리부가 형성될 수 있다. 이로 인해, 히터판(142a)의 온도. 즉, 변온블록(142)의 온도가 함체(110)로 직접적으로 전달되는 것을 방지할 수 있다.
냉각판(142b)은 히터판(142a)의 상부에 결합되고, 내부에 냉각라인이 구비되어 냉매공급관(112)과 연결된다. 히터판(142a)과 냉각판(142b)으로 인해 변온블록(142)은 소자(D)의 특성을 측정 시 원하는 온도로 정확하게 조절하고 유지할 수 있다.
냉각판(142b)은 본 출원인이 출원하여 등록받은 바 있는 한국특허등록 제10-0986805호의 온도 가변형 프로브 스테이션의 구성을 이용하여 정밀하게 온도를 조절할 수 있다.
도 2 (b)를 참조하면, 광소자측정모듈(150)은 프리즘(151)과 플랜지(152)를 포함한다.
프리즘(151)은 원기둥 형상을 가질 수 있으며, 홀(111)의 내부에 투입되어 홀(111)을 밀폐시킨다. 프리즘(151)은 원형으로 제작되어, 프리즘(151) 내부를 지나는 광손실을 줄일 수 있다. 프리즘(151)의 상단에는 소자(D)가 안착된다. 또는, 소자(D)의 안착을 위한 별도의 투명한 척(미도시)이 결합될 수 있다. 또한, 프리즘(151)은 광원발생유닛(미도시)으로부터 발생된 광원을 소자(D)로 전달하는 역할. 혹은, 소자(D)로부터 발생하는 광원을 함체(110) 외부로 전달하는 역할을 한다.
플랜지(152)는 프리즘의 하부를 감싸며, 함체(110)의 외부 바닥면에 착탈 가능하게 구성된다.
도 3을 참조하면, 자석지그(160)는 'ㄷ'자 형상을 가지며, 마주보는 양단부에 자석(161)이 각각 구비된다. 이때, 구비되는 자석(161)은 서로 마주보게 위치하고 서로 반대되는 극성을 가져 소자(D)에 자기장을 형성하는 것으로, 영구자석일 수 있으나 자속밀도의 세기가 조절될 수 있도록 전자석으로 구비하는 것이 더욱 좋다.
홀효과측정모듈(140)의 사용 방법을 나타내는 도 4와 자석지그(160)의 사용 방법을 나타내는 도 5를 참조하면, 함체(110) 내부가 밀폐될 수 있도록 홀(111)에 캡(141)을 결합시켜준다. 함체(110) 내부가 진공 상태가 되면, 함체(110) 내부로 힘이 작용하므로 캡(141)을 하방에서 상방으로 결합시켜주는 것이 좋다. 이어서, 홀(111)의 상방에 변온블록(142)이 위치하도록 변온블록(142)을 함체(110)의 내부 바닥면에 결합시켜준다. 변온블록(142)의 하방에는 단열재(미도시)가 구비될 수도 있다. 이어서, 변온블록(142)의 상면에 소자(D)를 안착시킨 뒤, 구동부(132)를 조절하여 소자(D)에 측정단부(131)가 접촉되도록 프로브(130)를 위치시킨다. 이어서, 함체(110)에 커버(120)를 결합시키고 함체(110) 내부를 진공상태로 유지시키거나 가스를 주입하여 사용자가 원하는 측정 환경을 만들어주고 변온블록(142)에 구비된 히터판(142a)과 냉각판(142b)을 이용하여 원하는 온도로 조절한다. 이어서, 자석지그(160)의 일단부가 창(121)의 상방에 위치하고 타단부가 홀(111)의 하방에 위치하도록 자석지그(160)를 함체(110)의 외벽면에 결합하고 소자(D)에 가해지는 전류 혹은 전압 및 자속밀도를 조절하면서 소자(D)의 홀효과를 측정한다.
광소자측정모듈(150)의 사용 방법을 나타내는 도 6과 도 7을 참조하면, 프리즘(151)을 홀(111)에 투입하여 홀(111)을 밀폐시킨 뒤, 플랜지(152)를 이용하여 함체(111)의 외부 바닥면에 광소자측정모듈(150)을 고정시켜준다. 이어서, 프리즘(151)의 상면에 소자(D)를 안착시킨 뒤, 구동부(132)를 조절하여 소자(D)에 측정단부(131)가 접촉되도록 프로브(130)를 위치시킨다. 이어서, 함체(110)에 암막커버(122)가 결합된 커버(120)를 결합시키고 함체(110) 내부를 진공상태로 유지시키거나 가스를 주입하여 사용자가 원하는 측정 환경을 만들어준다. 이어서, 홀(111)의 하방에 광원발생유닛(미도시)을 위치시킨다. 이 광원발생유닛은 제논 램프, 할로겐 램프를 이용한 태양광 및 다수의 엘이디를 이용한 적색광, 청색광 및 녹색광 중 어느 하나의 광을 선택적으로 발생시키거나, 자외선램프를 이용하여 자외선을 발생시키거나, 또는 적외선램프를 이용하여 적외선을 발생시킬 수 있다. 이어서, 광원발생유닛으로부터 발생한 광원이 소자(D)에 조사된 상태 하에서 소자(D)의 특성을 측정한다. 또는, 소자(D)가 발광소자의 경우, 프리즘(151) 하방에 광파이버(170)를 위치시킨 뒤, 소자(D)에서 발생되는 광원을 수용하여 소자(D)의 특성을 측정할 수 있다.
전술한 프로브 스테이션(100)을 사용하면 소자의 홀효과 측정, 정전류 인가에 따른 I-V(전류-전압)측정, I-R(전류-저항)측정과 외부광원의 조사에 따른 소자의 광전류(저항) 측정 및 발광되는 광원의 측정 등 다양한 측정이 가능하다.
또한, 전술한 프로브 스테이션(100)은 소형으로 제작할 수 있으며, 진공을 통한 다양한 가스 주입에 따른 소자의 특성 파악뿐만 아니라 온도 가변의 조건에서 발광소자 및 수광소자의 특성을 파악할 수 있다.
본 개시의 실시예를 설명할 때 사용된 표현(용어, 시각화된 이미지 등)들은 기술에 대한 이해를 높이기 위한 도구적인 목적에 의해 선택된 것에 불과하다.
또한, 여건상 본 개시는 제한된 수의 실시예에 의하여 설명되었고, 통상의 기술자는 설명된 실시예를 바탕으로 본 개시의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 새로운 실시예들을 창안해 낼 수 있을 것이다.
따라서, 본 개시의 청구범위는 '발명의 설명' 및 '도면'에 나타난 일부 표현에 의하여 제한되어선 안되고, 명세서의 전반에 내재된 본원적인 기술적 사상을 바탕으로 폭넓게 해석되어야 함이 마땅하다.
100... 프로브 스테이션
110... 함체
111... 홀
112... 냉매공급관
113... 가스배출관
114... 가스공급관
115... 신호선
120... 커버
121... 창
122... 암막커버
130... 프로브
131... 측정단부
132... 구동부
140... 홀효과측정모듈
141... 캡
142... 변온블록
142a... 히터판
142b... 냉각판
150... 광소자측정모듈
151... 프리즘
152... 플랜지
160... 자석지그
161... 자석
170... 광파이버

Claims (5)

  1. 소자의 특성을 측정하는 프로브 스테이션에 있어서,
    상면이 개방되고 바닥면에 홀이 형성된 함체;
    상기 함체의 상면을 밀폐시키고, 내측에 상기 홀을 마주 보는 창이 구비되는 커버;
    상기 함체 내부에 구비되되, 각각의 선단이 상기 홀의 직상방에 위치하는 복수 개의 프로브;
    상기 함체의 홀에 체결되는 캡과, 상기 함체의 내부 바닥면에 착탈 가능하게 구성된 변온블록을 구비하는 홀효과측정모듈; 및
    상기 함체의 홀에 위치되는 프리즘과, 상기 프리즘의 하부를 감싸고 상기 함체의 외부 바닥면에 착탈 가능하게 구성된 플랜지를 구비하는 광소자측정모듈;를 포함하고,
    상기 함체에는 상기 홀효과측정모듈 내지 상기 광소자측정모듈 중 어느 하나가 선택적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 함체의 벽면에 구비되는 냉매공급관;을 더 포함하고,
    상기 변온블록은,
    상기 함체의 내부 바닥면에 착탈 가능하게 구성된 히터판; 및
    상기 히터판의 상부에 결합되고, 내부에 냉각라인이 구비되어 상기 냉매공급관과 연결되는 냉각판;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션.
  3. 제1항에 있어서,
    'ㄷ'자 형상이되, 마주보는 양단부에 각각 자석이 구비되는 자석지그;를 더 포함하고,
    상기 자석지그는,
    일단부가 상기 창의 상방에 위치하고 타단부가 상기 홀의 하방에 위치하도록, 상기 함체의 외벽면에 결합되는 것을 특징으로 하는 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 창을 막는 암막커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 변온블록은,
    상기 히터판의 하부에 결합되는 단열재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소자의 전기적, 열적 및 광적 특성 파악이 가능한 프로브 스테이션.
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