JP2007288101A - プローバにおけるウエハ保持方法、プローバ及び高熱伝導性シート - Google Patents

Abstract

【課題】検査中のデバイスの温度を所望の温度に正確に設定できるプローバの実現。
【解決手段】ウエハW上に形成された複数の半導体装置をテスタで検査をするために、テスタ21,22の各端子を半導体装置の電極に接続するプローバにおいて、ウエハWをプローバのウエハチャック11に保持するウエハ保持方法であって、ウエハチャック11上に、高熱伝導性シート60を載置し、高熱伝導性シート60上にウエハを載置して保持する。ウエハチャック11は、ウエハWを保持する時には先端が載置面31より下側に位置し、ウエハを上方に移動させる時には先端が載置面より上側に移動するリフトピン51を備え、高熱伝導性シート60は、リフトピン51が通過するピン穴61を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体ウエハ上に形成された複数の半導体装置（デバイス）の電気的な検査を行うためにテスタの各端子をデバイスの電極に接続するプローバにおいてウエハチャックにウエハを保持する方法、プローバ及びそこで使用される高熱伝導性シートに関し、特に検査により発熱するデバイスの温度とウエハチャックとの温度差を小さくできるウエハの保持方法、プローバ及び高熱伝導性シートに関する。

半導体製造工程では、薄い円板状の半導体ウエハに各種の処理を施して、半導体装置（デバイス）をそれぞれ有する複数のチップ（ダイ）を形成する。各チップは電気的特性が検査され、その後ダイサーで切り離なされた後、リードフレームなどに固定されて組み立てられる。上記の電気的特性の検査は、プローバとテスタで構成されるウエハテストシステムにより行われる。プローバは、ウエハをステージ（ウエハチャック）に固定し、各チップの電極パッドにプローブを接触させる。テスタは、プローブに接続される端子から、電源および各種の試験信号を供給し、チップの電極に出力される信号をテスタで解析して正常に動作するかを確認する。

デバイスの電気的特性を検査する場合、デバイスに電源及び信号を供給して動作させ、出力信号を検出する。そのため、デバイスは検査時に発熱する。しかしデバイスが発熱しても、デバイスはウエハチャックに密着しているのでデバイスは直ぐにウエハチャックの温度になり、更にウエハチャックの熱容量は大きく、またウエハチャックの熱伝導度は良好なので、検査中のデバイスの温度は、ウエハチャックの温度であると考え、検査が行われてきた。

また、半導体装置は広い用途に使用されており、広い温度範囲で使用される。そのため、半導体装置の検査を行う場合、例えば、室温（常温）、２００°Ｃのような高温、及び−５５°Ｃのような低温で、検査する必要があり、プローバにはこのような環境での検査が行えることが要求される。そこで、プローバにおいてウエハを保持するウエハチャックのウエハ載置面の下に、例えば、ヒータ機構、チラー機構、ヒートポンプ機構などのウエハチャックの表面の温度を変えるウエハ温度調整機構を設けて、ウエハチャックの上に保持されたウエハを過熱又は冷却することが行われる。

図１は、ウエハ温度調整機構を有するプローバを備えるウエハテストシステムの概略構成を示す図である。プローバは、ウエハＷを保持するウエハチャック１１と、ウエハチャック１１内に設けられた冷却液経路１２及びヒータ１３と、経路１５を介して冷却液経路１２に冷却液を循環させる冷却液源１４と、ヒータ１３に電力を供給するヒータ電源１６と、制御部１７と、検査する半導体チップの電極配置に合わせて作られたプローブ１９を有するプローブカード１８と、を有する。冷却液経路１２に冷却液を流すことにより、ウエハＷを保持するウエハチャック１１の表面が冷却され、保持しているウエハＷが低温にされる。同様に、ヒータ１３に電力を供給して発熱することにより、ウエハチャック１１の表面を加熱され、保持しているウエハＷが高温になる。制御部１７は、ウエハチャック１１の表面の近くに設けられた温度センサ２０の検出した温度に基づいて、冷却液源１４及びヒータ電源１６を制御して、ウエハチャック１１の表面が所望の温度になるようにする。プローバは、この他にも、ウエハチャック１１のＸ、Ｙ及びＺ方向の３軸移動・回転機構、ウエハ上に形成されたダイの配列方向を検出するアライメント用カメラと、プローブの位置を検出する針位置検出カメラと、それらを収容する筐体などが設けられ、上記のプローブカード１７は、筐体に設けられたカードホルダに取り付けられる。このような構成要素は本発明に直接関係しないので、ここでは図示を省略している。

テスタは、テスタ本体２１と、テスタ本体２１の端子とプローブカード１７の端子を電気的に接続するコネクション部２２と、を有する。コネクション部２２は、バネを使用した接続端子機構、いわゆるスプリングピン構造を有する。プローバは、ウエハテストにおいてテスタと連携して測定を行うが、その電源系や機構部分はテスタ本体及びテストヘッドとは独立した装置である。

ウエハチャック１１内には、他にもウエハＷを真空吸着するための真空経路やウエハＷのリフト機構などが設けられ、ウエハチャック１１内における冷却液経路１２、ヒータ１３及び真空経路の配置については各種の変形例がある。以下の説明では、冷却液経路１２、冷却液源１４及び経路１５を含めて冷却機構と称し、ヒータ１３及びヒータ電源１６を含めて加熱機構と称し、冷却機構及び／又は加熱機構をまとめてウエハ温度調整機構と称する場合がある。

ウエハ温度調整機構は、ウエハチャック１１に保持されたウエハＷを、例えば、−５５°Ｃから＋２００°Ｃまでの任意の温度に設定できる。ウエハ温度調整機構は、ヒートポンプ機構などで実現することも可能である。

ウエハを所定の温度にして検査を行う場合、ウエハＷをウエハチャック１１に保持した状態で、制御部１７は温度センサ２０の検出した温度に基づいてウエハ温度調整機構を制御し、ウエハチャック１１が所定の温度になるようにする。ウエハチャック１１は、アルミニューム、銅、熱伝導性の良好なセラミックなどで作られており、ウエハＷを保持する表面はほぼ同じ温度になると考えられている。従って、温度センサ２０は１個だけ設けられ、検出したウエハチャック１１の温度は、他の部分でも同じであるとして制御が行われる。

更に、ウエハＷは薄い板状であり、ウエハチャック１１に吸着されて保持された状態では、ウエハＷとウエハチャック１１の表面の熱抵抗は十分に小さく、ウエハＷの全面が短時間でウエハチャック１１の表面温度になると考えられている。

以上説明したプローバ及びウエハテストシステムの構成は、広く知られているので、ここではこれ以上の説明を省略する。

特開平６−５３２９８号公報（全体）

上記のように、デバイスは検査時に発熱するが、ウエハの裏面とウエハチャックの載置面は共に平坦で密着度がよいため、検査中のデバイスの温度はウエハチャック１１の温度であると考えられてきた。しかし、実際には、ウエハの裏面及びウエハチャックの載置面を微視的に見ると平坦ではなく、一部が接触しているに過ぎない。そのため、ウエハの裏面とウエハチャックの載置面との間の密着度は十分ではなく、デバイスの発熱は直ちにはウエハチャック１１に吸収されず、デバイスが高温になるという問題が生じる。そのため、たとえ温度センサ２０の検出した温度を所定の検査温度にしても、実際にはデバイスがその検査温度になっておらず、所定の検査温度でデバイスの検査が行えないという問題が生じる。

この問題は、特に発熱量の大きなデバイスの場合に大きな問題になり、デバイスからウエハチャック１１への伝熱が不十分だと、デバイスが異常な高温になってデバイス自体が破壊してしまうという問題を生じる。

このような問題を解決するために、デバイスの発熱による温度上昇を考慮してウエハチャックの温度をその分低くなるようにウエハ温度調整機構を制御することも考えられるが、ウエハ温度調整機構によるウエハの温度制御の応答性（レスポンス）は遅いのでデバイスを所定の検査温度にするのは難しい。例えば、デバイスの発熱も考慮してウエハチャックの温度を低くしておくと、デバイスが十分に発熱していない状態では、デバイスは検査温度より低い温度で検査されることになる。

このような問題を解決するため、特許文献１は、ウエハチャックの表面に溝を設け、ウエハをウエハチャックに吸着した状態で溝にヘリウムガスを流してウエハの下面を直接冷却することで、ウエハ上のデバイスの温度制御のレスポンスを向上する構成を記載している。しかし、この構成は、ウエハチャックの表面と吸着したウエハの間でヘリウムガスの経路を形成するため、ヘリウムガスが漏れないためにはウエハチャック表面の平面度及び表面粗さを向上する必要があり、高コストになるという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するもので、検査中のデバイスの温度を所望の温度に正確に設定できるプローバを低コストで実現することを目的とする。

上記目的を実現するため、本発明のプローバにおいてウエハをプローバのウエハチャックに保持するウエハ保持方法は、熱伝導性が良好で、接触する表面になじみやすい高熱伝導性シートを、ウエハチャックの上に載置し、その上にウエハを載置して保持する。

すなわち、本発明のウエハ保持方法は、ウエハ上に形成された複数の半導体装置をテスタで検査をするために、前記テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバにおいて、前記ウエハを前記プローバのウエハチャックに保持するウエハ保持方法であって、前記ウエハチャック上に、高熱伝導性シートを載置し、前記高熱伝導性シート上に前記ウエハを載置して保持することを特徴とする。

図２は、本発明の原理を説明する図であり、左側は載置状態を示し、右側はウエハＷの裏面とウエハチャック１１の載置面の部分を拡大した図である。図２の（Ａ）に示すように、高熱伝導性シートを使用せずにウエハチャック１１の載置面３１上にウエハＷの裏面３２を直接載置し、吸着して保持した従来の保持方法によれば、ウエハＷの裏面３２及びウエハチャック１１の載置面３１は、微視的に見ると平坦ではなく、一部が接触しているに過ぎない。そのため、ウエハの裏面３２とウエハチャックの載置面３１との間の密着度は十分ではなく、接触面積が小さいため、デバイスの発熱は直ちにはウエハチャック１１に吸収されず、検査中のデバイスの温度が上昇する。

これに対して、図２の（Ｂ）に示すように、ウエハチャック１１の載置面３１上に高熱伝導性シート３３を載置し、更にその上にウエハＷの裏面３２を載置し、吸着して保持した本発明の保持方法によれば、高熱伝導性シート３３は、柔軟で接触する表面になじみやすいのでウエハＷの裏面３２及びウエハチャック１１の載置面３１に密着し、接触面積が飛躍的に大きくなる。しかも、高熱伝導性シートは熱伝導性が良好であるため、デバイスの発熱は直ちにはウエハチャック１１に吸収されるので、検査中のデバイスの温度上昇が低減される。

高熱伝導性シート３３は、カーボン（黒鉛）シートなどであり、厚さは１００μｍ以下のものが使用可能である。

高熱伝導性シートは、ウエハの裏面とウエハチャックの載置面との間に配置する必要があるが、熱抵抗が増加すると共に工程の増加やウエハの裏面の汚れを生じるので、接着剤でウエハの裏面に貼り付けることはできない。また、高熱伝導性シートは、同様の理由及び使用に従って消耗及び損傷するので随時交換する必要があるため、ウエハチャックの載置面上に貼り付けることはできない。そこでウエハチャックの載置面上に高熱伝導性シートを載置することになる。前述のように、ウエハチャックは、検査の終了したウエハをウエハチャックから上昇させて搬送アームに受け渡すために、ウエハを保持する時には先端が載置面より下側に位置し、ウエハを上方に移動させる時には先端が載置面より上側に移動するリフトピンを備えている。そのため、高熱伝導性シートは、リフトピンの位置に対応させて、リフトピンの通過するピン穴が必要である。

また、高熱伝導性シートをウエハチャックの載置面上に載置する時には、ピン穴をリフトピンの位置に合わせる必要がある。そこで、リフトピンの先端が載置面より上側に移動した状態で、高熱伝導性シートのピン穴がリフトピンを通過するようにして載置すると、位置決めが容易である。

更に、ウエハチャックは、一部がウエハチャックの載置面に露出したウエハ真空吸着経路を備え、ウエハ真空吸着経路に負圧を印加してウエハを吸着して保持するのが一般的である。そこで、高熱伝導性シートは、ウエハチャックの載置面のウエハ真空吸着経路の露出部分に対応した吸着穴を備える、これにより、ウエハ真空吸着経路に負圧を印加すると、この吸着穴を介してウエハの裏面に負圧が印加されて、ウエハは高熱伝導性シートを介してウエハチャックの載置面に吸着される。例えば、ウエハチャックの載置面に露出したウエハ真空吸着経路が細い溝であれば、吸着穴は溝に沿って設けられた多数の円形の穴で形成されることが望ましい。

以上の方法は、従来のプローバを使用して、上記のようなピン穴及び／又は吸着穴を有する高熱伝導性シートを使用すれば実現できる。

また、ウエハは高熱伝導性シートを介してウエハチャックの載置面に吸着し、検査が終了した後ウエハをリフトピンにより上昇させる時に高熱伝導性シートがウエハと一体となって上昇する場合が起こり得る。このようなことが起きると、ウエハの裏面から高熱伝導性シートを剥がして再度ウエハチャックの載置面に載置しなければならなくなる。

このような問題を回避するため、ウエハチャックに、一部がウエハチャックの載置面に露出した高熱伝導性シートを吸着して保持するためのシート真空吸着経路を別に設けて、言い換えれば、ウエハチャック用とシートチャック用の２系統の真空吸着機構を設けて、高熱伝導性シートがウエハチャックの載置面から離れないように保持することが望ましい。

高熱伝導性シートを交換する時には、シート真空吸着経路の負圧を解除して交換作業を行う。

なお、本発明は、図１のような温度調整機構を有するプローバにも、温度調整機構のないプローバにも適用可能である。

以上説明したように、本発明によれば、ウエハの裏面とウエハチャックの密着度が向上して、検査中のデバイスとウエハチャックの温度差を小さくできる。これにより、検査中のデバイスの温度を所望の温度に正確に設定できるようになる。

図３は、本発明の第１実施例で使用するプローバのウエハチャック１１の構成を示す図であり、（Ａ）が載置面の上面図であり、（Ｂ）が（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。なお、第１実施例のプローバは、図１に示したテストシステムで使用され、ここでは温度調整機構はないものとして説明しないが、図１に示した温度調整機構を有してもよい。

図３の（Ａ）に示すように、ウエハチャック１１の載置面３１には、同心円上に２本の細い円形溝４１が設けられている。図３の（Ｂ）に示すように、２本の円形溝４１は、真空吸着経路４３により通気口４２に接続され、通気口４２に接続される真空機構を動作させることにより負圧が印加される。

更に、図３の（Ａ）に示すように、ウエハチャック１１の載置面３１には、３本のリフトピン５２が通過する３個の穴５１が設けられている。図３の（Ｂ）に示すように、ウエハチャック１１の内部では、３個の穴５１は連結穴５３でつながっており、３本のリフトピン５２は連結穴５３内の連結部材５４により中心で連結されて昇降機構５５に支持されている。昇降機構５５はエアーシリンダや電動機構により構成され、連結部分を上下方向に移動することが可能であり、これにより、３本のリフトピン５２は、先端が載置面の下側に位置する状態と先端が載置面の上側に位置する状態の間で移動可能である。

以上説明した図３のプローバのウエハチャック１１の構成は従来例と同じである。

図４は、本発明の実施例で使用するカーボン（黒鉛）シート６０を示す図である。このカーボンシート６０は、厚さが１００μｍ以下で、柔軟性があり、高熱伝導性を有する。図示のように、カーボンシート６０は、ウエハチャック１１の載置面と略同じ直径を有し、３個の穴５２に対応した位置に穴５２と同じ直径の３個のピン穴６１を有する。更に、カーボンシート６０は、２本の円形溝４１と対応する位置に、溝幅と同程度の直径の小さな吸着穴６２Ａの列６２を有する。

図５は、本実施例において、ウエハチャック１１上にウエハＷを保持した状態を示す。図５の（Ｂ）に示すように、３本のリフトピン５２の先端が載置面の上側に位置する状態にして、カーボンシート６０のピン穴６１が３本のリフトピン５２を通るようにして、カーボンシート６０をウエハチャック１１の載置面上に載置する。これにより、吸着穴６２Ａのなす円形の列６２は２本の円形溝４１と対応する位置になる。リフトピン５２上にウエハＷを載置して、リフトピン５２を降下させると、ウエハＷはカーボンシート６０を介してウエハチャック１１上に載置されるので、真空機構を動作させて２本の円形溝４１に負圧を印加すると、穴６２Ａを通して負圧がウエハＷの裏面に印加されて、ウエハＷがカーボンシート６０を介してウエハチャック１１上に吸着され、図５の（Ａ）のような保持状態になる。この状態で、従来例と同様に、プローブカードのプローブピンをデバイスの電極に接触させてテスタにより検査を行う。

カーボンシート６０は非常に薄く、使用に従って消耗及び損傷するので、随時交換する。上記のようにカーボンシート６０はウエハチャック１１上に載置してあるだけなので、交換は容易に行える。

図６は、本発明の第２実施例のプローバのウエハチャック１１の構成を示す図であり、（Ａ）が載置面の上面図であり、（Ｂ）が（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。第２実施例のウエハチャック１１は、図６の（Ａ）に示すように、２本の円形溝４１の間に更に同心円状の細い溝７１が設けられている点が、第１実施例で使用したプローバのウエハチャック１１と異なる。溝７１は、図６の（Ｂ）に示すように、真空吸着経路７３により通気口７２に接続され、通気口７２に接続される真空機構を動作させることにより負圧が印加される。このように、第２実施例のウエハチャックは２系統の独立に動作可能な吸着手段を有する点が第１実施例と異なる。ここでは、溝４１及び真空吸着経路４３で構成される真空吸着機構をウエハ吸着用であり、溝７１及び真空吸着経路７３で構成される真空吸着機構をシート吸着用である。

また、第２実施例においても、図４に示したカーボンシート６０が使用される。

上記のように、検査はウエハＷをカーボンシート６０を介してウエハチャック１１の載置面に吸着して行われ、検査が終了した後ウエハＷをリフトピン５１により上昇させて、搬送アームに受け渡す。この時にカーボンシート６０がウエハＷと一体となって上昇する場合が起こり得る。このようなことが起きると、ウエハＷとカーボンシート６０が一緒に搬送アームに受け渡されることになる。この場合、オペレータがこのことを検出して、ウエハの裏面からカーボンシートを剥がして再度ウエハチャックの載置面に載置しなければならなくなり、非常に煩雑であるだけでなく、もしこのような事態の発生に気が付かなければ、次のウエハの検査はカーボンシート無しで行われることになり、更にウエハＷはカーボンシート６０と一緒に次の工程に進み各種の問題を引き起こすことになる。

図６の第２実施例では、ウエハチャック１１の上にカーボンシート６０を載置した時に、シート吸着用真空吸着機構を動作させてカーボンシート６０を吸着する。カーボンシート６０の吸着は、少なくともウエハの受け渡し時には行われる必要があり、できれば検査中又はカーボンシート６０が載置されている間は行うことが望ましい。カーボンシート６０はシート吸着用真空吸着機構によりウエハチャック１１に吸着されているので、リフトピン５１を上昇させた時にウエハＷのみが上昇し、カーボンシート６０が一緒に上昇することはない。

以上、本発明の実施例を説明したが、各種の変形例が可能であるのはいうまでもない。例えば、カーボンシートの代わりに他の柔軟で高熱伝導性シートを使用することも可能である。また、ウエハチャックの溝形状や高熱伝導性シートの穴形状を他の形状に変えることも可能である。

本発明は、ウエハの検査を行うプローバであれば、どのようなものにも適用可能である。本発明を適用することにより、デバイスの温度とウエハチャックの温度の差を低減して、検査中のデバイスの温度をより正確に設定することができる。

ウエハ温度調整機構を有するプローバを備えるウエハテストシステムの概略構成を示す図である。 本発明の原理を従来例と比較して説明する図である。 本発明の第１実施例で使用するプローバのウエハチャックの構成を示す図である。 第１実施例で使用する高熱伝導性シート（カーボンシート）の形状を示す図である。 第１実施例でのウエハの保持状態及び保持方法を説明する図である。 本発明の第２実施例のプローバのウエハチャックの構成を示す図である。

符号の説明

１１ ウエハチャック
３１ 載置面
４１ 溝
４３ 真空吸着経路
５１ リフトピン
５２ 穴
６０ 高熱伝導性シート（カーボンシート）
６１ ピン穴
６２ 吸着穴列
６２Ａ 吸着穴
Ｗ ウエハ

Claims (8)

1. ウエハ上に形成された複数の半導体装置をテスタで検査をするために、前記テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバにおいて、前記ウエハを前記プローバのウエハチャックに保持するウエハ保持方法であって、
   前記ウエハチャック上に、高熱伝導性シートを載置し、
   前記高熱伝導性シート上に前記ウエハを載置して保持することを特徴とするウエハ保持方法。
2. 前記ウエハチャックは、前記ウエハを保持する時には先端が載置面より下側に位置し、前記ウエハを上方に移動させる時には前記先端が前記載置面より上側に移動するリフトピンを備え、
   前記高熱伝導性シートは、前記リフトピンが通過するピン穴を備える請求項１に記載のウエハ保持方法。
3. 前記高熱伝導性シートは、前記リフトピンの先端が前記載置面より上側に移動した状態で、前記高熱伝導性シートの前記ピン穴が前記リフトピンを通過するようにして位置決めして載置される請求項２に記載のウエハ保持方法。
4. 前記ウエハチャックは、一部が前記ウエハチャックの載置面に露出した前記ウエハを吸着して保持するためのウエハ真空吸着経路を備え、
   前記高熱伝導性シートは、前記ウエハチャックの載置面の前記ウエハ真空吸着経路の露出部分に対応した吸着穴を備える請求項１から３のいずれか１項に記載のウエハ保持方法。
5. 前記ウエハチャックは、一部が前記ウエハチャックの載置面に露出した前記高熱伝導性シートを吸着して保持するためのシート真空吸着経路を備える請求項４に記載のウエハ保持方法。
6. ウエハ上に形成された複数の半導体装置をテスタで検査をするために、前記テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバであって、
   前記ウエハを保持するウエハチャックと、
   一部が前記ウエハチャックの載置面に露出した前記ウエハを吸着して保持するための第１真空吸着経路と、
   一部が前記ウエハチャックの載置面に露出した前記第１真空吸着経路とは異なる第２真空吸着経路と、を備えるプローバ。
7. ウエハ上に形成された複数の半導体装置をテスタで検査をするために、前記テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバにおいて、前記プローバのウエハチャック上に前記ウエハを保持する時に、前記ウエハチャックと前記ウエハの間に配置される高熱伝導性シートであって、
   前記ウエハチャックに設けられ、前記ウエハを保持する時には先端が載置面より下側に位置し、前記ウエハを上方に移動させる時には前記先端が前記載置面より上側に移動するリフトピンが通過するピン穴を備える高熱伝導性シート。
8. 前記ウエハチャックに設けられ、前記ウエハを吸着して保持するためのウエハ真空吸着経路の前記ウエハチャックの載置面に露出した部分に対応した吸着穴を更に備える請求項７に記載の高熱伝導性シート。

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