JP2009016580A - 試験用恒温装置及び半導体ウエハの性能試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウエハの性能試験等に使用される試験用恒温装置を改良し、極低温や高温に温度調節しても試料配置部の撓みが少ない試験用恒温装置を提供する。
【解決手段】試料配置部２と、架台３とからなる。架台３は、接続部１５と中間部１６及び台座部１７によって構成されている。接続部１５の熱膨張率は試料配置部２と同一である。中間部１６は、断熱性に優れる。台座部１７は三角形の板である。各部材は、ネジ（軸状締結要素）によって結合されており、台座部１７の中心と、中間部１６の中心と、接続部１５の中心及び試料配置部２の中心を一本のネジ２０が貫いている。試料配置部２の対向面９と接続部１５の間は、３本のネジ２１が貫いている。接続部１５と中間部１６との間は、３本のネジ２２が貫いている。中間部１６と台座部１７との間は、３本のネジ２３が貫いている。ネジ２１，２２，２３は、いずれも各部材の中心を中心とするピッチ円上にある。
【選択図】 図２

Description

本発明は、試験用恒温装置に関し、さらに詳細には、回路が形成された半導体ウエハの性能試験等に使用される試験用恒温装置、及び当該試験用恒温装置を備えた半導体ウエハの性能試験装置に関するものである。

携帯電話やパソコン等に代表される電子機器が広く普及している。これらの電子機器は、近年、多様な用途や多様な環境で使用される。そのため電子機器そのものや、これらの部品たる集積回路等の環境から受ける影響を試験する必要がある。これらの電子部品等を高温環境や低温環境に晒すための装置として、試験用恒温装置が用いられている。

一般的な試験用恒温装置の構成は図９に示すとおりである。図９に示す試験用恒温装置５１は、試料配置部５２と電気ヒータ５５を備える。試料配置部５２は円柱形状を有し、その頂面が試料載置面５７を構成している。さらに試料配置部５２の内部には熱媒体が導入されるキャビティ５８が形成されている。電気ヒータ５５は試料載置面５７の温度を上昇させるためのものであり、試料配置部５２の底面に接触している。そして、電気ヒータ５５の制御と、キャビティ５８内へ熱媒体を導入する動作とを併用し、試料載置面５７の温度を所望の温度に維持する。例えば試料載置面５７の温度を低温にしたい場合には、キャビティ５８に低温の流体を導入する。このようにして、試料載置面５７に載置または固定された電子部品等を高温環境や低温環境に晒すことが可能となる。

試験用恒温装置を備えた試験装置としては、特許文献１や特許文献２に開示された構造のものが知られている。特許文献１，２に開示された試験装置は、ウエハプローバと称される装置であり、サーマルプレートや高低温チャックと称される試験用恒温装置を備え、当試験用恒温装置に半導体ウエハを載置または固定して試験を行うものである。
特開２００５−４５０３９号公報 特開平１０−２８８６４６号公報

試験用恒温装置は、集積回路等を試料載置面に載せて集積回路等の温度を変化させ、所定の試験を行うために用いられるものであるが、近年の集積回路等に対する試験条件は過酷であり、試験用恒温装置には相当の温度調整幅が要求される。
例えばマイナス６５度（摂氏）程度の低温から３００度（摂氏）程度の高温まで繰り返し温度を変化させる様な場合もある。

この様に近年の試験用恒温装置は、極低温から高温まで温度を変化させることができる能力が要求されるが、このような極低温状態や高温状態に温度調節すると、試験用恒温装置の試料配置部が撓むという問題が生じた。すなわち試験用恒温装置を極低温状態や高温状態に温度調節すると、試験用恒温装置の試料配置部が反ったり凹んだり捩じれる場合がある。
そこで本発明は、この問題に注目し、極低温や高温に温度調節しても試料配置部の撓み等が少ない試験用恒温装置を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記した課題を解決するために試料配置部が撓む原因について調査した。試料配置部が撓む原因は、もちろん熱による膨張や収縮によるものであるが、試料配置部が撓むのは、試料配置部の他の部材との固定部が、膨張や収縮を吸収できないためであると判明した。
すなわち試験用恒温装置は、半導体ウエハの性能試験装置に組み込まれて使用されるから、試験用恒温装置は性能試験装置内の所定の位置に固定される。そして試験用恒温装置は、前記した様に激しい温度変化にさらされて膨張したり収縮したりする。
これに対して性能試験装置側は、常温に近い状態であるから、試験用恒温装置の固定位置は変位しない（動かない）。
そのため熱による膨張収縮の逃げ場がなく、試験用恒温装置が反ったり凹んだり捩じれるという事態となる。

これらの知見に基づいて完成された発明は、試料配置部と、当該試料配置部を支える架台とを有し、前記試料配置部を温度調整することにより試料配置部に配された試料の温度調整が可能な試験用恒温装置であって、前記試料配置部が、試料を配置可能な試料配置面と当該試料配置面に対して対向する対向面とを有するものであり、前記架台が、前記対向面に対して接続される接続部を有し、当該接続部は、前記試料配置部の素材と熱膨張率が同一の素材によって構成されており、接続部と試料配置部は複数の軸状締結要素を介して接続され、軸状締結要素の一つは試料配置部の外接円の中心に配され、他の複数の軸状締結要素は前記外接円と同心で前記外接円よりも小さい円をピッチ円Ａとする周上にあり、ピッチ円Ａ上に設けられた軸状締結要素は等間隔に配置されていることを特徴とする試験用恒温装置である。

上記した構成要素の中で軸状締結要素とは例えばネジや鋲等である。
本発明の試験用恒温装置では、試料配置部が温度変化する部位である。本発明では、試験用恒温装置は、架台の接続部が試料配置部と接している。接続部は複数の軸状締結要素を介して試料配置部と接合されているが、両者の接合位置は、試料配置部の外接円の中心に配され、他の複数の軸状締結要素は前記外接円と同心の円をピッチ円Ａとする周上にある。
ここで接続部は試料配置部から熱伝導を受けて温度変化するが、試験用恒温装置で採用する接続部は、試料配置部の素材と熱膨張率が同一の素材によって構成されているから、それぞれの軸上締結要素が設けられた位置における接続部の変位と、試験用恒温装置側のそれとは等しい。すなわち試料配置部は温度変化によって膨張・収縮するが、試料配置部の中心を原点すると、各部は中心から半径方向に変位することとなる。本発明では、軸状締結要素の一つが外接円の中心に配されているから、この点を原点とすると、他の軸状締結要素（周囲に設けられた軸状締結要素）の位置は原点を中心として半径方向に変位する。
接続部についても同様であり、軸状締結要素の一つを原点として、他の軸状締結要素（周囲に設けられた軸状締結要素）の位置は原点を中心として半径方向に変位する。
そして接続部は、前記した様に試料配置部の素材と熱膨張率が同一の素材によって構成されているから、周囲に設けられた軸状締結要素の部位の変位量は試験用恒温装置と等しい。そのため軸状締結要素に熱による応力が発生せず、試験用恒温装置に無理な力が掛からない。
さらに本発明では、周囲の軸状締結要素が同一ピッチ円上に配置されているので、各軸状締結要素の位置の変位量も同一であり、バランスが良いから試験用恒温装置はさらに歪みにくい。
また軸状締結要素が配置されるピッチ円は、試料配置部の外接円よりも小さいので、試料配置部から架台側に移行する熱量が小さく、他の部位の熱変形も小さい。さらに試料配置部から架台側に移行する熱量が小さいので、熱の無駄が少ない。

請求項２に記載の発明は、架台の接続部の外接円が、試料配置部の外接円よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の試験用恒温装置である。

本発明で採用する架台の接続部は、その外接円が、試料配置部の外接円よりも小さい。そのため試料配置部から架台側に移行する熱量が小さく、他の部位の熱変形も小さい。さらに試料配置部から架台側に移行する熱量が小さいので、熱の無駄が少ない。

請求項３に記載の発明は、架台は台座部を有し、当該台座部が、試料配置部の対向面に対向しており、前記台座部を試料配置部の対向面に投影して形成される投影領域を想定したとき前記対向面と重なる領域が、前記対向面よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の試験用恒温装置である。

本発明の試験用恒温装置は、試料配置部からの熱輻射による架台の変形を防止するものである。すなわち本発明の試験用恒温装置では、架台の台座部は、試料配置部の対向面に対向する面積が小さい。そのため架台が受ける輻射熱が少なく、架台の変形が小さい。また試料配置部から架台側に移行する熱量が小さいので、熱の無駄が少ない。

請求項４に記載の発明は、架台が、接続部と、所定の設置面に対して固定される台座部と、前記接続部および台座部の中間に位置する中間部とを有し、当該中間部の熱伝導率が、接続部の熱伝導率よりも低いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の試験用恒温装置である。

本発明では、架台は、その中間部に熱伝導率が低い部材を持つ。そのため接続部が受けた熱が台座部側に伝導しにくく、架台の変形が小さい。また試料配置部から架台側に移行する熱量が小さいので、熱の無駄が少ない。

請求項５に記載の発明は、接続部と中間部とは所定のピッチ円Ｂ上に配された軸状締結要素によって接続され、中間部と台座部はピッチ円Ｃ上に配された軸状締結要素によって接続され、前記ピッチ円Ｂとピッチ円Ｃは中心及び直径が同一であり、接続部と中間部とを接続する軸状締結要素と中間部と台座部とを接続する軸状締結要素は周方向に離れた位置にあることを特徴とする請求項４に記載の試験用恒温装置である。

本発明の試験用恒温装置では、接続部と中間部とを固定する締結要素のピッチ円直径と中間部と台座部とを固定する締結要素のピッチ円直径が同一であるから、バランスがよい。また接続部と中間部とを接続する軸状締結要素と中間部と台座部とを接続する軸状締結要素は周方向に離れた位置にあるから、接続部や中間部の厚さが過度に厚くならない。

請求項６に記載の発明は、試料配置部は内部に流体が通過する流路を有するものであり、当該流路は試料配置部を架台に固定する軸状締結要素を迂回して設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の試験用恒温装置である。

本発明では、試料配置部内の流路が軸状締結要素を迂回して設けられているので、軸状締結要素や軸状要素の取付け部が流体（熱媒体）の流れを阻害しない。そのため試料配置部内の流路抵抗の増大や、流体（熱媒体）の淀みによる温度ばらつきが生じない。

また請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の試験用恒温装置を備えていることを特徴とする半導体ウエハの性能試験装置である。

本発明の試験用恒温装置によれば、試験中における試料配置部の撓みや歪みが小さく、試料を所望の試験環境におくことができる。

本発明の試験装置についても同様であり、試験用恒温装置の撓みや歪みが小さいので、電子部品等の試験をより高精度に行うことができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る試験用恒温装置の正面図である。図２は、図１の試験用恒温装置の分解斜視図である。図３は、図１の試験用恒温装置のＡ−Ａ断面図である。図４は、図１の試験用恒温装置のＢ−Ｂ断面図である。図５は、図１の試験用恒温装置のＣ−Ｃ断面図である。図６は、図１の試験用恒温装置のＤ−Ｄ断面図である。図７は、図１の試験用恒温装置のＥ−Ｅ断面図である。

図に示す試験用恒温装置１はウエハプローバに内蔵されるものであり、試料配置部２と、架台３とからなる。
試料配置部２は銅合金その他の金属製であり、その形状は二段の高さの低い円柱形状である。すなわち試料配置部２は大円部５と小円部６によって構成されている。試料配置部２の頂面は、被試験物たる半導体ウエハ（試料）等が載置される試料載置面７を構成している。
試料配置部２の大円部５の裏面側は試料配置面７に対して対向する対向面９である。

図３に示す様に、試料配置部２の内部には流路８が形成されている。また試料配置部２の側面には、流路８に連通する二つの開口１１、１２が設けられている。すなわち開口１１、１２は試料配置部内部の流路８にエアー（熱媒体）を流すためのものであり、開口１１が導入口、開口１２が出口として機能する。開口１１には図示しない熱媒体導入手段が接続されており、熱媒体導入手段によって開口１１へエアー（熱媒体）が送られる。

試料配置部２の内部に設けられた流路８は、開口１１、１２を連通するものであってかつ試料配置部２の全域に渡って均等に分布するものである。本実施形態では、Ｓ字状のカーブを繰り返すものであるが、らせん状の流路であってもよい。
本実施形態では、後記する様に試料配置部２がネジ（軸状締結要素）２０，２１によって架台３に固定されるが、流路８は、ネジ（軸状締結要素）２０，２１の部位を迂回して設けられている。すなわち流路８は、ネジ（軸状締結要素）の周辺でゆるやかなカーブを描き、ネジ（軸状締結要素）の部位を迂回している。
そのため流路にネジ（軸状締結要素）２０，２１が露出せず、ネジ（軸状締結要素）２０，２１は、エアー（熱媒体）の流れを妨げない。

試料配置部２の小円部６には電気ヒータ（図示せず）が取り付けられている。試験用恒温装置１においては、電気ヒータの発熱と、流路８に導入されたエアー（熱媒体）の冷熱によって試料配置部２表面の試料載置面７の温度が調節される。

架台３は、図１，２の様に接続部１５と中間部１６及び台座部１７によって構成されている。
接続部１５は円板状である。接続部１５の直径は、前記した試料配置部２よりも小さく、試料配置部２の２分の１以下である。接続部１５の好ましい直径は、試料配置部２の３分の１程度である。
接続部１５の材質は、前記した試料配置部２と同一であり、接続部１５の熱膨張率は試料配置部２と同一である。

中間部１６についても形状は円板状である。中間部１６の直径は、接続部１５よりもさらに小さく、接続部１５の２分の１以下である。接続部１５の好ましい直径は、接続部１５の３分の１程度である。
中間部１６の材質は、前記した試料配置部２とは異なる。中間部１６に要求される性質は、断熱性に優れることである。

台座部１７は形状が三角形の板である。台座部１７に要求される性能は剛性であり、鋼等の金属で製作することが望ましい。台座部１７の外接円２６の直径は、前記した試料配置部２と略等しい。

次に各部材の組み立て構造について説明する。
本実施形態の試験用恒温装置１は、架台３の上に試料配置部２が取り付けられたものであり、さらに架台３は、台座部１７、中間部１６及び接続部１５が順次積み重ねられたものである。架台３の中心と、試料配置部２の中心は一致する。すなわち試料配置部２の外接円の中心と、接続部１５の外接円の中心と、中間部１６の外接円の中心と、台座部１７の外接円２６の中心が一致する。なお本実施形態では、試料配置部２、接続部１５及び中間部１６がいずれも円形であるから外接円の中心は、円の中心と一致することとなる。

そして上記した各部材は、ネジ（軸状締結要素）によって結合されている。すなわち台座部１７の中心と、中間部１６の中心と、接続部１５の中心及び試料配置部２の中心を一本のネジ２０が貫いている。
また試料配置部２の対向面９と接続部１５の間は、３本のネジ２１が貫いている。接続部１５と中間部１６との間は、３本のネジ２２が貫いている。さらに中間部１６と台座部１７との間は、３本のネジ２３が貫いている。

架台３の全てを貫き、試料配置部２に至る一本のネジ２０は、台座部１７の外接円２６の中心と、中間部１６の外接円の中心と、接続部１５の外接円の中心を貫き、先端が試料配置部２の外接円の中心と係合している。
また他のネジ２１，２２，２３は、いずれも各部材の中心を中心とするピッチ円上にある。従って各ネジ２１，２２，２３は、いずれも同心であり、その中心は、中心を貫くネジ２０である。ピッチ円上の３本のネジはいずれも等間隔に設けられている。すなわち３本のネジは、１２０度間隔に設けられている。

各ネジのピッチ円直径の関係を見ると、図３，４の様に試料配置部２と接続部１５の間のネジ２１のピッチ円Ａの直径は、試料配置部２の外接円の直径の３分の１以下である。
接続部１５と中間部１６との間のネジ２２のピッチ円Ｂの直径は、図５の様にピッチ円Ａの直径よりも小さい。
また中間部１６と台座部１７との間のネジ２３のピッチ円Ｃの直径は、図６の様にピッチ円Ｂの直径と同一である。
ただし接続部１５と中間部１６との間のネジ２２の位置と中間部１６と台座部１７との間のネジ２３の位置は、周方向にずれている。具体的には、両者は６０度ずれている。
なおピッチ円Ｃの直径とピッチ円Ｂの直径とは必ずしも同一である必要はない。

本実施形態の試験用恒温装置１は、試料配置部２に試料を載せ、試料配置部２の表面温度を図示しない電気ヒータと、流路８に流すエアー（熱媒体）によって調節するものである。具体的には、電気ヒータによって試料配置部２の表面温度を摂氏３００度程度とすることができ、さらに流路８にエアー（熱媒体）を流すことによってマイナス６５度程度の低温にすることもできる。この様に試料配置部２の温度を変化させると、試料配置部２が熱膨張したり熱収縮し、各部が変位する。

しかしながら本実施形態の試験用恒温装置１は、各部が変位するものの、反ったり歪むという変化は起きない。
すなわち本実施形態では、試料配置部２と直接的に接しているのは接続部１５であり、試料配置部２と接続部１５は、中心のネジ２０と周囲のピッチ円Ａ上のネジ２１とで結合されている。
ここで本実施形態では、試料配置部２と接続部１５が同一の材質であり、且つ両者は密に接していて両者の温度差が小さいことから、ピッチ円Ａ上のネジ２１の部位における変位は、試料配置部２と接続部１５の間で大差ない。また試料配置部２と接続部１５は、その他の部位でも両者の伸び量や縮み量は同一である。そのため試料配置部２と接続部１５接触面やネジ２１に応力はかからず、試料配置部２が反ったり凹むという現象が起こらない。

また接続部１５の大きさは小さく、試料配置部２と接続部１５の接触面の面積が小さいので、試料配置部２から接続部１５に移行する熱量は少ない。
さらに接続部１５と台座部１７の間に介在された中間部１６は、断熱性が高いので、熱は台座部１７側に移行しにくい。そのため台座部１７自体の熱変形も少ない。

本実施形態では、台座部１７の形状を敢えて円形とせず、三角形を採用している。
この理由は、試料配置部２の背面（対向面）から受ける熱輻射を極力小さくするためである。
すなわち試料配置部２は上面の試料載置面７を高温又は低温にするものであるが、試料配置面に対して対向する対向面９についても相当の高温又は低温となる。一方、台座部１７は試料配置部２の対向面９と対向するので、試料配置部２から熱輻射を受ける。その結果、台座部１７の温度が変化し、熱応力によって歪む懸念がある。
そこで本実施形態では、台座部１７に肉盗み部を設けて全形状を三角形に成形した。本実施形態では、台座部１７を試料配置部２の対向面に投影して形成される投影領域を想定したとき対向面９と重なる領域が、対向面９よりも小さいものとなっている。
そのため台座部１７が受ける輻射熱が軽減され、熱応力による歪みが減少する。また熱の無駄な逃げが減少するので、熱効率も向上する。
本実施形態では、台座部１７の形状として三角形を採用したが、剛性を満足するのであれば、他の多角形や星型の様な異形であってもよい。

次に、試験装置について説明する。図８は、本発明の実施形態に係る半導体ウエハの性能試験装置の斜視図である。図８に示すように、本実施形態の半導体ウエハの性能試験装置（以下 単に試験装置）３０は、二つの装置に大きく分かれている。すなわち試験装置３０は、試験用恒温装置１が内蔵された試験部３３と、気体供給装置（熱媒体導入手段）２５に分かれており、両者の間が往き側渡り配管２７と戻り側渡り配管２８とによって配管結合されている。気体供給装置２５は、空気を冷却する装置であり、内部に冷却装置が内蔵されている。試験部３３はウエハプローバに属するものである。

試験用恒温装置１は、気体供給装置（熱媒体導入手段）２５から独立した筐体３２に収納されている。試験部３３の筐体３２内には２つの配管があり、当該配管により往き側渡り配管２７と開口１１、並びに、戻り側渡り配管２８と開口１２とがそれぞれ接続されている。その結果、気体供給装置２５から開口１１を経由して流路８（図３）へ冷却空気が導入される。そして、試料配置部２の底面に設けられた電気ヒータ（図示せず）の発熱と、流路８に導入された冷却空気の冷熱によって、試料載置面７の温度が調節される。試料載置面７の温度については、少なくともマイナス６５℃〜プラス３００℃の範囲に調節可能となるように、流路８に導入される冷却空気の温度や導入流量、並びに電気ヒータの出力が調節される。

試験用恒温装置１はＸ−Ｙテーブル３５に載置されており、図示しないモータによってＸ−Ｙに移動可能である。

本実施形態では流路８に導入される熱媒体が冷却空気であるが、熱媒体は流体であれば特に限定はなく、冷熱と温熱のいずれを伴う流体でもよい。

本発明の実施形態に係る試験用恒温装置の正面図である。 図１の試験用恒温装置の分解斜視図である。 図１の試験用恒温装置のＡ−Ａ断面図である。 図１の試験用恒温装置のＢ−Ｂ断面図である。 図１の試験用恒温装置のＣ−Ｃ断面図である。 図１の試験用恒温装置のＤ−Ｄ断面図である。 図１の試験用恒温装置のＥ−Ｅ断面図である。 本発明の実施形態に係る試験装置の斜視図である。 従来の試験用恒温装置の分解斜視図である。

符号の説明

１ 試験用恒温装置
２ 試料配置部
３ 架台
６ 小円部
７ 試料載置面
８ 流路
９ 対向面
１５ 接続部
１６ 中間部
１７ 台座部
２０，２１，２２，２３ ネジ（軸状締結要素）
３０ 半導体ウエハの性能試験装置

Claims (7)

1. 試料配置部と、当該試料配置部を支える架台とを有し、前記試料配置部を温度調整することにより試料配置部に配された試料の温度調整が可能な試験用恒温装置であって、前記試料配置部が、試料を配置可能な試料配置面と当該試料配置面に対して対向する対向面とを有するものであり、前記架台が、前記対向面に対して接続される接続部を有し、当該接続部は、前記試料配置部の素材と熱膨張率が同一の素材によって構成されており、接続部と試料配置部は複数の軸状締結要素を介して接続され、軸状締結要素の一つは試料配置部の外接円の中心に配され、他の複数の軸状締結要素は前記外接円と同心で前記外接円よりも小さい円をピッチ円Ａとする周上にあり、ピッチ円Ａ上に設けられた軸状締結要素は等間隔に配置されていることを特徴とする試験用恒温装置。
2. 架台の接続部の外接円が、試料配置部の外接円よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の試験用恒温装置。
3. 架台は台座部を有し、当該台座部が、試料配置部の対向面に対向しており、前記台座部を試料配置部の対向面に投影して形成される投影領域を想定したとき前記対向面と重なる領域が、前記対向面よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の試験用恒温装置。
4. 架台が、接続部と、所定の設置面に対して固定される台座部と、前記接続部および台座部の中間に位置する中間部とを有し、当該中間部の熱伝導率が、接続部の熱伝導率よりも低いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の試験用恒温装置。
5. 接続部と中間部とは所定のピッチ円Ｂ上に配された軸状締結要素によって接続され、中間部と台座部はピッチ円Ｃ上に配された軸状締結要素によって接続され、前記ピッチ円Ｂとピッチ円Ｃは中心及び直径が同一であり、接続部と中間部とを接続する軸状締結要素と中間部と台座部とを接続する軸状締結要素は周方向に離れた位置にあることを特徴とする請求項４に記載の試験用恒温装置。
6. 試料配置部は内部に流体が通過する流路を有するものであり、当該流路は試料配置部を架台に固定する軸状締結要素を迂回して設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の試験用恒温装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の試験用恒温装置を備えていることを特徴とする半導体ウエハの性能試験装置。

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