JP2012191241A - ウエハプローバ用ウエハ保持体及びそれを搭載したウエハプローバ - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度な温度分布の実現と共に、急速な昇温や冷却時あるいはプロービングによる押圧時にチャックトップの変形や破損がなく、チャックトップ平面度を維持することができ、繰り返し使用しても正確で高精度の測定を実現できるウエハ保持体及びそれを搭載したウエハプローバ装置を提供する。
【解決手段】 ウエハプローバ用ウエハ保持体１は、表面にチャックトップ導体層３を有し且つ加熱体４を備えるチャックトップ２と、チャックトップ２を支持する複数の支持棒５と、支持棒５が設置される底部基板６とからなり、支持棒５はチャックトップ１の裏面側を部分的に支持している。また、支持棒５のチャックトップ支持部合計面積は、チャックトップ２の裏面全面積の１５％以下であることが好ましい。チャックトップ２は冷却モジュールを備えることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ウエハ載置面に載置した半導体ウエハの電気的特性を検査するためのウエハプローバに使用されるウエハ保持体、及びそれを搭載したウエハプローバに関するものである。

従来、半導体の検査工程では、被処理物である半導体基板（ウエハ）に対して加熱処理が行われる。即ち、ウエハを通常の使用温度よりも高温に加熱して、不良になる可能性のある半導体チップを加速的に不良化させて取り除き、出荷後の不良の発生を予防するバーンインが行われている。具体的には、半導体ウエハに半導体回路を形成した後、個々のチップに切断する前に、ウエハを加熱しながら各チップの電気的な性能を測定して、不良品を取り除いている。このバーンイン工程においては、スループットの向上のために、プロセス時間の短縮が強く求められている。

このようなバーンイン工程では、チャックトップのウエハ載置面に半導体ウエハを保持し、その半導体ウエハの電気的特性を測定する際に加熱するため、チャックトップにヒータが設けてある。従来のチャックトップ及びヒータは、ウエハの裏面全面をグランド電極に接触させる必要があるため、金属製のものが用いられていた。

しかし、ウエハの検査時には、通電用の電極ピンを多数備えたプローブカードと呼ばれる測定子を対して数十ｋｇｆから数百ｋｇｆの力で押し付けるため、金属製のチャックトップ及びヒータが薄いと変形してしまい、ウエハとプローブピンとの間に接触不良が発生することがある。そのため、チャックトップ及びヒータの剛性を保つ目的で、厚さ１５ｍｍ以上の厚い金属板を用いているが、ヒータの昇降温に長時間を要し、スループット向上の大きな障害となっていた。

また、バーンイン工程では、チップに電気を流して電気的特性を測定するが、近年のチップの高出力化に伴い、電気的特性の測定時にチップが大きく発熱し、場合によってはチップが自己発熱によって破壊することがある。そのため、測定後には、急速に冷却することが求められる。また、測定中は、できるだけ均熱であることが求められている。そこで、上記金属の材質として、熱伝導率が４０３Ｗ／ｍＫと高い銅（Ｃｕ）が一般的に用いられていた。

一方、特開２００１−０３３４８４号公報には、上記した厚い金属板の代わりに、薄くても剛性が高く且つ変形しにくいセラミックス基板の表面に薄い金属層を形成することにより、変形しにくく且つ熱容量が小さいチャックトップを備えたウエハプローバが提案されている。このチャックトップは、剛性が高いので接触不良を起こすことがなく、熱容量が小さいので短時間で昇温及び降温が可能であるとされている。そして、このチャックトップを設置するための支持台として、アルミニウム合金やステンレス等を使用することができるとされている。

しかし、上記特開２００１−０３３４８４号公報に記載されているように、チャックトップの最外周部のみを有底円筒状の支持体で支持すると、プローブカードの押圧によってチャックトップが反ることがある。そのため、有底円筒状の支持体で支持するだけでなく、更に多数の支柱を設けてチャックトップを支持する等の工夫が必要であった。

また、近年では半導体プロセスの微細化に伴い、プロービング時の単位面積あたりの荷重が増加すると共に、プローブカードとウエハプローバとの位置合わせの精度も求められている。ウエハプローバは、通常、ウエハを所定の温度に加熱し、プロービング時に所定の位置に移動し、プローブカードを押し当てるという動作を繰り返す。このとき、ウエハプローバを所定の位置にまで動かすために、その駆動系に関しても高い位置精度が要求されている。

しかしながら、従来のウエハプローバでは、チャックトップに保持したウエハを所定の温度、即ち１００〜２００℃程度の温度に加熱した際、その熱がチャックトップから駆動系に伝わり、駆動系の金属部品類が熱膨張し、これにより精度が損なわれるという問題がある。

更に、プロービング時の荷重の増加により、ウエハを載置するチャックトップ自体の剛性も要求されるようになってきた。即ち、チャックトップ自体がプロービング時の荷重により変形すると、プローブカードのピンがウエハに均一に接触できないため、検査ができなくなる、あるいはウエハが破損するという問題がある。そこで、変形を抑えるためチャックトップが大型化し、その重量が増加する結果、駆動系の精度に影響を及ぼすという問題があった。また、チャックトップの大型化に伴い、ウエハプローバの昇温及び冷却時間が非常に長くなり、スループットが低下するという問題も存在していた。

更には、スループットを向上させるために、冷却機構が設けられてウエハプローバの昇降温速度を向上することが行われている。しかしながら、従来は冷却機構が空冷であったり、金属製ヒータの直下に冷却板を設けたりしていた。そのため、前者の場合は冷却速度が遅いという問題があり、また後者の場合は冷却板が金属であるため、プロービング時にプローブカードの圧力によって冷却板が変形しやすいという問題があった。

これらの問題を解決するため、上記特開２００１−０３３４８４号公報に記載のごとく、最近ではセラミックスのチャックトップが使用されている。しかしながら、チャックトップがセラミックの場合、ウエハを所定の１００〜２００℃程度の温度に加熱した際、有底円筒状の支持体とチャックトップとの熱膨張の差により、チャックトップに大きな負荷がかかる。そのため、チャックトップが変形して、プローブカードのピンがウエハに均一に接触できなくなったり、チャックトップ自身が割れたり、最悪の場合はウエハが破損するという問題があった。

これらの問題を解決するため、特開２００１−１３５６８１号公報には、有底円筒状の支持容器に多数の支持柱を形成することによって、セラミックス製のチャックトップの反りや割れを防止する方法が提案されている。上記の支柱は、１〜１０ｍｍ間隔で碁盤目状に配置されていることが好ましく、また、多数の箇所で支持することが好ましいと記載されている。

しかしながら、多数の支持柱で支持する場合、１００〜２００℃程度の温度に加熱したチャックトップから支持柱を経由して支持容器に熱が流入しやすく、支持容器に生じる反りの影響が残るため、チャックトップの反りの問題が解決されていない。この熱流入への対策として断熱材を介在させることも可能であるが、断熱材が断熱樹脂等では剛性の低下が懸念され、セラミックスでは加重の集中によるチャックトップの割損が懸念され、金属では断熱効果が得られない。そもそも多数の支持柱及び支持容器に対して、１〜２μｍレベルの高精度な断熱材の確保が必須となるため、断熱材の平面度の制御が困難で、非常に高コストなものになるうえ、組み付け自体も困難であることが予想される。

特開２００１−０３３４８４号公報 特開２００１−１３５６８１号公報

本発明は、上記した従来の事情にかんがみ、昇温時も冷却時にも高精度な温度分布を実現でき、急速な昇温や冷却時にもチャックトップの変形や破損を防止でき、チャックトップ平面度を維持することができ、更にプロービングによる押圧に対してもチャックトップの変形や破損を防止することができるうえ、駆動系への負荷を軽減し且つ熱の流入を遮断でき、繰り返し使用しても正確で高精度の測定を実現できるウエハプローバ用ウエハ保持体及びそれを搭載したウエハプローバ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明が提供するウエハプローバ用ウエハ保持体は、表面にチャックトップ導体層を有し且つ加熱体を備えるチャックトップと、チャックトップを支持する複数の支持棒と、支持棒が設置される底部基板とからなり、各支持棒はチャックトップの裏面側を部分的に支持することを特徴とする。また、前記支持棒がチャックトップを支持する合計支持面積が、チャックトップの裏面全面積の２０％以下であることが好ましい。

上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体においては、前記支持棒がチャックトップに対して同心円状に配置されるか、又はチャックトップに対して同心円状及び中心部に配置されていることを特徴とする。また、前記支持棒の熱膨張係数は、中心部の支持棒よりも同心円状に配置された支持棒の方が大きく、且つ外側の同心円の支持棒ほど大きいことが好ましい。更に、前記同心円状に配置された支持棒のうち最外周の支持棒は、前記チャックトップの直径の１／２以上の直径の同心円上にあることが好ましい。

上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体においては、前記チャックトップが加熱体と共に冷却モジュールを備えることができる。その場合、前記加熱体及び冷却モジュールは支持棒に接触しないことが好ましい。また、前記加熱体の発熱部の一部若しくは冷却モジュールの流路の一部が、前記同心円状に配置された最外周の支持棒の外側にも存在することが好ましい。

上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体では、前記加熱体の直径がチャックトップの直径の９０〜１１０％であることが好ましい。また、前記冷却モジュールの直径は、チャックトップの直径の９０〜１１０％であることが好ましい。

上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体においては、前記支持棒はチャックトップ及び底部基板と分離していることが好ましい。また、前記支持棒が柱状体若しくは筒状体であることが好ましい。更には、前記支持棒を介して、チャックトップと底部基板とがネジで締結され、支持棒とネジの熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋ以下であることが好ましい。

本発明は、また、上記した本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体を備えたことを特徴とするウエハプローバ用のヒータユニットを提供するものである。本発明は、更に、上記した本発明のヒータユニットを備えたことを特徴とするウエハプローバを提供するものである。

本発明によれば、チャックトップを部分的に支持する複数の支持棒の配置と合計支持面積を制御することで高い剛性と高い断熱性を両立することができるため、昇温時や冷却時にも高精度な温度分布を実現でき、急速な昇温や冷却並びにプロービングによる押圧にもチャックトップの変形や破損がなく、チャックトップ平面度を維持することができるうえ、駆動系への負荷を軽減し且つ熱の流入を遮断でして、繰り返し使用しても正確で高精度の測定が可能なウエハプローバ用ウエハ保持体を提供することができる。

更に、加熱体及び冷却モジュールを具備することができ、これらをチャックトップ外径とほぼ同じサイズまで大きくできることにより、昇温時や降温時にも従来に比べて優れた均熱特性を得ることができる。また、従来のチャックトップとほぼ同外径の厚く且つ重い支持柱や、チャックトップ外周部をリング状に支持する有底円筒状の支持体に比べて軽量化できるため、急速な昇温及び降温に優れ、検査工程のスループットをあげることができる。しかも、チャックトップと底部基板との接触面積を低減できることから、断熱効果が高く、底部駆動系への熱伝達を遮断することができ、繰り返し使用しても高精度な測定を実現することが可能となる。

従って、本発明のウエハ保持体を用いることによって、高剛性で反りや破損の心配がなく、ウエハ載置面の熱伝導率が高く、優れた均熱性を有し、急速な加熱と冷却が可能なヒータユニット、及びこのヒータユニットを搭載したウエハプローバあるいはハンドラ装置やテスター装置などの半導体検査装置を提供することができる。

本発明によるウエハプローバ用ウエハ保持体の一具体例を示す概略の断面図である。 本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体における支持棒の一配置例を示す概略の平面図である。 本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体における支持棒の他の配置例を示す概略の平面図である。 本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体における支持棒の別の配置例を示す概略の平面図である。 本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体における支持棒の更に別の配置例を示す概略の平面図である。 本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体におけるチャックトップ及び底部基板と支持棒との締結状態を示す概略の断面図である。 本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体における筒状体の支持棒を用いたネジによる締結状態を示す概略の断面図である。 本発明によるウエハプローバ用ウエハ保持体の他の具体例を示す概略の断面図である。 本発明によるウエハプローバ用ウエハ保持体の別の具体例を示す概略の断面図である。 本発明によるウエハプローバ用ウエハ保持体の更に別の具体例を示す概略の断面図である。

本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体を、図１を参照して説明する。本発明のウエハ保持体１は、チャックトップ導体層３を有し且つ加熱体４を備えるチャックトップ２と、チャックトップ２を部分的に支持する複数の支持棒５と、支持棒５が設置される底部基板６とからなる。チャックトップ２と支持棒５と底部基板６の間には空隙７が存在し、この空隙７により断熱効果を高めることができる。空隙７の形状には特に制約はなく、チャックトップ２で発生した熱あるいは冷気が支持棒５に伝わる量を極力抑える形状とすればよい。

支持棒５は平板状の底部基板６上に複数設置され、チャックトップ２の裏面側を複数箇所で部分的に支持している。そのため、複数の支持棒５で支持されたチャックトップ２は、プローブカードが押し付けられた際に変形を抑えることができる。また、チャックトップ２と支持棒５の接触面積を小さくすることができ、同時にチャックトップ２と支持棒５との間に空隙７を容易に形成することができる。このような空隙７を形成することにより、チャックトップ２と支持棒５との間は大部分が空気層となり、接触面積が小さいことと相まって、効率的な断熱構造とすることができる。

チャックトップ２を支持する支持棒５は、底部基板６と一体であっても良く、分離されていても良い。しかし、支持棒５と底部基板６とが分離されていれば、チャックトップ２と支持棒５の間だけでなく、支持棒５と底部基板６の間にも接触界面を増やすことができ、より効率的な断熱ができるため好ましい。

また、チャックトップ２を複数の支持棒５で支持する本発明のウエハ保持体は、上記のごとくチャックトップ２と支持棒５との間に空隙７を有する中空構造であることから、従来のチャックトップ外径と同等の円柱状の板からなる支持柱あるいはチャックトップの外周部をリング状に支持する有底円筒状の支持体を備えたウエハ保持体に比べて、軽量化を図ることができる。この軽量化によって、急速昇温や急速降温が可能となり、検査工程のスループットをあげることができる。

チャックトップに対する支持棒の配置は、複数の支持棒をチャックトップに対して同心円状に配置するか、又は複数の支持棒をチャックトップに対して同心円状に配置すると共に、一つの支持棒を中心部に配置することが好ましい。いずれの場合にも、各支持棒の熱膨張係数については、中心部に配置した支持棒よりも同心円状に配置された支持棒の方が大きく、且つ同心円状に配置された支持棒では外側ほど大きくなるように配置することが好ましい。

例えば、図２に示すように、チャックトップ２に対して、中心部に支持棒５ａを配置すると共に、１つの同心円状に複数の支持棒５ｃを配置しても良い。図３に示すように、中心部には支持棒を配置せず、１つの同心円状に複数の支持棒５ｂを配置することもできる。また、図４に示すように、チャックトップ２に対して複数の直径の同心円状にそれぞれ複数の支持棒５ｂ、５ｃを配置しても良い。更に、図５に示すように、中心部に支持棒５ａを配置すると共に、複数の直径の同心円状にそれぞれ複数の支持棒５ｂ、５ｃを配置することもできる。

また、支持棒が複数の同心円状に配置されている場合、例えば図４の場合、最外周の支持棒５ｃはチャックトップ２の直径の１／２以上の直径の同心円上に配置することが好ましい。最外周に同心円状に配置された支持棒の直径がチャックトップの直径の１／２未満であれば、チャックトップ端部がプロービング時の押圧で押されたとき、チャックトップの変形量（撓み量）が大きくなり、適正なプロービングを行うことができなくなる。最外周の支持棒は、チャックトップの直径の２／３以上の直径の同心円上にあることが更に好ましい。

複数の同心円状に配置される支持棒の数は、各同心円について３箇所以上であることが好ましく、最外周の同心円では６箇所以上が特に好ましい。１つの同心円について支持棒が２箇所以下では、各支持棒間の距離が広がるため、プロービング時の押圧がかかった場合チャックトップの変形量（撓み量）が大きくなり、適正なプロービングを行うことができなくなる場合がある。

支持棒の数は多いほどプロービング荷重時の撓みに有利であるが、多すぎるとチャックトップと支持棒の接触面積が大きくなり過ぎて、昇温時にはチャックトップの熱が接触部を介して支持棒や底部基板に伝わり、更には駆動系にまで伝わるため、測定精度を低下させてしまう。好ましくは、支持棒のチャックトップを支持する合計支持面積（チャックトップと支持棒の接触面積）を、チャックトップの裏面全面積の２０％以下とし、より好ましくは１５％以下とすることで、断熱効果により高い測定精度を保つことができる。

一般に、ウエハプローバは下部に駆動装置を搭載しており、検査時のプロービング動作において、０.５Ｇ程度の加速度によりＸ、Ｙ、Ｚ方向の移動が繰り返し行われる。そのため、移動時の振動に耐えるように、チャックトップと底部基板は支持棒を介して固定しておく必要がある。

例えば、図６に示すように、チャックトップ２を、下部駆動装置（図示せず）に締結した底部基板６に、ネジ８などを用いて固定することができる。このように支持棒を介してチャックトップと底部基板をネジで締結する場合、支持棒とネジの熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋ以下であることが好ましい。支持棒とネジの熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋよりも大きい場合には、昇温時及び冷却時にチャックトップの平面度を悪化させ、最悪はチャックトップの破損につながるため好ましくない。尚、図６では支持棒５の内部にネジ８を通しているが、支持棒５とは別の箇所にネジを挿通することも可能である。

支持棒の形状については、特に制約はなく、柱状体であっても、円錐体や角錐体であってもよく、また筒状体であってもよい。特に支持棒が筒状体であれば、図７に示すように、その支持棒５の貫通穴５ａにネジ８を通して、チャックトップ１と底部基板６とをネジ止めで固定することができるため好ましい。このように、支持棒が貫通穴を有する筒状体であれば、支持棒とは別の箇所にネジを挿通する必要がなく、従って加熱体や冷却モジュールの回避穴を最低限に抑えることができるため、効率的な加熱体や冷却流路の設計を行うことができる。

近年の半導体のプロービングにおいては、ウエハを１００〜２００℃の温度に加熱する必要が多いため、チャックトップは加熱体を備えている。加熱体としては、抵抗発熱体をマイカ等の絶縁体で挟み込んだものが、構造が簡便であるため好ましい。チャックトップに加熱体を取り付ける場合、チャックトップの裏面側（ウエハ載置面の反対側）に加熱体を配置して、金属等の押さえ板を用いてネジ止め等の機械的手法で固定することができる。

上記抵抗発熱体としては、金属材料を使用することができ、例えば、ニッケル、ステンレス、銀、タングステン、モリブデン、クロム、及びこれらの金属の合金が好ましい。これらの金属の中では、ステンレスとニクロムが好ましい。ステンレスあるいはニクロムは、抵抗発熱体の形状に加工する時、エッチング等の手法により、その箔を所定の回路パターンに比較的精度良く形成することができる。また、安価であり、耐酸化性を有するので、使用温度が高温であっても長期間の使用に耐えることができる。

上記抵抗発熱体を挟み込む絶縁体としては、耐熱性を有する絶縁体であれば特に制約はないが、例えば、マイカのほか、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等を用いることができる。また、絶縁性の樹脂で抵抗発熱体を挟み込む場合、抵抗発熱体で発生した熱をスムースにチャックトップに伝えるため、樹脂中にフィラーを分散させて樹脂の熱伝導を高めることができる。樹脂中に分散するフィラーの材質は、樹脂との反応性が無ければ特に制約はなく、例えば、窒化硼素、窒化アルミニウム、アルミナ、シリカ等を用いることができる。

また、チャックトップは、上記した加熱体と共に、冷却モジュールを備えることができる。一般に、加熱体や冷却モジュールを備えたウエハ保持体では、加熱体の熱や冷却モジュールの低温が支持棒に伝わることを防止できなければ、支持棒を設置した底部基板に、更には底部基板下部の駆動系に熱や低温が伝わり、各部品の熱膨張差により機械精度にズレを生じ、チャックトップのウエハ載置面の平面度や平行度を著しく劣化させる原因となる。

本発明のウエハ保持体では、チャックトップを複数の支持棒のみで局所的に支持するため、チャックトップと底部基板との接触面積を低減でき、更に空隙を有することから断熱効果が高くなり、チャックトップの平面度や平行度を劣化させることがない。更に、加熱体及び冷却モジュールが支持棒に接触しないように配置する、例えば加熱体及び冷却モジュールに回避穴を設け、この回避穴に支持棒を挿通することにより、断熱効果をより一層高めることができる。

尚、有底円筒状の支持体を用いてチャックトップの裏面外周部をリング状に支持する場合には、加熱体及び冷却モジュールの外径を支持体の内径より小さくする必要がある。このため、昇温時は外周部の熱垂れが大きく、均熱性向上に限界があった。また、冷却時にも、冷媒の流路をチャックトップ外周部まで広げることができないため、冷却均熱性の向上にも限界があった。

一方、本発明のウエハ保持体では、複数の支持棒でチャックトップの裏面を部分的に支持する構造であるため、チャックトップとほぼ同じサイズの外径を持つ加熱体及び冷却モジュールを搭載することができる。このため、チャックトップの平面度や剛性を維持したまま、昇温時及び冷却時の均熱性を一層向上させることができる。特に、加熱体の発熱部の一部若しくは冷却モジュールの流路の一部が、最外周の支持棒の外側にも存在するように形成すれば、更に均熱性を高めることができる。尚、冷却モジュールを高熱伝導のＣｕやＡｌといった金属で形成した場合には、冷却モジュール自体が均熱板として作用し、より均熱性を高める効果を得られる。

上記加熱体の直径は、チャックトップの直径の９０〜１１０％であることが好ましい。加熱体の直径がチャックトップの直径の９０％未満では、昇温時におけるチャックトップの温度分布が低下する。加熱体の直径がチャックトップより大きい場合には、チャックトップの温度分布をより良くできるが、実際には装置寸法をできるだけ小さくしたいため、チャックトップの直径の１１０％より大きくすることは不適当であることが多い。

また、冷却モジュールの大きさについても、加熱体の場合と同様に、冷却モジュールの直径はチャックトップの直径の９０〜１１０％であると好ましい。冷却モジュールの直径がチャックトップの直径の９０％未満では、外周部からの熱流入が顕著になり、冷却時のチャックトップの温度分布を悪化させるため好ましくない。また、冷却モジュールの直径がチャックトップより大きい場合には、冷却時のチャックトップの温度分布をより良くできるが、実際には装置寸法をできるだけ小さくしたい制約から、チャックトップの直径の１１０％よりも大きくすることは不適当であることが多い。

チャックトップと加熱体との間には、電磁波を遮断（シールド）するための金属層が形成されていることが好ましい。この電磁シールド電極層は、加熱体等で発生した電磁波や、電場等のウエハのプロービングに影響を与えるノイズを遮断する役割がある。このノイズは通常の電気特性の測定には大きな影響は与えないが、特にウエハの高周波特性を測定する場合に顕著に影響するものである。この電磁シールド電極層としては、例えば、金属箔を加熱体とチャックトップの間に挿入することができ、チャックトップ及び加熱体とは絶縁されている必要がある。使用する金属箔としては、特に制約はないが、加熱体が２００℃程度の温度になるため、ステンレス、ニッケル、あるいはアルミニウム等からなる金属箔が好ましい。

上記チャックトップと電磁シールド電極層との間には、絶縁層が必要である。チャックトップが絶縁体である場合にはチャックトップのウエハ載置面に形成されたチャックトップ導体層との間に、また、チャックトップが導体である場合にはチャックトップ自身と電磁シールド層との間に、電気回路上コンデンサが形成され、このコンデンサ成分がウエハのプロービング時にノイズとして影響することがあるため、電磁シールド電極層とチャックトップとの間に絶縁層を形成することで、上記ノイズを低減することができる。

また、チャックトップと電磁シールド電極層との間には、絶縁層を介してガード電極層を備えることが好ましい。更に、上記支持棒を導体（金属層）で覆うことにより、高周波によるウエハ特性測定時のノイズの影響を小さくすることができる。また、上記ガード電極層を支持棒に形成した金属層と接続することで、ウエハの高周波特性を測定する際に影響するノイズを更に低減することができる。

底部基板については、そのヤング率が２００ＧＰａ以上であることが好ましい。底部基板のヤング率が２００ＧＰａ未満である場合には、底部基板の厚みを薄くできないため、空隙の容積を十分確保できず、十分な断熱効果が期待できない。また、冷却モジュールを搭載するスペースも十分確保できない。より好ましい底部基板のヤング率は３００ＧＰａ以上である。３００ＧＰａ以上のヤング率を有する材料を用いれば、底部基板の変形も大幅に低減することができるため、底部基板をより小型化、軽量化できるため特に好ましい。

また、底部基板の熱伝導率は、４０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。底部基板の熱伝導率が４０Ｗ／ｍＫを超えると、チャックトップに加えられた熱が容易に底部基板に伝わり、駆動系の精度に影響を及ぼすため好ましくない。近年ではプロービング時の温度として１５０〜２００℃という高温が要求されるため、底部基板の熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫ以下であることが更に好ましく、５Ｗ／ｍＫ以下であることが特に好ましい。この程度の熱伝導率になると、支持棒から駆動系への熱の伝達量が大幅に低下するためである。

これらの条件を満たす底部基板の材質としては、ムライト、アルミナ、ムライトとアルミナの複合体（ムライト−アルミナ複合体）などが好ましい。ムライトは熱伝導率が小さく、断熱効果が大きい点で好ましい。また、アルミナはヤング率が大きく、剛性が高い点で好ましい。ムライト−アルミナ複合体は、熱伝導率がアルミナより小さく且つヤング率がムライトより大きいため、総合的に好ましい材質である。

支持棒の材質に関しては、熱膨張係数を考慮する必要がある。即ち、チャックトップを加熱体により加熱した場合、チャックトップは下側の加熱体から熱が伝わるので必ず中央部が凹状に反る。一方、底部基板は上側の加熱体からの熱により、必ず中央部が凸状に反る。また、底部基板の下部は、プローバ駆動装置が接続されるため、非常に剛性の高い構造となっている。従って、チャックトップ中心部の支持棒は、外周部に比べて、チャックトップからは下向きに且つ底部基板からは上向きに力がかかるうえ、自身の熱膨張による伸びも加わり、チャックトップの中央部を下側から突き上げることになる。

このとき、チャックトップ自身は熱膨張により中央部が凹状に変形するため、チャックトップの中心部には、支持棒により下から突き上げられる力と、自身の熱膨張により下側へ反る力とが内部応力として蓄えられることになる。更に、プロービング時には、チャックトップのウエハ載置面側からプロービング押圧がかかるため、内部応力が増加する方向の力が加わることになる。そのため、チャックトップの中心部を支持する支持棒の熱膨張係数が、外周部を支持する支持棒に比べ大きい場合、更に支持部自体の伸びが加わるため、最悪の場合はチャックトップに割れが発生し、プロービングが継続できなくなることがある。初期的には大丈夫でも、昇温と冷却が繰り返され、プロービング操作が繰り返し行われると、やがてチャックトップ割れにつながる危険が大きい。

この事態を回避するためには、チャックトップの中心部を支持する支持棒をなくしてやると良いが、なくしてしまうとプロービング押圧によるチャックトップの変形（チャックトップ撓み）が大きくなり、プロービング不良となりやすい。そこで、中心部を支持する支持棒の熱膨張係数を、外周部を支持の支持棒の熱膨張係数以下に制御することによって、チャックトップにかかる内部応力を軽減することができ、昇温と冷却を繰り返しても、更にはプロービング操作を繰り返し実施しても、チャックトップの割れをなくすことができる。

冷却する場合も同様であり、チャックトップの下部に冷却モジュールと加熱体を備える場合、例えば−６０℃に冷却した時、チャックトップは上側のウエハ載置面側が暖かく、下側が冷たい温度分布のため、中央部が凸状に反る。一方、底部基板は、逆に上側が冷たく且つ下側が暖かい温度分布により、中央部が凹状に反る。従って、この場合もチャックトップの中心部を支持する支持棒の熱膨張係数を、外周部を支持する支持棒の熱膨張係数以下にすることで、チャックトップにかかる力を軽減でき、昇温と冷却を繰り返しても、更にはプロービング操作を繰り返し実施しても、割れのないチャックトップを実現することができる。

更に、支持棒のヤング率は、１００ＧＰａ以上であることが好ましい。支持棒のヤング率が１００ＧＰａ未満では、多数の支持棒を配置する必要がある。多数の支持棒を配置すると、加熱体や冷却モジュールに設ける回避穴を増やす必要があるうえ、加熱能力や冷却能力を損なうことになり好ましくない。より好ましいヤング率は、２００ＧＰａ以上である。

支持棒の熱伝導率は、底部基板と同様に、４０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。支持棒の熱伝導率が４０Ｗ／ｍＫを超えると、チャックトップに加えられた熱が容易に底部基板に伝わり、駆動系の精度に影響を及ぼすため好ましくない。近年ではプロービング時の温度として１５０〜２００℃という高温が要求されるため、支持棒の熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫ以下であることが更に好ましく、５Ｗ／ｍＫ以下であることが特に好ましい。この程度の熱伝導率になると、支持棒から駆動系への熱の伝達量が大幅に低下するためである。

支持棒の具体的な材質としては、底部基板より熱膨張係数が小さいものが好ましいため、底部基板がムライト、アルミナ、ムライト−アルミナ複合体の場合、ムライト−アルミナ複合体、窒化珪素、コージライト、ガラスなどが好ましい。ムライト−アルミナ複合体や窒化珪素は、熱膨張係数が小さく剛性が高い点で好ましい。また、コージライトやガラスは、熱膨張係数が小さい点で好ましい。

支持棒の大きさとしては、特に制約はないが、外径が５ｍｍ以上であることが好ましい。外径が５ｍｍ未満の場合には、支持の効果が十分でなく、支持棒が変形しやすくなるため好ましくない。また、支持棒の外径は２０ｍｍ以下であることが好ましい。これを超える外径を有する場合、接触面積が大きくなり、断熱効果が得られない。また、冷却モジュールを備える場合、冷却モジュールに支持棒回避のための大きな回避穴を設ける必要があり、冷却能力を損なうことになるため好ましくない。

また、支持棒の形状としては、円柱状、三角柱状、四角柱状、円錐状、角錐状など特に制約はない。支持棒が底部基板と分離している場合、両者を固定する方法は、特に制約はないが、活性金属によるロウ付け、ガラス付け、ネジ止め等を挙げることができる。これらの中ではネジ止めが特に好ましい。ネジ止めすることによって、脱着が容易となり、更には固定時に熱処理を行わないため、支持棒や底部基板の熱処理による変形を抑えることができる。特に支持棒が上記した筒状体であれば、その内部の貫通穴内にネジを挿通させて、支持棒をチャックトップ及び底部基板に固定することができるため特に好ましい。

支持棒とチャックトップあるいは底部基板との接触部分の表面粗さは、Ｒａで０.１μｍ以上であることが好ましい。表面粗さがＲａで０.１μｍ未満である場合、支持部とチャックトップ及び底部基板との接触面積が増加すると共に、両者の間の隙間が相対に小さくなるため、Ｒａが０.１μｍ以上の場合に比較して熱の伝達量が大きくなるため好ましくない。また、表面粗さの上限は特にないが、Ｒａが５μｍ以上になると、表面を処理するためのコストが高くなることがある。

表面粗さをＲａで０.１μｍ以上にするための手法としては、研磨加工や、サンドブラスト等による処理を行うことができる。この場合においては、その研磨条件やブラスト条件を適切化し、Ｒａが０.１μｍ以上となるように制御する必要がある。また、支持棒を底部基板と分離することで、接触界面を増やすことができるため、熱の伝達量を低減することができる。

同様に、底部基板の底部の表面粗さは、Ｒａで０.１μｍ以上であることが好ましい。底部基板の底部の表面粗さが粗いことによって、駆動系への熱の伝達量も小さくすることができる。このように、各部材に界面を形成し、その界面の表面粗さをＲａで０.１μｍ以上とすることで、底部基板の底部への熱の伝達量を低減することができるため、結果的に抵抗発熱体への電力供給量も低減することができる。

支持棒のチャックトップとの接触面、または支持棒の底部基板との接触面と、支持棒との直角度は、測定長１００ｍｍに換算して、１０ｍｍ以下であることが好ましい。例えば、上記直角度が１０ｍｍを超えると、チャックトップに加わった圧力が支持棒に加わる際に、支持棒自身の変形が発生しやすくなるため好ましくない。

底部基板の表面には、金属層が形成されていることが好ましい。チャックトップを加熱するための加熱体、プローバの駆動部、更には周囲の機器等から発生する電場や電磁波が、ウエハの検査時にノイズとなって影響を及ぼすが、底部基板に金属層を形成すれば、この電磁波を遮断することができるため好ましい。金属層を形成する方法としては、特に制約はないが、例えば、銀、金、ニッケル、銅等の金属粉末にガラスフリットを添加した導体ペーストを、はけ等で塗布して焼き付けても良い。

また、アルミニウムやニッケル等の金属を溶射して、金属層を形成することもできる。また、表面にメッキで金属層を形成することも可能である。更に、これらの手法を組み合わせることも可能である。即ち、導体ペーストを塗布して焼き付けた後にニッケル等の金属をメッキしても良いし、溶射後にメッキを形成しても良い。これらの手法のうち、特にメッキ又は溶射が好ましい。メッキは密着強度が強く、信頼性が高いため好ましい。また、溶射は比較的低コストで金属膜を形成することができるため好ましい。

上記金属層は、底部基板の表面の少なくとも一部に導体を具備することでもよい。使用する材質については、導体であれば特に制約はなく、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム等を用いることができる。導体を具備する方法としては、底部基板の側面にリング形状の導体を取り付けることが可能である。上記材質の金属箔を底部基板の外径よりも大きい寸法でリング形状に成形し、これを底部基板の側面に取り付けることができる。この導体リングをチャックトップの外径より大きくすることで、チャックトップとは接触することなく、底部基板の底部からチャックトップ上面までの側面全体をカバーすることもできる。

また、底部基板の底面部分に、金属箔あるいは金属板を取り付けてもよく、側面に取り付けた金属箔と接続することで、電磁波を遮断する効果（ガード効果）を高めることができる。金属箔あるいは金属板を底部基板上面に取り付けても良く、これを側面及び底面に取り付けた金属箔と接続することでより、ガード効果を高めることができる。このような手法を採用することによって、メッキや導体ペーストを塗布する場合に比較して、比較的安価にガード効果を得ることができるため好ましい。金属箔及び金属板と底部基板の固定方法に関しては特に制約はないが、例えば金属ネジを用いて、金属箔及び金属板を底部基板に取り付けることができる。また、底部基板の底面部と側面部の金属箔及び金属板を一体化することが好ましい。

チャックトップの反りが３０μｍ以上であると、プロービング時のプローバの針が片あたりを起こし、特性を評価できないか、接触不良により誤って不良判定と評価してしまうため好ましくない。また、チャックトップ導体層の表面と支持棒の底部裏面との平行度が３０μｍ以上であっても、同様に接触不良を生じるため好ましくない。室温時にチャックトップの反り及び平行度が３０μｍ以下で良好であっても、２００℃でのプロービング時に反り及び平行度が３０μｍ以上となる場合にも、上記と同様好ましくない。−６０℃でのプロービング時においても同様である。即ち、プロービングを行う温度範囲全域において、反り及び平行度ともに３０μｍ以下であることが好ましい。

上記絶縁層で互いに絶縁された加熱体、電磁シールド電極層及びガード電極層などは、押さえ板によりチャックトップにネジなどを用いて機械的に固定することが好ましい。その場合、押さえ板の熱膨張係数は、チャックトップの熱膨張係数との差が５×１０^−６／Ｋ以下であることが望ましい。押さえ板とチャックトップの熱膨張係数差が上記関係にある場合、プロービングを行う温度範囲全域において、反り及び平行度ともに３０μｍ以下とすることができる。

押さえ板の熱膨張係数がチャックトップの熱膨張係数との差で５ｐｐｍ／Ｋより大きい場合には、１００〜２００℃に昇温された場合、バイメタル効果により、チャックトップの下側に配置される押さえ板がチャックトップより大きくなるため、チャックトップの中央部が凹状になるように応力がかかり、チャックトップの平面度を悪化させ、室温時にチャックトップの反り及び平行度が３０μｍ以下で良好であっても、２００℃でのプロービング時に反り及び平行度が３０μｍ以上となるため好ましくない。更に、チャックトップ中心部に支持棒を配置している場合には、中央部が凹状に変形したチャックトップの中央部を支持棒が突き上げることにより、プロービングができなくなったり、ひどい場合はチャックトップが破損したりする。

逆に上記熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋより小さい場合には、昇温時にチャックトップの下側に配置される押さえ板がチャックトップより小さくなるため、チャックトップの中央部が凸状になるよう応力がかかり、チャックトップの平面度を悪化させ、室温時にチャックトップの反り及び平行度が３０μｍ以下で良好であっても、−６０℃でのプロービング時において反り及び平行度が３０μｍ以上となるため好ましくない。

本発明のウエハ保持体は、チャックトップに冷却モジュールを具備することができる。冷却モジュールに別途チラーで冷却した不凍冷媒を流すことで、チャックトップを急速に冷却することができる。また、チャックトップを加熱する際には、冷却モジュールをチャックトップ下部に備えた加熱体から離して効率よく昇温するため、冷却モジュールは可動式であることが望ましい。更に、冷却モジュールやチャックトップに埋め込んだ熱電対や白金抵抗体を用い、温度をモニターしながら冷却し又は加熱体の発熱量を制御することで、冷却時の細かい温度制御を行うこともできる。このとき、冷却モジュールとしてＣｕやＡｌなどの高熱伝導材を用いることで、冷却モジュールを均熱板として利用して高均熱化を達成することができる。

冷却モジュールの固定形態としては、図８に示すように、チャックトップ２のウエハ載置面２ａの反対側（裏面）に冷却モジュール９を設置し、その下面に抵抗発熱体を絶縁体で挟み込んだ構造の加熱体４を固定する方法がある。この時、チャックトップの裏面と冷却モジュールの間に、変形能と耐熱性を有し且つ熱伝導率の高いＳｉ樹脂などの軟性材を挿入することもできる。チャックトップと冷却モジュールの間に互いの平面度や反りを緩和できる軟性材を備えることで、接触面積をより広くすることができ、冷却モジュール本来の冷却能力を発揮することができ、冷却速度を高めることができる。

また、別の固定形態としては、図９に示すように、チャックトップ２の裏面に抵抗発熱体を絶縁体で挟み込んだ構造の加熱体４を設置し、その下面に冷却モジュール９を固定することができる。更に、図１０に示すように、底部基板６上に冷却モジュール９を配置し、エアシリンダーなどの昇降手段１０を用いて可動式とすることもできる。冷却モジュールを可動式にすることで、チャックトップの昇温速度と冷却速度を大幅に向上させ、スループットを増加させることができるため好ましい。また、可動式の場合、冷却モジュールにプロービング時のプローブカードの圧力が全くかからないため、圧力による冷却モジュールの変形もなく、更には空冷に比べ冷却能力も高いため好ましい。

本発明のウエハ保持体では、チャックトップは複数の支持棒のみで支持され、冷却モジュールはチャックトップに固定されているため、支持棒及び底部基板と冷却モジュールとの接触はなく、構造上力が働かない。そのため、従来のチャックトップとほぼ同サイズの冷却モジュールが支持棒に支持される構造や、金属製で内部流路を設けた冷却モジュール兼チャックトップが支持棒に支持される構造のものと異なり、本発明ではプロービング時のプローブカードの圧力は冷却モジュール自体に働くことなく、繰り返し使用しても冷却モジュールの変形がなく好ましい。

上記いずれの手法においても、冷却モジュールの固定方法については特に制約はないが、例えばネジ止めやクランプといった機械的な手法で固定することができる。また、ネジ止めでチャックトップと冷却モジュール及び加熱体を固定する場合、ネジの個数を３個以上、更には６個以上とすることで両者の密着性が高まり、チャックトップの冷却能力がより向上するため好ましい。

また、例えば図８のように、チャックトップ２の裏面側に冷却モジュール９を直接設置し、更にその下面に抵抗発熱体を絶縁体で挟み込んだ構造の加熱体４を固定する方法の場合、加熱体４を押さえ板（図示せず）でチャックトップ２にネジなどにより固定することができる。このとき、押さえ板の熱膨張係数は冷却モジュールの熱膨張係数以下であることが望ましい。押さえ板の熱膨張係数が冷却モジュールの熱膨張係数よりも大きいと、２００℃に昇温したときに冷却モジュールと押さえ板のバイメタル効果により中央部が凹状に反り、この影響でチャックトップの中央部を凹状に反らせる力がより強く働き、チャックトップの平面度を悪化させてしまう。室温時にチャックトップの反り及び平行度が３０μｍ以下で良好であっても、２００℃でのプロービング時に反り及び平行度が３０μｍ以上となると好ましくない。

押さえ板と冷却モジュールの熱膨張係数が同じ場合は、冷却モジュールの下側に加熱体があることから、２００℃に昇温した場合やはり中央部が凹状に反る。即ち、上記と同様にチャックトップの中央部を凹状に反らせる力がより強く働き、チャックトップの平面度を悪化させてしまう。押さえ板の熱膨張係数を冷却モジュールの熱膨張係数より小さくすることで、冷却モジュールと押さえ板のバイメタルを防止でき、２００℃昇温時のチャックトップの平面度を良好に保つことができる。

冷却時も同様であり、押さえ板の熱膨張係数が冷却モジュールの熱膨張係数よりも大きいと、バイメタル効果により中央部が凸状に反り、この影響でチャックトップの中央部を凸状に反らせる力がより強く働き、チャックトップの平面度を悪化させてしまう。室温時にチャックトップの反り及び平行度が３０μｍ以下で良好であっても、−６０℃でのプロービング時において反り及び平行度が３０μｍ以上となると好ましくない。このように、押さえ板の熱膨張係数を冷却モジュールの熱膨張係数以下とすることで、プロービングを行う温度範囲全域において反り及び平行度ともに３０μｍ以下とすることができる。

また、本発明のウエハ保持体においては、チャックトップと支持棒と底部基板の間の空隙中に冷却モジュールが搭載されても良いし、支持棒上に冷却モジュールを搭載し、その上にチャックトップを搭載するような構造にしても良い。いずれの方法においても、チャックトップと冷却モジュールが固定されているため、可動式の場合に比較して冷却速度を速くすることができる。また、冷却モジュールが支持棒上に搭載されることで、冷却モジュールのチャックトップとの接触面積が増加し、より素早くチャックトップを冷却することができる。

このように、チャックトップに対して冷却モジュールを固定する場合、冷却モジュールに冷媒を流さずに昇温することも可能である。また、冷却モジュール内に冷媒が流れないため、加熱体で発生した熱が冷媒に奪われて系外に逃げることが無いため、より効率的な昇温が可能となる。しかし、この場合であっても、冷却時に冷却モジュールに冷媒を流すことで、効率的にチャックトップを冷却することができる。

更に、チャックトップと冷却モジュールを一体化することも可能である。この場合、一体化する際に使用するチャックトップ及び冷却モジュールの材質としては、特に制約はないが、冷却モジュール内に冷媒を流すための流路を形成する必要があることから、チャックトップ部と冷却モジュール部の熱膨張係数差は小さい方が好ましく、当然のことながら同材質であることが最も好ましい。

この場合に使用する材質としては、上記チャックトップの材質として記載したセラミックスや、セラミックスと金属の複合体を使用することができる。この場合、ウエハ載置面側には、チャックトップ導体層を形成すると共に、その反対面側には冷媒用の流路を形成し、更にチャックトップと同材質の基板を、例えば、ロウ付けやガラス付けなどの手法で一体化することで、ウエハ保持体を作製することができる。また当然のことながら、貼り付ける側の基板側に流路を形成しても良いし、両方の基板に流路を形成しても良い。また、ネジ止めにより一体化することも可能である。

このように、チャックトップと冷却モジュールを一体化させることによって、上記に記載したようにチャックトップに冷却モジュールを固定した場合よりも更に素早くチャックトップを冷却することができる。

冷却モジュールの材質としては、特に制約はないが、アルミニウムや銅及びその合金は、熱伝導率が比較的高く、急速にチャックトップの熱を奪うことができるため好ましい。また、ステンレスやマグネシウム合金、ニッケル、その他の金属材料を使用することができる。更に、この冷却モジュールに、耐酸化性を付与するために、ニッケル、金、銀といった耐酸化性を有する金属膜を、メッキや溶射等の手法を用いて形成することができる。

また、冷却モジュールの材質として、セラミックスを使用することもできる。この場合の材質としては、特に制約はないが、窒化アルミニウムや炭化珪素は熱伝導率が比較的高く、チャックトップから素早く熱を奪うことができるため好ましい。また、窒化珪素や酸窒化アルミニウムは、機械的強度が高く、耐久性に優れているため好ましい。また、アルミナ、コージライト、ステアタイトなどの酸化物セラミックスは、比較的安価であるため好ましい。

以上のように、冷却モジュールの材質は種々選択できるため、用途によって材質を選択すればよい。これらの中では、アルミニウムにニッケルメッキを施したものや、銅にニッケルメッキを施したものが耐酸化性にも優れ、また熱伝導率も高く、価格的にも比較的安価であるため、特に好ましい。

冷却モジュールには、冷媒を流すことも可能である。冷媒を流すことで、加熱体から冷却モジュールに伝達された熱を素早く取り除くことができるため、更に加熱体の冷却速度を向上できる。冷却モジュール内に流す冷媒としては、水、フロリナート、エチレングリコールなどを選択でき、特に制約はない。

冷却モジュールに流路を形成するための好適な例としては、２枚のアルミニウム板を用意し、その一方のアルミニウム板に流路を機械加工等により形成する。そして、耐食性及び耐酸化性を向上させるため、ニッケルメッキを全面に施す。これに、もう一枚のニッケルメッキを施したアルミニウム板を張り合わせる。このとき、流路の周囲には水が漏れないように、例えばＯ−リング等を挿入し、ネジ止めや溶接によって２枚のアルミニウム板を張り合わせる。

あるいは、２枚の銅（無酸素銅）板を用意し、その一方の銅板に流路を機械加工等によって形成する。この銅板に、もう一方の銅板と、冷媒出入口となるステンレス製のパイプとを、同時にロウ付け接合する。接合した冷却板に、耐食性及び耐酸化性を向上させるために、ニッケルメッキを全面に施す。更に、別の形態としては、アルミニウム板もしくは銅板等の冷却板に、冷媒を流すパイプを取り付けることで冷却モジュールとすることができる。この場合、パイプの断面形状に近い形状のザグリ溝を冷却板に形成し、パイプを密着させることで更に冷却効率を上げることができる。また、冷却パイプと冷却板の密着性を向上させるために、介在層として熱伝導性の樹脂やセラミックス等を挿入してもよい。

チャックトップのウエハ載置面には、チャックトップ導体層を形成する。チャックトップ導体層を形成する目的としては、半導体製造で通常使用される腐食性のガスや、酸、アルカリの薬液、有機溶剤、水などからチャックトップを保護することがある。また、チャックトップ導体層は、チャックトップに載置するウエハとの間にチャックトップより下部からの電磁ノイズを遮断するため、アースに落とす役割がある。

チャックトップ導体層の形成方法としては、特に制約はなく、導体ペーストをスクリーン印刷によって塗布した後、焼成する方法、あるいは蒸着やスパッタ等の手法、あるいは溶射やメッキ等の手法が挙げられる。これらのうちでも、特に溶射法とメッキ法が好ましい。これらの溶射法とメッキ法では、導体層を形成する際に熱処理を伴わないため、チャックトップ自体に熱処理による反りが発生せず、またコストが比較的安価であるために、特性の優れた安価な導体層を形成することができる。

特に、チャックトップ上に溶射膜を形成し、その上にメッキ膜を形成することが特に好ましい。溶射膜は、セラミックスや金属−セラミックスとの密着性がメッキ膜より優れている。溶射膜が密着性に優れる理由は、溶射される材料、例えばアルミニウムやニッケル等は、溶射時に若干の酸化物や窒化物あるいは酸窒化物を形成するため、形成された化合物がチャックトップの表面層と反応し、強固に密着することができるからである。

しかし、溶射された膜には、これらの化合物が含まれるため、膜の導電率が低くなる。一方、メッキは、ほぼ純粋な金属を形成することができるため、チャックトップとの密着強度は溶射膜ほど高くはない代わりに、導電性に優れた導体層を形成することができる。従って、下地として溶射膜を形成し、その上にメッキ膜を形成すると、メッキ膜は溶射膜に対しては溶射膜が金属であることから良好な密着強度を有し、更には良好な電気伝導性も付与することができるため、特に好ましい。

更に、チャックトップ導体層の表面粗さは、Ｒａで０.５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さがＲａで０.５μｍを超えると、発熱量の大きな素子の測定をする場合、プロービング時に素子自身の自己発熱により発生する熱をチャックトップから放熱することができず、素子自身が昇温されて熱破壊してしまうことがある。表面粗さがＲａで０.０２μｍ以下であれば、より効率よく放熱できるため更に好ましい。

チャックトップの発熱体を加熱し、例えば２００℃でプロービングする際、支持棒下端面の温度が１００℃以下であることが好ましい。１００℃を超えると、支持棒下部に備わるプローバの駆動系に熱膨張係数差による歪みを生じ、その精度が損なわれるため、プロービング時の位置ずれや、反り及び平行度の悪化によるプローブの片あたりなどの不具合を生じ、正確な素子の評価ができなくなる。また、２００℃昇温測定後に室温測定をする際、２００℃から室温までの冷却に時間を要することになり、スループットが低下する。

チャックトップのヤング率は、２５０ＧＰａ以上であることが好ましい。ヤング率が２５０ＧＰａ未満であると、プロービング時にチャックトップに加わる荷重によりチャックトップに撓みが発生するので、チャックトップ上面の平面度や平行度が著しく劣化する。このため、プローブピンの接触不良が発生し、正確な検査ができず、更にはウエハの破損を招くこともある。このため、チャックトップのヤング率は、２５０ＧＰａ以上が好ましく、３００ＧＰａ以上が更に好ましい。

また、チャックトップの熱伝導率は、１５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ未満である場合、チャックトップ上に載置するウエハの温度分布が悪くなり好ましくない。このため熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以上であれば、プロービングに支障の無い程度の均熱性を得ることができる。このような熱伝導率の材料としては、純度９９.５％のアルミナ（熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ）を挙げることができる。特に好ましいチャックトップの熱伝導率は、１７０Ｗ／ｍＫ以上である。

チャックトップの厚みは、８ｍｍ以上であることが好ましい。厚みが８ｍｍ未満であると、プロービング時にチャックトップに加わる荷重によりチャックトップに撓みを生じ、チャックトップ上面の平面度や平行度が著しく劣化する。そのため、プローブピンの接触不良により正確な検査ができず、更にはウエハの破損を招くこともある。このため、チャックトップの厚みは８ｍｍ以上が好ましく、１０ｍｍ以上が更に好ましい。

チャックトップを形成する材質は、金属−セラミックス複合体や、セラミックス、金属が好ましい。金属−セラミックス複合体としては、比較的熱伝導率が高く、ウエハを加熱した際に均熱性が得られやすいアルミニウム−炭化珪素複合体、シリコン−炭化珪素複合体、又はアルミニウム−シリコン−炭化珪素複合体のいずれかであることが好ましい。これらのうち、特にシリコン−炭化珪素複合体はヤング率が特に高く、熱伝導率も高いため特に好ましい。

また、これらの複合材料は導電性を有するため、加熱体を形成する手法としては、例えば、ウエハ載置面の反対側の裏面に、溶射やスクリーン印刷等の手法によって絶縁層を形成し、その上に導体層をスクリーン印刷するか、あるいは蒸着等の手法によって導体層を所定のパターンに形成することで、加熱体とすることができる。

また、ステンレス、ニッケル、銀、モリブデン、タングステン、クロム及びこれらの合金などの金属箔を、エッチングにより所定のパターンとし、加熱体とすることができる。この手法においては、チャックトップとの絶縁を、上記と同様の手法によって形成することもできるが、例えば絶縁性の樹脂シートをチャックトップと加熱体との間に挿入することができる。この場合、上記の手法に比べ、非常に安価に、しかも容易に絶縁層を形成することができるため好ましい。この場合に使用できる樹脂としては、耐熱性という観点からマイカ、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂などが挙げられる。この中でも特にマイカは、耐熱性、電気絶縁性に優れ、加工し易く、しかも安価であるため、特に好ましい。

また、チャックトップの材質としてのセラミックスは、上記のように絶縁層を形成する必要がないため比較的利用しやすい。この場合の発熱体の形成方法としては、上記と同様の手法を選択することができる。セラミックスの中でも、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、ムライト、アルミナ−ムライト複合体が好ましい。これらの材料はヤング率が比較的高く、プローブカードの押し当てによる変形が小さいため好ましい。こられのうち、アルミナは比較的コストも安く、また高温における電気的特性も優れているため特に優れている。

また、チャックトップの材質として、金属を適用することも可能である。この場合、特にヤング率の高いタングステンやモリブデン、及びこれらの合金を使用することができる。具体的な合金としては、タングステンと銅の合金、モリブデンと銅の合金が挙げられる。これらの合金は、タングステンやモリブデンに銅を含浸させて作製することができる。金属のチャックトップに対しても、上記セラミックス−金属複合体と同様に導電体であるため、上記の手法をそのまま適用してチャックトップ導体層を形成し、加熱体を形成することでチャックトップとして使用することができる。

チャックトップに３.１ＭＰａの荷重を加えたとき、その撓み量は３０μｍ以下であることが好ましい。チャックトップにはプローブカードからウエハ検査用の多数のピンがウエハ上から押し付けられるため、その圧力がチャックトップにも影響を及ぼし、少なからずチャックトップも撓む。このときの撓み量が３０μｍを超えると、プローブカードのピンがウエハに均一に押し当てることができないため、ウエハの検査ができなくなる。上記圧力を加えた場合の撓み量は、１０μｍ以下であることが更に好ましい。

本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体は、ウエハなどの被処理物を加熱、検査するために好適に用いることができる。例えば、ウエハプローバあるいはハンドラ装置やテスター装置に適用すれば、高剛性、高熱伝導率である特性を特に活かすことができるので好適である。

［実施例１］
直径３０５ｍｍ、厚み１０ｍｍのアルミナ基板を２枚用意した。このアルミナ基板のウエハ搭載面に、ウエハを真空チャックするための同心円状の溝と貫通孔を形成した。更に、ウエハ載置面及び裏面にニッケルメッキを施して、チャックトップ導体層及びガード電極層を形成した。その後、チャックトップ導体層及び裏面のガード電極層を研磨加工して、全体の反り量を１０μｍとし、表面粗さをＲａで０.０２μｍに仕上げ、チャックトップとした。

次に、内部に流路が形成されている銅製の冷却モジュールを準備した。この冷却モジュールの下に、抵抗発熱体を絶縁体で挟み込んだ構造の加熱体を配置し、冷却モジュールごとネジで上記チャックトップの裏面に固定した。これにより昇温降温可能な構造とし、昇温時には冷却モジュールに冷媒を流さず、冷却するときのみチラーで温度管理した冷媒を流すことで冷却させた。

また、上記冷却モジュールには、チャックトップのガード電極層面にシリコン樹脂シートを介して取り付けることで、ガード電極層と１×１０^１０Ω以上の絶縁を確保し、電磁シールド層として利用した。尚、抵抗発熱体は、ステンレスの箔を所定のパターンでエッチングして作製した。また、冷却モジュール及び加熱体の外径は３０５ｍｍとした。

更に、底部基板として、直径３１０ｍｍ、厚み２０ｍｍのアルミナ基板を用意した。この底部基板の外周に、直径３１１ｍｍ、内径３１０ｍｍ、高さ５０ｍｍのＳＵＳからなる円筒状のガード板を固定し、チャックトップのガード電極層と接続した。また、支持棒として、外径１５ｍｍ、内径１０ｍｍの円筒状のアルミナ−ムライト複合体を複数本準備し、全て２０ｍｍの高さに加工した。

上記底部基板の中心部に１本の支持棒を配置すると共に、直径２８０ｍｍの同心円状の位置に１２本の支持棒を配置した。これらの支持棒の上に、上記の冷却モジュールと加熱体を取り付けたチャックトップを搭載し、本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体とした。

上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体について、冷却モジュール及び加熱体の外径を下記表１のように変化させ、チャックトップに吸着させたウエハ温度計を用いて、２００℃に昇温キープして３０分後、及び−５０℃に冷却キープして３０分後、それぞれチャックトップ（ＣＴ）のウエハ温度分布を測定した。得られた結果を、均熱レンジとして下記表１に併せて示した。

均熱レンジの判定は、２００℃昇温及び−５０℃冷却の各欄の右側に示した。即ち、２００℃昇温キープ時の均熱レンジの判定は、ウエハ温度の中心値に対して、±１％以下を◎、±２％以下を○、±２％より大きいものを△とした。また、−５０℃冷却キープ時の均熱レンジの判定は、ウエハ温度の中心値に対して、±３％以下を◎、±４％以下を○、±４％より大きいものを△とした。

上記の結果から分るように、冷却モジュール及び加熱体の外径をチャックトップの外径の９０％以上とし、好ましくは９５％以上とすることで、チャックトップの均熱性を向上させることができる。

次に、比較例として、有底円筒状の支持体を備えるウエハ保持体を作製した。即ち、直径３１０ｍｍ、厚み４０ｍｍの円柱状のアルミナを１個用意し、内径２９５ｍｍ、深さ２０ｍｍのザグリ加工を施した。この有底円筒状の支持体の外周側面に、直径３１１ｍｍ、内径３１０ｍｍ、高さ５０ｍｍのＳＵＳからなる円筒状のガード板を固定し、上記チャックトップのガード電極層と接続した。

上記有底円筒状の支持体には、加熱熱体に給電する電極を接続するための貫通孔を形成した。更に、内部に流路が形成されている銅製の冷却モジュールを搭載し、冷却モジュールの下に抵抗発熱体を絶縁体で挟み込んだ構造の加熱体を配置し、冷却モジュールごとネジでチャックトップに固定した。これにより昇温降温可能な構造とし、昇温時は冷却モジュールに冷媒を流さず、冷却するときのみチラーで温度管理した冷媒を流すことで冷却させた。

また、上記冷却モジュールには、チャックトップのガード電極層面にシリコン樹脂シートを介して取り付けることで、ガード電極層と１×１０^１０Ω以上の絶縁を確保し、電磁シールド層として利用した。尚、抵抗発熱体は、ステンレスの箔を所定のパターンでエッチングして作製した。また、冷却モジュール及び加熱体の外径は２８０ｍｍとした。

上記有底円筒状の支持体の中心部近傍に上記ムライト−アルミナ複合体の支持棒を１本配置し、その有底円筒状の支持体と支持棒の上に冷却モジュールと加熱体を取り付けたチャックトップを搭載して、比較例のウエハプローバ用ウエハ保持体とした。

この比較例のウエハプローバ用ウエハ保持体について、上記と同様にウエハ温度分布を測定した。その結果を上記表１と対比したところ、２００℃昇温時及び−５０℃冷却時のいずれでも、上記本発明のウエハプローバ用ウエハ保持体は比較例の従来のウエハプローバ用ウエハ保持体に比べて均熱レンジを半減することができた。

［実施例２］
直径３０５ｍｍ、厚み１０ｍｍのアルミナ基板を用意した。このアルミナ基板のウエハ搭載面に、ウエハを真空チャックするための同心円状の溝と貫通孔を形成し、それぞれウエハ載置面及び裏面にニッケルメッキを施して、チャックトップ導体層及びガード電極層を形成した。その後、チャックトップ導体層及び裏面のガード電極層を研磨加工し、全体の反り量を１０μｍとし、表面粗さをＲａで０.０２μｍに仕上げて、チャックトップとした。

また、内部に流路が形成されている銅製の冷却モジュールを用意し、その下面に抵抗発熱体を絶縁体で挟み込んだ構造の加熱体を配置し、冷却モジュールごとネジで上記チャックトップの裏面に固定した。これにより昇温降温可能な構造とし、高温時は冷却モジュールに冷媒を流さず、冷却するときのみチラーで温度管理した冷媒を流すことで冷却させた。

また、上記冷却モジュールには、チャックトップのガード電極層面にシリコン樹脂シートを介して取り付けることで、ガード電極層と１×１０^１０Ω以上の絶縁を確保し、電磁シールド層として利用した。尚、抵抗発熱体は、ステンレスの箔を所定のパターンでエッチングして作製した。また、冷却モジュール及び加熱体の外径は３０４ｍｍとした。

更に、底部基板として、直径３１０ｍｍ、厚み２０ｍｍのアルミナ基板を用意した。この底部基板の外周に、直径３１１ｍｍ、内径３１０ｍｍ、高さ５０ｍｍのＳＵＳからなる円筒状のガード板を固定し、上記チャックトップのガード電極層と接続した。

また、支持棒として、直径１５ｍｍ、内径１０ｍｍの円筒状のＳＵＳ、アルミナ、アルミナ−ムライト複合体、Ｓｉ−ＳｉＣ、コバール、窒化珪素、コージライト、石英ガラスを複数本準備し、それぞれ２０ｍｍの高さに加工した。支持棒として使用した材料の熱膨張係数、ヤング率、熱伝導率を下記表２に示す。

次に、上記底部基板の上に、下記表３に示すＡ〜Ｅの配置で、上記各材質の支持棒を配置し、その上に冷却モジュールと加熱体を取り付けたチャックトップを搭載し、ウエハプローバ用ウエハ保持体とした。

尚、表３に示す支持棒の配置は、次のとおりである。
Ａ：直径１００ｍｍの同心円上に均等に３本配置
Ｂ：直径２７０ｍｍの同心円上に均等に６本配置
Ｃ：中心に１本、及び直径２７０ｍｍの同心円上に均等に６本配置
Ｄ：直径１００ｍｍの同心円上に均等に３本、及び直径２７０ｍｍの同心円上に均等に６本配置
Ｅ：中心に１本、直径１００ｍｍの同心円上に均等に３本、及び直径２７０ｍｍの同心円上に均等に６本配置

これらのウエハプローバ用ウエハ保持体について、加熱体に通電することでウエハを２００℃に加熱し、プロービングを実施した結果を下記表３に示した。即ち、初期評価として、ウエハ全面にわたり良好にプロービングできるものを○、一部でも不良なものは×とした。更に、初期評価が良好なものについては、２４時間の連続プロービングを実施し、良好なものを○、一部でも不良のものを×とした。

また、２００℃昇温時のチャックトップ（ＣＴ）の反りを測定し、３０μｍ以下を○、２０μｍ以下を◎とした。更に、１００ｋｇ／直径２０ｍｍの荷重をかけたときのＣＴ撓みを測定し、５０μｍ以下を△、３０μｍ以下を○、２０μｍ以下を◎とした。更に、２４時間連続プロービング後、底部基板の温度を測定して、１７０℃以下のものを△、１５０℃以下のものを○、１３０℃以下のものを◎とした。

［実施例３］
底部基板をムライト−アルミナ複合体で作製した以外、上記実施例１と同様にしてウエハプローバ用ウエハ保持体を作製した。このウエハ保持体について、上記実施例１と同様のプロービングを行ったところ、実施例１とほぼ同じ結果が得られた。

［実施例４］
チャックトップをＳｉ−ＳｉＣ複合体で作製した以外、上記実施例１と同様にしてウエハプローバ用ウエハ保持体を作製した。このウエハ保持体について、上記実施例１と同様のプロービングを行ったところ、実施例１とほぼ同じ結果が得られた。

［実施例５］
チャックトップをＡｌＮで作製した以外、上記実施例１と同様にしてウエハプローバ用ウエハ保持体を作製した。このウエハ保持体について、上記実施例１と同様のプロービングを行ったところ、実施例１とほぼ同じ結果が得られた。

１ ウエハプローバ用ウエハ保持体
２ チャックトップ
２ａ ウエハ載置面
３ チャックトップ導体層
４ 加熱体
５、５ａ、５ｂ、５ｃ 支持棒
６ 底部基板
７ 空隙
８ ネジ
９ 冷却モジュール
１０ 昇降手段

上記目的を達成するため、本発明が提供するウエハプローバ用ウエハ保持体は、表面にチャックトップ導体層を有するチャックトップと、チャックトップを支持する複数の支持棒と、支持棒が設置される底部基板とからなり、各支持棒はチャックトップの裏面側を部分的に支持し、チャックトップは裏面側に加熱体及び該加熱体を支える押さえ板を具備し、これら加熱体及び押さえ板は支持棒に接触しておらず、押さえ板の熱膨張係数とチャックトップの熱膨張係数との差が５×１０ ^−６ ／Ｋ以下であることを特徴とする。また、前記支持棒がチャックトップを支持する合計支持面積が、チャックトップの裏面全面積の２０％以下であることが好ましい。

Claims (15)

1. 表面にチャックトップ導体層を有し且つ加熱体を備えるチャックトップと、チャックトップを支持する複数の支持棒と、支持棒が設置される底部基板とからなり、各支持棒はチャックトップの裏面側を部分的に支持することを特徴とするウエハプローバ用ウエハ保持体。
2. 前記支持棒がチャックトップを支持する合計支持面積が、チャックトップの裏面全面積の２０％以下であることを特徴とする、請求項１に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
3. 前記支持棒がチャックトップに対して同心円状に配置されるか、又はチャックトップに対して同心円状及び中心部に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
4. 前記支持棒の熱膨張係数は、中心部の支持棒よりも同心円状に配置された支持棒の方が大きく、且つ外側の同心円の支持棒ほど大きいことを特徴とする、請求項３に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
5. 前記同心円状に配置された支持棒のうち最外周の支持棒は、チャックトップの直径の１／２以上の直径の同心円上にあることを特徴とする、請求項３又は４に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
6. 前記チャックトップが加熱体と共に冷却モジュールを備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
7. 前記加熱体及び冷却モジュールは支持棒に接触しないことを特徴とする、請求項６に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
8. 前記加熱体の発熱部の一部若しくは冷却モジュールの流路の一部が、前記同心円状に配置された最外周の支持棒の外側にも存在することを特徴とする、請求項６又は７に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
9. 前記加熱体の直径がチャックトップの直径の９０〜１１０％であることを特徴とする、請求項６〜８のいずれかに記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
10. 前記冷却モジュールの直径がチャックトップの直径の９０〜１１０％であることを特徴とする、請求項６〜９のいずれかに記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
11. 前記支持棒はチャックトップ及び底部基板と分離していることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
12. 前記支持棒が柱状体若しくは筒状体であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
13. 前記支持棒を介してチャックトップと底部基板とがネジで締結され、支持棒とネジの熱膨張係数差が５×１０^−６／Ｋ以下であることを特徴とする、請求項１２に記載のウエハプローバ用ウエハ保持体。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載したウエハプローバ用ウエハ保持体を備えたことを特徴とするウエハプローバ用のヒータユニット。
15. 請求項１４に記載のヒータユニットを備えたことを特徴とするウエハプローバ。

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