JP4433478B2 - 加熱装置およびそれを搭載したウェハプローバ - Google Patents

Description

本発明は、被処理物を搭載して加熱する加熱装置に関し、特に、被処理物が半導体ウェハであり、載置台がチャックトップであり、プローブカードをウェハに押し当ててウェハの電気的特性を検査するためのウェハプローバに使用される加熱装置および該加熱装置を搭載したウェハプローバに関するものである。

従来から、半導体を検査する装置として各種のウェハプローバが提案されている。例えば特開２００１−０３３４８４号公報では、厚い金属板の代わりに、薄くても剛性が高く、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、変形しにくくかつ熱容量が小さいウェハプローバが提案されている。この文献によれば、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、ウェハプローバ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などを使用することができるとされている。

しかしながら、特開２００１−０３３４８４号公報の手法では、発熱体の形成を金属ペーストを用いてスクリーン印刷等の手法で形成した後、所定の雰囲気、温度で焼成していた。この手法においては、印刷、焼成といった工程によって、比較的コストが高くなることが大きな問題点であり、更に形成された発熱体の抵抗値ばらつきも大きく、チャックトップの温度ムラを発生しやすい等の問題が有った。
特開２００１−０３３４８４号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、簡便に作製することができ、しかも信頼性に優れた加熱装置およびそれを搭載したウェハプローバを提供することを目的とする。

本発明のウェハプローバ用加熱装置は、半導体ウェハを載置する載置台と、該載置台を加熱する加熱体とを備え、該加熱体は、前記載置台の載置面とは反対側に配置され、ポリイミドからなる絶縁性シートの上に直接発熱体を形成したものであって、発熱体の少なくとも一部が柔軟性を有する耐熱性ゴムからなる保護層に覆われていることを特徴とする。また、前記発熱体は、金属箔であることが好ましい。

前記加熱装置は、ウェハ加熱装置であることが好ましく、このような加熱装置を備えたウェハプローバは、低コストであり、また信頼性の高い装置とすることができる。

本発明によれば、簡便に作製することができ、しかも信頼性に優れた加熱装置およびそれを搭載したウェハプローバを提供することができる。

本発明の加熱装置は、被処理物を載置する載置台と、該載置台を加熱する加熱体とを備え、該加熱体は発熱体を絶縁シート上に形成する。このときに使用する絶縁シートは耐熱性が必要であるため、耐熱性の樹脂が好ましく使用される。耐熱性の樹脂としては、ポリイミドやフェノール樹脂、エポキシ樹脂など各種樹脂を使用することができるが、特にポリイミドは比較的薄くしても強度があり、特に好ましい。このときの絶縁性シートの厚みに関しては特に制約はないが、２０μｍ以上が好ましい。２０μｍ未満の厚みの場合、絶縁性シートの強度が低下し、絶縁シート上に形成した発熱体のハンドリング時に、場合によっては絶縁シートが破られる等の問題が発生することがある。また厚みの上限としては特に制約はなく、１ｍｍ程度であっても問題はない。

前記発熱体としては金属箔が好ましい。金属箔の材質としては抵抗発熱体として機能するものであれば特に制約はなく、ステンレスや、ニクロム、タングステン、モリブデン等の金属箔を使用することができる。これらの金属箔は、高温で使用した場合においても、表面が酸化しにくく、抵抗値の変化が少ないため特に好ましい。またこれらの金属箔に対して、ニッケルや金、銀等の耐熱性のメッキを施すことも可能である。金属箔の厚みとしては特に制約はなく、１μｍ以上であれば特に問題はない。また金属箔の厚みによって、抵抗値を制御することも可能である。

前記金属箔の形成方法としては、圧延等の手法で形成されたものでも良く、また特に薄い金属箔を使用する場合には、絶縁シート上に直接スパッタや蒸着等の手法で膜形成しても良い。

また、これらの金属箔をエッチングによりパターン形成することで発熱体を形成することができる。エッチングする手法としては、例えば金属箔上に所定厚みになるようにポリイミドを塗布し、例えば２００〜３００℃程度でキュアして絶縁シート上に金属箔を貼り付けることができる。次にこれに感光性樹脂を金属箔面に塗布し、発熱体パターンを露光、現像し、発熱体を形成することができる。また逆に所定の厚みを有する絶縁シート上に金属を前記のようにスパッタや蒸着などの手法で形成し、同様に露光、現像して発熱体を現像することもできる。また、当然のことながら、所定の厚みを有する金属箔と絶縁シートをラミネートし、それを露光、現像することで発熱体とすることも可能である。

出来上がった発熱体は、少なくとも一部分を保護層により被覆することが好ましい。保護層の役割は、加熱体の使用時の絶縁性の確保や、載置台が導電性である場合の絶縁性の確保、更には発熱体自身の絶縁性の確保や載置台との密着性の確保などが挙げられる。保護層の材質については、上記の目的から絶縁性を有することが好ましい。特に載置台との密着性を確保するためには、ある程度柔軟性を有するものが好ましい。例えば、耐熱性のゴムや、柔軟性を有するシリコン樹脂などが挙げられる。

絶縁シート上に形成した加熱体を、耐熱性ゴムで載置台の接触面を被覆し、載置台と密着させることで取り付けることができる。載置台との接触面は、金属箔側であっても良いし、絶縁シート側であっても特に支障はない。また加熱体の両面側に保護層を形成しても構わない。このように、加熱体を保護層によって覆うことにより、加熱体が載置台と均一に接触することができるため、保護層は載置台との間については特に均一に形成することが望ましい。

また、本発明において、保護層として柔軟性を有するものを使用する理由としては、加熱体が発熱すると、金属箔で形成された加熱体や絶縁シートが熱膨張する。また載置台も熱膨張する。さらに冷却時にはそれぞれが収縮をはじめる。しかしながら、これらはいずれも異なる材料から形成されているため、熱膨張係数も異なるとともに、温度も異なる。そのためこれらの材料間で発生する熱応力を吸収するために、保護層に柔軟性を付与する必要があるためである。

このとき、保護層の厚みとしては、特に制約はないが、１ｍｍ以下が好ましい。保護層の厚みが１ｍｍを超えると、保護層自身の熱伝導率が低いため、発熱体と載置台との間に大きな熱抵抗が生じてしまうため、エネルギーロスが大きく、かつ、発熱体が発熱しても載置台の温度が上昇するまでに時間がかかるため、制御性が悪くなるため、好ましくない。また保護層の厚みは、１０μｍ以上であることが好ましい。保護層の厚みが１０μｍ未満である場合には、加熱体と載置台との間の熱膨張係数差を接着層が吸収しきれないため、加熱や冷却の温度サイクルを繰り返すと、保護層が載置台からはがれることがあるため好ましくない。このため、保護層の厚みとしては１０μｍから１ｍｍ程度が好ましく、特に、５０μｍから３００μｍ程度であれば、加熱体の温度上昇に伴う載置台の良好な応答性を実現でき、且つ、加熱体と載置台との熱膨張係数差を吸収できるため好ましい。

また本発明において、発熱体を絶縁シート上に形成する理由としては、以下の理由が挙げられる。まず、発熱体を金属箔等のエッチングで形成する場合、発熱体のエッチング後は、各発熱体間の間隔が所定の間隔になるように固定することが困難である。しかし、絶縁シートが存在すれば、発熱体が絶縁シートに固定されているために、上記のような問題が発生しにくく、設計通りの発熱体パターンが形成できるためである。更には、絶縁シートに発熱体を固定せず、保護層で載置台に固定する場合、保護層を加熱しながら所定の圧力を加えて載置台に固定する。このとき、固定終了時に、固定時の圧力を開放すると、載置台、接着保護層、発熱体の熱膨張係数差、更には保護層が圧力から開放されることによる変形によって、発熱体の間隔が変形したり、最悪の場合、発熱体の断線等が発生する。しかし、絶縁シート上に発熱体を形成することで上記のような問題点を解決することができることが本発明者らの研究により発見された。

また、本発明においては、絶縁性シート上に形成された発熱体を接着層によって接着し、さらにその上に絶縁性の保護層を形成することができる。保護層は、前記絶縁性シートが兼ねてもよい。すなわち、絶縁性シート上に形成された発熱体を接着層により載置台に接着する際、絶縁性シートの発熱体が形成された面を載置台面側にすることによって、絶縁性シートを保護層とすることができる。この場合、載置台が導電性の材料であっても、接着層が載置台と発熱体の間に存在するため、載置台と発熱体の間に絶縁性を確保することができる。

さらに別の形態としては、上記のように形成された状態に更に保護層を絶縁シート上に形成することもできる。この場合は、例えば発熱体の載置面の反対側から冷却モジュール等を当接する場合、絶縁シートおよび保護層が冷却モジュールとの絶縁性を確保すると共に、この保護層が冷却モジュール等との良好な密着性を実現することができる。

また、別の形態としては、絶縁シートの発熱体を形成した面の反対側を載置台に接着層を用いて形成することができる。この場合、発熱体と載置台との間には接着層と絶縁シートが存在するために、載置台と発熱体との間に更に良好な絶縁性を確保することができる。この場合、発熱体の載置面と反対側においては、発熱体が剥き出しになるため、絶縁性を確保するためには、上記のように更に保護層を形成することが好ましい。

上記のように、発熱体の載置面とは反対側に保護層を形成する場合、その保護層の材質としては、耐熱性が必要であることは言うまでも無い。更に好ましくは、接着層と同材質にすれば、コスト面や、熱膨張係数等による剥がれの発生など信頼性の面から特に好ましい。

本発明により形成された、発熱体を具備した載置台は半導体を検査するために使用するウェハプローバ用に好ましく使用される。ウェハプローバ用の加熱装置においては、最近では特に８インチウェハや１２インチウェハが使用される。これに対して本発明による載置台は、接着層や保護層、絶縁シート等によって発熱体の熱膨張係数と載置台の熱膨張係数差を吸収できる構造となっており、ウェハの大型化に対応できるため、特に好ましい。更に本発明による手法では、ウェハプローバに関わる加熱装置を比較的安価に使用できるため好ましい。

本発明の加熱装置を、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態の一例である。本発明の加熱装置１は、被処理物を載置する載置台であるチャックトップ導体層３を有するチャックトップ２と、該チャックトップを支持する支持体４と、加熱体６とからなる。さらに、支持体はウェハ保持体全体を移動させるための駆動系（図示せず）に搭載されている。

支持体のヤング率は２００ＧＰａ以上とするのが好ましい。支持体自身の変形を小さくできるため、チャックトップの変形をさらに抑制することができる。また、より好ましいヤング率は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、支持体の変形も大幅に低減することができるため、支持体をより小型化、軽量化できるため特に好ましい。

支持体の形状は、図１に示すように円管部分４２、あるいは図２に示すような複数の柱状体４３を備えることが好ましい。円管部分または柱状体を備えることにより、支持体の体積の大部分は空隙５で占められることになるため、チャックトップから支持体を通じて、ウェハ保持体の駆動系に伝わる熱の伝熱経路が細くなり、駆動系の温度上昇を防止できると同時に、支持体の剛性を保つことができチャックトップの変形抑制に悪影響を与えないからである。

支持体の熱伝導率は４０Ｗ／ｍＫ以下とするのが好ましい。チャックトップから支持体を通じて、ウェハ保持体の駆動系に伝わる熱量がさらに低減し、駆動系の温度上昇を効果的に防止できるからである。近年ではプロービング時の温度として１５０℃という高温が要求されるため、支持体の熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫ以下であることが特に好ましい。またより好ましい熱伝導率は５Ｗ／ｍＫ以下である。この程度の熱伝導率になると、支持体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。

上記のような平面度、形状への加工が可能であり、かつ物性として上記のようなヤング率、熱伝導率を有する材質としては、加工性、コストを考慮すると、ムライト、アルミナもしくはムライト−アルミナ複合材料であることが好ましい。

加熱体によりチャックトップを加熱し、例えば２００℃で検査する際、支持体底面の温度は１００℃以下であることが好ましい。１００℃を超えると、ウェハ保持体の駆動系の熱膨張が原因で、接触不良が発生する。また、２００℃で検査した後、室温で検査を行う場合、冷却に時間を要するためスループットの悪化につながる。

支持体が円管部分を備える場合、円管部分の肉厚は２０ｍｍ以下であることが好ましい。２０ｍｍを超えると、チャックトップから支持体を通じて、ウェハ保持体の駆動系に伝わる熱量が増加するため、好ましくない。また、肉厚が１ｍｍ未満になると、支持体自身がプローブカードの荷重により変形、破損するため好ましくない。

また支持体が円管部分を備える場合、円管部分の高さは１０ｍｍ以上であることが好ましい。１０ｍｍ未満であると、チャックトップから支持体を通じて、ウェハ保持体の駆動系に伝わる熱量が増加するため、好ましくない。

支持体が円管部分を備える場合の、チャックトップと円管部分の接触部の拡大図を図３に示すが、支持体４の円管部分４２には、発熱体に給電するための電極線８あるいは電磁シールドの電極線を、挿通するための貫通孔４４が形成されていることが、電極線の取り回しが簡単になり好ましい。この場合、貫通孔の形成位置としては、円管部分の内周面に近いことが、円管部分の強度低下を最低限に抑制できるため好ましい。なお、図３以外の図面では、電極線や貫通孔は省略している。

支持体の底部４１の厚みは、１０ｍｍ以上であることが好ましい。支持体底部の厚みが１０ｍｍ未満であると、支持体自身がプローブカードの荷重により変形、破損するため好ましくない。また、支持体底部４１と、円管部分４２あるいは柱状体４３とは、一体とすることも分離可能とすることもできるが、分離可能とすれば底部と円管部分あるいは柱状体との間に接触界面を有することとなり、この接触界面が熱抵抗として機能するため、チャックトップから支持体を通じて、ウェハ保持体の駆動系に伝わる熱量が低減し、好ましい。

支持体が複数の柱状体を備える場合、柱状体の配置は、同心円状に均等あるいはそれに類似した配置で８個以上あることが好ましい。近年ではウェハの大きさが８〜１２インチと大型化しているため、これよりも少ない数量では柱状体間の距離が長くなり、プローブカードで荷重をかける際チャックトップを支える機能が低下し、チャックトップの変形の増加につながるため、好ましくない。柱状体の形状としては円柱状であっても良いし、三角柱、四角柱、パイプ形状さらにはどのような多角形の柱状体であっても良く、その断面形状に対して特に制約はない。

支持体は図４に示すように、円管部分と複数の柱状体の両方を備えてもよい。これらを組み合わせて使うことにより、支持体及びチャックトップの変形を増加させることなく、ウェハ保持体の駆動系に伝わる熱量を低減させることができ、好ましい。

支持体とチャックトップの接触面は、支持体及びチャックトップ双方において表面粗さがＲａ０．１μｍ以上であることが好ましい。Ｒａ０．１μｍ以上とすることにより、支持体とチャックトップの接触面における熱抵抗が増加するため、ウェハ保持体の駆動系に伝わる熱量を低減できる。この表面粗さの上限は特にはない。表面粗さをＲａ０．１μｍ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と良い。

また、支持体とチャックトップの接触面以外にも、支持体底面と駆動系の接触面、支持体底部と円管部分あるいは柱状体とを分離可能とした場合の支持体底部と円管部分あるいは柱状体との接触面、及び円管部分と複数の柱状体を組み合わせて使用した場合の円管部分と複数の柱状体との接触面に関しても、同様に表面粗さをＲａ０．１μｍ以上とすれば、熱抵抗が増加してウェハ保持体の駆動系に伝わる熱量を低減でき、好ましい。熱抵抗の増加による駆動系に伝わる熱量の低減は、発熱体への電力供給量の低減にもつながる。

支持体の表面には、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発熱体、プローバの駆動部、さらには周囲の機器等からから発生する電場や電磁波が、ウェハの検査時にノイズとなり、影響を及ぼすことがあるが、支持体に金属層を形成すれば、この電磁波を遮断（シールド）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。例えば、銀や金、ニッケル、銅など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など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などの金属を溶射により形成してもよい。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。さらに、これらの手法を組み合わせることも可能である。すなわち、導体ペーストを焼き付けた後、ニッケルなど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。

また、別の手法としては、支持体の側面に円管形状の導体を取り付けることも可能である。使用する材質については、導体であれば特に制約は無い。例えば、ステンレスや、ニッケル、アルミニウムなどの金属箔または金属板を支持体の外径よりも大きい寸法で円管形状に成形し、これを支持体の側面に取り付けることができる。また支持体の底面部分に、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又は金属板と接続することでより、電磁波を遮断する効果を高めることができる。また、支持体内部の空隙５を利用し、金属箔あるいは金属板を空隙内に取り付けても良く、側面及び底面に取り付けた金属箔又は金属板と接続することにより、電磁波を遮断する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、安価に電磁波を遮断することができるため好ましい。金属箔および金属板と支持体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支持体に取り付けることができる。また底面部と側面部の金属箔または金属板を、予め一体化した上で支持体に固定してもよい。

また、図５および図６に示すように、支持体が円管部分または複数の柱状体を備える場合には、支持体の中心部付近には支持棒７が具備されていることが好ましい。この支持棒により、プローブカードで荷重をかけた際のチャックトップの変形をさらに抑制することができる。この支持棒の材質は、円管部分または柱状体の材質と同一であることが好ましい。円管部分または柱状体、および支持棒が発熱体からの熱により熱膨張する際、材質が異なると熱膨張係数差により円管部分または柱状体と支持棒との間に段差が生じるため好ましくない。支持棒の大きさは、断面積が０．１ｃｍ^２以上であることが好ましい。断面積がこれ以下である場合には、支持の効果が十分でなく、支持棒が変形しやすくなる。また断面積は１００ｃｍ^２以下であることが好ましい。これ以上の断面積を有する場合、駆動系に伝わる熱量が増加し好ましくない。また支持棒の形状としては、円柱形状や、三角柱、四角柱、パイプ形状など特に制約はない。支持棒を支持体に固定する方法としては、活性金属によるロウ付けや、ガラス付け、ネジ止めなどが挙げられるが、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、さらには固定時に熱処理を行わないため、支持体や、支持棒の熱処理による変形を抑えることができるからである。

またチャックトップを加熱する発熱体とチャックトップとの間にも、電磁波を遮断するための電磁シールド層が形成されていることが好ましい。この電磁シールド層の形成には、前記の支持体表面に金属層を形成する手法を用いることができ、例えば金属箔を発熱体とチャックトップとの間に挿入することができる。使用する金属箔の材質に特に制約はなく、ステンレスやニッケル、あるいはアルミニウムなどを用いることができる。

また、前記電磁シールド層とチャックトップとの間には、絶縁層を備えることが好ましい。この絶縁層には、発熱体等で発生した電磁波や電場などのウェハの検査に影響を与えるノイズを遮断する役割がある。このノイズは特にウェ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り、通常の電気特性の測定には本ノイズは大きな影響を与えない。すなわち、発熱体で発生するノイズは前記電磁シールド層により、かなりの部分は遮断されるが、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ェハ載置面に形成されたチャックトップ導体層と電磁シールド層との間、もしくは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発熱体との間に、電気回路上コンデンサが形成され、このコンデンサがウェハの検査時にノイズとして影響することがある。この影響を低減するために、電磁シールド層とチャックトップとの間に絶縁層を形成することができる。

更に、チャックトップと電磁シールド層との間に、絶縁層を介してガード電極層を備えることが好ましい。該ガード電極層は、前記支持体に形成される金属層と接続することで、ウェハの高周波特性を測定するときに影響するノイズをさらに低減することができる。すなわち、本発明においては、発熱体を含む支持体全体を導体で覆うことで、高周波におけるウェ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。更に、ガード電極層を前記支持体に設けた金属層に接続することにより、ノイズの影響をさらに小さくすることができる。

このとき、前記絶縁層の抵抗値は１０^７Ω以上であることが好ましい。抵抗値が１０^７Ω未満の場合、発熱体からの影響によって、チャックトップ導体層に向かって微小な電流が流れ、これがプロービング時のノイズとなり、プロービングに影響を及ぼすため好ましくない。絶縁層の抵抗値を１０^７Ω以上とすれば、上記微小電流をプロービングに影響のない程度に低減することができるため好ましい。特に最近ではウェハに形成される回路パターンも微細化が進んでいるため、上記のようなノイズをできるだけ低減する必要があり、絶縁層の抵抗値を１０^１０Ω以上とすることで、更に信頼性を高めることができる。

また前記絶縁層の誘電率は１０以下であることが好ましい。絶縁層の誘電率が１０を超えると、絶縁層を挟み込む電磁シールド層、ガード電極層とチャックトップに電荷が蓄えられやすくなり、これがノイズ発生の原因となるため好ましくない。特に最近では、上記のようにウェハ回路の微細化が進展していることから、ノイズを低減しておく必要があり、誘電率は４以下、更には２以下とすることが特に好ましい。誘電率を小さくすることで、絶縁抵抗値や静電容量を確保するために必要な絶縁層の厚みを薄くすることができ、絶縁層による熱抵抗を小さくできるため好ましい。

さらにチャックトップが絶縁体の場合は、チャックトップ導体層とガード電極層との間、及びチャックトップ導体層と電磁シールド層との間、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ガード電極層との間、チャックトップ自身と電磁シールド層との間の静電容量は５０００ｐＦ以下であることがこのましい。５０００ｐＦを超える静電容量を有する場合、絶縁層のコンデンサとしての影響が大きくなり、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好ましくない。特に１０００ｐＦ以下の静電容量であれば、微細な回路であってもノイズの影響を受けずに検査ができ、好ましい。

以上述べてきたように、絶縁層の抵抗値、誘電率、静電容量を上記の範囲内に制御することで、検査時のノイズを大幅に低減することができる。

絶縁層の厚みとしては、０．２ｍｍ以上が好ましい。装置の小型化や、発熱体からチャックトップの熱伝導を良好に保つためには、絶縁層の厚みが薄い方がよいが、厚みが０．２ｍｍ未満になると、絶縁層自体の欠陥や、耐久性の問題が発生するため好ましくない。１ｍｍ以上の厚みを有しておれば、耐久性の問題も無く、また発熱体からの熱の伝導も良好であるため、好ましい。厚みの上限に関しては、１０ｍｍ以下であることが好ましい。１０ｍｍを超える厚みを有する場合、ノイズに関しては、遮断する効果が高いものの、発熱体で発生した熱が、チャックトップ、及びウェハに伝導するまでに時間がかかるため、加熱温度の制御が困難となり好ましくない。検査条件にもよるが５ｍｍ以下であれば、比較的容易に温度制御が可能となるため、好ましい。

また絶縁層の熱伝導率については、上記のように発熱体からの良好な熱伝導を実現するためには０．５Ｗ/ｍＫ以上であることが特に好ましい。また１Ｗ/ｍＫ以上であれば、さらに熱の伝達が良好となるため、好ましい。

絶縁層の具体的な材料として、上記特性を満たし、検査時の温度に耐えるだけの耐熱性を有しておればよく、セラミックスや樹脂などを上げることができる。これらの内、樹脂としては、例えばシリコン樹脂や、この樹脂中にフィラーを分散したものを、セラミックスとしてはアルミナ等を好ましく用いることができる。樹脂中に分散するフィラーは、樹脂の熱伝導を高める役割があり、材質としては、樹脂との反応性無ければよく、例えば窒化硼素や、窒化アルミニウム、アルミナ、シリカなどの物質を挙げることができる。

また本絶縁層の形成領域は、前記電磁シールド層や、ガード電極、加熱体の形成領域と同等以上であることが好ましい。形成領域が小さい場合には、絶縁層で覆われていない部分からノイズの侵入が発生することがあるため好ましくない。

上記絶縁層について、以下に実例を示す。まず材質として、窒化硼素を分散させたシリコン樹脂を用いる。この材料の熱伝導率は５Ｗ／ｍＫ程度であり、また誘電率は２である。前記電磁シールド層とチャックトップとの間に窒化硼素分散シリコン樹脂を絶縁層として挟み込む場合、１２インチウェハ対応のチャックトップであれば、例えば直径３００ｍｍに形成することができる。このとき、絶縁層の厚みを０．２５ｍｍとすれば、静電容量は５０００ｐＦとすることができる。更に厚みを１．２５ｍｍ以上とすれば静電容量は１０００ｐＦとすることができる。この材料の体積抵抗率は、９×１０^１５Ω・ｃｍであるため、抵抗値は、直径３００ｍｍの場合、厚み０．８ｍｍ以上とすれば抵抗値を１×１０^１２Ω以上にすることができる。したがって、厚みを１．２５ｍｍ以上とすれば静電容量が充分に低く、抵抗値が充分に高い絶縁層が得られる。

チャックトップの反りが３０μｍ以上であると、検査時のプローブカードの針が片あたりを起こし、接触不良が発生するため好ましくない。また、チャックトップ導体層の表面と支持体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、好ましくない。前記反り及び平行度は、室温時だけでなく、一般に検査が行われる温度範囲である−７０℃から２００℃に亘って、３０μｍ未満であることが好ましい。

チャックトップのウェハ載置面に形成されるチャックトップ導体層には、グランド電極としての役割以外に、発熱体からの電磁ノイズの遮断、腐食性のガス、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、といった役割がある。

チャックトップ導体層の形成方法には、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。これらの手法においては、導体層を形成する際に、熱処理を伴わないため、チャックトップに熱処理による反りが発生することなく、かつ安価に導体層を形成することができる。

チャックトップ上に溶射膜を形成し、その上にさらにメッキ膜を形成する方法は特に好ましい。溶射される材料（アルミニウム、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し、これらの化合物がチャックトップ表面と反応することにより、強固に密着することができる。しかし、溶射膜は上記化合物が含まれるため、膜の導電率が低い。これに対してメッキは、ほぼ純粋な金属膜が形成されるため、導電性に優れた導体層を形成することができるが、チャックトップ表面との密着強度は溶射膜ほど高くはない。また、溶射膜とメッキ膜の間は、両者とも金属が主成分であるため良好な密着強度を有している。したがって、下地として溶射膜を形成し、その上にメッキ膜を形成すれば、高い密着強度と高い導電率を兼ね備えたチャックトップ導体層を形成できる。

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。面粗さが０．５μｍを超えると、発熱量の大きな素子を検査する際、素子自身から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熱破壊してしまうことがある。面粗さはＲａで０．０２μｍ以下であるとより効率よく放熱できるため好ましい。

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未満であると検査時に荷重をかけた際、チャックトップの変形が大きくなり、接触不良が発生し、さらにはウェハの破損を招くこともある。チャックトップの厚みが１０ｍｍ以上であれば、さらに接触不良の確率を低減できて好ましい。

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、検査時に荷重をかけた際、チャックトップの変形が大きくなり、接触不良が発生し、さらにはウェハの破損を招くこともある。チャックトップのヤング率は２５０ＧＰａ以上が好ましく、さらには３００ＧＰａ以上であれば、更に接触不良の確率を低減できて好ましい。

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。１５Ｗ／ｍＫ未満である場合、チャックトップ上に載置するウェハの温度の均一性が悪化し好ましくない。熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以上であれば、検査に支障の無い程度の均熱性を得ることができる。１７０Ｗ／ｍＫ以上であればウェハの均熱性はさらに向上し好ましい。

上記のようなヤング率、熱伝導率を有する材料として、種々のセラミックスおよび金属−セラミックス複合材料が挙げられる。金属−セラミックス複合材料としては、比較的熱伝導率が高く、ウェハを加熱した際に均熱性が得られやすいアルミニウムと炭化ケイ素との複合材料（Ａｌ−ＳｉＣ）、又はシリコンと炭化ケイ素との複合材料（Ｓｉ−ＳｉＣ）のいずれかであることが好ましい。これらのうち、Ｓｉ−ＳｉＣは、１７０Ｗ／ｍＫ〜２２０Ｗ／ｍＫという高い熱伝導率を有するとともにヤング率が高いため、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、発熱体を形成する手法としては、例えばウェハ載置面の反対側の面に、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し、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し、発熱体とすることができる。

また、ステンレスやニッケル、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発熱体パターンを形成し発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、例えば絶縁性のシートをチャックトップと発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シートや、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上げられる。この中でも特にマイカが好ましい。その理由としては、耐熱性、電気絶縁性に優れ加工性し易く、しかも安価である。

一方、チャックトップの材質としてセラミックスを用いた場合、チャックトップと発熱体の間に絶縁層を形成する必要がない、という利点がある。セラミックスの中でも特にアルミナや窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ムライト、アルミナとムライトの複合材料は、ヤング率が比較的高いため、プローブカードの荷重による変形が小さく、好ましい。これらのうち、アルミナに関しては、比較的低コストで、高温における絶縁性が優れている点で好ましい。また、アルミナは一般に焼結する際、焼結温度を低下させるために、シリコンやアルカリ土類金属等の酸化物などを添加しているが、その添加量を減らしアルミナの純度を上げれば、コストは上昇するが、絶縁性は更に向上する。純度９９．６％以上で高い絶縁性が得られ、９９．９％以上では特に絶縁性は高くなる。また、アルミナは純度が上がると、絶縁性と同時に熱伝導率も向上し、純度９９．５％において熱伝導率３０Ｗ／ｍＫとなる。アルミナの純度は、絶縁性、熱伝導率及びコストを考慮して適宜選択することができる。また、窒化アルミニウムに関しては、１７０Ｗ／ｍＫと特に高い熱伝導率を有している点で好ましい。

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も可能である。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上げられる。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。これらの金属に対しても、上記のセラミックス−金属の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、発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に、そのたわみ量は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ェハを検査するための多数のピンがウェハを押し付けるため、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ェハに均一に押しあてることができないため、ウェハの検査ができなくなり、好ましくない。この圧力を加えた場合の撓み量としては、更に好ましくは１０μｍ以下である。

本発明においては、図７に示すように、支持体４の内部の空隙４に冷却モジュール９を具備してもよい。冷却モジュールは、チャックトップを冷却する必要が生じた際に、その熱を奪うことで、チャックトップを急速に冷却することができ、スループットを向上させることができるため好ましい。

冷却モジュールの材質としては、アルミニウムや銅及びその合金が熱伝導率が高く、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もできる。冷却モジュールに、耐酸化性を付与するために、ニッケルや金、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。

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。セラミックスの中でも、窒化アルミニウムや炭化珪素は熱伝導率が高く、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。アルミナやコージェライト、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、用途、コストなどを考慮して適宜選択すればよい。これらの材質の中でも、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、価格も比較的安価であるため、特に好ましい。

この冷却モジュールの内部には、冷媒を流してもよい。冷媒を流すことにより、チャックトップから冷却モジュールに伝達した熱を素早く冷却モジュールから取り除き、チャックトップの冷却速度を向上できるため好ましい。冷媒の種類としては、水、フロリナート、ガルデンなどの液体、あるいは窒素、空気、ヘリウムなどの気体が請託できるが、０℃以上でのみ使用する場合には、比熱の大きさ、価格を考慮すると水が好ましく、氷点下まで冷却する場合には比熱を考慮するとガルデンが好ましい。

冷媒を流す流路の形成方法としては、例えば、２枚の板を用意し、その一方に機械加工等によって流路を形成する。耐食性、耐酸化性を向上させるために、２枚の板の表面全面にニッケルメッキを施した後、ネジ止めや溶接等の手段により２両者を張り合わせる。このとき流路の周囲には冷媒が漏れないように例えばＯ−リング等を挿入するとよい。

また、別の流路の形成方法としては、冷却板に冷媒を流すパイプを取り付けることができる。この場合、冷却板とパイプの接触面積を増やすために、冷却板にパイプとほぼ同じ断面形状の溝加工を施し、この溝の中にパイプを設置したり、パイプの断面形状に一部に平面形状を形成し、この平面を以て冷却板に固定してもよい。冷却板とパイプ固定方法は、金属バンドなどを介してネジ止めしてもよいし、溶接や、ロウ付けすることも可能である。冷却板とパイプの間に樹脂などの変形能を有する物質を挟み込めば、両者を密着させて冷却効率を向上させることができる。

チャックトップを加熱する際は、冷却モジュールをチャックトップから離間できれば、効率よく昇温することができるため、冷却モジュールは可動式であることが好ましい。冷却モジュールを可動式にする手法としては、エアシリンダーなどの昇降手段１０を用いることができる。冷却モジュールにはプローブカードの荷重がかかることはなく、したがって荷重による変形等の問題が生じることはない。

チャックトップの冷却速度を重視する場合は、冷却モジュールをチャックトップに固定しても良い。すなわち、図８に示すように、チャックトップ２のウェハ載置面の反対側に加熱体６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。別の実施形態としては、図９に示すように、チャックトップ２のウェハ載置面の反対側に直接冷却モジュール９を設置し、さらにその下面に加熱体６を固定する方法がある。この時、チャックトップ２のウェハ載置面の反対側と冷却モジュール８の間に、変形能と耐熱性を有し、かつ熱伝導率の高い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、本来備える冷却モジュールの冷却能力をより発揮することが出来るので、冷却速度を高めることができる。

いずれの形態においても固定方法については特に制約はなく、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発熱体を固定する場合、ネジの個数を３個以上とすると各部材間の密着性が高まり好ましく、６個以上とすればさらに好ましい。

また、冷却モジュールは支持体の空隙中に設置されてもよいし、支持体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しても良い。いずれの設置方法においても、可動式の場合と比較して、チャックトップと冷却モジュールが強固に固定されているため、冷却速度を大きくすることができる。冷却モジュールを支持体上に搭載した場合、冷却モジュールとチャックトップとの接触面積が増加し、より短時間でチャックトップを冷却することができる。

チャックトップに固定した冷却モジュールが冷媒により冷却可能である場合、チャックトップ昇温時または高温保持時には冷却モジュールに冷媒を流さないことが好ましい。発熱体で発生した熱が冷媒に奪わることがなく、効率的な昇温または高温保持が可能になるからである。当然、冷却時に再び冷媒を流せば、チャックトップを効率的に冷却することができる。

更に、チャックトップ内部に冷媒を流す流路を設けて、チャックトップ自体を冷却モジュールとすることも可能である。この場合、冷却モジュールをチャックトップに固定するよりも、より一層冷却時間を短縮できる。チャックトップの材質としては、上記と同じくセラミックスおよび金属−セラミックス複合材料を用いることができる。構造としては例えば、部材Ｉの片面にチャックトップ導体層を形成しウェハ載置面として、その反対面側に冷媒を流すための流路を形成して、更に流路を形成した面に部材ＩＩをロウ付け、ガラス付けまたはネジ止めなどの手法により一体化することができる。また、部材ＩＩの片面に流路を形成して、この流路を形成した面にて部材Ｉと一体化してもよく、部材Ｉと部材ＩＩの両方に流路を形成して、互いの流路を形成した面同士で一体化してもよい。部材Ｉと部材ＩＩの熱膨張係数差は小さい方が好ましく、理想的には同材質であることが好ましい。

また、チャックトップ自体を冷却モジュールとした場合、その材質として金属を使用することもできる。金属は、上記セラミックスやセラミックスと金属の複合体と比べて安価であり、加工が容易であるため流路を形成しやすい、といった利点がある。しかし、プローブカードの荷重により変形しやすいため、チャックトップのウェハ載置面の反対側に、チャックトップ変形防止用の板状体を設置するとよい。この変形防止板は、チャックトップの材質としてセラミックスまたは金属−セラミックス複合材料を用いた場合と同様、ヤング率が２５０ＧＰａ以上であることが好ましい。

変形防止板の設置箇所は、支持体内に形成された空隙内に収容しても良いし、チャックトップと支持体の間に挿入しても良い。また、チャックトップと変形防止板とは、ネジ止め等の機械的な手法によって固定しても良いし、ロウ付けやガラス付けなどの手法によって固定しても良い。チャックトップ昇温時または高温保持時には、冷却モジュールに冷媒を流さず、冷却時にのみ冷媒を流せば、効率的な昇降温が可能である点は、冷却モジュールをチャックトップに固定する場合と同様である。

また、チャックトップの材質が金属である場合、例えばチャックトップの材質が酸化や変質しやすい、または電気導電性が充分に高くない、といった理由から、ウェハ載置面に改めてチャックトップ導体層を形成してもよい。形成方法は上記と同様、蒸着、スパッタ、溶射あるいはメッキなどの方法を用いることができる。

金属製チャックトップに変形防止板を設置する構造においても、上記と同様の電磁シールド層やガード電極層の形成が可能である。例えば、チャックトップのウェハ載置面の反対側の面に、絶縁された発熱体を設置し金属層で覆った上で、更に絶縁層を介してガード電極層を形成し、ガード電極層とチャックトップとの間に絶縁層を形成する。更に変形防止板を設置して、チャックトップ、発熱体および変形防止板を一体的にチャックトップに固定すればよい。

本発明のウェハ保持体は、例えば、ウェハプローバあるいはハンドラ装置あるいはテスター装置に適用すれば、微細回路を有する半導体であっても、接触不良なく検査を行うことができる。

図１に示す加熱装置１を作製した。チャックトップとして、直径３１０ｍｍ、厚み１５ｍｍのＳｉ−ＳｉＣ基板を用意した。この基板の片面に対して、ウェ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、更にチャックトップ導体層としてニッケルメッキを施して、ウェハ載置面とした。その後、ウェハ載置面を研磨加工し、全体の反り量を１０μｍ、表面粗さをＲａで０．０２μｍに仕上げ、チャックトップを完成させた。

次に支持体として直径３１０ｍｍ、厚み４０ｍｍの円柱状のムライト−アルミナ複合体を準備した。支持体のチャックトップ側の面に、内径２９０ｍｍ、深さ２０ｍｍの座繰り加工を施した。チャックトップには電磁シールド層としてマイカで絶縁したステンレス箔を取り付けた。また支持体には、図３に示す形で発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。支持体の側面、および底面にはアルミニウムを溶射して、金属層とした。

加熱体は、厚さ５０μｍのステンレス箔にポリイミド樹脂を２００μｍの厚さに塗布し、乾燥後２５０℃でキュアしてステンレス箔に絶縁シートとしてポリイミド層を形成し、ステンレス箔を発熱体パターン形状にエッチングした。その後、発熱体の上に、耐熱性ゴムを２００μｍの厚みに塗布し、前記チャックトップのウェハ載置面の反対側に圧着した。

比較として、厚さ５０μｍのステンレス箔をエッチングにより発熱体パターンを形成し、耐熱性ゴムを発熱体の両面に２００μｍの厚みに塗布し、チャックトップのウェハ載置面の反対側に圧着したものも作製した。

次に支持体の上に発熱体と電磁シールド層を取り付けたチャックトップを搭載し、加熱装置とした。

この加熱装置の発熱体に通電することで、ウェハを１５０℃に加熱して、プロービングを連続して行った。その結果、ポリイミドシート上に発熱体を形成したものは、問題なくチャックトップを加熱でき、プロービングも行えたが、比較として作製したものは、耐熱性ゴム内で、ステンレス箔が断線しており、チャックトップを加熱することはできなかった。

実施例１と同様のチャックトップを準備した。発熱体はポリイミドシート上に厚み５０μｍのニクロム箔をポリイミド樹脂で貼り付け、２５０℃で熱処理した後、エッチングしたものを使用した。実施例１とは逆に、ポリイミドシートの発熱体の貼り付けられていない面に耐熱性ゴムを１００μｍの厚みに塗布した。また発熱体側には、シリコン樹脂を１００μｍ塗布し、保護層とした。実施例１と同様にウェハを１５０℃に加熱してプロービングした結果、実施例1と同様にチャックトップを加熱でき、プロービングを実施することができた。

発熱体を貼り付ける絶縁シートを表１に示す材質にしたこと以外は、実施例１と同様の加熱装置を作製した。実施例１と同様にプロービングした結果を表１に示す。

以上のことから絶縁シートの厚みは２０〜１０００μｍが好適であることがわかる。また２０００μｍのものも温度を一定に保持してプロービングする場合には良好にプロービングできるが、チャックトップの温度を変更する際には、温度の応答性が鈍く、時間がかかった。

絶縁シートであるポリイミドシートの厚みを５０μｍとし、発熱体は、ステンレス箔に薄くポリイミドを塗布し、ポリイミドシートに貼り付け、２５０℃でキュアし、エッチングすることで作製した。この発熱体の表面に表２に示す材質の保護層を塗布して、その塗布面または塗布面とは反対側の絶縁シート側の面をチャックトップに圧着したこと以外は、実施例１と同様にして、加熱装置を作製した。実施例１と同様にプロービングをした結果を表２に示す。

以上のことから、保護層の厚みは、１０μｍ以上１ｍｍ以下であれば、プロービングが可能であるが、５０μｍ以上３００μｍ以下であれば、特に良好にプロービングできることが判る。

本発明によれば、簡便に作製することができ、しかも信頼性に優れた加熱装置およびそれを搭載したウェハプローバを提供することができる。

本発明の加熱装置の断面構造の一例を示す。 本発明の加熱装置の断面構造の一例を示す。 本発明の加熱装置の電極部の断面構造の一例を示す。 本発明の加熱装置の断面構造の一例を示す。 本発明の支持体の一例を示す。 本発明の支持体の一例を示す。 本発明の加熱装置の断面構造の一例を示す。 本発明の加熱装置の断面構造の一例を示す。 本発明の加熱装置の断面構造の一例を示す。

符号の説明

１ ウェハ保持体
２ チャックトップ
３ チャックトップ導体層
４ 支持体
５ 空隙
６ 発熱体
７ 支持棒
８ 発熱体電極
９ 冷却モジュール
１０ 昇降手段
４１ 支持体底部
４２ 円管部分
４３ 柱状体
４４ 貫通孔

Claims (3)

1. 半導体ウェハを載置する載置台と、該載置台を加熱する加熱体とを備え、該加熱体は、前記載置台の載置面とは反対側に配置され、ポリイミドからなる絶縁性シートの上に直接発熱体を形成したものであって、発熱体の少なくとも一部が柔軟性を有する耐熱性ゴムからなる保護層に覆われていることを特徴とするウェハプローバ用加熱装置。
2. 前記発熱体は、金属箔であることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載した加熱装置を備えたことを特徴とするウェハプローバ。

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