JP5004686B2 - プローバおよびプローバのウエハチャック温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ上に形成された複数の半導体チップ（ダイ）の電気的な検査を行うためにダイの電極をテスタに接続するプローバに関し、特にウエハを保持するウエハチャックの表面を加熱及び冷却して高温及び低温環極で検査が行えるプローバおよびそのウエハチャック温度制御方法に関する。

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。

半導体装置は広い用途に使用されており、−５５°Ｃ以下の低温環境や、２００°Ｃ以上の高温環境でも使用される半導体装置（デバイス）もあり、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加熱又は冷却することが行われる。

図１は、ヒータ機構とチラー機構で構成され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。プローバは、ウエハＷを保持するウエハチャック１１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１８を有するプローブカード１７と、制御部１６と、を有する。ウエハチャック１１内には、冷却液経路１２及びヒータ１３が設けられる。冷却液経路１２には冷却液源１４から経路１５を介して冷却液が流され、ウエハＷを保持するウエハチャック１１の表面を冷却する。また、ヒータ１３は発熱してウエハＷを保持するウエハチャック１１の表面を加熱する。制御部１６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１９の検出した温度に基づいて、冷却液源１４及びヒータ１３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。なお、ここでは、ウエハチャック１１の表面に近い側にヒータ１３を設け、その下に冷却液経路１２を設ける例を示したが、冷却液経路１２を上にその下にヒータ１３を設ける場合もある。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。

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１６は温度センサ１９の検出した温度に基づいてウエハの冷却及び加熱機構を制御し、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、銅などの金属や、熱伝導性の良好なセラミックなどの材料で作られている。

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、例えば特許文献１などに、またヒータおよび冷却液経路を有するウエハチャックの構造については特許文献２などに記載されており、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。また、特許文献３は、ウエハチャックのチラー機構を記載している。

本発明は、ウエハチャックの冷却をチラー機構で行うプローバを対象とする。

図２は、チラー機構の構成を示す図である。図２に示すように、ポンプ３２は、タンク３１内に保持された低温の冷却液を、経路３３、ウエハチャック１１内の冷却液経路、経路３４、タンク３１の順に循環させ、ウエハチャック１１を冷却する。ここでは、冷却液が、ポンプ３２、経路３３、ウエハチャック１１内の冷却液経路、経路３４およびタンク３１の順に循環するラインを、ウエハチャック冷却経路と称する。タンク３１は、ほぼ密閉された断熱構造を有し、タンク３１の上部と外部をつなぐ空気経路３５が設けられているので、タンク３１の上部の空間は大気開放されている。従って、経路３４はタンク３１の大気開放部分に接続され、循環した冷却液はタンク３１の大気開放部分に出力され、タンク３１内に回収される。なお、ウエハチャック１１にはヒータも設けられているが、ここでは図示を省略しており、これは以下の図でも同様である。

タンク３１内の冷却液は、ポンプ４１により、経路４３、冷却器４５、流量調整弁４２、経路４４、タンク３１の順に循環され、冷却器４５で冷却されてタンク３１に戻る。流量調整弁４２により循環する冷却液の量を調整することにより、タンク３１内に保持される冷却液の温度が調整される。ここでは、冷却液が、ポンプ４１、経路４３、冷却器４５、流量調整弁４２、経路４４およびタンク３１の順に循環するラインを、冷却液冷却経路と称する。

冷却器４５には、圧縮機（コンプレッサ）５１、経路５３、凝縮機５５、経路５４、膨張弁５２、冷却器４５の順に代替フロンが循環する循環ラインにより代替フロンが供給されて蒸発することにより、冷却器４５を冷却する。冷却器４５で気化した代替フロンは、圧縮機５１で圧縮された後、凝縮機５５で冷却されて液化し、膨張弁５２を経て冷却器４５で蒸発する。膨張弁５２は、キャピラリ（毛細管）チューブの場合もある。凝縮機５５は、ファン５６により空冷されるが、水冷の場合もある。

図２に示すチラー機構では、ウエハチャック１１を−３０°Ｃ程度まで冷却することができる。もし、−６０°Ｃ以下まで冷却するのであれば、図３に示すような、圧縮機を２台使用した２段構成のチラー機構を使用する。図３のチラー機構は、ウエハチャック冷却経路と冷却液冷却経路の部分は図２と同じであるが、冷却器４５を冷却する部分が異なる。図３に示すように、この部分では、圧縮機（コンプレッサ）６１、経路６３、補助冷却器６５、経路６４、膨張弁６２の順に代替フロンが循環するラインで、図２の場合と同様に冷却器４５が冷却される。

さらに、圧縮機（コンプレッサ）６６、経路６８、凝集機７０、経路６９、膨張弁６７の順に代替フロンが循環するラインで、図２の場合と同様に補助冷却器６５が冷却される。図３に示すように、冷却器を２段とすることにより、１段構成に比べて冷却器４５の温度を一層低下させることが可能であり、ウエハチャック１１を−６０°Ｃ以下まで冷却できるようになる。

冷却液はウエハチャック１１内の冷却液経路を移動するが、ウエハチャック１１は高温条件の検査時には２００°Ｃの高温になる。冷却液は、−７０°Ｃの低温でも凍結しないフッ素系の不凍液であるが、高温では気体となり、２００°Ｃのような高温では熱分解するという問題が発生する。このような状態になると、冷却液を流すポンプ３２に悪影響を与え、ポンプ３２の寿命が短くなるという問題を生じる。

そこで、ウエハチャック１１を低温から高温にする時には、ウエハチャック１１の冷却液経路内の冷却液または冷却液が気化した気体を乾燥空気などでエアパージしてタンク３１に回収し、ウエハチャック１１の冷却液経路などの高温になる部分に冷却液または気化した冷却液が存在しないようにした上で、ウエハチャック１１のヒータに通電して加熱動作を開始するようにしている。

また、ウエハチャック１１を高温から低温にする時には、自然空冷によりウエハチャック１１の温度が冷却液が熱分解する恐れのない温度以下に低下するまで待機し、この温度以下になったら冷却液を流すようにしている。

特開２００１−２１０６８３号公報（全体） 特開２００２−１２４５５８号公報（全体） 特開２００３−１４８８５２号公報（全体）

プローバは、一層のスループットの向上が求められている。プローバでは、検査内容に応じて、ウエハチャックの温度が高温と低温の間で頻繁に変更される。ウエハチャックの温度が検査温度になるまでの時間は待機時間であり、待機時間が長いとプローバのスループットが低下する。そのため、ウエハチャックの温度が検査温度になるまでの時間を低減して、スループットを向上することが求められている。

上記のように、ウエハチャック１１を低温から高温にする時には、エアパージによりウエハチャック１１の冷却液経路内の冷却液または冷却液の気体を除去して、ただちにヒータによる加熱を開始できるようにしている。しかし、ウエハチャック１１を高温から低温にする時には、自然空冷によりウエハチャック１１の温度が低下するまで待機しており、ウエハチャック１１の温度変更に要する時間が長く、これがスループットを低下させる一因になっていた。

本発明は、このような問題を解決することを目的とし、ウエハチャックを高温から低温にするのに要する時間を低減してプローバのスループットを向上することを目的とする。

上記目的を実現するため、本発明のプローバは、冷却器に気体を送って冷却し、冷却した気体をウエハチャックに送ってウエハチャックを冷却する気体冷却経路を、冷却液冷却経路およびウエハチャック冷却経路と一部を共有する形で設け、ウエハチャックを高温から低温にする場合に、熱分解の恐れのない乾燥空気や窒素などの気体を冷却器を利用して冷却した上でウエハチャックに送ってウエハチャックを冷却する。この気体による冷却によりウエハチャックの温度が低下した後、冷却液によるウエハチャックの冷却を開始する。

すなわち、本発明のプローバは、ウエハを保持するウエハチャックと、前記ウエハチャックを加熱する加熱手段と、前記ウエハチャックを冷却する冷却手段と、を備え、ウエハを所定の温度に保持して、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、前記冷却手段は、冷却液を保持するタンクと、冷却器と、前記タンク内の冷却液を前記冷却器に送り、冷却された冷却液を前記タンクに戻す冷却液冷却経路と、前記タンク内の冷却液を前記ウエハチャックに送って前記ウエハチャックを冷却し、前記ウエハチャックから冷却液を回収するウエハチャック冷却経路と、前記冷却器に気体を送って冷却し、冷却した気体を前記ウエハチャックに送って前記ウエハチャックを冷却する気体冷却経路と、を備え、前記気体冷却経路は、前記冷却液冷却経路および前記ウエハチャック冷却経路の一部を共有することを特徴とする。

本発明のプローバは、各部を制御する制御部をさらに備え、前記制御部は、前記ウエハチャックを高温状態にする時には、前記冷却液冷却経路および前記ウエハチャック冷却経路に冷却液を流さない状態にした後、前記気体冷却経路に気体を流さない状態にし、高温状態の前記ウエハチャックを低温状態に変化させる時には、前記気体冷却経路に冷却した気体を流して前記ウエハチャックを冷却し、前記ウエハチャックが所定温度以下になった後、前記気体冷却経路に気体を流さない状態に、前記冷却液冷却経路および前記ウエハチャック冷却経路に冷却液を流し、前記ウエハチャックが測定温度になった時に測定動作を開始するように制御する。

また、本発明のプローバのウエハチャック温度制御方法は、ウエハを保持するウエハチャックと、前記ウエハチャックを加熱する加熱手段と、前記ウエハチャックを冷却する冷却手段と、を備え、ウエハを所定の温度に保持して、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、前記ウエハチャックの温度を制御するプローバのウエハチャック温度制御方法であって、前記ウエハチャックを高温状態にする時には、前記ウエハチャックに冷却液及び冷却気体を流さない状態にし、高温状態の前記ウエハチャックを低温状態に変化させる時には、前記ウエハチャックに冷却気体を流して前記ウエハチャックを冷却し、前記ウエハチャックが所定温度以下になった後、前記ウエハチャックに冷却気体を流すのを停止して冷却液を流す、ことを特徴とする。前記冷却液及び前記冷却気体は、共通の冷却器で冷却されることが望ましい。

本発明によれば、ウエハチャックが高温状態でも熱分解の恐れのない冷却した気体で、ウエハチャックを強制的に冷却するので、ウエハチャックの温度を急激に低下させることが可能であり、冷却液による冷却を開始できる状態になるまでの時間を自然空冷に比べて大幅に短縮でき、スループットが向上する。しかも、半導体製造工程で容易に利用可能な乾燥空気などの気体を利用し、その気体を既存の冷却器を利用して冷却した上でウエハチャックに流すので、コストの増加を小さくできる。

本発明によれば、高温での検査から低温での検査に変更する場合に、温度変更に要する時間を短縮できるので、スループットが向上する。

図４は、本発明の実施例のプローバのチラー機構の構成を示す図である。実施例のプローバは、図１に示したような従来と同様の構成を有し、チラー機構のみが異なる。また、図４を図２と比較して明らかなように、実施例のチラー機構は、図２の従来のチラー機構に気体冷却経路を付加した構成を有する。図４において、図２と同じ部分には同じ参照番号を付しており、説明は省略する。

図４に示すように、実施例のチラー機構では、一般に半導体製造工程に広く設けられている圧縮乾燥空気源８１を利用する。実施例のチラー機構は、圧縮乾燥空気源８１を経路４３に接続するためのバルブ８２と、ポンプ４１の経路４３との接続を行うバルブ８３と、冷却器４５と流量調整弁４２の間の部分と経路３４を接続する分岐経路８５と、分岐経路８５に設けられたバルブ８４と、経路３４に設けられたバルブ８６と、経路３３に設けられた開放空間につながる分岐経路８７と、分岐経路８７に設けられたバルブ８８と、経路３３に設けられた逆止弁８９と、が図２の従来の構成に加えられており、他の部分は同じである。また、実施例のプローバは、ウエハチャックの温度を高温から低温に変更する場合に、従来は自然に空冷であったのに対して気体冷却経路により強制的に冷却する点が異なり、他の動作は同じである。制御部１６は、ウエハチャック１１およびタンク３１内の冷却液の温度データなどを収集し、それに基づいてポンプ、バルブなどの制御を行う。

図５は、実施例のプローバにおいて、ウエハチャックの温度を高温から低温に変更する場合の動作を示すフローチャートである。以下、図４および図５を参照して、この動作を説明する。

ステップ１０１では、ウエハチャック１１のヒータの通電を停止して加熱動作を停止する。なお、この時には、冷却に関係する部分はすべて停止しているものとする。具体的には、ポンプ３２および４１、圧縮機５１およびファン５６は停止しており、バルブ４２、８２、８３、８４、８５、８６、８８は閉じている。また、タンク３１内の冷却液はある程度低温の状態にあるものとする。

ステップ１０２では、圧縮機５１およびファン５６を動作させて、冷却器４５で冷却が行われるようにする。この際、冷却液を冷却するのに比べて乾燥空気の冷却は小さなパワーで行えるので、圧縮機５１の動作率を、冷却液を冷却する場合より小さく設定してもよい。

ステップ１０３では、気体冷却経路を導通する。具体的には、バルブ８２、８４、８８を開放する。これにより、圧縮乾燥空気源８１からの圧縮された乾燥空気は、その圧力により、バルブ８２を通って冷却器４５に供給され冷却される。冷却された乾燥空気は、バルブ８４、経路８５および３４を通ってウエハチャック１１内の冷却液経路に供給され、冷却液経路内を通過する時にウエハチャック１１を冷却し、その後経路８７およびバルブ８８を通って大気中に出る。この時、逆止弁８９により、気体がポンプ３２に流れることはない。このようにしてウエハチャック１１は冷却され、徐々に温度が低下する。

ステップ１０４では、ウエハチャック１１の温度が所定の閾値温度、例えば、冷却液の気化温度より低い所定温度以下であるかが判定され、ウエハチャック１１の温度が所定の閾値温度になるまで、この状態、すなわち気体冷却経路が導通した状態が維持される。ウエハチャック１１の温度が所定の閾値温度以下になると、ステップ１０５に進む。

ステップ１０５では、気体冷却経路を閉じる。具体的には、バルブ８２、８４、８８を閉じる。

以下の動作は、基本的には従来技術と同じである。

ステップ１０６では、冷却液冷却経路を導通する。具体的には、バルブ８３を開放し、検査温度に応じて検査流量調整弁４２の流量を設定し、ポンプ４１を動作させる。この時、必要に応じて圧縮機５１の動作を変更する。これにより、タンク３１内の冷却液は、検査温度に対応する温度となるように冷却される。

ステップ１０７では、タンク３１内の冷却液の温度が所定の液閾値温度以下であるかが判定される。液閾値温度は、たとえタンク３１内の冷却液の温度が検査温度に対応した温度に達していなくても冷却液によるウエハチャック１１の冷却を開始する冷却液の温度であり、これにより温度変化に要する時間を短縮する。タンク３１内の冷却液の温度が所定の液閾値温度以下になると、ステップ１０８に進む。この後もタンク３１内の冷却液は、検査温度に対応した温度になるように制御され、その温度になった後は、その温度を維持するように制御される。

ステップ１０８では、ウエハチャック冷却経路を導通する。具体的には、バルブ８６を開放し、ポンプ３２を動作させる。

ステップ１０９では、ウエハチャック１１の温度が検査温度になったかが判定され、検査温度になるとステップ１１０に進む。

ステップ１１０で、検査が開始される。

以上、本発明の実施例を説明したが、各種の変形例が可能なのはいうまでもない。特に、気体冷却経路の構成はプローバの仕様に応じて各種の変形例が可能である。

また、本発明を図３に示した圧縮機を２台使用するチラー機構に適用することも可能である。

さらに、実施例では圧縮乾燥空気を使用したが、その代わりに窒素ガスなどを使用することも可能である。

本発明は、高温又は低温などの所定の温度条件で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、ウエハチャックの高温から低温へ温度変更に伴う待機時間を低減できる。

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。 従来例におけるチラー機構の構成を示す図である。 従来例における別のチラー機構の構成を示す図である。 本発明の実施例のプローバのチラー機構の構成を示す図である。 実施例のプローバにおけるチラー機構の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ ウエハチャック
１２ 冷却液経路
１３、１３Ａ、１３Ｂ ヒータ
１４ 冷却液源
１６ 制御部
１９、１９Ａ、１９Ｂ 温度センサ
３１ タンク
３２、４１ ポンプ
４５ 冷却器
８１ 圧縮乾燥空気源
４２、８２、８４、８６、８８ バルブ
Ｗ ウエハ

Claims (6)

1. ウエハを保持するウエハチャックと、
   前記ウエハチャックを加熱する加熱手段と、
   前記ウエハチャックを冷却する冷却手段と、を備え、
   ウエハを所定の温度に保持して、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、
   前記冷却手段は、
   冷却液を保持するタンクと、
   冷却器と、
   前記タンク内の冷却液を前記冷却器に送り、冷却された冷却液を前記タンクに戻す冷却液冷却経路と、
   前記タンク内の冷却液を前記ウエハチャックに送って前記ウエハチャックを冷却し、前記ウエハチャックから冷却液を回収するウエハチャック冷却経路と、
   前記冷却器に気体を送って冷却し、冷却した気体を前記ウエハチャックに送って前記ウエハチャックを冷却する気体冷却経路と、を備え、
   前記気体冷却経路は、前記冷却液冷却経路および前記ウエハチャック冷却経路の一部を共有することを特徴とするプローバ。
2. 各部を制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記ウエハチャックを高温状態にする時には、前記冷却液冷却経路および前記ウエハチャック冷却経路に冷却液を流さない状態に、前記気体冷却経路に気体を流さない状態にし、
   高温状態の前記ウエハチャックを低温状態に変化させる時には、
   前記気体冷却経路に冷却した気体を流して前記ウエハチャックを冷却し、
   前記ウエハチャックが所定温度以下になった後、前記気体冷却経路に気体を流さない状態にして、前記冷却液冷却経路および前記ウエハチャック冷却経路に冷却液を流し、
   前記ウエハチャックが測定温度になった時に測定動作を開始するように制御する請求項１に記載のプローバ。
3. 前記気体は、乾燥空気または窒素ガスである請求項１または２に記載のプローバ。
4. ウエハを保持するウエハチャックと、前記ウエハチャックを加熱する加熱手段と、
   前記ウエハチャックを冷却する冷却手段と、を備え、ウエハを所定の温度に保持して、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、前記ウエハチャックの温度を制御するプローバのウエハチャック温度制御方法であって、
   前記ウエハチャックを高温状態にする時には、前記ウエハチャックに冷却液及び冷却気体を流さない状態にし、
   高温状態の前記ウエハチャックを低温状態に変化させる時には、
   前記ウエハチャックに冷却気体を流して前記ウエハチャックを冷却し、
   前記ウエハチャックが所定温度以下になった後、前記ウエハチャックに冷却気体を流すのを停止して冷却液を流す、ことを特徴とするプローバのウエハチャック温度制御方法。
5. 前記冷却液及び前記冷却気体は、共通の冷却器で冷却される請求項４に記載のプローバのウエハチャック温度制御方法。
6. 前記気体は、乾燥空気または窒素ガスである請求項４または５に記載のプローバのウエハチャック温度制御方法。

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