JPH0581175B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、半導体ウエハーの低温における特性
を試験する装置に関する。

＜従来の技術＞ 最近、例えばコンピユータの計算速度をより高
速化する目的で、低温で動作する半導体素子の開
発が盛んである。しかし、そのために必要な低温
における半導体素子の特性をテストするに際し、
半導体ウエハー上に形成されたチツプを個々に切
り出し、各チツプ毎に液体窒素等の寒剤に浸けて
その電気的特性を調べるのでは、当然のことなが
ら膨大な時間と労力および経費が必要となる。こ
のような欠点を排除する目的で、特公昭62−
36387に開示されたような低温でウエハーのテス
トを行う、半導体ウエハーの試験装置が知られて
いる。

この装置は、内部にテストすべきウエハーを保
持するウエハー保持台を設けた金属性のデユワー
瓶と、その上面に同デユワー瓶の開口部を取り囲
んで設けられたベローズと、このベローズの上部
にプローブ・カードを載置する手段と、プロー
ブ・カードの上にかぶせて、デユワー瓶内部と上
記ベローズで構成される空間を大気に対して気密
に保つためのギヤツプと、デユワー瓶を所定の範
囲内で２次元方向に変位させることのできる位置
決め機構を有するデユワー瓶載置架台と、ベロー
ズとキヤツプの間に位置する上記のベローズ・カ
ードをベローズの伸縮可能範囲内で上下に変位さ
せるプローブ・カード高さ調節機構で構成されて
いる。以上の全体構成において、最上部に位置す
る上記のキヤツプには、デユワー瓶内に液体窒素
等の寒剤を注入し、また、そこから寒剤を排出す
るための配管と、プローブ・カードの開口部に対
応して、デユワー瓶の内部を視認するための、透
明板より成る窓が設けられている。

上記の構成を有する装置において、ウエハー保
持台上にテストすべきウエハーを載せ、プロー
ブ・カードをセツトし、キヤツプをかぶせた後、
所定のプロセス（詳細は省く）を経てデユワー瓶
内に、ウエハー保持台の上面に達することのない
所定の高さまで液体窒素等の寒剤を注入する。ウ
エハー保持台の熱伝導を通じてウエハーが所定の
低温に達すると、キヤツプに設けた上記の窓を通
じて、顕微鏡により、ウエハー保持台に載せられ
たウエハーの上面を観測しながら、プローブ・カ
ード高さ調整機構と、デユワー瓶載置架台に設け
られた位置決め機構とを操作して、プローブ・カ
ードよりウエハーに延びる探針を、ウエハー上に
構成されている所定のチツプの所定の端子に電気
接触させ、テストに必要な電気的測定を行なう。
このように方法によれば、一度ウエハーを装置内
にセツトすれば、上記の位置決め機構とプロー
ブ・カード高さ調節機構を操作するだけで、ウエ
ハー上に構成されたすべてのチツプの所定の端子
に、プローブ・カードの探針を順次接触させるこ
とができる。従つて、個々のチツプをテスト測定
のたび毎に低温槽に出し入れする方法にくらべ、
一連の回路テストに要する時間と労力は、この特
公昭62−36387の装置より大幅に改善された。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかし、上に説明した従来技術による装置にお
いては、当然のことながら低温槽内のウエハー保
持台に載せることのできるウエハーの面積、従つ
て、チツプの数には一定の限度がある。従つて、
多数のウエハーについてテストを継続する必要の
あるのが普通である。そのため１枚のウエハー上
のすべてのチツプに対するテストが完了すれば、
その都度テスト済ウエハーを新しい次のウエハー
と取り換えねばならない。ウエハーの取り換えに
は、先ず、テスト済ウエハーと取り出しに先立つ
て、デユワー瓶内の液体窒素を外部に準備した液
体窒素貯蔵容器に完全に移送した後、デユワー瓶
内部に残る低温の窒素ガスを、デユワー瓶の急激
な温度上昇を避けながら、室温の乾燥ガス（普通
窒素ガスを用いる）で置換し、デユワー瓶の内
部、特にウエハー保持台とその上に保持されてい
るテスト済ウエハーの温度が室温にまで上昇する
のを待つて、キヤツプとプローブ・カーを取りは
ずすというプロセスを実行する必要がある。次に
ウエハーを取り換え、プローブ・カードとキヤツ
プを所定の位置にセツトし、デユワー瓶内部の空
気を真空排気した後、そこへ徐々に液体窒素を再
注入する。ウエハーの取り換え毎に必要な以上の
作業は、長時間にわたる多大の労力を必要とする
ことは勿論である。このような欠点に加え、プロ
ーブ・カードに設けられている探針は、特にその
上部は、寒剤の液面より非常に高い位置にあり、
しかも周囲はデユワー瓶の外でベローズとキヤツ
プで囲まれているだけであるから、事実上室温に
近い温度にある。従つて低温に保たれたウエハー
との温度差が大きく、ウエハーの収縮の度合によ
つては、ウエハーに形成された各チツプのテスト
用端子の位置と、探針先端の配列パターンの間に
ずれが生じ、探針をチツプの所定の端子に正しく
接触させ得なくなることもある。

＜課題を解決するための手段＞ 上記のような欠点を排除するため、本発明によ
る半導体ウエハー低温試験装置の主要部は、寒剤
を収容する空間と温度調節用ヒータとを有し上面
にテストすべき半導体ウエハーを保持するよう構
成されたウエハー低温保持台と、上記ウエハー低
温保持台を所定の範囲内で３次元的に変位させる
ウエハー台位置調節手段と、半導体ウエハーをテ
ストするためのプローブ・カードを保持すると共
に同プローブ・カードの探針を冷却する手段であ
つて、寒剤による被冷却手段と寒剤の温度をプロ
ーブ・カードの探針に伝える熱伝達手段とを有す
るプローブ・カード低温保持板と、このプロー
ブ・カード低温保持板を支持するためのプロー
ブ・カード低温保持板支持手段と、テストすべき
半導体ウエハーを予冷するためのウエハー予冷台
と、テスト済半導体ウエハーの温度を事実上室温
に上昇させるためのウエハー与熱台と、半導体ウ
エハーを取り込み、上記ウエハー予冷台と、上記
ウエハー低温保持台と、上記ウエハー与熱台に順
次移送した後外部に送出するためのウエハー移送
手段と、上記ウエハー低温保持台、上記ウエハー
台位置調節手段、上記プローブ・カード低温保持
板、上記プローブ・カード低温保持板支持手段、
上記ウエハー予冷台、上記ウエハー与熱台、およ
び上記ウエハー移送手段を外部環境より断熱・収
容するための断熱室と、テストすべき複数個の半
導体ウエハーを収容し、開閉自在な気密のウエハ
ー取り込みドアを介して上記断熱室に併設された
被検体ウエハー収容室と、テスト済半導体ウエハ
ーを収容し、開閉自在な気密のウエハーを送り出
しドアを介して上記断熱室に併設されたテスト済
ウエハー収容室で構成されている。装置のこのよ
うな構成のもとに、テストすべきウエハーが被検
体ウエウハー収容室に残存している間は、断熱容
器、被検体ウエハー収容室およびテスト済ウエハ
ー収容室を共に真空に保ち、ウエハー取り込みド
アとウエハー送り出しドアを開放した状態で、ウ
エハー支持台上に置かれたウエハーのテストが完
了する毎に、ウエハー移送手段が、ウエハー与熱
台上のテスト済ウエハーをテスト済ウエハー収容
室に送り出した後、ウエハー低温保持台上にある
テスト完了直後のウエハーをウエハー与熱台１
へ、ウエハー予冷台上のウエハーをウエハー低温
保持台上へ準侍移送し、そのあとで被検体ウエハ
ー収容室より１枚のウエハーを取り込み、ウエハ
ー予冷台上に載せる。

被検体ウエハー収容室のウエハーがなくなれ
ば、ウエハー取込ドアを閉じて被検体ウエハー収
容室を断熱室より孤立させ、同収容室の蓋をあけ
て新しいウエハーを追加する。次に蓋を閉じて内
部を真空排気した後ウエハー取り込みドアを開
く。またテスト済ウエハー収容室内に蓄積された
テスト済ウエハーを取り出す場合には、ウエハー
送り出しドアを利用してテスト済ウエハー収容室
を一旦残熱室より孤立させてからウエハー取り出
し、その和内部を蓋浴び真空排気し、ウエハー送
り出しドアを開く。

＜作用＞ 以上の説明より明らかなように、被検体ウエハ
ーの貯蔵、ウエハーのテストおよびテスト済ウエ
ハーの送り出しすべて共通の真空空間内で行わ
れ、しかも、被検体ウエハーの追加やテスト済ウ
エハーの取り出しも、残熱率を真空状態に孤立さ
せた状態で行われるので、低温部を室温に戻すだ
めに要する無駄な時間と労力を要しない。長時間
にわたり多数のウエハーをテストする場合には途
中でウエハー保持台に寒剤追加の必要はあるもの
の、原理的には永久に、事実上連続して多数のウ
エハーをテストすることが可能となつている。

また、ウエハーの探針は、低温に保たれたプロ
ーブ・カード保持板と熱接触を有して、事実上、
テスト中のウエハーと同じ温度に保たれているの
で、ウエハー上のテスト用端子の配置と探針の配
列パターンの間に不整合を生じることはない。

＜実施例＞ 以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図は本発明の実施例におけるウエハー低温
保持台１とその周辺要素が断熱室８の内部に設け
られている様相を示す断面図で、ウエハー低温保
持台１の上面にテストすべきウエハーＷがおさえ
バネ１ｃで固定保持されている状態を示してい
る。断熱室８の側壁には同室内を真空排気するた
めの排気バルブ８ａが設けられている。ウエハー
低温保持台１には液体窒素の液溜１ａが設けられ
ており、配管１ｅを通じてそこに断熱室８の外部
から液体窒素が供給される。蒸発窒素ガスは配管
１ｆを通じて断熱室８の外へ放出される。液体窒
素により低温に冷却されたウエハー低温保持台１
の温度コントロールは、ヒータ１ｂの電流を調節
することによつて行われる。ウエハー低温保持台
１の上方にはプローブ・カード低温保持板３に保
持されてプローブ・カード１１が位置し、同プロ
ーブ・カードより探針１１ａが、ウエハー低温保
持台１の上に置かれたウエハーＷに接している。
プローブ・カード低温保持板３には液体窒素を貫
流させるパイプ３ａが設けられており、液体窒素
の寒冷は、プローブ・カード低温保持板３にプロ
ーブ・カード１１を結合している熱伝導板３ｂを
通してプローブ・カード１１とその探針１１ａに
伝えられる。このようにしてプローブ・カード１
１と探針１１ａは、ウエハー低温保持台に保持さ
れたテストすべきウエハーＷと事実上同じ低温に
保たれるので、室温において調整された、探針の
配置とウエハー上のテスト端子の配置との間の対
応関係は、低温においても損われることはない。
なお、ウエハー低温保持台１およびプローブ・カ
ード低温保持板３には、それぞれ、温度調節用の
ヒータ１ｂおよび３ｃと、温度センサ１ｇおよび
３ｄが設けられており、液体窒素温度より高い温
度においてもウエハーの試験ができるようになつ
ている。

また、ウエハー低温保持台１は熱絶縁体１ｄを
介してウエハー台位置調節機構２の上に固定さ
れ、同機構によりその位置が調節されるようにな
つている。このウエハー台位置調節機構２はウア
ーム・アンド・ギア・ラツク・アンド・ピニオン
等の組み合わせから成り、モータ２ａ，２ｂ，２
ｃ，２ｄによつて駆動されて所定の範囲内でウエ
ハー低温保持台１に、水平面内での回軸と、上下
左右の直線変位を与えるが、既知の機構でありそ
の詳細は省く。

次に第２図は、第１図の断面線Ａ−Ａに沿つた
切断面を表した図である。断熱室８にはウエハー
低温保持台１のほかにそれを挟んで同一円周上に
ウエハー予冷台５とウエハー与熱台６が配設さ
れ、中心には伸縮自在でかつ、回転自在なウエハ
ー移送手段７が設けられている。ウエハー予冷台
５は、テストすべき被検体ウエハーをウエハー低
温保持台１に載せる前に予冷するための冷却台で
あつて、ウエハー低温保持台１と同様な液体窒素
用液溜を独自に設けるか、あるいは、フレキシブ
ルな熱伝導体（銅線または銅網の束等）を介して
ウエハー低温保持台１に熱接触させる等の方法に
より低温に保持されるが、図の複雑化を避けるた
め、そのような寒冷手段の図示は省略する。ま
た、ウエハー与熱台６は、テスト済ウエハーの温
度を室温に戻すための加熱台であり、必要に応じ
てヒータ（図示せず）が設けられている。またウ
エハー移送手段７はパンタグラフ７ａの先端にウ
エハーをつかむトングズ７ｂを設けた構造を有す
るが、その回転、伸縮およびトングズ開閉の具体
的な機構は既知の技術分野に属するものであり詳
細な説明は省略する。なお、トングズには、ウエ
ハ表面に損傷を与えないよう、柔軟物質をコーテ
イングしておく。以上の各構成要素を内包する断
熱室８には、開閉自在な気密のウエハー取り込み
ドア９ｂとウエハー送り出しドア１０ｂを介し
て、それぞれ被検体ウエハー収容室９とテスト済
ウエハー収容室１０が付属している。なお、ウエ
ハー取り込みドア９ｂとウエハー送り出しドア１
０ｂは、いづれもスライド式で外部より電動操作
される（ドア開閉機構は図示せず）。被検体ウエ
ハー収容室９とテスト済ウエハー収容室１０には
それぞれ多数のウエハーを収容できる多段式のラ
ツク１２および１３が、それぞれのガイド９ｃお
よび１０ｃに沿つて上下方向に滑動自在に収容さ
れている。被検体ウエハー収容室９およびテスト
済ウエハー収容室１０は、共に上面に気密な蓋
（図示せず）が設けてあり、それをあけることに
より、それぞれのラツク１２，１３は外部に取り
出すことができるようになつている。

なお、第１図および第２図において、第１図に
限りウエハー低温保持台１の液体窒素溜1aに係
わる配管１ｅと１ｆは図示したが、プローブ・カ
ード低温保持台３の液体窒素貫流パイプ３ａへの
配管やプローブ・カードに係わる配線、並びにヒ
ータ３ｃ，１ｂ、温度センサ３ｄ，１ｇ、モータ
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄおよび上記各種の電動機
構へ配線等は、図の複雑化を避けるため図示を省
略した。これらの配管と配線は適当な気密ブツシ
ングやハーメチツク・シールを用い、断熱容器８
ないしは被検体ウエハー収容室９およびテスト済
ウエハー収容室１０の側壁を貫いて外部に導かれ
ている。

次のこの実施例の装置により一連のウエハー試
験を行なう方法を説明する。先ず被検体ウエハー
用のラツク１２の全段にテストすべきウエハーを
充填して同ラツクを被検体ウエハー収容室９に挿
入し、テスト済ウエハー収容室１０には空のテス
ト済ウエハー用ラツク１３を挿入しておく。両ウ
エハー収容室９および１０の蓋（図示せず）を閉
じ、両ウエハー収容室９，１０と断熱率８を隔て
ているウエハー取り込みドア９ｂとウエハー送り
出しドア１０ｂを全開する（共に外部よりの電動
操作による）。次に断熱室８、被検体ウエハー収
容室９およびテスト済ウエハー収容室１０を排気
するためのそれぞれの排気バルブ８ａ，９ａおよ
び１０ａの全部または一部を通じて（全バルブを
使用することが望ましい）断熱室８と両ウエハー
収容室９および１０を同時に真空排気する。真空
度が所定の値に達すると、ウエハー低温保持台の
液体窒素溜め１ａと、プローブ・カード低温保持
板３の液体窒素還流用のパイプに液体窒素を供給
する。（ウエハー予冷台５が液体窒素による直接
冷却型の場合には勿論そこにも供給する。）温度
計１ｇを観視しながら、液体窒素供給量とヒータ
１ｂへの電流供給量をコントロールしてウエハー
低温保持台の温度を所定の値に調整する。

ウエハー低温保持台の温度が所定の値に安定す
れば、ウエハー移送手段７を操作し（外部よりの
電動操作による）、被検体ウエハー収容室９のラ
ツク１２よりウエハーを取り出し、ウエハー予冷
台５に載せる。現在は一連のウエハーテスト過程
開始の段階にあるので、経験より得られたウエハ
ーの予冷に必要な時間経過したのち、ウエハー予
冷台上のウエハーをウエハー低温保持台１に移す
と共に、被検体ウエハー収容室９のラツクより次
のウエハーを取り出しウエハー予冷台５に載せ
る。（ラツク１２よりウエハーを取り出す毎にラ
ツクが１段づつ上方または下方に移動させ、常に
ウエハー移送手段７によるウエハーの取り出しが
可能な状態にしておく。） 次に、断熱容器８の透明な天窓８ｂを通して、
顕微鏡Ｍ（第１図）でウエハー面をみながら、ウ
エハー台位置調節機構２を操作して（外部より電
気的にモータ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを操作す
る）、ウエハー上の所定のチツプに設けられたテ
スト用端子とプローブ・カード１１の探針１１ａ
間に電気的接触を行わせ、チツプの電気特性をテ
ストする。この操作がウエハー上のすべてのチツ
プについて完了すれば、このテスト済ウエハーを
ウエハー与熱台６に移送した後、直ちにウエハー
予冷台５のチツプをウエハー低温保持台１に移送
し（先行のウエハーのテスト期間中にウエハー予
冷台上のチツプは予冷完了している）、次のチツ
プを被検体ウエハー収容室９より取り出しウエハ
ー予冷台５に載せる。次にウエハー低温保持台上
のウエハーに対するテスト操作を開始する。テス
トが完了すれば、ウエハー与熱台上のチツプをテ
スト済チツプ収容室１０のラツク１３へ送り出
す。（ラツク１３はチツプが送り込まれる毎に１
段づつ上方また下方に移動させ、常にテスト済チ
ツプの受け入れができるようにしておく。）以後、
ウエハーのテストが完了する毎に上記の過程を、
被検体チツプ収容室のラツク１２が空になるまで
継続する。

被検体ウエハー収容室９のラツク１２が空にな
れば、ウエハー取り出しドア９ｂを閉じ、バルブ
９ａを通じて内部に大気を導入、ラツク１２を取
り出して新たにウエハーを供給する。ラツク１２
を再び被検体ウエハー収容室９に挿入して後バル
ブ９ａを通じて再び内部を真空排気し、それが完
了すればウエハー取り出しドア９ｂを開き、ウエ
ハーのテスト作業を再開する。テスト済ウエハー
収容室１０のラツク１３が満杯になつた場合も、
ウエハー送り出しドア１０ｂとバルブ１０ａに関
して上と全く同様な一連の操作を行なう。

本発明はまた次のように変形実施することもで
きる。この変形実施例では、ウエハー与熱台６
に、加熱用ヒータだけでなく、ウエハー低温保持
台１と同様な液体窒素による寒冷化手段を設ける
と共に、テスト済ウエハー収容室１０に赤外線等
によるウエハー加熱装置が設けられている。この
ように構成された変形実施例においても、上記の
寒冷手段に液体窒素を供給せず、また、赤外線に
よるウエハー加熱装置を作動させない状態では、
その機能は先に述べた実施例の場合と全く同様で
ある。しかし、この変形実施例によれば、ウエハ
ーの試験項目が少なく、テストのためにウエハー
をウエハー低温保持台１に保持して所定のテスト
を行なうに要する時間が非常に高いために、ウエ
ハー予冷台５に待機中の次の被検体ウエハーが充
分冷却されないというような場合でも、与熱台６
を（ヒータが設けられている場合にはヒータの通
電を止めて）、そこに液体窒素を供給することに
より第２の予冷台に転用してウエハーを充分に冷
却することが可能になる。即ち、被検体ウエハー
を本来の予冷台５と、与熱台６を転用した第２の
予冷台の２つの予冷台を経てウエハー低温保持台
１に移送させることにより、ウエハーの検査時間
が短くなつても、被検体ウエハーは充分予冷され
ることになる。また、テスト済ウエハーはウエハ
ー低温保持台１よりテスト済ウエハー収容室１０
に直接送り出され、上記の赤外線による加熱装置
により、同室内で室温に加熱される。

なお、上記いずれの実施例における操作も、そ
の一部また全部を既知の自動化技術を応用して自
動化できることは勿論である。

＜発明の効果＞ 以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば多数のウエハーをテストするに際して、ウエハ
ーの供給、移送、取り出しのいづれの段階におい
ても、途中で低温領域の真空を破り、同領域の温
度をいつたん室温に戻す必要がないので、無駄な
待時間と労力が事実上完全に排除されるだけでな
く、寒剤の消費が削減され、従つて大幅なエネル
ギー節約の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の一断面図である。第
２図は、第１図に示した断面線Ａ−Ａに沿つた断
面の俯瞰図である。 １……ウエハー低温保持台、２……ウエハー台
位置調節機構、３……プローブ・カード低温保持
板、４……プローブ・カード低温保持板支持体、
５……ウエハー予冷台、６……ウエハー与熱台、
７……ウエハー移送手段、８……断熱室、９……
被検体ウエハー収容室、１０……テスト済ウエハ
ー収容室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 寒剤を収容する空間と温度調節用ヒータとを
   有し上面にテストすべき半導体ウエハーを保持す
   るよう構成されたウエハー低温保持台と、上記ウ
   エハー低温保持台を所定の範囲内で３次元的に変
   位させるウエハー台位置調節手段と、半導体ウエ
   ハーをテストするためのプローブ・カードを保持
   すると共に同プローブ・カードの探針を冷却する
   手段であつて、寒剤による被冷却手段と寒剤の温
   度をプローブ・カードの探針に伝える熱伝達手段
   とを有するプローブ・カード低温保持板と、この
   プローブ・カード低温保持板を支持するためのプ
   ローブ・カード低温保持板支持手段と、テストす
   べき半導体ウエハーを予冷するための寒剤を収容
   する空間を有するウエハー予冷台と、テスト済半
   導体ウエハーの温度を事実上室温に上昇させるた
   めのウエハー与熱台と、半導体ウエハーを取り込
   み、上記ウエハー予冷台と、上記ウエハー低温保
   持台と、上記ウエハー与熱台に順次移送した後外
   部に送出するためのウエハー移送手段と、上記ウ
   エハー低温保持台、上記ウエハー台位置調節手
   段、上記プローブ・カード低温保持板、上記プロ
   ーブ・カード低温保持板支持手段、上記ウエハー
   予冷台、上記ウエハー与熱台、および上記ウエハ
   ー移送手段を外部環境より断熱・収容するための
   断熱室と、テストすべき複数個の半導体ウエハー
   を収容し、開閉自在な気密のウエハー取り込みド
   アを介して上記断熱室に併設された被検体ウエハ
   ー収容室と、テスト済半導体ウエハーを収容し、
   開閉自在な気密のウエハー送り出しドアを介して
   上記断熱室に併設されたテスト済ウエハー収容室
   とを有し、上記断熱室だけでなく、上記被検体ウ
   エハー収容室と上記テスト済ウエハー収容室にも
   真空排気手段が設けられて成る、半導体ウエハー
   低温試験装置。 ２ 上記プローブ・カード低温保持板に温度調節
   用のヒータが設けられていることを特徴とする、
   特許請求の範囲第１項記載の半導体ウエハー低温
   試験装置。 ３ 上記ウエハー与熱台に温度調節用ヒータを設
   けたことを特徴とする、特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の半導体ウエハー低温試験装置。 ４ 上記ウエハー与熱台に加熱用ヒータと寒剤を
   収容するための空間を設けると共に、上記テスト
   済ウエハー収容室にテスト済ウエハーの温度を室
   温に上昇させるための加熱手段を設けたことを特
   徴とする、特許請求の範囲第１項、第２項または
   第３項記載の半導体ウエハー低温試験装置。 ５ 上記ウエハー移送手段が、回転自在で、か
   つ、伸縮自在なアームと、このアームの先端に設
   けられたトングズより成ることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項、第２項、第３項、または第
   ４項記載の半導体ウエハー低温試験装置。