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発明の名称 ウエハプローバおよびウエハプローバに使用されるセラミック基板
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−135686(P2001−135686A)
公開日 平成13年5月18日(2001.5.18)
出願番号 特願2000−254183(P2000−254183)
出願日 平成12年8月24日(2000.8.24)
代理人 【識別番号】100086586
【弁理士】
【氏名又は名称】安富 康男 (外2名)
発明者 伊藤 淳 / 平松 靖二 / 伊藤 康隆
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 セラミック基板の一主面にはチャックトップ導体層が形成され、他の主面には導体層が形成されてなることを特徴とするウエハプローバ。
【請求項2】 前記他の主面の導体層は、ガード電極として機能する請求項1に記載のウエハプローバ。
【請求項3】 前記ウエハプローバには、温度制御手段が設けられてなる請求項1または2に記載のウエハプローバ。
【請求項4】 前記セラミック基板には、ガード電極および/またはグランド電極が形成されてなる請求項1〜3のいずれか1に記載のウエハプローバ。
【請求項5】 セラミック基板の一主面には、チャックトップ導体層が形成され、他の主面には、導体層が形成されてなることを特徴とするウエハプローバに使用されるセラミック基板。
【請求項6】 前記他の主面の導体層は、ガード電極として機能する請求項5に記載のウエハプローバに使用されるセラミック基板。
【請求項7】 前記ウエハプローバには、温度制御手段が設けられてなる請求項5または6に記載のウエハプローバに使用されるセラミック基板。
【請求項8】 前記セラミック基板には、ガード電極および/またはグランド電極が形成されてなる請求項5〜7のいずれか1に記載のウエハプローバに使用されるセラミック基板。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、主に半導体産業において使用されるウエハプローバおよびウエハプローバに使用されるセラミック基板に関し、特には、薄くて軽く、昇温降温特性に優れるウエハプローバおよびウエハプローバに使用されるセラミック基板に関する。
〔発明の詳細な説明〕
【0002】
【従来の技術】半導体は種々の産業において必要とされる極めて重要な製品であり、半導体チップは、例えば、シリコン単結晶を所定の厚さにスライスしてシリコンウエハを作製した後、このシリコンウエハに種々の回路等を形成することにより製造される。この半導体チップの製造工程においては、シリコンウエハの段階でその電気的特性が設計通りに動作するか否かを測定してチェックするプロービング工程が必要であり、そのために所謂プローバが用いられる。
【0003】このようなウエハプローバとして、例えば、特許第2587289号公報などには、セラミック基板を用いたウエハプローバが開示されている。上記ウエハプローバでは、例えば、図8に示すように、ウエハプローバ501上にシリコンウエハWを載置し、このシリコンウエハWにテスタピンを持つプローブカード601を押しつけ、加熱、冷却しながら電圧を印加して導通テストを行う。なお、図8は、ウエハプローバに電源を接続した図を示し、ウエハプローバ501のチャックトップ電極2、グランド電極6およびガード電極5には、スルーホール17、16などを介して電源V1 が接続されており、グランド電極6は、接地されて0電位となっている。また、チャックトップ電極2とガード電極5とは等電位である。また、発熱体41には電源V2 が、プローブカード601には電源V3 がそれぞれ接続されている。
【0004】上記公報などに開示されているセラミック基板は、いずれもその直径が6インチ(150mm)程度か、その厚さがある程度厚いもの(例えば、8mm以上)であった。ところが、最近のシリコンウエハの大型化にともない、セラミック基板に関しても、直径が8インチ以上のものが求められるようになってきている。
【0005】また、シリコンウエハの製造工程に用いるウエハプローバでは、セラミック基板の内部に発熱体が埋設されたものを使用して加熱する必要があり、さらに、その熱容量を小さくして温度追従性を向上させるために、厚さを薄くすることが必要となってきている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような大型で薄いセラミック基板では、一方の面にチャックトップ導体層を形成した場合、150〜300℃程度まで加熱すると反りが発生してしまう。この反りが発生すると、セラミック基板にシリコンウエハを載置してテスタピンを押し当てたとき、シリコンウエハが破損してしまうという問題があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】そこで本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、この原因がチャックトップ導体層の金属膜が加熱によって収縮するためであることを見い出した。収縮の起きる理由は明らかでないが、例えば、めっき膜の場合は、内部に吸蔵された水素が加熱によって除去されてめっき膜が収縮するためであると推定している。そこで、セラミック基板のチャックトップ導体層形成面の反対側面に導体層を形成することにより、このような反りを防止することができることを知見し、本発明を完成させた。
【0008】即ち本発明は、セラミック基板の一主面にはチャックトップ導体層が形成され、他の主面には導体層が形成されてなることを特徴とするウエハプローバ、および、ウエハプローバに使用されるセラミック基板である。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明のウエハプローバ(以下、ウエハプローバに使用されるセラミック基板も含む)は、セラミック基板の一主面にはチャックトップ導体層が形成され、他の主面には導体層が形成されてなることを特徴とする。本発明のセラミック基板は、ウエハプローバに使用され、具体的には、半導体ウエハのプロービング用ステージ(いわゆるチャックトップ)として機能する。なお、半導体と同種のセラミック基板の上に金属薄膜を形成したステージは、実開昭62−180944号公報や特開昭62−201937号公報に開示されているが、ここには、両主面に導体層を形成することは記載、示唆ともにされていない。
【0010】本発明では、剛性の高いセラミック基板を使用し、このセラミック基板の一主面に、導体層が形成されているので、例えば、このセラミック基板が150〜300℃程度の高温になり、チャックトップ導体層が収縮しても、チャックトップ導体層が形成されている面の反対側面(以下、底面という)に形成されている導体層も同様に収縮し、セラミック基板に反りが発生するのを防止することができる。従って、このような高温下において、プローブカードのテスタピンによりチャックトップが押されても、チャックトップが反ることはなく、その結果、シリコンウエハの破損を防止することができる。
【0011】また、チャックトップの厚さを金属に比べて薄くすることができるため、熱伝導率が金属より低いセラミックであっても結果的に熱容量が小さくなり、昇温、降温特性を改善することができる。
【0012】図1は、本発明のウエハプローバの一実施形態を模式的に示した断面図であり、図2は、その平面図であり、図3は、図1に示したウエハプローバにおけるA−A線断面図である。
【0013】このウエハプローバ101では、平面視円形状のセラミック基板3の表面に、同心円形状の溝7が形成されるとともに、溝7の一部にシリコンウエハを吸引するための複数の吸引孔8が設けられており、溝7を含むセラミック基板3の大部分にシリコンウエハの電極と接続するためのチャックトップ導体層2が円形状に形成されている。
【0014】一方、セラミック基板3の底面には、平面視円形状(図示せず)の導体層41が設けられており、一方、セラミック基板3の内部には、発熱体42が設けられるとともに、図3に示したような形状のガード電極5とグランド電極6とが設けられている。なお、図1においては、セラミック基板の内部に発熱体42が設けられ、底面に導体層41が設けられていたが、本発明では、導体層41が発熱体を兼ねていてもよい。この場合、セラミック基板の内部には、発熱体42を形成しない。
【0015】本発明のウエハプローバは、例えば、図1〜3に示したような構成を有するものである。以下において、上記ウエハプローバを構成する各部材、および、本発明のウエハプローバの他の実施形態について、順次詳細に説明していくことにする。
【0016】本発明においては、セラミック基板の底面に導体層が形成されている。上記導体層としては反りを防止することができるものであれば特に限定されず、例えば、金属焼結体、非焼結性金属体、導電性セラミックの焼結体などが挙げられる。上記導体層は、発熱体を兼ねていてもよい。なお、発熱体については、後で詳述する。
【0017】上記金属焼結体、上記非焼結性金属体の原料としては、例えば、高融点金属を使用することができる。上記高融点金属としては、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、インジウム、貴金属(金、銀、パラジウム、白金)などが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、上記導電性セラミックとしては、例えば、タングステンまたはモリブデンの炭化物等が挙げられる。
【0018】上記導体層の厚さは、1〜50μm程度が望ましい。1μmより薄いと反り防止の効果がなく、50μmより厚くなるとセラミック板全体の反りや、ウエハ載置面の平坦度の低下を招くからである。
【0019】上記導体層の形状は特に限定されるものではなく、例えば、平面形状(円形状)、平面形状を幾つかの部分に分割した形状、渦巻き形状、同心円形状、格子形状等が挙げられる。また、導体層の形成範囲は、底面の一部であっもよいが、底面のほぼ全体に形成されていることが望ましい。底面のほぼ全体に形成することにより反り防止の効果が充分に発揮されるからである。
【0020】上記導体層の表面は、金属層で被覆されていることが望ましい。上記導体層は、金属粒子等の焼結体であり、露出していると酸化しやすく、この酸化により導体層が壊れやすくなるからである。
【0021】金属層の厚さは、0.1〜10μmが望ましい。発熱体の抵抗値を変化させることなく、発熱体の酸化を防止することができる範囲だからである。被覆に使用される金属は、非酸化性の金属であればよい。具体的には、金、銀、パラジウム、白金、ニッケルから選ばれる少なくとも1種以上が好ましい。なかでもニッケルがさらに好ましい。発熱体には電源と接続するための端子が必要であり、この端子は、半田を介して発熱体に取り付けるが、ニッケルは半田の熱拡散を防止するからである。
【0022】本発明のウエハプローバで使用されるセラミック基板は、窒化物セラミック、炭化物セラミックおよび酸化物セラミックに属するセラミックから選ばれる少なくとも1種であることが望ましい。
【0023】上記窒化物セラミックとしては、金属窒化物セラミック、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン等が挙げられる。また、上記炭化物セラミックとしては、金属炭化物セラミック、例えば、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステン等が挙げられる。
【0024】上記酸化物セラミックとしては、金属酸化物セラミック、例えば、アルミナ、ジルコニア、コージェライト、ムライト等が挙げられる。これらのセラミックは単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
【0025】本発明で使用するセラミック基板は、直径200mm以上のものが好ましいが、これは、半導体ウエハの直径が8インチ以上が主流となり、大型化が求められているからである。また、上記セラミック基板の直径は、12インチ(300mm)以上であることがより好ましい。次世代の半導体ウエハの主流となる大きさだからである。
【0026】上記セラミック基板の厚さは10mm以下が好ましい。10mmを超えると、セラミック基板の熱容量が大きくなり、温度制御手段を設けて加熱、冷却すると温度追従性が低下してしまうからである。セラミック基板の厚さは、5mm以下がより好ましい。5mmを超えると熱容量がさらに大きくなり、温度制御性、ウエハ載置面の温度均一性が低下するからである。
【0027】本発明におけるチャックトップのセラミック基板の厚さは、チャックトップ導体層より厚いことが必要であり、具体的には、1〜20mm、望ましくは1〜10mmが最適である。上記セラミック基板は、その直径が200mm以上であることが望ましく、特に200〜500mmであることが最適である。また、本発明においては、シリコンウエハの裏面を電極として使用するため、セラミック基板の表面にチャックトップ導体層が形成されている。
【0028】上記チャックトップ導体層の厚さは、1〜20μmが望ましい。1μm未満では抵抗値が高くなりすぎて電極として働かず、一方、20μmを超えると導体の持つ応力によって剥離しやすくなってしまうからである。
【0029】チャックトップ導体層としては、例えば、銅、チタン、クロム、ニッケル、貴金属(金、銀、白金等)、タングステン、モリブデンなどの高融点金属から選ばれる少なくとも1種の金属を使用することができる。
【0030】チャックトップ導体層は、金属や導電性セラミックからなる多孔質体であってもよい。多孔質体の場合は、後述するような吸引吸着のための溝を形成する必要がなく、溝の存在を理由としたウエハの破損を防止することができるだけでなく、表面全体で均一な吸引吸着を実現できるからである。このような多孔質体としては、金属焼結体を使用することができる。また、多孔質体を使用した場合は、その厚さは、1〜200μmで使用することができる。多孔質体とセラミック基板との接合は、半田やろう材を用いる。
【0031】チャックトップ導体層としては、ニッケルを含むものであることが望ましい。硬度が高く、テスタピンの押圧に対しても変形等しにくいからである。また、ニッケルを含むチャックトップ導体層では、マイグレーションがおきにくい。チャックトップ導体層の具体的な構成としては、例えば、初めにニッケルスパッタリング層を形成し、その上に無電解ニッケルめっき層を設けたものや、チタン、モリブデン、ニッケルをこの順序でスパッタリングし、さらにその上にニッケルを無電解めっきもしくは電解めっきで析出させたもの等が挙げられる。
【0032】また、チタン、モリブデン、ニッケルをこの順序でスパッタリングし、さらにその上に銅およびニッケルを無電解めっきで析出させたものであってもよい。銅層を形成することでチャックトップ電極の抵抗値を低減させることができるからである。
【0033】さらに、チタン、銅をこの順でスパッタリングし、さらにその上にニッケルを無電解めっきもしくは電解めっきで析出させたものであってもよい。また、クロム、銅をこの順でスパッタリングし、さらにその上にニッケルを無電解めっきもしくは電解めっきで析出させたものとすることも可能である。
【0034】上記チタン、クロムは、セラミックとの密着性を向上させることができ、また、モリブデンはニッケルとの密着性を改善することができる。チタン、クロムの厚みは0.1〜0.5μm、モリブデンの厚みは0.5〜7.0μm、ニッケルの厚みは0.4〜2.5μmが望ましい。
【0035】上記チャックトップ導体層の表面には、貴金属層(金、銀、白金、パラジウム)が形成されていることが望ましい。貴金属層は、卑金属のマイグレーションによる汚染を防止することができるからである。貴金属層の厚さは、0.01〜15μmが望ましい。
【0036】本発明のウエハプローバには、温度制御手段を設けておくことが望ましい。加熱または冷却しながらシリコンウエハの導通試験を行うことができるからである。
【0037】上記温度制御手段としては、例えば、発熱体42等が挙げられる。発熱体を設ける場合は、冷却手段としてエアー等の冷媒の吹きつけ口などを設けておいてもよい。本発明では、セラミック基板の両主面に導体層が形成されており、従って、発熱体を反り防止用の導体層とも兼ねて形成するか、または、上記導体層とは別に、発熱体をセラミック基板の内部に設ける。発熱体の形状としては、例えば、同心円形状、渦巻き形状等が挙げられる。発熱体は、複数層設けてもよい。この場合は、各層のパターンは相互に補完するように形成されて、加熱面からみるとどこかの層にパターンが形成された状態が望ましい。例えば、互いに千鳥の配置になっている構造である。
【0038】発熱体としては、導体層の場合と同様に、例えば、金属または導電性セラミックの焼結体、金属箔、金属線等が挙げられる。金属焼結体としては、タングステン、モリブデンから選ばれる少なくとも1種が好ましい。これらの金属は比較的酸化しにくく、発熱するのに充分な抵抗値を有するからである。
【0039】また、導電性セラミックとしては、タングステン、モリブデンの炭化物から選ばれる少なくとも1種を使用することができる。さらに、セラミック基板の外側に発熱体を形成する場合、金属焼結体としては、貴金属(金、銀、パラジウム、白金)、ニッケルを使用することが望ましい。具体的には銀、銀−パラジウムなどを使用することができる。上記金属焼結体に使用される金属粒子は、球状、リン片状、もしくは球状とリン片状の混合物を使用することができる。
【0040】金属焼結体中には、金属酸化物を添加してもよい。上記金属酸化物を使用するのは、窒化物セラミックまたは炭化物セラミックと金属粒子を密着させるためである。上記金属酸化物により、窒化物セラミックまたは炭化物セラミックと金属粒子との密着性が改善される理由は明確ではないが、金属粒子表面および窒化物セラミックまたは炭化物セラミックの表面はわずかに酸化膜が形成されており、この酸化膜同士が金属酸化物を介して焼結して一体化し、金属粒子と窒化物セラミックまたは炭化物セラミックが密着するのではないかと考えられる。
【0041】上記金属酸化物としては、例えば、酸化鉛、酸化亜鉛、シリカ、酸化ホウ素(B23 )、アルミナ、イットリア、チタニアから選ばれる少なくとも1種が好ましい。これらの酸化物は、発熱体の抵抗値を大きくすることなく、金属粒子と窒化物セラミックまたは炭化物セラミックとの密着性を改善できるからである。
【0042】上記金属酸化物は、金属粒子に対して0.1重量%以上10重量%未満であることが望ましい。抵抗値が大きくなりすぎず、金属粒子と窒化物セラミックまたは炭化物セラミックとの密着性を改善することができるからである。
【0043】また、酸化鉛、酸化亜鉛、シリカ、酸化ホウ素(B23 )、アルミナ、イットリア、チタニアの割合は、金属酸化物の全量を100重量部とした場合に、酸化鉛が1〜10重量部、シリカが1〜30重量部、酸化ホウ素が5〜50重量部、酸化亜鉛が20〜70重量部、アルミナが1〜10重量部、イットリアが1〜50重量部、チタニアが1〜50重量部が好ましい。但し、これらの合計が100重量部を超えない範囲で調整されることが望ましい。これらの範囲が特に窒化物セラミックとの密着性を改善できる範囲だからである。
【0044】発熱体をセラミック基板の表面に設ける場合は、発熱体の表面は、金属層410で被覆されていることが望ましい。発熱体は、金属粒子の焼結体であり、露出していると酸化しやすく、この酸化により抵抗値が変化してしまう。そこで、表面を金属層で被覆することにより、酸化を防止することができるのである。
【0045】金属層の厚さは、0.1〜10μmが望ましい。発熱体の抵抗値を変化させることなく、発熱体の酸化を防止することができる範囲だからである。被覆に使用される金属は、非酸化性の金属であればよい。具体的には、金、銀、パラジウム、白金、ニッケルから選ばれる少なくとも1種以上が好ましい。なかでもニッケルがさらに好ましい。発熱体には電源と接続するための端子が必要であり、この端子は、半田を介して発熱体に取り付けるが、ニッケルは半田の熱拡散を防止するからである。接続端子しては、コバール製の端子ピンを使用することができる。なお、発熱体をヒータ板内部に形成する場合は、発熱体表面が酸化されることがないため、被覆は不要である。発熱体をヒータ板内部に形成する場合、発熱体の表面の一部が露出していてもよい。
【0046】発熱体として使用する金属箔としては、ニッケル箔、ステンレス箔をエッチング等でパターン形成して発熱体としたものが望ましい。パターン化した金属箔は、樹脂フィルム等ではり合わせてもよい。金属線としては、例えば、タングステン線、モリブデン線等が挙げられる。
【0047】本発明では、セラミック基板の内部にガード電極5やグランド電極6が形成されていることが望ましい。ガード電極5は、測定回路内に介在するストレイキャパシタをキャンセルするための電極であり、測定回路(即ち図1のチャックトップ導体層2)の接地電位が与えられている。また、グランド電極6は、温度制御手段からのノイズをキャンセルするために設けられている。
【0048】また、これらの導体層は、図3に示したように格子状に設けられていることが望ましい。導体層上下のセラミック同士の密着性を改善でき、熱衝撃が加えられた場合でもクラックが発生したり、ガード電極5、グランド電極6とセラミックの界面で剥離が生じないからである。
【0049】さらに、チャックトップ導体層2とガード電極5との間にコンデンサが構成されるが、ガード電極5を格子状とすると無用な静電容量を小さくすることができる。格子の導体非形成部分は、図3に示したような方形であってもよく、円、楕円であってもよい。また、導体非形成部分が方形の場合には、その角にアールが設けられていてもよい。
【0050】ガード電極5およびグランド電極6の厚さは、1〜20μmが望ましい。これらの電極の厚さが1μm未満では抵抗が高くなり、一方、20μmを超えると耐熱衝撃性が低下するからである。
【0051】本発明のウエハプローバのチャックトップ導体層形成面には図2に示したように溝7と空気の吸引孔8が形成されていることが望ましい。吸引孔8は、複数設けられて均一な吸着が図られる。シリコンウエハWを載置して吸引孔8から空気を吸引してシリコンウエハWを吸着させることができるからである。
【0052】本発明におけるウエハプローバとしては、例えば、図1に示すようにセラミック基板3の底面に導体層41が設けられ、導体層41とチャックトップ導体層2との間にガード電極5の層とグランド電極6と発熱体42とがそれぞれ設けられた構成のウエハプローバ101、図4に示すようにセラミック基板3の底面に導体層41が形成されるとともに、その内部に発熱体である金属線43が埋設され、金属線43とチャックトップ導体層2との間にガード電極5とグランド電極6とが設けられた構成のウエハプローバ301等が挙げられる。いずれのウエハプローバも、溝7と吸引孔8とを必ず有している。
【0053】本発明では、セラミック基板3の内部に発熱体42、43が形成され(図1、図4)、セラミック基板3の内部にガード電極5、グランド電極6(図1〜4)が形成されるため、これらと外部端子とを接続するための接続部(スルーホール)16、17、18が必要となる。スルーホール16、17、18は、タングステンペースト、モリブデンペーストなどの高融点金属、タングステンカーバイド、モリブデンカーバイドなどの導電性セラミックを充填することにより形成される。
【0054】また、接続部(スルーホール)16、17、18の直径は、0.1〜10mmが望ましい。断線を防止しつつ、クラックや歪みを防止できるからである。このスルーホールを接続パッドとして外部端子ピンを接続する(図7(f)参照)。
【0055】接続は、半田、ろう材により行う。ろう材としては銀ろう、パラジウムろう、アルミニウムろう、金ろうを使用する。金ろうとしては、Au−Ni合金が望ましい。Au−Ni合金は、タングステンとの密着性に優れるからである。
【0056】Au/Niの比率は、〔81.5〜82.5(重量%)〕/〔18.5〜17.5(重量%)〕が望ましい。Au−Ni層の厚さは、0.1〜50μmが望ましい。接続を確保するに充分な範囲だからである。また、10-6〜10-5Paの高真空で500℃〜1000℃の高温で使用するとAu−Cu合金では劣化するが、Au−Ni合金ではこのような劣化がなく有利である。また、Au−Ni合金中の不純物元素量は全量を100重量部とした場合に1重量部未満であることが望ましい。
【0057】本発明では、必要に応じてセラミック基板に熱電対を埋め込んでおくことができる。熱電対により発熱体の温度を測定し、そのデータをもとに電圧、電流量を変えて、温度を制御することができるからである。熱電対の金属線の接合部位の大きさは、各金属線の素線径と同一か、もしくは、それよりも大きく、かつ、0.5mm以下がよい。このような構成によって、接合部分の熱容量が小さくなり、温度が正確に、また、迅速に電流値に変換されるのである。このため、温度制御性が向上してウエハの加熱面の温度分布が小さくなるのである。上記熱電対としては、例えば、JIS−C−1602(1980)に挙げられるように、K型、R型、B型、S型、E型、J型、T型熱電対が挙げられる。
【0058】K型は、Ni/Cr合金とNi合金の組合せ、R型はPt−13%Rh合金とPtの組合せ、B型は、Pt−30%Rh合金とPt−65%Rh合金の組合せ、S型は、Pt−10%Rh合金とPtの組合せ、E型は、Ni/Cr合金とCu/Ni合金の組合せ、J型はFeとCu/Ni合金の組合せ、T型は、CuとCu/ni合金の組合せである。
【0059】図5は、以上のような構成の本発明のウエハプローバを設置するための支持台11を模式的に示した断面図である。この支持台11には、冷媒吹き出し口12が形成されており、冷媒注入口14から冷媒が吹き込まれる。また、吸引口13から空気を吸引して吸引孔8を介してウエハプローバ上に載置されたシリコンウエハ(図示せず)を溝7に吸い付けるのである。
【0060】次に、本発明のウエハプローバの製造方法の一例を図6〜7に示した断面図に基づき説明する。
(1)まず、酸化物セラミック、窒化物セラミック、炭化物セラミックなどのセラミックの粉体をバインダおよび溶剤と混合してグリーンシート30を得る。前述したセラミック粉体としては、例えば、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などを使用することができ、必要に応じて、イットリアなどの焼結助剤などを加えてもよい。
【0061】また、バインダとしては、アクリル系バインダ、エチルセルロース、ブチルセロソルブ、ポリビニルアルコールから選ばれる少なくとも1種が望ましい。さらに、溶媒としては、α−テルピネオール、グリコールから選ばれる少なくとも1種が望ましい。これらを混合して得られるペーストをドクターブレード法でシート状に成形してグリーンシート30を作製する。
【0062】グリーンシート30に、必要に応じてシリコンウエハの支持ピンを挿入する貫通孔や熱電対を埋め込む凹部を設けておくことができる。貫通孔や凹部は、パンチングなどで形成することができる。グリーンシート30の厚さは、0.1〜5mm程度が好ましい。
【0063】次に、グリーンシート30にガード電極、グランド電極、発熱体を印刷する。印刷は、グリーンシート30の収縮率を考慮して所望のアスペクト比が得られるように行い、これによりガード電極印刷体50、グランド電極印刷体60、発熱体用印刷体70を得る。印刷体は、導電性セラミック、金属粒子などを含む導体ペーストを印刷することにより形成する。
【0064】これらの導体ペースト中に含まれる導電性セラミック粒子としては、タングステンまたはモリブデンの炭化物が最適である。酸化しにくく熱伝導率が低下しにくいからである。また、金属粒子としては、例えば、タングステン、モリブデン、白金、ニッケルなどを使用することができる。
【0065】導電性セラミック粒子、金属粒子の平均粒子径は0.1〜5μmが好ましい。これらの粒子は、大きすぎても小さすぎてもペーストを印刷しにくいからである。このようなペーストとしては、金属粒子または導電性セラミック粒子85〜97重量部、アクリル系、エチルセルロース、ブチルセロソルブおよびポリビニルアルコールから選ばれる少なくとも1種のバインダ1.5〜10重量部、α−テルピネオール、グリコール、エチルアルコールおよびブタノールから選ばれる少なくとも1種の溶媒を1.5〜10重量部混合して調製したぺーストが最適である。さらに、パンチング等で形成した孔に、導体ペーストを充填してスルーホール印刷体160、170、180を得る。
【0066】次に、図6(a)に示すように、印刷体50、60、70、160、170、180を有するグリーンシート30と、印刷体を有さないグリーンシート30を積層する。発熱体形成側に印刷体を有さないグリーンシート30を積層するのは、スルーホールの端面が露出して、発熱体形成の焼成の際に酸化してしまうことを防止するためである。もしスルーホールの端面が露出したまま、発熱体の焼成を行うのであれば、ニッケルなどの酸化しにくい金属をスパッタリングする必要があり、さらに好ましくは、Au−Niの金ろうで被覆してもよい。
【0067】(2)次に、図6(b)に示すように、積層体の加熱および加圧を行い、グリーンシートおよび導体ペーストを焼結させる。加熱温度は、1000〜2000℃、加圧は10〜20MPa(100〜200kg/cm2 )が好ましく、これらの加熱および加圧は、不活性ガス雰囲気下で行う。不活性ガスとしては、アルゴン、窒素などを使用することができる。この工程でスルーホール16、17、ガード電極5、グランド電極6、発熱体42が形成される。
【0068】(3)次に、図6(c)に示すように、焼結体の表面に溝7を設ける。溝7は、ドリル、サンドブラスト等により形成する。
(4)次に、焼結体の底面にスパッタリングにより導体層を形成する。次工程で溝形成面にスパッタリングによりチャックトップ導体層を形成する際、同時に底面に導体層41を形成してもよい。また、導体ペーストを印刷し、これを焼成することにより導体層41を形成してもよい。
【0069】(5)次に、図7(d)に示すように、ウエハ載置面(溝形成面)にチタン、モリブデン、ニッケル等をスパッタリングした後、無電解ニッケルめっき等を施しチャックトップ導体層2を設ける。
【0070】(6)次に、図7(e)に示すように、溝7から裏面にかけて貫通する吸引孔8、外部端子接続のための袋孔180を設ける。袋孔180の内壁は、その少なくとも一部が導電化され、その導電化された内壁は、ガード電極5、グランド電極6などと接続されていることが望ましい。
(7)最後に、図7(f)に示すように、発熱体41に接続しているスルーホールの露出部分に半田ペーストを印刷した後、外部端子ピン191を載せ、加熱してリフローする。加熱温度は、200〜500℃が好適である。
【0071】また、袋孔180にも金ろうを介して外部端子19、190を設ける。さらに、必要に応じて、有底孔を設け、その内部に熱電対を埋め込むことができる。半田は銀−鉛、鉛−スズ、ビスマス−スズなどの合金を使用することができる。なお、半田層の厚さは、0.1〜50μmが望ましい。半田による接続を確保するに充分な範囲だからである。
【0072】なお、上記説明ではウエハプローバ101(図1参照)を例にしたが、ウエハプローバ301(図4参照)を製造する場合は、セラミック粉体にガード電極、グランド電極として金属板を、また金属線を発熱体にして埋め込み、焼結すればよい。
【0073】
【実施例】以下、本発明をさらに詳細に説明する。
(実施例1)ウエハプローバ101(図1参照)の製造(1)窒化アルミニウム粉末(トクヤマ社製、平均粒径1.1μm)100重量部、イットリア(平均粒径0.4μm)4重量部、アクリルバイダー11.5重量部、分散剤0.5重量部および1−ブタノールとエタノールとからなるアルコール53重量部を混合した組成物を、ドクターブレード法により成形し、厚さ0.47mmのグリーンシートを得た。
【0074】(2)このグリーンシートを80℃で5時間乾燥させた後、パンチングにて発熱体と外部端子ピンと接続するためのスルーホール用の貫通孔を設けた。
(3)平均粒子径1μmのタングステンカーバイド粒子100重量部、アクリル系バインダ3.0重量部、α−テルピネオール溶媒3.5重量および分散剤0.3重量部を混合して導体ペーストAとした。
【0075】また、平均粒子径3μmのタングステン粒子100重量部、アクリル系バインダ1.9重量部、α−テルピネオール溶媒3.7重量および分散剤0.2重量部を混合して導体ペーストBとした。
【0076】次に、グリーンシートに、この導体ペーストAを用いたスクリーン印刷で、格子状のガード電極用印刷体50、グランド電極用印刷体60を印刷した。さらに、発熱体用印刷体70を同心円パターンとして印刷した。
【0077】また、端子ピンと接続するためのスルーホール用の貫通孔に導体ペーストBを充填した(図6(a)参照)。さらに、印刷されたグリーンシートおよび印刷がされていないグリーンシートを50枚積層して130℃、8MPa(80kg/cm2 )の圧力で一体化し、積層体を作製した。
【0078】(4)次に、この積層体を窒素ガス中で600℃で5時間脱脂し、1890℃、圧力15MPa(150kg/cm2 )で3時間ホットプレスし、厚さ3mmの窒化アルミニウム板状体を得た。これを直径300mmの円状に切り出してセラミック製の板状体とした(図6(b)参照)。スルーホールの大きさは直径2.0mm、深さ3.0mmであった。また、ガード電極5、グランド電極6の厚さは6μm、ガード電極5の形成位置は、ウエハ載置面から0.7mm、グランド電極6の形成位置は、ウエハ載置面から1.4mm、発熱体の形成位置は、ウエハ載置面から2.8mmであった。
【0079】(5)上記(4)で得た板状体を、ダイアモンド砥石で研磨した後、マスクを載置し、SiC等によるブラスト処理で表面に熱電対のための凹部(図示せず)およびシリコンウエハ吸着用の溝7(幅0.5mm、深さ0.5mm)を設けた(図6(c)参照)。
【0080】(6)次に、溝7が形成された面と底面とにスパッタリングにてチタン、モリブデン、ニッケル層を形成した。スパッタリングのための装置は、日本真空技術株式会社製のSV−4540を使用した。スパッタリングの条件は気圧0.6Pa、温度100℃、電力200Wで、スパッタリングの時間は、30秒から1分の間で、各金属により調整した。なお、スパッタリングの後、300℃で1時間アニーリングした。得られた膜は、蛍光X線分析計の画像からチタンは0.5μm、モリブデンは4μm、ニッケルは1.5μmであった。
【0081】(7)硫酸ニッケル30g/l、ほう酸30g/l、塩化アンモニウム30g/l、ロッシェル塩60g/lを含む水溶液からなる無電解ニッケルめっき浴に(6)で得られたセラミック板3を浸漬して、スパッタリングにより形成された金属層の表面に厚さ7μm、ホウ素の含有量が1重量%以下のニッケル層を両面に析出させ、300℃で1時間アニーリングした(図7(d)参照)。
【0082】さらに、表面にシアン化金カリウム2g/l、塩化アンモニウム75g/l、クエン酸ナトリウム50g/l、次亜リン酸ナトリウム10g/lからなる無電解金めっき液に93℃の条件で1分間浸漬して、ニッケルめっき層上に厚さ1μmの金めっき層を形成した。
【0083】(8)溝7から裏面に抜ける空気吸引孔8をドリル加工により形成し、さらにスルーホール16、17を露出させるための袋孔180を設けた(図7(e)参照)。この袋孔180にNi−Au合金(Au81.5重量%、Ni18.4重量%、不純物0.1重量%)からなる金ろうを用い、970℃で加熱リフローしてコバール製の外部端子ピン19、190を接続させた。外部端子19、190は、W製でもよい。また、スルーホール18が露出した部分に、金ろうを用い、外部端子191を接続させた(図7(f)参照)。
【0084】(9)温度制御のための複数熱電対を凹部に埋め込み、ウエハプローバ101を得た。
(10)このウエハプローバ101を図5の断面形状を持つステンレス製の支持台にセラミックファイバー(イビデン社製:商品名 イビウール)からなる断熱材10を介して組み合わせた。
【0085】(実施例2) ウエハプローバ301(図4参照)の製造(1)厚さ10μmのタングステン箔を打抜き加工することにより格子状の電極を形成した。格子状の電極2枚(ぞれぞれガード電極5、グランド電極6となるもの)およびタングステン線を窒化アルミニウム粉末(トクヤマ社製、平均粒径1.1μm)100重量部、イットリア(平均粒径0.4μm)4重量部とともに、成形型中に入れて窒素ガス中で1890℃、圧力15MPa(150kg/cm2 )で3時間ホットプレスし、厚さ3mmの窒化アルミニウム板状体を得た。これを直径300mmの円状に切り出して板状体とした。
(2)この板状体に対し、実施例2の(5)〜(10)の工程を実施し、ウエハプローバ301を得、実施例1と同様にウエハプローバ301を図5に示した支持台11上に載置した。
【0086】(実施例3)
(1)窒化アルミニウム粉末(トクヤマ社製、平均粒径1.1μm)80重量部、イットリア(平均粒径0.4μm)6重量部、窒化ケイ素20重量部、アクリル系バインダ12重量部およびアルコールからなる組成物のスプレードライを行い、顆粒状の粉末を作製した。
(2)次に、この顆粒状の粉末を金型に入れ、平板状に成形して生成形体(グリーン)を得た。この生成形体にドリル加工を施し、シリコンウエハの支持ピンを挿入する貫通孔となる部分を形成した。
(3)上記加工処理の終わった生成形体を1800℃、圧力20MPa(200kg/cm2 )でホットプレスし、厚さが3mmの窒化アルミニウム−窒化ケイ素板状体を得た。次に、この板状体から直径12インチ(300mm)の円板体を切り出し、セラミック製の板状体(セラミック基板)とした。さらに、表面に溝加工を施した。
【0087】(4)このセラミック基板の表面と裏面とに実施例1と同様にして、金めっき層を持つチャックトップ導体層と主としてNiめっき層(ガード電極として機能)からなる金属層を形成した。
(5)ドリルで貫通孔を設け、二クロム線をシリコンラバーで挟んだラバーヒータとこのセラミック基板とを一体化し、支持台にセラミックファイバーからなる断熱材を介してボルトで固定した。
【0088】(比較例1)導体層を有さないウエハプローバ(直径12インチ、厚み3mm)の製造(1) 窒化アルミニウム粉末(トクヤマ社製 平均粒径:1.1μm)、イットリア(平均粒径:0.4μm)4重量部、アクリルバインダ11.5重量部、分散剤0.5重量部および1−ブタノールとエタノールとからなるアルコール53重量部を混合したペーストを用い、ドクターブレート法により成形を行って、厚さ0.47mmのグリーンシートを得た。
【0089】(2) 次に、このグリーンシートを80℃で5時間乾燥させた。
(3) グリーンシートを50枚、130℃、8MPa(80kg/cm2 )の圧力で積層した。
(4) 次に、得られた積層体を窒素ガス中、600℃で5時間脱脂し、1890℃、圧力15MPa(150kg/cm2 )で3時間ホットプレスし、厚さ3mmの窒化アルミニウム板状体を得た。これを300mmの円板状に切り出した。
(5) この後、実施例2の(5)〜(10)と同様にして、溝、吸引孔およびチャックトップ導体層等を形成したが、底面には導体層41を形成しなかった。
【0090】評価方法支持台上に載置された上記実施例1〜3および比較例1で製造したウエハプローバについて、150℃における反り量を測定した。反り量の測定には、京セラ社製 形状測定器、商品名「ナノウェイ」を使用した。
【0091】また、1.5MPa(15kg/cm2 )の圧力でプローブカードを押圧した場合にシリコンウエハに破損が発生するか否かについて調べた。その結果を下記の表1に示した。
【0092】
【表1】

【0093】上記表1より明らかなように、導体層41を備えたウエハプローバ(実施例1〜3)では、厚さが3mmと薄くても反りが発生せず、シリコンウエハの破損も発生していないのに対し、導体層を備えていないウエハプローバ(比較例1)では、反りが発生し、シリコンウエハにも破損が発生した。
【0094】
【発明の効果】以上説明のように、本願発明のウエハプローバおよびウエハプローバに使用されるセラミック基板は、セラミック基板の両面に、チャックトップ導体層と反り防止用の導体層とが形成されているので、このウエハプローバ等が高温にさらされた場合にも、反りが発生せず、チャックトップ導体層上にシリコンウエハを載置して導通試験を行っても、シリコンウエハが破損することはない。さらに、導体層を設けることにより、セラミック基板の厚さを薄くすることができ、昇温、降温特性に優れたウエハプローバ等とすることができる。




 

 


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