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発明の名称 ウエハプローバ
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2001−168154(P2001−168154A)
公開日 平成13年6月22日(2001.6.22)
出願番号 特願平11−347041
出願日 平成11年12月7日(1999.12.7)
代理人 【識別番号】100095669
【弁理士】
【氏名又は名称】上野 登
【テーマコード(参考)】
4M106
【Fターム(参考)】
4M106 AA01 AA02 BA01 BA14 DJ02 
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】 最大気孔径50μm以下のセラミック材料からなる検査用ステージの表面にチャックトップ導体層を形成したことを特徴とするウエハプローバ。
【請求項2】 前記検査用ステージは、窒化物セラミック、炭化物セラミック及び酸化物セラミックに属するセラミック材料から選ばれる少なくとも一種のセラミック材料により形成されていることを特徴とする請求項1に記載のウエハプローバ。
【請求項3】 前記セラミック材料の気孔率は、5%以下であ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。
【請求項4】 前記チャックトップ導体層は、銅、チタン、クロム、ニッケル、金、銀、白金、タングステン及びモリブデンから選ばれる少なくとも一種の金属材料により形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のウエハプローバ。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、集積回路の導通検査用のウエハプローバに関するものであり、更に詳しくは、半導体ウエハが載置されるセラミックス材料からなる検査用ステージに関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般的に、半導体チップは、シリコン単結晶を所定の厚さにスライスして半導体ウエハを作製した後、この半導体ウエハに種々の集積回路等を形成することにより製造される。そして、半導体ウエハの段階で各集積回路が設計通りに動作するか否かがチェックされる。
【0003】従来のウエハプローバとして、例えば、特許第2587289号公報、特公平3-40947号公報、特開平11-31724号公報等に開示されているように、アルミニウム合金やステンレス鋼等の金属製検査用ステージを備えたものが周知である。これら従来のウエハプローバの検査用ステージは、その金属板の厚みが薄いと、テスタピンの押圧により検査用ステージに反りや歪みが発生し、更にこの反りや歪みにより半導体ウエハの破損や変形を招くことから厚め(15mm程度)である。もっとも、検査用ステージの厚さを厚くしても、ウエハプローバ全体の重量が増し、かさばるほか、熱伝導率が高い金属を使用しても昇温降温特性が悪くなり、高温で半導体ウエハを吸引固定すると温度制御ができなくなるという問題が生じる。
【0004】そこで、発明者等は、金属製の検査用ステージに代えてセラミック材料を用いた検査用ステージを備えたウエハプローバを特願平11-201789号で提案している。かかるウエハプローバは、導通検査においては、図7に示したように、半導体ウエハWを検査用ステージ501に載置した状態で、テスタピンを配置したプローブ・カード601をウエハWに接触させて使用される。
【0005】半導体ウエハの良否は、集積回路へ入力されたテストパターン信号に対する応答信号に基づいて判定されるが、この間、被検査半導体ウエハは、検査用ステージに密着固定しておく必要がある。そのために、検査用ステージの軸方向に平面視同心円状に空気吸引孔701を設け、ここから検査用ステージに載置された半導体ウエハを吸引するようにしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来のウェハプローバを、150〜200℃で使用していると、まれに、ガード電極やチャックトップ電極とグランド電極の間でショート(絶縁破壊)したりして正確な測定ができないという問題が発生した。
【0007】本発明者らは鋭意研究した結果、ショートの原因が、セラミック中の気孔であることを見い出し、これを50μm以下に調整すれば、高温でもショートしないことを見い出し、本発明を完成した。
【0008】本発明は、高温下で運転してもショートしない耐電圧特性に優れたウエハプローバを提供することを課題とする。これにより、半導体関連機器の信頼性を高めようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明に係る請求項1に記載のウエハプローバは、最大気孔径50μm以下のセラミック材料からなる検査用ステージの表面にチャックトップ導体層を形成したことを要旨とするものである。
【0010】請求項1に係るウエハプローバは、セラミックスの最大気孔径を50μm以下に調整している。セラミックは高温で、体積抵抗率が低下するため(図8参照)、気孔が存在していると気孔内を電子が飛跳しやすく、絶縁破壊が発生するからである。
【0011】特に、チャックトップ電極とグランド電極の間、ガード電極とグランド電極の間は電圧がかかっており、高温では、絶縁破壊しやすいが、本発明では最大気孔径を50μm以下に調整することにより、150〜200℃で使用しても絶縁破壊を防止できる。また、ウエハプローバは、ウエハを載置したテスタピンをウエハに押し当てて押圧するが、最大気孔径が50μm以上の場合、押圧時に検査用ステージが反ってしまい、ウエハの破損や検査ミスが発生するが、本発明に係るウエハプローバによれば、最大気孔径を50μm以下にすることで反り量も小さくすることができる。
【0012】ここで「最大気孔径」とは、セラミック基板の表面を研磨し、×2000の電子顕微鏡写真で観察して気孔径を測定し、最大気孔径を決め、この測定を10箇所で実施してその平均をとったものである。かかる気孔径は小さいほど望ましく、理想的には0がよい。
【0013】この場合に、請求項2に記載のように、前記検査用ステージは、窒化物セラミック、炭化物セラミック及び酸化物セラミックに属するセラミック材料から選ばれる少なくとも一種のセラミック材料により形成するとよい。セラミック材料を用いたのは、セラミック材料は、剛性が高いため、この表面にチャックトップ導体層を薄めに形成しても、このチャックトップ導体層に反りや歪みが発生しないからである。
【0014】この場合に、請求項3に記載のように、前記セラミック材料の気孔率は、5%以下であることが望ましい。気孔が独立気孔になるからである。連続気孔では、ウエハを吸着するために真空吸引するとセラミック基板の側面から空気を水根でしまい、ウエハを吸引できないからである。
【0015】この場合に、請求項4に記載のように、前記チャックトップ導体層は、銅、チタン、クロム、ニッケル、金、銀、白金、タングステン及びモリブデンから選ばれる少なくとも一種の金属材料により形成することが望ましい。この場合に前記チャックトップ導体層は、リン及び/又はホウ素を含有させるとよい。リンを含有させると検査用ステージの耐久特性を向上させることができ、ホウ素を含有させると検査用ステージの昇温降温特性を向上させることができるからである。
【0016】また、本発明では、セラミックの気孔率を5%以下にすることが望ましい。気孔が独立気孔になるからである。連続気孔では、ウエハを吸着するために真空吸引するとセラミック基板の側面から空気を吸い込んでしまい、ウエハを吸引できないからである。
【0017】
【発明の実施の形態】以下に本発明の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明に係る一実施形態であるウエハプローバの概略構成を示した断面図であり、図2は、図1に示したウエハプローバのA−A線断面図であり、図3は、その底面図であり、図4は、その平面図である。
【0018】これらの図において、ウエハプローバ10は、半導体ウエハ上に形成された集積回路の導通検査に用いられる。ウエハプローバ10は、窒化アルミニウムを主材料とする気孔率5%以下のセラミック材料により作製された厚さ1〜10mm程度の検査用ステージ12を備える。検査用ステージ12は、半導体ウエハを150〜200℃に加熱するヒータとしても機能する。当該ステージ12の内部には、ウエハ載置面側から順にガード電極14及びグランド電極16が形成される。
【0019】ガード電極14及びグランド電極16は、タングステン、モリブデン、白金、ニッケル、タングステンの炭化物、モリブデンの炭化物から選ばれる少なくとも一種の金属粒子及び/又は導電性セラミック粒子を混合した導電性ペーストAを印刷・焼結して形成されたものであり、ストレイキャパシタやノイズを除去するためものものである。これらの材料を用いたのは、耐酸化性があり熱伝導率の低下の防止が図れるからである。これらの電極は、平面視格子状に形成される(図2参照)。
【0020】発熱体18は、検査用ステージ12全体を加熱するほか、検査用ステージ12内を伝導する熱を利用して半導体ウエハの全体を加熱するものである。発熱体18は、断面長方形状の幅1〜5.0mm、厚さ1〜10μmの金属粒子及び/又は導電性セラミック粒子からなる導電性ペーストBを検査用ステージ12の裏側に平面視同心円形状に印刷して焼結することにより形成される(図3参照)。導電性ペーストBに含有させる金属粒子としては、金、銀、パラジウム、白金、鉛、銀−パラジウム及びニッケルから選ばれる金属粒子が望ましく、その形状は、球状、鱗片状、球状と鱗片状との混合であればよい。導電性セラミック粒子としては、タングステン、モリブデンの炭化物から選ばれる導電性セラミック粒子が望ましい。金属焼結体には、金属酸化物(酸化鉛、酸化亜鉛、シリカ、酸化ホウ素、アルミナ、イットリ、チタニア等)を金属粒子に対して0.1重量%以上10重量%未満の割合で含有させるとよい。
【0021】スルーホール20,22は、直径0.1〜10mmの円柱形をしており、各々、電極14,16と外部端子24,26との電気的接続を確保するためのものである。スルーホール20,22は、導電性ペーストA’を充填して焼結して形成されるが、導電性ペーストA’は、導電性ペーストAに配合した金属粒子やセラミック粒子からなるものであればよく、その配合割合は、導電性ペーストAと同じでなくてもよい。
【0022】チャックトップ導体層28は、主としてニッケルからなるものであり、検査用ステージ12と同心円形状にその加熱面側表面に、1〜10μm程度の厚さで形成され、その表面には、更に貴金属層(金、銀、白金、パラジウム)が0.01〜15μmの厚さで設けられる。チャックトップ導体層28には、その表面全体にセラミックステージ12を貫通する吸引孔30が形成される(図4参照)。この吸引孔30は、ドリル加工などにより形成される。半導体ウエハは、この吸引孔30を介して真空吸着吸引されることになる。ニッケル被覆には、リン及び/又はホウ素を各々0.01重量%〜1重量%、0.01重量%〜5重量%の組成で含有させてもよい。
【0023】有底孔32は、半導体ウエハの加熱面の反対側から加熱面に向けて設けられ、検査用ステージ12の温度を測定する測温素子34(熱電対、白金測温抵抗体、サーミスタ等)が挿入される。熱電対としては、例えば、JIS−C-1602(1980)に挙げられたK型、R型、B型、S型、E型、J型、T型が使用できる。測温素子34により測定された検査用ステージ12の温度に基づいて、制御部36は、装置各部に制御信号を送出して検査用ステージ12の加熱制御や温度制御を行う。
【0024】次に、本発明の一実施形態に係るウエハプローバの製造方法の一例を図5及び図6を参照して説明する。
(1) 窒化アルミニウムの粉体をバインダ及び溶剤と混合してペーストを得る。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、ブチルセルソルブ、ポリビニラールから選ばれる少なくとも一種、溶媒としては、α−テルピオーネ、グリコールから選ばれる少なくとも一種が使用できる。この際に、必要に応じてイットリア等の焼結助剤を加える。これらを混合した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50を作製する(図5(a)参照)。
【0025】次に、スルーホール20,22となる部位にパンチングにて孔を空ける。
【0026】次に、グリーンシート50に電極14,16を形成させるため導電性ペーストAを印刷する。また、スルーホールとなる部位の孔に導電性ペーストA’を充填する。導電性ペーストA,A’としては、その平均粒子径が0.1〜5μmである金属粒子(タングステン、モリブデン等)又は導電性セラミック粒子(タングステン炭化物又はモリブデン炭化物)85〜97重量部、アクリル系、エチルセルロース、ブチルセロソルブ及びポリビニラールから選ばれる少なくとも一種のバインダ1.5〜10重量部、α−テルピオーネ、グリコール、エチルアルコール及びブタノールから選ばれる少なくとも一種の溶媒を1.5〜10重量部混合して調整したものを用いることができる。
【0027】次に、図5(a)に示したように、グリーンシート50,52を所定の順で積層する。グリーンシート52に孔を空けていないのは、焼成時の酸化防止のためである。
【0028】(2) 次に、図5(b)に示したように、積層体の加熱及び加圧を行い、グリーンシート50,52及び導電性ペーストA,A’を焼結させる。加熱温度は、1000〜2000℃、加圧力は、100〜200kg/cmである。加熱及び加圧は、アルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気下で行う。この工程で電極14,16、スルーホール20,22が形成される。
【0029】(3) 次に、図5(c)に示したように、焼結体の表面に溝31、及び焼結体の裏面から半導体ウエハ載置面へ向けて有底孔32をドリル、サンドブラスト等により形成する。
【0030】(4) 次に、図5(d)に示したように、焼結体の底面に導電性ペーストBを印刷してこれを焼成し、発熱体18を作製する。導電性ペーストBは、金属酸化物を含有させた銀−鉛ペーストが好適である。
(5) 次に、図6(e)に示したように、半導体ウエハ載置面(溝形成面)に、リン及び/又はホウ素を各々0.01〜1重量%、0.01〜5重量%含有させたチタン、モリブデン、ニッケル等をスパッタリングした後、リン及び/又はホウ素を各々0.01〜1重量%、0.01〜5重量%含有させた無電解ニッケルめっき等を施す。これにより、チャックトップ導体層28を形成する。
【0031】(6) 次に、図6(f)に示したように、スルーホール20,22の下部分に、これと同じ形状で袋孔40,42を空けスルーホール20,22の端面を露出させる。また、溝31のところから検査用ステージ12を貫通する吸引孔30をドリルなどにより形成する。
(7) 最後に、図6(g)に示したように、袋孔40,42に更にNi-Au合金からなる金ろうを充填して700℃で加熱リフローしてコバール製の外部端子24,26を接続する。また、発熱体18の表面に半田ペースト(銀−鉛、鉛−スズ、ビスマス−スズ等の半田ペースト)を印刷して200〜500℃で加熱リフローしてコバール製の外部端子を接続する。有底孔32には、測温素子34として熱電対を埋め込み固定する。
【0032】以下、本発明を更に詳細に説明する。
(実施例1)ウエハプローバの製造(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、アクリルバインダ11.5重量部、分散剤0.5重量部、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用いて、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。
【0033】このグリーンシートを80℃で5時間乾燥させた後、パンチングにて電極と外部端子とを電気的に接続するスルーホール用の貫通孔を設けた。
【0034】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−テルピオーネ溶媒3.5重量部及び分散剤0.3重量部を混合して導電性ペーストAとした。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−テルピオーネ溶媒3.7重量部及び分散剤0.2重量部を混合して導電性ペーストA’とした。
【0035】次に、グリーンシートの電極形成部分に導電性ペーストAをスクリーン印刷により格子状に印刷した。また、スルーホールを形成する孔に導電性ペーストA’を充填した。このようにして作製された種々のグリーンシートを所定の順番で50枚積層して130℃、80kg/cmの圧力で一体化することにより積層体を作製した(図5(a)参照)。
【0036】(2) 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150kg/cmで3時間ホットプレスし、厚さ4mmの窒化アルミニウム板状体を得た。得られた板状体を、直径230mmの円形状に切り出してセラミック製の板状体とした(図5(b)参照)。スルーホールの大きさは、直径3.0mm、深さ3.0mm程度であった。また、ガード電極及びグランド電極の厚さは10μm、ガード電極の形成位置は半導体ウエハ載置面から1.2mm、グランド電極の形成位置は半導体ウエハ載置面から3.0mmのところであった。
【0037】(3) 次に、上記(2)で得た窒化アルミニウム板状体をダイアモンド砥石で研磨した後、マスクを載置し炭化ケイ素によるブラスト処理で溝及び熱電対用の有底孔を設けた(図5(c)参照)。
【0038】(4-1) 次に、半導体ウエハ載置面に対向する面に発熱体を印刷した(図5(d)参照)。印刷には、プリント配線板のスルーホール形成に使用されている徳力化学研究所製のソルベストPS603dを導電性ペーストBとして使用した。この導電性ペーストBは、銀−鉛ペーストであり、酸化鉛、酸化亜鉛、シリカ、酸化ホウ素、アルミナからなる金属酸化物(それぞれの重量比率は、5/55/10/25/5)を銀100重量部に対して7.5重量部含むものであった。銀の形状は、平均粒径で4.5μmで鱗片状のものであった。
【0039】(4-2) 上記(4-1)で得られた検査用ステージを780℃で加熱焼成して、導電性ペーストB中の銀、鉛を焼結させるとともに検査用ステージに焼き付けた。更に、硫酸ニッケル30g/l、硼酸30g/l、塩化アンモニウム30g/l及びロッシェル塩60g/lを含む水溶液からなる無電解ニッケルめっき浴に検査用ステージを浸漬して、銀の焼結体の表面に厚さ1μm、ホウ素の含有量が1重量%以下のニッケル層を析出させた。この後、検査用ステージは120℃で3時間アニーリング処理を施した。銀の焼結体からなる発熱体は、厚さが5μm、幅2.4mmであり、面積抵抗率が7.7mΩ/□であった(図5(d)参照)。
【0040】(5-1) 半導体ウエハ載置面に、スパッタリング法により、順次、チタン層、モリブデン層、ニッケル層を形成した。使用した装置は、日本真空技術株式会社製のSV-4540である。スパッタリングの条件は、気圧0.6PA、温度100℃、電力200Wであり、スパッタリング時間は、30秒から1分の範囲内で各金属によって調整した。得られた膜厚は、蛍光X線分析計の画像からチタン層が0.3μm、モリブデン層が2μm、ニッケル層が1μmであった(図6(e)参照)。
【0041】(5-2) 硫酸ニッケル30g/l、ほう酸30g/l、塩化アンモニウム30g/l、及びロッシェル塩60g/lを含む水溶液からなる無電解ニッケルめっき浴、及び硫酸ニッケル250〜350g/l、塩化ニッケル40〜70g/l、ホウ酸30〜50g/lを含み、硫酸でPh2.4〜4.5に調整した電解ニッケルめっき浴を用いて、上記(5-1)で得られたセラミック板を浸漬し、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析出させ、120℃で3時間アニーリングした(図6(e)参照)。
【0042】(5-3) 更に、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及び次亜リン酸ナトリウム10g/lを含む無電解金めっき液に、93℃の条件で1分間浸漬し、上記(5-2)で得られたニッケルめっき層上に厚さ1μmの金めっき層を形成した(図6(e)参照)。
【0043】(6) 次に、ドリル加工により溝を形成部分からセラミック基板を貫通する真空吸引用の吸引孔を設けた。また、袋孔を空けてスルーホール端面を露出させた(図6(f)参照)。
(7) この袋孔に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を接合した(図6(g)参照)。また、発熱体に半田ペースト(スズ9/鉛1)を用い、200〜500℃で加熱リフローしてコバール製の外部端子を接合した。更に、複数熱電対を有底孔に埋め込み、ろう材等で固定し、熱電対や外部端子を制御部に接続した。このようにしてウエハプローバを製造した。
【0044】(評価方法)上述のようにして作製したウエハプローバを用いてその耐電圧を測定した。その測定は、150〜200℃の温度環境下で、0.1〜0.2kVの電圧を印加することにより行った。また、半導体ウエハの反り量を京セラ製形状測定機「ナノウェイ」を使用して測定した。要求特性としては、電極間が100μm程度の場合でも、ショートすることのないこと、及び、ヒータが事故などで熱暴走して過剰の温度上昇があった場合でも絶縁破壊することのないことが挙げられる。
【0045】
【表1】

【0046】この表1によれば、実施例に示したように、最大気孔径が0.1μmの場合に耐電圧が25kv/mm、最大気孔径が50μmの場合に耐電圧が20kv/mmとなるが、比較例に示したように、最大気孔径が60μmの場合には耐電圧が10kv/mmとなり、最大気孔径を50μmにした本発明品の耐電圧よりも大幅に低下している。従って、良好な耐電圧特性を維持するには、最大気孔径を50μm以下にすればよいことがわかる。また、本発明によれば、反り量も5μm以下にすることができる。
【0047】以上本発明の一実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、検査用ステージの材料は、窒化アルミニウムに限定されるものではなく、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタンその他の窒化物セラミック、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タンステンその他の炭化物セラミック及びアルミナ、ジルコニア、コージェライト、ムライトその他の酸化物セラミックであってもよい。こららは、単独でも二種以上を併用してもよい。
【0048】また、発熱体の形成位置は、検査用ステージの外側に限定されるものではなく、内部に形成してもよい。この場合には、発熱体としては、金属粒子又は導電性セラミック粒子の焼結体のほか、金属箔、金属線等も好適である。金属粒子としては、タングステン、モリブデンから選ばれる金属粒子が望ましく、導電性セラミック粒子としては、タングステン、モリブデンの炭化物から選ばれる導電性セラミック粒子が望ましい。この場合にも、上述の金属酸化物を含有させるとよい。金属箔や金属線としては、タングステンやモリブデンによるものが好適である。
【0049】尚、発熱体を検査用ステージの内部に形成する場合の製造にあたっては、グリーンシートの段階で、発熱体を形成する導電性ペーストをグリーンシートに印刷し、焼結するとともに、発熱体と外部端子とを電気的に接続するためのスルーホール及び袋孔を上述した電極について設けたものと同様にして形成すればよい。
【0050】また、チャックトップ導体層の材料は、ニッケルに限定されるものではなく、銅、チタン、クロム、金、銀、白金、タングステン及びモリブデンその他の金属材料であってもよい。これらは、単独でも二種以上を併用してもよい。更に、チャックトップ導体層の構成は、例えば、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、更にその上にニッケルをリン及び/又はホウ素を含有する無電解めっき若しくは電解めっきで析出させたものでもよい。尚、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。
【0051】
【発明の効果】本発明に係るウエハプローバによれば、窒化アルミニウム材料からなる検査用ステージに最大気孔径50μm以下の気孔をその気孔率が5%以下となるように設けたものであるから、優れた耐電圧特性を得ることができる。従って、本発明に係るウエハプローバは、高温環境下でも連続運転が可能である。




 

 


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