JP2011138865A

JP2011138865A - 半導体デバイスの検査装置

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Publication number: JP2011138865A
Application number: JP2009296858A
Authority: JP
Inventors: Katsuo Yasuda; 勝男安田; Hikari Masuda; 光増田
Original assignee: Micronics Japan Co Ltd
Current assignee: Micronics Japan Co Ltd
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: JP5432700B2

Abstract

【課題】基板の両面に電極を備えた半導体デバイス（例えばパワー半導体デバイス）をウエハ状態のままで検査する場合に、基板の裏面の電極とテスタとの間の電気経路を短くすることで、精度良く検査する。
【解決手段】チャックトップ４９の支持面５６に対面するようにチャックリード板５４を設ける。チャックトップ４９の周辺部にはポゴピン６０を固定する。ポゴピン６０はチャックリード板５４に接触する。プローブ２０はウエハ１８の表面の電極に接触する。プローブ２０はケーブル４７を経由してテスタ２２につながっている。ウエハ１８の裏面の電極はチャックトップ４９の支持面５６に接触する。支持面５６はチャックトップ４９とポゴピン６０とチャックリード板５４とケーブル５５を経由してテスタ２２につながっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板の両面に電極を備えた半導体デバイスの検査装置に関するものである。

基板の両面に電極を備えた半導体デバイスの代表例としてパワー半導体デバイスが知られている。パワー半導体デバイスの一例として、ＩＧＢＴと略称される絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（insulated gate bipolar transistor）について説明する。図６（Ａ）はＩＧＢＴの断面構造図である。基板の一方の面にゲート端子１０とエミッタ端子１２が存在していて、他方の面にコレクタ端子１４が存在している。コレクタ端子１４は基板の裏面そのものである。図６（Ｂ）はＩＧＢＴの図記号である。

このＩＧＢＴの電気特性を検査するには、基板の両面に検査用接触子を接触させる必要がある。図７はＩＧＢＴを検査する従来の検査装置の側面図であり、一部は断面で示している。この検査装置は、ウエハ上に形成されたＩＧＢＴをウエハ状態のままで検査するものである。図７において、チャックトップ１６の上にウエハ１８が載っている。ウエハ１８の表面のゲート端子とエミッタ端子にプローブ２０を接触させる。プローブ２０はテスタ２２と電気的につながっている。ウエハ１８の裏面のコレクタ端子はチャックトップ１６と電気的に接触している。チャックトップ１６はケーブル２４を介してテスタ２２と電気的につながっている。チャックトップ１６は絶縁体２６を介して可動ステージ２８の上に載っている。可動ステージ２８はＸＹＺ方向に移動可能であり、かつ、鉛直軸の周りに回転可能である。可動ステージ２８が動くので、可動ステージ２８に接続されたケーブル２４はケーブルベア３０の中を引き回されてからテスタ２２につながっている。図７に示すタイプの従来の検査装置は、例えば、特開平５−３３３０９８号公報（特許文献１）に示されている。

図７の検査装置において、ケーブル２４の長さは例えば約２ｍを必要とする。ケーブル２４が長くなると、その抵抗やインダクタンスが大きくなり、ケーブル２４を流れる電流に対して負荷が大きくなる。そのために、検査精度が低下するおそれがある。また、ＩＧＢＴの動特性を検査するときに、ＩＧＢＴに高周波信号を印加することがあるが、ケーブル２４の長さゆえにＩＧＢＴの出力波形がなまってしまう。この点を以下に説明する。図８（Ａ）は高周波の入力パルス信号（ＩＧＢＴのゲート端子に印加するもの）の波形３２を示す。図８（Ｂ）はＩＧＢＴの出力信号（ＩＧＢＴのエミッタ端子とコレクタ端子の間に流れる電流）の波形である。ＩＧＢＴの本来の出力波形３４（信号の立上りと立下りに多少の時間を要する。）に対して、現実の出力波形３６は、ＩＧＢＴとテスタとの間の電気経路等の影響で、本来の波形３４よりもなまっている。ケーブル２４が上述のように長くなると、波形のなまりが大きくなり、動特性の検査精度が著しく低下する。

従来の別の例として図９に示す検査装置も知られている。図９は従来の別の検査装置の側面図であり、一部は断面で示している。この検査装置では、ウエハ１８をチャックトップの上に載せずに、ウエハ１８を周辺部でクランプして支持している。こうすることで、ウエハ１８の表面と裏面の両方にプローブ２０ａ，２０ｂを接触させることを可能にしている。上下のプローブ２０ａ，２０ｂとテスタ２２との間はケーブル２４ａ，２４ｂで接続する。ウエハ１８はＸＹ方向に（すなわち、水平面内で）移動でき、これによって、プローブ２０ａ，２０ｂとウエハ１８との相対位置関係を変えることができる。ウエハ１８を移動させるときは、プローブ２０ａ，２０ｂを上下方向に退避させる。このタイプの検査装置では、可動のチャックトップにケーブルをつなぐ構成ではないので、図７の従来例よりもケーブルの長さが短くなる。この図９に示すタイプの従来の検査装置は、例えば、特開２００５−３０３０９８号公報（特許文献２）に示されている。

図９に示す検査装置は、ウエハの周辺部をクランプしてウエハを動かすので、ウエハの可動機構が図７に示す従来装置よりも複雑になり、コストが高くなる。また、ウエハの温度制御が困難なので、ウエハを高温または低温にして検査する用途には向いていない。

従来のさらに別の例として図１０に示す検査装置も知られている。図１０は従来のさらに別の検査装置の側面図であり、チャックトップは断面で示している。この検査装置は、ウエハ状態ではなくてチップに分割したあとのＩＧＢＴを検査するものである。このタイプの従来の検査装置は、例えば、特開２００８−１０１９４４号公報（特許文献３）と特開２００７−４０９２６号公報（特許文献４）に示されている。特許文献３によれば、図７の従来例に示すようにチャックトップを経由してテスタに電路を接続すると、電路が複雑になって検査を適正に行えないと説明されていて、その問題点を解決するために、セラミック製のチャックトップの上に、チップを載せるための金属膜を配置する構成としている。この金属膜はＩＧＢＴチップの裏面のコレクタ端子に接触するものであり、この金属膜の表面とテスタとを電気的に接続することで、負荷の小さい電路としている。同様な構造は特許文献４にも開示されていて、図１０は特許文献４に開示された構造を示したものである。図１０において、セラミック製のチャックトップ３８には複数の導電性部４０が設けられている。導電性部４０の上にはＩＧＢＴのチップ４２を載せる。チップ４２の表面のゲート端子とエミッタ端子にはプローブ２０を接触させる。チップ４２の裏面のコレクタ端子は導電性部４０に接触している。チップ４２の外側において導電性部４０の表面にポゴピン４４を接触させる。このような接触構造を用いることで、ＩＧＢＴを高電圧・大電流で測定することができる。ポゴピン４４は１本当たりの電流値をあまり大きくとれないが、ポゴピン４４の数を増やすことで大電流の測定が可能になる。

特開平５−３３３０９８号公報特開２００５−３０３０９８号公報特開２００８−１０１９４４号公報特開２００７−４０９２６号公報

図１０に示す従来装置は、図７に示す従来装置と比較して、ＩＧＢＴのコレクタ端子とテスタとの間の電気経路が短くなり、検査精度が向上すると考えられる。しかしながら、図１０に示す従来装置は、チップに分割したあとの半導体デバイスを検査するものであり、ウエハ状態の半導体デバイスをそのまま検査するのには向いていない。仮に、図１０の方式をウエハ上の半導体デバイスの検査に適用することを考えると、次の問題がある。例えば、ウエハの中央付近に存在する半導体デバイスを検査する場合は、プローブ２０の下方にウエハの中央付近を位置させることになる（チャックトップをそのように動かす）。一方で、ウエハの外側に露出している導電性部にはポゴピンを接触させる必要がある。ゆえに、プローブ２０とポゴピン４４は互いに遠く離れることになる。一般に、ウエハ上の半導体デバイスの電極とプローブとの位置合わせは、ウエハを載せているチャックトップの移動によって行われるが、この移動だけでは、ポゴピンの位置合わせはできない。プローブとポゴピンの位置関係は、半導体デバイスのウエハ上の位置によってその都度変化するからである。したがって、ポゴピンを別途位置合わせするための移動機構を、プローブベース側に新たに設ける必要がある。結局、図１０の方式をウエハ上の半導体デバイスにも適用するには、検査装置を大幅にかつ複雑に変更しなければならず、そのような変更は現実的ではない。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、基板の両面に電極を備えた半導体デバイスを、複数の半導体デバイスを形成した状態の大きな基板のままで（例えば、ウエハのままで）、その電気特性を精度良く検査できる検査装置を提供することにある。本発明の別の目的は、パワー半導体デバイスの動特性の検査を精度良く行うことができる検査装置を提供することにある。

本発明の検査装置は、基板の両面に電極を備えた半導体デバイスの電気特性を検査するものであって、次の構成を備えている。（ア）前記基板の第１面に存在する電極に接触可能なプローブ。（イ）前記基板を支持するチャックトップであって、前記基板の前記第１面とは反対側にある第２面に存在する電極に接触可能な導電性の平坦な支持面を備えるチャックトップ。（ウ）前記チャックトップと前記プローブとの相対位置関係を、前記支持面に平行な面内における２次元方向と前記支持面に垂直な方向とにおいて変化させる駆動機構。（エ）前記支持面から離れていて前記支持面に対して平行に対面する導電性のチャックリード板であって、前記支持面の外形寸法よりも大きな外形寸法を有するチャックリード板。（オ）前記チャックトップに固定されていて前記支持面と電気的に接続している接触子であって、その先端が前記支持面の高さよりも前記チャックリード板に向かって突き出していて、前記チャックトップと前記チャックリード板の相対位置関係が前記支持面に垂直な方向に変化することで先端が前記チャックリード板に接触可能な接触子。（カ）前記プローブとテスタとを電気的に接続する第１の電気経路。（キ）前記支持面と前記テスタとを前記接触子及び前記チャックリード板を経由して電気的に接続する第２の電気経路。

前記接触子は、好ましくは、互いに近接する複数の接触子からなる接触子群として配置することができ、その接触子群は前記チャックトップの周辺部において周方向に等間隔で配置することができる。

前記プローブはプローブベースに支持されていて、前記チャックリード板は、好ましくは、電気絶縁体を介して前記プローブベースに固定することができる。

本発明は、特にパワー半導体デバイスの動特性の検査（例えば、高電圧・大電流での検査）に好適なものである。パワー半導体デバイスは、例えば、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴである。パワーＭＯＳＦＥＴの場合、基板の裏面にドレイン電極が存在しているものが本発明の検査装置の検査対象となる。

本発明は、チャックトップの支持面に対面するチャックリード板を備えていて、半導体デバイスの基板の裏側の電極とテスタとの間の電気経路を、チャックトップに設けた接触子とチャックリード板とを経由して構成することにより、従来装置と比較して半導体デバイスの基板の裏側の電極とテスタとの間の電気経路が短くなり、精度の高い検査が可能になる。したがって、従来装置と比較して、例えばパワー半導体デバイスの動特性検査において出力波形のなまりが小さくなる。

図１は本発明の検査装置の一実施例の側面図である。図２はチャックトップの平面図である。図３はチャックリード板の平面図である。図４はチャックリード板とチャックトップとの相対位置関係を示した平面図である。図５は本発明の検査装置を用いてＩＧＢＴを検査する場合の電気回路の一例である。図６はＩＧＢＴの断面構造図と図記号である。図７は従来の検査装置の側面図である。図８はＩＧＢＴの入力波形と出力波形である。図９は従来の別の検査装置の側面図である。図１０は従来のさらに別の検査装置の側面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳しく説明する。図１は本発明の検査装置の一実施例の側面図であり、一部は断面で示している。この検査装置は、大きく分けると、常時は空間に対して静止している上部装置４６と、空間に対して移動可能な下部装置４８からなり、上部装置４６にテスタ２２が接続される。上部装置４６はプローブベース５０を備えている。プローブベース５０には、いくつかの調整機構を介して、プローブ２０が取り付けられている。プローブベース５０の下面にはセラミック製のサポート５２を介して導電性のチャックリード板５４が固定されている。サポート５２は電気絶縁体である。チャックリード板５４は厚さ５ｍｍのアルミニウム製または銅製の円板の表面に金メッキ（またはニッケルメッキかロジウムメッキ）を施したものである。

下部装置４８はチャックトップ４９を備えている。チャックトップ４９は厚さ１０〜１５ｍｍの銅製の円板の表面に金メッキを施したものである。チャックトップ４９の上面には検査対象のウエハ１８を載せることができる。チャックトップ４９の上面はウエハ１８を支持する支持面５６であり、この支持面５６は本発明における導電性の平坦な支持面に相当する。チャックトップ４９はセラミック製の絶縁体２６を介して可動ステージ２８の上に載っている。可動ステージ２８は、図面の左右方向（Ｘ方向）と紙面に垂直な前後方向（Ｙ方向）と図面の上下方向（Ｚ方向）に移動可能である。また、この可動ステージ２８は、Ｚ方向に延びる回転中心線の周りに回転（θ回転）可能である。ＸＹ方向は、チャックトップ４９の支持面５６に平行な面内の２次元方向に相当し、Ｚ方向は、支持面５６に垂直な方向に相当する。このような可動ステージ２８の構造は、ウエハプローバ等の検査装置において周知のものであり、その詳しい説明は省略する。可動ステージ２８が、本発明における「チャックトップとプローブとの相対位置関係を、チャックトップの支持面に平行な面内における２次元方向と前記支持面に垂直な方向とにおいて変化させる駆動機構」に該当する。なお、可動ステージを用いてチャックトップを移動させる代わりに、チャックトップを静止させてプローブベースを同様に移動させても、チャックトップとプローブとの相対位置関係を変えることができる。

チャックトップ４９の周辺部（この実施例では側面）には導電性のポゴピンベース５８が固定されている。このポゴピンベース５８に複数のポゴピン６０が固定されている。ポゴピン６０はポゴピンベース５８を介してチャックトップ４９と電気的に接続している。ポゴピン６０はチャックトップ４９の支持面５６の高さよりも上方に突き出していて、その先端は上方に向かってばね付勢されている。ポゴピン６０は、その先端が下方に押されることで後退可能である。ポゴピン６０は本発明における接触子に相当する。チャックトップ４９が上昇してウエハ１８とプローブ２０が接触するのと同時に、ポゴピン６０とチャックリード板５４が接触する。

プローブ２０は上部装置４６内の電気経路と第１ケーブル４７とを経由してテスタ２２に電気的に接続している。プローブ２０とテスタ２２の間の電気経路が本発明における第１の電気経路である。一方、チャックトップ４９の支持面５６はチャックトップ４９とポゴピンベース５８とポゴピン６０とチャックリード板５４と第２ケーブル５５とを経由してテスタ２２に電気的に接続している。チャックトップ４９の支持面５６とテスタ２２の間の電気経路が本発明における第２の電気経路である。第１の電気経路は、通常、複数の信号線から構成されている。ＩＧＢＴの検査を例にとると、第１の電気経路には、少なくもゲート端子につながる信号線とエミッタ端子につながる信号線が含まれる。第２の電気経路は、通常、１本の信号線である。ＩＧＢＴの検査を例にとると、第２の電気経路はコレクタ端子につながる信号線で構成される。なお、チャックトップ４９をＸＹ方向に静止させてプローブベース５０をＸＹ方向に移動させるタイプの駆動方式を採用する場合は、プローブベース５０にテスタ２２を搭載すれば、第１ケーブル４７と第２ケーブル５５は長くならない。

図１に示す構造を採用することで、プローバの構造を大きく変えることなく、ウエハの裏面の端子とテスタとをつなぐ電気経路の長さを、図７に示す従来装置よりも劇的に短くすることができる。また、ウエハ１８はチャックトップ４９の上に載っているので、チャックトップ４９を利用してウエハ１８を加熱したり冷却したりすることも容易である。

図２はチャックトップの平面図である。チャックトップ４９の側面には、周方向に等間隔で、４個のポゴピンベース５８が固定されている。各ポゴピンベース５８には６本のポゴピン６０が固定されている。互いに近接した６本のポゴピン６０はポゴピン群を構成しており、このポゴピン群が４セット設けられている。ポゴピン６０の数を増やすことで、ポゴピン経由でも大電流を流すことができる。

図２において、チャックトップ４９と大きさを比較するために、チャックリード板５４とウエハ１８を想像線で示している。ウエハ１８の外径は例えば１５０ｍｍであり、その場合、チャックトップ４９の外径は約１６０ｍｍであり、チャックリード板５４の外径は約３００ｍｍである。

図３はチャックリード板５４の平面図である。チャックリード板５４の中央には、プローブ２０が通過するための円形の開口６２が形成されている。チャックリード板５４上のコネクタ６３は、チャックリード板５４とテスタとつなぐケーブルを接続するためのものである。チャックトップ４９とウエハ１８は想像線で示している。この図３では、チャックトップ４９が図の右方向に移動した状態で描かれていて、チャックトップ４９上のウエハ１８の左端付近にある半導体デバイスを検査する状態を示している。プローブ２０の種類や本数は検査項目に応じて変化するが、例えば、ＩＧＢＴのゲート端子用に１本、エミッタ端子用に複数本（電流をかせぐため）を用意する。

図４はチャックリード板５４とチャックトップ４９との相対位置関係を示した平面図である。チャックトップ４９は想像線で示している。チャックトップ４９が右側に移動した状態で描かれたものについては、その上のウエハ１８も想像線で示している。チャックリード板５４は空間に対して静止しているが、チャックトップ４９は、検査すべき半導体デバイスがウエハ１８上のどこに位置しているかによって、ＸＹ方向に移動する。すなわち、検査すべき半導体デバイスがチャックリード板５４の開口６２の下方に来るように、チャックトップ４９が移動する。チャックトップ４９が移動してもチャックトップ４９の周辺部に固定されたポゴピンがチャックリード板５４に確実に接触できるように、チャックリード板５４の外形寸法はチャックトップ４９の外形寸法よりもかなり大きくなっている。

本発明の検査装置で好適に検査できるものは、例えば、パワー半導体デバイスのスイッチング特性、ダイオードの逆復帰時間（Ｔｒｒ：reverse recovery time）、Ｌ負荷試験などである。図５は本発明の検査装置を用いてＩＧＢＴを検査する場合の電気回路の一例である。ＩＧＢＴ６４のゲート端子Ｇとテスタ２２との間には信号線６６があり、エミッタ端子Ｅとテスタ２２との間には信号線６８がある。二つの信号線６６，６８が本発明における第１の電気経路に相当する。ＩＧＢＴ６４のコレクタ端子Ｃとテスタ２２との間には信号線７０がある。この信号線７０が本発明における第２の電気経路に相当する。入力信号源７２と電源７４と負荷７６と電圧計７８はテスタ２２の内部にある。ゲート端子Ｇとエミッタ端子Ｅの間に入力信号源７２から高周波のパルス信号を印加すると、コレクタとエミッタが導通して負荷７６に電流が流れ、そのときに負荷７６の両端に発生する電圧を電圧計７８で測定する。入力した高周波のパルス信号に対して、電圧計７８で測定された出力波形がどのようになっているかを調べることで、ＩＧＢＴ６４の動特性を評価できる。

１０ゲート端子
１２エミッタ端子
１４コレクタ端子
１６チャックトップ
１８ウエハ
２０，２０ａ，２０ｂプローブ
２２テスタ
２４，２４ａ，２４ｂケーブル
２６絶縁体
２８可動ステージ
３０ケーブルベア
３２入力波形
３４本来の出力波形
３６現実の出力波形
３８セラミック製のチャックトップ
４０導電性部
４２チップ
４４ポゴピン
４６上部装置
４７第１ケーブル
４８下部装置
４９チャックトップ
５０プローブベース
５２サポート
５４チャックリード板
５５第２ケーブル
５６支持面
５８ポゴピンベース
６０ポゴピン
６２開口
６３コネクタ
６４ＩＧＢＴ
６６，６８，７０信号線
７２入力信号源
７４電源
７６負荷
７８電圧計

Claims

基板の両面に電極を備えた半導体デバイスの電気特性を検査する検査装置において、次の構成を備える検査装置。
（ア）前記基板の第１面に存在する電極に接触可能なプローブ。
（イ）前記基板を支持するチャックトップであって、前記基板の前記第１面とは反対側にある第２面に存在する電極に接触可能な導電性の平坦な支持面を備えるチャックトップ。
（ウ）前記チャックトップと前記プローブとの相対位置関係を、前記支持面に平行な面内における２次元方向と前記支持面に垂直な方向とにおいて変化させる駆動機構。
（エ）前記支持面から離れていて前記支持面に対して平行に対面する導電性のチャックリード板であって、前記支持面の外形寸法よりも大きな外形寸法を有するチャックリード板。
（オ）前記チャックトップに固定されていて前記支持面と電気的に接続している接触子であって、その先端が前記支持面の高さよりも前記チャックリード板に向かって突き出していて、前記チャックトップと前記チャックリード板の相対位置関係が前記支持面に垂直な方向に変化することで先端が前記チャックリード板に接触可能な接触子。
（カ）前記プローブとテスタとを電気的に接続する第１の電気経路。
（キ）前記支持面と前記テスタとを前記接触子及び前記チャックリード板を経由して電気的に接続する第２の電気経路。
請求項１に記載の検査装置において、前記接触子は互いに近接する複数の接触子からなる接触子群として配置されていて、前記接触子群が前記チャックトップの周辺部において周方向に等間隔で配置されていることを特徴とする検査装置。
請求項１または２に記載の検査装置において、前記プローブはプローブベースに支持されていて、前記チャックリード板は電気絶縁体を介して前記プローブベースに固定されていることを特徴とする検査装置。