(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハ上に形成された複数の半導体素子の各々の電極と前記ウエハの裏面電極のそれぞれにプローブ針を接触させて半導体素子の特性を試験する半導体測定装置であって、試験対象ウエハを支持する支持面を備えたウエハチャックと；前記ウエハチャックを前記ウエハチャックの上部に位置する上プローブ針に対して相対的に上下方向及び水平方向に移動させる移動機構と；その上部先端が試験対象ウエハの裏面電極と接触する下プローブ針であって、前記ウエハチャックに保持され、前記支持面内で縦横方向にマトリックス状に配置されている複数の下プローブ針と；上プローブ針と電気的に接続されるとともに、前記複数の下プローブ針の各々と選択スイッチを介して電気的に接続されるテスタ装置と；測定位置にある被験半導体素子に対応する下プローブ針が前記テスタ装置と電気的に接続されるように前記選択スイッチを切り換える切換装置とを有し、前記切換装置が、試験対象ウエハ上の各半導体素子の大きさ及び位置に関する情報及び／又は各半導体素子の電極の大きさ及び位置に関する情報と、前記ウエハチャックに保持される前記複数の下プローブ針の位置に関する情報と、前記ウエハチャックの支持面上に支持される試験対象ウエハの基準位置からのずれに関する情報に基づいて、試験対象ウエハ上の半導体素子の各々と、各々の半導体素子の測定時に前記テスタ装置と電気的に接続されるべき下プローブ針との対応関係を求める手段と、前記対応関係に基づいて、測定位置にある半導体素子に対応する下プローブ針が前記テスタ装置と電気的に接続されるように前記選択スイッチを切り換える手段を備えている半導体測定装置。
【請求項２】
前記ウエハチャックが、試験対象ウエハを支持する支持面を備えたチャックトップと、前記複数の下プローブ針を保持するチャック本体とを含み、前記チャックトップの前記支持面には、前記複数の下プローブ針の少なくとも上部先端を摺動自在に貫通させる貫通孔が設けられているとともに、試験対象ウエハを負圧によって吸着支持する吸引溝が設けられており、前記複数の下プローブ針は、各下プローブ針を前記支持面上に支持される試験対象ウエハの方向に付勢する弾性手段を有しており、かつ、前記チャックトップが、前記複数の下プローブ針の上部先端が、無負荷状態で、前記支持面よりも上方に位置する測定位置と、前記支持面よりも下方に位置する吸着位置との間で、前記チャック本体に対して移動可能に支持されている請求項１記載の半導体測定装置。
【請求項３】
前記下プローブ針が導電性の芯線と、前記芯線の少なくとも上部先端を残してその外周を覆う絶縁体と、前記絶縁体の外周を覆う導電性の外皮を有する同軸構造を有している請求項２記載の半導体測定装置。
【請求項４】
前記下プローブ針が、前記芯線の前記絶縁体で覆われていない上部先端の外周に絶縁性のスリーブを有している請求項３記載の半導体測定装置。
【請求項５】
前記下プローブ針が、さらに、前記外皮の上部近傍に半径方向に突出したストッパーと、前記ストッパーに上端部を当接させ、前記外皮の外周に嵌装されるコイルバネを備えている請求項３又は４記載の半導体測定装置。
【請求項６】
前記ウエハチャックの前記支持面を加熱する加熱手段が設けられている請求項１〜５のいずれかに記載の半導体測定装置。
【請求項７】
ウエハ上に形成された複数の半導体素子の各々の電極と前記ウエハの裏面電極のそれぞれにプローブ針を接触させて半導体素子の特性を試験する半導体測定方法であって、試験対象ウエハを支持する支持面を備えたウエハチャック上に試験対象ウエハを支持する工程；ウエハチャック上に支持された前記試験対象ウエハの裏面電極に前記支持面内で縦横方向にマトリックス状に配置されている複数の下プローブ針を接触させる工程；前記ウエハチャックを前記ウエハチャックの上部に位置する上プローブ針に対して相対的に水平方向に移動させて測定する半導体素子を測定位置に移動させる工程；測定位置に移動した半導体素子に対応する下プローブ針を前記複数の下プローブ針の中から選択する工程；選択した下プローブ針をテスタ装置と電気的に接続する工程；前記ウエハチャックを上プローブ針に対して相対的に上下方向に移動させ被験半導体素子の電極と上プローブ針とを接触させる工程を含む、半導体測定方法。
【請求項８】
測定位置に移動した半導体素子に対応する下プローブ針を前記複数の下プローブ針の中から選択する工程が、試験対象ウエハ上の各半導体素子の大きさ及び位置に関する情報及び／又は各半導体素子の電極の大きさ及び位置に関する情報と、前記ウエハチャックに保持される前記複数の下プローブ針の位置に関する情報と、前記ウエハチャックの支持面上に支持される試験対象ウエハの基準位置からのずれに関する情報に基づいて、試験対象ウエハ上の各半導体素子と、各半導体素子の測定時に前記テスタ装置と電気的に接続されるべき下プローブ針との対応関係を求める工程と；測定位置に移動した半導体素子についての情報と前記対応関係とに基づいて、測定位置に移動した半導体素子に対応する下プローブ針を前記複数の下プローブ針の中から選択する工程を含むものである請求項７記載の半導体測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子、特に、パワートランジスタなどの電力用半導体素子の電気的特性を試験する半導体測定装置及び測定方法、並びにそれらの装置又は方法に用いる同軸プローブ針ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワートランジスタ、整流ダイオード、サイリスタ、パワーＭＯＳＦＥＴなどの電力用半導体素子は、発電や送電などの電力分野を始めとして、電気鉄道分野、自動車、家庭用電化製品など非常に幅広く使用されており、その電気的特性を試験する測定装置も多数提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、上下動自在な裏面電極針と、上部電極針との間に半導体素子が形成されたウエハを支持するウエハ支持枠を設け、ウエハ支持枠をフォーシング端子、裏面電極をセンシング端子として、被験半導体素子の真裏側面でケルビンコンタクトをとるようにした測定装置が開示されている。また、特許文献２には、被験半導体素子が形成されたウエハの外縁部をウエハホルダーで支持し、ウエハの裏面から接触するプローブの接触面積を被験半導体素子の裏面の面積と等しくして、半導体素子の裏面の不具合を検出するようにした測定装置が提案されている。さらに、特許文献３には、半導体ウエハに上下から接触するプローブの可動量を制御する制御手段を設けることによって、厚みの薄いウエハにおいても適切な押圧力でプローブを接触させることができるようにした試験装置が開示されている。しかし、これら従来の測定装置或いは試験装置においては、ウエハをウエハ支持枠或いはウエハホルダーなどによってその外縁で支持しているので、ウエハの厚さが薄くなると、ウエハ自身が撓み、プローブ針と半導体素子の電極との間で正確なコンタクトが行えないという問題点がある。
【０００４】
一方、特許文献４及び特許文献５には、ステージと呼ばれるウエハ支持台をウエハの裏面全体と接触させてウエハを支持することにより、薄いウエハであっても撓みが発生しないようにした測定装置及び試験装置がそれぞれ開示されている。これらの測定装置又は試験装置においては、ウエハの裏面電極とプローブ針との接触は、前記ステージに複数の挿入孔を形成しておいて、測定時には、被験半導体素子のほぼ真下に位置する挿入孔の下までプローブ針を移動させて、その位置でプローブ針を上昇させてプローブ針をウエハの裏面電極に接触させる（特許文献４）か、或いは、ステージに設けられた複数の挿入孔のそれぞれに予めコンタクトピンを挿入しておき、測定時には、被験半導体素子のほぼ真下に位置するコンタクトピンの下までコンタクト片を移動させ、その位置でコンタクト片を上昇させて直上のコンタクトピンを押し上げて、ウエハの裏面電極と接触するようにしている（特許文献５）。これにより、これらの測定装置又は試験装置においては、測定電流はウエハ裏面電極の厚み方向に流れ、被験半導体素子の真裏からプローブ針との接触点までの電位差が抵抗分として測定値に重畳されることがないので、精度の高い測定ができるとされている。
【０００５】
しかし、特許文献４及び特許文献５に開示されている測定装置及び試験装置においては、プローブ針又はコンタクトピンを、被験半導体素子のほぼ真下の位置で裏面電極と接触させる必要があるので、試験対象ウエハが新しいウエハに切り替わったり、同じ試験対象ウエハ上であっても、被験半導体素子が次の半導体素子へと切り替わると、それに合わせて測定用のプローブ針又はコンタクト片を新たな被験半導体素子のほぼ真下に位置する挿入孔又はコンタクトピンの下まで移動させる必要がある。そのため、これら従来の測定装置及び試験装置においては、プローブ針又はコンタクト片を被験半導体素子の真下まで移動させるための装置が必要になるとともに、移動に要する時間の分だけ測定時間が長くなり、測定効率が悪くなるという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実公平４−１４９３３号公報
【特許文献２】特開２０００−１１４３２５号公報
【特許文献３】特開２００３−３３２３９５号公報
【特許文献４】実開平３−４５６４３号公報
【特許文献５】特開２００４−３１１７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来の半導体測定装置の不都合や欠点を解消するために為されたもので、厚みが薄い試験対象ウエハであっても撓みなく支持できるとともに、試験対象ウエハが新たなウエハに切り替わったり、同じ試験対象ウエハ上で測定される半導体素子が切り替わった場合でも、ウエハの裏面電極と接触するプローブ針を測定位置にある半導体素子の直下まで移動させる必要のない半導体測定装置及び測定方法と、それに用いる同軸プローブ針ユニットを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、試験対象ウエハを支持する支持面を備えたウエハチャックに、マトリックス状に配置した複数のプローブ針を保持させておき、測定時には、それらマトリックス状に配置された複数のプローブ針を非選択的にウエハの裏面電極と接触させるとともに、被験半導体素子のほぼ真下に位置するプローブ針を選択して、そのプローブ針をテスタ装置と電気的に接続することによって、試験対象ウエハが切り替わった場合や、被験半導体素子が次の半導体素子へと切り替わった場合でも、プローブ針を被験半導体素子の真下まで機械的に移動させる必要がなく、常に、被験半導体素子のほぼ真下の裏面電極にプローブ針を接触させて測定精度高く半導体素子の電気的特性を試験することができることを見出して本発明を完成した。
【０００９】
すなわち、本発明は、ウエハ上に形成された複数の半導体素子の各々の電極と前記ウエハの裏面電極のそれぞれにプローブ針を接触させて半導体素子の特性を試験する半導体測定装置であって、試験対象ウエハを支持する支持面を備えたウエハチャックと；前記ウエハチャックを前記ウエハチャックの上部に位置する上プローブ針に対して相対的に上下方向及び水平方向に移動させる移動機構と；その上部先端が試験対象ウエハの裏面電極と接触する下プローブ針であって、前記ウエハチャックに保持され、前記支持面内で縦横方向にマトリックス状に配置されている複数の下プローブ針と；上プローブ針と電気的に接続されるとともに、前記複数の下プローブ針の各々と選択スイッチを介して電気的に接続されるテスタ装置と；測定位置にある被験半導体素子に対応する下プローブ針が前記テスタ装置と電気的に接続されるように前記選択スイッチを切り換える切換装置とを有している半導体測定装置を提供することによって、上記の課題を解決するものである。
【００１０】
本発明の半導体測定装置の好ましい一態様において、前記切換装置は、試験対象ウエハ上の各半導体素子の大きさ及び位置に関する情報及び／又は各半導体素子の電極の大きさ及び位置に関する情報と、前記ウエハチャックに保持される前記複数の下プローブ針の位置に関する情報と、前記ウエハチャックの支持面上に支持される試験対象ウエハの基準位置からのずれに関する情報に基づいて、試験対象ウエハ上の半導体素子の各々と、各々の半導体素子の測定時に前記テスタ装置と電気的に接続されるべき下プローブ針との対応関係を求める手段と、前記対応関係に基づいて、測定位置にある半導体素子に対応する下プローブ針が前記テスタ装置と電気的に接続されるように前記選択スイッチを切り換える手段を備えている。
【００１１】
切換装置が上記のような手段を備えている場合には、試験対象ウエハがウエハチャック上に支持されると、当該試験対象ウエハ上に形成されている複数の半導体素子の各々と、下プローブ針との対応関係が自動的に求められるので、その対応関係に基づいて、当該ウエハ上で被験半導体素子が次々と切り替わる場合でも、その都度、対応する下プローブ針を選択して、テスタ装置と電気的に接続することができる。なお、どの半導体素子が現時点で測定位置にあり、次にどの半導体素子が測定位置に移動するかについての情報は、例えば、半導体測定装置に内蔵されている制御装置から得ることができる。
【００１２】
本発明の半導体測定装置の好ましい一態様において、ウエハチャックは、試験対象ウエハを支持する支持面を備えたチャックトップと、複数の下プローブ針を保持するチャック本体とを含み、前記チャックトップの支持面には、複数の下プローブ針の少なくとも上部先端を摺動自在に貫通させる貫通孔が設けられているとともに、試験対象ウエハを負圧によって吸着支持する吸引溝が設けられており、複数の下プローブ針は、各下プローブ針を前記支持面上に支持される試験対象ウエハの方向に付勢する弾性手段を有しており、かつ、前記チャックトップが、前記複数の下プローブ針の上部先端が、無負荷状態で、前記支持面よりも上方に位置する測定位置と、前記支持面よりも下方に位置する吸着位置との間で、前記チャック本体に対して移動可能に支持されている。
【００１３】
ウエハチャックが上記のように構成されている場合には、試験対象ウエハをチャックトップに吸着支持させるに当たっては、まず、チャックトップを吸着位置に移動させ、下プローブ針の上部先端をチャックトップの支持面よりも下方に位置させて、試験対象ウエハの吸着支持を妨げないようにすることができる。試験対象ウエハがチャックトップの支持面上に一旦吸着支持された後では、チャックトップを測定位置へと移動させて、チャックトップに支持されている試験対象ウエハの裏面電極と複数の下プローブ針とを接触させても、下プローブ針は弾性手段によって上方に付勢されているだけであるので、下プローブ針の上部先端は試験対象ウエハの裏面電極と接触しつつ下方に移動し、試験対象ウエハの吸着支持が破壊されることはない。
【００１４】
本発明の半導体測定装置において、下プローブ針は導電性の芯線と、芯線と同軸に配置された導電性の外皮を有する同軸構造を有しているのが望ましい。下プローブ針をこのような同軸構造とする場合には、測定信号をより正確にテスタ装置に伝えることができるので、精度の高い測定が可能になる。また、ウエハチャックの前記支持面には加熱手段を設け、測定時の温度環境を可変とするのが望ましい。
【００１５】
また、本発明は、ウエハ上に形成された複数の半導体素子の各々の電極と前記ウエハの裏面電極のそれぞれにプローブ針を接触させて半導体素子の特性を試験する半導体測定方法であって、試験対象ウエハを支持する支持面を備えたウエハチャック上に試験対象ウエハを支持する工程；ウエハチャック上に支持された前記試験対象ウエハの裏面電極に前記支持面内で縦横方向にマトリックス状に配置されている複数の下プローブ針を接触させる工程；前記ウエハチャックを前記ウエハチャックの上部に位置する上プローブ針に対して相対的に水平方向に移動させて測定する半導体素子を測定位置に移動させる工程；測定位置に移動した半導体素子に対応する下プローブ針を前記複数の下プローブ針の中から選択する工程；選択した下プローブ針をテスタ装置と電気的に接続する工程；前記ウエハチャックを上プローブ針に対して相対的に上下方向に移動させ被験半導体素子の電極と上プローブ針とを接触させる工程を含む、半導体測定方法を提供することによって上記の課題を解決するものである。
【００１６】
本発明の半導体測定方法の好ましい一態様において、測定位置に移動した半導体素子に対応する下プローブ針を前記複数の下プローブ針の中から選択する工程が、試験対象ウエハ上の各半導体素子の大きさ及び位置に関する情報及び／又は各半導体素子の電極の大きさ及び位置に関する情報と、前記ウエハチャックに保持される前記複数の下プローブ針の位置に関する情報と、前記ウエハチャックの支持面上に支持される試験対象ウエハの基準位置からのずれに関する情報に基づいて、試験対象ウエハ上の各半導体素子と、各半導体素子の測定時に前記テスタ装置と電気的に接続されるべき下プローブ針との対応関係を求める工程と；測定位置に移動した半導体素子についての情報と前記対応関係とに基づいて、測定位置に移動した半導体素子に対応する下プローブ針を前記複数の下プローブ針の中から選択する工程を含むものである。
【００１７】
さらに、本発明は、導電性の芯線と、前記芯線の少なくとも上部先端を残してその外周を覆う絶縁体と、前記絶縁体の外周を覆う導電性の外皮を備えた同軸構造を有し、さらに、前記外皮の上部近傍に半径方向に突出したストッパーと、前記ストッパーに上端部を当接させ、前記外皮の外周に嵌装されるコイルバネを備えた同軸プローブ針ユニットを提供することによって、上記の課題を解決するものである。
【００１８】
このような本発明の同軸プローブ針ユニットは、その下部をチャック本体に設けられた保持孔内に挿入し、その上部先端をチャックトップの貫通孔に摺動自在に貫通させた状態で使用される。チャック本体における同軸プローブ針ユニットの保持孔内には半径方向に収縮した段部が設けられており、この段部に前記外皮の外周に嵌装されるコイルバネの下端部が当接することによって、本発明の同軸プローブ針ユニットは、試験対象ウエハの方向に付勢された状態で、チャック本体に保持されることになる。本発明の同軸プローブ針ユニットは、前記芯線の前記絶縁体で覆われていない上部先端の外周に絶縁性のスリーブを有しているのが望ましく、また、絶縁性のスリーブは摩擦係数が小さく、芯線の上部先端がチャックトップの貫通孔内で上下に摺動するのを妨げない材料で構成されているのが望ましい。
【００１９】
なお、本発明の半導体測定装置及び半導体測定方法において、個々の被験半導体素子の電極及びウエハの裏面電極と接触させるプローブ針の本数には特段の制限はなく、上下から各１本のプローブ針を接触させる単接続方式であっても良いし、上下から各２本のプローブ針を接触させるケルビンコンタクト方式であっても良い。また、本発明の半導体測定装置及び半導体測定方法が対象とする半導体素子は、それらがウエハ上に形成されており、各半導体素子上の電極とウエハの裏面電極とにプローブ針を接触させてその電気的特性を試験することができるものである限りいかなるものであっても良いが、一般にパワーデバイスと呼ばれるパワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、整流ダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、トライアックなどの電力用半導体素子を対象とする場合に、本発明の半導体測定装置及び半導体測定方法は最も効果的である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の半導体測定装置及び半導体測定方法によれば、測定位置にくる半導体素子が切り替わった場合でも、ウエハの裏面電極と接触する下プローブ針をその真下まで移動させる必要がないので、そのための移動装置や移動工程を必要とせず、装置が簡単になり安価であるとともに、移動に掛かる時間も不要であるので、短い測定時間で効率良く測定を行うことができるという利点が得られる。
【００２１】
また、本発明の半導体測定装置及び半導体測定方法によれば、ウエハ支持面内で縦横にマトリックス状に配置されている複数の下プローブ針の中から、試験対象ウエハ上の各半導体素子に対応した１又は２、若しくはそれ以上の下プローブ針を選択すれば良いので、複数の下プローブ針の配置は試験対象ウエハに合わせた特定の配置である必要はなく、半導体素子の数や配置が異なる種々のウエハに対し単一の半導体測定装置で測定が可能であり、汎用性が高いという利点を有している。
【００２２】
さらに、本発明の半導体測定装置及び半導体測定方法が、上述した試験対象ウエハ上の各半導体素子の位置情報等に基づいて、試験対象ウエハ上の各半導体素子と、各半導体素子の測定時に前記テスタ装置と電気的に接続されるべき下プローブ針との対応関係を求める手段や工程と、前記対応関係に基づいて、測定される半導体素子に対応する下プローブ針が前記テスタ装置と電気的に接続されるように前記選択スイッチを切り換える手段や工程を備えている場合には、試験対象ウエハが切り替わった場合や、同一ウエハ上で測定される半導体素子が順次切り替わった場合でも、それぞれの半導体素子に対応する下プローブ針を自動的に選択して、テスタ装置と電気的に接続することができるので、効率良くかつ迅速に測定を行うことができるという利点が得られる。
【００２３】
また、本発明の半導体装置が、吸引溝を有し、測定位置と吸着位置との間で移動可能に支持されるチャックトップと、試験ウエハに向かって弾性手段によって付勢された下プローブ針を有している場合には、試験対象ウエハの吸着支持をスムースに行うことができるという利点が得られる。
【００２４】
さらに、本発明の同軸プローブ針ユニットによれば、下プローブ針の取り扱いが容易となり、チャック本体への装着も簡単にできるとともに、同軸構造を有しているので、測定信号のテスタ装置への伝達をより精度高く行うことができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の半導体測定装置の一例を示す側面図である。
【図２】ウエハチャックの縦断面図である。
【図３】ウエハチャックの平面図である。
【図４】ウエハチャックの側面図である。
【図５】ウエハチャックの部分切り欠き斜視図である。
【図６】吸着位置にあるときのチャックトップの側面図及び側面断面図である。
【図７】測定位置にあるときのチャックトップの側面図及び側面断面図である。
【図８】同軸プローブ針ユニットの斜視図である。
【図９】同軸プローブ針ユニットの断面図である。
【図１０】チャックトップの水平部分断面図である。
【図１１】本発明の半導体測定装置における測定回路の一例の概略を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明が図示のものに限られないことは勿論である。
【００２７】
図１は、本発明の半導体測定装置の一例を示す側面図である。図１において、１は本発明の半導体測定装置であり、半導体測定装置１は、ウエハチャック２と、ウエハチャック２が載置されているＸＹＺθステージ３と、テスタ装置４、及び切換装置５を備えている。６はウエハチャック２の構成要素の一つであるチャックトップ、７はプローブカード、８、８はプローブカード７に取り付けられているプローブ針であり、ウエハチャック２の上部に位置する上プローブ針である。図１に示すとおり、テスタ装置４は、プローブカード７を介して、プローブ針８、８と電気的に接続されている。また、ウエハチャック２は、ＸＹＺθステージ３によって、プローブ針８、８に対して上下方向及び水平方向に移動可能であり、かつ、Ｚ軸のまわりに回転も可能である。図示の例ではプローブ針８、８はプローブカード７に取り付けられているが、プローブカード７に取り付けられていないプローブ針であっても良い。
【００２８】
図２は、図１におけるウエハチャック２の縦断面図である。図に示すとおり、ウエハチャック２は、チャックトップ６と、チャック本体２ａとから構成されており、チャック本体２ａは、さらに、外周リング２ｂ、ハウジング２ｃ、及びチャックベース２ｄを有している。チャックトップ６の上面は、試験対象ウエハを支持する支持面となっている。
【００２９】
９、９、９・・・は同軸プローブ針ユニットであり、下プローブ針を構成している。図に示すとおり、下プローブ針である同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・は、その下部をハウジング２ｃに設けられた保持孔内に挿入することによってハウジング２ｃ、つまりはチャック本体２ａに保持されている。また、同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・の下端から突出する芯線は、互いに絶縁された状態でまとめられ、信号線１０として、外部の切換装置５へと接続されている。一方、同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・の上部はチャックトップ６に設けられた貫通孔内に上下方向に摺動自在に挿通されており、図示の状態において、その上部先端はチャックトップ６の上面、すなわち、支持面よりも若干上に突出している。１１はチャックトップ６に内蔵されている加熱手段としてのヒータであり、図示しない電源に接続されている。
【００３０】
図３はウエハチャック２の平面図である。図３において、９ａで示される多数の小円は、同軸プローブ針ユニット９の上部先端を表しており、同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・は、チャックトップ６に形成された多数の貫通孔からその上部先端を覗かせた状態にある。図３に示すとおり、下プローブ針を構成する同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・は、チャックトップ６の試験対象ウエハを支持する支持面内で、縦横方向にマトリックス状に配置されている。図に示す例では、下プローブ針を構成する同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・は、縦横両方向に等しいピッチで等間隔に配置されているが、同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・の配置間隔は縦と横とで異なっていても良いし、必ずしも等間隔である必要はない。また、図に示す例では、縦横方向に整列状態に配置されているが、交互に位置をずらして千鳥状に配置しても良い。
【００３１】
１２は吸引溝であり、チャックトップ６の上面、すなわち、支持面上に形成されている。図に示すとおり、吸引溝１２は、チャックトップ６の支持面をほぼ覆うように縦横に配置されており、互いに連通して、一箇所から吸引すれば、その吸引力が吸引溝１２を介して支持面全体に行き渡るようになっている。１３、１３は、チャックトップ６の昇降ガイドピン、１４、１４、１４はカムフォロアであるが、これらの機能については後述する。
【００３２】
図４は、ウエハチャック２の側面図である。１５はカム溝、１６は吸引チューブである。吸引チューブ１６の根元側は上述した吸引溝１２に接続されており、先端側は図示しない吸引装置に接続されている。図示しない吸引装置を作動させると、吸引チューブ１６を介して吸引溝１２内は負圧に引かれ、チャックトップ６は、その支持面上に載置されている試験対象ウエハを支持面上に吸着支持することになる。
【００３３】
図５は、ウエハチャック２の部分切り欠き斜視図である。図に示すとおり、同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・は、下部をハウジング２ｃの保持孔内に挿入した状態でハウジング２ｃに保持されており、その上部先端９ａ、９ａ、９ａ・・・は、チャックトップ６に設けられた貫通孔６ａ、６ａ、６ａ・・・に摺動自在に挿入され、チャックトップ６の上面よりも若干突出した状態にある。２ｅは、ハウジング２ｃに固定された固定リング、１７は、固定リング２ｅの下面と、外周リング２ｂの内周部の上面との間に介挿されたベアリング、１８は、外周リング２ｂの下面とハウジング２ｃの外周部上面との間に介挿された滑りリングである。なお、図に示すとおりカムフォロア１４はチャックトップ６の側面に固定されている。
【００３４】
次に、図６〜図７を用いて、チャックトップ６の上下方向の移動機構を説明する。図６（ａ）（ｂ）は、チャックトップ６が吸着位置にある状態を示している。吸着位置では、チャックトップ６に固定されているカムフォロア１４は、カム溝１５の左の端にある。カム溝１５は、図に示すとおり、その右端部よりも左端部の方が高い位置に設けられているので、カムフォロア１４がカム溝１５の左の端に位置するときには、カムフォロア１４はカム溝１５内で最も高い位置にあり、同時に、カムフォロア１４が固定されているチャックトップ６も、昇降ガイドピン１３に案内されて、最も高い位置に上昇した状態にある。この状態、すなわち、チャックトップ６が吸着位置にあるとき、下プローブ針である同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・の上部先端９ａ、９ａ、９ａ・・・は、図に示すとおり、チャックトップ６の上面、すなわち、試験対象ウエハの支持面よりも下方に位置している。
【００３５】
この状態で試験対象ウエハＷをチャックトップ６の支持面上に載置して、吸引溝１２、１２を負圧に吸引すると、試験対象ウエハＷはチャックトップ６の支持面上に吸着支持されることになる。このようにチャックトップ６が吸着位置にあるときには、同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・の上部先端９ａ、９ａ、９ａ・・・はチャックトップ６の上面よりも下方に位置しており、支持面上に突出していないので、試験対象ウエハＷを支障なく支持面上に吸着支持することができる。
【００３６】
図７（ａ）（ｂ）は、チャックトップ６が測定位置にある状態を示している。すなわち、外周リング２ｂは、例えば、図６（ｂ）に示すとおり、ハウジング２ｃとは滑りリング１８を介して、また、固定リング２ｅとはベアリング１７を介して接触しているので、円周方向には回転可能であり、外周リング２ｂを図６（ａ）に示す矢印方向に回転して、図７（ａ）に示すとおり、カムフォロア１４をカム溝１５の右端まで移動させると、その移動に伴い、カムフォロア１４が固定されているチャックトップ６は昇降ガイドピン１３に案内されて下方に移動し、図７（ｂ）に示す測定位置へと移動する。
【００３７】
チャックトップ６が測定位置にあるときには、同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・の上部先端９ａ、９ａ、９ａ・・・は、無負荷状態においては、チャックトップ６の支持面よりも上方に位置することになる。しかし、チャックトップ６の支持面上に試験対象ウエハＷが吸着支持されているときには、チャックトップ６が吸着位置から測定位置へと移動する途中に、同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・の上部先端９ａ、９ａ、９ａ・・・は試験対象ウエハＷの裏面電極と接触し、接触したまま下方に押し下げられることになる。すなわち、同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・は、後述するとおり、チャックトップ６の支持面上に支持される試験対象ウエハＷの方向に弾性手段によって付勢されており、その付勢する力は、支持面上に試験対象ウエハＷを吸着支持する力よりも弱く設定されているので、上部先端９ａ、９ａ、９ａ・・・が試験対象ウエハＷの裏面電極と接触することによって、同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・は、その上部先端９ａ、９ａ、９ａ・・・を試験対象ウエハＷの裏面電極と接触させたまま下方に押し下げられることになる。
【００３８】
図８は、同軸プローブ針ユニット９の斜視図であり、図９は同軸プローブ針ユニット９の断面図である。図に示すとおり、同軸プローブ針ユニット９は、導電性の芯線９ｂと、芯線９ｂの上部先端を残して芯線９ｂの外周を覆う絶縁体９ｃと、芯線９ｂと同軸で、絶縁体９ｃの外周を覆う導電性の外皮９ｄとを備えた同軸構造を有している。
【００３９】
芯線９ｂを構成する材料としては、導線性を有し、試験対象ウエハＷの裏面電極と繰り返し接触しても容易に摩耗、変形しない強度を備えた材料であればどのような材料を用いて構成しても良いが、例えば銅やタングステンなどの導電性金属を用いることができ、タングステンを用いるのが好ましい。絶縁体９ｃとしては、絶縁体である限り、どのような材料を用いても良いが、例えばポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂を用いるのが好ましい。外皮９ｄを構成する材料としては、導線性を備えた材料であればどのような材料を用いて構成しても良いが、入手のし易さと高い導電率の観点からは銅を用いるのが好ましい。
【００４０】
９ｆは、外皮９ｄの上部近傍に半径方向に突出したストッパー、９ｅは、外皮９ｄの外周に嵌装される弾性手段としてのコイルバネであり、コイルバネ９ｅの上端部はストッパー９ｆの下面と当接している。ストッパー９ｆの材料に特段の制限はないが、例えば銅を用いることができる。コイルバネ９ｅの下端部は、同軸プローブ針ユニット９がハウジング２ｃの保持孔内に挿入されるとき、保持孔の下部近傍に形成されている半径が縮小した段部と当接し、同軸プローブ針ユニット９を、上方、つまりはチャックトップ９に吸着支持される試験対象ウエハＷの方向に付勢する。９ｇは、芯線９ｂの絶縁体９ｃで覆われていない先端部の外周を覆う絶縁性のスリーブであり、絶縁性がありかつ摩擦係数の小さな材料である、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂を用いて構成される。
【００４１】
本発明の同軸プローブ針ユニット９は、上記のように構成されているので、構造が簡単であり、かつ、一体的にまとまっているので取り扱いが易く、例えば図５に示すように、下部をハウジング２ｃに設けられた保持孔内に挿入し、上部をチャックトップ６に設けられた貫通孔６ａ内に貫通させるだけで本発明の半導体測定装置における下プローブ針として使用することができる。また、同軸構造となっているので、測定信号の伝送性に優れ、正確な測定を可能にするという優れた利点を備えるものである。
【００４２】
図１０は、図２のウエハチャック２の断面図において、ヒータ１１が内蔵されている面で、チャックトップ６を水平に切断した状態を示す水平部分断面図である。図に示すとおり、ヒータ１１は、同軸プローブ針ユニット９の間を縫ってチャックトップ６のほぼ前面にわたって配置されている。ヒータ１１が図示しない電源に接続されていることはいうまでもなく、電源をＯＮにしてヒータ１１を作動させることにより、チャックトップ６の温度を上昇させることができる。チャックトップ６には、図示しない温度センサが内蔵されており、適宜の温度コントロールを行うことによって、チャックトップ６の支持面の温度を調節し、半導体素子の任意の温度における特性の試験を行うことができる。なお、ヒータ１１に代えて、或いはヒータ１１とともに、ペルチエ素子をチャックトップ６内に配置して、チャックトップ６の加熱又は冷却を行うようにしても良い。
【００４３】
図１１は、本発明の半導体測定装置における測定回路の一例の概略を示す概念図であり、チャックトップ６や、ウエハチャック２等は省略してある。図１１において、Ｗｎは試験対象ウエハであり、試験対象ウエハＷｎには複数の半導体素子Ｄ(n,m)、Ｄ(n,m+1)・・・が形成されている（図では半導体素子Ｄ(n,m)及び半導体素子Ｄ(n,m+1)の２つしか示していない）。Ｔは各半導体素子Ｄ(n,m)、Ｄ(n,m+1)・・・の電極であり、図では上プローブ針であるプローブ針８、８が半導体素子Ｄ(n,m)の電極Ｔに接触している。
【００４４】
Ｂは、試験対象ウエハＷｎの裏面電極である。裏面電極Ｂには、下プローブ針である多数の同軸プローブ針ユニット９(p,q)、９(p,q+1)、９(p,q+2)、9(p,q+3)・・・が接触している（図では同軸プローブ針ユニット９(p,q)、９(p,q+1)、９(p,q+2)、9(p,q+3)の４つしか示していない）。Ｓ(p,q)、Ｓ(p,q+1)、Ｓ(p,q+2)、Ｓ(p,q+3)・・・は、各同軸プローブ針ユニット９(p,q)、９(p,q+1)、９(p,q+2)、9(p,q+3)・・・に対応した切り換えスイッチであり、各同軸プローブ針ユニット９(p,q)、９(p,q+1)、９(p,q+2)、9(p,q+3)・・・は、それぞれ切り換えスイッチＳ(p,q)、Ｓ(p,q+1)、Ｓ(p,q+2)、Ｓ(p,q+3)・・・を介して、テスタ装置４と接続されている。５は切換装置であり、切り換えスイッチＳ(p,q)、Ｓ(p,q+1)、Ｓ(p,q+2)、Ｓ(p,q+3)・・・の各々をＯＮ、ＯＦＦする機能を有している。なお、図では、１つの半導体素子D(n,m)に対して、上下から各２本のプローブ針が接触しており、ケルビンコンタクトをとるように為されているが、１つの半導体素子D(n,m)に対して、上下から各１本のプローブ針が接触するようにしても良いし、場合によっては、各３本以上のプローブ針が接触するようにしても良い。
【００４５】
次に、図１と図１１を参照しながら、本発明の半導体測定装置の動作、及び本発明の半導体測定方法を説明する。まず、別途プリアライメントした試験対象ウエハＷｎを、吸着位置にあるチャックトップ６の支持面上に載置し、吸引溝１２を介して支持面上を負圧に吸引することにより、試験対象ウエハＷｎをウエハチャック２の支持面、つまりは、チャックトップ６の支持面上に吸着支持する。この状態で、ＸＹＺθステージ３を駆動して、試験対象ウエハＷｎとプローブカード７若しくはプローブ針８、８との正確なアライメントを行う。アライメントが完了すると、チャックトップ６を測定位置に移動させ、同軸プローブ針ユニット９(p,q)、９(p,q+1)、９(p,q+2)、9(p,q+3)・・・を試験対象ウエハＷｎの裏面電極Ｂに接触させる。
【００４６】
この状態で、ＸＹＺθステージ３を駆動して、ウエハチャック２を水平方向に移動させて、例えば、半導体素子Ｄ(n,m)が被験半導体素子である場合には、その電極Ｔがプローブ針８、８の直下にくる測定位置に移動させ、併せて、切換装置５によって、選択スイッチＳ(p,q)とＳ(p,q+1)をＯＮにし、半導体素子Ｄ(n,m)に対応する同軸プローブ針ユニット９(p,q)、９(p,q+1)をテスタ装置５と接続する。この状態でウエハチャック２を上昇させると、プローブ針８、８と被験半導体素子Ｄ(n,m)の電極Ｔとは接触し、半導体素子Ｄ(n,m)の測定が行われることになる。測定が終了すると、ウエハチャック２は下降して、プローブ針８、８と被験半導体素子Ｄ(n,m)の電極Ｔとの接触は解除される。
【００４７】
半導体素子Ｄ(n,m)の測定が終了し、次の被験半導体素子が半導体素子Ｄ(n,m+1)である場合には、ＸＹＺθステージ３を駆動して、ウエハチャック２を半導体素子Ｄ(n,m+1)の電極Ｔがプローブ針８、８の直下にくる測定位置に移動させ、併せて、切換装置５によって、選択スイッチＳ(p,q)、Ｓ(p,q+1)に代えて、選択スイッチＳ(p,q+2)とＳ(p,q+3)をＯＮにして、半導体素子Ｄ(n,m+1)に対応する同軸プローブ針ユニット９(p,q+2)と９(p,q+3)をテスタ装置５と接続する。この状態でウエハチャック２を上昇させると、プローブ針８、８と被験半導体素子Ｄ(n,m+1)の電極Ｔとは接触し、半導体素子Ｄ(n,m+1)の測定が行われることになる。これを順次繰り返すことによって、試験対象ウエハＷｎ上の各半導体素子についての測定を行い、全て終了すると、チャックトップ６による試験対象ウエハＷｎの吸着支持を解除して、試験対象ウエハＷｎを外部へと搬出する。
【００４８】
このように本発明の半導体測定装置によれば、測定対象となる半導体素子が順次切り替わった場合でも、その裏面電極の真下に下プローブ針である同軸プローブ針ユニット９を移動させる必要がなく、単に選択スイッチＳを切り換えるだけで良いので、装置が簡単になるとともに、下プローブ針の移動に掛かる時間が不要であるので、測定を効率良く迅速に行うことができるという利点が得られる。
【００４９】
なお、被験半導体素子に対応する下プローブ針の選択は、以下のようにして切換装置５によって自動的に行われるようにするのが好ましい。すなわち、半導体測定装置１又は切換装置５に図示しない記憶装置を付属させ、その記憶装置に、半導体測定装置１のウエハチャック２に保持されている複数の下プローブ針である同軸プローブ針ユニット９、９、９・・・の位置についての情報を予め入力し記憶させておくとともに、試験対象となる各ウエハについての諸元情報、すなわち、ウエハの大きさ、ウエハ上に形成されている半導体素子の数、大きさ、配置などに関する情報や、及び／又は、ウエハ上に形成されている各半導体素子の電極の大きさ、位置などに関する情報を、測定に先だって適宜の手段を介して入力し、記憶させる。さらに、チャックトップ６の支持面上に吸着支持されている試験対象ウエハについて、プローブカード７若しくはプローブ針８、８との正確なアライメントを行ったときに得られるＸＹＺθステージ３の基準位置からの移動量を、その試験対象ウエハの基準位置からの位置ずれ量として記憶装置に記憶させる。
【００５０】
切換装置５は、これら記憶装置に記憶されている情報に基づいて、試験対象であるウエハ上に形成されている半導体素子の各々について、形成されている電極Ｔの真下若しくは真下に最も近い同軸プローブ針ユニット９を割り出し、割り出された同軸プローブ針ユニット９を、各半導体素子の測定時にテスタ装置４と電気的に接続すべき同軸プローブ針ユニット９として各半導体素子と対応させ、この対応関係を、各半導体素子と同軸プローブ針ユニットの対応関係として記憶する。形成されている電極Ｔの真下若しくは真下に最も近い同軸プローブ針ユニット９の割り出しは、個々の半導体素子についての大きさ及び位置情報、及び／又は、個々の半導体素子に形成されている電極Ｔについての大きさ及び位置情報と、ウエハチャック２に保持されている複数の同軸プローブ針ユニット９の位置情報と、アライメント時に得られる試験対象ウエハの基準位置からの位置ずれ量とに基づいて、計算によって行うことができる。１本の同軸プローブ針ユニット９を裏面電極Ｂと接触させる場合には、電極Ｔの真下に最も近いものを、また、２本の同軸プローブ針ユニット９を裏面電極Ｂと接触させる場合には、電極Ｔの真下に最も近いものと、その次に近いものを、それぞれテスタ装置４に接続すべき下プローブ針として選択すれば良い。
【００５１】
切換装置５は、上記のようにして求めた対応関係に基づいて、新たな半導体素子がプローブ針８、８の直下、すなわち測定位置に移動すると、その半導体素子に対応する同軸プローブ針ユニット９(p,q)、９(r,s)を選択して、対応する選択スイッチＳ(p,q)、Ｓ(r,s)をＯＮにする。どの半導体素子が測定位置にあるかの情報は、半導体測定装置１に組み込まれている図示しない制御装置から得ることができる。なお、各半導体素子Ｄと、同軸プローブ針ユニット９との上記の対応関係は、試験対象ウエハの測定開始前に、形成されている全ての半導体素子について予め求めておくようにしても良いし、測定対象となる被験半導体素子が切り替わる度に求めるようにしても良い。
【００５２】
以上のように本発明の半導体測定装置及び半導体測定方法によれば、試験対象ウエハや、測定される半導体素子が切り替わっても、テスタ装置に電気的に接続される下プローブ針を選択スイッチによって切り換えるだけで良く、下プローブ針を測定される半導体素子の直下に移動させる移動機構が不要であるとともに、移動に要する時間も不要となり、安価で効率の良い測定を行うことができる。また、本発明の半導体測定装置及び半導体測定方法によれば、形成されている半導体素子の大きさや数、さらには配置が異なる種々のウエハを試験対象とする場合でも、チャックトップの支持面内に縦横方向にマトリックス状に配置された複数の下プローブ針の中から、測定する半導体素子の上部電極により近いものを選択して、下プローブ針として使用することができるので、下プローブ針の配置を個々の試験対象ウエハに合わせた特定の配置をする必要がなく、高い汎用性が得られるという利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上の述べたとおり、本発明の半導体測定装置及び半導体測定方法によれば、安価で効率の良い測定が可能になるので、半導体素子、特に、今後用途の更なる拡大が見込まれる電力用半導体素子の品質並びに性能の向上に大きく寄与し、多大なる産業上の利用可能性を有するものである。また、本発明の同軸プローブ針ユニットは、構造が簡単で、取り扱い易く、かつ、測定信号の伝送性に優れているので、半導体測定装置や半導体測定方法に用いられて大いなる利便性を発揮し、その産業上の利用可能性にも多大のものがある。
【符号の説明】
【００５４】
１            半導体測定装置
２            ウエハチャック
２ａ          チャック本体
２ｂ          外周リング
２ｃ          ハウジング
２ｄ          チャックベース
３            ＸＹＺθステージ
４            テスタ装置
５            切換装置
６            チャックトップ
７            プローブカード
８            プローブ針
９            同軸プローブ針ユニット
１０          信号線
１１          ヒータ
１２          吸引溝
１３          昇降ガイドピン
１４          カムフォロア
１５          カム溝
１６          吸引チューブ
１７          ベアリング
１８          滑りリング
Ｗ            ウエハ
Ｄ            半導体素子
Ｔ            電極
Ｓ            選択スイッチ
【図１】
0005539033.tif 000002
【図２】
0005539033.tif 000003
【図３】
0005539033.tif 000004
【図４】
0005539033.tif 000005
【図５】
0005539033.tif 000006
【図６】
0005539033.tif 000007
【図７】
0005539033.tif 000008
【図８】
0005539033.tif 000009
【図９】
0005539033.tif 000010
【図１０】
0005539033.tif 000011
【図１１】
0005539033.tif 000012