特許 7426157 加熱ステージおよび温度特性計測システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-24

(45)【発行日】2024-02-01

(54)【発明の名称】加熱ステージおよび温度特性計測システム

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/26 20200101AFI20240125BHJP

   G01R 1/073 20060101ALI20240125BHJP

   G01R 1/06 20060101ALI20240125BHJP

   G01R 31/28 20060101ALI20240125BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

G01R31/26 J

G01R1/073 E

G01R1/06 E

G01R31/28 K

H01L21/66 B

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2023093001

(22)【出願日】2023-06-06

【審査請求日】2023-06-06

【早期審査対象出願】

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】399028078

【氏名又は名称】ハイソル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】矢吹 孝幸

【審査官】青木 洋平

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－０１９７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２６６２０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－３００６５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２７８４１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０２３１２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３１／２６

Ｇ０１Ｒ １／０７３

Ｇ０１Ｒ １／０６

Ｇ０１Ｒ ３１／２８

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定サンプルが載置される第１ステージと、
前記第１ステージと電気的に絶縁した第２ステージと、
前記第１ステージおよび前記第２ステージを略同一温度に加熱するヒータとを備え、
前記第２ステージは、前記測定サンプルに接触させる針に接触する接触状態と、前記針と離間する近接状態とを繰り返す動作が可能な構成であり、
前記第２ステージと前記針との間の抵抗または前記第２ステージを介した複数の前記針の相互間の抵抗を測定可能である
ことを特徴とする加熱ステージ。

【請求項2】

請求項１に記載の加熱ステージと、
前記針を介して前記測定サンプルの電気特性を測定する測定装置と、
前記加熱ステージおよび前記針を備えるプローブの何れか一方または双方を上下移動させるＺステージと、
前記測定装置および前記Ｚステージを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記測定装置が前記抵抗を測定している場合、該抵抗が閾値未満になったときに前記第２ステージと前記針との間隔を所定距離だけ離間させ、該抵抗が閾値以上になったときに該間隔を保持させることを繰り返す
ことを特徴とする温度特性計測システム。

【請求項3】

前記制御装置は、前記抵抗を測定開始した時点からの経過時間が所定時間を超えたとき、または、前記抵抗が閾値以上になっている時間が所定時間を超えたときに、報知する
ことを特徴とする請求項２に記載の温度特性計測システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加熱ステージおよび温度特性計測システムに関し、例えば、半導体チップの温度特性を測定するシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体チップの温度特性を測定する際は、加熱ステージの上に半導体チップを載置し、プローブピンの先端を半導体チップの電極に接触させる。このとき、加熱によりプローブピンが伸長し、プローブピンの先端がステージに当り、損傷してしまうことがある。

【0003】

特許文献１には、プローブカードの探針の伸長元に温度制御機構を設けた技術が記載されている。また、特許文献１には、「ペルチェ方式のモジュールが各探針を冷却、加熱制御する。これにより、被測定対象の温度に短時間で近付けるよう低温から高温まで各探針の温度が制御され、探針の収縮、膨脹を加味した安定したプロービングを実現」させる、と記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００３－２１５１６２号公報（請求項１、段落００１８）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の技術では、ペルチェやセラミックヒータの加熱制御機構を探針の伸長元に設けている。そのため、プローブピン（針）が長いときには、針の先端温度と伸長元の温度とが相違する。そのため、ステージ温度と伸長元の温度とを同一にしたとしても、ステージ温度と針の先端温度とが相違してしまう。その結果、針をステージに接触させたときに、さらに針が伸長し、針が損傷するおそれがある。なお、特許文献１の技術では、プローブカードの改造が必要であり、標準的なプローブカードを使用することができない。

【0006】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、より一層、プローブの針の損傷を防止することができる加熱ステージおよび温度特性計測システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記目的を達成するために、本発明の加熱ステージ（１００）は、測定サンプル（１９０）が載置される第１ステージ（１０）と、前記第１ステージと電気的に絶縁した第２ステージ（２０）と、前記第１ステージおよび前記第２ステージを略同一温度に加熱するヒータ（５０）とを備え、前記第２ステージは、前記測定サンプルに接触させる針に接触する接触状態と、前記針と離間する近接状態とを繰り返す動作が可能な構成であり、
前記第２ステージと前記針との間の抵抗または前記第２ステージを介した複数の前記針の相互間の抵抗を測定可能であることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。

【0008】

また、本発明の温度特性計測システム（２００）は、請求項２に記載の加熱ステージ（１００）と、前記測定サンプルに接触する針（１２５）を備えるプローブ（１２０）と、前記プローブを介して前記測定サンプルの電気特性を測定する測定装置（１５０）と、前記加熱ステージおよび前記プローブの何れか一方または双方を上下移動させるＺステージ（１１０）と、前記測定装置および前記Ｚステージを制御する制御装置とを備えている。加熱ステージは、測定サンプル（１９０）が載置される第１ステージ（１０）と、前記第１ステージと電気的に絶縁した第２ステージ（２０）と、前記第１ステージおよび前記第２ステージを略同一温度に加熱するヒータ（５０）とを備える。前記制御装置は、前記測定装置が前記第２ステージと前記針との抵抗を測定している場合、該抵抗が閾値未満になったときに前記第２ステージと前記針との間隔を所定距離だけ離間させる、該抵抗が閾値以上になったときに該間隔を保持させることを繰り返すことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、プローブの針の損傷を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態である加熱ステージの構成を示す平面図である。

【図2】本発明の第１実施形態である温度特性計測システムの構成図である。

【図3】本発明の第１実施形態である温度特性計測システムの動作を説明するフローチャートである。

【図4】本発明の第２実施形態である温度特性計測システムの動作を説明するフローチャートである。

【図5】本発明の第３実施形態である加熱ステージの構成を示す平面図である。

【図6】本発明の比較例であるプローブの外形図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本実施形態を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

【0012】

図１は、本発明の第１実施形態である加熱ステージの構成を示す平面図である。
加熱ステージ１００は、第１ステージ１０と第２ステージ２０とを備える。第１ステージ１０は、測定サンプル１９０（図２）が載置される円形状のステージである。第２ステージ２０は、第１ステージ１０よりも小さい矩形状のステージである。第２ステージ２０には、プローブ１２０の針１２５を近接させることができる。第２ステージ２０は、第１ステージ１０と電気的に絶縁されているが、第１ステージ１０と略同一温度のなるように制御されている。また、第１ステージ１０の上面と第２ステージ２０の上面とは、ほぼ同一面である。測定サンプル１９０は、例えば、ＩＣチップである。

【0013】

図２は、本発明の第１実施形態である温度特性計測システムの構成図である。
計測システム２００は、加熱ステージ１００と、ＺステージとしてのＸＹＺθステージ１１０と、プローブ１２０と、ケーブル１３０と、測定装置としての電子計測器１５０と、制御装置１６０と、報知部１７０とを備える。加熱ステージ１００は、測定サンプル１９０を載置するものであり、前記したように、第１ステージ１０（図１）と第２ステージ２０（図２）とを略同一温度に維持するヒータ５０を備えている。

【0014】

ＸＹＺθステージ１１０は、加熱ステージ１００をＸＹＺ方向に並進移動させるとともに、Ｚ軸回りに回転移動させるものである。なお、ＸＹＺθステージ１１０は、加熱ステージ１００を移動させることなく、プローブ１２０を移動させても構わない。つまり、ＸＹＺθステージ１１０は、加熱ステージ１００およびプローブ１２０の何れか一方または双方をＸＹＺθ方向に移動させる。

【0015】

プローブ１２０は、測定サンプル１９０の電気特性を測定するための複数の針１２５を備えている。ケーブル１３０は、電子計測器１５０とプローブ１２０とを接続するケーブルである。電子計測器１５０は、プローブ１２０を介して測定サンプル１９０の電圧－電流特性を測定する測定装置である。制御装置１６０は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）であり、アプリケーションプログラムを実行することにより、電子計測器１５０およびＸＹＺθステージ１１０を制御する。報知部１７０は、制御装置１６０の指令により、音声や視覚で作業者に報知する。

【0016】

図３は、本発明の第１実施形態である温度特性計測システムの動作を説明するフローチャートである。このフローは、第１ステージ１０および第２ステージ２０の温度を測定温度まで上昇させたときに起動する。なお、破線枠内に示すステップＳ２～Ｓ５は、制御装置１６０が実行するものとするが、破線枠外に示すステップＳ１，Ｓ６，Ｓ７は、制御装置１６０が実行しても作業者がマニュアルで実行しても構わない。

【0017】

作業者は、まず、第１ステージ１０と第２ステージ２０をヒータ５０で加熱する。次に、作業者は、第１ステージ１０と同一温度の第２ステージ２０の上面に針１２５の先端を目視で近接させる（Ｓ１）。これにより、第２ステージ２０の上面温度と針１２５の先端温度とが略一致する。Ｓ１の処理後、制御装置１６０は、電子計測器１５０に接触抵抗の測定を行わせ、接触抵抗が閾値以上であるか否か判定する（Ｓ２）。ここで、測定対象は、針１２５が２本であれば、２本の針１２５の間の接触抵抗であり、針１２５が３本以上であれば、複数の針１２５の相互間の接触抵抗である。また、針１２５が１本であれば、測定対象は、第２ステージ２０と針１２５との間の接触抵抗である。

【0018】

針１２５と第２ステージ２０の上面とが非接触状態であれば、全ての接触抵抗が閾値以上となる。全ての接触抵抗が閾値以上であれば（Ｓ２で閾値以上）、制御装置１６０は、接触抵抗の測定を繰り返す。一方、熱膨張により針１２５が伸び、第２ステージ２０の上面と接触すると、何れかの接触抵抗が閾値未満になる（Ｓ２で閾値未満）。そこで、制御装置１６０は、何れかの接触抵抗が閾値未満になると、ＸＹＺθステージ１１０（図２）を用いて、第２ステージ２０と針１２５の先端との間隔を所定距離（例えば、５０μｍ）だけ、Ｚ方向に離間させて（Ｓ３）、近接状態に戻す。これにより、針１２５の温度上昇によって針１２５が伸長しても、第２ステージ２０との長時間の接触が回避され、ひいては、針１２５が折れたり曲がるほどの力が針１２５に作用することが回避される。また、第２ステージ２０と針１２５の先端との接触と近接状態とを繰り返すので、第２ステージ２０の上面温度と針１２５の先端温度とがほぼ一致する。

【0019】

Ｓ３の処理後、制御装置１６０は、接触抵抗を測定開始した時点からの経過時間が第１所定時間（例えば、１時間程度）を超えたか否かを判定する（Ｓ４）。第１所定時間が経過していなければ（Ｓ４で「非経過」）、制御装置１６０は、処理をＳ２に戻し、接触抵抗の判定を繰り返す。一方、第１所定時間が経過すれば（Ｓ４で「経過」）、針１２５の温度や伸長が定常状態にあったと見なすことができるので、制御装置１６０は、報知部１７０（図２）を介して、定常状態になった旨を作業者に報知する（Ｓ５）。

【0020】

Ｓ５の処理後、作業者または制御装置１６０は、手作業またはＸＹＺθステージ１１０（図２）を用いて、プローブ１２０の針１２５を、第２ステージ２０（図１）から第１ステージ１０（図１９に移動させて（Ｓ６）、針１２５を測定サンプル１９０に接触させる。Ｓ６の処理後、作業者または制御装置１６０は、電子計測器１５０を用いて、測定サンプル１９０の電気特性を測定し（Ｓ７）、処理を終了する。

【0021】

以上説明したように、本実施形態の計測システム２００によれば、第２ステージ２０の上面との近接による温度上昇によって針１２５が伸長しても、第２ステージ２０の上面と針１２５の先端との接触と近接とが繰り返される。つまり、針１２５の先端は、第２ステージ２０に完全には接触しない。そのため、針１２５の損傷が回避される。また、接触抵抗が閾値以上の状態が第１所定時間（例えば、１時間程度）以上、経過すれば、作業者に報知される。また、第１所定時間の経過により、針１２５の先端温度が第２ステージ２０の上面温度と略同一になる。

【0022】

つまり、計測システム２００によれば、針１２５と第２ステージ２０との間隔の維持が自動化されるので、作業者が針１２５と第２ステージ２０の上面との近接状態を、第１所定時間（例えば、１時間程度）、手作業で維持し続ける必要がない。また、複数（多数）の針を有しているプローブカードの場合、針毎に、伸び具合が違うので、作業者が最も伸長する針を特定することが難しかったが、計測システム２００によれば、複数の針の何れかの針の接触抵抗が低下したことを自動検知するので、作業者は、報知（Ｓ５（図３））を認識するだけでよい。

【0023】

（第２実施形態）
前記第１実施形態では、接触抵抗が閾値未満になり、第２ステージ２０の上面と針１２５の先端とを離間させてから第１所定時間（例えば、１時間程度）経過したか否か判定したが、接触抵抗が閾値以上になってから時間経過を判定しても構わない。

【0024】

図４は、本発明の第２実施形態である温度特性計測システムの動作を説明するフローチャートである。
作業者は、第１ステージ１０と同一温度の第２ステージ２０の表面に針１２５の先端を近接させる（Ｓ１１）。Ｓ１１の処理後、制御装置１６０は、電子計測器１５０に接触抵抗の測定を行わせ、閾値以上であるか否か判定する（Ｓ１２）。接触抵抗が閾値以上であれば（Ｓ１２で閾値以上）、制御装置１６０は、第２所定時間（例えば、１時間程度）、経過したか否か判定する（Ｓ１４）。第２所定時間が経過していなければ（Ｓ１４で非経過）、制御装置１６０は、処理をＳ１２に戻し、電子計測器１５０に接触抵抗の判定を行わせる。

【0025】

加熱により、針１２５が伸長し、針１２５の先端を第２ステージ２０の表面に接触すると、接触抵抗が閾値未満になる。接触抵抗が閾値未満であれば、制御装置１６０は、第２ステージ２０と針１２５の先端とを所定距離だけ離間させ（Ｓ１３）、タイマーをゼロに設定したうえで、処理をＳ１２に戻し、接触抵抗の判定を行う。接触抵抗が閾値以上であれば（Ｓ１２で閾値以上）、制御装置１６０は、タイマーの経過時間（すなわち、接触抵抗が閾値以上になっている時間）が第２所定時間（例えば、１時間程度）を超えたか否かを判定する（Ｓ１４）。タイマーの経過時間が第２所定時間を超えていれば（Ｓ１４で経過）、制御装置１６０は、作業者に報知させる（Ｓ１５）。

【0026】

Ｓ１５の処理後、作業者または制御装置１６０は、手作業またはＸＹＺθステージ１１０（図２）を用いて、プローブ１２０の針１２５を第１ステージ１０に移動させて（Ｓ１６）、針１２５を測定サンプル１９０に接触させる。Ｓ６の処理後、作業者または制御装置１６０は、電子計測器１５０を用いて、測定サンプル１９０の電気特性を測定し（Ｓ１７）、処理を終了する。

【0027】

（第３実施形態）
前記第１，２実施形態の加熱ステージ１００（図１）は、円形の第１ステージ１０と矩形状の第２ステージ２０とを設けていたが、第２ステージは、第１ステージ１０を囲むリング状にすることもできる。

【0028】

図５は、本発明の第３実施形態である加熱ステージ１０１の構成を示す平面図である。
加熱ステージ１０１は、円形の第１ステージ１１と、その外周に設けたリング状（円帯状）の第２ステージ２１とを備えて構成される。第１ステージ１１は、前記実施形態の第１ステージ１０と同様の構成である。第２ステージ２１は、第１ステージ１１の外周に配設されているが、第１ステージ１１とは電気的に絶縁されている。また、前記実施形態と同様に、第１ステージ１１と第２ステージ２１とは、同一温度に維持されている。

【0029】

本実施形態の動作は、前記第１，２実施形態と同様である。つまり、プローブ１２０の針１２５を第２ステージ２１の上面に近接させる。針１２５が伸長して第２ステージ２１の上面に接触したら、制御装置１６０は、ＸＹＺθステージ１１０を用いて、第２ステージ２１を降下させる。これにより、針１２５と第２ステージ２１の上面とが再び、離間状態になる。この離間状態が所定時間以上継続したら、制御装置１６０は、作業者に報知する。

【0030】

（比較例）
図６は、本発明の比較例であるプローブの外形図である。
プローブ１２１は、複数の針１２６，１２７を備えたプローブカードである。プローブ１２１が加熱ステージ１００（図１，２）に近接すると、伸長により最も長い針、例えば針１２７が加熱ステージ１００の上面に接触し、折れることがある。そこで、プローブ１２１には、光で針の折れを検出するエッジセンサ（不図示）を設けていることがある。前記各実施形態の計測システム２００であれば、エッジセンサを使用することなく、針の俺を未然防止することができる。

【0031】

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態では、接触抵抗が閾値以上であるか否かを判定したが、電流が流れているか否かを判定しても構わない。言い換えれば、電子計測器１５０は、針１２５同士の抵抗または針１２５と第２ステージ２０との抵抗を測定し、制御装置１６０は抵抗値が無限大かゼロかを判定すればよい。

【符号の説明】

【0032】

１０，１１ 第１ステージ
２０，２１ 第２ステージ
５０ ヒータ
１００，１０１ 加熱ステージ（温度特性測定用ステージ）
１１０ ＸＹＺθステージ（Ｚステージ）
１２０、１２１ プローブ
１２５，１２６ 針（プローブ針）
１３０ ケーブル
１５０ 電子計測器（測定装置）
１６０ 制御装置
１７０ 報知部
１９０ 測定サンプル
２００ 計測システム

【要約】

【課題】プローブの針の損傷を防止する。
【解決手段】測定サンプル１９０を載置する第１ステージと、第１ステージと電気的に絶縁する第２ステージと、第１ステージおよび第２ステージを略同一温度に加熱するヒータ５０とを備える加熱ステージ１００と、測定サンプル１９０に接触する針１２５を備えるプローブ１２０と、プローブ１２０を介して測定サンプル１９０の電気特性を測定する測定装置１５０と、加熱ステージ１００およびプローブ１２０の何れかを移動させるＺステージ１１０と、測定装置１５０が第２ステージと針１５０との抵抗を測定している場合、抵抗が閾値未満になったとき、第２ステージと針１２５との間隔を所定距離だけ離間させ、該抵抗が閾値以上になったときに該間隔を保持させることを繰り返し、該抵抗が閾値以上になっている時間が所定時間以上になったことを判定する制御装置１６０とを備える。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】