[논문]웨이퍼 프로버 척의 저온 온도균일도 향상에 관한 연구

주영철; 신휘철; 강명구

doi:10.5762/kais.2009.10.10.2572

웨이퍼 프로버 척의 저온 온도균일도 향상에 관한 연구
A Study of Improvement of Low Temperature Uniformity of Wafer Prober Chuck 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.10, 2009년, pp.2572 - 2576

주영철 (순천향대학교 기계공학과) , 신휘철 (순천향대학교 기계공학과) , 강명구 ((주)쎄믹스)

초록
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반도체 양산공정에 사용되는 웨이퍼 프로버의 척은 고온이건 저온이건 항상 일정한 온도균일도가 요구된다. 저온으로 운전 시에 온도분포를 써모커플을 이용하여 측정한 결과 온도균일도를 향상할 필요가 있음을 발견하였다. FLUENT를 이용한 전산해석을 하여 온도분포를 해석하였으며, 이 결과를 이용하여 냉각수 회로 배치의 변경과 국부적인 회로 폭의 확대 등 개선안을 제시하였다. 제시된 개선안과 현재 척의 온도분포를 비교한 결과 온도균일도가 향상되었음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The wafer prober is used in mass production process of semiconductor chips. The chuck in wafer prober must have a uniform temperature distribution when the chuck is heated or cooled. The temperature distribution of prober chuck is measured by using a thermocouple when the chuck is cooled. The temperature distribution is also calculated by using a CFD program, FLUENT. The measured temperature and calculated temperature show similar distributions. A modified coolant circuit distribution for the improving temperature uniformity is suggested based on the numerical analysis results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 전산해석을 이용하여 온도분포를 해석하고 측정치와 비교함으로써 척의 온도 균일도 향상을 위한 도구를 제시하고자 한다.
반도체 양산공정에 사용되는 웨이퍼 프로버의 부품인 척의 저온 온도 균일도에 관하여 연구하였다.
본 연구는 써모커플(thermocouple)을 이용하여 프로버 척의 온도분포를 체계적으로 측정하여 척의 온도 균일도를 파악하고자 한다.

가설 설정

히터가 장착된 마이카 단열판은 히터의 두께가 너무 얇아 독립된 격자생성이 어려웠기 때문에 마이카 전체 부피에서 균일한 열이 발생한다고 가정하였다.
두랄루민 재질의 척 내부에서 열전도도 k는 일정하다고 가정하였고 발열량 #은 0이다.

제안 방법

CFD 프로그램을 이용하여 전산해석한 결과 냉점의 아래에 입구에서 유입되는 냉각수 회로가 있는데 이 냉각수의 온도가 낮아 냉점이 발생하며, 척 바깥부분을 도는 냉각수는 이미 온도가 올라가서 냉각효과가 적은 것을 알 수 있었다. 냉각수 회로배치 변경과 국부적인 냉각수 회로 폭의 확대를 통하여 척 윗면의 온도분포 균일도를 향상시켰다.
또한 1사분면의 온도가 낮은 것을 해결하기 위해 냉각수 회로의 밀도를 낮추고자 냉각수 출구를 좀 더 일찍 척에서 빠져나가도록 하였다.
척 바깥부분의 온도를 낮추기 위해서 냉각수 회로의 폭을 맨 바깥부분만 8mm에서 10mm로 확대하였으며, 특히 2사분면의 바깥쪽에 온도가 높게 나타나는 것을 해결하기 위해 냉각수 회로를 2사분면의 바깥 끝부분까지 배치되도록 변경하였다.
또한 1사분면의 온도가 낮은 것을 해결하기 위해 냉각수 회로의 밀도를 낮추고자 냉각수 출구를 좀 더 일찍 척에서 빠져나가도록 하였다. 최적의 냉각수 출구위치와 2사분면 회로배치는 시행착오법으로 구하였다. 그림 5(b)에 척 윗면의 온도분포를 나타내었다.

대상 데이터

해석에 사용한 총 격자수는 약 331,000개이며, 인텔 코어2듀오 3.17GHz CPU의 PC를 사용하여 약 2시간 정도의 계산시간이 소요되었다.

성능/효과

CFD 프로그램을 이용하여 전산해석한 결과 냉점의 아래에 입구에서 유입되는 냉각수 회로가 있는데 이 냉각수의 온도가 낮아 냉점이 발생하며, 척 바깥부분을 도는 냉각수는 이미 온도가 올라가서 냉각효과가 적은 것을 알 수 있었다.
온도분포를 써모커플을 이용하여 측정한 결과 냉각수가 유입되는 입구 주변의 윗면에 다른 부위보다 온도가 낮은 냉점이 있고 척의 바깥부분의 온도가 다른 부분의 온도보다 상대적으로 높다는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	웨이퍼 프로버란 무엇인가?	반도체 양산공정에 사용되는 웨이퍼 프로버(wafer prober)는 웨이퍼 상에 구성된 수많은 반도체 칩 회로의 이상 유무를 순차적으로 검사하기 위해 핀(probe)을 웨이퍼 패드에 반복적으로 접촉시켜주는 장치로서, 반도체 소자의 제조공정 중 없어서는 안 되는 필수적인 장비중의 하나이다[1]. 이 장비에서 척은 웨이퍼를 기계적으로 지지하여주고 웨이퍼의 온도를 시험온도인 -50℃ ∼ 150℃ 내외로 균일하게 가열․냉각해 주는 역할을 한다.
	프로버 척의 온도분포 해석 결과 1사분면에서 냉점이 존재하는 이유는?	그림 2(b)의 측정치가 척의 모서리 부분을 제외한 값이라는 것을 고려하면 해석결과와 측정결과가 일치한 분포를 보인다. 1사분면에서 냉점이 존재하는 이유는 그 아래 부분의 유로에 냉각수 입구부분에서 갓 들어온 차가운 냉각수가 흐르기 때문이다. 또한 척의 바깥쪽에 온도가 높은 영역이 나타나는데 이는 그 아래쪽의 냉각수 회로에 흐르는 냉각수의 온도가 많이 올라 큰 냉각효과를 내지 못하기 때문인 이유와 척의 옆면에서 대기 중으로 열전달이 일어나 중심부보다 열전달이 큰 두 가지 요인이 있다고 사료된다.
	웨이퍼 프로버 장비에서 척의 온도분포와 평편도에 대한 요구조건이 매우 엄격한 이유는 무엇인가?	이 장비에서 척은 웨이퍼를 기계적으로 지지하여주고 웨이퍼의 온도를 시험온도인 -50℃ ∼ 150℃ 내외로 균일하게 가열․냉각해 주는 역할을 한다. 이 경우 웨이퍼 상의 모든 소자가 균일온도에서 측정되어야 하기 때문에 척의 온도분포와 평편도에 대한 요구조건이 매우 엄격하여 척 전체 표면의 온도가 항상 ±1.5℃ 이내의 차이를 보여야 하며, 가열 또는 냉각상태에서도 평편도가 ±8μm 이내에 유지되어야 한다.

참고문헌 (5)

Richard C. Jaeger, 반도체 공정개론 (이상열 역), 교보문고, 2005.
Incropera, DeWitt, Bergmann, and Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th ed, John Wiley & Sons, 2007.
http://www.matweb.com/
http://www.mmm.co.jp/emsd/product
W. Kays and M. Crawford, Convective Heat and Mass Transfer, 2nd ed, Mc-Graw Hill, 1980.

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