JP2000298142A - 印刷回路基板プローブカード上のプローブチップの相対位置を求める方法と装置 - Google Patents

印刷回路基板プローブカード上のプローブチップの相対位置を求める方法と装置

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JP2000298142A JP2000064415A JP2000064415A JP2000298142A JP 2000298142 A JP2000298142 A JP 2000298142A JP 2000064415 A JP2000064415 A JP 2000064415A JP 2000064415 A JP2000064415 A JP 2000064415A JP 2000298142 A JP2000298142 A JP 2000298142A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プローブカードアレーのプローブチップの相
対位置を、高い分解能、再現性、精度で求める方法と装
置。 【解決手段】 プローブカード検査システム(10)は、写
真平版と真空蒸着を使用して複数のターゲットを上に堆
積した基準プレート(50)を使用する。複数の半導体プロ
ーブカードのプローブチップ(48)は、プレート上の基準
パターンと接触する。電子像形成システムが、基準パタ
ーンの指標マーク(90)に対して、プローブチップの幾何
学的重心を求める。中央プロセッサーが、指標マークに
対する各々の像形成されたプローブチップの位置を求
め、そのデータから各プローブチップの相対的位置を計
算する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術的分野】本発明は、半導体試験装置
に関する。より詳しくは、本発明は、半導体プローブカ
ードの解析、再加工、スクラブマーク解析ステーション
に関する。
【０００２】
【従来の技術】ダイ又は半導体ウェハの形のときに集積
回路を試験して、集積回路の製造を援助する色々の装置
と技術が発展してきた。各ダイのコンタクトパッドを電
気試験装置の迅速で選択的に相互接続するため、細長い
ワイヤーのアレー又は他の接触媒体が提供される。接触
媒体は、各半導体ダイと関連付けられた金属化したコン
タクトパッド上に位置できるように、通常のプリント基
板上に配置される。当業者が知っているように、これら
のプリント基板試験カードは、「プローブカード」又は
「プローブアレーカード」として知られている。
【０００３】半導体回路の部品密度が増加するにつれ、
各ダイと関連付けられたコンタクトパッドの数も増加し
た。１つのダイが各ダイと電気的に関連付けられた600
より多いパッドを有することもまれではない。金属化し
たパッド自体は、10μｍほどの間隙しかなく、中心間距
離は50μｍから100μｍ程度である。その結果、プロー
ブアレーカードの細長いプローブワイヤーは、より密に
密集する。プローブの「チップ（先端）」の自由端部
は、共通の水平面に整列し、その平面内で相互に適正に
位置し、プローブが集積回路ダイの金属化したパッド上
に押付けられるとき、プローブは実質的に同時にタッチ
ダウンし、ターゲット上にあるとき、等しい力をかける
ことが望ましい。ここで使用する「タッチダウン」、
「レスト」、「第１接触（コンタクト）」は、同じ意味
である。パッドと電気接触するプロセスで、プローブ
は、「オーバートラベル（過度の動き）」、プローブが
レスト位置からそれる。この動きは、「スクラブ」とい
われ、プローブのレスト位置とオーバートラベル位置
が、プローブカードの仕様範囲にあるか求めるとき考慮
する必要がある。
【０００４】本発明の譲受人は、色々のプローブカード
の電気特性、平面性、水平整列、及びスクラブ特性を試
験する装置を開発し、このような装置をプローブカード
試験再加工ステーションの一連のPrecision PointTMと
して販売してきた。これらのステーションの重要な部品
は、「チェックプレート」という平らな作用表面であ
る。チェックプレートは、プローブの上述した特性をチ
ェックしながら、半導体ダイがプローブカードによる試
験を受けることをシュミレートする。本発明の譲受人の
Precision PointTM装置と共に使用するのに適したチェ
ックプレートは、1990年4月17日にスチュアートらに発
行された米国特許第4,918,379号に記述されていて、そ
の開示内容をここに参照する。対象のプローブカードが
固定位置に保持されている間に、チェックプレートは、
水平相対位置を試験するとき水平にステップ状に移動
し、各プローブチップのタッチダウン接触とオーバート
ラベル位置を試験するとき垂直にステップ状に移動す
る、ということを繰り返せば、ここの開示には十分であ
る。以前には上述の特許に記述されているように、各プ
ローブチップの水平位置情報は、絶縁したプローブチッ
プをチェックプレート上の抵抗の不連続点を横切ってス
テップ状に移動させることにより求められた。近年、チ
ェックプレートの表面接触面に透過性光学窓を十分大き
な寸法で配置し、プローブチップが内部に入るようにす
ることで、この技術は置きかえられた。チェックプレー
トが上昇しプローブを過ぎて「オーバートラベル」する
とき、窓を通してプローブチップを見る電子カメラが、
プローブの初期のタッチダウンの画像と、「スクラブ」
によるプローブの変位した位置とをデジタル化する。初
期のタッチダウン位置は、期待したタッチダウン位置と
比較され、オペレータがその特定のプローブを再度整列
させるのを助ける。
【０００５】水平（例えばＸ−Ｙ）面のプローブチップ
の相対位置を求める他の従来技術は、シュワルツらの米
国特許第5,657,394号に記述されていて、その開示内容
をここに参照する。そこに開示されるシステムは、精密
移動ステージを使用して、ビデオカメラを既知の位置に
位置させて、光学窓を通してプローブの点を見る。ビデ
オ画像とステージ位置情報を解析して、プローブの点の
相対位置を求める。この種類のシステムでは、「参照」
プローブ位置は、初めビデオカメラの情報と、精密ステ
ージからの位置情報とを組合せて求められる。プローブ
カードのプローブのピッチが十分小さければ、ビデオカ
メラで２つ又はそれ以上のプローブを同時に像形成する
ことが出来る。次に、この隣接するプローブの位置は、
ビデオカメラの情報からのみ「参照」プローブに対して
参照される。次に、カメラは第２プローブに隣接する第
３プローブへ移動し、プローブカード全体の各プローブ
が画像化されるまで、このプロセスを繰り返す。
【０００６】上述したプローブ位置を求める方法は、そ
れぞれ独自の制限がある。スチュアートらの米国特許第
4,918,379号に記述された方法は、プローブピンに対し
てチェックプレートを移動させるステージの再現性と正
確さにより頼む。各プローブチップの位置は、ステージ
の基準位置に対して独自に求められるが、ステージの分
解能（即ち、微小位置合わせ装置が電子制御で移動でき
る最小の直線増分の大きさ）に固有の制限がある。従っ
て、この技術は、プローブピン位置の所望の公差が、微
小位置合わせステージの分解能より小さければ、この技
術は適用できない。
【０００７】シュワルツらの米国特許第5,657,394号に
記述された方法は、理論的にはより正確である。いった
ん「参照」プローブの位置が求まると、プローブチップ
アレーの他のプローブチップの位置は、ビデオ（一般に
ＣＣＤ）カメラの分解能を使用して相互に求められるか
らである。現代のＣＣＤアレーの画像要素（即ち、画
素）は、中心間距離を7.0μｍ又はそれ以下とすること
ができる。従って、このシステムの分解能は、非常に高
い。しかし、この技術には主な制限が2つある。第１の
限定は、ＣＣＤアレーにより行われる各測定に関連する
小さい誤差に関する。これらの誤差は、順に測定される
次のプローブで累積する。従って、600又はそれ以上の
プローブを備えるアレーでは、600番目のプローブ位置
測定誤差は、極めて大きくなる場合がある。これを解決
するには、全てのプローブチップを同時に画像化出来る
ＣＣＤアレーを設けることである。残念なことに、プリ
ント回路プローブカードアレーの大きさ（即ち、プロー
ブカード当たりのプローブチップの数）は、ＣＣＤアレ
ーの大きさより速く大きくなっている。半導体製造技術
の当業者が良く知っているように、大きな半導体ダイを
製造する困難さは、ダイの面積と共に幾何級数的に増加
し、一方プリントプローブカードのピッチを増加させる
ことは、抑制されていない。第２の制限は、プローブピ
ンチップの画像を形成する光学システムの固有の正確さ
に関する。米国特許第5,657,394号は、光学システムで
正確に光学収差又は調整を補償する技術を開示していな
い。
【０００８】上述した問題を解決するため、本発明の譲
受人は、ＲＲＶＸTMという名称でプローブカード解析、
再加工ステーションを製造し、この装置は、ビデオ技術
を使用して、プリント回路プローブカードのアレーのプ
ローブチップを画像化し、各測定で隣接するプローブチ
ップでなく各ステージの位置を参照する。従って、各プ
ローブのデカルト座標系の水平位置は、同じように正確
に求められる。しかし、現代のプリント回路プローブカ
ードのプローブの密度は600プローブを超え、このよう
なハイブリッドシステムの分解能の限界に近づいてい
る。明らかにある点で、プリント回路プローブカードの
アレーの大きさと、プローブチップのピッチ密度の両方
が、このようなシステムの能力を超える。さらに、上述
したように、全ての従来技術のシステムが、測定プロセ
スのある点でより頼む機械的ステージの正確さ、再現
性、分解能には固有の機械的制限がある。例えば、この
種の機械的システムは、温度変動、機械的摩耗、摩擦等
による寸法変化にさらされる。これらの変化は、数値制
御方法又は位置エンコーダーにより、ある程度補償され
る。しかし、分解能、精度、再現性が改善されたプリン
ト回路プローブカード解析システムの必要性がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】それゆえ本発明の目的
は、プローブカードアレーのプローブチップの相対位置
を、高い分解能、再現性、精度で求める方法と装置を提
供することである。本発明の別の目的は、プローブカー
ドアレーのプローブの相対位置を、機械的ステージの精
度によらないで求める方法と装置を提供することであ
る。本発明のさらに別の目的は、プローブカードアレー
のプローブの相対位置を、個々のプローブチップがプロ
ーブカードチェックプレート上にタッチダウンする回数
が最小で求める方法と装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、発明の詳細な
説明から明らかなように、規則的に位置する光学的に認
識可能な複数のマークを含む起点即ち基準プレートを有
するプローブカード検査システムを提供することによ
り、これらの目的、他の目的、及び利点を達成する。マ
ークは、規則的な間隔をおいている。これらの間隔は、
典型的なプローブチップの期待する大きさより実質的に
大きいか、又はプローブチップの間の期待する距離と実
質的に同じである。このシステムは、アドレス可能なア
レー内に配置された複数の像形成要素を有する電子像形
成デバイスを備える。各像形成要素は、プローブカード
のプローブチップの画像の期待される大きさより実質的
に小さい。電荷結合素子アレー等の電子像形成デバイス
は、基準マークと、基準マークの近くの接触表面と接触
する１つ又はそれ以上のプローブチップとの拡大された
画像を形成する。画像プロセッサーが、各像形成要素を
アドレスし、基準マークに対して、プローブカードアレ
ーの１つ又はそれ以上のプローブチップの位置を求め
る。
【００１１】本発明の好適な実施例では、第１プローブ
チップの位置は、基準プレートの指標マークに対して求
められる。次に、隣接する基準マークに対する次のプロ
ーブチップの位置が求められる。指標マークに対する各
規準マークの位置は、（例えば、基準マークを計数する
ことにより）分る。それゆえ、各プローブチップの位置
は、基準プレート上の指標マークに対して求められる。
この情報から、各プローブチップの相対位置を最小の測
定誤差で相互に求めることが出来、精密ステージ又は電
子像形成デバイスを移動させる他のデバイスの位置等の
外部参照に対して求めるのではない。電子像形成デバイ
スが全てのプローブを同時に像形成するには十分に大き
くない場合、像形成デバイスを基準プレートに対して水
平に移動させ、各プローブチップを像形成する。
【００１２】本発明の好適な実施例では、基準マーク
は、基準プレートの接触即ちタッチダウン表面と実質的
に同一平面になるように位置することができる。他の実
施例では、基準マークは、接触表面と平行であるが変位
した位置に位置することが出来る。この他の実施例で
は、基準マークを有する表面と接触表面とは、各々所定
の異なる波長の単色光で照明され、接触表面と基準マー
クを有する表面の画像を共通の焦点面に形成するように
する。基準マークは、写真平版技術に従って、サファイ
ヤプレートに直接イオン又は酸でエッチングするか、又
は真空蒸着により堆積するのが好ましい。好適な実施例
の検査システムは、また電子回路を有する画像捕獲デバ
イス、及び／又はマイクロプロセッサとコンピュータプ
ログラムを有し、基準マークの画像の拡大と、電子像形
成デバイスに対する基準マークの画像の回転又はひずみ
を補償するのが好ましい。
【００１３】好適な実施例の方法では、電子像形成デバ
イスは、電気機械ステージにより基準プレートに対して
移動され、基準プレートには指標マークが設けられる。
指標マークに対する各基準マークの識別は、電気機械ス
テージからの全体の位置情報から、又は像形成デバイス
を過ぎる各規準マークの通過を電子的に計数することに
より、得られる。第２ステップで、電子像形成デバイス
からの画像要素（画素）情報から、隣接する基準マーク
に対する各プローブチップの幾何学的重心の位置が求め
られる。この位置情報は、隣接する基準マークの位置情
報と統合され、指標マークに対して対象のプローブチッ
プの重心の絶対位置を正確に求める。次のプローブチッ
プに対してこのプロセスを繰返し、基準プレートの指定
された指標マークに対する各プローブチップの位置が分
かる。その結果、測定した各プローブチップの相互の相
対位置も分かる。
【００１４】本発明の他の実施例では、アルミニウム処
理したシリコンウェハが、高温スクラブ試験の間に「プ
ローバ」といわれるデバイスを使用して、プローブカー
ドにより、「スクラブ」される。高温スクラブ試験は、
アルミニウム処理した半導体ダイ上に一連の溝状のしる
しをつける。次に、これらのしるしは、本発明の基準プ
レートにより装置で解析される。この情報は、プローブ
カードの設計、再加工、校正に有用である。
【００１５】
【発明の実施の形態及び実施例】図１に本発明を使用す
る半導体プローブカード分析再加工ステーションの全体
を参照番号10で示す。このステーションは、オペレータ
12により使用されている。ステーションは、電気機械ユ
ニット16をモニターし作動させるためのパーソナルコン
ピュータ14を備え、該電気機械ユニットは半導体プリン
ト回路プローブカード（図示せず）の検査と再加工を行
う。電気機械ユニット16は、顕微鏡18と、半導体プロー
ブカード用のキャリヤ20と、直交移動ステージ22とを備
える。再加工ステーション10は、さらに多導体ケーブル
26により電気機械ユニット16及びコンピュータ14と相互
接続された信号処理装置24を備える。オペレータ12は、
パーソナルコンピュータ14により、直交移動ステージ22
の移動を制御し、プローブカードキャリヤ20に保持され
たプローブカードに色々の試験を行うことができる。
【００１６】電気機械ユニット16は、図２から４の全体
を参照番号30で示す本発明のプローブカード検査システ
ムを組込む。システムは、Ｘ軸キャリヤ32とＹ軸キャリ
ヤ34とを備え、これらが直交移動ステージ22を形成す
る。制御回路とソフトウェアを含む適当なステージは、
ワシントン州イサクアの本発明の譲受人であるアプライ
ドプレシジョン社から色々のモデルを得ることが出来
る。直交移動ステージ22は、さらに全体を参照番号36で
示すＺ軸キャリヤを備え、Ｘ軸とＹ軸キャリヤを垂直方
向に位置決めする。プローブカード検査システム30は、
電荷結合素子（ＣＣＤ）44を備える電子像形成デバイス
40を有し、このＣＣＤは、基準プレート50上のプローブ
46のチップ48を像形成するために768×493の画素アレー
を有する。適当な電子像形成デバイスは、日本のソニー
社によりＸＣ−７７ＢＢというモデル番号で製造されて
いる。
【００１７】プローブカード（図示せず）は、プローブ
カードキャリヤ20に着脱可能に接続され、基準プレート
50上に堅固に吊り下げられる。電子像形成デバイス40
は、プローブ46のチップ48と、後述するように好ましく
は基準プレート50に写真平版により形成されたパターン
との電子画像を作る。結果の画像は、次に信号処理装置
24と、パーソナルコンピュータ14により処理される。こ
の目的のため、Ｙ軸キャリヤ34は、疑似単色発光体56
と、暗視野ビーム分割プリズム58と、視野レンズ60とを
有する光学フレーム部材54を支持する。これらの発光体
とプリズムと視野レンズとは、垂直光学軸を形成する。
第２の横方向光学軸70は、電子像形成デバイス40と、第
１プリズム62と、主像形成レンズ64と、第２プリズム66
と、集束レンズ68とにより形成される。集束レンズ68
は、水平光学軸70を暗視野ビーム分割プリズム58へ向
け、この光は視野レンズ60を通って、基準プレート50と
プローブ46のチップ48上へ行く。発光体56は、波長624
ｎｍのＬＥＤ71を備え、光は球面ミラー71(a)により集
束され、ビームスプリッター58を通り、基準プレート50
へ行く。
【００１８】さらに図３ａを参照して説明する。ＬＥＤ
発光表面57の拡大された画像は、凹面ミラー群56によ
り、基準プレート50の上(外)表面82上に形成される。柔
らかい散光器59が、この画像を滑らかにし、プローブチ
ップの特定の領域上を均一に照明する。ビームスプリッ
ター58の対角面は、中心近くのアルミニウム処理した領
域58aを除いてコーティングしていない。56からの光
は、領域58aの周りを通って、基準プレートへ行く。プ
ローブチップ又は基準マークが存在しなければ、表面82
から反射された光は、領域58aの周りを通過し、領域58a
で反射されて対物レンズ68へ行く光はない。マーク又は
チップが存在すると、光は散乱されて領域58aへ行き、
次にカメラ40へ向かう。この器具は、暗視野像形成の１
つの形である。視野レンズ60は、基準プレート50の下面
80の支持面として作用するテフロンハウジング60a内に
あり、図３ａに示す光学系が基準プレート50の下面80に
沿って移動するとき、焦点を維持するのを助ける。視野
レンズは、アルミニウム処理した領域58aを像形成光学
系の瞳孔として確立することにより、暗視野像形成を容
易にする。その結果、レンズ60の球面表面の上方に現れ
る、光学軸０−０に垂直な任意の平面から反射された照
明は、ミラー処理したアパーチャ58aを完全に外れ、カ
メラには進まない。瞳孔がプリズムの対角面にあり、そ
れゆえ光学軸に対して傾いているという事実は、暗視野
の性質を害さない。このような表面には、基準プレート
表面80,82と、レンズ60の平面の側が含まれる。光学軸
０−０は、58aにより反射されて０'−０'となり、レン
ズ群68の中心を通り、このレンズ群は基準プレート表面
82を無限遠で像形成する。
【００１９】第１プリズム62は、一対の直角プリズムか
らなり、支持体72のＸ軸キャリヤ32に対して支持され
る。図２に示すように、電子像形成デバイス40と、第２
プリズム66と、主像形成レンズ64とは、外部フレーム部
材74に対して固定されている。Ｙ軸フレーム34は、Ｘ軸
フレーム32に対して可動でその上にあることを考える
と、当業者には明らかなように、水平光学軸70（以下、
プローブチップ画像軸という）は、Ｘ軸キャリヤとＹ軸
キャリヤの独立した移動の間、水平なままである。Ｚ軸
キャリヤは、参照番号36で概略的に示され、基準プレー
ト50の下面80と接触する視野レンズ60を垂直方向に位置
決めし、プローブチップ48を像形成する。従って、この
好適な実施例では、プローブチップを基準プレートに対
して移動させずに、プローブチップの群を、像形成し測
定することが出来る。さらに、Ｚ軸キャリヤを使用し
て、基準プレートと視野レンズの間に空隙を設けること
が出来る。リング60の形の支持表面により、2000分の1
インチの空隙を維持することができ、光学表面60と80の
擦傷を防止できる。光学フレーム部材54はまた、基準プ
レートの下面80に対して、バネで荷重をかけ、2000分の
1インチの空隙を維持することができる。
【００２０】当業者には分かるように、ＣＣＤアレー44
と、プリント回路プローブカード(図示せず)上のプロー
ブ46のピッチ（即ち、密度）と、プローブチップ像形成
軸70の拡大率によって、電子像形成システム40により、
1つ又はそれ以上のプローブチップ48を同時に像形成す
ることが出来る。もし上述の拡大率が全てのプローブチ
ップを同時に像形成するように選択されていなければ、
直交移動ステージは、電子像形成デバイス40が各プロー
ブチップ又はプローブチップの群を順に像形成できるよ
うに、視野レンズ60を適当に位置決めする。さらに、当
業者が良く知っている方法で、集束レンズ64は、色々の
異なる焦点距離で選択し、全て又は全てより少ないプロ
ーブチップの電子像形成が同時にできるようにすること
もできる。
【００２１】図５から７に示す基準プレート50は、視野
レンズ60に接触する下面80と、１つ又はそれ以上のプロ
ーブチップ48に接触する上側接触表面82とを有する。基
準プレートは、好ましくは光学品質ガラス、水晶、又は
サファイヤ結晶でできた基板84を有する。中心に位置す
る方形領域86には、写真平版の真空蒸着等による繰返し
パターンが組み込まれている。図６に示す拡大された領
域は、この繰返しパターンの好適な実施例を例示し、指
標マーク90と複数の基準ターゲット即ちマーク92が、デ
カルト座標（Ｘ、Ｙ）で表される２次元アレーに配置さ
れ、指標マーク90は座標（0,0）で識別される。好適な
実施例では、基準プレートは、光学品質ガラス、水晶、
又はサファイヤの単一のシートからなる。図７に、本発
明の別の実施例として最も良く示すように、基準プレー
ト50の上側接触表面82は、酸エッチング等によるプレー
トに約900オングストロームの深さにエッチングされた
正方形の窪み96を備える。次に、基準マーク92は、窪み
96を充填するように金属化ステップで堆積される。基準
マーク92の好適な金属は、クロムである。結果の上側接
触表面82の表面平面度は、25.4ｍｍ当たり約2波長（63
2.8ｎｍ）である。オプションとして、単色光源56の1/4
波長の窒化物コーティングを、方形領域86全体に堆積
し、均一で滑らかな表面を達成することも出来る。
【００２２】図６と７に示すように、基準マーク92は、
長さ97、幅97が約2.25μｍの硬質合金の正方形の島で、
中心間の分離間隔98は25μｍである。基準マーク92の間
の領域100は、光学的に透明で、プローブチップ48又は
複数のプローブチップを下面80と上面82を通って、集束
レンズ60により像形成できるのが好ましい。典型的な半
導体プローブカードのプローブ46は、タングステン等の
比較的硬い材料から作られる。典型的なプローブ46のチ
ップ48は、新しい状態では球形部分を形成する彎曲表面
を有する。ここに記述した種類のプローブチップは、典
型的には、曲率半径80μｍ、断面幅20μｍである。使用
において、プローブチップ48の表面は、摩耗、又はアル
ミナ表面に多数回タッチダウンしてプローブチップに蓄
積した酸化物を除去するのに使用した清浄プロセスによ
り、球形でなくなる傾向がある。その結果、プローブチ
ップの表面は、円形又は楕円形の平面に近くなり、その
長軸寸法は20μｍを超えない傾向がある。従って、プロ
ーブチップ48が、プローブカード検査システム30の観察
表面を形成する方形領域86と接触するとき、プローブチ
ップは、基準マーク92の間に入るか、又はおそらく１つ
の基準マークを覆うが、２つ又はそれ以上は覆わない。
その結果、対象の１つ又はそれ以上のプローブチップ46
のデジタル画像が、図６に示すパターンに重ね合わさ
れ、電子像形成デバイス40に発生する。この画像は、信
号処理装置24と、パーソナルコンピュータ14で処理さ
れ、解析される。信号処理装置は、カナダ、モントリオ
ールのマトリックスグラフィックス社がパルサーという
モデル名で製造する適当なビデオ捕獲ボードを備える。
【００２３】使用において、使用者12は、複数のプロー
ブ46を有するプリント回路プローブカード（図示せず）
をプローブカードキャリヤ20に位置させる。次に基準プ
レート50を上側接触表面82がプローブチップと接触する
ように位置させ、プローブチップが方形領域86上に在る
ようにする。次に、当業者が良く知っている方法で、ク
ランプ52を調節して、プローブ46をタッチダウン又は
「オーバートラベル」位置に押し下げる。クランプ52
は、チョウネジ等（図示せず）とくさびにより、プロー
ブカードとプローブカードキャリヤの間に調節される。
オペレータ12は、この手順を助けるため顕微鏡18を使用
することが出来る。さらに、複数のプローブチップ48の
理想的水平面からの変位の垂直方向範囲は、スチュワー
トらの米国特許第4,918,374号、シュワルツらの米国特
許第5,657,394号等に記載されている色々の従来技術と
デバイスを使用して、予め決めることができる。これら
の特許の開示内容をここに参照する。
【００２４】いったん、プローブチップ48を方形領域86
の近くの上側接触表面82と接触させて位置さ、全てのプ
ローブチップが「オーバートラベル」又はタッチダウン
モードの何れかになるようにすると、直交移動ステージ
22は、指標マーク90が見えるように作動される。次に、
オペレータ又はシステム30は、第１プローブチップを、
指標マークに対して解析するため、識別する。即ち、好
ましくは指標マーク90に最も近いプローブチップが識別
され、直交移動ステージ22が作動されて、その画像をＣ
ＣＤアレー44内に位置させる。結果の画像は、パーソナ
ルコンピュータ14に表示して、オペレータ12が見ること
が出来る。例として、システム30は、図６と９に示すよ
うに、プローブチップの画像110を、ターゲット(2,0)、
(1,0)、(2,1)、(1,1)の間にあるように発生することが
出来る。この仮の例では、これら４つの基準ターゲット
92の相対位置は、写真平版の精密さにより、指標マーク
90に対して高度の正確さで分かっている。この技術によ
り、ターゲット92と指標マーク90を基準プレート50上に
堆積した。これらの技術により、通常1μｍ以下の精度
が得られる。
【００２５】次に、システム30は、上述した4つの基準
ターゲットに対してプローブチップ画像110の相対位置
を求める。典型的なＣＣＤアレーの隣接する画素の中心
間距離は、約7から12μｍである。従って、像形成シス
テムの倍率が20倍であれば、各規準マーク92間に約50画
素がある。言換えると、像形成軸70の倍率により、ＣＣ
Ｄアレー44上の上述の4つの識別された基準ターゲット
の画像と、プローブチップ画像110は、50×50の画素ア
レーを覆う。画像は、ＣＣＤアレー44上に集束される前
に約20倍に拡大されるのが好ましい。画像強度の大きさ
と画素位置の2次元グラフが、プローブチップ画像110の
2次元分布を表す。この分布の数学的重心112は、「ブロ
ッブ(blob)解析」として当業者に良く知られている技術
により求めることが出来、これはパーソナルコンピュー
タ14のソフトウェアで実行されるのが好ましい。この重
心計算のための適当な画像解析ソフトウェアパッケージ
は、カナダ、モントリオールのマトリックスグラフィッ
クス社から得ることが出来る。同じ技術を使用して、指
標マーク90とターゲット92の画素位置を求める。画素間
の距離は高度の精度で分かっているので、プローブチッ
プの画像の重心112と、指標マーク90の間の距離を計算
することができる。オペレータ又はシステム30は、方形
領域86と接触している任意の他のプローブチップを選択
して、指標マーク90に対する次の位置決定をすることが
出来る。ここで使用する「重心」という言葉は、プロー
ブチップ画像の数学的中心、プローブチップが基準プレ
ートと接触する領域の中心、又はプローブチップ画像の
強度の中心、又はプローブチップ上の任意の他の所定の
独自の位置を含む。
【００２６】もし、プローブチップ画像軸70に低倍率を
使用すると、全体の画像に前に述べた解析を行うことに
より、複数のプローブの位置を同時に求めることが出来
る。又は、直交移動ステージ22は、視野レンズ60をより
少ないプローブチップの群又は1つのプローブチップ48
の下に位置するように、作動することが出来る。当業者
に明らかなように、システム30は、直交移動ステージ2
2、プローブカードキャリヤ20、又は方形領域86外の任
意の参照ポイントに対する任意のプローブの位置を参照
しない。さらに、プローブチップ48の相互の相対位置
は、指標マーク90又は選択した1つの基準ターゲット92
に対して、数学的に求められる。図６の専用指標マーク
90を好適な実施例として示したが、システム30では、任
意のターゲットを、デカルト座標の位置が独自にシステ
ム30に記憶されていれば、「指標マーク」として使用す
ることが出来る。従って、システムの正確さは、写真平
版で位置するターゲット92の正確さにより、直交移動ス
テージ22、又はシステムの任意の他の機械的装置の正確
さによらない。さらに、プローブチップは基準面により
定義される座標系に対して測定されるので、基準プレー
トに対する少しのステージの片揺れ移動、及び/又は少
しの光学的倍率誤差は、ＣＣＤアレーの画像内で、最小
限4つの基準マークの中にプローブチップが入れば、自
動的に除去される。この理由で、システム30は、±0.6
μｍを超える精度を達成することが出来る。正確さは、
写真平版の技術状態によってのみ制限され、その技術と
共に改善される。さらに、システムは、機械的摩耗、温
度変化等の影響を受け難い。全てのシステムの正確さ
は、基準プレート50に組込まれているからである。も
し、基板84が、水晶、又はサファイヤ等の低熱膨張係数
の材料で、機械的に硬い材料で出来ていれば、システム
は、広い温度範囲で長い時間にわたり正確である。
【００２７】しかし、システムは、プローブチップ画像
軸70により定義される光学システムの正確さの影響を受
ける場合がある。例えば、異なる拡大率では、方形領域
86は、「糸巻形ひずみ」効果等により光学的に歪められ
る場合がある。図８にこれを誇張して図式的に示す。こ
の例により示されるように、図８の符号「図９」により
識別される領域に示されるような4つの基準ターゲット
の群は、ＣＣＤアレー44内の画素の直線のアレーに対し
て、回転して見えるかもしれない。さらに、像軸70に1
以外の拡大率が用いられると、ＣＣＤアレー44上の画像
の数学的解析のとき、拡大係数をかける必要がある。
【００２８】図９は、ＣＣＤアレー44に対する基準ター
ゲット92の明らかな回転を修正し、プローブチップ画像
110の幾何学的重心112の水平と垂直（例えば、Ｘ、Ｙ）
位置を正確に求める好適な方法を示す。当業者には分か
るように、簡単な直角幾何学が、ＣＣＤアレー44に対す
る基準ターゲット92の明らかな回転を修正する数学的手
段を与え、ここにαは回転角度を表す。 ｔａｎα＝［ｄb／ｄa] ここに、ｄaは、ＣＣＤアレー44上の基準ターゲット
（2,0）と（1,0）間のＸ方向に投影した画素変位を表
し、ｄbは、ＣＣＤアレー44上の画素の対応する列に対
する基準ターゲット（2,0）と（1,0）間のＹ方向に投影
した画素変位を表す。ターゲットアレーとＣＣＤアレー
が単一の倍率で整列している理想的な場合、画像のスケ
ール係数は、回転角αのコサインと、基準ターゲット
（ｄgrid）92の間のＸ方向距離とＣＣＤアレー44上の対
応する画素の間の距離（ｄpixel）の比率と、の積に等
しい。即ち、 スケール（μｍ／画素）＝ｃｏｓ(α)[ｄgrid/ｄpixel]
【００２９】この式を使用し、図９を参照すると、基準
ターゲット（2,0）と（2,1）を結ぶ線と、プローブチッ
プ(例えば、ｄx)の幾何学的重心112の間の水平距離は、
次のように与えられる。 ｄx＝ｃｏｓ(α)[(ｄ1＋ｄ3)(スケール)] ここに、ｄ3＝[ｄ2]ｔａｎ(α)；ｄ1とｄ2は、画素を計
数し画素間の距離をかけて直接測定した。
【００３０】言換えると、ｄxは、ターゲット（2,0）と
（2,1）を結ぶ垂直線からの画像重心112の水平変位を表
し、ｄyは、基準ターゲット（2,0）と（1,0）を結ぶ水
平線からの画像重心112の垂直変位を表す。ｄyは、同様
に計算される。上述の計算は、当業者が良く知っている
方法で、パーソナルコンピュータ14に容易にプログラム
することが出来る。さらに正確にするため、このプロセ
スを他の基準ターゲット、1,0、1,1、3,1について繰り
返すことが出来、結果は平均をと取られる。
【００３１】この開示と添付図面を見ると、当業者はこ
こに開示された概念を本発明の他の実施例に適用するこ
とが出来る。例えば、上述した好適な実施例は、プロー
ブカードアレー内のプローブチップ46の相対的水平位置
情報を与える。しかし、上述のシステムは、プローブチ
ップ46に関する垂直軸での相対的位置情報を与えない。
基準プレート50に、補助の導電性タッチダウン領域120
を設け、通常の方法でＺ軸方向のプローブ位置を求める
ことも出来る。この他の実施例では、基準プレート50
は、Ｚ軸ステージ36に機械的に接続し、直交移動ステー
ジ22に対して独立に移動させることが出来る(例えば、
直交移動ステージをフレーム部材74に固定し、Ｚ軸ステ
ージと独立にする)。さらに、絶縁された導電性ドット1
24を設け、当業者が良く知っている方法で、バスに接続
したプローブについて、Ｚ軸に沿ったプローブチップの
位置を求めることが出来る。
【００３２】本発明の他の実施例では、基準マーク92と
指標マーク90とは、基準プレート50の下面80に堆積させ
ることが出来る。異なる波長で作動することを除いて、
単色発光体56と同じ第２の単色光源が用いられる。上面
82と下面80の分離距離を適当に選択し、又その分離距離
を2つの光源の波長差と相関させることにより、上面82
と、基準マーク92を有する下面80の画像は、ＣＣＤアレ
ー44の焦点面上に同時に生じる。このように、図６、
８、９に示すように同一の画像が発生するが、基準マー
ク92は、プローブチップ48のオーバートラベル移動によ
る摩耗に晒されない。
【００３３】図１０に、本発明の別の実施例の全体を13
0で示す。この他の実施例は、ベース部材134を有するス
クラブマーク解析ステーション132と、全体を136で示す
Ｘ−Ｙステージと、その上に支持される垂直支持部材13
8とを備える。Ｘ−Ｙステージは、当業者が良く知って
いるようにケーブル142で制御するコンピュータ制御さ
れる微小位置決めモーター140を有する。垂直支持部材1
38は、ケーブル148によりコンピュータ制御で作動する
電動化Ｚ軸ステージ146を有し、Ｘ−Ｙステージ136に対
して、電荷結合素子（ＣＤＤ）電子像形成システム150
を垂直に移動し、垂直方向に位置決めする。Ｘ−Ｙステ
ージによるウェハ支持部（図示せず）は、図１１に示す
ような上面154の大部分を金属化した標準シリコンウェ
ハ152を支持する。図1１に最も良く示すように、ウェハ
は前に高温スクラブ試験に晒され、シリコンウェハは動
作可能な半導体ダイの作動温度まで上げられるかもしれ
ない。プローバーを使用して、対象のプローブカードの
プローブチップは、金属化した表面154にタッチダウン
し、その金属化した表面上に図１２、１３に示す一連の
スクラブマークのパターンを付ける。スクラブマーク
は、金属化した半導体ウェハの表面の窪み又は溝孔で、
プローブカードにより試験をする動作可能な半導体ダイ
の金属化した結合パッド上に現れるスクラブマークを正
確に形作るようにする。図１３に、2つのスクラブマー
ク160,162を図式的に示す。各スクラブマークは、各プ
ローブが初めに上面154にタッチダウンしたウェハ上の
位置を示す開始点164,166を有する。プローブがさらに
上面に対して押し下げられると、プローブチップは、長
軸168,170に沿って終点172,174まで、金属化した層内に
不規則な溝を掘る。さらに、溝は短軸176,178により定
義される不規則な幅を有しても良い。前述したように、
プローブ自体の直接解析により得られる情報に加えて、
方向θと、長軸172,174の長さと、短軸176,178の幅と、
スクラブマーク164,166の形状と、その間の距離180と
は、全て半導体プローブカードの設計、校正、修理、再
加工に重要なデータである。この目的のため、本発明の
他の実施例130は、図１０に見られる基準プレート50'を
使用して直接測定し、上述の変数の各々に定量的データ
を与え、この基準プレートは、図１４に最も良く示すよ
うに、基準マーク領域180を有する。基準プレート50'
は、好適な実施例の基準プレート50と実質的に同じであ
り、好適な実施例の基準マーク92と近似した一連の基準
マーク92'を有する。指標マーク90'も設けることが出来
る。
【００３４】使用において、基準プレート50'は、図１
１から１３に示すような高温試験のスクラブマークを有
するシリコンウェハ152の頂部に置かれる。この組立体
は、顕微鏡スライドクランプ（図示せず）等により、図
１０に示すＸ−Ｙステージ136に接続するチャック（図
示せず）にクランプされる。ＣＣＤ電子像形成システム
150は、ＣＣＤ像形成デバイス40'と、発光源71'と、対
物像形成レンズ60'と、通常の顕微鏡と形状及び機能が
近似した光学組立体68'とを有する。それゆえ、電子像
形成システム150は、図１５に概略的に示す１つ又はそ
れ以上のスクラブマークの画像を生じ、図１５に示され
るその典型的な１つ160は、基準マーク92'と、指標マー
ク90'とがその上に重なっている。好適な実施例につい
て述べたのと同じように、スクラブマーク160の大きさ
と、形状と、長さと、幅と、方向とは、基準マーク9
2'、及び/又は指標マーク90'に対して求めることができ
る。第２に、図１３に示す隣接する基準マーク162もま
た、このように像形成することが出来る。スクラブマー
クの相対的位置が、相互の開始点と終了点を含めて、こ
のように求められる。この情報は、特定のプローブカー
ドを設計し、解析し、及び/又は再加工するのに有用で
ある。半導体ダイの上昇した温度によって動作温度にあ
るとき、作動中にいかにプローブカードのプローブが荷
重に反応するか分かるからである。
【００３５】従って、本発明は、上述の記載により限定
されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプローブカード検査システムを使用す
る半導体プローブカード解析再加工ステーションの斜視
図である。
【図２】プローブカード検査システムの概略上面平面図
である。
【図３】プローブカード検査システムの概略前面立面図
である。
【図３ａ】本発明の光学サブシステム一部の拡大概略図
である。
【図４】プローブカード検査システムの概略側面立面図
である。
【図５】プローブカード検査システムで使用する基準プ
レートの等角斜視図である。
【図６】図５の円で囲む部分の拡大概略図である。
【図７】図５の７−７線に沿った拡大部分断面図であ
り、基準プレートのトポロジーを示す。
【図８】電子像形成システムの基準プレート画像の光学
的「糸巻形ひずみ」の概略を表す図である。
【図９】図８に示される領域の数学的表現である。
【図１０】本発明方法を使用する高温スクラブ試験から
半導体ウェハ上のスクラブマークの相対位置、大きさ、
方向を求める本発明の他の実施例の等角斜視図である。
【図１１】高温スクラブ試験によるスクラブマークを有
するアルミニウム処理した半導体ウェハの概略上面平面
図である。
【図１２】図１１の円で囲んだ領域１２の拡大図であ
り、プローブカードのオーバートラベルによるタッチダ
ウンからのスクラブマークを示す。
【図１３】図１２の円で囲んだ領域１３のスクラブマー
クの拡大図である。
【図１４】基準プレートを載せた図１１に示すアルミニ
ウム処理したシリコンウェハ上面概略図である。
【図１５】図１４の円で囲んだ領域１５のスクラブマー
クの拡大図であり、基準マークを重ねてある。
【符号の説明】
10 半導体プローブカード分析再加工ステーション 12 オペレータ 14 パーソナルコンピュータ 16 電気機械ユニット 18 顕微鏡 20 キャリヤ 22 直交移動ステージ 24 信号処理装置 26 ケーブル 30 プローブカード検査システム 40 電子像形成デバイス 50 基準プレート
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１２年４月１０日（２０００．４．１
０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図３ａ】
【図４】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リッチ キャンベル アメリカ合衆国 アリゾナ州 85224 チ ャンドラー ノース サグアロ 1648 (72)発明者 ティモシー エス キリーン アメリカ合衆国 ワシントン州 98052 レッドモンド ワンハンドレッドアンドサ ーティサード アベニュー ノースイース ト 8240 (72)発明者 ドナルド ビー スノウ アメリカ合衆国 ワシントン州 98040 マーサー アイランド ウェスト マーサ ー 3833

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プローブカード上の大きさと位置がほぼ
    既知であるプローブチップの相対位置を求めるプローブ
    カード検査システムにおいて、 規則的に位置し光学的に検知可能で所定の既知の間隔を
    おいた複数の基準マークが上に在る基準プレートで、複
    数の前記プローブチップの接触表面を形成する該基準プ
    レート、 アドレス可能なアレーに配置され、第１プローブチップ
    の画像の期待する大きさより実質的に小さい複数の像形
    成要素を有する電子像形成デバイス、 複数の基準マークと、前記像形成デバイスの前記接触表
    面と接触する前記第１プローブチップの画像を形成する
    光学手段、及び、 各像形成要素をアドレスする画像処理手段、を備え、前
    記第１プローブチップの画像の重心と、１つの前記基準
    マークの画像に対する前記第１プローブチップの画像の
    重心の相対距離と方向を正確に求め、それにより、前記
    第１プローブチップと第２プローブチップが、前記接触
    表面へ同時に接触し前記画像処理手段により像形成され
    るとき、これらのプローブチップの相対位置を導き出せ
    ることを特徴とするシステム。
  2. 【請求項２】 前記基準マークは、前記接触表面と実質
    的に同一平面にある請求項１に記載のプローブカード検
    査システム。
  3. 【請求項３】 前記基準マークは、写真平版技術によ
    り、前記基準プレート上に真空蒸着した複数の金属化し
    た層である請求項２に記載のプローブカード検査システ
    ム。
  4. 【請求項４】 前記基準マークは、２次元アレーに実質
    的に第1プローブチップの期待される大きさだけ間隔を
    おく前記請求項１に記載のプローブカード検査システ
    ム。
  5. 【請求項５】 前記基準マークは、側面長さが2.25μｍ
    の正方形である請求項４に記載のプローブカード検査シ
    ステム。
  6. 【請求項６】 前記像形成要素は、２次元アレーに中心
    間距離10.0μｍの間隔をおく請求項４に記載のプローブ
    カード検査システム。
  7. 【請求項７】 前記基準プレートと像形成デバイスは、
    複数の前記プローブチップを同時に像形成するのに十分
    な大きさである請求項１に記載のプローブカード検査シ
    ステム。
  8. 【請求項８】 前記画像処理手段は、前記第２プローブ
    チップの重心の画像の位置を正確に求め、前記基準マー
    クの異なる１つからの前記第２プローブチップの相対距
    離と方向を求める請求項１に記載のプローブカード検査
    システム。
  9. 【請求項９】 前記基準プレートは、実質的に透明であ
    る請求項１に記載のプローブカード検査システム。
  10. 【請求項１０】 前記基準プレートは平行な上面と下面
    を有し、前記接触表面は前記上面にあり、前記基準マー
    クは前記下面にある請求項９に記載のプローブカード検
    査システム。
  11. 【請求項１１】 プローブカード上の大きさと位置がほ
    ぼ既知である実質的に均一なプローブチップの相対位置
    を求めるプローブカード検査システムにおいて、 規則的に位置し光学的に検知可能で所定の規則的な間隔
    をおいた複数の基準マークが上に在る基準プレートで、
    全てのプローブチップが同時に接触するのに十分な大き
    さの接触表面を形成する該基準プレート、 アドレス可能なアレーに配置され、各々がプローブチッ
    プの画像の期待する大きさより実質的に小さい複数の像
    形成要素を有する電子像形成デバイス、 少なくとも４つの基準マークと、前記像形成デバイスの
    前記接触表面と接触する複数のプローブチップの画像を
    形成する光学手段、及び、 前記像形成要素をアドレスする画像処理手段、を備え、
    前記プローブチップの画像の重心と、前記基準マークの
    画像に対する前記プローブチップの画像の重心との相対
    距離と方向を正確に求め、それにより、前記プローブチ
    ップが前記接触表面へ同時に接触するとき、像形成され
    た前記プローブチップの相対位置を求めることを特徴と
    するシステム。
  12. 【請求項１２】 前記基準マークは、前記接触表面と実
    質的に同一平面にある請求項１１に記載のプローブカー
    ド検査システム。
  13. 【請求項１３】 前記基準マークは、写真平版技術によ
    り、前記基準プレート上に真空蒸着した複数の金属化し
    た層である請求項１２に記載のプローブカード検査シス
    テム。
  14. 【請求項１４】 前記基準マークは、２次元アレーに中
    心間距離25μｍで間隔をおく前記請求項１１に記載のプ
    ローブカード検査システム。
  15. 【請求項１５】 前記基準マークは、側面長さが2.25μ
    ｍの正方形である請求項１１に記載のプローブカード検
    査システム。
  16. 【請求項１６】 前記像形成要素は、２次元アレーに中
    心間距離10.0μｍの間隔をおく請求項１４に記載のプロ
    ーブカード検査システム。
  17. 【請求項１７】 前記基準プレートは、水晶窓である請
    求項１１に記載のプローブカード検査システム。
  18. 【請求項１８】 前記基準プレートは平行な上面と下面
    を有し、前記接触表面は前記上面にあり、前記基準マー
    クは前記下面にある請求項１１に記載のプローブカード
    検査システム。
  19. 【請求項１９】 前記基準プレートは、実質的に透明で
    ある請求項１１に記載のプローブカード検査システム。
  20. 【請求項２０】 半導体プローブカードのプローブ上の
    複数のプローブチップの相対位置を求める方法におい
    て、 平らな接触表面を有し、光学的に検知可能で規則的な間
    隔をおいた複数の基準マークが上に在る基準プレートを
    設け、 前記プローブチップを前記基準プレートに接触させ、 前記基準マークと、前記基準プレートに接触する前記プ
    ローブチップとの画像を、複数の個々にアドレス可能な
    像形成要素を有する電子像形成デバイス上に集束させ、 個々の像形成要素にアドレスし、前記プローブチップと
    前記基準マークの電子画像を発生し、 各々の前記プローブチップの画像の重心と、前記基準マ
    ークの画像からの前記プローブチップの画像の重心の相
    対距離と方向を正確に求め、それにより、前記プローブ
    チップが、平面と同時に接触するとき、前記プローブチ
    ップ間の相対位置を求めることを特徴とする方法。
  21. 【請求項２１】 前記基準プレート上に指標マークを設
    けるステップを備え、前記画像要素にアドレスするステ
    ップの間に、指標マークの重心の画像に対する第１プロ
    ーブチップの重心の座標位置を求め、前記指標マークの
    重心の画像に対する第２プローブチップの重心の座標位
    置を求め、それにより、前記第１と第２プローブチップ
    の画像の重心の相対位置が相互に求められる請求項２０
    に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 直線の画素アレーを有する電子像形成
    デバイスを設け、前記画素アレーに対する前記基準マー
    クの明らかな回転調整不良を補償するステップを備える
    請求項２０に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記複数のプローブチップが、前記基
    準プレートより大きいアレーを形成し、前記基準プレー
    トは前記アレーに対して横方向へ移動し、プローブチッ
    プの異なる組を前記基準プレートと接触させる方法。
  24. 【請求項２４】 高温スクラブ試験で出来た金属化した
    半導体ウェハ上に出来たスクラブマークの相対位置と大
    きさと方向を求める方法において、 平らな接触表面を有し、複数の規則的な間隔をおき光学
    的に検知可能な基準マークが上に在る実質的に透明な基
    準プレートを設け、 前記半導体ウェハを前記平らな接触表面に接触させ、前
    記スクラブマークが前記基準プレートを通して見えるよ
    うに、また前記基準マークがその上に重なるようにし、 前記基準マークと複数の前記基準マークとの画像を、像
    形成要素のアレーを有する電子像形成デバイス上に発生
    させ、 前記像形成要素にアドレスし、前記基準マークに対する
    前記スクラブマークに関する大きさと位置と方向の情報
    を求めることを特徴とする方法。
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