JP2004132971A

JP2004132971A - プローブカード

Info

Publication number: JP2004132971A
Application number: JP2003311126A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sugawara; 菅原　新一
Original assignee: IWASAKI CORRESPOND INDUSTRY CO; IWASAKI CORRESPOND INDUSTRY CO Ltd
Current assignee: IWASAKI CORRESPOND INDUSTRY CO; IWASAKI CORRESPOND INDUSTRY CO Ltd
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2004-04-30
Also published as: US20040124862A1; US6933737B2

Abstract

【課題】半導体装置測定装置のプローブカードにおいて、プローブ針でウエハのパッドに針径以上の傷をつけることなく、安定に測定できるようにする。
【解決手段】直線状のプローブ針５を、上案内板２と回転案内板３と下案内板４とに通す。回転案内板３をわずかにずらして、プローブ針５の中央部を撓ませる。この状態で、ウエハを載せたステージを上昇させて、プローブ針５の先端部とウエハ表面のパッドとを接触させる。回転案内板３には、案内溝７が設けてあるので、回転案内板３を水平面内で動かすと、固定案内ピン８が案内溝７に沿って動き、プローブ針５が首振り的に回転して、パッド上に付着した自然酸化膜などを突き破る。これにより、プローブ針５の圧力のばらつきを無くして、ウエハのパッドに針径以上の傷をつけることなく測定できる。また、プローブ針５のピッチを狭くできるし、組立ても簡単になる。
【選択図】図１

Description

　本発明は、プローブカードに関し、特に、半導体装置測定装置本体とICのパッドとの電気的接続を行うプローブカードに関する。

　半導体集積回路の製造プロセスにおいては、拡散工程が終了すると、半導体装置測定装置（テスタ）により、ウエハ状態のまま、電気的特性等の測定が行われる。このテスタでは、ICのパッド（電極）とテスタ本体を電気的に接続するためのボードとして、プローブカードが設けられている。このプローブカードに備えられるプローブ針を、ICのパッドに接触させて、ICとの電気接続を行うように構成される。

　従来のプローブカードは、プリント基板と、プローブ針と、針固定樹脂と、上案内板と、下案内板と、固定枠体とから構成されている。プリント基板は、プローブ針を測定装置本体に電気的に接続するものである。プローブ針の上端は、プリント基板上の配線に半田付けされて接続されている。プローブ針の下の先端部は、パッドに接触する部分である。プローブ針の中央部には、パッドに対する接触圧を緩衝するための湾曲部がある。針固定樹脂は、プリント基板の下側にプローブ針を固定するものである。上案内板と下案内板は、プローブ針を通す案内孔でプローブ針を案内するものである。固定枠体は、プリント基板に固定されており、針固定樹脂と上案内板と下案内板を、プリント基板に対して平行に固定するものである。

　ウエハの測定を行う場合には、ウエハを載せたステージを平面内で移動させて位置と方向を合わせてから、ステージを上昇させて、プローブ針の先端部とウエハ表面のパッドとを接触させる。しかし、ウエハは大気に曝され、パッド表面には自然酸化膜が付着しているため、電気抵抗が大きい。パッドとプローブ針を電気的に接続させるためには、プローブ針で自然酸化膜を突き破り、パッドの金属表面を露出させる必要がある。そのため、ステージを上昇させてプローブ針とパッドを一度接触させた後、さらに、ステージを上昇させる。これにより、プローブ針がパッド表面の酸化膜を削り取るので、電気的接触が可能になる。

　ところで、プローブカードは、プローブ針が基板から横方向（斜め方向）に出ている横針タイプと、垂直方向に針が出ている垂直針タイプとに大別できる。横針タイプの場合は、針が横方向から出ているため、ステージの上昇とともにプローブ針がパッド上を滑り、容易に酸化膜を削り取れる。垂直針タイプの場合は、プローブ針とパッドが垂直に接触するため、プローブ針がパッド上を滑りにくく、パッド表面に付着した酸化膜を削り取れず、コンタクト不良を起こし易い。この問題を解決するために、特許文献１に開示された「半導体装置測定装置」では、プローブ針を回転させて、パッド表面に付着した酸化膜を除去するようにしている。

　図９に示すように、この半導体装置測定装置では、絶縁素材の回転案内板３を、上案内板２および下案内板４の間に配置して、駆動装置６により回転案内板３を移動させて、回転案内板３の案内孔12を介して、各プローブ針５の湾曲部13を、一定方向に回転させる。駆動装置６は、図９（ａ）に示すように、アームにより回転案内板３の両端部を把持して、駆動時に、図９（ｂ）に示すように、電気信号を受けて、回転案内板３を、案内孔12がプローブ針５の軸を中心として回転するように移動させる。これにより、回転案内板３の案内孔12に挿入されたプローブ針５の湾曲部13が、プローブ針５の軸を中心として強制的に回転させられる。その結果、先端部もパッド10上で回転し、パッド上に付着した自然酸化膜などを突き破ってパッド10に接触する。
特開2001-281266号公報

　しかし、従来のプローブカードでは、必要以上にパッド及びバンプに傷を付けてしまうという問題があった。プローブ針には必ず、高さや位置等のばらつきが存在する。プローブ針にバネ加工を施すので、形状と動きにばらつきが発生し易い。そのため、パッドに必要以上に力を加えるプローブ針と、必要最低限の力しか加えないプローブ針が発生し、力の強いプローブ針は強い力でパッドを傷つけてしまう。また、プローブ針の中央部に湾曲部を設けて回転させるものでは、組立てが困難であるという問題がある。湾曲部のサイズでプローブ針のピッチが制限され、狭いピッチのパッドには対応できない。

　本発明は、上記従来の問題を解決して、半導体装置測定装置のプローブカードにおいて、均一の針圧でプローブ針をウエハのパッドに接触させて、パッドに針径以上の傷をつけることなく集積回路を測定できるようにすることを目的とする。

　上記の課題を解決するために、本発明では、プローブカードを、先端部が被測定物に接触する導電性で直線状のプローブ針と、プローブ針の上端部が電的に接続される配線基板と、プローブ針の上端部と中央部との間に水平に固定的に保持されていてプローブ針を案内する案内孔を有する上案内板と、プローブ針の中央部と下端部との間に水平に固定的に保持されていてプローブ針を案内する案内孔を有する下案内板と、プローブ針の中央部に水平に可動的に保持されていてプローブ針を案内する案内孔を有する回転案内板と、プローブ針が直線状となる初期位置に回転案内板を一時的に固定して保持するための初期位置保持手段と、プローブ針の中央部が撓む状態となる位置に回転案内板を可動的に保持するための可動保持手段と、回転案内板を水平面内で動かすための駆動手段とを具備する構成とした。

　プローブ針の圧力のばらつきを無くして、プローブ針でウエハのパッドに針径以上の傷をつけることなく測定できる。プローブ針をストレートにしたので、パッドのピッチが狭い集積回路にも対応できるし、プローブカードの組立ても簡単になる。

　以下、本発明の実施の形態について、図１〜図８を参照しながら詳細に説明する。

　本発明の実施例１は、直線状のプローブ針を、上案内板と回転案内板と下案内板に通し、回転案内板を水平方向にずらしてプローブ針の中央部を撓ませ、回転案内板の案内溝の円弧部を固定案内ピンに沿って動かすことで、プローブ針を回転させるプローブカードである。

　図１は、本発明の実施例１におけるプローブカードの分解斜視図である。図１において、配線基板１は、プローブ針を測定装置本体に電気的に接続するものである。上案内板２は、プローブ針を通す案内孔でプローブ針を案内する上側の板である。回転案内板３は、プローブ針を回転させる板である。下案内板４は、プローブ針を通す案内孔でプローブ針を案内する下側の板である。プローブ針５は、ウエハのパッドに接触して電気信号を伝える針である。駆動装置６は、回転案内板を押すための電磁プランジャやモーターなどである。案内溝７は、回転案内板が回転するように案内するための溝である。固定案内ピン８は、回転案内板が溝に沿って動くように案内するためのピンである。案内孔12は、プローブ針を通す孔である。

　図２は、本発明の実施例１におけるプローブカードの初期状態の側面図である。図３は、プローブカードの駆動状態の側面図である。図３において、ウエハ９は、集積回路が形成された半導体の基板である。パッド10は、信号や電源の接続用端子である。ステージ11は、ウエハを載せて上下させる台である。図４は、プローブカードの回転案内板の平面図と、回転方法の説明図である。図５は、段差のあるプローブカードの駆動状態の側面図である。

　上記のように構成された本発明の実施例１におけるプローブカードの動作を説明する。最初に、図１を参照しながら、プローブカードの機能の概略を説明する。プローブ針５の上端部と中央部との間に、プローブ針５を案内する案内孔12を有する上案内板２を、水平に固定的に保持する。プローブ針５の中央部に、プローブ針５を案内する案内孔12を有する回転案内板３を、水平に可動的に保持する。初期位置保持手段により、プローブ針５が直線状となる初期位置に回転案内板３を一時的に固定して保持する。プローブ針５の中央部と下端部との間に、プローブ針５を案内する案内孔12を有する下案内板４を、水平に固定的に保持する。配線基板１に、プローブ針５の上端部を接触させて、電気的に接続する。回転案内板３に設けられている案内溝７に、固定案内ピン８が挿入され、プローブ針５の中央部が撓む状態となる位置に、回転案内板３を可動的に保持する。導電性で直線状のプローブ針５の先端部を、被測定物に接触させる。駆動装置６により、回転案内板３を水平面内で動かす。プローブ針５を回転させるタイミングは、測定開始時でもよいし、一定時間毎でもよい。あるいは、測定状態に応じて自動的に随時回転させてもよい。

　図２を参照しながら、プローブカードの初期状態を説明する。上案内板２と回転案内板３と下案内板４を、プローブ針５を通す案内孔12が一直線になるように揃えて組み立てる。回転案内板３は、初期位置保持手段により一時的に固定しておく。この状態において、直線状のプローブ針５を案内孔12に通す。この状態の側面図が図２である。

　図３を参照しながら、プローブカードの駆動状態を説明する。初期位置保持手段による固定を解除して、回転案内板３を水平に少し動かし、プローブ針５を撓ませる。この状態で、固定案内ピン８を、回転案内板３の案内溝７に挿入する。この状態の側面図が図３である。

　図４を参照しながら、回転案内板３でプローブ針５を回転させる方法を説明する。駆動装置６により、回転案内板３を図４（ａ）の下方に押すと、案内溝７の円弧部が固定案内ピン８に沿いながら、回転案内板３が図４（ａ）の下方に動く。駆動装置６は、電磁プランジャやモーターにより駆動力を発生するものであるが、エアシリンダなどの他の駆動力発生手段でもよい。案内溝７の円弧部が固定案内ピン８に沿って動くことで、回転案内板３も円弧状に動くので、プローブ針５は、１／３回転〜１／４回転することになる。図４（ａ）に示す案内溝７の円弧部の中心角はほぼ180°であるが、案内溝７の形状と駆動装置６による駆動力を目的に応じて選択すれば、180°〜360°の回転も可能である。

　図４（ａ）は、回転案内板３が中間の位置にある状態を示している。案内溝７の形は部分的な円弧であるが、その中心角は、プローブ針５の特性や数などに応じて決める。図４（ｂ）に示すように、固定案内ピン８に沿う部分が円弧であり、固定案内ピン８が通る余裕があれば、三日月形状でなくても、半円形でも扇形でも円形でも、どのような形状でもよい。プローブ針５の回転角度は、案内溝７の形状と駆動装置６を適切に設定することにより、360°までの回転が可能である。案内溝７の形状を円形にすれば、360°以上の回転も可能であり、回転角度は、目的に応じて任意に設定できる。案内溝７の数は最低２つ必要であるが、３つ以上設けて動きの精度を高めることもできる。案内溝７の形によっては、回転案内板３の動き方が円滑でなくなるので、回転案内板３を中心部方向に押し付けるように、右側あるいは両側から力を加える。また、案内溝７を摩擦係数の小さい樹脂や固体潤滑剤を用いて構成してもよいが、グラファイトなどの導電性の潤滑剤を用いることは適当ではない。

　図４（ｃ）に示すように、回転案内板３を駆動装置６で押すことにより、案内溝７の右側の円弧部分を固定案内ピン８に沿って動かして、プローブ針５の首振り的な回転を行う。図４（ｃ）のｃ-1は、駆動装置６の駆動力の合力が図面下方から加えられている状態である。回転案内板３は、図面上方側に最も寄った状態である。図４（ｃ）のｃ-2は、駆動装置６の駆動力が図面上方と図面右方から加えられて、回転案内板３が図面下方側に動いた状態である。プローブ針５が、約60°回転した状態である。図４（ｃ）のｃ-3は、駆動装置６の駆動力が図面上方から加えられて、回転案内板３が図面下方側に最も動いた状態である。プローブ針５が、約120°回転した状態である。図４（ｃ）のｃ-4は、駆動装置６の駆動力が図面上方と図面右方と図面下方から加えられて、回転案内板３が図面上方側に半分戻った状態である。図４（ｃ）のｃ-5は、駆動装置６の駆動力が図面下方から加えられて、回転案内板３が図面上方側に最も戻った状態である。これで、プローブ針５の首振り的な回転の１サイクルが完了する。このサイクルを必要なだけ繰り返す。

　このプローブカードでは、ウエハ９のパッド10にプローブ針５が乗った状態のまま、必要に応じて何回でも首振り的な回転を繰り返すことができる。ステージ11が上昇し、ウエハ９のパッド10にプローブ針５が当たって、全プローブ針５がパッド10にコンタクトした後に、駆動装置６で回転を開始させる。ウエハ９の上昇中は、パッド10にプローブ針５が当たっても、回転は開始しない。

　また、直線状のプローブ針５を、回転案内板３で少し撓ませるだけであるので、プローブ針５の中央部に湾曲部を形成する場合に比較して、プローブ針同士の間隔を狭くすることができる。プローブ針５の直径は、50μｍ〜100μｍ程度である。針間のピッチは、80μｍ程度以上である。プローブ針５の撓み量は、0.5ｍｍ程度である。これらの数値は、典型的な値の例示であり、これ以外の数値でも実施可能である。

　プローブ針５の加工においては、針先を整形し、長さを厳密に管理するだけであり、湾曲部を形成するような余分な加工はしない。そのため、プローブ針５の形状や弾性のばらつきを抑えることができ、針圧を均一にできる。プローブ針５が直角にパッド10やバンプに当たり、素早く首を振るように回転するだけであり、スクライブの動作が無いので、パッド10に傷がついても、針径以下の最小限の傷に収まる。また、スクライブ動作させる場合に比較して、酸化物の屑が針先にほとんど付着しない。なお、プローブ針５の材質は、典型的にはタングステンであるが、その他の金属でもよい。針先の形状は、円錐形でもよいが、三角錐や四角錐などにすれば、酸化物を突き破る効果が高まる。パッド10の表面の酸化物は、典型的にはAl₂O₃やSiO₂であるが、有機溶剤の酸化物なども、パッド10の表面に堆積して絶縁物層となっている。この絶縁物層についても、同様に突き破ることができる。

　図５に示すように、回転案内板３に段差を付けて、スキップフロアー形状にすることにより、プローブ針５の針径が異なっていても、針圧が均一になるように調整することが可能である。回転案内板３をずらして、プローブ針５を撓ませるとき、プローブ針５の撓み量が同じでも、回転案内板３の高さによって、プローブ針５の撓み角度が異なるので、プローブ針５の弾性係数（バネ定数）も異なってくる。太いプローブ針は、もともと弾性係数が大きいので、弾性係数が相対的に小さくなるように撓ませれば、太いプローブ針と細いプローブ針が同じ針圧となるように調整できる。なお、回転案内板３にプローブ針５を通す案内孔の位置をずらすことにより、異径針の針圧を、他のプローブ針の針圧と同じにすることも可能である。この場合、図２に示す状態でも、プローブ針５が撓んだ状態となるので、組立てが多少困難になる。

　上記のように、本発明の実施例１では、プローブカードを、直線状のプローブ針を、上案内板と回転案内板と下案内板に通し、回転案内板を水平方向にずらしてプローブ針の中央部を撓ませ、回転案内板の案内溝の円弧部を固定案内ピンに沿って動かすことで、プローブ針を回転させる構成としたので、針圧を均一にして、プローブ針でウエハのパッドに針径以上の傷をつけることなく測定できる。スクライブによる傷はつかないし、針径以上の傷はつかないので、必要以上にパッドを傷つけることがない。

　本発明の実施例２は、直線状のプローブ針を、上案内板と回転案内板と下案内板に通し、回転案内板を水平方向にずらしてプローブ針の中央部を撓ませ、回転案内板に設けた偏心軸受に通した固定案内ピンを中心として回転案内板を回転させることで、プローブ針を回転させるプローブカードである。

　図６（ａ）は、本発明の実施例２におけるプローブカードの分解斜視図である。図６（ｂ）は、偏心軸受14の断面図である。図６において、偏心軸受14は、回転案内板が回転するように案内するための軸受である。固定案内ピン８は、回転案内板を回転させるために偏心軸受14の回転中心からずれた軸に通した案内ピンである。配線基板１、上案内板２、回転案内板３、下案内板４、プローブ針５、駆動装置６、案内孔12は、実施例１と同じである。図７は、プローブカードの回転案内板の平面図と、回転方法の説明図である。

　上記のように構成された本発明の実施例２におけるプローブカードの動作を説明する。図６（ａ）に示すプローブカードの基本的な動作は、実施例１と同様である。回転案内板３に設けられている偏心軸受14に、固定案内ピン８が挿入される。これにより、プローブ針５の中央部が撓む状態となる位置に、回転案内板３を可動的に保持する。導電性で直線状のプローブ針５の先端部を、被測定物に接触させる。駆動装置６により、回転案内板３を水平面内で動かす。

　図６（ｂ）に示すように、偏心軸受14は、ボールベアリングやローラーベアリングなどの通常の軸受の中心から偏った位置にある孔に固定案内ピン８を挿入するようにしたものである。偏心軸受14は、ボールベアリングなどでない単純な摩擦軸受で構成してもよい。偏心軸受14の外径は、例えば１mmである。偏心軸受14の中心と固定案内ピン８の軸との距離は、例えば0.8mmである。回転案内板３に偏心軸受14を設け、固定案内ピン８を挿入する。固定案内ピン８の両端は、上案内板２と下案内板４に固定する。偏心軸受14の数は最低２つ必要であるが、３つ以上設けて動きの精度を高めることもできる。

　図７を参照しながら、回転案内板３でプローブ針５を回転させる方法を説明する。駆動装置６により、回転案内板３を図７（ａ）の下方に押すと、偏心軸受14を通る固定案内ピン８を中心として回転案内板３が回転して、回転案内板３が図７（ａ）の下方に動く。偏心軸受14が固定案内ピン８を中心として回転することで、回転案内板３も円弧状に動くので、プローブ針５は回転することになる。駆動装置６により、回転案内板３を順に四方から押すと、図７（ｂ）に示すように、回転案内板３が360°回転することになる。また、駆動装置６により、回転案内板３を特定の角度で押すと、図７（ｃ）に示すように、回転案内板３が90°程度の角度で首振り運動することになる。

　上記のように、本発明の実施例２では、プローブカードを、直線状のプローブ針を、上案内板と回転案内板と下案内板に通し、回転案内板を水平方向にずらしてプローブ針の中央部を撓ませ、回転案内板に設けた偏心軸受に通した固定案内ピンを中心として回転案内板を回転させることで、プローブ針を回転させる構成としたので、プローブ針をスムーズに回転させることができる。

　本発明の実施例３は、直線状のプローブ針を、上案内板と回転案内板と下案内板に通し、回転案内板を水平方向にずらしてプローブ針の中央部を撓ませ、上案内板と下案内板に設けた偏心軸受に通し回転案内板に固定した固定案内ピンを中心として回転案内板を回転させることで、プローブ針を回転させるプローブカードである。

　図８（ａ）は、本発明の実施例３におけるプローブカードの分解斜視図である。図８（ｂ）は、偏心軸受14の断面図である。図８において、偏心軸受14は、回転案内板が回転するように案内するための軸受である。固定案内ピン８は、上案内板と下案内板に設けた偏心軸受14の回転中心からずれた軸に通され、回転案内板に固定された案内ピンである。配線基板１、上案内板２、回転案内板３、下案内板４、プローブ針５、駆動装置６、案内孔12は、実施例１と同じである。

　上記のように構成された本発明の実施例３におけるプローブカードの動作を説明する。図８に示すプローブカードの基本的な動作は、実施例１と同様である。上案内板２と下案内板４に設けられている偏心軸受14と回転案内板３に、固定案内ピン８が挿入され、回転案内板３に固定される。こうして、プローブ針５の中央部が撓む状態となる位置に、回転案内板３を可動的に保持する。導電性で直線状のプローブ針５の先端部を、被測定物に接触させる。駆動装置６により、回転案内板３を水平面内で動かす。

　回転案内板３でプローブ針５を回転させる方法は、実施例２とほぼ同様である。駆動装置６により、回転案内板３を押すと、回転案内板３に固定されている固定案内ピン８が動く。上案内板２と下案内板４に設けられている偏心軸受14の回転により固定案内ピン８の動きが円弧状になる。回転案内板３も円弧状に動くので、プローブ針５は、回転することになる。偏心軸受14は最低２組必要であるが、３組以上設けて動きの精度を高めることもできる。

　上記のように、本発明の実施例３では、プローブカードを、直線状のプローブ針を、上案内板と回転案内板と下案内板に通し、回転案内板を水平方向にずらしてプローブ針の中央部を撓ませ、上案内板と下案内板に設けた偏心軸受に通し回転案内板に固定した固定案内ピンを中心として回転案内板を回転させることで、プローブ針を回転させる構成としたので、プローブ針をスムーズに回転させることができる。

　本発明のプローブカードは、半導体装置測定装置本体とICのパッドとの電気的接続を行うプローブカードとして最適である。

本発明の実施例１におけるプローブカードの分解斜視図、本発明の実施例１におけるプローブカードの初期状態の側面図、本発明の実施例１におけるプローブカードの駆動状態の側面図、本発明の実施例１におけるプローブカードの回転案内板の平面図と回転方法の説明図、本発明の実施例１におけるプローブカードで段差のある場合の駆動状態の側面図、本発明の実施例２におけるプローブカードの分解斜視図と偏心軸受の断面図、本発明の実施例２におけるプローブカードの回転案内板の平面図と回転方法の説明図、本発明の実施例３におけるプローブカードの分解斜視図と偏心軸受の断面図、従来の半導体装置測定装置におけるプローブカードの側面図である。

符号の説明

１　配線基板
２　上案内板
３　回転案内板
４　下案内板
５　プローブ針
６　駆動装置
７　案内溝
８　固定案内ピン
９　ウエハ
10　パッド
11　ステージ
12　案内孔
13　湾曲部
14　偏心軸受

Claims

先端部が被測定物に接触する導電性で直線状のプローブ針と、前記プローブ針の上端部が電気的に接続される配線基板と、前記プローブ針の上端部と中央部との間に水平に固定的に保持されていて前記プローブ針を案内する案内孔を有する上案内板と、前記プローブ針の中央部と下端部との間に水平に固定的に保持されていて前記プローブ針を案内する案内孔を有する下案内板と、前記プローブ針の中央部に水平に可動的に保持されていて前記プローブ針を案内する案内孔を有する回転案内板と、前記プローブ針が直線状となる初期位置に前記回転案内板を一時的に固定して保持するための初期位置保持手段と、前記プローブ針の中央部が撓む状態となる位置に前記回転案内板を可動的に保持するための可動保持手段と、前記回転案内板を水平面内で動かすための駆動手段とを具備することを特徴とするプローブカード。
前記回転案内板に円弧部を有する案内溝を設け、前記可動保持手段を、前記案内溝に挿入する固定案内ピンとしたことを特徴とする請求項１記載のプローブカード。
前記回転案内板に偏心軸受を設け、前記可動保持手段を、前記偏心軸受に挿入する固定案内ピンとしたことを特徴とする請求項１記載のプローブカード。
前記上案内板と前記下案内板に偏心軸受を設け、前記可動保持手段を、前記回転案内板に固定され前記偏心軸受に挿入される固定案内ピンとしたことを特徴とする請求項１記載のプローブカード。
前記回転案内板に段差をつけたことを特徴とする請求項１記載のプローブカード。
電源用のプローブ針の径を信号用のプローブ針の径より大きくしたことを特徴とする請求項１記載のプローブカード。