JP2005072143A - プローブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高・低温環境下においてもプローブカードの位置変動を即時に検出し、その修正を図り、常に一定のコンタクト状態でウェハの試験測定を行うことができるプローブ装置を提供する。
【解決手段】プローブ装置は、プローブカード４の触針４１が突出する側の面４ａに設けた変位検出手段６と、該変位検出手段からのプローブカードの位置変動もしくはステージ側の位置変動、もしくは両者の位置変動の信号を受け、ステージ２をＺ軸方向に移動させる制御手段５とを備えていて、熱等の影響によるプローブカードの位置変動をリアルタイムで変位検出手段により検出し、ステージを移動してその位置変動の修正を図り、プローブカードの触針とウェハ１０の電極パッドとのコンタクト状態を常に一定にしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウェハ上に形成された複数の半導体デバイスの電気的な特性検査を行うプローブ装置に関し、詳しくは高温、低温等の測定環境下における熱の影響によるプローブカードの位置変動もしくはウェハが載ったステージの位置変動、もしくはプローブカードとステージの両方の位置変動（コンタクト位置変動）をリアルタイムで補正することのできるプローブ装置に関する。

ウェハの表面には同一の電気素子回路が形成された多数の半導体デバイスが形成されており、この電気素子回路を個々の半導体デバイス（チップ）として切断する前に、各電気素子回路の電気的特性を検査するために、プローブ装置によってその良・不良を判定している。このプローブ装置は、一般にウェハの各半導体デバイスに対応する触針を有し、テスタに接続されるプローブカードと、ウェハの各半導体デバイスとを順次対応させて、半導体デバイスの電極パッドに触針を接触させるようにして、電気的な測定を行うように構成されている。

ところで正確な電気的測定を行うためには、プローブカードの触針を半導体デバイスの電極パッドに確実に接触させなければならず、このためウェハを載置したステージを高精度に制御すると共に、測定前に触針に対して電極パッドを正確に位置合わせ（アライメント）することが必要である。そのため、従来技術においては、触針と電極との位置合わせ（アライメント）を行う方法として、ウェハを載置するステージ側にＣＣＤカメラを設置すると共に、触針をもつプローブカードが着脱自在に固定されるテストヘッドから離れた位置にアライメント光学装置を配置し、触針を下方からＣＣＤカメラで撮影して触針の先端位置を検出すると共にウェハの位置及びウェハ上のチップパターンをアライメント光学装置で認識して、画像処理等によってウェハ上の特定の半導体デバイスの電極パッドと触針との位置合わせを行っている。

ところで近年においては、半導体デバイスの耐久性をテストすること、及び使用条件に合わせてテストする必要性から、約２００℃の高温環境から約−５５℃の低温環境のような様々な測定環境下で半導体デバイスの試験測定が行われている。例えば、ウェハのチャック機構を加熱した高温状態で試験測定を行うプローブ装置では、このチャック機構に近接、対向して配置されたプローブカードが、チャック機構からの輻射熱により熱膨張を起こす。ところが、従来プローブカードはその周囲がカード保持具によって固定されているため、熱膨張を起こすと全体が反るように変形する。更には、測定が繰り返えされると、触針と電極パッドとの接触圧により、プローブカードに変形が生じる。また、チャック（ステージ）部分を加熱もしくは冷却することにより、チャック（ステージ）上面の位置も変動する。したがって、プローブカードの触針と半導体デバイスの電極パッドとのコンタクト位置が、測定前の位置合わせの位置からずれてしまい、両者の接触が不十分になり精度の良い試験測定が行えなかったり、逆に両者が強く接触し過ぎて、電極パッド等が損傷を受ける等の問題が生じていた。

図３は、プローブカードが常温状態から高温での安定状態に至るまでのプローブカードの経時的変位、即ち触針と電極パッドの経過時間におけるコンタクト位置変動の典型的な例を示している。即ち、常温状態でコンタクト位置を基準位置（零位置）に合わせていても、測定環境下での熱の影響を受けて、プローブカード等が熱膨張し急激にコンタクト位置のずれが大きくなり、その後、コンタクト位置変動が徐々に収束して安定状態に至るようになる。

このような熱等によるコンタクト位置変動の問題を解決するために、従来においては、プローブカードのカードホルダの材質を測定環境下の熱による影響を受けにくいものに変更したり、測定中に触針位置を測定して、プローブカードの位置変動（コンタクト位置変動）を測定したり、或いはプローブカードが常温状態から測定環境の温度（高温又は低温）に熱的に安定するのを待って測定を開始したりする等の対策を施して対応してきた。

しかしながら、カードホルダの材質を熱の影響を受けにくいものに変更することは、材料及び製造費のコストアップにつながるという問題がある。
また、測定中に触針の先端位置を測定して、コンタクト位置を修正する場合においては、ステージ側のＣＣＤカメラで触針位置を確認する必要があるため、熱源（ステージ）から触針を離して測定する結果、触針と電極パッドとがコンタクトしている状態より冷やされた状態で測定されるために、正確な測定結果が得られないという不都合がある。また、いちいち触針を電極パッドから離して触針の針先位置を再測定しなければならないため、コンタクト位置の修正に時間が掛るという問題があった。
更に、プローブカードが熱的に安定するのを待って測定を開始したりするのでは、試験測定の半導体デバイスのスループットが低下し、作業効率が低下するという問題があった。

また、この触針のコンタクト状態を検出するものとして、従来より、触針の針先のバラツキをレーザ光により検出し、そのバラツキに応じて最も適切なオーバードライブ量を設定することで、各触針が電極パッドに適正圧力で接触できるようにしたもの（例えば、特許文献１参照）、或いは触針を電極パッドに接触させて、電極間の容量を測定してその接触の可否を判断し、ウェハの昇降量を制御するもの（例えば、特許文献２参照）、更には触針と電極パッドとの接触状態を検出して、プローブカードの取付け位置を傾き高さ調整機構で補正するもの（例えば、特許文献３参照）等が知られている。
特開平７−１６１７８３号公報（第３頁、第１図） 特開２０００−６８３３８号公報（第４，５頁、第１図） 特開平７−６６２４９号公報（第３頁、第１図）

しかしながら、特許文献１による公知のものは、熱によるプローブカードの位置変動をリアルタイムで検出するものではなく、また上述したステージ側のＣＣＤカメラで触針位置を確認するのと同様に、触針を熱源（ステージ）から離して触針の針先位置を検出するため、触針と電極パッドとがコンタクトしている状態での正確な位置測定結果が得られない。また、特許文献２，３により公知のものは、触針自身を検出手段として用いているので、近年において目標としている１回のコンタクトで１枚のウェハの測定を行う一括コンタクトのように、触針が数百から数千本もあるものでは、装置が複雑化、大型化する恐れがある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、高温又は低温の様々の測定環境下においても、プローブカードの位置変動もしくはウェハが載ったステージでの位置変動（コンタクト位置変動）をリアルタイムで測定して、プローブカードの触針の位置（ステージの位置）を修正し、常にチャックとプローブカードの針先との相対距離を一定又は許容範囲内のコンタクト状態で半導体デバイスの試験測定を行うことができるプローブ装置を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のプローブ装置を提供する。
請求項１に記載のプローブ装置は、プローブカードに設けられた、プローブカードの位置の変位を検出する変位検出手段と、この変位検出手段の検出信号に基づいてウェハを載置したステージをＺ軸方向に移動する制御手段とを備えていて、変位検出手段によるプローブカードのウェハからの位置の変位の検出に従って、ステージをＺ軸方向に修正移動して、プローブカードの触針と半導体デバイスの電極パッドとのコンタクト状態を常に一定又は許容範囲内にするようにしたものである。これにより、プローブカードの熱等の影響による位置変動（コンタクト位置変動）をリアルタイムで検出して、その位置の修正を図ることができるので、様々の測定環境下においても、触針と電極パッドとのコンタクト状態を常に一定又は許容範囲内に保つことができ、精度の良い測定を短時間で効率良く行える。

請求項２のプローブ装置は、変位検出手段として接触型変位センサを使用するものであり、また請求項３のプローブ装置は、変位検出手段として非接触型変位センサを使用するものであり、いずれの変位センサでも使用することができる。
請求項４のプローブ装置は、制御手段としてテスターを利用したものである。これは、プローブ装置が本来有しているコントロール部を制御手段として使用するのではなく、テスターを制御手段として利用することを明確にしたものである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態のプローブ装置について説明する。
図１は、本発明の実施の形態のプローブ装置の概略の全体構成を示している。プローブ装置１は、ステージ２、ステージ駆動機構３、触針４１が設けられたプローブカード４、テスター５及び変位検出手段６等より構成されている。

ウェハ１０を載置して保持するチャック機構が設けられているステージ２は、テスター５及びコントロール部（図示せず）によって制御されるステージ駆動機構３によって、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向及びＺ軸を中心とするθ回転方向に移動可能に構成されており、ウェハ１０を３次元的に移動することができる。

ウェハ１０上に形成された多数の半導体デバイスの表面には、数百、数千という多数のバンプ状の電極パッド（図示せず）が形成されている。また、プローブカード４には、ウェハ１０の各半導体デバイスの電極パッドに対応する触針４１が設けられている。従って、テスター５に接続されているプローブカード４の触針４１をウェハ１０の電極パッドに接触させることにより、各半導体デバイスの電気的特性を検査することができる。

なお、本発明のプローブ装置１においても、図示されていないが従来と同様のプローブカード４の触針４１とウェハ１０の電極パッドとの位置合わせを行うアライメント手段を有しているものである。即ち、ステージ２には、触針４１を下方から撮像して針の先端位置を検出するＣＣＤカメラが取り付けられており、ステージ２を移動してＣＣＤカメラを動かし、その焦点を合わせながら触針の先端の位置を測定して、その結果をコントロール部に入力するようにしている。また、ＣＣＤカメラ等の撮像手段を含んだアライメント光学装置も設けられていて、ウェハ１０上の半導体デバイスのパターンを認識してコントロール部に入力している。このようにして、コントロール部では、アライメント光学装置で得られた情報とステージ２のＣＣＤカメラで得られた触針４１の先端の位置情報とに基づき、公知の画像処理技術を用いて、触針４１の先端とウェハ１０の電極パッドとの位置合わせを自動で行うことができる。

更に本発明のプローブ装置１には、本発明の特徴である、ステージ２からの熱や触針４１と電極パッドとの接触圧等の影響によるプローブカード４の位置変動（コンタクト位置変動）を検出する変位検出手段６及びこの変位検出手段６によって検出された位置変動をステージ２をＺ軸方向に動かすことで修正する制御手段５とが設けられている。即ち、図２に拡大して示すようにプローブカード４の触針４１が突出する側の面４ａ（ステージ２上のウェハ１０に対向する面）上に、変位検出手段６として複数個の接触型変位センサ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが設けられる。これらの接触型変位センサ６ａ〜６ｄは、ＯＮ−ＯＦＦ信号を出す一種のタッチセンサであり、例えばｄ＝１０μｍ毎に設置高さを変えて設けられている。図１，２においては、これらの接触型変位センサ６ａ〜６ｄがプローブカード４の中心から径方向に異なる位置に設けられているが、プローブカード４の位置変動を正確に検出するためには、同じ半径上に間隔をあけて設けることが好ましい。なお、図１，２では、４つの接触型変位センサ６ａ〜６ｄが設けられているが、別に４つの数に拘束されるものではない。ただ、プローブカード４の位置変動の許容範囲を定めるために、接触型変位センサにおいては、最小許容値と最大許容値を示すために少くとも２つ設けることが好ましい。

図１においては、プローブカード４に設けられた接触型変位センサ６ａ〜６ｄからのコンタクト高さを示す検出信号（ＯＮ−ＯＦＦ信号）は、制御手段であるテスター５に取り込まれる。この信号に基づいて、テスター５からステージ駆動機構３に出力信号が出され、ステージ２がＺ軸方向に移動してプローブカード４の位置変動に対する修正動作がなされる。なお、図１では、プローブカード４の位置変動に対する修正動作を行う制御手段としてテスター５を利用しているが、テスター５に代えて、新たにコントロール部を設けてもよい。

上記構成よりなる本発明のプローブ装置１は、以下のように動作する。
プローブカード４が熱等による影響を受けていない常温状態にあるときは、プローブカード４の触針４１と電極パッドとは、アライメント手段により位置合わせした当初のコンタクト位置にあり、この状態ではプローブカード４は基準位置（零位置）を示しており、接触型変位センサ６ａのみがウェハ１０に接触してＯＮ信号を出し、他の接触型変位センサ６ｂ，６ｃ，６ｄはＯＦＦのままである。
その後、熱等の影響によりプローブカード４の位置変動が進むにつれ、接触型変位センサ６ｂ，６ｃが順番にＯＮ信号を出力するようになり、位置変動の許容限界である接触型変位センサ６ｄからＯＮ信号をテスター５が受けたとき、テスター５は、ステージ駆動機構３に出力信号を発信して、ステージ２を駆動してプローブカード４の位置変動（コンタクト位置変動）の修正が行われる。このようにして、触針４１と電極パッドとのコンタクト状態を常に一定又は許容範囲内に収めるようにする。即ち、通常触針と電極パッドとのコンタクト状態はオーバードライブ量によって管理されており、この触針４１のオーバードライブ量を許容範囲内に収めるようにするものである。

この場合、接触型変位センサ６ｂ，６ｃが、ＯＮ信号を出した時点で、それぞれ位置変動の修正動作を行うようにしてもよい。
また、プローブカード４が基準位置にある状態を全ての接触型変位センサ６ａ〜６ｄがＯＮである状態に設定しておき、その後、プローブカード４の位置変動の進行につれ、接触型変位センサ６ａ〜６ｄが順番にＯＦＦになるようにしてもよい。

このようにして、熱等によるプローブカード４の位置変動をリアルタイムで検出して、その修正を施すことにより、プローブカード４の触針４１と電極パッドとのコンタクト状態を常に一定又は許容範囲内に保つことができる。したがって、作業効率を低下させることなく、コンタクト位置の修正を図ることができる。また、コンタクト状態のまま測定できるので、その測定精度が向上する。

なお、上述の実施態様では、プローブカード４の位置変動の変位検出手段６としてタッチセンサ等の接触型変位センサ６ａ〜６ｄを使用しているが、接触型変位センサに代えて非接触型変位センサを使用してもよい。非接触型変位センサとしては、公知のレーザ光を使用するもの、超音波を使用するもの、渦電流を使用するもの、静電容量を使用するもの等のいずれでも使用可能である。要は、変位検出手段が、プローブカードとステージに載置されたウェハとの間隔を検出又は測定できるものであればよい。また、上述の実施形態では、制御手段としてテスター５を利用しているが、プローブ装置１が本来有しているステージ駆動機構３のコントロール部を制御手段として使用するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明のプローブ装置においては、高温又は低温の様々の測定環境下においても、プローブカードの位置変動（コンタクト位置変動）を触針と電極パッドとをコンタクトしたままの状態でリアルタイムに測定して、触針の位置（ステージの位置）を修正することができ、常に一定又は許容範囲のコンタクト状態で半導体デバイスの試験測定を行うことができる。そのため、プローブカードの位置変動が安定するのを待つことなく、半導体デバイスの試験測定が可能となり、作業効率が向上すること、プローブカードの位置変動に伴う接触圧の変動によるプローブカード自身及び半導体デバイスへの損傷を防止できること、更に測定途中でのプローブカードの針先位置の変化を確認する必要がなく、その分、スループットが向上する等の顕著な効果を奏する。

本発明の実施の形態のプローブ装置の概略の全体構成を示す図である。 変位検出手段を設けたプローブカードの拡大図である。 プローブカードの常温状態から高温での安定状態に至るまでのプローブカードの時間による変位を示す一例である。

符号の説明

１…プローブ装置
２…ステージ
３…ステージ駆動機構
４…プローブカード
４１…触針
５…テスター（制御手段）
６…変位検出手段
６ａ〜６ｄ…接触型変位センサ（変位検出手段）

Claims (4)

1. 半導体デバイスが形成されたウェハを位置決めしたのち、プローブカードの触針を半導体デバイスの電極パッドに接触させて、その電気的特性を検査するプローブ装置において、該プローブ装置が、
   前記プローブカードの触針が突出している側の面上に設けられ、前記プローブカードの位置の変位を検出する少なくとも１つ以上の変位検出手段と、
   前記変位検出手段からの信号によって、前記ウェハを載置したステージをＺ軸方向に移動する制御手段と、
   を具備していて、
   前記変位検出手段によって前記プローブカードの前記ステージ上に載置された前記ウェハからの位置の変位を検出し、検出された位置の変位に従って前記ステージをＺ軸方向に修正移動して、前記触針と前記電極パッドとのコンタクト状態を常に一定又は許容範囲内にすることを特徴とするプローブ装置。
2. 前記変位検出手段が接触型変位センサであることを特徴とする請求項１に記載のプローブ装置。
3. 前記変位検出手段が非接触型変位センサであることを特徴とする請求項１に記載のプローブ装置。
4. 前記制御手段がテスターであることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のプローブ装置。
   

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