JP2008311313A

JP2008311313A - 半導体試験装置

Info

Publication number: JP2008311313A
Application number: JP2007155655A
Authority: JP
Inventors: Tsuneto Fujita; 常人藤田
Original assignee: SANTO TECHNOLOGY KK
Current assignee: SANTO TECHNOLOGY KK
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-12-25

Abstract

【課題】長期間の使用によって装置自体やこれを設置する床面などに不可避的に塑性変形が生じた場合であってもプローブピンとプローブカードとを均一に当接させることのできる半導体試験装置を提供する。
【解決手段】複数の半導体チップが形成された半導体ウェハを載置するプローバと、前記プローバに対して検査位置または退避位置に駆動されるテストヘッドとを有し前記半導体チップの電気的特性試験をおこなう半導体試験装置であって、前記テストヘッドを昇降方向、横方向および縦方向にそれぞれ並進駆動する位置調整機構と、前記テストヘッドを昇降軸まわりに回転させるシータ回転機構と、前記テストヘッドを横軸まわりに回転させるツイスト回転機構と、前記テストヘッドを縦軸まわりに回転させるタンブル回転機構と、を備えることを特徴とする半導体試験装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハ上に形成された半導体チップの電気的特性試験をおこなってその良否を判定する半導体試験装置に関する。

半導体デバイスを製造するにあたっては、半導体ウェハ上に形成された多数の半導体チップを個々に切り分ける前に、該チップの電気的特性を試験して良否を判定している。複数の半導体チップに対して同時に試験信号を入力し、また同時に出力を測定することで効率のよい特性試験が可能となる。

半導体試験装置は、大別すると半導体ウェハを載置するプローバと、その上方に対向して設けられるテストヘッドとから構成される。
プローバは、微小の位置合わせが可能な可動式ステージと、その上方にて半導体ウェハを覆うように設けられるプローブカードとを備えている。プローブカードの下面からはプローブ針が突出し、これを半導体チップのパッド（電極）に当接させることで半導体チップとプローブカードとが電気的に接続される。プローブカードの上面には接触端子が多数配列されており、プローブ針と接触端子とは配線で接続されている。

一方のテストヘッドにはこれを制御するテスタ本体が接続され、テスタ本体で生成された試験信号が、テストヘッドより突出する多数のプローブピン（ポゴピン）に印加される。したがってテストヘッドとプローバとを近距離で対向させ、接触端子にプローブピンの下端を当接することで、テスタ本体からの試験信号が半導体チップに伝達可能となる。半導体チップの入力側のパッドに入力された試験信号は、当該チップで処理されて所定の出力信号となって出力側のパッドから出力される。かかる出力信号はまた、プローブ針とプローブカードを経由してプローブピンからテストヘッドへと送られる。

なお、プローブピンの配置パターンを接触端子の配列パターンと一致させるため、テストヘッドにはプローブピンを着脱可能に保持するパフォーマンスボードが一般的に設けられている。これにより半導体チップの種別を換えて電気的特性試験をおこなう場合には、パフォーマンスボードから先端（下端）を突出させるプローブピンの位置を変更することでこれが可能となる。

テストヘッドは、電気的特性試験をおこなう際はプローバに近接および対向した検査位置におかれ、パフォーマンスボードの交換時やメンテナンス時にはこれが上方に引き上げられてプローバから開放される。
従来、テストヘッドはプローバの上面に設けられたヒンジによって起倒可能に取り付けられることが最も一般的である（例えば下記特許文献１，２を参照）。このほか、プローバの左右両側から鉛直上方に伸びる支持棒に対して昇降および前後回転可能にテストヘッドが取り付けられた半導体測定装置が提案されている（下記特許文献３を参照）。

特開平８−１３９１４２号公報特開２００４−１７２５５１号公報特開２００２−１５８２６６号公報

従来は半導体ウェハのサイズが小さく、その上に形成される半導体チップも大型であったことからウェハあたりのチップ数は少なく、したがってプローブピンの本数も少なくてすんだことからテストヘッドは小型かつ軽量であった。しかし近年の半導体製造装置の改良に伴い、チップの集積度は向上し、必要なプローブピンの本数は増え、したがってテストヘッドは大型化・重量化が進んでいる。近年のテストヘッドは、上記パフォーマンスボードやプローブピンのほか、各種の測定冶具や信号処理装置が取り付けられて３００〜５００ｋｇ程度の大重量となっている。

このためテストヘッド全体をヒンジまわりに回転させてプローバを起倒させる上記特許文献１，２に記載の方式（以下、ヒンジ方式という場合がある。）の場合、テストヘッドが片持ち状態でヒンジに保持されることから、ヒンジに負荷されるモーメント荷重は過大なものとなって経時的な塑性変形が避けられなくなる。
すなわち、使用開始当初の半導体試験装置においてはテストヘッドの自重撓みやヒンジの弾性変形を見越して、基端側（ヒンジ側）のプローブピンと、先端側（ヒンジから遠い側）のプローブピンとがともにプローブカードの接触端子と好適に当接するようにテストヘッドとプローバとの位置合わせが為されているところ、半導体試験装置を長期間使用することでテストヘッドの先端側が下方に下がっていき、先端側のプローブピンにおいては接触端子への押圧力が過大となり、基端側のプローブピンにおいては浮きが発生して接触不良が生じることとなる。

このようにプローブピンと接触端子との接触不良が生じると、半導体チップとテストヘッドとの間では試験信号や出力信号の授受が正しくおこなわれなくなるため、仮に当該半導体チップが良品であったとしても試験結果は不良と判定され、歩留まりを低下させる要因となる。

またテストヘッドを起倒させて検査位置と退避位置とを往復させるヒンジ方式の場合は、テストヘッドの移動距離が長くなるため作業性が悪く、検査位置に停止させた際に生じる振動の減衰に長時間を要し、テストヘッドとテスタ本体との間の配線類に断線が生じ、さらに検査位置の再現性に劣るという多くの問題もあった。

一方、テストヘッドを支持棒に対して昇降させる上記特許文献３に記載の方式（以下、昇降方式という場合がある。）の場合、テストヘッドは左右の支持棒に両持ちされていることから、ヒンジ方式のように一方側が大きく下がるという問題は解消される。
しかし、この種の半導体試験装置が設置される製造工場では帯電防止と耐腐食性のため一般に導電性のビニール床が用いられるところ、大重量のテストヘッドとプローバとからなる上記特許文献３の測定装置では、ビニール床の沈み込み変形が生じた場合に上記の如くプローブピンの接触不良が生じる虞がある。
すなわち上記従来の測定装置におけるテストヘッドは、支持棒に沿った昇降方向（Ｚ方向とする）の位置（ＴＺ）と、支持棒同士を結ぶ左右方向（Ｘ方向とする）に伸びる軸まわりのツイスト角度（ＲＸ）と、前後方向（Ｙ方向とする）まわりのタンブル角度（ＲＹ）については調整可能であるものの、その他のＸ，Ｙ方向の位置（ＴＸ，ＴＹ）や、昇降軸まわりのシータ角度（ＲＺ）については調整することができない。このため、ビニール床に沈み込み変形が生じて重力負荷方向と支持棒の伸びる方向とが不一致となり、例えば駆動機構部分が必然的にもつガタによってテストヘッドとプローバとの相対位置が経時的に水平面内方向（Ｘ，Ｙ方向）にずれあった場合には、これを微調整することができないという問題が生じる。

なお、プローバの備える可動式ステージは、載置した半導体ウェハをプローブカードに対して相対的に移動させるものであるため、これを駆動したとしても、プローブカードの接触端子に対するプローブピンの位置や向きを調整することはできない。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち長期間の使用によって装置自体やこれを設置する床面などに不可避的に塑性変形が生じた場合であってもプローブピンとプローブカードとを均一に当接させることのできる半導体試験装置を提供することを目的とする。本発明の他の目的は以下の説明から明らかとなろう。

本発明の半導体試験装置は、
（１）複数の半導体チップが形成された半導体ウェハを載置する可動式ステージ、および前記半導体チップと電気的に接続されるプローブカードを備えるプローバと、
前記プローブカードに試験信号を伝達する複数本のプローブピンを備え、前記プローバに対して検査位置または退避位置に駆動されるテストヘッドと、を有し前記半導体チップの電気的特性試験をおこなう半導体試験装置であって、
前記テストヘッドを昇降方向（ＴＺ）、横方向（ＴＸ）および縦方向（ＴＹ）にそれぞれ並進駆動する位置調整機構と、
前記テストヘッドを昇降軸まわり（ＲＺ）に回転させるシータ回転機構と、
前記テストヘッドを横軸まわり（ＲＸ）に回転させるツイスト回転機構と、
前記テストヘッドを縦軸まわり（ＲＹ）に回転させるタンブル回転機構と、
を備えることを特徴とする半導体試験装置；
（２）前記横方向に伸びる回転シャフトを備える前記ツイスト回転機構を介して前記テストヘッドを横軸まわりに回転可能に保持するヘッドホルダと、ヘッドホルダに対して縦軸まわりに回転可能に設けられた下部固定フレームと、下部固定フレームに対して昇降軸まわりに回転可能に設けられた上部固定フレームと、からなる保持枠と、
三本以上の支柱を備え、前記保持枠を昇降方向に並進駆動可能に保持するゲートスタンドと、を有し、
前記タンブル回転機構がヘッドホルダと下部固定フレームとの間に、前記シータ回転機構が下部固定フレームと上部固定フレームとの間に、それぞれ設けられていることを特徴とする上記（１）に記載の半導体試験装置；
（３）前記支柱が搭載される少なくとも一対のリニアモーションガイドと、該リニアモーションガイドを設置する分散板とを備え、
前記プローバが分散板の上に設置されるとともに、前記ゲートスタンドがリニアモーションガイドに沿って分散板上を移動可能である上記（２）に記載の半導体試験装置；
を要旨とする。

本発明の上記請求項１に記載の半導体試験装置は、そのテストヘッドをプローバに対して直交三軸方向への並進位置と、各軸まわりの回転角度とをそれぞれ個別に調整可能である。これにより、駆動機構部分に代表される装置自体や、これが設置される床面などに塑性変形が生じてテストヘッドとプローバとの相対位置が経時的に変化した場合であっても、かかる経時変化の向きや傾向によらず両者の位置関係を微調整することができる。
このため、半導体試験装置を長期間にわたって使用した場合もプローブピンとプローブカードとの接触不良が生じることがなく、したがって試験異常に起因する半導体チップの不良判定の発生を防止して歩留まりを改善することができる。
なおテストヘッド自体の経時的な塑性変形については、一般にテストヘッドが剛に作製され、また駆動機構部分のように大きな荷重が負荷されるものではないことからこれは無視できる。

また本発明のさらに具体的な態様である上記請求項２に記載の半導体試験装置は、テストヘッドを保持する保持枠をヘッドホルダ、下部固定フレームおよび上部固定フレームと少なくとも３つの部品より構成し、さらに三本以上の支柱を備えるゲートスタンドによってこれを昇降可能に保持するという二段構成によってテストヘッドを保持している。これにより、テストヘッドを各軸方向に並進移動、および各軸まわりに回転移動させて位置や姿勢の調整をおこなう際に、各方向の動きが互いに干渉することがなく、大きな移動量（ストローク）を確保することができる。

また本発明のさらに具体的な態様である上記請求項３に記載の半導体試験装置は、保持枠を介してテストヘッドを保持するゲートスタンドの支柱がリニアモーションガイドに搭載され、かかるリニアモーションガイドおよびプローバが分散板上に設置されていることを特徴とする。これにより、大重量をもつテストヘッドの荷重がプローバを経由することなく分散板に伝えられるため、床面の局所的な沈み込み変形を抑制することができる。すなわち上記特許文献３に記載の測定装置の場合は、ともに大重量のテストヘッドとプローバの自重が合算されてプローバのフットプリントから床面に伝えられるため床面の沈み込み変形は相当量となっていたところ、本発明によれば大重量の両者の自重を分散させることで、プローブピンとプローブカードとの接触不良をもたらす床面の沈み込み変形が抑制される。

またゲートスタンドをリニアモーションガイドの上に搭載したことにより、テストヘッドのメンテナンスやパフォーマンスボードの取り替えなどの作業をおこなう場合には、小さな力で水平方向にゲートスタンドをスライドさせることでテストヘッドをプローバから容易に引き離すことができ、作業性に優れる。またゲートスタンドを介してリニアモーションガイドに負荷されるテストヘッドの自重がリニアモーションガイドのフットプリントの面積に分散されて分散板に伝えられるため、ゲートスタンドの支柱に集中的に負荷されるテストヘッドの自重を二段階に分散して床面に伝えることができるという効果がある。

図１は本発明の実施形態にかかる半導体試験装置１０の正面図、図２は分散板９０上にゲートスタンド２０を設置した状態を示す模式的斜視図、図３は保持枠５０およびこれに保持されるテストヘッド７０を図２の矢印III方向から見た模式的斜視図、図４はタンブル回転機構５３などに用いられるスライド機構６９の模式的斜視図である。

本発明の半導体試験装置１０により電気的特性試験に供される半導体チップおよびこれが複数形成された半導体ウェハ（いずれも図示せず）は、プローバ８０の内部に設けられた可動式ステージ８１に搭載される。可動式ステージ８１はＺ軸まわりの回転（シータ回転）と、ＸＹＺ各軸方向のスライドが可能である。本実施形態の半導体試験装置１０においては、昇降方向をＺ方向、半導体チップの検査位置にテストヘッド７０がセットされた状態において当該テストヘッド７０を表裏反転するためのツイスト回転シャフト７３の伸びる方向をＸ方向とし、これらに直交する方向をＹ方向として右手系の直交三軸方向を規定している。

プローバ８０の上面にはプローブカード８２が水平にセットされている。プローブカード８２の上面には多数の接触端子（図示せず）が設けられ、各接触端子と半導体チップのパッドとは電気的に接続されている。
プローバ８０は、床面１００上に置かれた定盤８４に設置されている。定盤８４が備える複数の支持脚８３は高さ調整が可能であり、プローバ８０の凡その水平出しが可能である。可動式ステージ８１を駆動することでプローブカード８２をさらに高精度で水平出しすることができる。なお、定盤８４は固定ブラケット８５によって分散板９０に固定されている。

プローバ８０に対向するテストヘッド７０は内部に回路基板や信号処理装置を備え、全体が略箱型を為している。テストヘッド７０の一面にはパフォーマンスボード７１が取り付けられている。パフォーマンスボード７１からは多数のプローブピン（図示せず）の先端が突出しており、テスタ本体（図示せず）から供給される試験信号が伝達される。半導体チップの検査時には、パフォーマンスボード７１とプローブカード８２とを対向させた状態で近接させ、プローブピンの先端（下端）とプローブカード８２の接触端子とを当接させる。

本発明の半導体試験装置１０は、テストヘッド７０とプローバ８０とがプローブピンによって電気的に接続される検査位置と、両者が引き離された退避位置とにテストヘッド７０を駆動することができる。またかかる駆動に際し、本発明の半導体試験装置１０はテストヘッド７０を昇降方向（Ｚ方向）の並進駆動（ＴＺ）、横方向（Ｘ方向）の並進駆動（ＴＸ）、縦方向（Ｙ方向）の並進駆動（ＴＹ）と、昇降軸（Ｚ軸）まわりのシータ回転駆動（ＲＺ）と、横軸（Ｘ軸）まわりのツイスト回転駆動（ＲＸ）と、縦軸（Ｙ軸）まわりのタンブル回転駆動（ＲＹ）とがそれぞれ可能であることを特徴とする。
テストヘッド７０の各方向の駆動は、それぞれ別々の駆動装置によっておこなってもよく、いずれかの方向の駆動に関しては駆動装置を共用してもよい。

これにより、プローブカード８２の位置と向きを固定的にセットしたプローバ８０に対して、近年大型化の傾向にあるテストヘッド７０を任意の位置および姿勢にて対向させることができる。また経時変形により床面１００が局所的にまたは全体に沈み込み変形した場合など、プローバ８０のプローブカード８２の向きが任意の方向に変化した場合についても、テストヘッド７０の姿勢の微調整によってプローブピンと接触端子との良好な導通を維持することができる。

本実施形態の半導体試験装置１０においては、さらに従来のヒンジ方式のように過大なモーメント荷重を受けて塑性変形をすることがなく、かつ従来の昇降方式のように半導体試験装置の荷重が床面１００に対して集中的に負荷されることがなく、さらに上記のようにテストヘッド７０を各軸方向に移動、および各軸まわりに回転させることができるよう、具体的にはゲートスタンド２０から吊り下げた保持枠５０によってテストヘッド７０を保持する方式（以下、吊下方式という場合がある。）を採っている。
ただし本発明の半導体試験装置１０は以下の実施形態に限られるものではなく、テストヘッド７０を検査位置と退避位置との間で上記のように三軸方向の各軸方向および各軸まわりに駆動可能であれば、本実施形態の記載および公知技術より導かれる他の駆動方式を採用してもよい。

＜ゲートスタンドについて＞
ゲートスタンド２０は、三本以上の支柱２１を備え、後述する保持枠５０を昇降方向（Ｚ方向）に並進駆動可能に保持し、自身の重量およびテストヘッド７０や保持枠５０の自重を、プローバ８０を介さずに分散して床面１００に伝えるための構造部材である。本実施形態では、ゲートスタンド２０は略直方体上のフレーム構造をなし、四本の支柱２１によって立設されている。ゲートスタンド２０の内側にはプローバ８０を収容可能である。
支柱２１は鉄系金属などの高剛性材料からなり、横断面Ｌ字状などに形成されている。四本の支柱２１は、矩形の上部枠２２と、水平方向などに伸びる補強部材２３で互いに連結されてゲートスタンド２０の変形が抑制されている。補強部材２３は、図２に示すようにゲートスタンド２０の背面側を除く三つの側面に設けられ、正面側は開口している。またゲートスタンド２０は、プローバ８０が収容される下面側と、保持枠５０が吊り下げられる上面側についても開口している。

床面１００には、Ｙ方向に伸びる一対の分散板９０が敷設され、各分散板の上にはそれぞれリニアモーションガイド（ＬＭガイド）９１がＹ方向に伸びて設置されている。リニアモーションガイドは、一方向に伸びるＬＭレール９２に対してボールベアリングを介してＬＭブロック９３を摺動させる構造部品である。
ＬＭガイド９１同士の間隔はゲートスタンド２０のＹ方向の幅と一致しており、すなわちゲートスタンド２０の四本の支柱２１は、一対のＬＭレール９２に装着されたいずれかのＬＭブロック９３に搭載されている。ＬＭブロック９３は一本のＬＭレール９２に各二個ずつ設けられて、Ｙ方向正側／負側およびＸ方向正側／負側にそれぞれ一本ずつ配置された支柱２１をそれぞれ個別に搭載してもよく、または一本のＬＭレール９２に各一個ずつ設けられて、Ｙ方向正側または負側の二本の支柱２１をそれぞれのＬＭブロック９３に搭載してもよい。
ＬＭレール９２はステンレス鋼などの金属材料からなり、高い剛性を有している。このため、支柱２１を介してＬＭレール９２に負荷されたテストヘッド７０の荷重を、ＬＭレール９２のフットプリントに分散することができる。

本実施形態においては、ＬＭガイド９１をさらに分散板９０の上に設置する。分散板９０はアルミニウム合金などの軽量かつ高剛性の金属材料からなり、一般に１５〜２０ｍｍ程度の板厚を有している。したがって本実施形態の半導体試験装置１０は、支柱２１のフットプリントに集中するテストヘッド７０の荷重をＬＭレール９２でＹ方向に分散し、さらに分散板９０でＸ方向に分散して床面１００に伝達している。
このように支柱２１の設置面積を拡大することで、半導体製造・試験工場の床面１００の耐荷重が十分でない場合も半導体試験装置１０の設置が可能になる。また地震等が発生して半導体試験装置１０に横荷重が負荷された場合も転倒や移動を防止することができる。

支柱２１をそれぞれＬＭブロック９３に搭載することにより、ゲートスタンド２０はＬＭレール９２に沿って摺動可能となる。したがってプローバ８０が床面１００に設置された状態で、テストヘッド７０をゲートスタンド２０ごとＬＭレール９２に沿って移動させ、両者を近づけたり引き離したりすることができるため、プローバ８０とゲートスタンド２０との設置順序を問わず、またプローバ８０を床面１００や分散板９０に設置したままの状態であってもゲートスタンド２０の改修作業が可能である。本実施形態の場合、ゲートスタンド２０の開口した正面側からプローバ８０を出入りさせることができるため、プローバ８０を床面１００および分散板９０に取り付けた後、ゲートスタンド２０をＬＭガイド９１の背面側においてＬＭブロック９３上に設置し、これを正面方向に摺動させてプローバ８０をゲートスタンド２０に収容し、テストヘッド７０と対向させることができる。またテストヘッド７０よりパフォーマンスボード７１を交換する際には、ゲートスタンド２０を背面側に摺動させてプローバ８０と引き離して作業スペースを確保した後にパフォーマンスボード７１の交換をおこなえばよい。

半導体チップの電気的特性試験を実施する際には、試験中にゲートスタンド２０が移動することのないよう、ＬＭガイド９１に搭載されたゲートスタンド２０をスライドさせてテストヘッド７０とプローバ８０とを略対向させた状態で、支柱２１を固定ブラケット９５により分散板９０と固定するとよい。

＜保持枠について＞
保持枠５０はテストヘッド７０を吊下方式にて保持し、保持枠５０とテストヘッド７０との間で相対的に、または保持枠５０とゲートスタンド２０との間で相対的に、テストヘッド７０を昇降方向（ＴＺ）・横方向（ＴＸ）・縦方向（ＴＹ）に並進移動させ、またこれを昇降軸まわり（ＲＺ）・横軸まわり（ＲＸ）・縦軸まわり（ＲＹ）に回転移動させるための構造部材である。

本実施形態にて例示される保持枠５０はゲートスタンド２０に対して昇降方向（Ｚ方向）にのみ移動可能に取り付けられており、テストヘッド７０の高さ位置を調整する場合は、保持枠５０全体がゲートスタンド２０に対して昇降駆動される。かかる駆動方法は特に限定されるものではなく、本実施形態の場合は、ゲートスタンド２０に固定されたモータ２５により駆動される上部スプロケット２６からチェーン２７を垂下し、保持枠５０より突出するブロック６５に該チェーン２７を掛合させることで、上記モータ２５を所望方向に回転させて保持枠５０を昇降させている。本実施形態の場合、保持枠５０の四隅にブロック６５をそれぞれ設け、チェーン２７による保持枠５０の引き上げ荷重をバランスさせている。ただし、複数配置された上部スプロケット２６を別個のモータで駆動して昇降量をそれぞれ制御する方式とすれば、テストヘッド７０の昇降方向（Ｚ方向）の並進駆動のみならず、横軸まわり（ＲＸ）のツイスト回転や縦軸まわり（ＲＹ）のタンブル回転も可能になる。
またゲートスタンド２０には、図１に示すように上部スプロケット２６の鉛直下方に下部スプロケット２８を取り付け、チェーン２７にはエンドレスチェーンを用いてこれを上部および下部スプロケットに掛架している。なお、図２に示すようにゲートスタンド２０の上部にはチェーン２７を垂下する四個の上部スプロケット２６のほか、これらを同軸に駆動する駆動用スプロケット３０が横方向（Ｘ方向）の左右にそれぞれ設けられている。駆動用スプロケット３０は、これに掛架された駆動用チェーン３１をモータ２５で正逆方向に駆動することで回転する。かかるトルクはＹ軸方向に伸びるシャフト３２により各上部スプロケット２６に伝達され、チェーン２７の巻回に供される。

なお本発明においては保持枠５０を昇降駆動する方式は上記に限られず、例えばゲートスタンド２０に本体側を固定した油圧シリンダを用いて保持枠５０を昇降駆動してもよい。

一方、フレーム構造をなすゲートスタンド２０の内側には、鉛直方向に伸びる四本のＬＭレール２９が設けられている。また保持枠５０には上記ＬＭレール２９とそれぞれ嵌合する四個のＬＭブロック６６が設けられている。したがって図３に示す保持枠５０を、図２に示すゲートスタンド２０に対して上方から挿入し、ＬＭブロック６６をＬＭレール２９に装着し、チェーン２７を上部スプロケット２６および下部スプロケット２８に掛架することで、保持枠５０はゲートスタンド２０に対して昇降可能に取り付けられる。換言すると、保持枠５０とゲートスタンド２０とは、ＬＭレール２９およびＬＭブロック６６とからなるＬＭガイド３３によって連結されている。

本実施形態においては、テストヘッド７０の水平面内（ＸＹ面内）の移動および各軸まわりの回転駆動は、保持枠５０に対する相対移動によっておこなわれる。保持枠５０はゲートスタンド２０や床面１００に対してこれらの駆動方向については固定されているためである。
本実施形態の保持枠５０は、図１に示すようにテストヘッド７０の両側から同軸で突出するツイスト回転シャフト７３をＸ軸方向にあわせることで、該シャフトおよびこれを回転駆動するツイスト調整ネジ７４とからなるツイスト回転機構５１によりテストヘッド７０を横軸まわり（ＲＸ）に回転させることができる。ツイスト回転機構５１はこのほか、ツイスト調整ネジ７４に回転トルクを与える動力源としてのハンドル７５を備えている。本発明においてはハンドル７５にかえて電気式モータを用いてツイスト調整ネジ７４にトルクを与える方式としてもよい。
本実施形態においてテストヘッド７０のツイスト角度の最大値は１９０度程度とし、すなわち検査位置ではプローバ８０のプローブカード８２に対向するよう下側を向くパフォーマンスボード７１を、退避位置では天地を反転させて上側を向かせることができるよう構成されている。これによりパフォーマンスボード７１の交換作業を容易におこなうことができる。

図３に示すように保持枠５０は大別して、ツイスト回転シャフト７３を回転可能に支持する略コの字状のヘッドホルダ５２と、ヘッドホルダ５２を鉛直方向に支持する鉛直軸５４と、ゲートスタンド２０に取り付けられる固定フレーム５６とからなる。
さらに固定フレーム５６は、ＬＭブロック６６が四隅に設けられてゲートスタンド２０に対して相対的に回転しない上部固定フレーム５６１と、上部固定フレーム５６１に対して昇降軸（Ｚ軸）まわりにのみ回転可能な下部固定フレーム５６２とからなる。

鉛直軸５４は上部固定フレーム５６１および下部固定フレーム５６２に対してともに昇降軸まわりに回転可能であり、ヘッドホルダ５２は鉛直軸５４、上部固定フレーム５６１および下部固定フレーム５６２に対して縦軸（Ｙ軸）まわりに回転可能である。
具体的には、ゲートスタンド２０に対してすべての回転自由度が拘束された固定フレーム５６の最上部に設けられたガイド板６０に対して、鉛直軸５４はベアリング（図示せず）を介してその上端５４１がＺ軸まわりに回転可能に取り付けられている。
ヘッドホルダ５２にはＹ軸方向に伸びるタンブル回転シャフト５３１が回転可能に挿通され、該シャフトが鉛直軸５４の下端５４２に設けられたブロック部５４３に軸挿されることでヘッドホルダ５２と鉛直軸５４とがＹ軸まわりに回転可能となっている。なお、固定フレーム５６にＺ方向に軸挿された鉛直軸５４は、当該軸と交差するＹ軸まわりには固定フレーム５６に対して回転しない。

保持枠５０は、ヘッドホルダ５２およびテストヘッド７０を下部固定フレーム５６２に対してＹ軸まわりに回転駆動する手段としてのタンブル回転機構５３と、上部固定フレーム５６１に対して下部固定フレーム５６２を昇降軸まわりに回転駆動する手段としてのシータ回転機構５５とを備えている。
また保持枠５０は、ガイド板６０とともに鉛直軸５４を固定フレーム５６に対して水平面内で駆動する手段として、これらをＸ方向に駆動する横方向駆動機構５７と、Ｙ方向に駆動する縦方向駆動機構５９とを備えている。これらの機能について以下説明する。

タンブル回転機構５３は、ヘッドホルダ５２に対してＹ方向に挿通されたタンブル回転シャフト５３１と、該シャフトと交差する方向（本実施形態ではＸ方向）にオフセットした位置において、該シャフトの挿通方向（同Ｙ方向）およびオフセット方向（同Ｘ方向）に対してともに交差する方向（同Ｚ方向）にネジ軸が伸びるタンブル調整ネジ５３２と、該調整ネジにトルクを与えるハンドル５３３とを備えている。タンブル調整ネジ５３２は下部固定フレーム５６２とヘッドホルダ５２との間に架け渡された押しネジであり、これを回転させることで下部固定フレーム５６２とヘッドホルダ５２との相対距離が変動する。かかる相対距離の変動がタンブル回転シャフト５３１からオフセットした位置で生じることにより、ヘッドホルダ５２は下部固定フレーム５６２（固定フレーム５６）に対してタンブル回転シャフト５３１まわり（ＲＹ）に回転する。

図４はタンブル回転機構５３の下端部に用いられるスライド機構６９の模式的斜視図である。スライド機構６９は、タンブル調整ネジ５３２に平行する二本の回り止めシャフト５３４と、タンブル調整ネジ５３２に沿って昇降駆動されるスライドブロック５３５とからなる。
スライドブロック５３５には、回り止めシャフト５３４に沿って摺動するスライドブッシュ５３６が装着された通孔と、タンブル調整ネジ５３２と螺合するネジ孔とが設けられている。これにより、タンブル調整ネジ５３２を回転させた場合には、タンブル回転機構５３の全体がタンブル調整ネジ５３２まわりに回転してしまうことなくスライドブロック５３５がタンブル調整ネジ５３２に沿って昇降する。

一方、タンブル回転機構５３のベース板５３７（図４では上部図示省略）にはＹ方向に伸びる長孔５３８がスライドブロック５３５の背面に設けられており、スライドブロック５３５からはベース板５３７の長孔５３８およびヘッドホルダ５２を貫通して駆動片５３９が背面側に突出している。
ヘッドホルダ５２に設けられた挿入孔（図示せず）は、昇降方向には駆動片５３９の外径と同等に形成されている。かかる挿入孔は、Ｘ軸方向に伸びる長孔として形成してもよい。
これに対し、ベース板５３７に設けられる長孔５３８は昇降方向に伸びることから、換言すると駆動片５３９はベース板５３７に対して昇降方向に遊嵌されている。

したがってタンブル調整ネジ５３２を回転させてスライドブロック５３５を上昇させることで駆動片５３９はヘッドホルダ５２に対してＺ方向に荷重を与え、これによりヘッドホルダ５２をタンブル回転シャフト５３１まわりに回転させることができる。

なお駆動片５３９には抜け留めとしてのフランジ部５４０が背面側の先端に設けられている。フランジ部５４０は駆動片５３９の背面側先端を拡径して一体に成形してもよく、またはラジアルベアリングを駆動片５３９の背面側先端に装着して設けてもよい。

シータ回転機構５５は、上部固定フレーム５６１と下部固定フレーム５６２とをＺ軸まわりに互いに回転可能に連結する鉛直軸５４と、Ｙ軸方向に伸びるシータ調整ネジ５５１とからなり、シータ調整ネジ５５１を押しネジとして機能させることで上部固定フレーム５６１と下部固定フレーム５６２とを相対的にＺ軸まわり（ＲＺ）に回転させる機構である。

本実施形態のシータ回転機構５５は、タンブル回転機構５３と同様に構成されたスライド機構６９を備えている。すなわち上部固定フレーム５６１に対してＹ方向を向けて取り付けられたシータ調整ネジ５５１にはスライド機構６９が螺合されており、ハンドル５５２を回すなどしてシータ調整ネジ５５１を回転させることでスライド機構６９がＹ方向にスライドする。また下部固定フレーム５６２に穿設された挿入孔を通じて、該スライド機構６９からは下方に向けて駆動片が突出して設けられ、スライド機構６９のスライドに伴って該駆動片が下部固定フレーム５６２に対してＹ方向に荷重を与える。鉛直軸５４とシータ調整ネジ５５１とはＸ方向に互いにオフセットして設けられていることから、かかるＹ方向の荷重によって上部固定フレーム５６１と下部固定フレーム５６２とは互いにＺ軸まわりに回転する。

本発明の半導体試験装置１０においては、タンブル調整やシータ調整の最大角度は少なくとも４度程度としておくとよい。これにより、経時的な床面１００の沈み込み変形や半導体試験装置１０の撓み変形などが生じた場合も、テストヘッド７０をタンブル回転、シータ回転、およびツイスト回転させて姿勢を微調整することにより、テストヘッド７０より突出するプローブピンとプローブカード８２の接触端子との良好な接触を維持することができる。

横方向駆動機構５７は、横方向（Ｘ方向）に伸びるＸ軸移動ネジ５７１と、当該方向に伸びるＬＭガイド５７２とから構成され、Ｘ軸移動ネジ５７１を押しネジとして機能させることで上部固定フレーム５６１に対してガイド板６０とともに鉛直軸５４をＸ方向に並進駆動する機構である。Ｘ軸移動ネジ５７１は鉛直軸５４に対してＹ軸方向にオフセットせずに設けられ、横方向駆動機構５７の駆動によって鉛直軸５４が昇降軸まわりにトルクを受けないようにしている。
横方向駆動機構５７もまたタンブル回転機構５３と同様に構成されたスライド機構６９を備えている。すなわち上部固定フレーム５６１に対してＸ方向を向けて取り付けられたＸ軸移動ネジ５７１にはスライド機構６９が螺合されており、ハンドル５７３を回すなどしてＸ軸移動ネジ５７１を回転させることでスライド機構６９がＸ方向にスライドし、ガイド板６０に対して当該方向の荷重を与えることができる。
上部固定フレーム５６１にはＬＭガイド５７２のＬＭブロック（図示せず）が固定され、ガイド板６０の下面にはＬＭレール５７４が設けられている。これにより、Ｘ軸移動ネジ５７１によってＸ方向に荷重が付与されたガイド板６０は、荷重方向に滑らかに摺動する。またガイド板６０には横方向に伸びる長孔６１が穿設され、長孔６１には上部固定フレーム５６１から突出するガイドピン６２が挿通されて横方向のスライドをガイドしている。

縦方向駆動機構５９（図１には図示省略、図３を参照）は、縦方向（Ｙ方向）に伸びるＹ軸移動ネジ５９１と、当該方向に伸びるＬＭガイド５９２とから構成され、Ｙ軸移動ネジ５９１を押しネジとして機能させることで上部固定フレーム５６１に対してガイド板６０とともに鉛直軸５４をＹ方向に並進駆動する機構である。Ｙ軸移動ネジ５９１は鉛直軸５４に対してＸ方向にオフセットせずに設けられている。
縦方向駆動機構５９は横方向駆動機構５７と同様に構成され、上部固定フレーム５６１に対してＹ方向を向けて取り付けられたＹ軸移動ネジ５９１を、ハンドル５９３を回すなどして回転させることで、Ｙ軸移動ネジ５９１に螺合されたスライド機構６９をＹ方向にスライドさせ、ガイド板６０に対して当該方向の荷重を与える。
上部固定フレーム５６１にはＬＭガイド５９２のＬＭブロック（図示せず）が固定され、ガイド板６０の下面にはＬＭレール５９４が、Ｘ方向のＬＭレール５７４とは捩れの位置に設けられている。これにより、Ｙ軸移動ネジ５９１によってＹ方向に荷重が付与されたガイド板６０は、荷重方向に滑らかに摺動する。
ガイド板６０には縦方向に伸びる長孔６３が穿設され、長孔６３には上部固定フレーム５６１から突出するガイドピン６４が挿通されて縦方向のスライドをガイドしている。

なお、上記したシータ調整ネジ５５１とＹ軸移動ネジ５９１は、ともに鉛直軸５４に対して縦方向（Ｙ方向）への荷重を与えるものである。したがって本発明においてはＹ軸移動ネジ５９１を設けず、シータ調整ネジ５５１の駆動によって鉛直軸５４およびテストヘッド７０をＹ方向に駆動してもよい。かかるＹ方向への駆動は、下部固定フレーム５６２と上部固定フレーム５６１との間の鉛直軸５４まわりの回転を拘束した状態で行うとよい。

＜その他の構成部材について＞
図２に示すように、Ｙ方向に伸びる二枚の分散板９０は、連結板９４によって結合されている。連結板９４は鉄などの高剛性の金属材料からなり、分散板９０同士が互いにずれあうことを防止している。このように分散板９０を複数枚に分割することで可搬性を高めつつ、ＬＭガイド９１を各分散板９０に搭載することで半導体試験装置１０の荷重分散が図られている。

ゲートスタンド２０の支柱２１には、その下端より外側にオフセットして車輪２１１が設けられている。車輪２１１を備えることで半導体製造・試験工場へのゲートスタンド２０の搬入が容易であり、かつこれが外側にオフセットしていることで支柱２１の下端をＬＭブロック９３に搭載する作業を阻害しない。支柱２１をＬＭブロック９３に搭載した状態で車輪２１１は分散板９０から僅かに中空に浮いており、ゲートスタンド２０の下端は車輪２１１ではなくＬＭブロック９３となる。これによりゲートスタンド２０およびこれに吊下げられるテストヘッド７０の水平度が高精度で調整可能となる。

以上説明した本実施形態の半導体試験装置１０によれば、テストヘッド７０が保持枠５０およびゲートスタンド２０によって所定の姿勢および水平面内位置を保ったまま吊下方式によって保持されるため、半導体チップの電気的特性試験を実施する検査位置にテストヘッド７０をセットする際には、テストヘッド７０の振動減衰を待つことなくこれをプローバ８０に向けて昇降方向に下降させるだけでプローブピンを接続端子に当接させることができる。

またテストヘッド７０の昇降方向の停止位置を任意で設定できるため、プローバ８０とテストヘッド７０との間に冶具等を挟みこんだ状態で半導体チップの試験を行う場合も、当該冶具等の厚さ相当分だけテストヘッド７０の降下位置を上方にずらして設定することで、テストヘッド７０の自重をプローバ８０に負荷することがない。したがって任意厚さの冶具等を用いた場合もプローバ８０の撓み変形に起因するプローブピンと接続端子の接触不良の発生を抑えることが可能である。

本発明の実施形態にかかる半導体試験装置１０の正面図である。分散板９０上にゲートスタンド２０を設置した状態を示す模式的斜視図である。保持枠５０およびこれに保持されるテストヘッド７０を図２の矢印III方向から見た模式的斜視図である。スライド機構６９の模式的斜視図である。

符号の説明

１０半導体試験装置
２０ゲートスタンド
２１支柱
５０保持枠
５１ツイスト回転機構
５２ヘッドホルダ
５３タンブル回転機構
５４鉛直軸
５５シータ回転機構
５６固定フレーム
５６１上部固定フレーム
５６２下部固定フレーム
５７横方向駆動機構
５９縦方向駆動機構
６０ガイド板
６９スライド機構
７０テストヘッド
７１パフォーマンスボード
７３ツイスト回転シャフト
７４ツイスト調整ネジ
８０プローバ
８２プローブカード
９０分散板
１００床面
３３，９１，５７２，５９２リニアモーションガイド

Claims

複数の半導体チップが形成された半導体ウェハを載置する可動式ステージ、および前記半導体チップと電気的に接続されるプローブカードを備えるプローバと、
前記プローブカードに試験信号を伝達する複数本のプローブピンを備え、前記プローバに対して検査位置または退避位置に駆動されるテストヘッドと、を有し前記半導体チップの電気的特性試験をおこなう半導体試験装置であって、
前記テストヘッドを昇降方向（ＴＺ）、横方向（ＴＸ）および縦方向（ＴＹ）にそれぞれ並進駆動する位置調整機構と、
前記テストヘッドを昇降軸まわり（ＲＺ）に回転させるシータ回転機構と、
前記テストヘッドを横軸まわり（ＲＸ）に回転させるツイスト回転機構と、
前記テストヘッドを縦軸まわり（ＲＹ）に回転させるタンブル回転機構と、
を備えることを特徴とする半導体試験装置。
前記横方向に伸びる回転シャフトを備える前記ツイスト回転機構を介して前記テストヘッドを横軸まわりに回転可能に保持するヘッドホルダと、ヘッドホルダに対して縦軸まわりに回転可能に設けられた下部固定フレームと、下部固定フレームに対して昇降軸まわりに回転可能に設けられた上部固定フレームと、からなる保持枠と、
三本以上の支柱を備え、前記保持枠を昇降方向に並進駆動可能に保持するゲートスタンドと、を有し、
前記タンブル回転機構がヘッドホルダと下部固定フレームとの間に、前記シータ回転機構が下部固定フレームと上部固定フレームとの間に、それぞれ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体試験装置。
前記支柱が搭載される少なくとも一対のリニアモーションガイドと、該リニアモーションガイドを設置する分散板とを備え、
前記プローバが分散板の上に設置されるとともに、前記ゲートスタンドがリニアモーションガイドに沿って分散板上を移動可能である請求項２に記載の半導体試験装置。