JP6013250B2 - プローブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、プローブ装置に関する。

半導体デバイスの製造工程では、半導体ウエハに形成された半導体デバイスの電気的な検査を行うためのプローブ装置が用いられている。このようなプローブ装置では、載置台に半導体ウエハを載置し、載置台を駆動すること等により、半導体ウエハの半導体デバイスの電極にプローブを接触させて電気的な導通を得る構成となっている。そして、測定器（テスタ）からプローブを介して半導体デバイスに所定の検査信号を印加し、半導体デバイスからの出力信号を検出して半導体デバイスの検査を行うようになっている。

また、半導体デバイスからの微小電流、微小電圧を測定するプローブ装置では、半導体ウエハを載置するための載置台として、絶縁物層と、この絶縁物層の１つの面に固着された第１の導電性層と、絶縁物層の反対面に固着された第２の導電性層とを含む構造のものを使用することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第３３５１９５６号公報

上記のように従来から、半導体デバイスからの微小電流、微小電圧を測定するプローブ装置では、絶縁物層の１つの面に固着された第１の導電性層と、絶縁物層の反対面に固着された第２の導電性層とを含む構造の載置台が使用されている。

しかしながら、このような構造の載置台を使用した場合、広い温度範囲（例えば３００℃以上の温度範囲）に温度制御して使用するような際に、絶縁物層と導電性層の膨張率の違いによって載置台が反り、半導体デバイスの電極とプローブとを正確に接触させることが困難になるという問題や、絶縁物層と導電性層とが剥がれたり絶縁物層が応力により割れて損傷する等の問題が生じることが判明した。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものであり、広い温度範囲に温度制御して半導体ウエハに形成された半導体デバイスの検査を行う場合においても、載置台に反りや損傷が生じることなく、正確に検査を実施することのできるプローブ装置を提供することを目的とする。

本発明のプローブ装置の一態様は、半導体ウエハに形成された半導体デバイスの電気的な検査を行うプローブ装置であって、前記半導体ウエハを載置するための載置台と、前記載置台に載置された前記半導体デバイスの電極にプローブを接触させる駆動機構と、前記載置台の温度を制御するための温度制御機構と、を具備し、前記載置台は、第１の電極板と、第２の電極板と、前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に介在する絶縁板とを有し、前記第１の電極板と、前記第２の電極板と、前記絶縁板とは、中心部において固定部材により固定されるとともに、前記固定部材より径方向外側部に配設された係止部において、径方向に移動可能な状態に係止されていることを特徴とする。

本発明によれば、広い温度範囲に温度制御して半導体ウエハに形成された半導体デバイスの検査を行う場合においても、載置台に反りや損傷が生じることなく、正確に検査を実施することのできるプローブ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るプローブ装置の全体構成を模式的に示す図。 図１のプローブ装置の要部構成を模式的に示す図。 図１のプローブ装置の要部構成を模式的に示す図。 図１のプローブ装置の要部構成を模式的に示す図。 図１のプローブ装置の要部構成を模式的に示す図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るプローブ装置１００の全体構成を模式的に示す図であり、図２はプローブ装置１００の要部構成を模式的に示す図である。図１に示すように、プローブ装置１００は、測定部１１０と、搬送ユニットであるローダー部１５０とからその主要部が構成されている。測定部１１０には、ｘ−ｙ−ｚ-θ方向に移動可能とされ、半導体ウエハＷが載置される載置台１１１が設けられており、載置台１１１を駆動機構１１２により駆動することによって、プローブカードに配設されたプローブ２１０（図２参照。）と、半導体ウエハＷに複数形成された半導体デバイスの電極とを接触させて、半導体デバイスの電気的特性を測定するよう構成されている。

ローダー部１５０には、その前方側（図１中下側）に、半導体ウエハＷを収容するウエハキャリア（ウエハカセット又はフープ）１５１が載置されるロードポート１５２が配設されており、このロードポート１５２に隣接してウエハ搬送機構１６０が配設されている。また、ローダー部１５０の後方側（図１中上側）には、位置合わせ機構１７０が配設されている。位置合わせ機構１７０は、半導体ウエハＷを回転させてノッチの位置と半導体ウエハＷの偏芯の状態を検出するよう構成されている。

ウエハ搬送機構１６０は、半導体ウエハＷを真空吸着して搬送するためのウエハ搬送アーム１６１を具備している。このウエハ搬送アーム１６１には、半導体ウエハＷを真空吸着するための吸着部（吸着パッド）１６２が複数（本実施形態では２つ）配設されている。これらの吸着部１６２には、真空ポンプ等の吸引源に接続された真空ライン（図１には図示せず。）が接続されている。なお、ウエハ搬送アーム１６１は、必要に応じて例えば上下に重ねて複数配設される。

ウエハ搬送機構１６０は、ウエハ搬送アーム１６１を進退及び旋回させることによって、ロードポート１５２に載置されたウエハキャリア１５１と、位置合わせ機構１７０と、測定部１１０の載置台１１１との間で半導体ウエハＷを搬送する。

ロードポート１５２は、上下動機構によって上下動自在とされており、ロードポート１５２とウエハ搬送機構１６０との間には、支持フレーム１５３が配設されている。この支持フレーム１５３には図示しない光学検出器が配設されている。そして、ロードポート１５２に載置されたウエハキャリア１５１を上下動させながら、この光学検出器で半導体ウエハＷの有無を検出することにより、ウエハキャリア１５１内のどのスロットに半導体ウエハＷが配置されているかを検出できるようになっている。

図２に示すように、載置台１１１は、温度調節機構１１３を具備しており、温度調節機構１１３の上部には、載置部１１４が配設されている。温度調節機構１１３は、載置台１１１上に載置された半導体ウエハＷを所定温度範囲、例えば、３００℃以上の範囲（本実施形態では−６０℃〜＋４００℃の範囲）で温度制御できるようになっている。

載置部１１４は、上側から順に、第１の電極板１１５、絶縁板１１６、第２の電極板１１７が積層され、第１の電極板１１５と第２の電極板１１７との間に、絶縁板１１６が介在する３層構造を有している。なお、載置部１１４は、上記のような３層構造に限らず、さらに多層である４層構造、５層構造等であってもよい。

本実施形態において、第１の電極板１１５は、フォース電極であり、同軸ケーブル２０１を介して測定器２００のフォース端子に接続されている。また、第２の電極板１１７は、ガード電極であり、同軸ケーブル２０１の外側導体を介して測定器２００のガード端子に接続されている。半導体ウエハＷに形成された半導体デバイスの電極に接触されるプローブ２１０は、同軸ケーブル２１１を介して測定器２００のフォース端子に接続されており、同軸ケーブル２１１の外側導体は測定器２００のガード端子に接続されている。なお、図２には、プローブ２１０を１本のみ示してあるが、複数本のプローブ２１０を使用することができる。

第２の電極板（ガード電極）１１７は、測定器２００から第１の電極板１１５（フォース電極）と同電位に低インピーダンスで駆動され、第１の電極板１１５（フォース電極）から絶縁板１１６を経由して流れる漏洩電流を減少させると共に、第２の電極板（ガード電極）１１７の下側から侵入する電気的なノイズを遮蔽する役割を持っている。これによって、半導体ウエハＷに形成された半導体デバイスの微小電流、微小電圧をより正確に測定することのできる構成となっている。

第１の電極板１１５及び第２の電極板１１７を構成する材料としては、導電性の金属、例えば、銅、鉄、ニッケル、銀、金、アルミニウム、ステンレス等を用いることができる。また、絶縁板１１６を構成する材料としては、絶縁性材料、例えば、アルミナセラミック、窒化ホウ素、石英、テフロン（登録商標）等を用いることができる。

第２の電極板（ガード電極）１１７及び絶縁板１１６は、図３に示すように、円板状の形状を有し、その中心部に円形の貫通孔である円孔１２０が形成されている。また、円孔１２０の周囲には、径方向に延びる長穴（貫通孔）１２１が複数（本実施形態では６つ）形成されている。長穴１２１は、最低１つ配設されていればよく、複数配設する場合は、図３に示すように、周方向に等しい間隔（図３では６０°間隔）を設けて配設することが好ましい。

図４は、円孔１２０の部分の面構成を示しており、図４（ａ）は、絶縁板１１６及び第２の電極板１１７の部分における水平断面構成を示し、図４（ｂ）は、垂直断面構成を示している。また、図５は、長穴１２１の部分の断面構成を示しており、図５（ａ）は、絶縁板１１６及び第２の電極板１１７の部分における水平断面構成を示し、図５（ｂ）は、垂直断面構成を示している。これらの図４、図５に示すように、第１の電極板１１５には、円孔１２０及び長穴１２１に対応する部分に、非貫通孔であり、内周面にねじが形成されたねじ穴１２２が形成されている。

図４に示すように、中心部に配設された円孔１２０の部分には、カラー１３０が配設されている。カラー１３０は、絶縁性材料、例えば、アルミナセラミック、マイカ系セラミック（マイカレックス等）等からなり、一方の端部にフランジ部１３１が形成された円筒状に形成されており、中心軸に沿って雄ねじ１４０を挿入するための貫通孔１３２が配設されている。

そして、第１の電極板１１５と、絶縁板１１６と、第２の電極板１１７とを重ねた状態で、第２の電極板１１７側から円孔１２０にカラー１３０を挿入し、座金１３３を介してカラー１３０の貫通孔１３２に雄ねじ１４０を挿入して、雄ねじ１４０をねじ穴１２２に螺合させた構成となっている。

この場合カラー１３０は、フランジ部１３１を除いた長さ（図４に示すＬ１）が、絶縁板１１６の厚さと第２の電極板１１７の厚さとを加えた長さ（図４に示すＬ２）より短く設定されている。これによって雄ねじ１４０を締め付けた際に、フランジ部１３１によって第２の電極板１１７が押圧された状態となり、第１の電極板１１５と、絶縁板１１６と、第２の電極板１１７の中心部が固定された状態となる。なお、円孔１２０の内径は、例えば１ｍｍ〜２０ｍｍ程度（本実施形態では６ｍｍ）とすることが好ましい。また、カラー１３０の外径（フランジ部１３１以外の部分の外径）は、同様に例えば１ｍｍ〜２０ｍｍ程度（本実施形態では６ｍｍ）とすることが好ましい。

図５に示すように、周辺部に配設された長穴１２１の部分には、カラー１３５が配設されている。カラー１３５は、絶縁性材料、例えば、アルミナセラミック、マイカ系セラミック（マイカレックス等）等からなり、一方の端部にフランジ部１３６が形成された円筒状に形成されており、中心軸に沿って雄ねじ１４０を挿入するための貫通孔１３７が配設されている。

そして、第１の電極板１１５と、絶縁板１１６と、第２の電極板１１７とを重ねた状態で、第２の電極板１１７側から長穴１２１にカラー１３５を挿入し、座金１３３を介してカラー１３５の貫通孔１３７に雄ねじ１４０を挿入して、雄ねじ１４０をねじ穴１２２に螺合させた構成となっている。

この場合カラー１３５は、フランジ部１３６を除いた長さ（図５に示すＬ３）が、絶縁板１１６の厚さと第２の電極板１１７の厚さとを加えた長さ（図５に示すＬ４）より長く設定されている。これによって雄ねじ１４０を締め付けた際に、第２の電極板１１７の下側面と、フランジ部１３６の上側面との間に間隙ｄが形成された状態となり。第１の電極板１１５に、絶縁板１１６と、第２の電極板１１７とが完全に固定された状態とはならず、径方向に移動可能に係止された状態となっている。

この状態では、長穴１２１に沿って径方向に、第１の電極板１１５、絶縁板１１６、第２の電極板１１７が夫々移動可能となっており、かつ、周方向には移動が制限された状態となっている。したがって、第１の電極板１１５、絶縁板１１６、第２の電極板１１７が熱膨張率の違いにより、径方向に異なる長さ伸縮した際に、第１の電極板１１５、絶縁板１１６、第２の電極板１１７が夫々移動することによってこれらの部材に伸縮に伴う応力がかからないようになっている。

なお、長穴１２１のサイズは、縦が例えば１ｍｍ〜２０ｍｍ程度（本実施形態では１０ｍｍ）、横が例えば１ｍｍ〜２０ｍｍ程度（本実施形態では６ｍｍ）とすることが好ましい。また、カラー１３５の外径（フランジ部１３１以外の部分の外径）は、同様に例えば１ｍｍ〜２０ｍｍ程度（本実施形態では６ｍｍ）とすることが好ましい。

また、第２の電極板１１７の下側面とフランジ部１３６の上側面との間に間隙ｄは、例えば０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度となるように設定することが好ましい。これによって、第１の電極板１１５、絶縁板１１６、第２の電極板１１７が厚さ方向において押圧された状態とならず、夫々径方向に移動可能とすることができる。

上記構成のプローブ装置では、載置台１１１の載置部１１４が、第１の電極板１１５と、絶縁板１１６と、第２の電極板１１７とが積層された３層構造を有しているが、これらの３枚の板体が、中心部において固定され、径方向外側部分では、径方向に移動可能に係止されている。

したがって、温度調節機構１１３によって広い温度範囲（本実施形態では−６０℃〜＋４００℃の範囲）で温度制御した場合も、第１の電極板１１５と、絶縁板１１６と、第２の電極板１１７とが夫々相対的に移動することによって、熱膨張率の差による伸縮長さの相違に起因する応力を抑制することができる。

これによって、載置部１１４に反りが発生して、プローブ２１０を正確に半導体ウエハＷに形成された半導体デバイスの電極に接触させることができなくなる事態が発生することを防止でき、正確に半導体デバイスの検査を実施することができる。また、第１の電極板１１５、絶縁板１１６、第２の電極板１１７を固着した場合に発生するこれらの部材の剥がれ、応力による破損等が生じることも防止することができる。

次に、上記構成のプローブ装置１００による半導体ウエハＷの検査手順について説明する。ローダー部１５０のロードポート１５２に半導体ウエハＷを収容したウエハキャリア１５１が載置されると、まず、上下動機構によってウエハキャリア１５１上下動させ、光学検出器によって半導体ウエハＷがどのスロットに収容されているかを検出する。

次に、半導体ウエハＷをウエハ搬送機構１６０のウエハ搬送アーム１６１に吸着して、位置合わせ機構１７０に搬送する。そして、位置合わせ機構１７０によって半導体ウエハＷのノッチを検出して半導体ウエハＷの位置を検知する。

次に、位置合わせ機構１７０による位置検出の終了した半導体ウエハＷを、ウエハ搬送機構１６０のウエハ搬送アーム１６１によって、位置合わせ機構１７０から取り出し、測定部１１０の載置台１１１上に半導体ウエハＷを載置する。

そして、図２に示したように、載置台１１１上の半導体ウエハＷの半導体デバイスにプローブ２１０を当接させて電気的な導通を得、測定器２００からテスト信号を供給するとともに、半導体デバイスからの出力信号を測定することによって、半導体デバイスの電気的な特性の検査を行う。

半導体ウエハＷの半導体デバイスの電気的な状態の検査が終了すると、載置台１１１上の半導体ウエハＷを、ウエハ搬送機構１６０のウエハ搬送アーム１６１によって取り出し、ウエハキャリア１５１に収容する。

以上本発明を実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。

１００……プローブ装置、１１０……測定部、１１１……載置台、１５０……ローダー部、１５１……ウエハキャリア、１５２……ロードポート、１５３……支持フレーム、１６０……ウエハ搬送機構、１６１……ウエハ搬送アーム、１６２……吸着部、１７０……位置合わせ機構。

Claims (6)

1. 半導体ウエハに形成された半導体デバイスの電気的な検査を行うプローブ装置であって、
   前記半導体ウエハを載置するための載置台と、
   前記載置台に載置された前記半導体デバイスの電極にプローブを接触させる駆動機構と、
   前記載置台の温度を制御するための温度制御機構と、
   を具備し、
   前記載置台は、第１の電極板と、第２の電極板と、前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に介在する絶縁板とを有し、
   前記第１の電極板と、前記第２の電極板と、前記絶縁板とは、中心部において固定部材により固定されるとともに、前記固定部材より径方向外側部に配設された係止部において、径方向に移動可能な状態に係止されている
   ことを特徴とするプローブ装置。
2. 請求項１記載のプローブ装置であって、
   前記係止部は、前記載置台の周方向に間隔を設けて複数配設されている
   ことを特徴とするプローブ装置。
3. 請求項１又は２記載のプローブ装置であって、
   前記第１の電極板がフォース電極であり、前記第２の電極板がガード電極である
   ことを特徴とするプローブ装置。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のプローブ装置であって、
   前記第１の電極板にネジ穴が形成されるとともに、前記絶縁板と前記第２の電極板には、前記ネジ穴と対応する位置に径方向に延びる長穴が形成され、前記第１の電極板と前記絶縁板と前記第２の電極板とを重ねた状態で、前記第２の電極板側から雄ねじを挿入して前記ネジ穴に螺合させることによって、前記係止部が構成されている
   ことを特徴とするプローブ装置。
5. 請求項４記載のプローブ装置であって、
   一方の端部にフランジ部を有する円筒状部材からなり、中心軸に沿って前記雄ねじを挿入するための円孔が形成されたカラーを介して、前記絶縁板と前記第２の電極板とが位置決めされている
   ことを特徴とするプローブ装置。
6. 請求項５記載のプローブ装置であって、
   前記雄ねじ及び前記カラーが絶縁性材料から構成されている
   ことを特徴とするプローブ装置。

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