JPH06347478A - プローブヘッド及び該プローブヘッドを用いた電気的測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被測定物の測定箇所の金属酸化物等を除去
し、かつ、測定場所や測定環境の制約を受けることなく
精密な電気的測定を行なう。 【構成】 探針１の先端もしくは探針１のまわりに設け
られた枠体であるパイプの先端に刃２を形成したプロー
ブヘッドを用い、刃２を回転させて被測定対象物の一部
を切削し、そこに探針１を接触させて電気的測定を行な
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプローブヘッド及びそれ
を用いた電気的測定方法に関し、更に詳しくは、半導体
素子が形成されたＩＣやＬＳＩなどに代表される電気デ
バイスや電気回路を搭載する半導体基板や回路基板等か
ら電気的信号を取出すためのプローブヘッド及びそれを
用いた電気的測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プローブヘッドの方式には大別し
て接触型と非接触型の２つの方式が知られている。

【０００３】接触型の代表的なものとしては、個体の探
針をプローブヘッドとして用いるもの、導電性液体をプ
ローブヘッドとして用いるものが知られている。

【０００４】固体の探針を用いるものは、例えば市販の
タングステン針を上下・左右方向に自由度（Ｘ，θ，
Ｈ）を持つマニピュレータにセットする方式、探針を複
数有するいわゆるプローブカードを用いる方式、あるい
はコプレナーな高周波測定用ヘッドを用いる方式が代表
的である。

【０００５】導電性液体を用いるものは、水銀等の液体
金属をプローブヘッドとして用いる方式が代表的に知ら
れている。

【０００６】非接触型の代表的なものとしては粒子ある
いは量子をプローブに応用したものであり、ＥＢ（電子
ビーム）プローブ、光プローブ等が知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
プローブヘッドには一長一短があり、測定対象物がより
微細化されかつ測定精度をより向上させたいという測定
環境に於いては改善すべき点を有している。

【０００８】たとえば、固体の探針をヘッドに用いる方
法では、測定対象物である電気デバイスあるいは電気回
路の大きさに対してヘッドの大きさが充分小さいとは言
い難く、また測定用端子（パッド）を必要とするため、
測定精度が悪化する場合がある。

【０００９】即ち、寄生容量、リーク電流等の存在によ
って測定値に誤差が生じる場合がある。

【００１０】また測定対象物の前記パッドは通常Ａｌや
Ａｌの合金等で形成されているため、表面に酸化膜が生
じており、針を単に接触しただけでは充分なオーミック
コンタクトを得ることはできない場合が多い。そのた
め、探針によって前記酸化膜を破壊するために圧力をか
けてパッドに探針を接触させたりパッド上で探針を摺動
させたり、その両方の操作を行なうことが必要となる。
この操作は一般に前記パッドの品質（電気的接続性の信
頼性等）を低下させる。例えば測定後にワイヤボンディ
ング等の製造工程が存在する場合には、その品質を確保
するために探針の接触回数を数回以下に限定するのが普
通である。

【００１１】また、水銀を用いる方法は、特別の測定用
パッドを必要とはしないが、その有害な蒸気のために取
扱いには注意が必要である。また測定環境も排気等、充
分な配慮を行なう必要があるため一般的な測定方法とは
成り得ていない。

【００１２】電子や光を用いる方法は今後有望な方式で
ある。

【００１３】しかしながら、ＥＢプローブは非接触でパ
ッド以外の任意の場所を測定可能であるが、効果な真空
系及び繁雑な取扱いを必要とする。また、その測定は本
質的に電位測定であり、測定対象物の表面状態に左右さ
れ易く、またその精度は数ｍＶと現在のところ充分とは
言えない値である。

【００１４】光プローブはＥＢプローブに比べると簡便
である。しかしながら、当然のことではあるが透過率の
影響を受け、またその測定精度は現在のところＥＢプロ
ーブに比べてもかなり落ちる。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のプローブヘッド
は測定対象物を切削可能な刃を有することを特徴とす
る。

【００１６】また、本発明の電気的測定方法は、測定対
象物を切削可能な刃を有するプローブヘッドを用いて前
記測定対象物を切削しながら電気的測定を行なうことを
特徴とする。

【００１７】加えて、本発明の電気的測定方法は、測定
対象物を切削可能な刃を有するプローブヘッドを用いて
前記測定対象物を不活性雰囲気、非酸化雰囲気、真空雰
囲気から選択される雰囲気中で切削して電気的測定を行
なうことを特徴とする。

【００１８】更に本発明の電気的測定方法は測定対象物
を切削可能な刃を有するプローブヘッドを用いて前記測
定物を切削後、該測定物を不活性雰囲気、非酸化雰囲
気、真空雰囲気から選択される雰囲気中で電気的測定を
行なうことを特徴とする。

【００１９】又、本発明の電気的測定方法は、測定対象
物を切削可能な刃を有するプローブヘッドを用いて少な
くとも前記測定対象物のボンディングパッドのボンディ
ング領域外又は配線部分を切削して電気的測定を行なう
ことを特徴とする。

【００２０】本発明のプローブヘッド及び電気的測定方
法によれば、金属酸化膜、あるいはパッショベーション
膜や層間絶縁膜等を除去することができ、実質的に電気
デバイスや電気回路を損傷させない微小な破壊で高精度
な測定をすることができる。

【００２１】しかも、特別な測定環境を必要とせずとも
高精度な測定をすることができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を図面を用いて説明する。

【００２３】図１は本発明の好適な一実施例を説明する
ための模式的側面図である。図中、１はタングステン製
の金属探針てあり、その先端にはダイヤモンド、ダイヤ
モンド状炭素、アモルファス炭素等の電気的に良導体で
あり、かつ硬度の高い材質を用いて形成した刃２を有し
ている。両者の固定はたとえば有機系の接着材を塗布
後、かしめて行なうことができる。前記針１は図示しな
い駆動系によって図中矢印Ａ及びＢに示されるように回
転及び上下動可能とされる。３はカーボン等で出来た導
電性の軸受であり、４は前記軸受３に固着され、前記針
１を支える支持材である。本実施例においては該支持材
４は針１を通じて伝達された電気信号を取出す電極を兼
ねている。前記刃２の直径は好ましくは５０μｍ以下、
より好ましくは高々１０μｍ程度であり、前記軸受３は
所謂マイクロマシーニング技術を用いて製作することが
できる。

【００２４】前記不図示の駆動系はボール盤等に類似の
構成を有していて良く、該駆動系によって、前記針１を
回転させながら、その刃２は測定用パッドの酸化被膜５
及び金属部分６を順次穴明し、前記測定用パッド８と前
記支持材（電極）４間に電気回路を形成できるようにな
る。これによって前記測定用パッド８を通して、図示し
ない電気デバイスあるいは回路の電気特性が測定可能と
なる。本実施例によれば、刻込まれる穴７の直径は５０
μｍ以下、好ましくは１０μｍ程度であり、その深さ
は、高々数μｍである。

【００２５】穴７の深さをより浅くしたい場合には、刃
２の直径全部の穴を明けず途中で止める。あるいは前記
刃２の刃先の開き角を大きく取る等によって改善でき
る。微小量、例えば１μｍ程度の高さ調節は、ピエゾ素
子等に代表される微小量変移手段９を駆動系の高さ調整
機構１０に組合せることによって容易に行なうことがで
きる。

【００２６】本実施例は直径が１０μｍ程度と細く、し
かも直立していることから、図２の模式的平面図に示し
たようにボンデイングパッド１２のボンディング品質に
影響しないコーナー部１５に針立が可能である。つま
り、ボンディングパッド１２のボンデイング領域１３に
かからない位置で測定が可能になる。

【００２７】また、図３の模式的平面図に示されるよう
に多少太い配線１７上であるならば、直上１８に針立を
して測定を行なうことも可能である。

【００２８】これによってＥＢプローブと同様に、配線
を変更することなく回路等の電気的測定や不良解析が可
能となる。また測定に際して測定用に独立したパッドが
不要となるため、余分なパッド容量及びリーク電流を発
生させることもない。

【００２９】（他の実施例）本発明の他の好適な実施例
を図４の模式的側面図を用いて説明する。図３に示され
るように本実施例はドリル部分と探針部分を別々の部材
で構成している。ドリル２１は枠体としてパイプ状の材
料に刃２２を固着させ、針２３の通る部分に物理的加
工、例えばイオンエッチングによって穴を明けて形成す
ることができる。前記刃２２は前記実施例とは異なり、
コランダム、トパズ、ステイショフ石等の電気的に良導
体と呼べないような材料（不導体材料）を用いることが
できる。導電性の探針２３は前記ドリル２１の内部に移
動可能に内蔵されており、図示しない駆動系によつてド
リル２１に対して相対的に上下に移動する。前記探針２
３の材質はカーボングラファイト等の良導体を用いるこ
とができる。なお、接触の際に変形を生じないための適
当な硬度と弾性を有していることは望ましい。また、前
記ドリル２１からの突出量は、前記針２３の変形を防ぐ
ために、必要最小にすることが望ましい。しかしなが
ら、本実施例では探針２３の枠体としてドリルが作用す
るために探針２３の選択の幅をより広げることができ
る。

【００３０】前記ドリル２１の回転は、不図示のモータ
により直接駆動して良いが図示されるように、たとえば
回転軸２７からベバルギア２６を通して伝えるようにす
れば良い。しかしながら、駆動の伝達はベルト、他の形
状のギアを用いた駆動伝達手段としても良く、必ずしも
限定されるものでもない。

【００３１】もちろんドリル２１の駆動伝達手段は図１
に示される探針を回転させるための駆動伝達手段として
も適用できる。

【００３２】本実施例によれば多少構造が複雑となるも
のの、切削とオーミックコンタクトが別の部材２１、２
３で行われるために、夫々により最適な部材を選択する
ことが可能であり、又、更に広範囲な基板（２８、２
９）に対して最適化が可能である。

【００３３】また前記ドリル２１に絶縁体を用い、外側
表面に金属メッキ等をすることによってプローブヘッド
を同軸ケーブル化することも可能である。このようにす
ることによって高周波測定、及び低電流測定にも対応さ
せることができる。

【００３４】また、本実施例の場合、前記探針２３は必
ずしも導電性材料で形成された固体の探針とする必要も
ない。本実施例の場合、前記探針２３を導電性液体とす
ることも可能である。たとえば、導電性液体として水銀
等の液体金属を使用しても、液体金属はドリル２１の内
部にそのほとんどが収容されるため蒸発、逸散を極めて
抑えることができる。従って、測定環境の整備を従来の
導電性液体を使用した場合に較べて極めて簡素化でき、
あるいは特別な測定環境整備をすることなく、導電性液
体を使用することができ、清浄かつ安全な作業環境を保
つことができる。

【００３５】尚、本実施例においても前記実施例と同様
に高さ調整機構に微小変移手段を組合せることができる
のはいうまでもない。

【００３６】又、本発明は市販のプローブカードのよう
に容易に多ピン化が可能である。

【００３７】本発明は多少微細加工技術を必要とするも
のの、真空装置を製作するほどのコストは必要としな
い。またドリルを有することから、前記基板の表面だけ
でなく、深い所に有る配線、及び電極をも測定可能であ
る。

【００３８】また、本発明のプローブヘッドは部品が微
小であるため、探針に用いる材質によっては寄生抵抗の
増加が懸念されるが、必要であるならば、金、銀、銅、
白金等の貴金属の探針を用いることによって前記寄生抵
抗を下げることが可能である。

【００３９】本発明においては、ドリルで穴掘後の測定
物の電極の酸化を防ぐために、窒素、ヘリウム、ネオン
等の不活性基体から少なくとも１つ選択される基体を有
する不活性雰囲気、水素気体を含む非酸化雰囲気あるい
は真空雰囲気で測定対象物を切削し及び／又は測定する
ことは好ましいことである。

【００４０】測定物の電極が極端に酸化し易い場合に
は、ドリルを廻し、掘込ながら測定を行うことが好まし
い。また測定する電流が大きな場合には、探針を複数本
立てて測定してもよい。

【００４１】

【発明の効果】上記したように、本発明のプローブヘッ
ドによれば、電気デバイスや電気回路上の金属酸化膜あ
るいはパッシベーション膜や層間絶縁膜等の測定の障害
となるようなものを電気デバイスや電気回路に実質的な
損傷を与えることなく除去することができる。

【００４２】したがって安価な構成でより高精度な電気
的測定を行なうことができる。

【００４３】しかも測定箇所の制約が減少するため、測
定用のパッドを設けずとも良く、より一層精確な測定を
行なうことができる。

【００４４】又、本発明のプローブヘッドを用いること
によって、配線部やボンディングパッド部など、測定パ
ット以外においても電気的測定を精度よく行なうことが
できる。

【００４５】加えて本発明の電気的測定方法によれば、
測定部に酸化膜が形成されることなく測定を行なえるの
でより高精度な測定を行なうことができる。

【００４６】また更に、探針の囲いをかこう絶縁性の枠
体の外側表面に導電体を設けることで高周波や低電流の
測定も可能になる。

【００４７】しかも、枠体を用いることによって水銀等
の従来使用し難しかった導電性液体を探針として用いる
ことも可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプローブヘッドを説明するための模式
的側面図である。

【図２】本発明のプローブヘッドを利用した測定箇所例
を説明するための模式的平面図である。

【図３】本発明のプローブヘッドを利用した測定箇所例
を説明するための模式的平面図である。

【図４】本発明の他の実施例を説明するための模式的側
面図である。

【符号の説明】

１ 探針 ２ 刃 ３ 軸受 ４ 支持材 ５ 酸化被膜 ６ 金属部分 ７ 穴 ８ 測定用パッド ９ 微小量変移手段 １０ 高さ調整機構

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象物を切削可能な刃を有すること
   を特徴とするプローブヘッド。
2. 【請求項２】 前記刃は探針の先端に設けられている請
   求項１に記載のプローブヘッド。
3. 【請求項３】 前記刃は探針の周囲に該探針に相対的に
   移動可能に設けられた枠体の先端に設けられている請求
   項１に記載のプローブヘッド。
4. 【請求項４】 前記刃は導電体である請求項１又は２に
   記載のプローブヘッド。
5. 【請求項５】 前記導電体はダイヤモンド、ダイヤモン
   ド状炭素、アモルファス炭素から選ばれる材料を有する
   請求項４に記載のプローブヘッド。
6. 【請求項６】 前記刃は不導体材料である請求項１又は
   ３に記載のプローブヘッド。
7. 【請求項７】 前記不導体材料はコランダム、トパズ、
   スティショフ石から選ばれる材料を有する請求項６に記
   載のプローブヘッド。
8. 【請求項８】 前記探針は導電性液体である請求項３に
   記載のプローブヘッド。
9. 【請求項９】 前記導電性液体が液体金属である請求項
   ８に記載のプローブヘッド。
10. 【請求項１０】 前記液体金属は水銀である請求項９に
    記載のプローブヘッド。
11. 【請求項１１】 前記枠体は該枠体を回転させるための
    駆動伝達手段を有する請求項３に記載のプローブヘッ
    ド。
12. 【請求項１２】 前記駆動伝達手段はギヤを有する請求
    項１１に記載のプローブヘッド。
13. 【請求項１３】 更に前記刃を回転させるため駆動伝達
    手段を有する請求項１に記載のプローブヘッド。
14. 【請求項１４】 更に前記刃を回転させるためのモータ
    を有する請求項１に記載のプローブヘッド。
15. 【請求項１５】 更に前記刃を前記対象物に対して上下
    するための高さ調整機構を有する請求項１に記載のプロ
    ーブヘッド。
16. 【請求項１６】 前記高さ調整機構は微小量変移手段を
    有する請求項１５に記載のプローブヘッド。
17. 【請求項１７】 前記微小量変移手段はピエゾ素子を有
    する請求項１６に記載のプローブヘッド。
18. 【請求項１８】 前記刃の支持部材と測定のための探針
    が別部材である請求項１に記載のプローブヘッド。
19. 【請求項１９】 前記刃は前記探針を通すための穴を有
    する請求項１８に記載のプローブヘッド。
20. 【請求項２０】 前記探針を支持する部材が電極を兼ね
    ている請求項２に記載のプローブヘッド。
21. 【請求項２１】 測定対象物を切削可能な刃を有するプ
    ローブヘッドを用いて前記測定対象物を切削しながら電
    気的測定を行なうことを特徴とする電気的測定方法。
22. 【請求項２２】 測定対象物を切削可能な刃を有するプ
    ローブヘッドを用いて前記測定対象物を不活性雰囲気、
    非酸化雰囲気、真空雰囲気から選択される雰囲気中で切
    削して電気的測定を行なうことを特徴とする電気的測定
    方法。
23. 【請求項２３】 前記切削と前記電気的測定を同時に行
    なう請求項２２に記載の電気的測定方法。
24. 【請求項２４】 測定対象物を切削可能な刃を有するプ
    ローブヘッドを用いて前記測定物を切削後、該測定物を
    不活性雰囲気、非酸化雰囲気、真空雰囲気から選択され
    る雰囲気中で電気的測定を行なうことを特徴とする電気
    的測定方法。
25. 【請求項２５】 測定対象物を切削可能な刃を有するプ
    ローブヘッドを用いて少なくとも前記測定対象物のボン
    ディングパッドのボンディング領域外又は配線部分を切
    削して電気的測定を行なうことを特徴とする電気的測定
    方法。
26. 【請求項２６】 前記探針を複数有する請求項２又は３
    に記載のプローブヘッド。
27. 【請求項２７】 前記枠体が絶縁体と該絶縁体の外側表
    面に設けられた導体を有する請求項３に記載のプローブ
    ヘッド。
28. 【請求項２８】 前記刃の直径が５０μｍ以下である請
    求項１に記載のプローブヘッド。