JP2001091543A - 半導体検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の半導体素子検査装置では、個々のプロー
ブを高精度に位置決め、固定することに大きな手間を要
し、一度に検査できる電極パッド数およびチップ数が限
られていた。 【解決手段】検査用半導体素子の複数の電極パッドと検
査装置に配置された複数の電気接続基板のシリコンから
なる第一基板に形成されたプローブを個々に直接接触さ
せて、電気的に接続しながら半導体素子を検査する装置
において、前記プローブが形成された第一基板はプロー
ブが片持ち梁上に形成され、絶縁層を介して、配線がプ
ローブ先端から片持ち梁の先端部に沿って、プローブ形
成面の反対面に形成された電極パッド部まで、連続して
つながっている構造を用いることにより解決できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子もしくは
半導体デバイスの試験方法に係り、特にプロービング検
査およびウエハ状態で行うバーンイン検査など半導体製
造工程における半導体素子の電気的特性を効率的に検査
することにより、高信頼性、高歩留りを達成した半導体
装置および半導体装置の電気的特性の検査方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣやＬＳＩなどの半導体装置では、シ
リコンウェハ表面に集積回路を形成するまでのいわゆる
前工程と、このシリコンウェハを個別のチップに切り離
して樹脂やセラミック等で封止するまでのいわゆる後工
程とに大別される。

【０００３】これらの半導体装置では前工程中の所定の
段階において、各回路の電気的特性検査が行われ、チッ
プ単位で良品、不良品の判定が行われる。

【０００４】上記の電気的特性検査は各回路間の導通の
良否を判別するプロービング検査と、１５０℃程度の高
温中で熱的、電気的ストレスを回路に付与して不良を加
速選別するバーンイン検査、及び最終的に高周波で検査
を行う最終検査とに大きく分別できる。特に高周波で行
われる最終検査では高速デバイスの検査を超高周波で行
う高速動作の検査方式が望まれている。

【０００５】前記各種の検査方法共、被検ウェハーもし
くは被検チップと外部の検査システムとの基本的な接続
手段は同様であり、被検ウェハー上に数十ないし百数十
μｍピッチでパターニングされた、数十ないし百数十μ
ｍ角、厚さ１μｍ程度の個々のアルミニウム合金もしく
はその他の合金の電極パッドに対して、個々に導電性の
微細なプローブを機械的に押圧する方法が採られる。

【０００６】また、最近では顧客からＭＣＭ（Multi Ch
ip Module）のようにパッケージングされていない裸チ
ップの要求が増加し、ウエハ状態で検査する方式が考案
されている。ウエハサイズでバーンイン検査を行う技術
として特開平８-１４８５３３号公報のものがある。こ
の公報の構成は、被試験ウエハの電極パッドに対応する
位置に異方性導電膜を介して、シリコンからなるテステ
ィング基板の電極パッドと電気的につなぎ、テスティン
グ基板に形成されたスルーホールを介して被試験ウエハ
の上方に取り出している。外部装置との電気的なやりと
りは配線を用いている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記、従来技術で述べ
たような半導体装置の検査方法では、以下に示すような
問題点があった。

【０００８】まず、シリコン系基材で形成した個々のプ
ローブ付き片持ち梁を個々に別の絶縁基板表面に接合し
ているため、個々のプローブを高精度に位置決め、固定
することに大きな手間を要し、狭ピッチ化に対応するこ
とが困難で、製造歩留まりも低いことが予測できる。ま
た、絶縁基板表面に接合後、個々のプローブ高さばらつ
きが大きくなり、一定の高さでプローブを形成できない
ことが予測できる。プローブからの配線は外周方向に引
き回しているため、プローブの先端と外部の検査システ
ムとの電気的接続のための配線が基板中のプローブ形成
面と実質同一表面に形成されるため、すべての外部接続
端子を基材の外周近傍に集中して形成せざるを得ず、同
外部接続端子の形成可能領域が面積的に限定され、その
結果、多数のプローブを外部と電気的に接続することが
困難であり、例えば被検ウェハーの全電極パッドを一括
して検査するといった大領域同時検査が実質的に困難で
あった。また、配線が長くなり、高周波駆動での測定は
困難であることが予測できる。

【０００９】従来の配線の引き回しを上方に形成した構
成では、プローブからの配線をスルーホールを用いて行
っているが、圧電素子への配線も同様に複数の基板を用
いて組み立てているため、各基板間での配線の位置ずれ
による導通不良及び製造歩留まりも低いことが予測でき
る。

【００１０】さらに、特開平８−１４８５３３号公報の
構成では、テスティング基板の電極パッドと被検査ウエ
ハの電極パッドとの導通に異方導電膜を用いているた
め、狭ピッチのデバイスの検査が困難であると予測でき
る。

【００１１】また、前記従来技術に共通して、シリコン
の静電容量を考慮しておらず、２００ＭＨｚ程度以上の
高速デバイスの検査が実質不可能であることが予測でき
る。特に従来の方式ではシリコン基板に貫通孔を形成し
ているため、貫通孔側面の厚く絶縁膜を形成することが
困難で、シリコンの静電容量が増加するため、高周波駆
動の検査ができない。さらに、従来の各方式では配線の
インピーダンスのマッチングが行われていないことによ
り、高速動作の半導体素子または半導体デバイスの検査
を行うことができないことから高速動作の製品に対応で
きないことが予測できる。

【００１２】本発明の目的は、これまで述べた多くの問
題点を解決し、半導体装置の電気的特性検査において、
例えば被検ウェハの全電極パッドを一括検査するといっ
た大領域同時検査を可能とし、それによって製造歩留ま
りを向上させ、製造コストを低減し、結果的に安価で高
信頼性を有する半導体装置を得ることにある。さらに低
速動作から高速動作と幅広く半導体素子または半導体デ
バイスの検査を行うことが可能な半導体装置を得ること
にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、検査用半導体素子の複数の電極パッドと検査装置に
配置された複数の電気接続基板のシリコンからなる第一
基板に形成されたプローブを個々に直接接触させて、電
気的に接続しながら半導体素子を検査する装置におい
て、前記プローブが形成された第一基板はプローブが片
持ち梁上に形成され、絶縁層を介して、配線がプローブ
先端から片持ち梁の先端部に沿って、プローブ形成面の
反対面に形成された電極パッド部まで連続してつながっ
ている構造を用いることにより達成できる。

【００１４】より詳細には、プローブが形成された第一
基板には前記第一基板内部に金属からなるグランド層が
形成され、かつ絶縁層を介してその表面に複数の配線が
形成され、前記複数の配線の中で電源線及びグランド線
は信号線と比較して太く形成し、かつ、電源線及びグラ
ンド線は電極パッド近傍においてグランド層と電気的に
導通し、信号線はプローブ近傍においてグランド層と電
気的に導通している構造を用いると良い。さらに、前記
絶縁層の厚みを３μｍ以上３０μｍ以下の範囲で形成す
ると良い。

【００１５】また、前記第一基板に低抵抗シリコンを用
い、かつ絶縁層を介してその表面に複数の配線が形成さ
れ、前記複数の配線の中で電源線及びグランド線は信号
線と比較して太く形成し、かつ、電源線及びグランド線
は電極パッド近傍において低抵抗シリコン層と電気的に
導通し、信号線はプローブ近傍において低抵抗シリコン
層と電気的に導通している構造を用いると良い。

【００１６】前記絶縁層は第一の絶縁膜及び第二の絶縁
膜から形成され、第一の絶縁膜に二酸化珪素からなる熱
酸化膜で形成した後、第二の絶縁膜をスパッタリング装
置やCVD装置を用いて絶縁材料を形成する方式またはポ
リイミド樹脂等の有機絶縁材料をスピン塗布もしくはス
クリーン印刷によって形成する方式によって達成でき
る。

【００１７】また、前記第一の絶縁膜の厚みを３μｍ以
下にし、かつ、第一の絶縁膜と第二の絶縁膜の合わせた
厚みを３μｍ以上３０μｍ以下の範囲で形成する構造を
用いると良い。

【００１８】さらに、上記の構造および方式を用いるこ
とにより、高速デバイスの検査が可能になり、検査した
半導体素子もしくは電子部品は非常に安価で提供するこ
とができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明に係る実施の形態に関する
説明を図１から図１９を参照して説明する。図１に本発
明の一実施例に関するウエハ一括検査装置の構造を示
す。

【００２０】本発明のウエハ一括検査装置では、図１に
示すように、プローブ形成基板４には、変形が容易な片
持ち梁が形成され、前記片持ち梁の先端部又はその近く
にはプローブ６が形成されている。プローブ形成基板４
には、絶縁層を介して金属配線７が、プローブ６から片
持ち梁の先端部に沿って、プローブ形成面の反対面に形
成された電極パッド部３ｂまで連続してつながってい
る。プローブ形成基板４の詳細な説明に関しては後述す
る。

【００２１】前記プローブ形成基板４は電気接続基板８
に半田ボール９により固定されている。本発明では半田
ボールを用いてプローブ形成基板４の固定と電気的接続
を同時に行っている。この固定と電気的接続の他の方法
としては、例えば銀ペーストや白金ペーストもしくは１
５０℃以下で溶解しない金属材料、複合材料をスクリー
ン印刷法等によって形成し焼成することにより電気的導
通と固定を行っても良い。

【００２２】電気接続基板８の内部は多層配線が形成さ
れており、狭ピッチに配置されている電極パッド３ｃの
間隔を、電気接続基板８の上部に配置した多層配線基板
１３に設けれられたポゴピン１４の間隔まで広げる役割
をしている。なお、電気接続基板８に形成された電極パ
ッド３ｃはマトリックス状に８００μｍピッチで形成さ
れている。この電気接続基板８の材料としてはセラミッ
クスが好ましく、特にムライトを用いることが線膨張率
の点から良い。これは、各種検査の中でバーンイン検査
が１５０℃の温度雰囲気中で行われるため、シリコンか
らなる被検ウエハの電極パッドとプローブとが相対的に
位置ずれが生じないために線膨張率が近い方が好まし
い。

【００２３】また、電気接続基板８のプローブ形成基板
４面する側の周囲には検査時に加わる加圧力により半田
ボール９が一定以上つぶれないようにするため、座屈防
止用の突起１０が形成されている。組立時には、この突
起１０とプローブ形成基板４との間には所定の隙間が形
成される。突起１０の大きさは半田ボール９の大きさ
（高さ）の２０％程度の高さとしてる。

【００２４】前記、電気接続基板８及びプローブ形成基
板４は、多層配線基板１３に治具１１を介して、ボルト
１２により固定されている。なお、治具１１の材料は、
１５０℃以上で熱変形が少ない材料、例えば、窒化アル
ミニウムもしくはインバーなどを用いると良い。多層配
線基板１３の内部はガラエポ材に多層に配線されている
構造で、ポゴピン１４が多数形成されていて内部多層配
線とつながっている。なお、ポゴピン１４とはばね機構
がついた電気的導通端子である。この多層配線基板１３
も先に説明した電気接続基板８と同じく、電気接続基板
８の面側から反対側の面に配線ピッチを拡大する機能を
備えている。ウエハ一括検査装置１６には多層配線基板
１３と電気的な導通をとるために用いるポゴピンまたは
接続ピン１５が多層配線基板１３の電極パッド３eの間
隔で配置されている。

【００２５】このように、プローブ形成基板からウエハ
一括検査装置までの間に電気接続基板及び多層配線基板
の２枚の基板を用いた理由は、電気接続基板はセラミッ
クスの中に多層配線を形成しているため、高精度に形成
できる代わりに非常にコストが高く製造も容易ではな
い。そのため、基板の変更は容易に行なえない。そのた
め、検査方式を変更した場合や、接点の変更などは安価
で製造の容易な多層配線基板を用いて行なうことができ
る。また、他の検査装置へ適用する場合は、安価で製造
の容易な多層配線基板を取換えるだけで容易に行なうこ
とができる。

【００２６】被検ウエハ２は固定ステージ１に真空チャ
ックで固定されている。固定ステージ１は、図示してい
ない周辺機器により、数１００μｍ単位での高さ制御機
構及び数グラム単位での加圧力制御が可能な構造となっ
ている。さらに、上下、左右、円周方向に移動が可能な
構造となっており、被検ウエハ２に形成された電極パッ
ド３aとプローブ形成基板４のプローブ６を高精度に位
置合わせしながら、互いに接触させることができる構造
となっている。なお、前記の構造では位置合わせ用の移
動機能を固定ステージ側に付加したが、本発明では前記
構造に限らず、例えば、プローブ形成基板側もしくはプ
ローブ形成基板側と固定ステージの両者に位置合わせ用
の移動機能を付加しても良い。

【００２７】ウエハ一括検査装置１６と被検ウエハ２と
の間の、電気信号の授受を行うための電気的な導通手段
に関する構造について説明する。被検ウエハ２の電極３
ａとプローブ形成基板４のプローブ６との位置合わせが
終了後、前記の機構を用いて両者を接触させる（被検ウ
エハ側のステージを上昇させて接触させる）と被検ウエ
ハ２の表面保護膜５に接触しない程度にプローブ形成基
板４を押し付ける。この時、被検ウエハの反りや傾きを
抑制し、プローブ形成基板の片持ち梁が上方にたわみ、
その反力で電極パッド３aに一定の押圧力を与えるよう
にする。

【００２８】本実施例では、電気的導通に必要な押圧力
はおよそ３ｇ程度であった。これ以上の押圧力であれば
良好に電気的導通が得られる。しかし、押圧力があまり
大き過ぎると電極パッド３aにダメージを与える。な
お、被検ウエハ２にはアルミニウムからなる約１００μ
ｍ角の大きさの電極パッド３ａが形成されている。その
電極パッド３ａの周辺にはポリイミド系の樹脂からなる
表面保護膜５が接触不良等を防止するために形成されて
いる。

【００２９】また、プローブ形成基板４の電極パッド３
ｂ及びプローブ６以外の配線上には、ポリイミド等から
なる絶縁膜が配線の段差を埋めるように形成されてい
る。なお、プローブ形成基板４の表面の絶縁膜は、被検
ウエハ２の表面保護膜５にダメージを与えない材料で、
少なくとも１５０℃以上の温度に耐えられる材料であれ
ば他の絶縁材料を用いても良い。また、配線はプローブ
形成基板に溝を形成しその溝の中に埋め込む構造を用い
ても良い。

【００３０】電極パッド３aは、プローブ形成基板４の
プローブ６と接触することにより電気的に導通する。プ
ローブ形成基板４のプローブ６から金属配線が、プロー
ブ形成面と反対面に形成された電極パッド３bまで形成
されている。プローブ形成基板４の電極パッド３bと電
気接続基板８の下面電極パッド３ｃは半田ボールにより
電気的に接続されている。電気接続基板８の下面電極パ
ッド３ｃと上面電極パッド３ｄは電気接続基板の内部に
形成された多層配線により電気的な接続が施されてい
る。電気接続基板８の上面電極パッド３ｄと多層配線基
板１３との電気的な授受は、多層配線基板１３に形成さ
れたポゴピン１４を用いて行う。

【００３１】ポゴピン１４は、そのばね機構により、基
板にうねり等が発生している場合でも導通不良を起こす
ことなく確実に電気的な接続が得られる。また、ポゴピ
ンを採用したことにより、検査対象物を変更した時に
も、電気接続基板８から下の部分を容易に交換すること
が可能である。ポゴピン１４は、多層配線基板１３の内
部配線により多層配線基板１３の上面に形成された電極
パッド３eとつながっている。また、最終的なウエハ一
括検査装置１６との電気的な授受は検査装置１６に形成
されたポゴピンまたは接続端子１５を用いている。

【００３２】以上のように配置された各種基板を用いる
ことにより、被検ウエハ２の電極パッド３ａから検査装
置まで電気的な信号の授受が可能となる。また、前記の
ように各種検査の種類応じて、電気接続基板８から下の
部分を容易に交換することが可能であることから、後述
する多種の検査方法に適用することができる。

【００３３】半導体素子または半導体デバイスの電気的
特性検査は主に３０ＭＨｚの駆動周波数で各回路間の導
通の良否を判別するプロービング検査と、５ＭＨｚの駆
動周波数で１５０℃程度の高温中で数時間から数１０時
間、熱的、電気的ストレスを回路に付与して不良を加速
選別するバーンイン検査、及び最終的に１３３ＭＨｚ以
上の駆動周波数で高周波で検査を行う最終検査が行わ
れ、駆動周波数によって製品が分別される。

【００３４】また、ランバスＤＲＡＭのように４００Ｍ
Ｈｚ以上の駆動周波数で高周波で検査を行う製品及び１
ＧＨｚ以上の駆動周波数で高周波で検査を行うＬＳＩチ
ップもある。これらの検査をウエハレベルで連続して電
気的特性検査を行うために、本発発明のプローブ形成基
板は、検査装置に配置されたプローブ形成基板が１５０
℃程度の高温中で、連続してプローブと被検チップの電
極パッドとが位置ずれすることなく良好にコンタクトさ
れ、しかも電気的に高速動作が可能な構造となってい
る。

【００３５】次にプローブ形成基板４の詳細構造につい
て図２ないし図７を用いて説明する。図２はプローブ形
成基板の外観図を示したものである。

【００３６】プローブ形成基板４はシリコン材からなり
マイクロマシニング技術により、片持ち梁２１と、その
片持ち梁２１上にそれぞれプローブ６が形成されてい
る。プローブが形成されている位置は被検ウエハの電極
パッドの位置と同じ位置に加工することができる。本発
明のシリコンプローブは、シリコンウエハをマイクロマ
シニング技術を利用して加工しているために、その相対
的な位置精度は非常に良い。なお、その位置精度はマス
ク精度に依存する。一般的なマスク精度は±１μｍ以下
であり、加工されるプローブの相対的な位置精度もその
範囲内に入っている。

【００３７】配線７、７ｆは電極パッド３ｂ、３ｆから
プローブ６までつながっている。電極パッド及び配線の
下には、配線間の導通を防止するために絶縁層１７が厚
く形成されている。電極パッド３ｆには、後述するよう
に、電極パッドの下にグランド線と導通させるために金
属層１９が形成されている（図４参照）。配線７ｆは電
源線またはグランド線を示しており、他の３本の配線７
（信号線）よりも配線幅が太く（信号線の３０〜５０倍
程度の太さに）形成されている。信号線は信号線全体の
静電容量の大きさにより検査周波数が制限されるため、
配線幅を太く形成できないが、電源線またはグランド線
はグランド層と導通しているため静電容量とは無関係で
あり、配線幅を太く形成できる。

【００３８】図３は図２のＡ―Ａ破線の断面図を示した
ものである。

【００３９】プローブ形成基板４に用いられているシリ
コン材の表面にはグランド層２０が構造体の表面を覆っ
ている。前記グランド層の材質は電気的に抵抗値が小さ
ければどのような金属を用いても良いが、銅が低抵抗材
料であることから好ましい。グランド層２０の表面には
絶縁層１７が形成されており、その表面にプローブ６か
ら片持ち梁２１の先端部を介して電極パッド３ｂまで配
線が形成されている。前記シリコン材の抵抗率はどの値
でも適用することが可能であるが、好ましくは０.０５
Ωcmより高抵抗材料が良い。これはシリコンをマイクロ
マシニング技術の異方性エッチング技術を用いて加工す
る場合、ボロンがドービングされていると、エッチング
速度が減少し、ひずみ量も増加することにより加工精度
に影響するためである。

【００４０】また、信号線はプローブ近傍においてグラ
ンド層と電気的に導通している構造となっている。ま
た、前記絶縁層の厚みは３μｍ以上３０μｍ以下の範囲
で形成することが好ましく、特に高速検査を行うために
は絶縁層の厚さが２５μｍ程度が良い。

【００４１】図４は図２のＢ―Ｂ破線の断面図を示した
ものである。

【００４２】プローブ形成基板４に用いられているシリ
コン材のプローブ形成面及びプローブ形成面の反対面の
両方の表面にはグランド層２０が形成され、その表面に
は絶縁膜１７が形成されており、その表面に電極パッド
３ｂ及び３ｆが形成されている。電極パッド３ｆは電源
線またはグランド線となっているため、金属層１９を介
してグランド層２０に導通する構造となっている。

【００４３】前記の構造では、複数の配線の中の電源線
及びグランド線は、電極パッド近傍においてグランド層
と電気的に導通し、信号線は、プローブ近傍においてグ
ランド層と電気的に導通している。これによりノイズの
発生がなく、高周波駆動の高速検査が可能である。ま
た、電源線、グランド線及び信号線をグランド層に導通
させない構造を適用した場合には、配線に電流が流れる
と、グランド層にはそれを打ち消すように誘導電流が流
れる。そのため、インダクタンスは、グランド層が無い
場合と比較して、うず電流の影響で半分くらいになる。
このため、検査条件によってはこのような構造を適用す
ることも可能である。

【００４４】本発明では、10μｍ程度に梁をたわませて
被検ウエハの電極パッドとコンタクトをとっている。こ
のため、図５のように、片持ち梁２１の厚みと同じ厚み
のシリコンウエハでプローブ形成基板４を作ることがで
きる。この構造では片持ち梁の変位量１０μｍは、プロ
ーブ形成基板４を電気接続基板８に固定するための直径
２５０μｍの半田ボールの隙間で吸収される。

【００４５】また、プローブはシリコンで形成すること
が信頼性の観点から好ましいが、図６に示すように片持
ち梁２１にグランド層２０、絶縁層１７を形成した後
に、金属プローブ２２を形成した構造を用いることもで
きる。なお、その場合のプローブ２２の材料は配線材料
と同一のものを用いても、異なる金属を用いてもよい。
なお、金属プローブの材質は低抵抗材料で、堅い材質の
ものが好ましい。金属以外の材料でも前記条件が合えば
プローブとして適用することが可能である。

【００４６】前述のように、複数の配線７の下に絶縁膜
１７が形成され、その下にグランド層２０が形成され、
電源線またはグランド線は電極パッド近傍でグランド層
と導通する構造、及び信号線はプローブ近傍でグランド
層と導通する構造とすることにより、ノイズの影響がな
く、インダクタンスを低減させることができ、複数の配
線と測定系とのインピーダンスをマッチングさせること
ができる。

【００４７】そのため、本発明のプローブ形成基板を用
いた検査装置は各配線の信号が隣接する配線に影響する
のを防止できる。また、複数の配線と測定系とのインピ
ーダンスの整合が図れるため、高周波数での高速検査を
行うことが可能である。

【００４８】プローブ形成基板の構造に関する他の実施
例について図７を用いて説明する。図７は図３と同様
に、配線に信号線を適用した場合のプローブ形成基板の
断面図を示している。

【００４９】プローブ形成基板４の表面には、二酸化珪
素からなる熱酸化膜２３が形成されている。電極パッド
３ｂ面及び片持ち梁までの斜面には絶縁層１８が形成さ
れている。その表面にプローブ６から片持ち梁２１の先
端部を介して電極パッド３ｂまで配線７が形成されてい
る。また、プローブ６の近傍の配線は金属層１９を介し
てグランド層２０まで導通した構造となっている。

【００５０】プローブ形成基板４に、低抵抗のシリコン
ウエハを用いると、グランド層を形成する必要がなく、
プローブ形成基板自体がグランド層の役割を果たすこと
ができる。この他に、片持ち梁２１及びプローブ６の構
造体を形成した後、全面にボロン等をドーピングするこ
とで、表面の抵抗を下げた方式を用いても良い。

【００５１】図７の断面構造において、絶縁層は図３と
同じにしても良いが、２つの絶縁膜から構成する構成と
しても良い。シリコン表面は熱酸化を行うことにより、
構造体の形状に沿って、容易に絶縁膜（熱酸化膜）を形
成できる。しかし、配線の下の絶縁層の厚みは５μｍか
ら３０μｍ程度必要である。そのため、熱酸化膜２３を
厚く形成しても良いが、熱酸化膜の成膜速度は時間に反
比例して遅くなる傾向がある。湿式熱酸化法を用いて、
４μｍ厚さの熱酸化膜を形成するのには２７時間程度必
要である。そのため、熱酸化膜の他に絶縁膜１８を設け
る方法がとられる。

【００５２】図７に示した構造体では、熱酸化膜２３を
３μｍ形成した後、絶縁膜18を２２μｍ形成した。より
詳細には絶縁層は電極パッド面及び斜面に形成されてい
る。これは片持ち梁の部分の配線は空気絶縁されている
ためである。なお、シリコン材の抵抗値は０.０１Ωcm
より低抵抗材料が良い。また、絶縁膜１８にポリイミド
樹脂を用いると良い。さらに熱酸化膜の厚みを４μｍ以
下にし、かつ、熱酸化膜と絶縁膜を合わせた厚みを３μ
ｍ以上３０μｍ以下の範囲で形成することが好ましい。

【００５３】前記の構造とすることにより、ノイズの影
響がなく、インダクタンスを低減させることができ、複
数の配線と測定系とのインピーダンスをマッチングさせ
ることができる。そのため、本発明のプローブ形成基板
を用いた検査装置は各配線の信号が隣接する配線に影響
するのを防止できる。また、複数の配線と測定系とのイ
ンピーダンス整合がとれることにより、高周波数での高
速検査を行うことが可能である。

【００５４】被検ウエハをウエハ状態で一括して検査を
行うためには、プローブ形成基板４が被検ウエハの１チ
ップの面積の範囲内で複数の必要な電極パッドを取り出
す必要がある。これは１チップの面積を越えて電極パッ
ドの取り出しを行った場合、中心部から外周部へ電極パ
ッドの位置が広がり、結果的に配線の長さが外周部の方
ほど長く形成されるためである。そのため、チップによ
って配線の長さ及び信号線全体の静電容量が異なり、駆
動周波数が低下するため良好な検査が行えない。

【００５５】また、各種の検査を行う場合、検査内容に
よって検査に必要なパッド数が異なる。そのため、ウエ
ハ状態で各種検査を行うためには、プローブ形成基板に
おいて、被検ウエハの１チップの電極パッド数と同じ数
のプローブ及び電極パッドをプローブ形成基板に作り込
む必要がある。しかし、実際には４０ｍｍ²くらいの面
積に８０前後のプローブ及び電極パッドを作り込まなく
てはならない。

【００５６】そこで、電極パッド配置について、図８な
いし図１３を用いて説明する。図８に、プローブ形成基
板の一部にスルーホールを開けて配線を行なう構成の断
面図を示す。図９に、図８の電極パッド側からの正面図
を示す。図１０に、プローブ側からの正面図を示す。

【００５７】図８では、プローブ形成基板４にはプロー
ブ６、片持ち梁２１、貫通孔２４が設けてある。配線７
a、７bは熱酸化膜２３の上に形成され、プローブ６から
貫通孔を介して電極パッド３ｂまでつながっている。

【００５８】図９及び図１０より、配線７aはプローブ
形成基板４の片持ち梁２１に形成された複数のプローブ
６から貫通孔２４を介して配線７ｂにより電極パッド３
ｂまでつながっている。電極パッド３ｂは貫通孔３６を
避けるように配置されている。そのため、プローブから
電極パッドまでの距離も長くなる。

【００５９】この構造での貫通孔２４の電極パッド側開
口部の一辺の大きさＷは、プローブ形成基板の厚みを
Ｔ、プローブ側開口部の大きさをＨとした場合、次式で
表される。

【００６０】Ｗ＝Ｈ＋（２Ｔ／√２） 例えば、５００μｍ厚のシリコンウエハを用いて、プロ
ーブ側開口部の大きさを５０μｍとした場合、貫通孔２
４の電極パッド側開口部での一辺の大きさは７５７μｍ
となり、その面積は０.５７ｍｍ2である。そのため、８
０個の電極パッドを形成する場合には貫通孔の面積だけ
で４５.６ｍｍ2となる。このため、実質的に貫通孔と電
極パッドを同時に形成することは難しい。

【００６１】次に、最良な電極パッド配置に関する説明
を行う。プローブ形成基板にシリコン異方性エッチング
により構造体を加工した場合の断面図を図１１に、図１
１の電極パッド側からの正面図を図１２に、プローブ側
からの正面図を図１３に示す。図１１よりプローブ形成
基板４にはプローブ６、片持ち梁２１が加工されてい
る。配線７a及び７bは熱酸化膜２３及び絶縁膜１８の上
に形成され、プローブ６から片持ち梁を介して電極パッ
ド３ｂまでつながっている。

【００６２】詳細には、図１２及び図１３より、配線７
aはプローブ形成基板４の片持ち梁２１に形成された複
数のプローブ６から片持ち梁２１の先端部を介して配線
７ｂにより電極パッド３ｂまでつながっている。この構
造では前記構造のように、貫通孔を避けて電極パッドを
配置する必要がないため、小さい面積で多くの電極パッ
ドを形成することが可能である。そのため、プローブか
ら電極パッドまでの距離も短くなり、その分静電容量を
減少させ高速動作が可能になる。また、貫通孔が存在し
ない分、プローブ形成基板の強度も向上する。

【００６３】電極パッドの配置面積を減少させるための
構造を図１４に示す。同図より、プローブ形成基板４に
電極パッド３ｂを左右に同様の数を配置することによ
り、片持ち梁をそれに併せて配置し、配線７ｂも同様に
千鳥状にすることにより、さらに電極パッドの配置面積
を減少させることが可能である。

【００６４】また、配線するための貫通孔が形成してい
ないため、電極パッド面は平面状となるため、多層配線
構造の形成が容易となる。前記で説明した異方性エッチ
ングによる貫通孔または垂直に形成された孔等が形成さ
れているプローブ形成基板において多層配線を形成する
場合には、必要な孔同士を線でつながなければいけない
ため、加工工程が複雑で精度も要求される。一方、本発
明のプローブ形成基板において多層配線を形成する場合
には、面で形成した導通層に必要な電極パッドだけをつ
なげれば良いため、加工工程が容易で精度もあまり必要
ではない。その一例を図１５に示す。図１５は本発明の
多層配線の断面図を示している。プローブ形成基板４の
内部にはグランド層２０ｆ及び２０ｇが形成されてい
る。電極パッド３ｆはグランド線の電極パッドを、電極
パッド３ｇは電源線の電極パッドを、電極パッド３ｂは
信号線の電極パッドをそれぞれ示している。電極パッド
３ｆは金属層１９ｆにより、グランド層２０ｆにつなが
っている。また、電極パッド３ｇは金属層１９ｇによ
り、グランド層２０ｇにつながっている。このようにグ
ランド線と電源線を個々に別のグランド層につなぐこと
で高速動作が可能になる。

【００６５】次にプローブ形成基板４の形成にマイクロ
マシニング技術を用いた加工工程について説明する。図
１６に構造体の加工工程を、図１７及び図１８に配線の
加工工程を示す。

【００６６】図１６より、始めに、図１６(a)に示すよ
うに厚さ５００μｍ（１００）方位のシリコンウエハ２
６を準備する。次に０．５μｍ厚さの熱酸化膜を形成
し、ホトリソプロセスを用いて、シリコンウエハ２６の
表面に形成された熱酸化膜２３上にレジスト塗布・パタ
ーン露光・現像・熱酸化膜のエッチングを片面から行
い、プローブ６を形成するためのマスクパターンを形成
する。目的のプローブ先端形状を得るために、マスクパ
ターン形状にはエッチングによる角落ちに対処するため
の補償パターンが形成されている。

【００６７】その後、６５℃の水酸化カリウム水溶液を
用いてシリコンを２０μｍ段差の異方性エッチング加工
を片面から行い、図１６(ｂ)に示すようにプローブ６を
形成する。この時、プローブ形成部には斜面が形成され
る。これは（１１１）面を示し、他の結晶面と比較して
エッチング速度が大変遅い。前記シリコンのエッチング
加工は水酸化カリウム水溶液だけではなく、その他のウ
エットエッチング液、例えば、エチレンジアミンピロカ
テコール、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイ
ド、ヒドラジンを用いることができる。

【００６８】さらに、図１６(ｃ)に示すようにプローブ
６を個々に分離するために梁以外の部分にホトリソプロ
セスを用いて、レジスト塗布・パターン露光・現像・熱
酸化膜のエッチングを片面から行い、熱酸化膜２３から
なる梁パターンを形成する。

【００６９】その後、図１６(ｄ)に示すように前記と同
様に異方性エッチングを用いて梁厚分だけエッチング
し、底面２７を形成する。

【００７０】次に前記と同様の加工プロセスを用いて、
熱酸化膜を形成し直し図１６(e)に示すようにプローブ
の裏面側に熱酸化膜２３からなるパターン形状に加工
し、図１６(ｆ)に示すように異方性エッチングを用いて
梁厚分だけ残るようにエッチングする。この時、プロー
ブ６は熱酸化膜２３に保護されているため、プローブ形
状は保たれている。また、この時のエッチング量を調整
することにより、最終的に残る梁の厚さをコントロール
できる。

【００７１】最後に熱酸化膜を除去して、図１６(ｇ)に
示すようにプローブ６及び片持ち梁２１が加工された構
造体が完成する。前記加工技術では、異方性エッチング
のマスク材に熱酸化膜を適用した例について説明した
が、マスク材としてシリコンナイトライド膜、薄い熱酸
化膜の上にシリコンナイトライド膜を形成した複合膜を
用いても良い。また、本発明のプローブ形成基板のエッ
チング加工は異方性エッチング加工に限らず、RIE(Reac
tive Ion Etching)装置やイオンミリング装置などのド
ライエッチング装置を組み合わせて構造体のエッチング
加工を行うこともできる。

【００７２】次に配線に関する加工工程について説明す
る。図１７より、（a）に示すように前記の加工工程に
よりプローブ６及び片持ち梁２１が加工された構造体
に、図１７(ｂ)に示すように両面に金属薄膜からなるグ
ランド層２０を形成する。このグランド層の形成はスパ
ッタリング装置とメッキ装置を用いて銅を厚さ５μｍに
形成した。その上に図１７(ｃ)に示すように両面にポリ
イミドからなる絶縁膜１７を厚さ２５μｍに形成した。
前記絶縁物１７はポリイミド以外の樹脂材料または高速
スパッタリング装置を用いて酸化珪素を形成しても良
い。

【００７３】次に図１７（ｄ）に示すように、グランド
層と導通をとるために必要な孔２８をホトリソプロセス
を用いて形成し、図１７（e）に示すように、リフトオ
フ法を用いて孔２８に金属層１９を形成した。また、金
属層を形成する方法として孔２８以外の部分にメタルマ
スクを形成し、スパッタまたは蒸着により金属層を形成
しても良い。

【００７４】最後に厚膜レジストなどを用いてCrを２０
ｎｍその上にAuを１０００ｎｍスパッタリング装置とリ
フトオフ法を用いて形成し、その上にCuを１０μｍさら
にその上にNiを２μｍめっき装置により、プローブ６か
ら電極パッド３ｂまで配線７を形成した。前記Ｃｒの他
にTiを適用しても良い。これはＣｒやＴｉは下地とＡｕ
の密着性を向上させるために形成しているためである。
前記配線材料は１５０℃以上で溶解せず、電気的導通が
ある薄膜形成可能な材料であれば他の材料を用いても良
い。配線などに用いる装置もスパッタリング装置以外の
装置、例えば、蒸着装置やCVD(Chemical Vapor Deposit
ion)装置を用いても良い。さらに、配線の形成方法はリ
フトオフ法にかぎらず、電着レジストまたはスプレーレ
ジスト等３次元的にレジストパターンの形成が可能なレ
ジストを用いて基板全面に薄膜を形成した後、ホトリソ
を行い、エッチングによって形成し、その後めっきで形
成しても良い。

【００７５】図１８より、（a）に示すように前記の加
工工程によりプローブ６及び片持ち梁２１が加工された
構造体に、図１８(ｂ)に示すように熱酸化膜２３を形成
する。ここで、使用するシリコンウエハの抵抗率は、
０.０１Ωcmの低抵抗シリコンウエハを用いた。これは
シリコンウエハを加工した構造体を導体として用いてい
るためである。前記、熱酸化膜の厚みを３μｍ形成し
た。

【００７６】その後、プローブ形成面の裏面の平面部及
び斜面部にポリイミドからなる絶縁膜１８を２２μｍ形
成した。この場合、加工プロセスの容易性から両面全体
にポリイミド膜を形成しても良い。前記絶縁物１８はポ
リイミド以外の樹脂材料または高速スパッタリング装置
を用いて酸化珪素を形成しても良い。

【００７７】次に図１８（ｄ）に示すように、シリコン
ウエハ２９と導通をとるために必要な孔２８をホトリソ
プロセスを用いて形成し、図１８（e）に示すように、
リフトオフ法を用いて孔２８に金属層１９を形成した。
また、金属層を形成する方法として孔２８以外の部分に
メタルマスクを形成し、スパッタまたは蒸着により金属
層を形成しても良い。

【００７８】最後に図１８（ｆ）に示すように、厚膜レ
ジストなどを用いてＣｒを２０ｎｍその上にＡｕを１０
００ｎｍスパッタリング装置とリフトオフ法を用いて形
成し、その上にＣｕを１０μｍさらにその上にＮｉを２
μｍめっき装置により、プローブ６から電極パッド３ｂ
まで配線７を形成した。前記配線材料は１５０℃以上で
溶解せず、電気的導通がある薄膜形成可能な材料であれ
ば他の材料を用いても良い。配線などに用いる装置もス
パッタリング装置以外の装置、例えば、蒸着装置やＣＶ
Ｄ(Chemical Vapor Deposition)装置を用いても良い。
さらに、配線の形成方法はリフトオフ法にかぎらず、電
着レジストまたはスプレーレジスト等３次元的にレジス
トパターンの形成が可能なレジストを用いて基板全面に
薄膜を形成した後、ホトリソを行い、エッチングによっ
て形成し、その後めっきで形成しても良い。また、シリ
コンの加工に高アスペクト比加工が行えるＩＣＰ―ＲＩ
Ｅ装置を用いても良い。これにより、狭ピッチの片持ち
梁の加工が行える。

【００７９】以上のようにそれぞれ説明した本発明の構
造をプローブ形成基板に適用した場合の外観図を図１９
に示す。８インチシリコンウエハの被検ウエハ２には複
数のチップ２５が形成され、その中に複数の電極パッド
３aが形成されている。一方、本発明のプローブ形成基
板４にはプローブが被検ウエハの全電極パッドに対応す
る位置に形成され、前記プローブと同数の電極パッド３
ｂが形成されている。また、プローブから電極パッド３
ｂまで配線７されている。被検ウエハ２にプローブ形成
基板４を接触させることにより、ウエハサイズで一括し
て各種の検査を行うことが可能である。

【００８０】以上に示した本発明のウエハ一括検査装置
を用いてプロービング検査、バーンイン検査及び終検検
査に適用した結果、被検ウエハの電極パッドとプローブ
末端端子との接触抵抗が０．１Ω以下と低く、テスト周
波数も５００ＭＨｚ以上得られた。また、その時の寿命
は３０万回以上であった。その時に温度雰囲気を常温か
ら１８０℃まで変化させたが、被検ウエハの電極パッド
とプローブは極めて良好にコンタクトされていた。ま
た、各工程で検査されたウエハにおける不良チップのデ
ータは記憶され、次の検査工程では不良チップの検査を
行わないシステムを採用した。

【００８１】また、本発明ではプローブ形成基板は８イ
ンチシリコンウエハを用いているが、プローブ形成基板
は被検ウエハのチップと同じ大きさで加工しているた
め、歩留りなどを考慮して、例えば、６インチウエハで
形成したものをダイシングして、それを組み合わせて作
ることも可能である。その場合はプローブ形成基板に一
部が破損した場合でも容易に交換することができる。

【００８２】前記に示した本発明の各構造体は被検ウエ
ハの電極パッドと同一の数だけ形成するだけでなく、例
えば、複数個形成しても良い。被検ウエハの検査におい
て、プローブが寿命により使用できなくなった場合で
も、前記のようにプローブを複数個形成しておくことに
より、位置を変えるだけで、また、新しい基板として用
いることができる。

【００８３】また、本発明は被検ウエハサイズでダイシ
ングすることなく、各種検査を行うことが可能であるた
め、個々の検査の仕様に合わせた構造のプローブ形成基
板を供給することも可能である。

【００８４】以上のことより高速デバイスの検査が可能
になり、検査した半導体素子もしくは電子部品は非常に
安価で提供することができる

【００８５】

【発明の効果】本発明のウエハ一括検査装置によれば、
低周波数から高周波数まで幅広く検査する機能を備えて
いるために、被検ウエハサイズのまま、各種の検査を行
うことができる。また、検査時間を短縮することができ
量産性に優れており、低コストで信頼性の高い半導体デ
バイスを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の装置構成図である。

【図２】本発明の一実施例の斜視図である。

【図３】本発明の一実施例のプローブと電極パッドに関
する断面図である。

【図４】本発明の一実施例のプローブと電極パッドに関
する断面図である。

【図５】本発明の他の一実施例の断面図である。

【図６】本発明の他の一実施例の断面図である。

【図７】本発明の他の一実施例の断面図である。

【図８】プロー部形成基板に配線用スルーホールを開け
た場合の断面図である。

【図９】図８の平面図である。

【図１０】図８のプローブ側見た平面図である。

【図１１】本発明の一実施例に関する断面図である。

【図１２】本発明の一実施例に関する平面図である。

【図１３】本発明の一実施例に関する平面図である。

【図１４】本発明の他の一実施例に関する平面図であ
る。

【図１５】本発明の他の一実施例に関する断面図であ
る。

【図１６】本発明の他の一実施例に関する外観図であ
る。

【図１７】本発明の一実施例の構造体の加工プロセスで
ある。

【図１８】本発明の一実施例の配線の加工プロセスであ
る。

【図１９】本発明の他の一実施例の配線の加工プロセス
である。

【符号の説明】

１…固定ステージ、２…被検ウエハ、３…電極パッド、
４…プローブ形成基板、５…表面保護膜、６…プロー
ブ、７…配線、８…電気接続基板、９…半田ボール、10
…突起、11…治具、12…ボルト、13…多層配線基板、14
…ポゴピン、15…ポゴピンまたは接続ピン、16…ウエハ
一括検査装置、17…絶縁層、18…絶縁膜、19…金属層、
20…グランド層、21…片持ち梁、22…金属プローブ、23
…熱酸化膜、24…貫通孔、25…チップ、26…シリコンウ
エハ、27…溝、28…孔。

フロントページの続き (72)発明者 細金 敦 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 永田 達也 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 河野 竜治 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 青木 英之 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 (72)発明者 有賀 昭彦 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 Ｆターム(参考） 2G011 AA16 AA21 AB01 AB06 AB09 AC06 AC14 AC32 AE03 AF07 4M106 AA01 BA01 CA01 CA09 CA56 DD03 DD15 DD30

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検査用半導体素子の複数の電極パッドと検
   査装置に配置された複数の電気接続基板のシリコンから
   なる第一基板に形成されたプローブを個々に直接接触さ
   せて、電気的に接続しながら半導体素子を検査する装置
   において、 前記プローブが形成された第一基板はプローブが片持ち
   梁上に形成され、絶縁層を介して、配線がプローブ先端
   から片持ち梁の先端部に沿って、プローブ形成面の反対
   面に形成された電極パッド部まで連続してつながってい
   ることを特徴とする半導体検査装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の半導体検査装置におい
   て、 前記プローブが形成された第一基板には前記第一基板内
   部に金属からなるグランド層が形成され、かつ絶縁層を
   介してその表面に複数の配線が形成されていることを特
   徴とする半導体検査装置。
3. 【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の半導体検査
   装置において、前記複数の配線の中で電源線及びグラン
   ド線は信号線と比較して太く形成し、かつ、電源線及び
   グランド線は電極パッド近傍においてグランド層と電気
   的に導通し、信号線はプローブ近傍においてグランド層
   と電気的に導通していることを特徴とする半導体検査装
   置。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半
   導体検査装置において、 前記絶縁層の厚みを３μｍ以上３０μｍ以下の範囲で形
   成することを特徴とする半導体検査装置。
5. 【請求項５】請求項１に記載の半導体検査装置におい
   て、 前記第一基板に低抵抗シリコンを用い、かつ絶縁層を介
   してその表面に複数の配線が形成されていることを特徴
   とする半導体検査装置。
6. 【請求項６】請求項１及び請求項５に記載の半導体検査
   装置において、 前記複数の配線のうち電源線及びグラ
   ンド線は信号線よりも太く形成し、前記電源線及びグラ
   ンド線は電極パッド近傍において低抵抗シリコン層と電
   気的に導通し、信号線はプローブ近傍において低抵抗シ
   リコン層と電気的に導通していることを特徴とする半導
   体検査装置。
7. 【請求項７】請求項１及び請求項５ないし請求項６に記
   載の半導体検査装置において、第一基板に低抵抗シリコ
   ンを用いた絶縁層は第一の絶縁膜及び第二の絶縁膜から
   形成されていることを特徴とする半導体検査装置。
8. 【請求項８】請求項７に記載の半導体検査装置におい
   て、第一の絶縁膜に二酸化珪素からなる熱酸化膜を用
   い、かつ、第二の絶縁膜にポリイミド樹脂を用いること
   を特徴とする半導体検査装置。
9. 【請求項９】請求項８に記載の半導体検査装置におい
   て、前記第一の絶縁膜の厚みを３μｍ以下にし、かつ、
   第一の絶縁膜と第二の絶縁膜の合わせた厚みを３μｍ以
   上３０μｍ以下の範囲で形成することを特徴とする半導
   体検査装置。