JP7209938B2 - プローバ - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハに形成された複数のチップの電気的特性の検査を行うプローバに関する。

半導体製造工程は、多数の工程を有し、品質保証及び歩留まりの向上のために、各種の製造工程で各種の検査が行われる。例えば、半導体ウェーハに複数のチップ（半導体装置とも言う。）が形成された段階で、ウェーハレベル検査が行われる。

ウェーハレベル検査は、各チップの電極パッドにプローブを接触させるプローバを使用して行われる（例えば、特許文献１参照）。プローブは、テストヘッドのコンタクト部に電気的に接続されており、テストヘッドからプローブを介して各チップに電源及びテスト信号を供給するとともに、各チップからの出力信号を検出して正常に動作するかを検査する。

半導体製造工程においては、製造コストを低減するために、ウェーハの大型化と一層の微細化（集積化）が進められており、１枚のウェーハに形成されるチップの個数が非常に多くなってきている。それに伴って、プローバでの１枚のウェーハの検査に要する時間も長くなっており、スループットの向上が求められている。そこで、スループットの向上を図るため、多数本のプローブを設けて複数個のチップを同時に検査できるようにするマルチプロービングが行われている。

一方、特許文献２には、プローブを有するプローブカードとテストヘッドとを、ポゴフレームを介して接続したプローバが開示されている。このポゴフレームは、テストヘッドとプローブカードとを接続するインターフェイスとして機能し、テストヘッドとプローブカードとを電気的に接続する多数本のポゴピンを備えている。

また、特許文献２に開示されたプローバは、第１吸着固定部と第２吸着固定部とを備えている。特許文献２のプローバによれば、第１吸着固定部によってテストヘッドとポゴフレームとを吸着固定し、第２吸着固定部によってプローブカードとポゴフレームとを吸着固定する。このような第１吸着固定部と第２吸着固定部の吸着力によって、多数本のポゴピンをテスタのコンタクト部とプローブカードとにそれぞれ接触させている。

特開２００９－６００３７号公報 特開２０１６－１９２５４９号公報

しかしながら、特許文献２では、ポゴフレーム等のインターフェイスの具体的構造については開示されていない。ここで、ポゴピンとしては、例えば中空のチューブと、チューブに挿入配置された圧縮コイルばねと、チューブの一端側開口部に摺動自在に取り付けられた第１ピンと、チューブの他端側開口部に摺動自在に取り付けられた第２ピンとから構成されるものが考えられる。このようなポゴピンをプローバに適用する場合には、圧縮コイルばねの付勢力を利用して、第１ピンとテストヘッドのコンタクト部とを圧接し、第２ピンとプローブカードとを圧接することが考えられる。

上記のようなポゴピンを有するインターフェイスは、多数本の圧縮コイルばねを同時に圧縮させなければ、テストヘッドをプローブカードに確実に接続することが困難である。上記の如くポゴピンは、チューブ、圧縮コイルばね、第１ピン及び第２ピンからなる複数の部品によって構成されているため、圧縮コイルばねを圧縮するためには、各部品間で生じる摩擦抵抗を加えた大きな圧縮荷重が必要になる。つまり、多数本の圧縮コイルばねを同時に圧縮させるには、上記の摩擦抵抗にポゴピンの本数を乗じた圧縮荷重が余計に必要になるので、結果的に大きな圧縮荷重が必要になるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、テストヘッドとプローブカードとを低荷重で確実に接続することができるインターフェイスを備えたプローバを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るプローバは、コンタクト部を有するテストヘッドと、複数のプローブを有するプローブカードと、 テストヘッドとプローブカードとの間に配置され、複数のプローブをコンタクト部に電気的に各々接続する複数のコンタクトピンを有するインターフェイスと、を備え、コンタクトピンは、軸状のばね部と、ばね部の一端に形成されてコンタクト部に接触する軸状の第１接触部と、ばね部の他端に形成されてプローブカードに接触する軸状の第２接触部と、を有し、ばね部、第１接触部及び第２接触部は一体構成物である。

本発明の一形態は、インターフェイスには、複数のピンユニットが着脱自在に取り付けられ、複数のピンユニット毎に複数のコンタクトピンが設けられていることが好ましい。

本発明の一形態は、テストヘッドとインターフェイスとの間には、リング状の第１シール部材が設けられ、インターフェイスとプローブカードとの間には、リング状の第２シール部材が設けられ、テストヘッドとインターフェイスと第１シール部材とによって囲まれた内部空間、及びインターフェイスとプローブカードと第２シール部材とによって囲まれた内部空間を各々減圧することにより、テストヘッド、インターフェイス及びプローブカードが一体化されることが好ましい。

本発明によれば、テストヘッドとプローブカードとを低荷重で確実に接続することができる。

本発明の一実施形態に係るプローバの全体構成を示した外観図 図１に示したプローバを示した平面図 図１の測定ユニットの内部構造を示した測定ユニットの正面図 測定部の構成を示した概略図 インターフェイスの外観を示す斜視図 図５に示したインターフェイスの要部拡大図 図５に示したインターフェイスの概略縦断面図 検査開始可能な状態の測定部を示した概略図

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るプローバ１０の全体構成を示した外観図である。図２は、図１に示したプローバ１０の平面図である。

図１及び図２に示すように、実施形態のプローバ１０は、検査するウェーハＷ（図４参照）を供給及び回収するローダ部１４と、ローダ部１４に隣接して配置され、複数の測定部１６を有する測定ユニット１２とを備えている。測定ユニット１２では、ローダ部１４から各測定部１６にウェーハＷが供給されると、各測定部１６でそれぞれウェーハＷの各チップの電気的特性の検査（ウェーハレベル検査）が行われる。そして、各測定部１６で検査されたウェーハＷはローダ部１４により回収される。ローダ部１４及び測定ユニット１２は、筐体３０（図３参照）に収容されている。なお、プローバ１０は、操作パネル２１、及び各部を制御する制御装置（不図示）なども備えている。

ローダ部１４は、ウェーハカセット２０が載置されるロードポート１８と、測定ユニット１２の各測定部１６とウェーハカセット２０との間でウェーハＷを搬送する搬送ユニット２２とを有する。搬送ユニット２２は、図示しない搬送ユニット駆動機構を備えており、Ｘ方向及びＺ方向に移動可能に構成されるとともに、θ方向（Ｚ方向周り）に回転可能に構成されている。また、搬送ユニット２２は、搬送アーム２４を備えており、上記搬送ユニット駆動機構により搬送アーム２４を前後に伸縮させることが可能となっている。搬送アーム２４の上面部には図示しない吸着パッドが設けられており、搬送アーム２４は、この吸着パッドでウェーハＷの裏面を真空吸着してウェーハＷを保持する。これにより、ウェーハカセット２０内のウェーハＷは、搬送ユニット２２の搬送アーム２４によって取り出され、その上面に保持された状態で測定ユニット１２の各測定部１６に搬送される。また、検査の終了した検査済みのウェーハＷは逆の経路で各測定部１６からウェーハカセット２０に戻される。

図３は、図１の測定ユニット１２の内部構造を示した図であり、測定ユニット１２を正面側（ローダ部１４側）から見た図である。

図３に示すように、測定ユニット１２は、複数の測定部１６が多段状に積層された積層構造を有しており、各測定部１６はＸ方向及びＺ方向に沿って２次元的に配列されている。実施形態では、一例として、Ｘ方向に４台の測定部１６がＺ方向に３段積み重ねられた測定ユニット１２が示されている。

測定ユニット１２は、複数のフレームを格子状に組み合わせた格子形状を有する筐体３０を備えている。この筐体３０は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向にそれぞれ延びる複数のフレームを格子状に組み合わせて構成されたものであり、これらのフレームで囲まれた空間部は略直方体形状になっている。そして、この空間部に測定部１６の構成要素が配置される。

図４は、測定部１６の構成を示した概略図である。

図４に示すように、各測定部１６は、いずれも同一の構成を有しており、ウェーハＷを保持するウェーハチャック５０と、ヘッドステージ５２と、テストヘッド５４と、プローブカード５６と、テストヘッド５４とプローブカード５６の間に配置されてテストヘッド５４とプローブカード５６とを電気的に接続するインターフェイス５８とを備えている。

テストヘッド５４は、不図示の支持部材によってヘッドステージ５２の上方に支持されている。テストヘッド５４は、その下部にコンタクト部５５を有している。このコンタクト部５５は、インターフェイス５８を介してプローブカード５６に電気的に接続される。これにより、テストヘッド５４は、電気的検査のためにウェーハＷの各チップに電源及びテスト信号を供給することができ、各チップからの出力信号を検出して正常に動作するかを検査することができる。

ヘッドステージ５２は、筐体３０の一部を構成するフレーム部材３４に支持されており、インターフェイス５８の平面形状に対応した円形状の開口からなるインターフェイス取付部５３を有する。インターフェイス取付部５３は位置決めピン６３を有しており、インターフェイス５８は位置決めピン６３により位置決めされた状態でインターフェイス取付部５３に固定される。

図５は、インターフェイス５８の外観を示す斜視図である。図６は、図５に示したインターフェイス５８の要部拡大斜視図である。また、図７は、インターフェイス５８とコンタクト部５５とプローブカード５６を含む概略縦断面図である。

図５に示すように、インターフェイス５８は、中央に円形の開口部８２が形成されたリング状のフレーム８０を有する。フレーム８０の開口部８２には、図６の如く、格子部材８４が取り付けられており、格子部材８４の壁部８４Ａによって囲まれた複数の空間がピンユニット８６の収容部８８として構成されている。

次に、ピンユニット８６について説明する。

図６及び図７に示すように、ピンユニット８６は、角筒状のピンユニット本体９０と、ピンユニット本体９０の上面開口部（不図示）を封止する上蓋９２と、ピンユニット本体９０の下面開口部（不図示）を封止する底蓋９４とから構成される、ピンユニット本体９０の内部には、複数本のコンタクトピン９６が上下方向に沿って収納される。このコンタクトピン９６については後述するが、コンタクトピン９６を構成する軸状のばね部９８が、ピンユニット本体９０に収納されている。また、ばね部９８の上端に形成された軸状の第１接触部１００が、上蓋９２を貫通して上方に突設され、ばね部９８の下端に形成された軸状の第２接触部１０２が、底蓋９４を貫通して下方に突設されている。

ピンユニット８６の上蓋９２の互いに対向する縁部には、一対のブラケット１０４が形成されており、これらのブラケット１０４には、止めねじ１０６を挿通する貫通孔１０８が形成されている。

このように構成されたピンユニット８６は、図６に示すフレーム８０の複数の収容部８８にそれぞれ挿入され、止めねじ１０６を貫通孔１０８に挿通して格子部材８４に締結することにより、格子部材８４を介してフレーム８０に着脱自在に取り付けられる。

図７に示す実施形態のコンタクトピン９６は、ばね部９８、第１接触部１００及び第２接触部１０２が同一の材料によって一体に構成された一体構成物（ワンピース）である。コンタクトピン９６は、一例として、ばね部９８、第１接触部１００及び第２接触部１０２のそれぞれ直径が１００μｍ以下の細い軸状部材である。このような細径のコンタクトピン９６を多数本備えることにより、実施形態のインターフェイス５８はマルチプロービングの検査が可能に構成されている。

実施形態のコンタクトピン９６は、金属等の導体を機械加工、エッチング、又はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等の微細加工技術によって製造することができる。なお、コンタクトピン９６のばね部９８は、圧縮コイルばねと同等の機能を有し、軸方向に圧縮された際に生じる付勢力を第１接触部１００及び第２接触部１０２に付与する。

コンタクトピン９６の第１接触部１００は、ピンユニット８６の上蓋９２から上方に突設されて、図７の如く、コンタクト部５５の下面に形成された各端子５５Ａに接触される。また、コンタクトピン９６の第２接触部１０２は、ピンユニット８６の底蓋９４から下方に突設されて、プローブカード５６の上面に形成された各端子５６Ａに電気的に接触される。

図４に戻り、インターフェイス５８のフレーム８０の上面及び下面の外周部には、それぞれリング状のシール部材６０、６２が設けられている。また、プローバ１０は、コンタクト部５５とインターフェイス５８とシール部材６０とによって囲まれた内部空間、及びプローブカード５６とフレーム８０とシール部材６２とによって囲まれた内部空間は、吸引管路１１０を介して吸引装置（例えば、真空ポンプ）１１２にそれぞれ接続されている。

コンタクト部５５とインターフェイス５８とシール部材６０とによって囲まれた内部空間が吸引装置１１２によって減圧されることにより、図８の如く、コンタクト部５５とインターフェイス５８とが相対的に引き寄せられて吸着固定される。また、これと同時に、プローブカード５６とインターフェイス５８とシール部材６２とによって囲まれた内部空間が吸引装置１１２によって減圧されるので、図８の如く、インターフェイス５８とプローブカード５６とが相対的に引き寄せられて吸着固定される。これにより、テストヘッド５４、インターフェイス５８及びプローブカード５６が一体化される。

このとき、図７の如く、第１接触部１００とコンタクト部５５の端子５５Ａとが相対的に押し付けられ、第２接触部１０２とプローブカード５６の端子５６Ａとが相対的に押し付けられる。これにより、ばね部９８が軸方向に圧縮され、これによって生じたばね部９８の付勢力により第１接触部１００が端子５５Ａに圧接され、第２接触部１０２が端子５６Ａに圧接される。実施形態のプローバ１０によれば、このような減圧による吸着固定動作によって、テストヘッド５４をプローブカード５６に確実に接続することができる。なお、シール部材６０が本発明の第１シール部材に相当し、シール部材６２が本発明の第２シール部材に相当する。実施形態では、シール部材６０、６２の双方をインターフェイス５８に設けたが、テストヘッド５４側（例えばコンタクト部５５）にシール部材６０を設けてもよく、プローブカード５６にシール部材６２を設けてもよい。

一方、プローブカード５６は、図４の如く、ウェーハＷの各チップの電極に対応した多数本のプローブ６６を有する。各プローブ６６は、プローブカード５６の下面から下方に向けて突出して形成されており、プローブカード５６の上面に設けられる各端子５６Ａに電気的に接続されている。本例のプローブカード５６は、検査するウェーハＷの全チップの電極に対応した多数本のプローブ６６を備えており、各測定部１６ではウェーハチャック５０に保持されたウェーハＷの全チップの同時検査が行われる。

ウェーハチャック５０は、一例として真空吸着によりウェーハＷを吸着して固定する。ウェーハチャック５０は、アライメント装置７０に着脱自在に支持され、アライメント装置７０によってＸ、Ｙ、Ｚ、θ方向に移動可能となっている。また、ウェーハチャック５０の上面（ウェーハ載置面）の外周部にはリング状のシール部材６４が設けられている。そして、図示しない吸引装置（例えば、真空ポンプ）によって、プローブカード５６とウェーハチャック５０とシール部材６４とによって囲まれた内部空間が減圧されることにより、ウェーハチャック５０とプローブカード５６とが相対的に引き寄せられる。これにより、図８の如く、プローブカード５６の各プローブ６６がウェーハＷの各チップの電極パッドに接触して検査を開始可能な状態となる。

実施形態のプローバ１０のインターフェイス５８は、既述したように、複数本のコンタクトピン９６を有し、このコンタクトピン９６は、ばね部９８と第１接触部１００と第２接触部１０２とを有し、また、ばね部９８、第１接触部１００及び第２接触部１０２は一体構成物である。

このようにコンタクトピン９６を構成することにより、ポゴピンのように複数の部品を組み立てて構成したコンタクトピンと比較して、部品同士の摺接部を無くすことができるので、摺接部に起因する摩擦抵抗を無くすことができる。よって、実施形態のコンタクトピン９６をインターフェイス５８に適用することにより、実施形態のプローバ１０によれば、テストヘッド５４とプローブカード５６とを低荷重で確実に接続することができる。

なお、実施形態のコンタクトピン９６は、前述の如く一体構成物なので、コンタクトピン９６の形状と寸法を変えるだけでコンタクトピン９６のばね定数を調整することができる。これにより、実施形態のコンタクトピン９６によれば、安定した低荷重（例えば、０．０５～０．２０Ｎ）のコンタクトピン９６を実現できる。

ここで、テストヘッド５４とプローブカード５６とを接続する際に要する圧縮荷重について、実施形態のコンタクトピン９６と従来のポゴピンとを比較する。

一例として、１本当たりの圧縮荷重が０．３Ｎのポゴピンを１００００本備えたインターフェイスの場合、全てのポゴピンを圧縮するために要する荷重は３．０×１０^３Ｎとなる。これをウェーハＷの直径（例えば、３００ｍｍ）と同じ平面積（０．０７１ｍ^２）で圧縮する場合、真空吸着では－４２．５kPa以上の圧縮荷重が必要となる。そして、例えばポゴピンを２００００本に増加させた場合に要する荷重は６．０×１０^３Ｎとなり、－８５ｋPa以上の圧縮荷重が必要となる。このような高圧縮荷重を生成することは、工場の用力の面で非常に困難であり、一般的には工場の用力の限界値を超えてしまう。なお、工場の用力を考慮すると、－７０kPa程度の圧縮荷重が一般的に好ましい。

これに対して、実施形態のコンタクトピン９６は、前述したように一体構成物なので、ポゴピンよりも１本当たりの圧縮荷重が小さい。例えば、１本当たりの圧縮荷重が０．０５Ｎのコンタクトピン９６では、６００００本使用したとしても全てのコンタクトピン９６を圧縮するために要する荷重は３．０×１０^３Ｎで済むので、工場の用力で十分に対応可能である。

このように実施形態のコンタクトピン９６によれば、ポゴピンでは実現できない低圧縮荷重を実現することができるので、コンタクトピン９６を高密度に配置したインターフェイス５８を提供することができる。

また、実施形態のインターフェイス５８は、図６に示したように、格子部材８４によってフレーム８０の開口部８２に複数の収容部８８を形成し、この収容部８８にピンユニット８６を着脱自在に取り付けたので、インターフェイス５８の組み立てが容易になり、また、コンタクトピン９６の損耗時の交換も容易になる。なお、収容部８８を形成することなく、開口部８２に多数本のコンタクトピン９６を取り付けてもよい。この場合には、コンタクトピン９６を支持する支持部材をフレーム８０の開口部８２に取付けることが好ましい。

また、実施形態のコンタクトピン９６は一体構成品なので、コンタクトピン９６に対しメッキなどの表面処理を容易に施すことができる。これにより、耐摩耗性及び耐環境性などの付加機能をコンタクトピン９６に容易に付与することができる。

以上、本発明のプローバについて説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

１０…プローバ、１２…測定ユニット、１４…ローダ部、１６…測定部、１８…ロードポート、２０…ウェーハカセット、２１…操作パネル、２２…搬送ユニット、２４…搬送アーム、３０…筐体、５０…ウェーハチャック、５２…ヘッドステージ、５４…テストヘッド、５５…コンタクト部、５６…プローブカード、５８…インターフェイス、６０…シール部材、６２…シール部材、６４…シール部材、６６…プローブ、７０…アライメント装置、８０…フレーム、８２…開口部、８４…格子部材、８６…ピンユニット、８８…収容部、９０…ピンユニット本体、９２…上蓋、９４…底蓋、９６…コンタクトピン、９８…ばね部、１００…第１接触部、１０２…第２接触部、１０４…ブラケット、１０６…止めねじ、１０８…貫通孔、１１０…吸引管路、１１２…吸引装置

Claims (7)

1. コンタクト部を有するテストヘッドと、
   複数のプローブを有するプローブカードと、
   前記テストヘッドと前記プローブカードとの間に配置され、前記複数のプローブを前記コンタクト部に電気的に各々接続する複数のコンタクトピンを有するインターフェイスと、
   を備え、
   前記コンタクトピンは、
   前記コンタクトピンの長手方向の中央部寄りに設けられた軸状のばね部と、
   前記ばね部の一端に形成されて前記コンタクト部に接触する軸状の第１接触部と、
   前記ばね部の他端に形成されて前記プローブカードに接触する軸状の第２接触部と、
   を有し、
   前記ばね部、前記第１接触部及び前記第２接触部は一体構成物である、プローバ。
2. コンタクト部を有するテストヘッドと、
   複数のプローブを有するプローブカードと、
   前記テストヘッドと前記プローブカードとの間に配置され、前記複数のプローブを前記コンタクト部に電気的に各々接続する複数のコンタクトピンを有するインターフェイスと、
   を備え、
   前記コンタクトピンは、
   前記コンタクト部に接触する軸状の第１接触部と、
   前記プローブカードに接触する軸状の第２接触部と、
   前記第１接触部と前記第２接触部との間の全体にわたって配置された軸状のばね部と、
   を有し、
   前記ばね部、前記第１接触部及び前記第２接触部は一体構成物である、プローバ。
3. 前記インターフェイスには、複数のピンユニットが着脱自在に取り付けられ、前記複数のピンユニット毎に複数の前記コンタクトピンが設けられている、請求項１又は２に記載のプローバ。
4. 前記ピンユニットは、ピンユニット本体を有し、
   前記ピンユニット本体の内部に前記ばね部が収納され、
   前記ピンユニット本体の一方側の面から前記第１接触部が突出し、且つ、前記ピンユニット本体の前記一方側とは反対側の面から前記第２接触部が突出している、
   請求項３に記載のプローバ。
5. 前記テストヘッドと前記インターフェイスとの間には、リング状の第１シール部材が設けられ、
   前記インターフェイスと前記プローブカードとの間には、リング状の第２シール部材が設けられ、
   前記テストヘッドと前記インターフェイスと前記第１シール部材とによって囲まれた内部空間、及び前記インターフェイスと前記プローブカードと前記第２シール部材とによって囲まれた内部空間を各々減圧することにより、前記テストヘッド、前記インターフェイス及び前記プローブカードが一体化される、請求項１から４のいずれか１項に記載のプローバ。
6. 前記コンタクトピンは、微細加工技術によって形成されたものである、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のプローバ。
7. 前記微細加工技術は、機械加工、エッチング、又はＭＥＭＳである、
   請求項６に記載のプローバ。

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