JP2010044030A - レーザクリーニング装置およびレーザクリーニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光によるクリーニング装置において、対象物に熱溶融ダメージを与えることなく付着物を除去すること。
【解決手段】プローブクリーニング装置１は、プローブ２１に対してレーザ光を照射してプローブの付着物を除去する際に、プローブ２１の素材や形状などの情報に基づいてクリーニング条件データベース１３を参照し、レーザ照射の出力、パルス間隔、波長、パルス幅などを制御することにより、プローブに熱によるダメージを与えることなく付着物を除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、対象物の表面に付着した付着物（コンタミネーション）をレーザ照射にて除去するレーザクリーニング装置およびレーザクリーニング方法に関し、特に、半導体ウェハ、ＩＣチップ、ＬＣＤ（液晶表示デバイス）基板、プリント基板、磁気ヘッド、薄膜ヘッド等の表面に接触して電気的特性の試験や検査を行なうプローブ針をクリーニングするためのレーザクリーニング装置およびレーザクリーニング方法に関する。

従来、プローブ針を用いた検査では、検査対象となる基板等に針先を押しつけ接触させて各種の電気的な特性を測定している。プローブ針の先端にはタングステンやパラジウム等の任意の金属が用いられる。また、接触する先端形状も様々存在し、プローブ針の数も配置も多数存在する。

検査時にプローブ針が検査対象物に接触した際、プローブ針の先端及びその周囲に検査対象物から剥離した物質、例えばアルミニウムや金等の金属が付着することがある。この付着物は、プローブ針と検査対象物との接触抵抗に影響を及ぼして検査精度の低下を招く。

また、付着物は大きさも大小さまざまで、測定を繰り返す中で堆積し、プローブ針毎に付着状況が変化する。したがって、そのまま試験や検査のためワークに接触を繰り返すとプローブ針の接触高さが変化してしまい、安定した測定ができなくなる。

そのため、従来、レーザ光をプローブ先端に照射して付着物を除去するプローブクリーニング用いられてきた。具体的には、プローブ針の正面又は側方からプローブ針の先端に向けて、レーザビームを、エネルギ密度が１平方ｃｍあたり１００ミリジュール以上の強度でパルス状に１〜１００ショット照射し、プローブ針の先端をクリーニングする技術が知られている（例えば特許文献１参照。）。

特開平１１−３２６４６１号公報

しかしながら、例えば上述したレーザビームの照射条件では、微小なプローブ針先端にレーザビームを照射すると、付着物を除去する以外に付着物のないプローブ針先端の表面や前の照射で付着物が除去されたプローブ針先端の表面にレーザ照射され、生じた熱により先端表面に溶融ダメージを受けてしまう。この熱による溶融ダメージはエネルギ密度が大きいと１照射中から生じる場合もある。このダメージによりプローブ針のワークへの接触時の荷重配分や荷重分布に変化が生じ、試験や検査の結果に異常が生じる。

すなわち、従来の技術では、レーザ光の照射によって対象物に熱溶融ダメージを与えてしまうという問題点があった。

本発明は、上述した従来技術にかかる問題点を解消するためになされたものであり、対象物に熱溶融ダメージを与えることなく付着物を除去するレーザクリーニング装置及びレーザクリーニング方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、開示の装置および方法は、対象物に対してレーザ光を照射し、対象物表面に付着した付着物を除去する際に、対象物に関する情報に基づいてレーザ光の照射を制御し、対象物に対するレーザ照射の影響を抑制する。

開示の装置、および方法によれば、対象物に熱溶融ダメージを与えることなく付着物を除去するレーザクリーニング装置及びレーザクリーニング方法を得ることができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかるレーザクリーニング装置およびレーザクリーニング方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本実施例１にかかるレーザクリーニング装置であるプローブクリーニング装置１の概要構成を示す概要構成図である。図１に示したプローブクリーニング装置１は、その内部にクリーニング制御部１０、プローブ２１、プローブカード２２、レーザ発生装置３１、光学系３２、ステージ３３、電気特性測定部４１および画像取得部４２を有する。

プローブカード２２は、プローブ２１を任意の数配置したカードである。光学系３２は、レーザ発生装置３１で発生したレーザ光をプローブ２１に照射するレーザ光照射部である。また、光学系３２は、ステージ３３に搭載されており、ステージ３３の移動によってプローブ２１に対する水平方向、垂直方向の位置調整を行なうことができる。

電気特性測定部４１は、プローブ２１が検査対象などに接触した状態で電気特性を測定する測定部である。なお、検査対象物、および検査対象物をプローブ２１に接触させるための駆動機構については図示を省略している。画像取得部４２は、プローブ２１の状態を撮影するカメラユニットである。

クリーニング制御部１０は、プローブクリーニング装置１におけるプローブのクリーニング、すなわち付着物の除去を制御する制御部であり、その内部に状況確認部１１、主制御部１２、クリーニング条件データベース１３、ステージ制御部１４、光学系制御部１５、およびレーザ制御部１６を有する。

状況確認部１１は、電気特性測定部４１による測定結果や画像取得部４２による撮影結果からプローブ２１の状態を確認する処理を行なう。また、クリーニング条件データベース１３は、プローブの素材や形状などにレーザの照射条件を対応させて保持している。

ステージ制御部１４は、主制御部１２からの制御を受けてステージ３３を移動させる処理を行なう。同様に、光学系制御部１５は、主制御部１２からの制御を受けて光学系３２の配置変更を行なって焦点位置やレーザ出射形状を変更する。

レーザ制御部１６は、主制御部１２からの制御を受けて、レーザ発生装置３１の動作を制御する。具体的には、レーザ制御部１６は、その内部にレーザ出力を設定する出力設定部１６ａ、レーザの出射パルスの繰り返し周波数、すなわちパルス間隔を設定する繰り返し周波数設定部１６ｂ、レーザの波長を設定する波長設定部１６ｃおよびパルスの幅を設定するパルス幅設定部１６ｄを有する。

主制御部１２は、クリーニング処理を全体制御する制御部であり、状況確認部１１による確認結果とクリーニング条件データベース１３とを参照して、ステージ制御部１４、光学系制御部１５、レーザ制御部１６を制御することで、プローブ２１の付着物を除去する。

図２は、プローブ２１への付着について説明する説明図である。プローブカード２２は図２に示すように、多数の配線が配された樹脂基板に少なくとも１つ基板等の検査対象表面に接触してさまざまな検査を行うための接触針、すなわちプローブ２１を持つ。

このプローブ２１の針の先端はさまざまな試験や検査のため基板等の検査対象表面に接触を繰り返すうちに、検査対象との接触部分に例えばアルミニウムや金等の金属、その他浮遊する異物など大小様々で性質も異なる付着物（コンタミネ−ション）が多数付着し堆積する。

図３は、レーザ照射によるプローブクリーニング（付着物の除去）について説明する説明図である。レーザ発生装置３１からレーザがプローブ２１の針先端に向け照射される。レーザはいくつかの光学部品より構成された光学系３２を通り、１０ｎｓｅｃ未満のレーザビームとしてプローブ針先端の正面に集光照射され、プローブ針２１の先端に付着したコンタミネーションを除去する。ここで、レーザビームを１０ｎｓｅｃとするのは、レーザ光がプローブの針先自体にダメージを与えることを防ぐためである。

この時、照射されたレーザビームは針先以外のプローブ針表面や、外形を主に樹脂で構成されたプローブカードにも照射される。しかし、そのレーザビームはプローブ針先端の正面または側面に焦点をあわせ集光した後で、焦点を過ぎ拡がっている間に照射されるものであるので、針先以外のプローブ針表面や、プローブカード２２はダメージを受けない。

また、レーザ発生装置３１はクリーニング制御部１０によりレーザ照射を制御される。クリーニング制御部１０はレーザ照射に対する複数の条件をクリーニング条件データベース１３として予め保持しているので、プローブカード２２およびプローブ２１の情報を得ることで、適切な条件をレーザ発生装置３１に与えレーザ照射させることができる。

クリーニング条件データベース１３はプローブ２１の材料、コンタミネーションの組成や大きさ等の条件に対するレーザの例えば出力、繰返し周波数、波長、パルスの幅等レーザ照射条件を主に保持している。

一例として、タングステンを材料とする先端約φ２０μｍのプローブ針先端のコンタミネーションを除去する例を挙げる。波長１０６４ｎｍの近赤外レーザをパルス幅７ｎｓｅｃ、１パルス当たりの照射エネルギ４０μＪでプローブ針先端正面にレーザ照射を行う。レーザ発振器とプローブ針先端正面の光軸間にはいくつかの光学部品が配置され、レーザビームはプローブ針先端位置で約φ５０μｍになるよう集光されている。

図４は、レーザ光について説明する説明図である。図４に示すように、一定の間隔（周波数Ｆ）でレーザ照射を行なう場合、１照射されたレーザビームのパルス幅はＰであり、このレーザ照射により照射面の温度は上昇するが、次の１照射されるまでの間に表面からの熱の伝導伝達により冷却が起こり照射面の温度は下がる。

しかし繰返し照射されるレーザビームにより照射面の温度は徐々に上昇していく。このように繰返しレーザ照射を続ける場合は照射面の温度上昇に注意しレーザ照射を行う必要がある。本例の場合、レーザ照射と次のレーザ照射までの間隔は０．２秒（５Ｈｚ）で行う。

付着物を除去するためのレーザ照射が終了すると、プローブ先端のコンタミネーションが除去できているかを確認するため、電気特性測定部４１によるプローブの電気的特性の測定や画像取得部４２が撮影した画像に対する画像認識等の手段で確認して判定を行い、追加のレーザ照射が必要な場合レーザを照射する。そして、照射後に再度電気的特性や画像認識等の手段により確認判定を行う。

図５は、クリーニング制御部１０の処理動作を説明するフローチャートである。クリーニング制御部１０は、まず、レーザ照射に先立って、現状に合ったレーザ照射条件の決定を行なう。具体的には、レーザ照射条件の選択を開始し（Ｓ１０１）、プローブ針の材質や形状、付着したコンタミネーションの主な素材等の情報を取得する。これらは本フローチャートの開始前に予め入力された情報を読み出すことで取得できる（Ｓ１０２）。

おなじく、クリーニング制御部１０は、照射に必要なプローブ針先端部のコンタミネーションの付着状況、例えば接触抵抗値や画像によるコンタミネーションの付着の状況を取得する（Ｓ１０３）。これらの状況はコンタミネーション除去の際取得するもしくは取得した情報である。

クリーニング制御部１０は、以上の情報を元にデータとして予め持っている複数のレーザ照射条件の中から１条件を決定し（Ｓ１０４）、レーザ照射を行なう（Ｓ１０５）。照射後、クリーニング制御部１０は対象のプローブ針先端部の状況を取得して（Ｓ１０６）、コンタミネーションの除去ができているか否かを確認する（Ｓ１０７）。

その結果、付着物が除去できていなければ（Ｓ１０７，Ｎｏ）、再度ステップＳ１０１に移行する。一方、付着物の除去ができていれば（Ｓ１０７，Ｙｅｓ）、すべてのプローブ針先端についてクリーニングが終了したか否かを判定する（Ｓ１０８）。

その結果、クリーニングが必要なプローブ針先端が残っている場合（Ｓ１０８，Ｎｏ）、次のプローブ針先端を対象としてステップＳ１０１に移行する。そして、全てのプローブ針先端についてクリーニングが終了した場合に（Ｓ１０８，Ｙｅｓ）、処理を修理する。

図６は、レーザパルス間隔の段階的な制御によるプローブ保護について説明する説明図である。図６に示した例では、クリーニング制御部１０は、まず、間隔Ｆ１で５回、パルスを射出したのち、Ｆ１よりも長いパルス間隔Ｆ２で５回パルスを射出している。その後、Ｆ２よりもさらに長いパルス間隔Ｆ３で５回、パルスを射出している。

また、図７は、レーザパルス間隔を徐々に広げることによるプローブ保護について説明する説明図である。図７に示した例では、クリーニング制御部１０は、照射開始から照射終了のＦｎまでの間隔をＦ１＜Ｆ２＜Ｆ３・・・＜Ｆｎ−２＜Ｆｎ−１としている。

このように、レーザ光のパルス間隔を制御することでプローブにエネルギーが蓄積し、溶融温度に到達してダメージを受けることを回避することができる。

なお、パルス幅の制御は、プローブの素材や形状に対応付けたパターンで制御してもよいし、レーザ照射面近傍で温度を検知してパルス間隔の制御を行なってもよい。

温度を検知する場合、例えばレーザ照射部表面温度やレーザ照射面を挟んだ間の電気抵抗等の特性によって照射面の温度を求めることができる。そして、図６に示した制御を行なうのであれば、一定の間隔Ｆ１でレーザ照射を開始して表面の温度が上昇し、融点に近づいた場合に、間隔Ｆ１をＦ２に変更して温度上昇を抑える。さらに、それ以上温度が上昇しないようＦ２をＦ３に変更してレーザ照射を継続させ、コンタミネーションの除去を完了させる。このように、レーザ照射を続けている間レーザ照射面の温度上昇で部材表面が融点を超えないようレーザパルスとレーザパルスの繰出す間隔Ｆを長くしたり短くしたりすることでレーザ照射を制御して部材表面に熱ダメージを与えず、コンタミネーションを除去することができる。

また、レーザ照射される表面に熱ダメージを与えないために、レーザ照射する際、または予めレーザ照射される表面を冷やす冷却手段とその制御を設けてもよい。図８は、冷却部３４を設けたプローブクリーニング装置２の概要構成を示す概要構成図である。

プローブクリーニング装置２は、冷却部３４と、温度検知部４３を新たに設けた点、クリーニング制御部１０ａの状況確認部１１ａが温度検知部４３による検知結果をさらに確認する点、また主制御部１２ａが温度検知部４３の検知した温度をレーザ制御に用いる点、さらに主制御部１２ａが冷却制御部１７を介して冷却部３４の動作を制御する点がプローブクリーニング装置１と異なる。その他の構成及び動作はプローブクリーニング装置１と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

温度検知部４３は、既に述べたように、レーザ照射部表面温度やレーザ照射面を挟んだ間の電気抵抗等の特性によって照射面の温度を求める。冷却部３４は、例えば、レーザ照射の際にレーザ照射される表面に冷風を吹き付けるユニットであり、冷却制御部１７は、主制御部１２ａからの制御を受けて冷却部３４の動作を制御してレーザ照射時の発熱を強制冷却させる。

なお、ここではパルスの間隔を変更することで熱ダメージの発生を回避する構成を例に説明を行なったが、レーザの出力や波長、パルス幅を変更することでプローブの温度が融点に到達することを回避するように構成してもよい。

他にも、付着物の大きさなどが一定でないことを考慮し、複数パターンのレーザ照射条件を組み合わせて行なうこともできる。例えば、先ず大きな付着物を除去し、その後小さい付着物を除去する場合、図９に示したように、大きな付着物を除去するレーザ照射条件を波長１０６４ｎｍ、パルス幅７ｎｓｅｃ、１パルス当たり照射エネルギ５０μＪの３回照射とし、小さい付着物を除去するレーザ照射条件は波長５３２ｎｍ、パルス幅５ｎｓｅｃ、１パルス当たり照射エネルギ８０μＪの７回照射とする。このように，別々のレーザ照射条件を組み合わせてレーザ照射をおこなうことで効率よく付着物を除去することができる。また、レーザの照射条件については、プローブ針の材料や形状、付着した付着物の大小等の情報に基づいて決定することで、付着物の除去効率をさらに向上することができる。

以上説明してきたように、本実施例にかかるプローブクリーニング装置１，２は、プローブ２１に対してレーザ光を照射してプローブの付着物を除去する際に、プローブ２１の素材や形状などの情報に基づいてクリーニング条件データベース１３を参照し、レーザ照射の出力、パルス間隔、波長、パルス幅などを制御することにより、プローブに熱によるダメージを与えることなく付着物を除去することができる。

具体的にはプローブクリーニング装置１，２は、プローブ針の正面または側方からプローブ針の先端に向けて、レーザビームの１照射を１０ｎｓｅｃ未満のパルス状に照射し、プローブ針先端に付着したコンタミネーションを除去する。また１照射で除去が終了しない場合、複数回に分けて１０ｎｓｅｃ未満のパルス状のレーザビームを繰り返し照射する。その際の繰り返し間隔はプローブ針の先端が繰り返しレーザビームの照射を受けても溶融する温度に達しない間隔で繰り返し照射を行なう。

なお、本実施例では、プローブをレーザクリーニングする場合を例に説明を行なったが、本レーザクリーニングの対象はプローブに限定されるものではない。例えば、シリコンやガラスの基板、ウェハの上に付着した異物の除去に対しても適用可能である。加えて、シリコン基板上に積層されたパターンを持つＩＣ（Integrated Circuit）チップ等や３次元構造を持ったＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems)等のウェハのガラス基板上に２次元もしくは３次元形状の構造を持った部品にも適用できる。他に、金型全般、特にＩＣチップを実装した基板等をモールドで包む際のモールドを成形する金型にも適用可能である。この金型は金属（鉄系）のベースに数umのメッキを表面に施したものが広く用いられている。

また、Ｐｔ基板上の異物除去や、電子ペーパやＢＩＴ基板上の半田ボールなどにコンアタクトするプローブヘッドの接触面の異物除去にも利用可能である。

以上の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）対象物に対してレーザ光を照射し、前記対象物表面に付着した付着物を除去するレーザ光照射部と、
前記対象物に関する情報に基づいて前記レーザ光の照射を制御し、前記対象物に対する前記レーザ照射の影響を抑制する照射制御部と
を備えたことを特徴とするレーザクリーニング装置。

（付記２）前記レーザ出射部は、パルス状のレーザ光を繰り返し出射し、
前記照射制御部は、前記パルスの幅、出力、波長、繰り返し回数、繰り返し間隔のうちすくなくもといずれかを制御することを特徴とする付記１に記載のレーザクリーニング装置。

（付記３）前記照射制御部は、前記パルスの幅を１０ｎｓｅｃ未満とすることを特徴とする付記２に記載のレーザクリーニング装置。

（付記４）前記照射制御部は、前記繰り返し間隔を徐々に広げることを特徴とする付記２または３に記載のレーザクリーニング装置。

（付記５）前記照射制御部は、前記対象物が溶融温度に到達することを回避するように前記レーザ光の照射を制御することを特徴とする付記１〜４のいずれか一つに記載のレーザクリーニング装置。

（付記６）前記レーザ照射の結果を確認する確認部をさらに備え、前記照射制御部は前記確認部による確認結果に基づいて前記レーザ光の照射を制御することを特徴とする付記１〜５のいずれか一つに記載のレーザクリーニング装置。

（付記７）前記照射制御部は、前記対象物の素材と形状に基づいて前記レーザ照射を制御することを特徴とする付記１〜６のいずれか一つに記載のレーザクリーニング装置。

（付記８）前記照射制御部は、前記付着物に関する情報をさらに用いて前記レーザ照射を制御することを特徴とする付記１〜７のいずれか一つに記載のレーザクリーニング装置。

（付記９）前記対象物を冷却する冷却手段をさらに備えたことを特徴とする付記１〜８のいずれか一つに記載のレーザクリーニング装置。

（付記１０）前記対象物は、針状の形状を有し、前記針の先端を検査対象に接触させて検査対象の電気的特性を検査する検査プローブであることを特徴とする付記１〜９のいずれか一つに記載のレーザクリーニング装置。

（付記１１）対象物に対してレーザ光を照射し、前記対象物の表面に付着した付着物を除去するレーザ光照射方法であって、
前記対象物に関する情報を取得する情報取得ステップと、
前記対象物に関する情報に基づいて前記対象物に対する前記レーザクリーニングの影響を抑制する照射制御を行なう照射制御ステップと、
前記照射制御ステップによる制御を受けて前記対象物に対してレーザ光を照射する照射ステップと、
を含んだことを特徴とするレーザクリーニング方法。

図１は、本実施例１にかかるレーザクリーニング装置であるプローブクリーニング装置１の概要構成を示す概要構成図である。 図２は、プローブ２１への付着について説明する説明図である。 図３は、レーザ照射によるプローブクリーニングについて説明する説明図である。 図４は、レーザ光について説明する説明図である。 図５は、クリーニング制御部１０の処理動作を説明するフローチャートである。 図６は、レーザパルス間隔の段階的な制御によるプローブ保護について説明する説明図である。 図７は、レーザパルス間隔を徐々に広げることによるプローブ保護について説明する説明図である。 図８は、冷却部３４を設けたプローブクリーニング装置２の概要構成を示す概要構成図である。 図９は、異なるレーザ照射条件の組み合わせについて説明する説明図である。

符号の説明

１，２ プローブクリーニング装置
１０ クリーニング制御部
１１ 状況確認部
１２ 主制御部
１３ クリーニング条件データベース
１４ ステージ制御部
１５ 光学系制御部
１６ レーザ制御部
１６ａ 出力設定部
１６ｂ 繰り返し周波数設定部
１６ｃ 波長設定部
１６ｄ パルス幅設定部
１７ 冷却制御部
２１ プローブ
２２ プローブカード
３１ レーザ発生装置
３２ 光学系
３３ ステージ
３４ 冷却部
４１ 電気特性測定部
４２ 画像取得部
４３ 温度検知部

Claims (10)

1. 対象物に対してレーザ光を照射し、前記対象物表面に付着した付着物を除去するレーザ光照射部と、
   前記対象物に関する情報に基づいて前記レーザ光の照射を制御し、前記対象物に対する前記レーザ照射の影響を抑制する照射制御部と
   を備えたことを特徴とするレーザクリーニング装置。
2. 前記レーザ出射部は、パルス状のレーザ光を繰り返し出射し、
   前記照射制御部は、前記パルスの幅、出力、波長、繰り返し回数、繰り返し間隔のうちすくなくもといずれかを制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザクリーニング装置。
3. 前記照射制御部は、前記パルスの幅を１０ｎｓｅｃ未満とすることを特徴とする請求項２に記載のレーザクリーニング装置。
4. 前記照射制御部は、前記繰り返し間隔を徐々に広げることを特徴とする請求項２または３に記載のレーザクリーニング装置。
5. 前記照射制御部は、前記対象物が溶融温度に到達することを回避するように前記レーザ光の照射を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のレーザクリーニング装置。
6. 前記レーザ照射の結果を確認する確認部をさらに備え、前記照射制御部は前記確認部による確認結果に基づいて前記レーザ光の照射を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のレーザクリーニング装置。
7. 前記照射制御部は、前記対象物の素材と形状に基づいて前記レーザ照射を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザクリーニング装置。
8. 前記照射制御部は、前記付着物に関する情報をさらに用いて前記レーザ照射を制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のレーザクリーニング装置。
9. 前記対象物を冷却する冷却手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のレーザクリーニング装置。
10. 対象物に対してレーザ光を照射し、前記対象物の表面に付着した付着物を除去するレーザクリーニング方法であって、
    前記対象物に関する情報を取得する情報取得ステップと、
    前記対象物に関する情報に基づいて前記対象物に対する前記レーザ照射の影響を抑制する照射制御を行なう照射制御ステップと、
    前記照射制御ステップによる制御を受けて前記対象物に対してレーザ光を照射する照射ステップと、
    を含んだことを特徴とするレーザクリーニング方法。

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