JP2012178599A - プローバおよびプローバの温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スループットを低下させずに高温検査時の位置精度の維持を可能にしたプローバを提供する。
【解決手段】筐体11,12と、チップが形成されたウエハWを保持するウエハチャック16と、プローブ20を有するプローブカード19を保持するカードホルダ17と、筐体に固定されてカードホルダを保持するヘッドステージ13と、ヘッドステージ13とカードホルダ17との接続部分を断熱する断熱部18と、を有し、ヘッドステージ13が、雰囲気温度になるように温度制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウエハ上に形成された複数の半導体装置（チップ）をテスタで検査するために使用するプローバおよびプローバの温度制御方法に関し、特に検査する温度条件を設定可能なプローバプローバの温度制御方法に関する。

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、半導体ウエハ上に半導体装置の複数のチップが形成された段階で、各チップの半導体装置の電極パッドをテスタに接続し、テスタから電源及びテスト信号を供給し、半導体装置の出力する信号をテスタで測定して、正常に動作するかを電気的に検査するウエハレベル検査が行われている。

ウエハレベル検査の後、ウエハはフレームに貼り付けられ、ダイサで個別のチップに切断される。切断された各チップは、正常に動作することが確認されたチップのみが次の組み立て工程でパッケージ化され、動作不良のチップは組み立て工程から除かれる。更に、パッケージ化された最終製品は、出荷検査が行われる。

ウエハレベル検査は、ウエハ上の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。プローブはテスタの端子に電気的に接続され、テスタからプローブを介して各チップに電源及びテスト信号が供給されると共に各チップからの出力信号をテスタで検出して正常に動作するかを測定する。

プローバは、筐体と、チップが形成されたウエハを保持するウエハチャックと、配列されたプローブを有するプローブカードを保持するカードホルダと、筐体に固定されてカードホルダを保持するヘッドステージと、筐体に固定されてウエハチャックを移動する移動機構と、を有する。検査するウエハをウエハチャックに固定して、アライメントカメラで電極パッドの位置を検出して、プローブと電極パッドの位置関係を算出し、電極パッドがプローブに接触するように移動する。プローブと電極パッドの位置関係は、テスト用ウエハの電極パッドにプローブを接触させ、その接触跡を測定して位置関係を校正している。

近年、半導体装置（チップ）の高集積化に伴い電極パッドのサイズが小さくなっている。また、検査のスループットを向上するため、複数組み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おり、同時に検査するチップ数も増大している。そのため、電極パッドとプローブを接触させる位置合わせの許容誤差が小さくなっており、プローバにおける移動の位置精度を高めることが求められている。

また、半導体装置は各種の環境条件で正常に動作することが求められている。それに伴い、ウエハレベル検査において半導体装置の仕様に応じた温度条件、すなわち高温および低温での動作を検査できることが求められている。高温での検査を行うために、ウエハチャックにヒータを設け、ウエハチャックおよびそれに保持されたウエハを高温にすることが行われる。また、低温での検査を行うために、ウエハチャックを冷却するチラー機構を設け、ウエハチャックおよびそれに保持されたウエハを低温にすることが行われる。

高温または低温での検査を可能にしたプローバについては、特許文献１および２などに記載されており、広く知られているので詳しい説明は省略する。

上記のように、電極パッドとプローブを接触させる位置合わせの許容誤差が小さくなっている。一方、ウエハを高温または低温にして検査を行なう場合、温度変化に伴って電極パッドとプローブにずれを生じる。例えば、ウエハを定常温度から高温に変化させる場合、定常温度で電極パッドとプローブの位置関係を測定して位置合わせすることにより正しく接触させても、高温になった場合にはずれて正しく接触しない状態、すなわちプローブが電極パッドの外の部分と接触して正しい検査が行えないという問題が発生する。

このような問題の発生を防止するために、高温で測定する場合には、ウエハをウエハチャックに保持した状態でウエハチャックを加熱し、ウエハチャックおよびウエハが高温の検査温度になり、しかも対向するプローブカード、カードホルダ、ヘッドステージなどの温度が安定してそれ以上大きな位置ずれが生じない状態まで待機し、その後ウエハの電極パッドとプローブの位置関係を測定し、プローブを電極パッドに接触させて検査を行う。また、温度が安定する前に検査を開始する時には、開始後頻繁に電極パッドとプローブの位置関係を測定して、位置関係の変化を補正することも行われている。このようにして、温度変化に伴うプローブと電極パッドの位置関係の変化が検査に影響しないようにしていた。

特開２００１−３１９９５３号公報 特開２００７−１０１３４５号公報

しかし、ウエハチャックおよびウエハが検査する高温になった後、周囲のプローブカード、カードホルダ、ヘッドステージなどの温度が安定するまでには非常に長時間を要し、スループットの低下をもたらす。プローバには高価なテスタを接続して検査するため、スループットの低下は検査コストの増加という問題を生じる。

また、電極パッドとプローブの位置関係を頻繁に測定して位置関係を補正する方法も、位置関係の測定を行うのでスループットが低下し、上記と同様の問題を生じる。

本発明は、スループットを低下させずに高温検査時の位置精度の維持を可能にしたプローバおよびプローバの温度制御方法の実現を目的とする。

上記目的を実現するため、本発明のプローバは、ヘッドステージとカードホルダとの間を断熱し、ヘッドステージが雰囲気温度になるように温度制御する。

すなわち、本発明のプローバは、筐体と、チップが形成されたウエハを保持するウエハチャックと、テスタの端子に接続され、ウエハの電極に接触するプローブを有するプローブカードを保持するカードホルダと、筐体に固定され、カードホルダを保持するヘッドステージと、ヘッドステージとカードホルダとの接続部分を断熱する断熱部と、を備え、ヘッドステージが、雰囲気温度になるように温度制御されたことを特徴とする。

本発明のプローバの温度制御方法は、筐体と、チップが形成されたウエハを保持するウエハチャックと、テスタの端子に接続され、ウエハの電極に接触するプローブを有するプローブカードを保持するカードホルダと、筐体に固定され、カードホルダを保持するヘッドステージと、ヘッドステージとカードホルダとの接続部分を断熱する断熱部と、を備えるプローバの温度制御方法であって、ヘッドステージが、雰囲気温度になるように温度制御することを特徴とする。

本発明によれば、ヘッドステージとカードホルダは断熱され、ヘッドステージは雰囲気温度に維持されるので、カードホルダが検査温度と同じ高温になっても、ヘッドステージの温度は変化せず、位置ずれは抑制される。

カードホルダはホルダ加熱機構により加熱されるので、短時間でウエハの検査温度と同じ温度になる。これはウエハチャックおよびウエハについても同様で、短時間で検査温度になる。プローブカードは、熱容量が小さいので、同様に短時間で検査温度になる。ウエハチャック、ウエハ、カードホルダおよびプローブカードが検査温度になると、ヘッドステージは雰囲気温度に維持されるので安定した状態になり、温度変化に起因する位置ずれは生じない。このように、短時間で安定した状態になり、検査を開始できるので、スループットが向上する。

低温でのウエハ検査を行わないプローバの場合には冷却機構を新たに設ける必要があるが、低温でのウエハ検査を行うプローバは、あらかじめウエハチャックの冷却機構を備えており、高温でウエハを検査する場合にはこのウエハチャックの冷却機構は使用されない。そこで、高温でウエハを検査する場合のヘッドステージの冷却機構として利用することが望ましい。そこで、冷却機構は、ウエハチャックを冷却するように切り替え可能であり、温度制御部は、ウエハチャックの冷却時には冷却機構をウエハチャックを冷却するように切り替え、ウエハチャックを所定の高温度に加熱する時には冷却機構をヘッドステージを冷却するように切り替える。

本発明によれば、スループットを低下させずに、高温でのウエハレベル検査を高い位置精度で行えるようになり、検査コストを低減できる。

本発明の実施形態のウエハレベル検査システムの全体構成を示す図である。 ヘッドステージにおける冷却ジャケットの配置を示す図である。 従来例における温度変化に伴うプローブ先端位置の変化を示す図である。 実施形態における温度変化に伴うプローブ先端位置の変化を示す図である。

図１は、本発明の実施形態のウエハレベル検査を行うシステムの概略構成を示す図である。ウエハレベル検査を行うシステムは、ウエハ上の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１０と、プローブに電気的に接続され、電気的検査のために各チップに電源及びテスト信号を供給すると共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測定するテスタ２０とで構成される。

図１において、基部１１、側板１２およびヘッドステージ１３がプローバ１０の筐体を構成する。側板１２で支持される上板を設け、上板にヘッドステージ１３を設ける場合もある。基部１１上には、Ｚ軸移動回転機構１５を２次元平面内で移動するＸＹ移動機構１４が設けられ、Ｚ軸移動回転機構１５はウエハチャック１６を支持してＺ軸方向に移動すると共にＺ軸の回りに配点する。ウエハチャック１６は、真空吸着などによりウエハＷを吸着して固定する。ウエハチャック１６の内部には、ウエハチャック１６を加熱して高温にするヒータ３１と、ウエハチャック１６を冷却して低温にする冷却ジャケット３３と、が設けられている。

ヘッドステージ１３には、断熱部１８を介してカードホルダ１７が固定される。カードホルダ１７に、電極パッドに接触するプローブ２０を有するプローブカード１９が交換可能に取り付けられる。プローブカード１９は、検査する半導体装置（チップ）に応じて製作される。テスタ２０を構成するテスタ本体２２の端子は、カードユニット２１の多数の接続ピンを介して、プローブカード１９の端子に接続される。これにより、テスタ本体２２の端子は、プローブ２０と電気的に接続された状態となる。

ヘッドステージ１３には、ヘッドステージ１３を冷却する冷却ジャケット３４が設けられる。図２は、ヘッドステージ１３における冷却ジャケット３４の配置を示す図である。円形の断熱部１８の内側は円形の穴になっており、カードホルダ１７が取り付けられ、図示していない固定部材で固定される。冷却ジャケット３４は、穴の周りの４箇所に配置される。参照番号３５は、バルブ４４を介してチラー装置４３から供給される冷却液の流路を形成する配管で、２個の冷却ジャケット３４を循環するように構成されている。

図１に戻り、カードホルダ１７には、カードホルダ１７を加熱して高温にするヒータ３２が設けられる。さらに、ウエハチャック１６には温度センサ５１が、カードホルダ１７には温度センサ５２が、ヘッドステージ１３には温度センサ５３が、設けられ、それぞれの箇所の温度を検出する。

プローバ１０の内部または外部に付属して、温度調整部４１と、ヒータ電源４２と、チラー装置４３と、チラー装置４３から冷却ジャケット３４へ冷却液を供給するか否かを切り替えるバルブ４４と、チラー装置４３から冷却ジャケット３３へ冷却液を供給するか否かを切り替えるバルブ４５と、が設けられる。温度調整部４１は、温度センサ５１〜５３の検出した温度を取り込み、所定のシーケンスおよび検出した温度に基づいてヒータ電源４２およびチラー装置４３を制御する。

図示していないが、ヘッドステージ１３（または側板１２）には、ウエハＷの電極パッドの位置を検出するウエハアライメントカメラが設けられ、ウエハチャック１６にはプローブ２０の位置を検出するプローブ位置カメラが設けられる。位置を検出した電極パッドを位置を検出したプローブ２０に接触させることにより付いた針跡をウエハアライメントカメラで検出することにより、ウエハアライメントカメラとプローブ位置カメラの相対位置が校正される。

プローバの動作については広く知られているので、これ以上の詳しい説明は省略する。

以下、実施形態のプローバにおける高温での検査の場合の温度調整部４１の制御動作について説明する。なお、低温での検査は、従来例と同様に、バルブ４５を開いてウエハチャック１６の冷却ジャケット３３に冷却液を供給してウエハチャック１６を低温にすることにより行う。この時、バルブ４４は閉じられて冷却ジャケット３４に冷却液は供給されず。ヒータ３１および３２にも電源は供給されず、ヒータ３１および３２は動作しない。従って、低温検査時には、従来と同様に、各部の温度が平衡状態になるまで待機してから検査を開始するか、頻繁に位置ずれを検出して位置補正（校正動作）を行う必要がある。

高温での検査時には、バルブ４５を閉じてウエハチャック１６の冷却ジャケット３３には冷却液を供給しないようにする。ヒータ電源４２からヒータ３１および３２に電源を供給して加熱し、温度センサ５１および５２の検出した温度に基づいて、ウエハチャック１６およびカードホルダ１７の温度を、検査温度（例えば１５０°Ｃ）になるように供給する電力を変化させるフィードバック制御する。これと共に、バルブ４４を開いてヘッドステージ１３の冷却ジャケット３３には冷却液を供給し、温度センサ５３の検出した温度に基づいて、ヘッドステージ１３の温度を変化しないように、すなわち開始時の雰囲気温度に維持するようにフィードバック制御する。この制御は、チラー装置４３の供給する冷却液の温度を変化させ、供給する冷却液の量を変化させることにより行う。

実施形態では、ヘッドステージ１３とカードホルダ１７は断熱部１８で断熱され、ヘッドステージ１３は雰囲気温度に維持されるので、カードホルダ１７が高温になっても、ヘッドステージ１３の温度は変化せず、ヘッドステージ１３の温度変化に起因する位置ずれは抑制される。カードホルダ１７はヒータ３２により加熱されるので、短時間でウエハＷの検査温度と同じ温度になる。これはウエハチャック１６およびウエハＷについても同様で、ヒータ３１により加熱されるので短時間で検査温度になる。プローブカード１９は、熱容量が小さいので、同様に短時間で検査温度になる。ウエハチャック１６、ウエハＷ、カードホルダ１７およびプローブカード１９が検査温度になると、ヘッドステージ１３は雰囲気温度に維持されるので安定した状態になり、温度変化に起因する位置ずれは生じない。このように、短時間で安定した状態になり、検査を開始できる。これにより検査のスループットが向上する。

ここで、断熱部１８、ヒータ３２および冷却ジャケット３４が設けられていない従来例の場合について説明する。ヒータ３１によりウエハチャック１６が加熱されて検査温度になり、それに伴いウエハＷも検査温度になる。この時、プローブカード１９、カードホルダ１７およびヘッドステージ１３も、ウエハチャック１６およびウエハＷからの放射により徐々に温度が上昇する。温度上昇はウエハチャック１６およびウエハＷに近いプローブカード１９の方がカードホルダ１７より大きく、ヘッドステージ１３の温度上昇が最も緩やかである。各部の温度上昇に伴いプローブ２０とウエハＷの電極パッドの相対位置が変化する。例えば、ヘッドステージ１３はカードホルダ１７を支持しており、ヘッドステージ１３が熱膨張により伸長するとそれに伴ってカードホルダ１７およびプローブカード１９の位置も変化する。従って、ヘッドステージ１３が熱的に安定せずに温度が変化する間プローブ２０の位置が変化することになる。上記のように、ヘッドステージ１３の温度上昇は緩やかであり、安定するまでに長時間を要する。

図３は、従来例において、ウエハＷを２００°Ｃにする場合の、プローブ２０の先端位置の変化を測定した結果を示す。ひし形がＸ方向の位置変化を、正方形がＹ方向の位置変化を、三角形がＺ方向の位置変化を示す。この図から、Ｘ方向の位置は２時間程度変化して約２０μｍずれた位置で安定し、Ｙ方向の位置は約−６０μｍずれた位置に安定するまで７時間以上要し、Ｚ方向の位置は約−７０μｍまで１時間程度変化した後徐々に正方向に変化することが分かる。なお、Ｚ方向の変化は、プローブ２０の電極パッドとの接触圧の変化となって現れるが、これはウエハチャックにかかる圧力を検出してウエハチャックのＺ方向に位置を変化することにより調整可能であり、実用上は問題にはならない。問題になるのはＸおよびＹ方向の位置変化で、現状では電極パッドのサイズは、１辺が５０μｍ程度になっており、位置ずれの許容範囲は２０μｍ程度であり、図３では待機時間を５時間以上にもする必要があった。そのため、プローブ２０と電極パッドの位置関係の校正を頻繁に行って検査を行っていた。

図４は、本実施形態のプローバにおいて、ウエハＷを２００°Ｃにする場合の、プローブ２０の先端位置の変化を測定した結果を示す。図示のように、Ｚ方向の位置は約−７０μｍまで１時間程度変化した後安定し、ＸおよびＹ方向の位置の変化は非常に緩やかで、最大でも２０μｍ以下である。図３と比べても、ＸおよびＹ方向の位置の変化が非常に小さくなっていることが分かる。従って、ウエハＷが検査温度になったら直ぐに検査を開始することが可能であり、スループットが向上する。また、位置ずれの許容範囲が小さい場合でも、位置変化が緩やかなので、校正を行う頻度を少なくでき、スループットが向上する。

以上、本発明の実施形態を説明したが、各種の変形例が可能であるのはいうまでもない。例えば、上記の実施形態では、低温での検査も可能なプローバを例として説明し、ウエハチャックを冷却するチラー装置をヘッドステージの冷却に兼用する例を説明した。もし低温での検査を行わない常温および高温専用のプローバの場合には、新たにチラー装置を設ける必要がある。

本発明は、ウエハの検査を行う場合に使用するプローバで、ウエハを高温にして検査を行うプローバであれば、どのようなものにも適用可能である。

１３ ヘッドステージ
１６ ウエハチャック
１７ カードホルダ
１８ 断熱部
１９ プローブカード
２０ プローブ
３１ ヒータ
３２ ヒータ
３３ 冷却ジャケット
３４ 冷却ジャケット
４１ 温度調整部
４２ ヒータ電源
４３ チラー装置

Claims (8)

1. 筐体と、
   チップが形成されたウエハを保持するウエハチャックと、
   テスタの端子に接続され、前記ウエハの電極に接触するプローブを有するプローブカードを保持するカードホルダと、
   前記筐体に固定され、前記カードホルダを保持するヘッドステージと、
   前記ヘッドステージと前記カードホルダとの接続部分を断熱する断熱部と、を備え、
   前記ヘッドステージが、雰囲気温度になるように温度制御されたことを特徴とするプローバ。
2. 前記ウエハチャックを加熱するチャック加熱機構と、
   前記カードホルダを加熱するホルダ加熱機構と、
   前記ヘッドステージを冷却する冷却機構と、を備え、
   前記チャック加熱機構、前記ホルダ加熱機構および前記冷却機構を温度制御することを特徴とする請求項１に記載のプローバ。
3. 前記温度制御は、前記チャック加熱機構で前記ウエハチャックを所定の高温度に加熱する時には、前記冷却機構で前記ヘッドステージを雰囲気温度に、前記ホルダ加熱機構で前記カードホルダを前記所定の高温度に加熱するように制御することを特徴とする請求項２に記載のプローバ。
4. 前記冷却機構は、前記ウエハチャックを冷却するように切り替え可能であり、
   前記温度制御は、前記ウエハチャックの冷却時には前記冷却機構を前記ウエハチャックを冷却するように切り替え、前記ウエハチャックを所定の高温度に加熱する時には前記冷却機構を前記ヘッドステージを冷却するように切り替えることを特徴とする請求項２または３に記載のプローバ。
5. 筐体と、チップが形成されたウエハを保持するウエハチャックと、テスタの端子に接続され、前記ウエハの電極に接触するプローブを有するプローブカードを保持するカードホルダと、前記筐体に固定され、前記カードホルダを保持するヘッドステージと、前記ヘッドステージと前記カードホルダとの接続部分を断熱する断熱部と、を備えるプローバの温度制御方法であって、
   前記ヘッドステージが、雰囲気温度になるように温度制御することを特徴とするプローバの温度制御方法。
6. 前記プローバは、前記ウエハチャックを加熱するチャック加熱機構と、前記カードホルダを加熱するホルダ加熱機構と、前記ヘッドステージを冷却する冷却機構と、をさらに備え、前記チャック加熱機構、前記ホルダ加熱機構および前記冷却機構を温度制御することを特徴とする請求項５に記載のプローバの温度制御方法。
7. 前記チャック加熱機構で前記ウエハチャックを所定の高温度に加熱する時には、前記冷却機構で前記ヘッドステージを雰囲気温度に、前記ホルダ加熱機構で前記カードホルダを前記所定の高温度に加熱するように制御することを特徴とする請求項６に記載のプローバの温度制御方法。
8. 前記冷却機構は、前記ウエハチャックを冷却するように切り替え可能であり、
   前記ウエハチャックの冷却時には前記冷却機構を前記ウエハチャックを冷却するように切り替え、前記ウエハチャックを所定の高温度に加熱する時には前記冷却機構を前記ヘッドステージを冷却するように切り替えることを特徴とする請求項６または７に記載のプローバの温度制御方法。

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