JP2019033150A - プロービングステーション - Google Patents

Abstract

【課題】一括コンタクトするための、簡易な構成のプロービングステーションを提供する。【解決手段】半導体ウエハが搭載面上に搭載されるウエハステージと、プローブカードと、平面微小移動機構と、光学系ユニットとを備えて構成される。プローブカードは、ウエハステージと略同じ大きさで、半導体ウエハに形成された全てのチップの電極にコンタクト可能な電極を有する。平面微小移動機構は、ウエハステージの搭載面を、当該搭載面を含む平面内で、半導体ウエハをウエハステージに搭載する際の平面位置ずれの精度分だけ移動させる。光学系ユニットは、ウエハステージの位置決めの際に、プローブカードとウエハステージの間に配置され、半導体ウエハの電極とプローブカードの電極をそれぞれ撮像する。【選択図】図１

Description

この発明は、プロービングステーションに関する。

近年、大量のデータを保存、整理、活用することが様々な場面で求められ、その主要な記憶媒体として半導体メモリが利用されている。半導体メモリは、微細パターンを描画、露光した半導体チップ上に形成され、電気的特性試験を経て、パッケージに封入される。半導体チップは、１枚の半導体ウエハに多数形成される。電気的特性試験では、半導体チップが有する電極に、プローブカードが有する電極をコンタクトさせる、プロービングステーションが用いられる（例えば、特許文献１又は２参照）。

半導体メモリの単価を下げるには、半導体チップに形成される配線パターンを微細化する、あるいは、半導体ウエハの径を大きくすることで、一枚の半導体ウエハから取り出すことができる半導体チップの数を多くすることが有効である。また、複数の半導体チップの測定を同時に行うことにより電気的特性試験の時間を短くし、この結果として、同じ時間に取り出すことができる半導体チップの数を多くすることも有効である。

このような状況に鑑みて、各半導体メーカは、近年、半導体ウエハの大口径化と、半導体チップの複数同時測定化を行ってきた。こういった複数同時測定の最も効率的な手法として半導体ウエハ全面の半導体チップにプローブカードの電極を接触させる一括コンタクトがある。

ちなみに従来のプロービングステーションを用いて、半導体ウエハに形成される全ての半導体チップに一括コンタクトをする際は、プローブカードと半導体ウエハの位置合わせを行うアライメントの後に、一度だけプローブカードを所定の位置に、いわゆるステップ移動する。

ここで、従来のプロービングステーションは、複数の半導体チップの同時測定を行うにあたり、半導体ウエハに複数形成された半導体チップのチップサイズの整数倍の距離を移動しながら、複数回に分けて電気的特性の測定を行うことを前提として開発されている。このため、従来のプロービングステーションでは、１チップ単位の測定が基本である都合上、ステップ移動する機構的なストロークを保持している。例えば、１２インチウエハ対応機ではＸＹ軸とも最低で３００ｍｍのストロークが必要である。しかもこのストローク全域において高精度でなければならない。

特開２００６−３３９１９６号公報 特開２００７−０９５７５３号公報

しかしながら、半導体ウエハの大口径化に伴って、チップサイズの整数倍の距離を移動する機構と、複数の半導体チップの同時測定を行うにあたって求められる精度及び剛性は、近年飛躍的に高度になっている。従来のプロービングステーションでは、プローブカードが半導体ウエハの中心位置からずれて、すなわちオフセットして、コンタクトすることで生じる垂直方向の偏荷重によるモーメントに対応するため、特別な構成を持ったＺ軸か、非常に剛性の高いガイド機構を用いる必要がある。

このため、プロービングステーションの設計及び製造は困難さを増してきている。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、半導体ウエハに形成された全てのチップの電極に、一括コンタクトするための、簡易な構成のプロービングステーションを提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の、半導体ウエハの電気的特性を測定するプロービングステーションは、半導体ウエハが搭載面上に搭載されるウエハステージと、プローブカードと、平面微小移動機構と、光学系ユニットとを備えて構成される。

プローブカードは、ウエハステージと略同じ大きさで、半導体ウエハに形成された全てのチップの電極にコンタクト可能な電極を有する。平面微小移動機構は、ウエハステージの搭載面を、当該搭載面を含む平面内で、半導体ウエハをウエハステージに搭載する際の平面位置ずれの精度分だけ移動させる。光学系ユニットは、ウエハステージの位置決めの際に、プローブカードとウエハステージの間に配置され、半導体ウエハの電極とプローブカードの電極をそれぞれ撮像する。

この発明のプロービングステーションによれば、ウエハステージと略同じ大きさで、半導体ウエハに形成された全てのチップの電極にコンタクト可能な電極を有するプローブカードを備え、半導体ウエハに形成された全てのチップの電極に、一括コンタクトすることを目的にしている。このため、プローブカードとウエハステージの位置合わせを行うアライメントの後に”ステップ移動”すること無しに半導体ウエハの電極とプローブカードの電極とのコンタクトができる。

このことにより、平面微小移動機構は、半導体ウエハをウエハステージに搭載する際に発生しうるずれを平面内で位置合わせするに必要十分な量だけ移動させればよく、従来のプロービングステーションで“ステップ移動”のために必要とされるストロークを必要としない。

また、この発明のプロービングステーションでは、プローブカードと半導体ウエハが必ず決められた位置でのみコンタクトするためＺ軸に不要なモーメントが生じない。従って、垂直荷重に対する適切な設計と製造とが容易である。

この発明のプロービングステーションを説明するための図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。なお、構成要素の一部の図示及び説明を省略することもある。

また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

図１を参照して、この発明のプロービングステーションを説明する。図１は、この発明のプロービングステーションを説明するための図である。図１（Ａ）は、プロービングステーションを側面から見た模式図であり、図１（Ｂ）は、プロービングステーションが備える平面微小移動機構の一構成例を説明するための図であって、上面から見た模式図である。

この発明のプロービングステーションは、例えば、テストヘッド１０、パフォーマンスボード２０、プローブカード３０、ウエハステージ６０、圧力センサ８０、Ｚ軸移動機構９０、平面微小移動機構７０、及び、光学ユニット４０を備えて構成される。

テストヘッド１０は、電気的特性試験を行う際に、外部からの指示に応答して、試験信号を半導体ウエハ５０に送り、半導体ウエハ５０が出力する応答信号に対する評価を行う。

パフォーマンスボード２０は、テストヘッド１０とプローブカード３０の間に設けられる。テストヘッド１０とプローブカード３０の間での信号伝送は、パフォーマンスボード２０を経て行われる。

プローブカード３０は、半導体ウエハ５０に形成された全ての半導体チップが有する電極にコンタクト可能な電極（又は、プローブピン、プローブ針）を有する。このため、プローブカード３０は、少なくとも、半導体ウエハ５０と略同じ大きさの口径を有する。プローブカード３０に設けられる電極の数は、２０，０００以上になることもある。

ウエハステージ６０は、その搭載面上に半導体ウエハ５０が搭載される。このため、ウエハステージ６０の口径は、半導体ウエハ５０の口径よりやや大きい。ここでは、ウエハステージ６０の搭載面を含む平面をＸＹ平面とし、これに直交する軸をＺ軸として説明する。

光学ユニット４０は、ウエハステージ６０のＸＹ平面内での微小移動、すなわち、位置決めの際に、プローブカード３０とウエハステージ６０の間に配置される。この光学ユニット４０は、上下視野光学顕微鏡を利用しており、半導体ウエハ５０が有する電極とこれに対応するプローブカード３０が有する電極を同時に撮像できる上下視野光学系を備えて構成される。一例として、光学ユニット４０は、カメラ等の撮像手段４２とプリズム４４を用いて構成できる。

従来のプロービングステーションでは、プローブカードと半導体ウエハの位置決めをする撮像手段として、上方を見るプローブカードアライメント用光学系と、下方を見るウエハアライメント用光学系をそれぞれ用意し、光学系間の位置補正を行うパラメータを用いて位置決めを行っている。

従来のプロービングステーションでは、プローブカードアライメント用光学系はウエハステージとともに移動させる必要がある。従って、ウエハアライメント用光学系との相互位置関係を確認するためには両光学系の光軸が一致する位置も移動範囲の中に通常含めなければならない。このために従来のプロービングステーションはウエハ口径に対応するストロークよりも大きなストロークで移動できなければならない。

これに対し、上下視野光学系を備えた光学ユニット４０を用いて位置決めを行うと、複数の光学系間の位置補正が不要となり、容易にＸＹ平面内の位置決めをすることができる。さらに、従来のプロービングステーションで必要であった移動ストロークの拡張も不要となる。

ＸＹ平面内の位置決めは、光学ユニット４０で撮像した結果に基づいて、平面微小移動機構７０が、ウエハステージ６０をＸＹ平面内で微小移動させることにより行われる。

平面微小移動機構７０は、例えば、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２の４つの駆動軸を持つ４軸ステージによって達成される。Ｘ１駆動軸７４ａとＸ２駆動軸７４ｂを、同じ方向に移動させれば、ウエハステージ６０は、Ｘ軸に沿って移動する。すなわち、Ｘ１駆動軸７４ａとＸ２駆動軸７４ｂとで、ウエハステージ６０をＸ軸に沿って移動させるＸ駆動軸として機能する。

同様に、Ｙ１駆動軸７６ａとＹ２駆動軸７６ｂを、同じ方向に移動させれば、ウエハステージ６０は、Ｙ軸に沿って移動する。すなわち、Ｙ１駆動軸７６ａとＹ２駆動軸７６ｂとで、ウエハステージ６０をＹ軸に沿って移動させるＹ駆動軸として機能する。

Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２の４つの駆動軸の移動量を適宜設定すれば、回転方向に移動する。すなわち、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２の４つの駆動軸がθ駆動軸として機能する。

なお、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２の４つの駆動軸の移動量、すなわち、４軸ステージでの移動量は、半導体ウエハ５０をウエハステージ６０に搭載する際のロボット等の搬送による位置ずれを補正できる数ｍｍ程度で十分である。このように、平面微小移動機構７０は、ＸＹθの駆動を一平面で行うなど、全体を薄い厚みで構成でき、それにより剛性を確保しやすいステージを用いて構成するのが良い。

従来のプロービングステーションでは、半導体ウエハ全域をコンタクトするための移動量にアライメント光学系のための移動量を加え、その全域において数μｍ程度の位置決め精度が要求される。これに対し、この発明のプロービングステーションでは、要求される移動量が、半導体ウエハをステージに載置するロボット等の搬送精度程度（数ｍｍ程度）で十分となり、より簡易な構成にすることができる。加えて、この発明のプロービングステーションでの平面微小移動機構７０の移動量は、対象の半導体ウエハの大きさに依存しない。

なお、ここでは、平面微小移動機構７０が４つの駆動軸を有する４軸ステージで構成される例を説明したが、これに限定されない。ロボット等の搬送精度程度の移動量と、数μｍ程度の位置決め精度を有する好適な機構を用いればよい。４軸ステージに換えて、Ｘ軸、Ｙ軸及びθ軸を駆動軸とするステージや、Ｕ軸、Ｖ軸及びＷ軸を駆動軸とするステージを用いてもよい。

Ｚ軸移動機構９０は、ウエハステージ６０を、搭載面に直交する方向、すなわち、Ｚ軸方向に移動させる。Ｚ軸移動機構９０は、例えば、駆動用のモータと、モータの動作により上下するネジを備えて構成することができる。

Ｚ軸移動機構９０は、プローブカード３０とウエハステージ６０のＸＹ平面内の位置決めが完了した状態で、ウエハステージ６０を移動させ、プローブカード３０と半導体ウエハ５０をコンタクトさせる。Ｚ軸移動機構９０の軸の駆動部には、ロードセルなどの圧力センサ８０が取り付けられている。例えば、半導体ウエハ５０全体が２０，０００個の電極を備えていて、１電極当たり１０ｇの接触圧でコンタクトする場合、Ｚ軸移動機構９０の駆動軸に印加される荷重、すなわち、半導体ウエハ５０全体でのコンタクト圧は、約２０００Ｎとなる。従って、圧力センサ８０がこのコンタクト圧を測定した結果、コンタクト圧が、所定の値（ここでは、約２０００Ｎ）になれば、プローブカード３０の電極と半導体ウエハ５０の電極が十分にコンタクトしていると考えられる。

なお、アライメントが終了した後プロービングに入る前に、光学ユニット４０は、ウエハステージがＺ軸に沿って上昇しても干渉しない位置まで退避させる。

（他の構成例）
現行のプロービングステーションでは、ウエハステージのＸＹ平面内の移動量が大きいため、上述の構成例と同様に、テストヘッドを上側に配置し、プローブカードが下向きに配置される。

しかし、テストヘッドは、縦、横、高さがそれぞれ１ｍ程度の大きな寸法となり、重さは１ｔ近いこともある。プローブカードの交換や、テストヘッドユニットの保守の際は、テストヘッドを反転して床面側に移動する必要があるため、テストヘッドを反転する機構が必要となり、装置の設置面積や設置重量とも大きくなっている。

これに対し、上述の構成例では、ウエハステージ６０のＸＹ平面内の移動量が小さい。その結果、ウエハステージ６０、平面微小移動機構７０及びＺ軸移動機構９０を、構造的に小型にすることができ、その結果、重量も数１００ｋｇとテストヘッド１０よりも軽くなる。

従って、プロービングステーションが、床面側から順に、Ｚ軸移動機構９０、圧力センサ８０、平面微小移動機構７０、ウエハステージ６０、プローブカード３０、パフォーマンスボード２０及びテストヘッド１０を備える構成だけでなく、上下反転した状態にすることができる。すなわち、テストヘッド１０を床面側に設置することができる。この場合、プロービングステーションは、床面側から順に、テストヘッド１０、パフォーマンスボード２０、プローブカード３０、ウエハステージ６０、平面微小移動機構７０、圧力センサ８０及びＺ軸移動機構９０を備えて構成される。このとき、プローブカード３０は、電極が上側になるように上向きに配置され、測定の際には、ウエハステージ６０を下向きに移動させて、半導体ウエハ５０をプローブカード３０に上側から接触させる。

この構成によれば、テストヘッド１０を反転させる大きな機構が不要となり、簡素な構造にできる。

１０ テストヘッド
２０ パフォーマンスボード
３０ プローブカード
４０ 光学ユニット
４２ 撮像手段
４４ プリズム
５０ 半導体ウエハ
６０ ウエハステージ
７０ 平面微小移動機構（アライメントステージ）
８０ 圧力センサ
９０ Ｚ軸移動機構

Claims (3)

1. 半導体ウエハの電気的特性を測定するプロービングステーションであって、
   半導体ウエハが搭載面上に搭載されるウエハステージと、
   前記ウエハステージと略同じ大きさで、前記半導体ウエハに形成された全てのチップの電極にコンタクト可能な電極を有するプローブカードと、
   前記搭載面を、当該搭載面を含む平面内で、前記半導体ウエハを前記ウエハステージに搭載する際の平面位置ずれの精度分だけ移動させる平面微小移動機構と
   前記ウエハステージの位置決めの際に、前記プローブカードと前記ウエハステージの間に配置され、前記半導体ウエハの電極と前記プローブカードの電極をそれぞれ撮像するための光学系ユニットと
   を備えることを特徴とするプロービングステーション。
2. さらに、
   前記ウエハステージを、前記搭載面に直交する方向に移動させるＺ軸移動機構と、
   前記Ｚ軸移動機構に取り付けられた、前記半導体ウエハと前記プローブカードのコンタクト圧を測定する圧力センサと
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のプロービングステーション。
3. 前記プローブカードが上向きに配置され、
   前記ウエハステージを下向きに移動させて、前記半導体ウエハを前記プローブカードに接触させる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプロービングステーション。

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