JP2000227444A - 素子検査用プローブとその製造方法およびそれを用いた半導体素子検査装置 - Google Patents
素子検査用プローブとその製造方法およびそれを用いた半導体素子検査装置Info
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Abstract
し、長期間の使用が可能であり、かつ、電極パッド材料
の損傷を防止しつつ電気的導通を確保でする。 【解決手段】先端部に略平坦面を備え、この略平坦面を
半導体素子の電極パッド8に押圧し電気的導通を得て半
導体素子の回路特性を検査する素子検査用プローブ1に
おいて、略平坦面の形状を−型とする。
Description
的特性を測定して不良の判定をしたり寿命試験を行う半
導体素子検査装置に係わり、特に、その半導体素子検査
装置の先端に設けられ半導体素子に接触させる素子検査
用プローブ及びその製造方法並びにそれを用いた半導体
素子検査装置に関する。
て不良の判定をしたり寿命試験を行うときに用いる半導
体素子検査装置は、微細な金属線を規定のピッチで配列
した端子を備え、半導体素子の電極パッドにその端子を
押圧しながら水平方向にわずかに移動することにより、
パッド材料の上面酸化皮膜を除いて新生面を創出し、こ
れによって電気的な導通を確保していた。
む傾向にあり、これに対応して上記検査装置の端子のピ
ッチを狭小化する必要が生じている。しかしながら、上
記の端子は、微細な金属線を1つ1つ作業者の手作業で
配列することにより構成していたため、その狭小ピッチ
化に限界があり、半導体素子の高密度化に十分対応でき
なくなりつつあった。
対応した狭小ピッチを実現するために、上記端子に代わ
り、半導体の微細加工技術を用いたプローブを使用する
手法が提唱されている。すなわち、シリコン基板上に微
細なプローブを狭小ピッチでアレイ状に形成した後、そ
のプローブ先端にスパッタや蒸着等の手段では電気的低
抵抗の金属を付加するか、若しくは、プローブ先端表面
を酸化した後に金属とシリコンとを蒸着やスパッタを行
って熱処理しシリサイド化するものである。これによっ
て、プローブ先端部に導電性を持たせ、プローブを半導
体素子のアルミ等の電極パッドに接触させ押圧して導通
を得ることができる。
押圧する方法では、素子の基板面に平行な方向への移動
が少ないために、パッド材料の上面酸化皮膜を除く上で
不利である。そこで、この点に配慮したものとして、例
えば、特開平8−50146号公報に記載のように、シ
リコン基板に先端が鋭利な四角錐形状のプローブを形成
する構造が提唱されている。
開平8−50146号公報記載のプローブでは、以下の
ような別の課題を新たに生じる。
(a)に示すような先端が鋭利な四角錐形状を異方性エ
ッチングによって製作するが、このとき、通常考えられ
るその加工手順としては、例えば以下のようになる。
リコン基板を用いて(図11(a))、その両面を熱酸
化し酸化シリコン膜を形成する(図11(b))。次い
で、レジストを塗布し(図11(c))、投影露光・現
像を行ってレジスト製のマスクパターンを作成する(図
11(d))。その後、レジストマスクを用いて酸化シ
リコン膜を弗化水素酸と弗化アンモニウムの混合水溶液
によってエッチングし、酸化シリコン製のマスクパター
ンを得る(図11(e))。
シリコン基板を水酸化カリウム水溶液でエッチングする
とマスク下部にサイドエッチングが進行して、プローブ
の先端が徐々に鋭利な構造となる(図11(f))。さ
らにエッチングが進むと、酸化シリコン製のマスクは脱
落してプローブは最も鋭利な四角錐形状となるが(図1
1(g))、その後もエッチングが進行した場合、四角
錐形状自体の高さがだんだん低くなってしまう。
な方法で形成する場合、すべてのプローブの高さをそろ
えるためにはエッチング時間を極めて精密に制御しなけ
ればならず、プローブ高さのばらつきを防止するのは困
難である。
際には、パッド材料を貫通して素子基板に損傷を与える
可能性がないとは言えない。
返すためにプローブを何度も使用するにつれ、その先端
が摩耗・損傷し、長期間の使用には耐えられない。
ば、特開平9−243663号公報に開示のように、シ
リコン基板に先端にわずかの平坦部を有するプローブを
形成する手法が提唱されている。
3号公報のプローブでは、さらに以下のような別の課題
を生じる。
を通常アルミニウム製である電極パッドに押し付けて電
気的導通を得る場合、押し込みによってパッド材料を塑
性変形させて流動させ、この塑性流動によって表面のア
ルミニウムの酸化膜を排除して新生面を表面に現出させ
てプローブと新生面を接触させる。
減という観点から、プローブと新生面との接触面積はな
るべく大きいほうが好ましい。
料のうちプローブに接触する上面側であって、下面側は
半導体素子のシリコン基板に固定されている。そのた
め、上面側の塑性流動距離が大きすぎると、下面側がそ
の流動に追従できなくなってせん断変形を生じてしま
い、下面側のパッド材料が損傷する可能性がある。
つ電気的導通を確保するためには、接触面積はなるべく
大きく、塑性流動距離はなるべく小さくするのが好まし
いこととなる。
公報のプローブでは、上記の2点について特に配慮がな
されておらず、平坦面の形状が正方形となっている。そ
のため、接触面積の増大を図るべく正方形を大型化する
と、正方形中心から正方形外縁までの距離が長くなって
塑性流動距離が大きくなり、パッド材料の損傷を防止す
るのが困難となる。本願発明者等は、図10(b)に示
すような上端に正方形平坦面を備えた台形状のプローブ
を用いて実験を行い、プローブの押圧の程度によっては
パッド材料の一部がはがれて破損し、素子検査の環境を
汚染することを明らかに確認した。
素子基板の損傷を防止し、長期間の使用が可能であり、
かつ、電極パッド材料の損傷を防止しつつ電気的導通を
確保できる素子検査用プローブ及びその製造方法並びに
それを用いた検査装置を提供することにある。
るために、本発明は、先端部に略平坦面を備え、この略
平坦面を半導体素子の電極パッド面に押圧し電気的導通
を得て前記半導体素子の回路特性を検査する素子検査用
プローブにおいて、前記略平坦面の形状は、長手方向と
幅方向とで寸法の異なる細長形状であるか、又は、長手
方向と幅方向とで寸法の異なる細長特性をそれぞれ備え
た複数の領域が各領域の前記細長特性を失わないように
集合した形状となっている。プローブは、電極パッドに
向かって押し込まれることによりパッド材料を塑性流動
させ、これによって表面酸化膜を排除し新生面を現出さ
せる。このとき、プローブ先端を略平坦面とすることに
より、例えば異方性エッチングによってプローブを形成
する場合であっても、先端を鋭利な形状とする従来構造
と異なり高さのばらつきを少なくできる。また、先端が
平坦であることから半導体素子基板を損傷することもな
く、さらに摩耗・損傷が極めて少ないため長期間の使用
にも十分耐えられる。
向と幅方向とで寸法の異なる細長特性を備えている。こ
のような形状とすることにより、正方形であった従来構
造と同等の接触面積を確保する場合であっても、長手方
向寸法を正方形の一辺より長くすることで幅方向寸法を
正方形の一辺よりも短くすることができる。このとき、
電極パッド材料はより短い寸法の方向に塑性流動するた
め、幅方向に塑性流動を行う。したがって、その塑性流
動距離は、従来の正方形の一辺分の距離よりも短くな
る。以上のように、従来構造と同等の接触面積を確保し
つつ、塑性流動距離を従来よりも短くすることができ
る。これにより、電極パッド下面側のパッド材のせん断
変形を抑制でき、下面側のパッド材料の損傷を防止する
ことができる。したがって、パッド材料の損傷を防止し
つつ電極パッドとの電気的導通を確保することができ
る。
前記略平坦面の形状は、略十字状又は略−状となってい
る。
は、単結晶シリコンで構成すると共に、表面に導電性の
材料を被覆する。
発明による上記(1)の製造方法において、単結晶シリ
コン基板に異方性エッチング又は誘導結合プラズマ方式
の反応性イオンエッチングによってプローブ本体を形成
した後、そのプローブ本体の表面にスパッタ又は蒸着に
よって導電性を有する膜を形成する。
発明による半導体素子検査装置は、上記(1)と、この
プローブを備えた梁と、この梁を支持する支持基板と、
前記プローブ先端部から前記支持基板に設けた接続ピン
に至る電気配線とを有し、前記半導体素子の電極パッド
面に前記プローブの略平坦面を接触させるとともに前記
接続ピンを計測手段に接続し、前記半導体素子の回路特
性を検査する。
を参照しつつ説明する。
えた検査装置の要部構造を表す斜視図を図2(a)に、
半導体素子の検査をしている状態を表す概念的断面図を
図2(b)に示す。これら図2(a)及び図2(b)に
おいて、プローブ1を備えたシリコン製の片持ち梁2
が、プローブ支持基板3に対して複数個アレイ状に配さ
れている。プローブ1及び片持ち梁2の表面には電極配
線4が被覆されており、この電極配線4は、プローブ支
持基板3に設けられた貫通孔3a内の電極5を介し、プ
ローブ支持基板3の背面から、別の基板に取り付けた接
続ピン6等に接続され、さらにこの接続ピン6を介して
計測手段(図示せず)へと電気的に接続される。
基板7に設けられた複数個の検査用電極パッド8と接触
させられ、素子の不良検査、寿命加速試験が行われる。
なお、9はPIQ保護膜、10はシリコン基板に形成し
た凸部である。
図1(a)に示す。この図1(a)に示すように、プロ
ーブ1の先端部は、−形状(長方形)の平坦面となって
おり、プローブ1の側面は、等脚台形状となっている。
成する単結晶シリコンに対し、例えば水酸化カリウム水
溶液による異方性エッチングあるいは誘導結合プラズマ
方式の反応性イオンエッチング(ICP−RIE)によ
ってプローブ本体を容易に形成し、その後、プローブ本
体の表面にスパッタ又は蒸着によって導電性を有する膜
を形成することにより製作される。このようにすること
で、各プローブ1の高さも容易に揃えることができる。
但し、水酸化カリウム水溶液を用いる場合は角部におけ
る角落ちの現象を生じる可能性があるが、その場合も、
補償パターンを設けることでこの角落ちを防止すること
ができる。
作用効果を以下に説明する。
よる作用 プローブ1は、電極パッド8に向かって押し込まれるこ
とによりパッド材料を塑性流動させ、これによって表面
酸化膜を排除し新生面を現出させる。本実施形態におい
ては、プローブ1先端を略平坦面とすることにより、異
方性エッチングによってプローブ1を形成する場合であ
っても、特開平8−50146号公報のプローブのよう
に先端を鋭利な形状とする場合と異なり、高さのばらつ
きを少なくできる。また、先端が平坦であることから半
導体素子基板を損傷することもなく、さらに摩耗・損傷
が極めて少ないため長期間の使用にも十分耐えられる。
パッド8に押し付けて電気的導通を得る場合、押し込み
によってパッド材料を塑性変形させて流動させ、この塑
性流動によって表面酸化膜を排除して新生面を表面に現
出させてプローブ1と新生面を接触させる。
うちプローブ1に接触する上面側であって、下面側は半
導体素子基板7に固定されている。そのため、上面側の
塑性流動距離が大きすぎると、下面側がその流動に追従
できなくなってせん断変形を生じてしまい、下面側のパ
ッド材料が損傷する可能性がある。
に、コンピュータ計算によるシミュレーションを行っ
た。その結果を図3を用いて説明する。
は、先端部形状を円形としかつその半径をそれぞれ5.
6μm、4.0μm、2.8μmとしたプローブを、互
いに同じ押し込み量だけ押し込んだ時の電極パッドの変
形の様子を示したものである。なお、初期状態の電極パ
ッドの厚さは1μmとしている。
状の要素がプローブの押圧によって、種々のひずみを与
えられている。特に、パッド材料のうち上面側(プロー
ブ側)は塑性流動して各図中右側方向に流れているのに
対し、下面側は半導体素子基板に付着している状態にあ
るため、上面側に引きずられる形で大きなせん断変形を
受けている。
のひずみの程度は、プローブ半径が大きいほど、明らか
に大きくなっており、上記せん断変形の程度が径の大き
なプローブほど大きくなることを示している。これは、
図示からも容易に洞察できるように、プローブ半径が大
きいほど、パッド材料上面側においてより多くの塑性流
動距離が必要となるからである。
みとの関係を定量的に示した図である。縦軸は要素の変
形量に相当する塑性相当ひずみを表しており、値が最も
大きな要素に関するひずみ量を示している。横軸はプロ
ーブの押し込み量を表している。図4からも、プローブ
押し込み量が同一の条件では、プローブの半径が大きい
ほどひずみが大きくなることが明らかである。
が大きすぎると、下面側にせん断変形を生じ下面側のパ
ッド材料が損傷する可能性があることがわかった。
の抵抗低減という観点から、プローブと新生面との接触
面積はなるべく大きいほうが好ましい。
つ電気的導通を確保するためには、接触面積はなるべく
大きく、塑性流動距離はなるべく小さくするのが好まし
いこととなる。
1先端の略平坦面の形状を、長手方向と幅方向とで寸法
が異なる−型としている。このような形状とすることに
より、特開平9−243663号のプローブのように平
坦面形状が正方形である場合と同等の接触面積を確保す
る場合であっても、長手方向寸法を上記正方形の一辺よ
り長くすることで幅方向寸法を上記正方形の一辺よりも
短くすることができる。このとき、電極パッド材料はよ
り短い寸法の方向に塑性流動するため、幅方向に塑性流
動を行う。したがって、その塑性流動距離を、従来の正
方形の一辺分の距離よりも短くすることができ、せん断
変形が生じるのを抑制することができる。したがって、
本実施形態においては、従来構造と同等の接触面積を確
保しつつ、塑性流動距離を従来よりも短くすることがで
きる。これにより、電極パッド8下面側のパッド材料の
損傷を防止することができる。すなわち、パッド材料の
損傷を防止しつつ、プローブ1と電極パッド8との電気
的導通を確保することができる。
のさらなる低減 また、本実施形態においては、平坦部形状を−型(長方
形)として縦横の寸法を異ならせていることにより、同
一面積の条件では、上記従来の正方形形状の平坦部より
も周長を長く取ることができる。平坦部の外縁ではパッ
ド材料の伸び変形が大きく新生面が現れやすいため、平
坦部周長が長いほど、新生面の現出を促進し、接触電気
抵抗を低減することができる。この効果を、以下詳細に
説明する。
とき、これと同じ面積の長方形パターンの短辺、長辺は
それぞれaα,a/α(但し0<α<1)で表すことが
できる。
方形の場合はL=4aであるが、長方形の場合は、L=
2(α+1/α)aとなる。αは1より小さな正の数で
あることを考慮すると、上式から長方形の周長は常に正
方形パターンよりも大きくなることがわかる。
積Sは、平坦部面積と、側壁での接触面積との和と考え
られるため、上記の例では、以下の値で示される。
積の差をΔSとすると、 ΔS=2(α+1/α−2)aδ となり、本実施形態のように長方形平坦面を用いたとき
に期待される、正方形平坦面に対する接触面の増加率R
は、 R=ΔS/S=2(α+1/α−2)δ/( a+4
δ) となる。
0.3μmとすると接触面の増加率はR=0.087と
なり、約9%の接触面積の増加を見積もることができ
る。なお、上記と同じα、δ値の条件で、プローブ先端
の平坦部の面積を小さくしたa=7μmの場合の接触面
の増加率は、R=0.12となる。すなわち、本実施形
態においては、平坦部の接触面積が小さいほど、側壁に
おける接触面積増加率が高くなる。
方形形状による周長増大作用によって電気的接触抵抗を
さらに低減できる。また逆に、同一の接触抵抗を許容で
きる場合は、接触面積を縮小することができるので、そ
の分プローブ1の押圧荷重を減らすことも可能である。
1の先端部の平坦面の形状を図1(a)に示すような−
型(長方形)としたが、これに限られない。すなわち、
長手方向と幅方向とで寸法の異なる細長形状であるか、
又は、長手方向と幅方向とで寸法の異なる細長特性をそ
れぞれ備えた複数の領域が各領域の細長特性を失わない
ように集合した形状であれば足りる。前者の例として
は、例えば、図5(a)のように−型両端をくさび状に
したライン型があり、後者の例としては、例えば、図1
(b)や図5(c)のような略十字型や、図5(c)の
ような四角枠型、図5(d)のような円環型、さらに図
5(e)のような放射状形状等が考えられる。これらの
場合も、上記第1の実施形態と同様の効果を得る。
リコン製の梁2と一体に形成したが、これに限られず、
例えば、公知の微細な金属製バネ状構造体に−型(ある
いは十字型形状等も可)のプローブ1を接合した形で形
成することも可能である。また、プローブ1を金属で形
成してもよい。この場合、シリコン製の梁2に対し接着
で固定すればよい。また、梁2にイソグラフィ等の手法
によりプローブ形状に対応した穴を形成しておき、この
穴に対していわゆる電鋳の手法で金属メッキを施すこと
によりプローブ1を形成してもよい。
(a)及び図2(b)に示すような梁支持構造とした
が、これに限られるものではなく、他の支持構造も考え
られる。そのような変形例を以下に示す。なお、上記実
施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を
省略している。
通孔を設けた構造 図6(a)は、この変形例による複数個配列されたプロ
ーブ及び梁の構造を表す背面斜視図であり、図6(b)
は、各プローブ及び梁の構造を表す概念的断面図であ
る。これら図6(a)及び図6(b)において、プロー
ブ1及び梁2の表面に電極配線4が被覆形成され、プロ
ーブ支持基板3の貫通孔3aを介して背面(裏面)に電
極5が引かれている。このとき、プローブ支持基板3は
シリコン基板であり、貫通孔3aはこのシリコン基板3
を両側から異方性エッチングすることによって形成され
た後、両側から金やクロム等の金属を蒸着して基板中央
部で接続をとって電極5としたものである。なお、10
はシリコン基板に形成した凸部である。
を設けた例であるが、他の形状の平坦部を設けることも
可能である。図7(a)(b)は、図1(b)同様の十
字形の平坦部を設けた例である。
た構造 すなわち、図8に示すように、可撓性を有する一枚のプ
レート11を梁代わりにして、このプレート11に多数
のプローブ1をアレイ状に形成した構造である。このよ
うな構造は、プローブ1間のピッチが狭小な場合に特に
有効である。
ーブ及び梁の構造を表す斜視図であり、図9(b)は、
各プローブ及び梁の構造を表す概念的断面図である。こ
れら図9(a)及び図9(b)では、プローブ1は、両
端支持構造のいわゆる両持ち梁12に備えられている。
上記実施形態における片持ち梁構造と同様、プローブ1
及び両持ち梁12の表面には電極配線4が被覆されてお
り、この電極配線4が、プローブ支持基板3,3のうち
一方に設けた貫通孔3a内の電極5を介し、接続ピン6
等に接続され、これを介して計測手段(図示せず)へと
電気的に接続される。
置用の電気的接触を得るためのプローブならびに検査装
置に適用した場合について述べた。しかしながら、本発
明のプローブは他の電子デバイス装置において電気的接
続を取る手段として使用することも可能である。
面の形状を、長手方向と幅方向とで寸法の異なる細長特
性を備えた形状とするので、高さのばらつきや半導体素
子基板の損傷を防止し、長期間の使用が可能であり、か
つ、電極パッド材料の損傷を防止しつつ電気的導通を確
保できる。また、同一面積の条件では、従来の正方形形
状の平坦部よりも周長を長く取ることができる。ここ
で、平坦部の外縁ではパッド材料の伸び変形が大きく新
生面が現れやすい。したがって、平坦部周長を長くでき
ることで、新生面の現出を促進し、接触電気抵抗をさら
に低減できるという効果もある。
の詳細構造を表す反転斜視図である。
装置の要部構造を表す斜視図、及び半導体素子の検査を
している状態を表す概念的断面図である。
パッドの変形の様子を示した図である。
定量的に示した図である。
た変形例を示す図である。
場合の例を示す図である。
設けた変形例を示す図である。
である。
る。
示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】先端部に略平坦面を備え、この略平坦面を
半導体素子の電極パッド面に押圧し電気的導通を得て前
記半導体素子の回路特性を検査する素子検査用プローブ
において、 前記略平坦面の形状は、長手方向と幅方向とで寸法の異
なる細長形状であるか、又は、長手方向と幅方向とで寸
法の異なる細長特性をそれぞれ備えた複数の領域が各領
域の前記細長特性を失わないように集合した形状となっ
ていることを特徴とする素子検査用プローブ。 - 【請求項2】請求項1記載の素子検査用プローブにおい
て、前記略平坦面の形状は、略十字状又は略−状となっ
ていることを特徴とする素子検査用プローブ。 - 【請求項3】請求項1記載の素子検査用プローブにおい
て、単結晶シリコンで構成すると共に、表面に導電性の
材料を被覆したことを特徴とする素子検査用プローブ。 - 【請求項4】請求項1記載の素子検査用プローブの製造
方法において、単結晶シリコン基板に異方性エッチング
又は誘導結合プラズマ方式の反応性イオンエッチングに
よってプローブ本体を形成した後、そのプローブ本体の
表面にスパッタ又は蒸着によって導電性を有する膜を形
成することを特徴とする素子検査用プローブの製造方
法。 - 【請求項5】請求項1記載の素子検査用プローブと、こ
のプローブを備えた梁と、この梁を支持する支持基板
と、前記プローブ先端部から前記支持基板に設けた接続
ピンに至る電気配線とを有し、前記半導体素子の電極パ
ッド面に前記プローブの略平坦面を接触させるとともに
前記接続ピンを計測手段に接続し、前記半導体素子の回
路特性を検査することを特徴とする半導体素子検査装
置。
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