JP2006177787A - 針圧調整用プローブカード、プローブ針の針圧調整方法および半導体装置の特性検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極パッドに対してプローブ針を接触させる際の針圧を、必要最小限の針圧に、容易にかつ正確に調整できる針圧調整用プローブカード、当該プローブカードを使用したプローブ針の針圧調整方法およびこれらを使用した半導体装置の検査方法を提供する。
【解決手段】 本発明の針圧調整用プローブカード１０１は、電極パッド５との接触開始時に、略点接触となる例えば球面等の先端形状を有するプローブ針１０２を備える。これにより、電極パッド５上にプローブ針１０２の針痕が鮮明に形成され、プローブ針１０２と電極パッド５とが接触を開始するＺ原点を正確に特定することができる。また、当該Ｚ原点を基準として、プローバ装置のステージを上昇させる、あるいは、プローブカードを下降させることにより、プローブ針の針圧を、適切かつ正確に調整することが可能となる。【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体装置の特性検査に使用する針圧調整用プローブカード、プローブ針の針圧調整方法および、半導体装置の特性検査方法に関し、特に、ＰＯＥ（Pad On Element）型の半導体装置の特性検査に好適な針圧調整用プローブカード、プローブ針の針圧調整方法および、半導体装置の特性検査方法に関する。

従来、半導体装置の製造工程では、半導体基板上に形成された個々の半導体装置の良否判定を行うために、半導体装置に形成された複数の電極パッド（ボンディングパッド）にタングステン等からなるプローブ針をそれぞれ接触させて電気特性を測定するプロービング検査が行われている。

一方、近年の半導体装置の高集積化、高機能化及び高速化に伴い、電極パッドのサイズやピッチ、並びに、電極パッド上に形成された絶縁保護膜の開口サイズが縮小されるようになっている。また、チップ面積をさらに縮小するために、電極パッドの下層にもトランジスタ等の素子や配線等（以下、単に回路という）を配置するＰＯＥ型の電極パッドが採用されつつある。

このようなＰＯＥ型の電極パッドでは、プロービングやワイヤボンディングの際に下層の回路にダメージが与えられることを防止する構造を採用する必要がある。例えば、後掲の特許文献１には、層間絶縁膜や保護膜にクラックが発生することを抑制できる電極パッド構造が提案されている。

すなわち、図６（ａ）の断面図に示すように、電極パッド５は、半導体基板１側から、第１配線層２１、第１層間絶縁膜３１、第２配線層２２、第２層間絶縁膜３２、および、第３配線層２３が順に積層された構造を有する。ここでは、図６（ｂ）の平面図に示すように、矩形状に形成された第３配線層２３が、プローブ針やボンディングワイヤ等との接触面を構成しており、当該接触面を露出させる開口部４１を有する保護膜４が最上層に形成されている。

また、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、第３配線層２３の直下に位置する第２層間絶縁膜３２には、複数の第２コンタクトホール３２１が設けられており、当該第２コンタクトホール３２１を介して、第３配線層２３と第２配線層２２とが電気的に接続されている。同様に、図６（ａ）に示すように、第２配線層２２の直下に位置する第１層間絶縁膜３１には、複数の第１コンタクトホール３１１が設けられており、当該第１コンタクトホール３１１を介して、第２配線層２２と第１配線層２１とが接続されている。

上記の構造では、それぞれの配線層２間に適当な膜厚の層間絶縁膜３が配置されている。すなわち、すべての層間絶縁膜３に対して上記保護膜４の開口部４１と同様の開口部を設けて各配線層２だけを直接積層した構造を有する電極パッドに比べて、電極パッドの外周部に形成される段差の数が少なくなる。したがって、第３配線層２３の上面と保護膜４の上面との段差ｈ１が小さくなり、保護膜４や層間絶縁膜３にクラックが発生することを抑制することができる。

一方、プロービング検査工程では、半導体装置上に形成された複数の電極パッドに対応する複数のプローブ針を備えたプローブカードを用いて検査が行われる。このとき、対応する電極パッドとプローブ針とを低コンタクト抵抗で接触させるために、プローブ針の接触圧（以下、針圧という。）が適切な針圧に調整される。

上記プローブカードは、例えば、プリント基板等からなるベース基板に各プローブ針の基端部が固定された構造を有する。各プローブ針は、プリント基板上に形成された配線と電気的に接続されるとともに、当該配線が、例えば、プリント基板の一端に連結されるコネクタを介してＬＳＩテスタ等に接続される。また、各プローブ針は、各プローブ針の先端とベース基板との距離がほぼ等しくなるように、ミクロン単位の精度でプリント基板に取り付けられている。

また、上記プローブ針の針圧調整は、プローバ装置のステージ上に載置された半導体基板と、プローバ装置に固定された上記プローブカードのプローブ針の先端との間隔を調整することで行うことができる。例えば、半導体基板とプローブ針先端との間隔を徐々に狭め、プローブ針先端が電極パッドに接触を開始した状態から、さらにステージを所定量上昇させるのである。

このとき、プローブ針の先端は、電極パッドに突き刺さった後、電極パッド上をプローブ針と電極パッドとの成す角が最も大きい方向にオーバードライブする（電極パッドに突き刺さった状態で、水平方向にスライドする）。これにより、プローブ針と電極パッドとの間の密着性が高まり、低いコンタクト抵抗を得ることができる。

また、上述の針圧調整では、針圧の再現性を確保するために、一本のプローブ針のみを備えた針圧調整用プローブカードが利用されることもある。

この場合、プローブ針と電極パッドとが接触を開始するステージの高さ（以下、Ｚ原点という。）が、針圧調整用プローブカードを用いて予め特定される。そして、このＺ原点から、プローブカードに応じた量だけステージを上昇させる。

一般にプローバ装置では、ステージの上昇量をサブミクロン単位で制御することが可能である。したがって、当該針圧調整法を採用することにより、測定対象品種に応じてプローブカードを交換するような場合であっても、常に同一の針圧でプロービングを行うことが可能になる。
特開平５−３４３４６６号公報

しかしながら、上記Ｚ原点の特定は、プローブ針が接触した際に導電膜上に形成される針痕を、作業者が目視で確認することで行われている。人が行う作業である以上、特定したＺ原点は、個人差等によりばらつきが発生し、このようなＺ原点のばらつきは、例えば、数十ミクロンのレンジに達する。

したがって、上記針圧調整法を複数のプローバ装置に対して適用した場合、各プローバ装置のＺ原点にばらつきが生じることになり、このＺ原点を基準としてステージを所定量上昇させる操作を行った場合、各プローバ装置の針圧は異なることになる。例えば、上記Ｚ原点が、電極パッドとプローブ針の先端とが接触を開始する位置より、両者の間隔が狭くなる方向にずれていた場合、当該Ｚ原点に基づいて上記針圧調整を行うと、電極パッドに対して過大な針圧が付加される。

このように過大な針圧が付加された状況は、特に、図７に示すように、ＰＯＥ型の電極パッド５に対してプローブ針を接触させる場合に問題となる。なお、図７では、配線層２は第１配線層２１から第４配線層２４の４層からなり、層間絶縁膜３は第１層間絶縁膜３１から第４層間絶縁膜３４の４層からなる。また、第４配線層２４がプローブ針やボンディングワイヤ等との接触面を構成しており、当該接触面を露出させる開口部４１を有する保護膜４が最上層に形成されている。そして、各配線層２は、図６の例と同様に、それぞれの層間絶縁膜３に設けられたスルーホールを介して電気的に接続されている。

さて、図７に示す例では、プローブ針２０から電極パッド５に伝達された応力は、第４配線層２４の塑性変形により消費されるとともに、一部が下部構造に伝達される。このとき、過大な針圧のために、プローブ針の先端が第４配線層２４の底面付近にまで到達していた場合、上記応力は下部構造に直接伝達されてしまう。図７に示す電極パッド構造では、下部構造に応力が伝達されると、当該応力が第４層間絶縁膜３４に設けられたスルーホール３４１の下部端部に集中する。この応力が、下部構造の許容量を超えていると、下部構造にクラック６が発生する。

下部構造にクラック６が発生すると、当該クラック６から水分等が侵入して半導体装置の長期信頼性が当然に低下する。さらに、図７に示すように、クラック６が第４配線層２４の直下に形成された半導体素子１０等まで到達した場合、プローブ針２０を介して電極パッド５に印加された電圧あるいは電流により、当該クラック６に沿って漏洩電流が流れることがあり、半導体素子１０等が破損する原因にもなる。

本発明は、上記従来の事情を鑑みてなされたものであり、電極パッドに対してプローブ針を接触させる際の針圧を、必要最小限の針圧に、容易にかつ正確に調整できる針圧調整用プローブカード、当該プローブカードを使用したプローブ針の針圧調整方法およびこれらを使用した半導体装置の検査方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用している。まず、本発明に係る針圧調整用プローブカードは、被検物が載置されたステージと、プローブ針との間隔を変化させることにより、前記被検物上の導電膜に前記プローブ針を接触させるプローバ装置で、前記導電膜と前記プローブ針とが接触する際の接触圧の調整に使用される。

そして、本発明に係る針圧調整用プローブカードは、上記導電膜との接触開始時に、略点接触となる先端形状を有するプローブ針を備えた構成を採用している。

本構成によれば、プローブ針の先端が、鋭利かつ面積が小さいため、プローブ針が導電膜上に接触した際に、導電膜上に形成される針痕が鮮明になる。これにより、プローブ針と電極パッドとが接触を開始するＺ原点を正確に特定する事ができる。したがって、このようにして特定したＺ原点を基準として、プローバ装置のステージを上昇させる、あるいは、プローブカードを下降させることにより、プローブ針の針圧を、適切かつ正確に調整することが可能となる。

また、本発明に係る他の針圧調整用プローブカードは、上記導電膜の表面に対して先端が略垂直に接触するプローブ針を備えた構造を採用している。

本構成によれば、プローブ針の先端が導電膜に接触した際に、プローブ針の横方向へ移動を抑制することができ、プローブ針が導電膜上に接触した際に、導電膜上に形成される針痕が鮮明になる。これにより、プローブ針と電極パッドとが接触を開始するＺ原点を正確に特定する事ができる。このとき、当該プローブ針の先端形状は、上記導電膜との接触開始時に略点接触となる形状を採用してもよい。

また、上記各針圧調整用プローブカードのプローブ針の先端は球面形状とすることができる。さらに、上記各針圧調整用プローブカードのプローブ針の先端が上記導電膜に接触した際に形成される針痕の線幅は、２μｍ以上、かつ８μｍ以下であることが好ましい。

一方、本発明は、上記針圧調整用プローブカードを使用したプローブ針の針圧調整方法を提供することもできる。まず、当該針圧調整方法は、被検物が載置されたステージとプローブ針との間隔を変化させることにより、前記被検物上の導電膜に前記プローブ針を接触させるプローバ装置で使用されることを前提としている。

そして、本発明に係るプローブ針の針圧の調整方法は、まず、上述の針圧調整用プローブカードが備えたプローブ針の先端位置を特定するとともに、プローブ針を接触させる前記導電膜の表面位置を特定する。次に、前記ステージと前記プローブ針先端との間隔を段階的に小さくするとともに、前記導電膜上に形成されたプローブ針の針痕を検索することにより、前記導電膜とプローブ針とが接触を開始する位置を特定する。さらに、このようにして特定した位置に基づいて、プローブ針の針圧を調整する。

なお、前記プローブ針の先端位置の特定、前記導電膜の表面位置の特定、および、前記針痕の検索は、例えば、光学カメラ等により画像データを取得し、当該画像データに基づいて、画像認識処理を行うことができる。

さらに他の観点では、本発明は、上述の針圧調整方法を使用した半導体装置の検査方法を提供することができる。すなわち、プローブ針の針圧調整を行った後、前記針圧調整用プローブカードのプローブ針と同形状のプローブ針を、半導体装置のパッド配置に応じて配置した特性測定用プローブカードを用いて当該半導体装置の特性を測定することにより、半導体装置の特性を正確に測定することが可能となる。

前記半導体装置が、前記電極パッドの下層に半導体素子が形成されている半導体装置に対して上記検査方法は特に有効である。

本発明によれば、プローブ針と電極パッドとの接触開始位置を高精度で特定することができる。このため、当該接触開始位置を基準として、プローブ針と電極パッドとの間隔を所定量狭めることにより、プローブ針の針圧を均一、かつ精度よく調整することができる。これにより適切なプローブ針圧が設定でき、電極パッドの下部構造にクラックが発生することを防止することができる。

以下、本発明に係る一実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明を適用した針圧調整用プローブカードを装着したプローバ装置１００を示す概略側面図である。

図１に示すように、プローバ装置１００は、従来から使用されているプローバ装置と同様に、半導体基板１が載置されるステージ１０５と、当該ステージ１０５の基板載置面（上面）に対向する位置で、当該基板載置面に対して平行に針圧調整用プローブカード１０１を支持するトッププレート１０７とを備える。

上記ステージ１０５は、例えば、ステッピングモータ等により基板載置面に対して平行な面内（以下、水平方向という。）で移動自在に設けられている。また、ステージ１０５には、エアシリンダ等が内蔵されており、基板載置面に対して垂直な方向（以下、垂直方向という。）にも移動できる構造を有している。

そして、ステージ１０５は、測定が行われる際に、半導体基板１と後述のプローブ針１０２とが接触する高さ（以下、アップ位置という。）まで上昇し、水平方向に移動する際には、プローブ針１０２と半導体基板１とが接触しない高さ（以下、ダウン位置という。）に下降して、移動を行う。なお、上記アップ位置は、例えば、０．５μｍステップでその高さが設定できるようになっており、上記ダウン位置は、例えば、当該アップ位置に対して予め設定された所定距離（例えば、１５０μｍ）だけ下方の高さに設定される。

また、ステージ１０５には、プローブ針１０２の先端位置を認識するための光学カメラ１０６が設けられており、トッププレート１０７には半導体基板１の上面に形成された電極パッド５の表面位置を認識するための光学カメラ１０４を備えたカメラユニット１０８が設けられている。

さて、図１は、プローバ装置１００において針圧調整を行う状態を示しており、針圧調整用プローブカード１０１は、従来と同様に、プローブ針１０２を１本だけ備えている。また、当該プローブ針１０２は、プローブカード基板１０３に対して、精密に位置決めされた上で固定されている。

図２（ａ）は、当該プローブ針１０２を拡大して示す側面図である。また、図２（ａ）に示す拡大図Ａは、プローブ針１０２の先端を斜め下方から観察した図である。

図２（ａ）に示すように、プローブ針１０２は、プローブカード基板１０３の表面に略平行に固定された基端部１０２ａと、半導体基板１上の電極パッド５に接触する先端を含む先端部１０２ｂからなる。先端部１０２ｂは、基端部１０２ａから半導体基板１の方向に屈曲しており、先端部１０２ｂは電極パッド５の表面に対して、例えば、７０°から８０°の角度で接触するようになっている。

また、プローブ針１０２の先端は、図２（ａ）の拡大図Ａに示すように、例えば、曲率半径の小さい球面形状等、電極パッド５に対して略点接触が可能な形状に加工されている。ここで、略点接触が可能な形状とは、プローブ針１０２の先端と電極パッド５との間隔を徐々に狭めた際に、電極パッド５の表面に形成される認識可能な針痕が数μｍの線幅（または、直径）となる形状を指すものであり、球面形状に限らず任意の形状を採用することができる。

以下、本発明に係る針圧調整用プローブカード１０１を使用したＺ原点を特定する手順について説明する。ここでは、半導体基板１上の位置を指定する座標系と、プローバ装置がステージ１０５の水平移動の制御に使用する座標系とを一致させる位置あわせ（いわゆる、ウエハアライメント）が公知の手法により実行されているものとする。

まず、プローバ装置１００は、光学カメラ１０６が、プローブ針１０２の先端の直下に位置するようにステージ１０５を移動させる。通常、トッププレート１０７にプローブカード１０１を取り付ける位置は決まっている。このため、プローブ針１０２の先端の水平位置は、プローブカード１０１の取り付け誤差の範囲内で特定可能であり、この水平位置を予めプローバ装置１００に設定しておくことで、上記光学カメラ１０６の移動は容易に行うことができる。

この状態で、プローバ装置１００は、光学カメラ１０６によりプローブ針１０２の先端を観測し、プローブ針１０２の先端の垂直方向の位置（座標Ｚｎ）、および、正確な水平方向の位置（座標（Ｘｎ、Ｙｎ））を認識する。

上記座標Ｚｎは、例えば、光学カメラ１０６により取得した画像データに基づいて、プローブ針１０２の先端にフォーカスが合った状態を検出することで求めることができる。すなわち、フォーカスが合った状態の光学カメラ１０６の焦点距離と、このときの光学カメラ１０６のＺ座標との合算値が座標Ｚｎになる。

なお、フォーカスが合った状態は、公知のオートフォーカスの手法を用いて求めればよい。例えば、エッジ検出によりプローブ針１０２の外形を抽出するとともに先端を特定し、当該先端の画像データのコントラストが最大になる状態を求めればよい。また、上記光学カメラ１０６のＺ座標は、プローバ装置１００が、ステージ１０５の垂直移動を制御するために使用する絶対座標に基づいて求めることができる。

一方、座標（Ｘｎ、Ｙｎ）は、プローバ装置１００がステージ１０５の水平移動を制御するために使用する絶対座標と、上記画像データに基づいて求めた先端位置とに基づいて求めることが可能である。ここで、トッププレート１０７に対して、プローブカード１０１が誤差なく取り付けられていた場合、座標（Ｘｎ、Ｙｎ）は、プローバ装置１００に予め設定された上記水平位置と同一になる。

次に、プローバ装置１００は、予め設定されている上記電極パッド５の水平位置（座標（Ｘｐ、Ｙｐ））に基づいて、光学系カメラ１０４の直下に、電極パッド５が位置するようにステージ１０５を移動させる。そして、半導体基板１の表面を観察し、プローブ針１０２の先端位置の認識と同様の手法により、電極パッド５の表面の座標Ｚｐを認識する。このとき、プローバ装置１００は、電極パッド５表面の画像データを図示しない記憶手段に初期画像データとして記憶する。

なお、上述のプローブ針１０２の先端の位置の特定、および電極パッド５の表面位置の特定は、どちらを先に行ってよくその順序は問わない。

続いて、プローバ装置１００は、上述のようにして認識したプローブ針１０２先端の座標（Ｘｎ、Ｙｎ）と電極パッド５の座標（Ｘｐ、Ｙｐ）とに基づいて、プローブ針１０２の先端の直下に、電極パッド５が位置するようにステージ１０５を移動させる。

当該移動が完了した後、プローバ装置１００は、プローブ針１０２先端のＺ座標Ｚｎ、電極パッド５のＺ座標Ｚｐ、および、光学カメラ１０４、１０６の焦点深度に基づいて、ステージ１０５の上記アップ位置を、プローブ針１０２の先端と電極パッドの表面とが近接し、かつ接触しない位置に設定する。このようなアップ位置は、例えば、電極パッド５の画像データ取得時のステージ１０５のＺ座標＋（Ｚｎ−Ｚｐ＋光学カメラ１０４の焦点深度＋光学カメラ１０６の焦点深度）、として求めることができる。

この後、プローバ装置１００は、ステージ１０５をアップ位置に上昇させたのち、上記ダウン位置に下降させる。そして、プローバ装置１００は、電極パッド５が光学カメラ１０４の直下に位置するようにステージ１０５移動させるとともに、ステージ１０５のＺ座標を上述の初期画像データ取得時と同一のＺ座標にする。

そして、プローバ装置１００は、光学カメラ１０４を介して電極パッド５表面の画像データを取得し、上記初期画像データと比較することにより針痕の検出を行う。このとき、電極パッド５の表面にプローブ針１０２の針痕がある場合には、直前のアップ位置をＺ原点に設定する。

一方、電極パッド５上にプローブ針１０２の針痕がない場合には、プローバ装置１００は、上記アップ位置を所定量（例えば、０．５μｍ）上方に設定した後、当該電極パッド５を再度、プローブ針１０２の直下に移動させ、ステージ１０５をアップ位置に上昇させた後、上記ダウン位置に下降させる。そして、再度、当該電極パッド５の表面の画像データを取得し、針痕の検出を行う。

この動作が、電極パッド５の表面にプローブ針１０２の針痕が検出されるまで繰り返し実行され、Ｚ原点が特定される。なお、半導体基板１は水平面に対して傾きをもっている可能性があるため、当該Ｚ原点の特定は、例えば、半導体基板１の中央部と外縁部等、複数個所について行うことが好ましい。この場合、後述の針圧調整は、当該針圧調整を行う位置に最も近い位置のＺ原点、あるいは、複数個所のＺ原点に基づいて算出された補間値を基準として行われる。

本発明に係る針圧調整用プローブカード１０１を使用して以上説明した手順を実行することで、極めて精度良くＺ原点を特定することが可能となる。

図３に、図２（ａ）に示したプローブ針１０２を備えた針圧調整用プローブカード１０１を用いた場合の針痕の形成状態と、従来から使用されているプローブ針２０２を備えたプローブカードを用いた場合の針痕の形成状態とを比較した光学顕微鏡写真を示す。図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の針圧調整用プローブカード１０１を使用した場合の結果であり、図３（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は比較例のプローブカードを用いた場合の結果である。

また、図３（ａ）、（ｃ）は、プローブ針１０２、２０２の先端が電極パッドに接触を開始した時点の電極パッド表面の状態を示すものである。図３（ｂ）、（ｄ）は、図３（ａ）、（ｃ）に示す状態から、ステージ１０５を１μｍ上昇させた状態であり、さらに、図３（ｅ）は、図３（ｃ）に示す状態からステージ１０５を１０μｍ以上上昇させた状態である。なお、図３において、電極パッド５の最上位の配線層はアルミニウム合金により形成されている。

比較例とする従来のプローブカードのプローブ針２０２は、一般にプローブカードに採用されているプローブ針であり、図２（ｂ）に示すように、電極パッド５に接触した際のコンタクト抵抗を小さくするために、接触面積が大きくなる形状を有している。すなわち、図２（ｂ）の拡大図Ｂに示すように、先端が平坦加工されており、当該平坦加工された面が電極パッドに面接触するようにプローブカード基板に固定されている。なお、図３（ａ）、（ｂ）では、図２（ａ）の拡大図Ａに示すＲ１が０．５μｍのプローブ針１０２を使用し、図３（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）では、図２（ｂ）の拡大図Ｂに示すＲ２が１５μｍのプローブ針２０２を使用している。

さて、図３（ａ）、（ｂ）から理解できるように、本発明に係る針圧調整用プローブカード１０１によれば、ステージ１０５を接触開始位置から１μｍ上昇させることで針痕Ｃ１が形成されている。

これは、本発明のプローブカード１０１が、先端が球面形状に加工されたプローブ針１０２を採用していることに起因する。すなわち、プローブ針１０２の先端が鋭利で、かつ電極パッド５表面との接触面積も小さいため、針痕Ｃ１は鮮明に電極パッド５上に形成される。このため、プローブ針１０２と電極パッド５とが接触を開始するＺ座標を、両者が接触を開始した状態からステージ１０５を僅か１μｍの差という非常に高い感度で特定することができるのである。

これに対し、比較例では、図３（ｃ）、（ｄ）から理解できるように、ステージ１０５を１μｍの上昇させただけでは針痕は形成されず、図３（ｅ）に示すように、１０μｍ以上上昇させたときに初めて針痕Ｃ２が形成されている。

これは、先端が平坦に加工されたプローブ針２０２は、電極パッド５に接触した際に電極パッド５に食い込むことなく水平方向にスライドするため、針痕Ｃ２が鮮明に形成されないからである。加えて、針痕Ｃ２は太く浅いためプローバ装置１００の照明光量等の影響を受けやすく、図３（ｅ）に示すように、電極パッド５上に光学カメラ１０４で認識可能な針痕Ｃ２を形成するには、ステージ１０５を大きく上昇させなければならないのである。

この結果は、比較例により特定したＺ原点は、実際のプローブ針２０２と電極パッド５との接触開始位置と比較して１０μｍ以上の差があることを意味しており、当該Ｚ原点を基準としてステージ１０５を所定量上昇させて針圧を設定した場合、電極パッド５には過大な針圧が付加されることになる。

また、図４は、図３で使用した、本発明の針圧調整用プローブカード１０１（白四角）と、比較例の針圧調整用プローブカード（黒菱形）とを使用してＺ原点の特定を複数回繰り返して行った結果を示す図である。なお、図４において、横軸は各測定の測定番号を示しており、縦軸は本発明の針圧調整用プローブカード１０１を使用して予め求めたＺ原点（基準値）との差を示している。また、縦軸の＋方向は針圧が増大する方向である。

図４において、本発明の針圧調整用プローブカード１０１を使用してＺ原点を特定した場合、データのばらつきのレンジは３μｍ以下になっている。一方、従来のプローブカードにより特定したデータばらつきのレンジは７０μｍである。すなわち、本発明に係る針圧調整用プローブカード１０１によれば、極めて再現性良くＺ原点の特定ができていることが理解できる。

なお、上記ではプローブ針１０２先端が、曲率半径Ｒ１が０．５μｍの球面形状である場合について説明したが、上述したように、プローブ針１０２の先端の形状は球面形状に限られるものではなく、略点接触が可能な先端形状であればよい。

この場合、上述の手法により電極パッド５の表面に初めて形成される針痕の線幅（または、直径）が８μｍ以下であれば、図４と同等の結果を得ることができ、針痕の線幅（または、直径）が１０μｍ以下であれば、図４に示したデータばらつきのレンジを５μｍ以下とすることができる。

加えて、プローブ針１０２の先端が極端に鋭利であると、後述するように、同形状のプローブ針を特性測定用プローブカードのプローブ針として採用する場合に、プローブ針と導電膜との間のコンタクト抵抗が大きくなるため好ましくない。この観点では、上述の手法により電極パッド５の表面に、初めて形成される針痕の線幅（または、直径）が、２μｍ以上であることが好ましい。なお、図３（ｂ）に示す例では、針痕の線幅は３〜４μｍになっている。

以上説明したように、本発明の針圧調整用プローブカード１０１を使用することにより、極めて精度良くＺ原点を特定することが可能となる。

したがって、当該Ｚ原点を基準にしてステージ１０５を所定量上昇させて特性測定用プローブカードの針圧調整を行う（例えば、特性測定時の上記アップ位置をＺ原点＋１０μｍに設定する。）ことにより、極めて正確に、かつ再現性よく針圧の調整を行うことが可能となる。このため、ＰＯＥ型の半導体装置に対しても、適切な針圧で特性検査を実施することができ、保護膜や層間絶縁膜にクラックなどが発生することを防止することができる。

特に、特性測定用プローブカードのプローブ針として図２（ａ）に示したプローブ針１０２を採用した場合、プローブ針は電極パッド５の表面をスライドしにくくなるため、針圧はステージ１０５の上昇に応じて滑らかに上昇することになる。すなわち、ステージ１０５のアップ位置を微調整することで、電極パッド５に対する針圧を微調整することができ、特性測定用プローブカードを使用して特性測定を行う際の針圧を、必要最小限の針圧に正確に調整することが可能となる。

また、上述した針圧調整方法によれば、全てを自動で行うことが可能であるため、人為的なばらつきが介在することがなく、容易にかつ正確に針圧の調整を行うことができる。

なお、上記説明において、例示したプローバ装置の構成は具体例を示したものであり、本発明の技術的範囲を制限するものではなく、等価な作用を奏することができる構造を任意に採用することができる。例えば、上記では、ステージ１０５が垂直方向に移動する構成を例示したが、プローブカード１０１が垂直方向に移動する構成であってもよい。また、光学カメラ１０４は、半導体基板１の表面を観察可能であれば良く、トッププレート１０７に対して移動可能に設けたり、トッププレート１０７の上方に配置し、トッププレートおよびプローブカードに設けた貫通穴を介して電極パッド５の表面を観察したりする構成を採用してもよい。さらに、光学カメラ１０６は、ステージ１０５に固定されている必要はなく、ステージ１０５と独立して移動可能な構成であってもよい。

ところで、上記では、電極パッド５に対して略点接触が可能な先端形状を有するプローブ針１０２を備えた針圧調整用プローブカード１０１について説明したが、本発明に係る針圧調整用プローブカードは、以下に示すプローブ針１１２を採用することもできる。

図５に示すように、プローブ針１１２は、上述のプローブ針１０２と同様に、プローブカード基板の表面に略平行に固定された基端部１１２ａと、電極パッド５に接触する先端を含む先端部１１２ｂからなる。また、先端部１１２ｂは、基端部１１２ａから半導体基板１の方向に屈曲しており、先端部１１２ｂが電極パッド５の表面に対して、ほぼ垂直に接触する点で異なっている。

このようなプローブカードを使用して上述のＺ原点の特定を行うと、プローブ針１１２の先端は、電極パッド５の表面に垂直に接触するので接触圧力か高くなる。また、プローブ針１１２と電極パッド５とにより構成される角度は、水平面内のいずれの方向についても同一であるためオーバードライブしにくくなり、針痕がつきやすくなる。したがって、プローブ針１０２を採用した場合と同様に、Ｚ原点特定の精度を高めることができる。また、プローブ針１１２の先端形状は、プローブ針１０２と同様に、電極パッド５と略点接触が可能な形状としてもよい。この場合、電極パッド５上に針痕が形成されやすくなり、Ｚ原点をより高精度に特定することが可能となる。

以上説明したように、本発明の針圧調整用プローブカードを用いてプローブ針の針圧調整を行うことにより、極めて正確にプローブ針の針圧の調整を行うことが可能となる。このため、電極パッドに過大な針圧でプローブ針が接触することを回避することが可能となり、クラック等の発生を抑制することができる。特に、ＰＯＥ型の電極パッドに対する特性検査において極めて有効な手法である。

本発明は、電極パッド下部に配置される半導体素子を有する、情報通信機器、事務用電子機器等に用いられる半導体装置を検査測定するためのプローブ針圧調整、および針圧調整したプローブカードを用いた検査に有用である。

本発明を適用したプローブ装置の概略側面図。 本発明および比較例のプローブ針の側面図。 針痕の形成状態を示す平面図。 Ｚ原点のバラツキを示す図。 本発明による他のプローブ針の形状図。 従来の電極パッド構造を示す図。 従来の電極パッド構造を示す断面図。

符号の説明

１ 半導体基板
５ 電極パッド（導電膜）
６ クラック
１０ 半導体素子
１００、１１０ プローブカード
１０１、１１１ 基板
２０、１０２、２０２、１１２ プローブ針
１０４、１０６ 光学カメラ
１０５ ステージ
Ｃ１、Ｃ２ 針痕

Claims (10)

1. 被検物が載置されたステージと、プローブ針との間隔を変化させることにより、前記被検物上の導電膜に前記プローブ針を接触させるプローバ装置で、前記導電膜と前記プローブ針とが接触する際の接触圧の調整に使用される針圧調整用プローブカードにおいて、
   前記導電膜との接触開始時に、略点接触となる先端形状を有するプローブ針を備えたことを特徴とする針圧調整用プローブカード。
2. 被検物が載置されたステージと、プローブ針との間隔を変化させることにより、前記被検物上の導電膜に前記プローブ針を接触させるプローバ装置で、前記導電膜と前記プローブ針とが接触する際の接触圧の調整に使用される針圧調整用プローブカードにおいて、
   前記導電膜の表面に対して先端が略垂直に接触するプローブ針を備えたことを特徴とする針圧調整用プローブカード。
3. 前記プローブ針が、前記導電膜との接触開始時に、略点接触となる先端形状を有する請求項２に記載の針圧調整用プローブカード。
4. 前記プローブ針の先端が、球面形状である請求項１または３に記載の針圧調整用プローブカード。
5. 前記プローブ針が、当該プローブ針の先端が前記導電膜の表面に接触した際に、当該導電膜の表面に形成される針痕の線幅が２μｍ以上かつ８μｍ以下となる先端形状を有する請求項１または３に記載の針圧調整用プローブカード。
6. 被検物が載置されたステージと、プローブ針との間隔を変化させることにより、前記被検物上の導電膜に前記プローブ針を接触させるプローバ装置で使用されるプローブ針の針圧調整方法において、
   針圧調整用プローブカードが備えた１のプローブ針の先端位置を特定するステップと、
   前記プローブ針を接触させる前記導電膜の表面位置を特定するステップと、
   前記ステージと前記プローブ針先端との間隔を段階的に小さくするとともに、前記導電膜上に形成されたプローブ針の針痕を検索することにより、前記導電膜と前記プローブ針先端とが接触を開始する相対位置を特定するステップと、
   前記特定された相対位置に基づいて、特性測定用プローブカードが備えるプローブ針の針圧を調整するステップと、
   を含むことを特徴とするプローブ針の針圧調整方法。
7. 前記針圧調整用プローブカードが請求項１から５のいずれかに記載の針圧調整用プローブカードである請求項６に記載のプローブ針の針圧調整方法。
8. 前記プローブ針の先端位置の特定、前記導電膜の表面位置の特定、および、前記針痕の検索が画像認識により行われる請求項６または７に記載のプローブ針圧調整方法。
9. 請求項６から８のいずれかに記載の方法によりプローブ針の針圧調整を行った後、前記針圧調整用プローブカードが備えるプローブ針と同形状のプローブ針を、半導体装置のパッド配置に応じて配置した特性測定用プローブカードを用いて当該半導体装置の特性を測定することを特徴とする、半導体装置の特性検査方法。
10. 前記半導体装置が、前記パッドの下層に半導体素子を備える請求項９に記載の半導体装置の特性検査方法。

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