JP2007147518A - 電極子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プローブの摩耗による接触抵抗の変動を抑制することを目的とする。
【解決手段】 導電性材料からなる複数のプローブ１００が支持基板３上に形成され、各プローブ１００が、基板３に固着された固定端１０Ｒと、基板３に対向配置される電極パッド４０に当接させる自由端１０Ｌとを有するプローブカードであって、プローブ１００が、基板３に固着されたプローブ本体１と、プローブ本体１の自由端１０Ｌに形成されたコンタクトチップ２とを備え、コンタクトチップ２は、プローブ本体１とは異なる導電性材料からなり、その主面の幅を電極パッド４０に向かって狭小化させた平板形状を有し、プローブ本体１は、自由端１０Ｌにコンタクトチップ２の主面が接合される接合面を有し、コンタクトチップ２の端面２１を電極パッド４０に向けて突出させた状態で保持する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電極子装置に係り、さらに詳しくは、半導体ウエハ、半導体チップ、電子機器などに形成された微小電極に電極子の自由端を当接させ、当該電極子を介して、上記微小電極を外部装置と導通させるための電極子装置、例えば、半導体ウエハ検査用のプローブカードの改良に関する。

一般に、半導体ウエハの製造工程で実施される電気的特性検査には、プローブ装置が用いられる。プローブ装置は、半導体ウエハをプローブカードに近づけ、プローブカード上に形成された多数のプローブ（探針：Probe）を半導体ウエハ上の電極パッドに当接させる装置である。このようなプローブ装置を用いることによって、導電性を有するプローブを介して、半導体ウエハ上に形成された微小な電極パッドをテスターなどの外部装置と導通させることができる。

上記プローブは、その先端を電極パッドに繰り返し当接させることから、先端部が摩耗し易く、この様な摩耗によって電極パッドとの接触状態が次第に変化していく。このため、プローブの耐摩耗性を向上させれば、電極パッドとの接触抵抗を安定化させることができる。

一方、プローブ装置は、通常、オーバードライブを行うことによって、プローブカードに取り付けられた多数のプローブピンを電極パッドに確実に接触させている。オーバードライブとは、プローブが電極パッドに接触しはじめる状態から更に半導体ウエハ及びプローブカードを近づける操作であり、プローブを弾性変形させることによって、全てのプローブを電極パッドに確実に接触させている。

つまり、プローブに使用される材料は、高い導電性を有するだけでなく、高い耐摩耗性を有し、かつ、大きな弾性係数（ヤング率）を有することが求められる。しかしながら、一般に耐摩耗性の良好な材料は硬く、その弾性係数は小さな値となる。このため、従来のプローブには、高硬度の導電性材料と、弾性の大きい導電性材料の２種類の材料で構成されているものがあった（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載されたプローブは、軟質材料からなるコアに対しメッキ処理を行って、硬質材料からなるシェルで覆っている。メッキ処理されたプローブは、その先端を尖鋭化させることが容易ではなく、また、シェルの厚さが薄い場合には、その摩耗によって接触抵抗が大きく変化するなどの問題が生ずると考えられる。
特開２００４−１３９９９２号公報

微小電極に電極子を当接させる電極子装置において、電極子の摩耗による接触抵抗の変動を抑制するためには、上記電極子の先端部の耐摩耗性を向上させるだけでなく、摩耗による接触面積の変動を抑制する必要がある。その一方で、微小電極に対し、電極子を弾性的に当接させるためには、電極子に弾性係数の大きな材料を用いなければならない。この様な条件を満足する電極子を実現することは容易ではないという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、電極子の摩耗による抵抗値の変動を抑制することを目的とする。また、接触時の抵抗値を安定化させた電極子装置を提供することを目的とする。

第１の本発明による電極子装置は、導電性材料からなる複数の電極子が支持基板上に形成され、各電極子の自由端を上記支持基板に対向して配置される導通対象物の微小電極に当接させる電極子装置であって、上記電極子が、上記支持基板に固着された電極子本体と、上記電極子本体の自由端に形成されたコンタクトチップとを備え、上記コンタクトチップは、上記電極子本体とは異なる導電性材料からなり、その主面の幅を上記微小電極に向けて狭小化させた平板形状を有し、上記電極子本体は、上記自由端に上記コンタクトチップの主面が接合される接合面を有し、上記コンタクトチップの端面を上記微小電極に向けて突出させた状態で保持する。

電極子本体及びコンタクトチップを異なる導電性材料で構成すれば、それぞれに適した導電性材料を選択することができる。このため、電極子本体の弾性を阻害することなく、コンタクトチップの耐摩耗性を向上させることができる。また、コンタクトチップを平板形状とし、その端面を微小電極に当接させることにより、コンタクトチップを錐体とする場合に比べ、コンタクトチップの摩耗による微小電極に対する接触面積の変動を抑制することができる。さらに、コンタクトチップの主面を電極子本体と接合させることによって、コンタクトチップ及び電極子本体を広い面積で接合することができるので、コンタクトチップを確実に保持することができ、また、接合部における抵抗を低減することができる。なお、後述するプローブカード、プローブ１００、プローブ本体１は、それぞれ上記電極子装置、電極子、電極子本体の一例である。また、後述する半導体ウエハ４、電極パッド４０は、上記導通対象物、微小電極の一例である。

第２の本発明による電極子装置は、上記構成に加えて、上記電極子本体が、対向する２つの接合面を有し、上記コンタクトチップが、その２つの主面が上記接合面にそれぞれ接合され、上記電極子本体によって上記主面側から挟み込まれて保持される。

この様な構成により、コンタクトチップが２つの接合面を介して電極子本体に接合することができるため、両者の接合面積をより増大させることができる。また、２つの接合面によってコンタクトチップを挟み込むことによって、電極子本体に対し、コンタクトチップをより強固に固着することができる。

第３の本発明による電極子装置は、上記構成に加えて、上記電極子本体が、上記接合面がそれぞれ形成された２つのコンタクトチップ保持部を備え、上記コンタクトチップが、上記コンタクトチップ保持部の先端において、上記コンタクトチップ保持部を含む厚み方向の外形寸法の中央に配置されている。

このような構成により、微小電極の近傍に凸部や段差が形成されている場合に、コンタクトチップ保持部の先端がこれらに干渉し、微小電極に対するコンタクトチップの当接に悪影響を与えるのを抑制することができる。

第４の本発明による電極子装置は、上記構成に加えて、上記コンタクトチップ保持部が、その幅を上記微小電極に向けて狭小化させた形状を有する。

この様な構成により、コンタクトチップ保持部の先端付近におけるコンタクトチップの幅方向に沿った断面に関し、コンタクトチップの端面をコンタクトチップ保持部から突出させつつ、コンタクトチップの主面にコンタクトチップ保持部を接合させることができる。このため、接合面積を更に大きくするとともに、コンタクトチップの先端に近い位置で保持することができ、電極子本体に対し、コンタクトチップをより強固に保持することができる。

第４の本発明による電極子装置は、上記構成に加えて、上記コンタクトチップの主面の最大幅が、上記コンタクトチップ保持部の接合面の最大幅以下となっている。

この様な構成により、２つの電極子をその自由端側を対向させて、互いに干渉しないように配置させる場合に、より近接させて配置することが可能となる。

本発明によれば、電極子を構成するコンタクトチップ及び電極子本体が異なる導電性材料からなり、平板形状のコンタクトチップの端面を微小電極に当接させている。このため、電極子の先端が摩耗しにくく、摩耗した場合であっても接触面積の変動が小さい。このため、電極子の摩耗による抵抗値の変動を抑制することができ、接触時の抵抗値を安定化させた電極子装置を提供することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態による電極子装置の要部の一例を示した斜視図であり、半導体ウエハ検査用のプローブカードを構成するプローブ１００が示されている。このプローブ１００は、いわゆるカンチレバー（片持ち梁）タイプの電極子であり、その先端を半導体ウエハ上の電極パッドに弾性的に当接させることによって、当該電極パッドをテスターヘッドと導通させるためのものである。

プローブ１００は、互いに異なる導電性材料からなるプローブ本体１及びコンタクトチップ２により構成される。プローブ本体１は、図中に破線で示された支持基板３上に取り付けて使用され、支持基板３に取り付けた状態で自由端となるプローブ本体１の先端にコンタクトチップ２が固着されている。このコンタクトチップ２を電極パッドに当接させた場合、電極パッドから受ける押圧力によってプローブ本体１が弾性変形し、電極パッドに対し、コンタクトチップ２を弾性的に当接させることができる。オーバードライブを行った場合であれば、オーバードライブ量に応じた押圧力が加えられ、プローブ本体１が撓むことになる。

プローブ本体１は、電極パッドに当接させた場合に、電極パッドからの押圧力によって弾性変形しやすいように、コンタクトチップ２よりも弾性の大きい導電性材料からなる。この様な材料として、例えば、金Ａｕ、マグネシウムＭｇ、アルミニウムＡｌ、銅Ｃｕ、ニッケルＮｉ、白金Ｐｔ及びこれらの合金（ニッケルコバルトＮｉ−Ｃｏ、ニッケルタングステンＮｉ−Ｗなど）が用いられる。

一方、コンタクトチップ２は、耐摩耗性を確保するために、プローブ本体１よりも硬度の高い導電性材料からなる。プローブ１００を繰り返し使用した場合、電極パッドに当接させるコンタクトチップ２の先端が次第に摩耗し、オーバードライブ量とプローブが受ける押圧力との関係が変化し、あるいは、電極パッドとの接触面積が変化してしまう。このため、コンタクトチップ２に硬い金属材料を用いることにより、摩耗を抑制して接触抵抗の変化を抑制することができる。このような材料として、タングステンＷ、ロジウムＲｈ、ベリリウムＢｅ、モリブデンＭｏ、コバルトＣｏ、パラジウムＰｄ及びこれらの合金が用いられる。

なお、プローブ１００は、コンタクトチップ２及びプローブ本体１を介して、半導体ウエハ上の電極パッドを外部装置と導通させるためのものである。このため、コンタクトチップ２及びプローブ本体１は、いずれも導電率が十分に高い導電性材料を用いる必要がある。また、コンタクトチップ２及びプローブ本体１間も抵抗が十分小さくなるように、接合されていることが必要となる。

プローブ本体１は、ビーム部１０、コンタクト部１１及びビーム支持部１２によって構成される。ビーム部１０は長尺形状からなり、その一端（固定端１０Ｒ）が、ビーム支持部１２を介して支持基板３に固定されている。また、その長手方向が支持基板３と略平行となるように、支持基板３から距離をおいて、上記固定端１０Ｒから支持基板３に沿って延びている。このため、ビーム部１０の他端（自由端１０Ｌ）は、ビーム部１０自身の撓みによって、支持基板３に対し弾性的に支持される。

ビーム支持部１２は、ビーム部１０の固定端１０Ｒから支持基板３側に延びる形状を有し、支持基板３に係合させる係合突起部１３，１４を有している。ビーム支持部１２の幅は、固定端１０Ｒ側よりも支持基板３側が広く、係合突起部１３，１４は、支持基板３側の端辺の両端に形成され、ビーム部１０の長手方向に十分な間隔を有している。これらの係合突起部１３，１４を支持基板３の係合穴に挿入することにより、プローブ１００が支持基板に取り付けられるとともに、プローブ１００が支持基板３上に形成された配線と電気的に接続される。

コンタクト部１１は、ビーム部１０の自由端１０Ｌから支持基板３とは反対側に延びる形状を有している。つまり、ビーム部１０よりも半導体ウエハ側へ突出させている。このコンタクト部１１の先端にコンタクトチップ２が固着されている。

図２は、図１のコンタクト部１１を拡大して示した斜視図であり、図３（ａ）は図２のＡ矢示図、図３（ｂ）は図２のＢ矢示図である。コンタクト部１１はその先端が２つのコンタクトチップ保持部１５，１６に分岐し、コンタクトチップ２は、これらのコンタクトチップ保持部１５，１６に挟み込まれ、その先端をコンタクト部１１の先端から突出させた状態で保持されている。

コンタクトチップ２は、均一な厚さ（例えば１０μｍ）を有する板状体からなり、その端面２１を半導体ウエハ上の電極パッドに対向させるように配置されている。また、コンタクトチップ２の主面２０は、その幅が電極パッドに向かって狭小化され、その先端の端面２１を電極パッドに当接させている。この様にして、コンタクトチップ２を平板形状とすることにより、角錐、円錐などの錐体形状とする場合に比べ、先端が摩耗した場合における接触面積の変動を抑制することができる。なお、この実施の形態では、コンタクトチップ２の主面２０の幅は、根元側において一定（例えば５０μｍ）であり、コンタクトチップ２の主面２０は五角形になっている。

コンタクトチップ保持部１５，１６は、互いに対向する内面が平行な平面からなり、これらの平面にコンタクトチップ２の主面２０が接合されている。つまり、コンタクトチップ２は、コンタクトチップ保持部１５，１６によって挟み込まれるように保持されている。この様にして、コンタクトチップ２を平板形状にし、その主面２０をコンタクトチップ保持部１５，１６の接合面１５０，１６０と接合することによって、両者を広い面積で接合させ、コンタクトチップ２をプローブ本体１に強固に固着することができる。さらに、コンタクトチップ２を主面２０側から挟み込むように保持することによって、より強固に固着することができる。

また、各コンタクトチップ保持部１５，１６は、コンタクトチップ２と同様、均一な厚さ（例えば１０〜２５μｍ）を有する平板形状からなり、その主面の幅が電極パッド側に向かって狭小化されている。そして、コンタクトチップ保持部１５，１６及びコンタクトチップ２は、前者の先端が後者の先端より所定距離（例えば２０〜４０μｍ）だけ後退するように接合されている。このため、コンタクトチップ保持部１５，１６の先端付近において、コンタクトチップ２の幅方向の断面を見れば、その端面２１がコンタクトチップ保持部１５，１６から突出しているが、その主面上の内側では、コンタクトチップ保持部１５，１６が接合されている。このため、接合面積を更に大きくするとともに、コンタクトチップ２の先端に近い位置で保持することができるので、より強固に保持することができる。

さらに、電極パッドとは反対側に位置するコンタクトチップ２の端面をコンタクトチップ保持部１５，１６間の凹部の最深面と接合させておけば、より一層強固に、コンタクトチップ２をプローブ本体１に固着することができる。

また、コンタクトチップ保持部１５，１６の厚さを同一にすることによって、コンタクトチップ２をコンタクト部１１の厚み方向の中央に配置することができる。すなわち、コンタクトチップ２及びコンタクトチップ保持部１５，１６の各厚さの合計（例えば３０〜６０μｍ）として与えられるコンタクト部１１の外形寸法の中央にコンタクトチップを配置することができる。

ここで、コンタクトチップ２の一主面のみにコンタクトチップ保持部１５を接合した場合、２つのコンタクトチップ保持部１５，１６によって両主面を挟み込む場合に比べ、所望の構造的強度を確保するためにコンタクトチップ保持部１５を厚く形成しておく必要がある。同様にして、２つのコンタクトチップ保持部１５，１６の厚みが同一でない場合にも、厚みが同一の場合に比べて、一方の厚さを厚くする必要がある。この様な場合、半導体ウエハ上の電極パッド近傍に凸部や段差が存在すれば、厚いコンタクトチップ保持部がこの様な凸部や段差に当接してしまうおそれがある。このため、コンタクトチップ保持部１５，１６の厚さを同一とし、コンタクトチップ２をコンタクト部１１の厚み方向の中央に配置することが望ましい。

図４は、プローブ１００を半導体ウエハ４に当接させた場合の様子を示した説明図である。図中の（ａ）には、図２のプローブ１００、つまり、コンタクトチップ２が同一の厚さを有する２つのコンタクトチップ保持部１５，１６によって保持されている場合が示されている。一方、（ｂ）には、コンタクトチップ２が１つのコンタクトチップ保持部１５によって保持されている場合が示されている。

この半導体ウエハ４の表面には、保護膜４１が形成されているが、電極パッド４０の形成領域については保護膜４１が除去され、電極パッド４０を露出させている。この電極パッド４０に対して、プローブ１００を当接させる場合、コンタクトチップ保持部１５が厚すぎると、コンタクトチップ保持部１５の先端が、保護膜４１に当接して、電極パッド４０に対してコンタクトチップ２を良好に当接させることができなくなる。従って、コンタクトチップ２をコンタクト部１１の厚み方向の中央に配置することが望ましい。

次に、コンタクトチップ２の最大幅は、コンタクトチップ保持部１５，１６の接合面１５０，１６０の最大幅以下であることが望ましい。図２及び図３に示されたコンタクトチップ２及びコンタクトチップ保持部１５，１６は、その最大幅がいずれも同一（例えば５０μｍ）となっている。コンタクトチップ保持部１５，１６は、所望の構造的強度が得られる幅を有している必要がある。コンタクトチップ２の最大幅が、コンタクトチップ保持部１５，１６の最大幅を超える場合、コンタクトチップ保持部１５，１６から、その幅方向にコンタクトチップ２がはみ出た状態となる。この様にしてコンタクトチップ２が幅方向にはみ出している場合、隣接するプローブ１００同士が干渉し、プローブ１００の弾性変形が阻害され、あるいは、電気的に短絡されるおそれがある。特に、自由端１０Ｌ側にはみ出している場合が問題となる。

図５は、隣接するプローブ１００間の干渉についての説明図である。図中の（ａ）は、支持基板３上に２つのプローブが近接して配置されている様子を示した図である。（ｂ）は、コンタクトチップ２がコンタクトチップ保持部１５，１６から出していない場合の拡大図、（ｃ）はコンタクトチップ２がコンタクトチップ保持部１５，１６から出している場合の拡大図である。

２つのプローブ１００は、ビーム部１０の自由端１０Ｌ側を対向させて近接する位置に配置されている。コンタクトチップの先端を半導体ウエハに当接させた場合、これらのコンタクトチップ２が近づくように、プローブ本体１が弾性変形する。このため、コンタクトチップ２が、コンタクトチップ保持部１５，１６からビーム部１０の自由端側へはみ出して形成されている場合、両者が干渉しやすくなり、プローブ１００の間隔が広くなるように配置することが必要となる。このため、コンタクトチップ２の最大幅は、コンタクトチップ保持部１５，１６の最大幅以下とすることが望ましい。

図６は、本実施の形態によるプローブ１００の製造方法の一例を示した図である。このプローブ１００は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して製造され、コンタクト部１１を除き、均一な厚さを有する平板形状からなる。具体的には、基板５上に弾性の高い導電性材料を膜厚となるように製膜し、コンタクトチップ保持部１５を含むプローブ本体１の形状にパターニングする。次に、硬度の高い導電性材料を製膜し、コンタクトチップ２の形状となるようにパターニングする。その後、再び、弾性の高い導電性材料を製膜し、コンタクトチップ保持部１６を含むプローブ本体１の形状にパターニングする。

この様にして形成された積層構造体を基板５から分離することによって、プローブ１００を製造することができる。このとき、コンタクトチップ２の主面と、コンタクトチップ保持部１５，１６が広い面積によって接合されていれば、両者が接合面１５０，１６０で分離されにくく、プローブ１００を基板５から容易に分離することができる。また、コンタクトチップ２の主面を２つのコンタクトチップ保持部１５，１６によって挟み込むことにより、基板５からの分離を更に容易にすることができる。

なお、本実施の形態では、半導体ウエハ上の電極パッドをテスターヘッドと導通させるプローブカードの例について説明したが、本発明による電極装置は、このようなプローブカードに限定されるものではない。すなわち、半導体ウエハ、半導体デバイス、小型電子機器などの導通対象物上に形成された微小電極に対して電極子を当接させ、当該微小電極を外部装置と導通させる様々な電極子装置に適用することができる。

また、本実施の形態では、カンチレバータイプのプローブの例について説明したが、本発明による電極子装置は、この様なプローブを含むものに限定されない。

また、本実施の形態で示したプローブ１００を構成する材料は例示であって、プローブ本体１及びコンタクトチップ２の材料として、上記材料以外のものを使用することも可能であることは言うまでもない。

本発明の実施の形態による電極子装置の要部の一例を示した斜視図である。 図１のコンタクト部１１を拡大して示した斜視図である。 （ａ）は図２のＡ矢示図、（ｂ）は図２のＢ矢示図である。 プローブ１００を半導体ウエハに当接させた場合の様子を示した説明図である。 隣接するプローブ１００間の干渉についての説明図である。 本実施の形態によるプローブ１００の製造方法の一例を示した図である。

符号の説明

１ プローブ本体
２ コンタクトチップ
２０ コンタクトチップの主面
２１ コンタクトチップの端面
３ 支持基板
１０ ビーム部
１０Ｌ 自由端
１０Ｒ 固定端
１１ コンタクト部
１２ ビーム支持部
１３，１４ 係合突起部
１５，１６ コンタクトチップ保持部
４ 半導体ウエハ
４０ 電極パッド
４１ 保護膜
１００ プローブ
１５０，１６０ 接合面

Claims (5)

1. 導電性材料からなる複数の電極子が支持基板上に形成され、各電極子の自由端を上記支持基板に対向して配置される導通対象物の微小電極に当接させる電極子装置において、
   上記電極子が、上記支持基板に固着された電極子本体と、上記電極子本体の自由端に形成されたコンタクトチップとを備え、
   上記コンタクトチップは、上記電極子本体とは異なる導電性材料からなり、その主面の幅を上記微小電極に向けて狭小化させた平板形状を有し、
   上記電極子本体は、上記自由端に上記コンタクトチップの主面が接合される接合面を有し、上記コンタクトチップの端面を上記微小電極に向けて突出させた状態で保持することを特徴とする電極子装置。
2. 上記電極子本体は、対向する２つの接合面を有し、
   上記コンタクトチップは、その２つの主面が上記接合面にそれぞれ接合され、上記電極子本体によって上記主面側から挟み込まれて保持されることを特徴とする請求項１に記載の電極子装置。
3. 上記電極子本体は、上記接合面がそれぞれ形成された２つのコンタクトチップ保持部を備え、
   上記コンタクトチップは、上記コンタクトチップ保持部の先端において、上記コンタクトチップ保持部を含む厚み方向の外形寸法の中央に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電極子装置。
4. 上記コンタクトチップ保持部は、その幅を上記微小電極に向けて狭小化させた形状を有することを特徴とする請求項３に記載の電極子装置。
5. 上記コンタクトチップの主面の最大幅は、上記コンタクトチップ保持部の接合面の最大幅以下であることを特徴とする請求項１に記載の電極子装置。

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