JP2007157821A - プローバ、及び、プローバのウェハステージ加熱、又は、冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プローバの電気的テストの検査温度の高温化により、プローバの冷却処理に長時間を必要としていた。
【解決手段】ウェハＷ固定用のウェハステージ１８に接続されるバキューム機構４７を、ウェハＷを外して、プローバ１０内の空気を吸引し、外部に放出することで加熱又は冷却する。これにより、特殊な冷却手段を有しないプローバ１０であっても強制冷却を行うことを可能とし、冷却時間を短縮する。さらに、この方法は、冷却ユニット４４を有するプローバに１０に対して行うことでも、冷却時間を短縮する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウェハ上に形成された複数の半導体チップ（ダイ）の電気的検査を、異なる検査温度で行うために、プローバのウェハステージの冷却を行う冷却装置、及び、方法に関する。

半導体製造工程においては、薄い円盤状の半導体ウェハに各種の処理を施して、半導体装置（デバイス）をそれぞれ、または、複数有する複数のチップ（ダイ）を形成する。各チップは電気的特性が検査され、その後ダイサーで切り離された後、リードフレーム等に固定されて組み立てられる。上記の電気的特性の検査は、プローバとテスタを組み合わせたウェハテストシステムで行われる。プローバは、ウェハをステージに固定し、各チップの電極パッドにプローブを接触させる。テスタは、プローブに接続される端子から、電源及び各種の試験信号を供給し、チップの電極に出力される信号をテスタで解析して正常に動作するかを確認する。そして、正常に動作しないデバイスは後の組み立て工程から除かれることになる。

プローブはプローブカードに設けられ、プローブの配列は検査を行う半導体チップの電極パッドの配列に対応している。プローブには、カンチレバー式プローブ、スプリングレバー式プローブ等がある。検査を行う半導体チップ内のデバイスの種類が変わる時には対応するプローブカードに交換する必要がある。プローブカードを交換すると、プローバに設けられたプローブ位置検出カメラでプローブ位置の検出処理を行う。なお、プローブ位置の検出処理は、プローブカードを交換しないときでも、１枚のウェハ上の半導体チップの検査が終了したときなどに随時行われる。

一方、ウェハステージにウェハを保持すると、プローバに設けられたウェハアライメントカメラによりチップの電極パッドの位置を検出する。そして、チップの電極パッドの配列方向とプローブの配列方向が一致するようにウェハステージを回転させた後、電極パッドが対応するプローブの真下に位置するようにウェハステージに移動する。この状態でウェハステージを上昇させれば、電極パッドがプローブに接触する（このことを、プロービングと言う。）。

電極パッドとプローブの接触後に、テスタからプローブに接続される端子を通し、電源及び各種の試験信号を供給し、チップの電極に出力される信号をテスタで解析して正常に動作するかを確認することで電気的テストは終了する。このようなチップの電気的テストは、チップの実際の使用環境を考慮して、異なる温度（以下、検査温度と言う）で複数回行われる。

加熱、及び、冷却処理のために、ウェハステージには、ヒータや、冷媒管が通され、それらの機器によりウェハステージを温度制御することで、上記の検査温度への温度制御を行っている。しかも、検査温度の範囲は、現状の−４０℃〜１５０℃から、将来は、−６０℃〜２００℃の温度範囲となることが予想され、そのため、加熱及び冷却時間がテスト処理時間に占める割合が増大し、加熱及び冷却処理時間の長期化がプローバ処理能力に大きな影響を与えるようになった。

また、検査温度を高温から低温に変化させる場合には、ヒータをオフにして冷却機構をオンにする。検査温度を高温から常温にする場合にも途中まで冷却機構を動作させ常温に近づいた時に冷却機構をオフにすると、冷却時間が短縮できる。これは、低温から高温又は常温に変化させる場合も同様である。常温以下の検査を行わないウェハテスト用のプローバは、冷却機構を備えない場合がある。そのようなプローバは、冷却を自然対流により行ってため、上記のような測定温度範囲の高温化は、直接的に冷却処理時間の長期化、及び、それに伴うプローバ処理能力の低下となる。

検査温度範囲の広範化に伴い、加熱や冷却処理等の処理時間を短縮化し、プローバ処理能力を向上させるという課題がある。加熱時間及び冷却時間を短縮するには、加熱機構及び冷却機構の能力を増加させる必要があるが、これはコストを増加させると言う問題がある。

本発明は、上記のような問題を解決するもので、ウェハの電気的テストの検査温度へウェハステージを、加熱、及び、冷却処理に関して各種の改良を行うことを目的とする。

また、冷却ユニットを備えないプローバに対して、有効な冷却処理を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明に係るプローバのウェハステージの加熱又は冷却方法は、ウェハ上に形成された半導体装置の動作を、半導体装置の電極パッドにプローブを接触させて異なる検査温度で電気的に検査するプローバにおいて、ウェハを固定するためのウェハステージを加熱、又は、冷却する方法において、ウェハをウェハステージに固定するためのバキューム機構により、ウェハステージ上の空気を吸引することでウェハステージを加熱、又は、冷却する。

また、ウェハステージ上に空気を供給し、又は、加熱、もしくは、冷却した空気を供給することで、ウェハステージ加熱、又は、冷却時間を短縮する。

さらに、上記のバキューム機構と共に加熱機構、又は、冷却機構によりウェハステージを加熱、又は、冷却することで、ウェハステージ加熱、又は、冷却時間を短縮する。

さらに、本発明に係るプローバは、ウェハ上に形成された半導体装置の動作を、半導体装置の電極パッドにプローブを接触させて異なる検査温度で電気的に検査するプローバにおいて、ウェハを固定するウェハステージの加熱、及び、冷却のために、ウェハステージ固定用の溝から空気を吸引するバキューム機構と、ウェハステージ上に前記プローバの外部から空気を供給するための空気供給管とを備えて構成する。

本発明によれば、ウェハの電気的テストのためのウェハステージの加熱、及び、冷却処理時間を短縮し、それによりプローバ処理能力を向上することができる。

以下、本発明に係るウェハステージの加熱、又は、冷却処理の実施例を、添付図面を参照して詳述する。

図１は、本発明の実施例によるプローバの概略構成を示す図である。プローバ１０は、テスタ３０とＧＰＩＢシステム４０とでウェハテストシステムを構成する。図示のように、プローバ１０は、基台１１と、その上に設けられた移動ベース１２と、Ｙ軸移動台１３と、Ｘ軸移動台１４と、Ｚ軸移動部１５と、Ｚ軸移動台１６と、θ回転部１７と、ウェハステージ１８と、プローブの位置を検出するプローブ位置検出カメラ１９と、側板２０及び２１と、ヘッドステージ２２と、支柱３１に設けられたウェハアライメントカメラ２３と、ヘッドステージ２２に設けられたカードホルダー２４と、カードホルダー２４に取り付けられるプローブカード２５と、ステージ移動制御部２７、画像処理部２８及び温度制御部４６等を有する制御部２９と、を有する。

プローブカード２５には、カンチレバー式のプローブ２６が設けられる。移動ベース１２と、Ｙ軸移動台１３と、Ｘ軸移動台１４と、Ｚ軸移動部１５と、Ｚ軸移動台１６と、θ回転部１７は、ウェハステージ１８を３軸方向及びＺ軸周りに回転する移動・回転機構を構成し、ステージ移動制御部２７により制御される。移動・回転機構については、広く知られているので、ここでは説明を省略する。プローブカード２５は、検査するデバイスの電極配置に応じて配置されたプローブ２６を有し、検査するデバイスに応じて交換される。画像処理部２８は、プローブ位置検出カメラ１９の撮影した画像からプローブの配置及び高さ位置を算出し、ウェハアライメントカメラ２３の撮影した画像からウェハ上の半導体チップ（ダイ）の電極パッドの位置を検出する。なお、画像処理部２８は、検出された画像を画像処理し、電極パッドにプローブが接触したことにより生じる接触痕を検出でき、電極バッド内の接触痕の位置、大きさ等を画像認識できる。

テスタ３０は、テスタ本体と、テスタ本体に設けられたコンタクトリング３２と、を有する。プローブカード２５には各プローブに接続される端子が設けられており、コンタクトリング３２はこの端子に接触するように配置されたスプリングプローブを有する。テスタ本体は、図示していない支持機構により、プローバ１０に対して保持される。また、テスタ本体とプローバ１０の制御部２９は、ＧＰＩＢシステム４０を介して通信可能に接続されている。

検査を行う場合には、プローブ位置検出カメラ１９がプローブ２６の下に位置するように、Ｚ軸移動台１６を移動させ、プローブ位置検出カメラ１９でプローブ２６の先端位置を検出する。プローブ２６の先端の水平面内の位置（Ｘ及びＹ座標）は、カメラの座標により検出され、垂直方向の位置（Ｚ座標）はカメラの焦点位置で検出される。このプローブ２６の先端位置の検出は、プローブカードを交換したときには必ず行う必要があり、プローブカードを交換しない時でも所定個数のチップを測定する毎に適宜行われる。なお、プローブカード２５には、通常１０００以上ものプローブ２６が設けられているため、全てのプローブ２６の先端位置を検出せずに、通常は作業効率を考慮して、特定のプローブの先端位置を検出する。

次に、ウェハステージ１８に検査するウェハＷを保持した状態で、ウェハＷがウェハアライメントカメラ２３の下に位置するように、Ｚ軸移動台１６を移動させ、ウェハＷ上の半導体チップの電極パッドの位置を検出する。

プローブ２６の位置及びウェハＷの位置を検出した後、チップの電極パッドの配列方向がプローブ２６の配列方向に一致するように、θ回転部１７によりウェハステージ１８を回転する。そして、ウェハＷの検査するチップの電極パッドがプローブ２６の下に位置するように移動した後、ウェハステージ１８を上昇させて、電極パッドをプローブ２６に接触させる。

プローブ２６に電極パッドを接触させる時には、電極パッドの表面がプローブ２６の先端部に接触する高さ位置（接触開始位置）から、更に所定量高い位置（検査位置）まで電極パッドを上昇させる。検査位置は、プローブ２６と電極パッドとの間で確実な電気的接触を実現する接触圧が得られるようなプローブ２６の撓み量が得られるプローブの先端部の変位量を、接触開始位置に加えた高さ位置である。実際には、プローブ２６の本数は、例えば１０００本以上であり、全てのプローブ２６と電極パッドの間で確実な電気的接触が実現されるように検査位置が設定される。

テスタ３０は、プローブ２６に接続される端子から、電源及び各種の試験信号を供給し、チップの電極に出力される信号をテスタ３０で解析して正常に動作するかを確認する。

ウェハステージ１８は、図示しないヒータ、冷媒管及び温度センサ４５が取り付けられる。ヒータは電源４３に、冷媒管４１は冷却ユニット４４につなげられる。制御部２９内の温度制御部４６は、電源４３、冷却ユニット４４及び温度センサ４５と制御線で接続され、温度センサ４５からの検査温度に従い、電源４３及び冷却ユニット４４を用いて温度制御を行う。なお、常温以下の検査を行わない等の理由により、冷却手段を有さないプローバは、図示される冷却ユニット４４を備えない。

さらに、ウェハステージ１８は、ウェハＷを吸引固定するために、バキューム機構４７とバキュームライン４９で接続されている。ウェハステージ１８は、バキューム機構４７によりウェハステージ１８上の空気を吸引することで、ウェハステージ１８上のウェハＷをウェハステージ１８に固定する。

ウェハステージ１８の上部には、後述する目的のために、空気を供給する空気供給管５１がある。空気供給管５１は、電気的テストの検査温度へ温度制御する必要がある場合、ウェハステージ１８上に移動される。そして、空気供給管５１は、外部の空気供給源５３に接続され、空気は、その外部空気供給源５３から供給され、外部高温又は低温熱源５２により、加温又は冷却されて空気供給管５１に供給される。

図２に、本発明に係るプローバのウェハステージ１８の加熱及び冷却装置を示す。ウェハステージ１８の表面には、ウェハＷを吸引固定するための吸引溝４８が設けられ、吸引溝４８は、バキュームライン４９によりバキューム機構４７に接続されている。バキューム機構４７は、負圧を生成することでウェハステージ１８の吸引溝４８から、空気を吸引する。なお、バキューム機構４７は、バキュームポンプ等の空気を吸引できる装置であれば公知の吸引装置が適用可能である。

このように、従来ウェハステージ１８へのウェハＷ固定用にのみ用いられていたバキューム機構を、ウェハＷをウェハステージ１８から外し、吸引溝４８から空気を吸引し、高温となったウェハステージ１８に常温の空気をあてることで、熱を外部へ放出し、冷却することが可能である。また、低温となったウェハステージ１８に、常温の空気をあてることで、暖めることができる。

さらに、本発明に係る冷却装置は、図示のように、空気供給管５１をウェハステージ１８上に設けることで、吸引管４８に吸引させる空気を、空気供給源５３と接続された空気供給管５１により、供給しても良い。このように、直接的に空気を供給することで、空気の強制対流により空気とウェハステージ間の伝熱係数を大きくし、早く冷却、あるいは、加熱することができる。空気供給管５１は、空気を供給する穴を有する直線的なパイプ構造であっても良いし、ウェハステージ１８上の吸引溝４８に対して大きな対流が得るためにらせん状の形状であっても良い。

また、供給空気は、プローバ１０の測定環境を妨げることの無い乾燥空気が好ましく、より加熱、又は、冷却効果を上げるために、空気供給源５３からの空気を高温熱源５２で加熱し、又は、低温熱源５２で冷却することでそれらの空気を供給しても良い。このように、プローバ１０に特殊な設備を設けることなく、外部の高温又は低温熱源５２を利用することで、ウェハステージ１８の加温又は冷却処理を、より短時間で実現できる。さらに、電源４３とヒータ４２からなる加熱機構、又は、冷却管４１に冷媒を通す冷却ユニット４４からなる冷却機構があれば、それらのユニットと共に使用することでウェハステージ１８の加熱又は冷却処理時間を、短縮化する。

図３に、本発明に係るプローバの加熱及び冷却処理を示すフローチャートである。加熱又は処理が開始される前に、ウェハＷがウェハステージ１８にセットされ、チップ（ダイ）のデバイス毎に対応するプローブカード２５をヘッドステージ２２にセットし、オペレータが、テストを行う検査温度を設定し、加熱又は冷却処理が開始される。

ステップＳ１０１では、ウェハステージ１８のバキューム機構による空気の吸引をおこなうために、ロボットアームによりウェハステージ１８からウェハＷを取り除き、ステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、加熱の場合は、電源４３をオンにすることで加熱機構が作動し、冷却の場合は、冷却ユニット４４をオンにすることで冷却機構が作動する。次にステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、空気供給源５３のバルブ等を開にし、かつ、外部高温又は低温熱源５２を作動させることで空気供給管５１からの加熱又は冷却空気の供給を開始し、そして、バキューム機構４７が吸引溝４８から空気を吸引する。次にステップＳ１０４に進む。なお、ステップＳ１０１からＳ１０３までは、その順序が前後しても良い。

ステップＳ１０４では、ウェハステージ１８の検出温度が外部供給空気の温度に到達したか否かの判断を行い、到達した場合は、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、空気供給を停止し、かつ、ロボットアーム等によりウェハＷをウェハステージ１８に載置することで、吸引溝４８からの空気吸引を遮断する。また、ウェハＷを載置しない場合は、バキューム機構４７をオフにして吸引を停止する。その場合、ウェハＷは後述のステップのいずれか、又は、この処理の終了後に載置する。次に、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、ウェハステージ１８が検査温度に到達したか否かの判断を行う。検査温度に到達した場合は、加熱の場合は加熱機構を調整し、検査温度に維持し、冷却の場合は冷却機構を調整し検査温度を維持する。このようにして、本発明に係る加熱及び冷却処理は終了し、電気的テスト等の他の処理に移行する。図３においては、外部空気が熱源により加熱又は冷却されている場合を述べたが、外部空気は常温であって良い。また、外部空気の供給がある場合を述べたが、外部空気供給が無い場合は、ステップＳ１０２の供給処理、及び、ステップＳ１０５の空気供給停止処理は無い。

上述の加熱又は冷却処理は、ウェハステージ１８に取り付けられた温度センサ４５の検出信号に従って、所定の設定温度に到達するようにプロセッサにより実行される制御部２９の一部である温度制御部４６により温度制御が行われる。また、冷却ユニット４４を有さないプローバは、温度制御部４６の設定変更により、ウェハステージ温度制御時に、バキューム機構を作動するだけで、そのようなプローバに強制的な温度制御処理を追加することが可能である。そのような設定情報は、オペレータにより入力部３５を介して入力され、例えばハードディスクやメモリ等からなる記憶部３４に保存され、温度制御部４６により処理される。

以上説明したように、本発明においては、電気的テストを行うための検査温度等に、ウェハステージを加熱、又は、冷却する場合、バキューム機構４７によりウェハステージ上の空気を吸引することにより、加熱、又は、冷却時間を短縮化することができる。また、電源４３や冷却ユニット４４の温度制御処理に加えて、バキューム機構４７による加熱又は冷却を行うことで、加熱又は冷却時間を短縮化することができる。このような、加熱又は冷却時間の短縮化は、プローバのテスト処理能力の向上を可能としている。

本発明に係るプローバの概略構成を示す図である。 本発明に係るプローバのウェハステージ１８の加熱及び冷却装置を示す図である。 本発明に係るプローバの加熱及び冷却処理を示すフローチャートある。

符号の説明

１０ プローバ
１８ ウェハステージ
１９ プローブ位置検出カメラ
２２ ヘッドステージ
２３ ウェハアライメントカメラ
２５ プローブカード
４１ 冷却管
４２ ヒータ
４３ 電源
４４ 冷却ユニット
４５ 温度センサ
４６ 温度制御部
４７ バキューム機構
４８ 吸引溝
４９ バキュームライン
５１ 空気供給管
５２ 外部高温又は低温熱源
５３ 空気供給源

Claims (9)

1. ウェハ上に形成された半導体装置の動作を、該半導体装置の電極パッドにプローブを接触させて異なる検査温度で電気的に検査するプローバであって、前記ウェハを固定するためのウェハステージを加熱、又は、冷却する方法において、
   前記ウェハを前記ウェハステージに固定するためのバキューム機構により、ウェハステージ上の空気を吸引することでウェハステージを加熱、又は、冷却する方法。
2. 前記ウェハステージ上に前記プローバの外部から空気を供給する請求項１に記載の方法。
3. 前記供給空気は、外部の高温、又は、低温熱源により、加熱、又は、冷却した空気である請求項２に記載の方法。
4. 前記プローバは、加熱機構、及び／又は、冷却機構を備え、該加熱機構、又は、該冷却機構により、さらに、前記ウェハステージを加熱又は冷却する請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. ウェハ上に形成された半導体装置の動作を、該半導体装置の電極パッドにプローブを接触させて異なる検査温度で電気的に検査するプローバにおいて、
   前記ウェハを固定するウェハステージ固定用の溝から空気を吸引するバキューム機構と、
   前記バキューム機構により前記ウェハステージ上の空気を吸引することで、該ウェハステージを加熱、又は、冷却する温度制御部と、を備えるプローバ。
6. 前記ウェハステージ上に前記プローバの外部から空気を供給する空気供給管を備える請求項５に記載の装置。
7. 前記供給空気は、外部の高温、又は、低温熱源により、加熱、又は、冷却した空気である請求項６に記載のプローバ。
8. 前記プローバは、さらに、前記ウェハステージを加熱、又は、冷却するために、加熱機構、及び／又は、冷媒機構を備える請求項５〜７のいずれか１項に記載のプローバ。
9. ウェハ上に形成された半導体装置の動作を、該半導体装置の電極パッドにプローブを接触させて異なる検査温度で電気的に検査するプローバに、前記ウェハを固定するウェハステージを加熱、又は、冷却するために、コンピュータに、
   前記ウェハを前記ウェハステージに固定するためのバキューム機構により、ウェハステージ上の空気を吸引することでウェハステージを加熱、又は、冷却する手順を実行させるプログラム。

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