JP2008510166A - Ｉｃを検査するための高弾力片持ちばねプローブ - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハレベルの検査において発生するように容量が制限される空間内で、一層の弾力を生成させるために、加える曲げ応力をプローブの長さに沿って均一に分配させる装置を提供する。
【解決手段】プローブは、アンカーを介してベースに結合している片持ちアームを有する。ベースに面するアームの表面又はアームに面するベースの表面は、アームが押さえられた時にベースに接触する接触点を備えたステップを有する。あるいは、アームの表面及び／又はベースの表面は湾曲していても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に電子回路を検査するための装置に関し、半導体ウェハ上に形成された集積回路を探査するための装置（特に、これに限定されるものではない）に関する。

半導体ウェハ上に形成された多くのＩＣ（集積回路）は機能的でないので、パッケージ化又はＭＣＭ（マルチチップモジュール）内にこれらを組み込む前にこれらを検査することが望ましい。電力と電気信号を試験器からＩＣに伝達する装置は、プローブカードとして知られている。従来のプローブカードでは、片持ち方法によってＰＣＢ（プリント回路基板）に貼り付けられたテーパー状の針を介して電気信号をＩＣのボンドパッドに伝達する。これらの針状プローブは、以下にプローブと称するが、典型的にはタングステン、銅、パラジウム、又はこれらの合金のワイヤーを電気化学的にエッチングすることによって作られる。

プロービングの間、プローブは、処理中にＩＣボンドパッドを引き掻き、これらと物理的な接触を行う。通常は自然の絶縁性酸化被膜に覆われているボンドパッドと、良好な電気接触をするために、プローブにとって引き掻くことが重要である。

ＩＣがより複雑になり、マルチダイ検査が標準になるに従い、プローブカード上のプローブの総数は着実に増加してきた。同様に、比較的小型のＩＣを収容するために、ボンドパッドの大きさ及びこれらの間隔もまた減少してきた。主としてこれらは、手作業で集約的に製造されるために、前述の片持ち型のプローブカードは、この現在の動向にうまく適合できていない。

他の水平型プローブは、半導体の製造工程から多く流用して開発された。エルドリッジ（Ｅｌｄｒｉｄｇｅ）らは、ワイヤーボンダーでプローブの骨格を作る方法を特許文献１に記載している。スミス（Ｓｍｉｔｈ）らは、スパッタリングによって薄膜ばねを製作する方法を特許文献２に記載している。コーエン（Ｃｏｈｅｎ）は、電気防食に用いる金属層の堆積と選択的除去によって三次元構造が製造可能な方法を特許文献３に記載している。
米国特許第５，８３２，６０１号 米国特許第５，６１３，８６１号 米国特許第６，０２７，６３０号

しかしながら、ウェハレベルの検査において発生するように容量が制限される空間内で、より弾力を生成するために、加える曲げ応力をプローブの長さに沿って均一に分配させることを図る装置は知られていない。

本発明は、最大歪曲時に、ばねの長さに沿った最大曲げ応力がばね材料の降伏強度か又はそれに近くなるように、その歪曲が制御される弾力ばねプローブを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態では、プローブは、片持ちばねアームと、アームの第１の端部のアンカーを介してこのアームに結合したベースと、アームの第２の端部上に配置された先端とからなる。このベースに面するアームの表面は、ステップ状（段階状）の表面である。

本発明の他の実施形態では、ベースに面するアームの表面及び／又はアームに面するベースの表面は湾曲している。

本発明の一実施形態において、方法は、ウェハ・ダイ・ボンドパッドをプローブのプローブ先端に対して位置合わせする工程と、ウェハをプローブ先端に駆動する工程と、ウェハを電気的に検査する工程とからなる。

本発明の非制限的かつ非網羅的な実施形態を以下の図面を参照しながら説明する。ここで、特に指定しない限りは、同じ参照番号は種々の図を通して同じ部分を指す。

以下の説明は、当業者が本発明を実施し使用可能なように提示されており、特定の用途とその要件を考慮してなされている。当業者にとっては、本実施形態に種々の変更をなすことは容易で自明であり、本明細書に定義した一般的原理は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく他の実施形態と用途に適用することが可能である。従って、本発明は示した実施例に限定されることを意図せず、本明細書で開示した原理、特徴及び説明に相応して広範囲に適応することを意図したものである。

図１及び図２は本発明の一実施形態を例示する図である。特に、特許文献３で説明される電気メッキ技術を用いて製造される多層膜からなる片持ちばねを基礎としたプローブ１００を例示している。

プローブ１００は、アーム１１０の一端でアンカー１５０を介してベース１４０に結合しているアーム１１０を含む。先端１２０は、アーム１１０のもう一方の端部に配置される。先端１２０は、ロジウム等の硬い貴金属で作られるが、一方、アーム１１０はニッケル等の強い伝導性の金属で作られる。しかしながら、これは他の材料の組み合わせの使用を排除するものではない。アーム１１０は、更に上部及び下部の両表面上に複数のステップの構造を含む。下部表面上の複数のステップは、プローブ１００が係合するとベース１４０と接触する接触点１３０（例えば９個）を含む。一実施形態では、接触点１３０間の間隔はアンカー１５０からの距離と供に減少する。

本発明の一実施形態によると、アーム１１０は、歪曲曲線を制御することによってプローブ１００の長さを通して曲げ応力を分配する。図３に示すように、アーム１１０が、歪曲すると１つ又はそれ以上の接触点１３０がベース１４０と接触し、これによって、構造的アンカー１５０に隣接するアームに過大応力が加わることを防止し、同時に、更にアーム１１０の長さに沿ってアーム１１０の弾性エネルギーを蓄積させる。

複数のこのようなプローブ１００が、スペーストランスフォーマー２００に結合したものを図４に示す。スペーストランスフォーマー２００は、次にＰＣＢに結合されてプローブカードを構成する。

この分野では、全応力梁は既に知られている。力学に関する教科書では、双曲線形状の片持ち梁は均一に分布した最大法線応力を（即ち、せん断応力を無視して）与えることとして論じている。しかしながら、全応力梁は、通常、重量を減少させ、材料を節約し、及び／又は慣性モーメントを減少させる試みに関連する。これらのいずれもが、プローブ１００を考慮しているものではない。

本発明の実施形態は、従来の全応力梁と三つの点で異なる。第一に、アーム２は、平坦な層と有限数の接触点１３０からなるために、全応力ではなく、それを近似しているのみである。従って、均一性を念頭に置いて設計しているが、曲げ応力は完全に均一ではない。第二に、従来の全応力梁は、上の理由によって断面係数を変化させ、不要な所では材料を除去している。本発明では、最大応力の均一性は、断面係数をあまり変化させずに、（主として）歪曲曲線を制御することによって達成されている。先端１２０の真下でもアーム１１０から殆ど材料を除去していないため、これによって良好な弾力と通電容量がもたらされる。この材料は、弾性エネルギーを蓄積するとともに、薄くなった構造（体）を過熱する可能性がある電流に耐えるために利用できる。第三に、本発明は、超過駆動においてのみ全応力状態に近似するものである。歪曲の初期段階では、応力は構造的なアンカー１５０に集中する。従来の全応力梁では、低い応力でも応力は均一に分配する。

プローブ１００の寸法は、要求されるばね定数及び最大許容歪曲に適応するために変えることが可能である。しかしながら、一つの特定のばね定数を満たすプローブ寸法は必ずしも一つではない。物理的な探査要件によって決まる初期の検討事項には、許容するプローブの長さ、高さ、及び幅を含んでもよい。一旦これらが決定されると、層の厚さ及び長さは、市販の有限要素解析ソフトウェアを用いて所望の力、又は歪曲のために最適化することができる。典型的なプローブは、約５００−１０００ミクロンの全体長を、約１０−３０ミクロンの幅を、及び約２−２０ミクロンの中間層の高さを有する場合がある。先端の高さは、約１０−３０ミクロン高である。これらの範囲は、網羅的であることを意味するものではなく、単に、このようなプローブが現在の製造能力の範囲に十分に入ることを示すに過ぎない。

接触点１３０の更なる利点は、先端１２０から伝達すべき信号の電気的経路を減少させることである。アーム１１０の全長を伝達する代わりに、信号は、接触点１３０を介して直接ベース１４０に短絡すればよい。不制御なインピーダンスの長さを減少させることによって、高速性能の向上に加え、接触点１３０はパワー及びグランドプローブ等のより多くの電流を流すプローブのために、並列な代替えの電気的経路をも提供する。高応力下にある領域では、ジュール熱が減少し、これによってプローブのクリープ抵抗が向上する。

また、特許文献３に説明される技術を用いて製造される、多層からなる本発明の他の実施形態を図５に示す。この実施形態においては、プローブ３００は、複数のステップを備えたベース３５０からなる。ベース３５０は、アーム３２０の一端にあるアンカー３３０を介してアーム３２０に結合される。先端３１０がアーム３２０のもう一方の端部に配置される。ベース３５０は、ベース３５０のステップに沿って複数の接触点３４０を有することが特徴である。これらのステップは、アンカー３３０からの距離が増加すると長さが減少する。本発明の一実施形態では、アーム３２０は、ベース３５０の長さと幅に等しい長さと幅を有する。発明の一実施形態では、ベース３５０は８つのステップを含んでいる。

アーム３２０は、断面係数が一定であり、ベース３５０は歪曲曲線を制御するためにステップが付けられている。プローブ３００が歪曲すると、接触点３４０はアーム３２０と段階的に接触し、これによって、構造的アンカー３３０に隣接するアームに過大応力が加わることを防止し、同時に、更にアーム３２０の長さに沿ってばねの弾性エネルギーを蓄積させる。

一実施形態では、プローブ先端３１０は、先端１２０よりも約３０−５０ミクロン高く作られ、アーム３２０の固定端が超過駆動の間にウェハと衝突することを防止する。高めの先端は、一般に長めの擦れ合いを生ずる。アーム３２０の先端の端部３１０は、超過駆動の間に回転し、高めの先端に長めの円弧を描かせる。しかしながら、長めの擦れ合いは、ボンドパッドを過度に損傷しワイヤーボンドの信頼性の問題を引き起こすために、常に望ましいとは限らない。上記を考慮に入れると、プローブ１００を用いることが好ましく、先端１１０の高さは最小限に抑えられると供に、アーム１１０はウェハ側でステップが付けられておりウェハと接触することを防止する。

更に本発明の他の実施形態は、上述した多層プローブであり、これ以外に図１のアーム１１０と図５のベース３５０の両方の上に配置された離散の接触点を備えたものである。

アーム１１０又はベース３５０上にある離散の接触点は、ステップの角部である必要はなく、小突起の表面であってもよく、これは本発明の範囲内である。

その長さに沿って離散の接触点を備えるプローブは、垂直に多層というよりは、むしろ一層だけで横方向（幅方向）に製造することが可能である。この目的には、ＬＩＧＡ等の高アスペクト比のリソグラフィー処理が適している。実際に、横方向に作られたプローブでは、歪曲曲線の制御は、別々の位置に対しては不要であるが、むしろ連続した適合するベース／アーム対に対して必要である。図６に一実施形態を例示する。歪曲時には、アームが連続的な様式でベースの形に変形（適合）する。別々に接触するプローブと同様に、所望のばね比に適したベース／アーム形状は一つではなく、有限要素解析ソフトウェアがアームの長さに沿って曲げ応力を分配させる設計を支援できる。個々のプローブを取り扱い大規模なアレーに組み立てることは困難であるため、好ましくはないが、一つ又はそれ以上の層で製造された、この様に横方向に作られたプローブも本発明の範囲内である。

ばねプローブが、残留応力を有し弾力性を一層向上させることも、また、本発明の範囲内である。残留応力は、弾性緩和の際に圧縮及び引張の両残留応力がプローブの本体内に存在するように、最初に堆積時の降伏応力を超えてプローブを超過駆動させることによって誘導してもよい。ばねに過大応力をかけることは、二つの機能で役立つ。第一に、それは、梁の最外部（即ち、中立軸から最も遠い梁の部分）において堆積時の材料を歪み硬化させ、それによって梁のその部分の降伏強度を増加させる。第二に、残留応力場を与え、梁の外側部分から内側部分に曲げる間に弾性歪みエネルギーを再分配することによって弾力性を向上させる。別々の接触点は、その材料の堆積時の降伏応力を超えた、梁の長さに沿った曲げ応力を均一に与えるように調節されなければならない。ばねプローブは、堆積時の形状から変形するが、歪み硬化効果及び残留応力場によって将来の超過稼働に対する弾力性は向上する。

製造工程は一層ずつ重ねる工程であり、このためアームとベースとは、堆積時の状態で互いに平行である。残留応力を生成するようにアームが超過駆動されると、アームはベースに対してある角度をなす。アームがベースに対してなすこの角度は、先端で最大に到達するまで、プローブの長さに沿って徐々に変化する。この先行加重によって、先端が垂直位置から回転する角度は、約５度から約１５度まで変化しえる。

図７は、本発明の一実施形態によるプローブを用いる方法７００を例示するフローチャートである。まず、少なくとも１つのプローブ（例えばプローブ１００及び／又は３００）を有するプローブカードを試験探針装置（ｐｒｏｂｅ）のプローバー（ｐｒｏｂｅｒ）トレイに装着する（７１０）。次に、試験器のインターフェースをプローブカードＰＣＢに接続する（７２０）。そこで、プローバーを用いてウェハ・ダイ・ボンドバッドをプローブのプローブ先端に位置合わせする（７３０）。次に、ウェハをプローブ先端へ駆動し（７４０）、電気的に検査する（７５０）。検査後、更に検査するダイがなければ（７６０）、方法７００は終了する。そうでなければ、方法７００は、このボンドパッドがプローブ先端の下に来るように次のダイに進め（７７０）、駆動（７４０）と検査（７５０）をウェハ上の全てのダイが検査されるまで繰り返えした後、方法７００は終了する。

本発明の特定の実施形態を示して説明してきたが、この分野における当業者にとっては本発明のより広範囲な態様において本発明から逸脱することなしに変更や修正をなしえることは自明である。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の趣旨及び範囲内のものとして、これら全ての変更と修正とを包含するものである。

本発明の一実施形態によるプローブを例示する図である。 図１のプローブを例示する斜視図である。 歪曲状態における図１のばねを例示する図である。 スペーストランスフォーマーに結合した複数の弾力ばねを例示する図である。 本発明の他の実施形態によるプローブを例示する図である。 適合するベース／アームの対を備えるプローブを例示する図である。 本発明の一実施形態によるプローブを用いる方法を例示するフローチャートである。

Claims (17)

1. 片持ちばねのアームと、
   前記アームの第１の端部でアンカーを介して前記アームに結合したベースと、
   前記アームの第２の端部上に配置された先端と、を含み、
   前記ベースに面する前記アームの表面は、ステップが付けられた表面である、
   ことを特徴とするプローブ。
2. ウェハに面する前記アームの表面は、ステップが付けられた表面である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
3. 前記ステップの長さが、前記アンカーからの距離と供に減少する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
4. 前記ステップが付けられた表面は、複数の接触点を有し、それらの少なくとも１つがＩＣ検査の間に前記ベースと接触し、前記アンカーと隣接する前記アームの中の過大応力を防止し、更に前記アームの長さに沿って弾性エネルギーを蓄積させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
5. 前記アームが、電気メッキを用いて形成された複数の層を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
6. 前記アームに面する前記ベースの表面はステップが付けられた構造を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
7. 前記片持ちばねのアームが、検査前に過大応力を加えられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
8. 片持ちばねのアームと、
   前記アームの第１の端部でアンカーを介して前記アームに結合したベースと、
   前記アームの第２の端部上に配置された先端と、を含み、
   前記アームに面する前記ベースの表面は、ステップが付けられた表面である、
   ことを特徴とするプローブ。
9. 前記ステップの長さが、前記アンカーからの距離と供に減少する、
   ことを特徴とする請求項８に記載のプローブ。
10. 前記ステップが付けられた表面は、複数の接触点を有し、それらの内の少なくとも１つがＩＣ検査の間に前記ベースと接触し、前記アンカーと隣接する前記アームの中の過大応力を防止し、更に前記アームの長さに沿って弾性エネルギーを蓄積させる、
    ことを特徴とする請求項８に記載のプローブ。
11. 前記アームが、電気メッキを用いて形成された複数の層を含む、
    ことを特徴とする請求項８に記載のプローブ。
12. 前記片持ちばねのアームが、検査前に過大応力を加えられる、
    ことを特徴とする請求項８に記載のプローブ。
13. スペーストランスフォーマーと、
    前記スペーストランスフォーマーの表面に結合した複数のプローブと、
    前記スペーストランスフォーマーに通信接続されるプリント回路基板と、を含み、
    前記プローブのそれぞれが、
    片持ちばねのアームと、
    前記アームの第１の端部でアンカーを介して前記アームに結合したベースと、
    前記アームの第２の端部上に配置された先端と、を含み、
    前記ベースに面する前記アームの表面は、ステップが付けられた表面を有する、
    ことを特徴とするプローブカード。
14. スペーストランスフォーマーと、
    前記スペーストランスフォーマーの表面に結合した複数のプローブと、
    前記スペーストランスフォーマーに通信接続されるプリント回路基板と、を含み、
    前記プローブのそれぞれが、
    片持ちばねのアームと、
    前記アームの第１の端部でアンカーを介して前記アームに結合したベースと、
    前記アームの第２の端部上に配置された先端と、を含み、
    前記アームに面する前記ベースの表面は、ステップが付けられた表面を有する、
    ことを特徴とするプローブカード。
15. ウェハ・ダイ・ボンドパッドを請求項１に記載のプローブのプローブ先端に位置合わせする工程と、
    前記ウェハを前記プローブ先端に駆動する工程と、
    前記ウェハを電気的に検査する工程と、を含む、
    ことを特徴とする方法。
16. ウェハ・ダイ・ボンドパッドを請求項８に記載のプローブのプローブ先端に位置合わせする工程と、
    前記ウェハを前記プローブ先端に駆動する工程と、
    前記ウェハを電気的に検査する工程と、を含む、
    ことを特徴とする方法。
17. 片持ちばねのアームと、
    前記アームの第１の端部でアンカーを介して前記アームに結合したベースと、
    前記アームの第２の端部上に配置された先端と、を含み、
    前記ベースに面する前記アームの表面及び前記アームに面する前記ベースの表面の内、少なくとも１つが、湾曲している、
    ことを特徴とするプローブ。

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