JP2011007671A - 試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度制御性の高い試験装置を提供する。
【解決手段】試料載置ステージ１３に対向して配置されるプローブカード１７と、プローブカード１７の開口部１７ｈの下側に配置される複数のプローブ針１８と、複数のプローブ針１８の間の領域に配置される熱電対３１と、プローブカード１７の開口部１７ｈの下に熱電対３１の先端に接触して取り付けられる温度測定物３２と、プローブカード１７の開口部１７ｈの上方に配置されるランプ４２を有する発光器４０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、試験装置に関し、特に、試験対象にプローブを当てて各種の試験を行う試験装置に関する。

半導体装置は、半導体ウエーハに繰り返して複数形成され、その後にチップ状に分割され、さらにモールド等のパッケージに覆われて使用される。ところで、半導体装置のコンタクト試験、リーク試験等の各種の試験は、分割前のウエーハ状態でも行われる。

ウエーハ状態にある半導体装置を構成する半導体素子、半導体集積回路は、例えば、プローブカードを備えた半導体装置用の試験装置により試験される。プローブカードは、半導体装置表面の複数の電極パッドに先端を接続するプローブ針と、プローブ針を支持するプローブ針支持部と、プローブ針に接続される配線を有する基台等から構成されている。プローブ針は、テスターヘッド等を介してテスターに電気的に接続される。

半導体装置にプローブ針を当てて試験する場合に、ウエーハステージ内の加熱器により半導体装置を加熱して試験を行うことがある。しかし、ウエーハステージ内の加熱器による加熱では熱伝導率が低く、半導体装置が所定温度に達するまでに時間がかかる。
また、プローブカードの温度を制御するために、プローブカードにヒータと冷却回路を取り付けた装置が知られている。しかし、プローブカードの熱伝導率が低いので、ヒータ又は冷却回路からの熱がプローブカード全体に伝達する時間が長くなる。

さらに、光ファイバから集光レンズを介して半導体装置に向けて斜めから光を照射し、これにより半導体装置を昇温することが知られている。この場合、半導体装置に当てているプローブ針の先端部に光が照射される。
一方、プローブ針の先端に付着した不純物を除去するために、プローブ針の先端にレーザを照射することが知られている。

特開２０００−２４１４５４号公報 特開平５−１５７６３２号公報 特開平１１−３２６４６１号公報

ところで、半導体装置の試験装置には、半導体ウエーハに形成された複数の半導体装置を一つずつ試験する単測型と、複数の半導体装置を同時に測定する同測型とがある。単測型のプローブカードは、半導体ウエーハにおける１つの半導体装置の電極パッドに接続されるプローブ針を有している。また、同測型のプローブカードは、半導体ウエーハにおける複数の半導体装置のそれぞれの電極パッドに同時に接続される複数のプローブ針を有している。

同測型のプローブカードでは、半導体ウエーハの半導体装置の配置の関係でプローブ針が半導体ウエーハからはみ出すことがある。はみ出したプローブ針は、測定対象となる半導体装置を変更する際に、再び半導体ウエーハ上の電極パッドに当てられることがある。
しかし、はみ出したプローブ針は冷めているために、半導体装置のみを加熱対象とする
測定装置では、プローブ針の温度が上昇するまでに時間がかかり、作業効率が悪くなる。

また、上記のように光ファイバから半導体装置に向けて斜めに光を照射して半導体装置を加熱する場合には、プローブ針の大部分に光が照射されないので、半導体装置の熱がプローブ針により吸収され、半導体装置の温度調整が難しくなる。

本発明の目的は、温度制御性の高い試験装置を提供することにある。

本発明の１つの観点によれば、試料載置ステージに対向して配置されるプローブカードと、前記プローブカードの開口部の下側に配置される複数のプローブ針と、前記複数のプローブ針の間の領域に配置される熱電対と、前記プローブカードの前記開口部の下に前記熱電対の先端に接触して取り付けられる温度測定物と、前記プローブカードの前記開口部の上方に配置されるランプを有する発光器と、を有することを特徴とする測定装置が提供される。

本発明によれば、プローブカードの開口部を通してその直下の試験対象物、例えば半導体装置を光照射により加熱するようにしたので、試験対象物、例えば半導体装置よりも上の位置にあるプローブ針を広い領域で同時に加熱することが可能になる。
これにより、プローブ針により試験対象物の温度が吸収されにくくなり、試験対象物の温度制御が容易になる。
さらに、プローブカードの開口部の直下の温度を熱電対と温度測定物により測定するようにしたので、発光器により加熱される試験対象物の温度制御が容易になる。

図１は、本発明の実施形態に係る測定装置の側面図である。 図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る測定装置に装着されるプローブカードと発光器の一例を示す側面図、図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係る測定装置に装着されるプローブカードのプローブ針及びその周辺を示す底面図、図２（ｃ）は、本発明の実施形態に係る測定装置に装着されるプローブカードに取り付けられる熱電対と温度測定物を示す斜視図である。 図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る測定装置により測定される半導体装置が複数形成された半導体ウエーハを示す平面図、図３（ｂ）は、半導体装置を示す平面図である。 図４は、本発明の実施形態に係る測定装置に取り付けられる発光器の反射面に使用される金メッキ鏡とアルミニウム鏡の反射特性と、ハロゲンランプの放射特性を示す図である。 図５は、本発明の実施形態に係る測定装置に取り付けられる発光器を示す側面図である。 図６は、本発明の実施形態に係る測定装置に取り付けられるハロゲンランプの立ち上がり時間と温度の関係を示す図である。 図７は、本発明の実施形態に係る測定装置に取り付けられるハロゲンランプの波長と光照射対象物の光吸収率との関係を示す図である。 図８は、本発明の実施形態に係る測定装置に取り付けられる発光器の他の例を示す側面図である。 図９（ａ）は、本発明の実施形態に係る試験装置に使用されるプローブカードのプローブ針の別の例を示す底面図、図９（ｂ）は、本発明の実施形態に係る試験装置に使用されるプローブカードのプローブ針のさらに別の例を示す底面図である。

発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の試験方法を実行する試験装置の概要を示す側面図、図２（ａ）は、図１に示す試験装置に使用されるプローブカードと加熱器を示す側面図、図２（ｂ）は、プローブ針の配置を示す底面図である。
図１に示す半導体装置の試験装置は、図３（ａ）に示す半導体ウエーハ１、例えばシリコンウエーハに形成された複数の半導体装置２を順に測定する装置であって、制御部１０とウエーハプローバ１１を有している。半導体装置２には、トランジスタ、配線等が形成されている。

ウエーハプローバ１１の筐体１２内にはウエーハステージ１３が配置され、ウエーハステージ１３上にはウエーハチャック１４が取り付けられている。ウエーハステージ１３は、ウエーハチャック１４を上下方向、前後方向、左右方向のそれぞれに移動し、さらに、水平方向に回動することができる構造を有している。
なお、ウエーハステージ１３内には、半導体ウエーハ１を加熱する加熱器を内蔵してもよい、

筐体１２の上部にはウエーハチャック１４の上面を露出する開口部１２ａが設けられ、その開口部１２ａにはヘッドプレート１５が開閉可能に取り付けられている。また、ヘッドプレート１５の中央に形成された開口部１５ａにはフロックリング１６が嵌め込まれている。
ヘッドプレート１５の下面には、フロックリング１６下方でカードフォルダー１９の外周のフランジを支持するクランプ２０が取り付けられている。

カードフォルダー１９には、半導体ウエーハ１に形成された複数の半導体装置２を同時に試験できる同測型のプローブカード１７が取り付けられている。また、プローブカード１７には、カードフォルダー１９の中央の開口部１９ａからウエーハチャック１４に向けて突出させる複数のプローブ針１８が取り付けられている。プローブ針１８は、例えばタングステンから形成される。

プローブカード１７は、図２（ａ）に示すように、複数の配線（不図示）が形成されたプリント基板１７ａと、プリント基板１７ａの下面に取り付けられたセラミックリング１７ｂと、セラミックリング１７ｂの下面に形成された樹脂、例えばエポキシレジン製のプローブ支持部１７ｃとを有している。

プローブ支持部１７ｃは、図２（ｂ）に例示するように環状に形成され、複数のプローブ針１８を支持し、それらを中央の孔内に突出させる。プローブ針１８は、先端を図３（ｂ）に示す半導体装置２の電極パッド２ａに接触できる位置に配置した状態でプローブ支持部１７ｃにより支持される。

プローブ針１８は、例えば略Ｌ字状に屈曲された形状を有し、その後端はプリント基板１７ａの下面に形成された配線に接続され、さらにプリント基板１７ａに形成された配線、ビア等を介してその上面の電極パッド１７ｅに電気的に接続されている。
なお、プリント基板１７ａの機械的強度を高めるために上面中央領域には、補強板１７
ｆが取り付けられている。
セラミックリング１７ｂの中央には、プリント基板１７ａ、補強板１７ｆを貫通する開口部１７ｈが形成されている。開口部１７ｈを通して、プローブ針１８の中央から先端までの領域が露出される。

プローブ支持部１７ｃのうちプローブ針１８の間の領域には熱電対３１が取り付けられている。熱電対３１は、測定点となる先端がセラミックリング１７ｂの開口部１７ｈの直下に位置する状態に支持される。
また、熱電対３１の先端には、温度測定物として例えば図２（ｃ）に示すようなシリコン片３２が接触して取り付けられている。シリコン片３２は、プローブ針１８に重ならずにプリント基板１７ａの下面に実質的に平行な状態で配置され、さらに、プローブ針１８の先端よりも上のセラミックリング１７ｂ寄りに配置される。シリコン片３２は、例えば、約６２５μｍの厚さを有し、その面は約６０μｍ×６０μｍの略四角形に形成されている。
熱電対３１の後端の一対の端子は、プリント基板１７ａに形成された配線、ビア等を介してその上面の電極パッド１７ｅに電気的に接続されている。

プローブカード１７は、図１に示すように、カードフォルダー１９を介してクランプ２０に取り付けられる。さらに、プローブカード１７の電極パッド１７ｅは、フロッグリング１６の下面から突出した導電ピン１６ａに接続される。
筐体１２には、フロッグリング１６の導電ピン１６ａに電気的に接続されるパフォーマンスボード２１を有するテスターヘッド２３が取り付けられる。テスターヘッド２３は、図示しないが、その内部に複数のドライバ、コンパレータ、コンタクトピン等を有し、そのコンタクトピンはパフォーマンスボード２１のコンタクトピンに電気的に接続されている。

テスターヘッド２３は、信号線を有するケーブル２４を介して制御部１０に接続されている。これにより、制御部１０は、テスターヘッド２３、パフォーマンスボード２１、フロッグリング１６及びプローブカード１７、プローブ針１８を介して半導体装置２の電極パッド２ａに試験電圧、試験信号などを送信する一方、測定信号を受信する。測定結果は、制御部１０内の記憶装置に記録される。
また、制御部１０は、テスターヘッド２３、パフォーマンスボード２１、フロッグリング１６及びプローブカード１７を介して熱電対３１の端子に接続され、熱電対３１の先端に接続されたシリコン片３２の温度を測定する。

フロッグリング１６のうち、プローブカード１７の中央の開口部１７ｈの直上には、図２（ａ）に示すように、反射笠４１とハロゲンランプ４２を有する発光器４０が取り付けられている。
反射笠４１の反射面４１ａとして、例えばアルミニウム鏡又は金メッキ鏡の凹面鏡が形成され、開口部１７ｈに向けて配置されている。反射面４１ａの形状は、ハロゲンランプ４２から出射された光をプローブカード１７の開口部１７ｈに向けて反射する形状、例えば半楕円形状を有している。

ハロゲンランプ４２は、例えば図４の実線に示すように放射特性を有し、約１０００ｎｍにピークを有している。また、反射面４１ａがアルミニウム鏡である場合には、図４の一点鎖線に示すように約６００ｎｍ以上の光をほぼ反射する。また、反射面４１ａが金メッキ鏡である場合には、図４の破線に示すように少なくとも３００ｎｍ以上の光をほぼ反射する。

ハロゲンランプ４２は、図２（ｂ）に示すような同測型のプローブカード１７に対応す
るために、図５に示すように横長に置かれることが好ましい。ハロゲンランプ４２の大きさは、例えば１１０Ｖ、５００Ｗの場合に、直径約１４ｍｍ、全長９５ｍｍ程度である。
ハロゲンランプ４２の口金４２ａは、ソケット４３に嵌め込まれる。また、ソケット４３は配線４４に電気的に接続される。さらに配線４４は、フロックリング２６、パフォーマンスボード２１及びテスターヘッド２３、ケーブル２４内の配線等を通して制御部１０に電気的に接続される。これにより、ハロゲンランプ４２は、半導体装置２を試験する際に制御部１０により発光量が制御される。

制御部１０は、ＣＰＵ、記憶装置、操作部等を備え、一連の試験用処理を組み込んだプログラムにより動作するコンピュータを有しており、電気的特性試験に利用される信号の生成、解析に関係するテストシステムが構築されている。
即ち、試験システムとして電気的特性試験に関する各種の試験項目が記述されたプログラムに従って、信号伝達系を介し半導体装置２に対して電気的特性試験が実行される。

また、制御部１０は、熱電対３１を介してプローブ針１８に囲まれた領域の温度を測定し、さらに、測定データに基づいて発光器４０を制御して半導体装置２とプローブ針１８を所定温度に加熱、制御する。
所定温度、例えば約１００℃に加熱された半導体装置２の電極パッド２ａからの信号はプローブ針１８等を介して制御部１０が受信する。そして、制御部１０は、規格値、期待値等と比較するなどして機能の良、不良を判定し、さらに入出力信号、電源部分の電圧、電流などのアナログ値等の測定、解析を行う。
図１、図２に示す試験装置を使用して半導体装置２を試験する際には、まず、図１に示したカードフォルダー１９、クランプ２０を介してプローブカード１７をヘッドプレート１５に取り付ける。さらに、半導体ウエーハ１をウエーハチャック１４上に載せる。

また、フロックリング１６の導電ピン１６ａをプローブカード１７の電極パッド１７ｅに接続する。
これにより、プローブカード１７に接続されたプローブ針１８と熱電対３１は、それぞれフロックリング１６、パフォーマンスボード２１、テスターヘッド２３、ケーブル２４を介して制御部１０に電気的に接続される。

続いて、制御部１０からの信号に基づいてウエーハステージ１３の位置を調整する。そして、半導体ウエーハ１のうち最初に同時に測定しようとする複数の半導体装置２の電極パッド２ａにプローブ針１８を当てる。これにより、半導体装置２と制御部１０の間で信号等を送受信できる状態にする。
この状態では、熱電対３１の先端に取り付けられたシリコン片３２は、プローブカード１７の開口部１７ｈの直下であって電極パッド２ａに重ならない領域に位置する。

続いて、制御部１０は、発光器４０のハロゲンランプ４１を発光することにより、プローブカード１７の開口部１７ｈを通して、プローブ針１８が当てられた半導体装置２の上面と、プローブ針１８のうち開口部１７ｈの直下の部分に光を照射する。これにより、プローブ針１８と半導体装置２が所定温度に上昇する。その温度は、シリコン片３０を介して熱電対３１により測定され、測定結果に基づいて制御部１０によりハロゲンランプ３１から発光量が制御され、例えば１００℃に設定される。

半導体装置２は、例えば、シリコン基板を有し、シリコン基板の上には配線、絶縁膜等を含む積層構造膜が約１５μｍの厚さに形成されている。発光器４０による温度設定は、例えばシリコン基板のうち約２μｍの深さまでが対象となる。

半導体装置２の試験は、積層構造膜の上面からシリコン基板の深さ約２μｍまでの領域
が所定温度、例えば１００℃に達した状態で測定が開始される。半導体装置２のその加熱領域の設定温度は、熱電対３１の先端に取り付けられたシリコン片３２の表面温度を測定することにより、推定される。

シリコン片３２の測定温度とランプ加熱時間は、例えば図６に示す関係にあり、５００Ｗのハロゲンランプ４２により半導体装置２が１００℃に達する時間は約５秒であり、２５０Ｗのハロゲンランプ４２により半導体装置２が１００℃に達する時間は約４０秒である。温度調整は、熱電対３１を用いて検出した値に基づいて制御部１０がハロゲンランプ４２の発光時間、電流量等を調整することにより行われる。

ハロゲンランプ４２からの光は、測定時において、プローブ針１８の先端だけでなく、プローブカード１７の開口部１７ｈから露出した部分の全体に照射される。
これにより、同測型の試験装置において、プローブカード１７のプローブ針１８の一部が半導体ウエーハ１から外れた状態にあっても、全てのプローブ針１８は加熱状態となる。従って、次のステップでウエーハステージ１３を移動して測定対象とする半導体装置２を変更する場合でも、プローブ針１８は既に加熱された状態にあるため、半導体装置２の加熱だけが必要となり、加熱時間が短くなる。しかも、プローブ針１８は先端のみならず、半導体装置２から上方に離れた領域も加熱されるので、プローブ針１８により半導体装置２の温度が吸収されることが防止される。

ところで、半導体装置２とプローブ針１８のそれぞれの熱吸収率は、光の波長により異なる。例えば図７に示すように、シリコン基板、セラミック、プラスチック等は遠赤外領域で吸収率が高いのに対し、タングステン等の金属は１μｍ以下の波長領域の光の吸収率が高い。

そこで、図８に示すように、発光波長の異なる第１、第２のハロゲンランプ４５、４６を発光器４０内に取り付ける。これにより、半導体装置２とプローブ針１８のそれぞれの加熱を第１、第２のハロゲンランプ４５、４６により制御してもよい。例えば、発光波長が遠赤外線領域、例えば約５μｍの第１のハロゲンランプ４５と発光波長が可視領域、例えば１μｍの第２のハロゲンランプ４６を発光器４０に取り付ける。第１、第２のハロゲンランプ４５、４６はそれぞれ間隔を置いて反射笠４１の内側に平行に横向きに配置される。

これにより、第１のハロゲンランプ４５により半導体装置２を加熱制御する一方、第２のハロゲンランプ４６によりプローブ針１８を加熱制御する。
第１のハロゲンランプ４５による波長領域では半導体装置２の熱吸収率は図８に示すように約９０％と高いが、金属製のプローブ針１８の熱吸収率は約８％と極めて低い。これに対し、図８に示すように、第２のハロゲンランプ４６によれば、金属製のプローブ針１８の熱吸収率は約３５％と高い。

ウエーハステージ１３を移動して測定対象とする半導体装置２を変更する場合には、プローブ針１８は既に加熱された状態にある。しかし、新たにプローブ針１８が当てられた半導体装置２は非加熱状態にあるために、初期状態から昇温する必要があるが、半導体装置２は第１のハロゲンランプ４５により加熱効率が高いので所定の温度に到達する時間が短くなる。

これにより、半導体ウエーハ１に形成された複数の半導体装置２の試験開始から試験終了までの時間を従来よりも短縮することができる。

第１のハロゲンランプ４５のフィラメントは例えばタングステンから形成され、その発
光波長は約１μｍである。また、第２のハロゲンランプ４５では、透明なガラス管の内部に例えば極めて薄い炭化珪素、砂等のコーティング物質が塗布され、これにより出射される光の波長は３〜５μｍとなる。なお、コーティング物質としてシリカを用いることにより、発光波長を８〜１４μｍまで長くすることができ、これにより半導体装置２の熱吸収率をさらに高めることができる。

上記の試験装置に取り付けられるプローブカード１７は、同測型であり、図２（ｂ）に示す例では２つの半導体装置２に対応した測定領域１７ｇ、１７ｉが横方向に２つ並んでいる。しかし、同測のプローブカード１７は、測定領域を横に２つ並べた構造に限られるものではない。

例えば、図９（ａ）に示すように、斜め方向に配置した２つの測定領域１７ｄを囲むようにプローブ針１８の先端を配置した斜め２個同測型がある。或いは、図９（ｂ）に示すように、斜め方向に配置した４つの測定領域１７ｄを囲む位置に複数のプローブ針１８の先端を配置した斜め４個同測型などがある。
また、上記の試験装置は、同測型について説明したが、単測型、即ちプローブカード１７に１つの半導体装置だけを試験対象とするプローブ針を有するものであってもよく、単測型のプローブカードの開口部の上に上記の加熱器を取り付けてもよい。

ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈すべきであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解すべきである。

次に、本発明の実施形態について特徴を付記する。
（付記１）
試料載置ステージに対向して配置されるプローブカードと、
前記プローブカードの開口部の下側に配置される複数のプローブ針と、
前記複数のプローブ針の間の領域に配置される熱電対と、
前記プローブカードの前記開口部の下で前記熱電対の先端に接触して取り付けられる温度測定物と、
前記プローブカードの前記開口部の上方に配置されるランプを有する発光器と、
を有することを特徴とする測定装置。
（付記２）
前記ランプは、ハロゲンランプであることを特徴とする付記１に記載の測定装置。
（付記３）
前記ランプは、発光波長の異なる複数のハロゲンランプであることを特徴とする付記１に記載の測定装置。
（付記４）
前記複数のハロゲンランプは、発光波長が遠赤外線帯域の第１のハロゲンランプと、発光波長が１μｍ以下の第２のハロゲンランプであることを特徴とする付記３に記載の測定装置。
（付記５）
前記加熱器内には、前記ランプの上に反射笠が配置されていることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１つに記載の測定装置。
（付記６）
前記ハロゲンランプの測面は、前記プローブカードの上に対向する位置に配置されることを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１つに記載の測定装置。
（付記７）
前記温度測定対象物は、シリコン片であることを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１つに記載の測定装置。
（付記８）
前記複数のプローブ針は、複数の領域を囲む位置に配置されることを特徴とする付記１乃至付記７のいずれか１つに記載の測定装置。
（付記９）
前記領域は、半導体装置を配置する領域であることを特徴とする付記８に記載の測定装置。

１ 半導体ウエーハ
２ 半導体装置
２ａ 電極パッド
１０ 制御部
１１ ウエーハプローバ
１３ ウエーハステージ
１４ ウエーハチャック
１６ フロックリング
１７ プローブカード
１８ プローブ針
２１ パフォーマンスボード
２３ テスターヘッド
２４ ケーブル
３１ 熱電対
３２ シリコン片
４０ 発光器
４１ 反射笠
４２、４５、４６ ハロゲンランプ

Claims (4)

1. 試料載置ステージに対向して配置されるプローブカードと、
   前記プローブカードの開口部の下側に配置される複数のプローブ針と、
   前記複数のプローブ針の間の領域に配置される熱電対と、
   前記プローブカードの前記開口部の下で前記熱電対の先端に接触して取り付けられる温度測定物と、
   前記プローブカードの前記開口部の上方に配置されるランプを有する発光器と、
   を有することを特徴とする測定装置。
2. 前記ランプは、ハロゲンランプであることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記ランプは、発光波長の異なる複数のハロゲンランプであることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
4. 前記複数のプローブ針は、複数の領域を囲む位置に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の測定装置。

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