JP2011069759A - プローブカード用基板，プローブカードおよびこれを用いた半導体ウエハ検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 貫通孔が増えてもプローブを固定するための基板の変形が少なく、プローブが半導体チップとなる部分の電気的特性を正確に測定することができるようにするためのプローブカード用基板，プローブカードおよびこれを用いた半導体ウエハ検査装置を提供する。
【解決手段】 酸化アルミニウムの含有量が98.5質量％以上のセラミックスからなり、セラミックスは、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムを含み、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの合計100質量％に対して、酸化カルシウムおよび酸化珪素の含有量はそれぞれ20質量％以上37.5質量％以下であって残部が酸化マグネシウムであるとともに、酸化アルミニウムの平均結晶粒径が2.5μｍ以下（但し、０μｍを除く。）であるプローブカード用基板である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体ウエハに形成された回路の検査に用いられるプローブカードを構成するプローブカード用基板およびこのプローブカード用基板を用いたプローブカードならびにこのプローブカードを用いた半導体ウエハ検査装置に関する。

ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置），ＭＰＵ（Micro Processor Unit：超小型演算処理装置）やフラッシュメモリ等に用いられる半導体ウエハに形成された回路の検査は、高温に加熱した状態でプローブカードを用いて行なわれる。

図４は従来のプローブカードを示す断面図である。

図４に示すプローブカード800は、配線パターン310が形成されたガラスエポキシ系樹脂からなるプリント基板300と、プリント基板300に取り付けられるプローブ100とを備えたものである。プリント基板300の下面側には、セラミックスからなる保持部材240が取り付けられ、この保持部材240の内部に形成された傾斜面241にシリコンウエハ600の電気的特性を測定するプローブ100が片持梁状に保持されている。プローブ100の先端は下向きに折り曲げられており、シリコンウエハ600を分割するＬＳＩ（Large Scale Integration：大規模集積回路）チップ610の電極611に対応するように位置決めされている。

また、プリント基板300の内部にはスルーホール210が形成され、プローブ100とコネクタ端子320とがスルーホール210の内部およびプリント基板300の表面に形成された配線パターン310を介して接続されている。また、シリコンウエハ600は、ＬＳＩチップ610の検査が高温下でもできるように、ヒーター710が内蔵された真空チャック700上に載置されている。

半導体製造装置の性能が飛躍的に向上しつつある現在、ＬＳＩチップ610は高集積化し、隣り合う電極611の間隔は狭くなりつつある。このようなＬＳＩチップ610の高集積化に対応して、プローブ100の本数を増やさなければならないが、このような片持梁状に保持されたプローブ100を用いたプローブカード800では構造上、プローブ100の本数の増加に十分対応することができなかった。

そこで、このようなＬＳＩチップ610は高集積化の対応ができるように、超小型電子機械式システム（Micro Electro Mechanical System）の構築に用いられる微細加工技術を導入した、ＭＥＭＥＳ型プローブカードが用いられるようになっている。

このようなＭＥＭＥＳ型プローブカードは、例えば特許文献１で提案されており、図５は特許文献１に記載されているプローブカードの部分断面図である。

このようなプローブカードを構成するプローブユニット800は、多層配線基板300の下面に取り付けられたプローブ固定板240と、プローブ固定板240の周縁に沿って取り付けられたフレーム270と、フレーム270によって包囲された弾性体260と、先端が弾性体260を厚さ方向に貫通し、後端がプローブ固定板240に固定された複数の直線状のプローブ線材100とにより構成されている。

弾性体260から突出したプローブ線材100の先端は電極612を押圧するプローブとして機能する。

多層配線基板300には、詳しくは図示しないが、各プローブ線材100に対応した複数の配線層が形成されており、各配線層に各プローブ線材100の後端が電気的に接続されている。多層配線基板300は、例えばポリイミド積層基板によって形成される。

プローブ固定板240およびフレーム270は、例えばセラミックス、プラスチック等の絶縁性で硬質の材料によって形成されている。プローブ固定板240には、各プローブ線材100が貫通する複数の貫通孔241が形成されており、各プローブ線材100はこの貫通孔241でプローブ固定板240に固着されている。フレーム270は、帯形状の部材によりプローブ固定板240の周縁を囲むように形成されている。

弾性体260は、絶縁性と弾性とを有するとともに、後述するプローブ線材100のタングステンあるいはハイス鋼線との間で大きな親和性を有しない材料、例えばシリコンーゴムによって形成されており、厚さが例えば５〜50ｍｍ程度であって、プローブ固定板240とフレーム270とに包囲されている。弾性体260は、通常、熱膨張係数が大きく位置精度を確保しにくいが、フレーム270が弾性体260の外形を規制することで、電極612に対する相対位置を精度良く保っている。電極612はアルミニウムを主成分として形成されており、例えばＩＣチップ611の両端に一定間隔で複数個配列され、ＩＣチップ611はシリコンウエハ600に作り込まれている。なお、弾性体260は、エチレンプロピレンゴム等のゴム材で形成してもよい。

プローブ線材100は、直径が例えば20〜100μｍ程度のタングステン線材によって形成されており、弾性体260を厚さ方向（垂直方向）に貫通して、先端が突き出ている。弾性体260を形成するシリコンーゴムと、プローブ線材100を形成するタングステンとの間の親和性は小さく、両者は物理的／化学的に強く結合されることはないので、プローブ線材100は先端が電極612を押圧したとき、円滑に弾性変形することができる。

アルミニウムで形成された電極612の表面は酸化され、薄い酸化皮膜（アルミナ皮膜）612ａが形成されている。

プローブ線材100の先端は、電極612の表面を押圧したとき、硬質な酸化皮膜612ａを破壊するだけの機械的強度を有する。

特開2004−347427号公報

特許文献１に記載されたプローブカードは、隣接するプローブ間の相互干渉がなく、電極612に対して大きな押圧力を発することができるものの、プローブ固定板240の具体的な材質が示されていないことから、プローブの本数の増加に伴って、貫通孔241が増えるとプローブ固定板240は材質によっては剛性が不十分なために変形しやすく、プローブはこの変形の影響を受けてＩＣチップ611の電気的特性を正確に測定することが難しくなるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、プローブを挿入するための貫通孔241が増えてもプローブを固定するための基板の変形が少なく、プローブがＬＳＩチップ、ＩＣチップ等の半導体チップの電気的特性を正確に測定することができるようにするためのプローブカード用基板，およびこのプローブカード用基板を用いたプローブカードならびにこのプローブカードを用いた半導体ウエハ検査装置を提供することを目的とするものである。

本発明のプローブカード用基板は、酸化アルミニウムの含有量が98.5質量％以上のセラミックスからなり、該セラミックスは、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムを含み、前記酸化カルシウム，前記酸化珪素および前記酸化マグネシウムの合計100質量％に対して、前記酸化カルシウムおよび前記酸化珪素の含有量はそれぞれ20質量％以上37.5質量％以下であって残部が前記酸化マグネシウムであるとともに、前記酸化アルミニウムの平均結晶粒径が2.5μｍ以下（但し、０μｍを除く。）であることを特徴とするものである。

また、本発明のプローブカード用基板は、上記構成において、前記セラミックスは、酸化クロムおよび酸化コバルトを含むことを特徴とするものである。

また、本発明のプローブカード用基板は、上記構成のいずれかにおいて、表面に存在する気孔の面積占有率が２％以下であることを特徴とするものである。

また、本発明のプローブカードは、上記構成のいずれかにおいて、プローブカード用基板と、該プローブカード用基板に取り付けられたプローブとを備えてなることを特徴とするものである。

また、本発明の半導体ウエハ検査装置は、プローブカードを用いたことを特徴とするものである。

本発明のプローブカード用基板によれば、酸化アルミニウムの含有量が98.5質量％以上のセラミックスからなり、セラミックスは、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムを含み、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの合計100質量％に対して、酸化カルシウムおよび酸化珪素の含有量はそれぞれ20質量％以上37.5質量％以下であって残部が酸化マグネシウムであるとともに、酸化アルミニウムの平均結晶粒径が2.5μｍ以下（但し、０μｍを除く。）であることから、異常に粒成長した結晶粒子が含まれないため、結晶粒径のばらつきが小さくなることと併せて、セラミックスのかさ密度が高くなるので、剛性が高くなり、プローブを挿入するための貫通孔が増えてもプローブカード用基板の変形が少なく、半導体チップの電気的特性を正確に測定することができる。また、プローブカード用基板に繰り返し熱が加えられ、この熱応力に伴ってクラックが発生したとしても、剛性が高いので、クラックは進展しにくく、クラックの周辺から殆ど脱粒することがなくなるため、半導体チップの損傷を抑制することができる。

また、本発明のプローブカード用基板によれば、セラミックスは、酸化クロムおよび酸化コバルトを含むときには、表面を紫色，青色または黒色等の暗色にすることができる。従って、半導体ウエハの位置を検出するために半導体ウエハに光ビームを照射すると、半導体ウエハから反射してきた一部の光ビームがプローブカード用基板の表面に入射しても、その表面から反射する光が表面が白色である場合に比べて減少するので、半導体ウエハの所定位置を自動的に検出するためのオートアライメント手段は半導体ウエハの所定位置を正確に検出することができる。また、表面が暗色であると、レーザ光をよく吸収するため、その製造工程でレーザ光を用いてプローブカード用基板を加工する場合には、その加工を容易にすることができる。併せて、酸化クロムおよび酸化コバルト等の着色剤が僅かな量で表面を着色することができるので、多量の着色剤で表面を着色する場合よりも絶縁性が低下しにくくなり、絶縁性に対する信頼性が損なわれにくくなる。

また、本発明のプローブカード用基板によれば、表面に存在する気孔の面積占有率が２％以下であるときには、表面における破壊源が減少するため、さらに剛性を高めることができる。

また、本発明のプローブカードによれば、本発明のプローブカード用基板と、該プローブカード用基板に取り付けられたプローブとを備えてなることから、高温状態における検査の際に、電極と、変形に伴って発生するプローブとの位置ずれが生じることが少ないので、半導体チップの電気的特性の検査を正確に行なうことができる。

また、本発明の半導体ウエハ検査装置によれば、本発明のプローブカードを用いたことから、半導体チップの電気的特性を正確に検査できる優れた半導体ウエハ装置とすることができる。

本発明のプローブカード用基板の実施の形態の一例を示す平面図である。 本発明のプローブカードを用いた半導体ウエハ検査装置の実施の形態の一例を示す、（ａ）は半導体チップを検査していない状態における部分断面図であり、（ｂ）は半導体チップを検査している状態における部分断面図である。 本発明のプローブカードを用いた半導体ウエハ検査装置の他の実施の形態の例を示す断面図である。 従来のプローブカードを示す断面図である。 従来のプローブカードを示す部分断面図である。

以下、半導体ウエハに形成された回路の検査に用いられるプローブカードを構成する本発明のプローブカード用基板およびプローブカード用基板を用いたプローブカードならびにこのプローブカードを用いた半導体ウエハ検査装置の実施の形態の例について説明する。

図１は、本発明のプローブカード用基板の実施の形態の一例を示す平面図である。

このプローブカード用基板１は、円板状であって、その外周側には、支持部材に固定するためのピン等の固定部材（図示しない）を通す取付孔２と、この取付孔２の位置より内側に半導体ウエハが分割されたときに半導体チップとなる部分の電気的特性の検査に用いられるプローブを挿入するための貫通孔３とを備えている。なお、本例では、外形形状が円板状のプローブカード用基板１を示したが、その形状は、半導体チップに配列される電極の位置に応じて、角板状など適宜変更が可能である。また、取付孔２および貫通孔３についても、その配置や大きさは、固定場所や半導体チップに配列される電極の位置に応じて適宜変更が可能である。

そして、本発明のプローブカード用基板１は、酸化アルミニウムの含有量が98.5質量％以上のセラミックスからなり、このセラミックスは、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムを含み、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの合計100質量％に対して、酸化カルシウムおよび酸化珪素の含有量はそれぞれ20質量％以上37.5質量％以下であって残部が酸化マグネシウムであるとともに、酸化アルミニウムの平均結晶粒径が2.5μｍ以下（但し、０μｍを除く。）であることが重要である。

ここで、酸化アルミニウムの含有量が98.5質量％以上のセラミックスでプローブカード用基板１を形成したのは、酸化アルミニウムの含有量が98.5質量％未満では、プローブカード用基板１に要求される特性の一つである剛性が不足するからである。

そして、焼結助剤として含ませる酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの含有量がプローブカード用基板１の剛性に影響を与えることを見出し、本発明のプローブカード用基板１では、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの合計100質量％に対して、酸化カルシウムおよび酸化珪素の含有量はそれぞれ20質量％以上37.5質量％以下であって残部を酸化マグネシウムとすることにより、プローブカード用基板１の剛性を高められることを突き止めたのである。

つまり、酸化カルシウムおよび酸化珪素の含有量がそれぞれ20質量％以上37.5質量％以下であって残部が酸化マグネシウムであることにより、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスのかさ密度が高くなり、剛性を高めることができる。従って、プローブを挿入するための貫通孔３が増えてもプローブカード用基板１の変形が少なく、半導体チップとなる部分の電気的特性を正確に測定することができる。また、プローブカード用基板１に繰り返し熱が加えられ、この熱応力に伴ってクラックが発生したとしても、剛性が高いので、クラックは進展しにくく、クラックの周辺からほとんど脱粒することがなくなるため、半導体チップの損傷を抑制することができる。

また、酸化カルシウムが20質量％以上37.5質量％以下であることにより、焼結の過程で酸化カルシウムは酸化アルミニウムと反応して粒界相にアルミン酸カルシウムを生成する。このアルミン酸カルシウムの一部は酸化アルミニウムと共融物を生成することによって焼結を促進し、残りのアルミン酸カルシウムは酸化アルミニウムの結晶粒子を取り囲んで、酸化アルミニウムの結晶粒子同士の接触を抑制することで、酸化アルミニウムの結晶粒子の異常な粒成長を防止し、機械的特性の低下を防ぐことができる。

一方、酸化カルシウムの含有量が20質量％未満では、プローブカード用基板１を形成するセラミックスのかさ密度を上げることが困難となる。また、酸化カルシウムの含有量が37.5質量％を超えると、β型アルミナの一種であり、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス中の酸化カルシウム（ＣａＯ）と酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）とが１：６の比率で結合することで生成されるアスペクト比の高い柱状のヒボナイト（ＣａＡｌ_１２Ｏ_１９）が多く析出し、プローブカード用基板１の剛性を高めることが困難となる。また、このヒボナイトの含有量が多くなるとセラミックスの強度が低下するため、セラミックス100質量％に対して0.04質量％以下であることが好適である。

ここで、ヒボナイトの含有量の測定方法は、以下のようにして求めることができる。まず、プローブカード用基板１の表面または断面から200μｍ×200μｍの観察領域を10カ所とり、エネルギー分散型Ｘ線分光分析法を用いて各観察領域におけるヒボナイト結晶を特定する。次に、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡を用いて各観察領域に占めるヒボナイト結晶のそれぞれの面積比率を求め、これら面積比率の平均値を算出して平均面積比率を得る。この平均面積比率を平均体積比率とみなし、得られた平均体積比率にヒボナイトの理論密度（3.784ｇ／ｃｍ^３）を積算することで、ヒボナイト結晶の含有量（質量％）とすればよい。

また、酸化珪素が20質量％以上37.5質量％以下であることにより、焼結の過程で酸化珪素は酸化アルミニウムと反応して粒界相にムライトおよび液相を生成する。この液相は焼結を促進するとともに、酸化アルミニウムの結晶粒子同士の接触を抑制することで、酸化アルミニウムの結晶粒子の異常な粒成長を防止し、機械的特性の低下を防ぐことができる。

また、酸化珪素の含有量が20質量％未満または37.5質量％を超えると、プローブカード用基板１を形成するセラミックスのかさ密度を上げることが困難となり、プローブカード用基板１の剛性を高めることが困難となる。

また、残部を酸化マグネシウムを用いたことにより、焼結の過程で酸化マグネシウムは酸化アルミニウムと反応して粒界相にアルミン酸マグネシウムを生成する。このアルミン酸マグネシウムの一部は酸化アルミニウムと共融物を生成することによって焼結を促進し、残りのアルミン酸マグネシウムは酸化アルミニウムの結晶粒子を取り囲んで、酸化アルミニウムの結晶粒子同士の接触を抑制することで、酸化アルミニウムの結晶粒子の異常な粒成長を防止し、機械的特性の低下を防ぐことができる。

なお、プローブカード用基板１を形成するセラミックスの主成分である酸化アルミニウムおよび添加成分である酸化カルシウム，酸化珪素ならびに酸化マグネシウムの各含有量は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分析法により求めることができる。具体的には、前処理としてプローブカード用基板１の一部を超硬乳鉢にて粉砕した試料にホウ酸および炭酸ナトリウムを加えて融解する。そして、放冷した後に塩酸溶液にて溶解し、溶解液をフラスコに移して水で標線まで薄めて定容とし、検量線用溶液とともにＩＣＰ発光分析装置で測定することにより、Ａｌ，Ｃａ，ＳｉおよびＭｇの各含有量を求めることができる。この値を基にそれぞれ酸化物へ換算することにより、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化珪素（ＳｉＯ_２）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の含有量を求めることができる。または、Ｃａ，ＳｉおよびＭｇの各含有量を測定して、それぞれ酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムに換算し、100質量％から酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの含有量を引いた値を酸化アルミニウムの含有量としてもよい。

また、このセラミックスに含まれる不可避不純物としては、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ），酸化チタン（ＴｉＯ_２），酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５），酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３），酸化硼素（Ｂ_２Ｏ_３），酸化リチウム（Ｌｉ_２Ｏ），酸化ウラン（ＵＯ_２），酸化トリウム（ＴｈＯ_２）などが挙げられ、酸化ナトリウムおよび酸化チタンは、それぞれ0.09質量％以下、酸化ニオブおよび酸化イットリウムは、それぞれ0.04質量％以下、酸化硼素は0.004質量％以下、酸化リチウムは0.001質量％以下、酸化ウランおよび酸化トリウムはそれぞれ45質量ｐｐｂ以下であることが好適である。これらの酸化ウランおよび酸化トリウムを除く不可避不純物は、前述同様のＩＣＰ発光分析法で測定することができる。酸化ウランおよび酸化トリウムは、波長分散型全反射蛍光Ｘ線分析法で測定することができる。

また、本発明のプローブカード用基板１を形成するセラミックスは、酸化アルミニウムを構成する結晶粒子の平均結晶粒径の大きさによって、剛性が異なる。この平均結晶粒径が小さければ、異常に粒成長した結晶粒子が含まれず、結晶粒径のばらつきが小さくなるためセラミックスの剛性は高くなり、平均結晶粒径が大きいと異常に粒成長した結晶粒子が含まれるため、セラミックスの剛性は低くなる。

このような観点から、本発明のプローブカード用基板１は、酸化アルミニウムの平均結晶粒径が2.5μｍ以下（但し、０μｍを除く。）であることが重要である。酸化アルミニウムの平均結晶粒径が2.5μｍ以下（但し、０μｍを除く。）であれば、異常に粒成長した結晶粒子が含まれていないため、プローブカード用基板１を形成するセラミックスの剛性を高くすることができる。なお、この平均結晶粒径の測定は、ＪＩＳ Ｒ 1670−2006に準拠して求めることができる。

また、本発明のプローブカード用基板１は、セラミックスが酸化クロムおよび酸化コバルトを含むことが好適である。セラミックスが酸化クロムおよび酸化コバルトを含むときには、表面を紫色，青色または黒色等の暗色にすることができる。従って、半導体ウエハの位置を検出するために半導体ウエハに光ビームを照射すると、半導体ウエハから反射してきた一部の光ビームがプローブカード用基板１の表面に入射しても、その表面から反射する光が表面が白色である場合に比べて減少するので、半導体ウエハの所定位置を自動的に検出するためのオートアライメント手段は半導体ウエハの所定位置を正確に検出することができる。また、表面が暗色であると、レーザ光をよく吸収するため、レーザ光を用いてプローブカード用基板１を加工する場合には、その加工を容易にすることができる。併せて、酸化クロムおよび酸化コバルト等の着色剤が僅かな量で表面を着色することができるので、多量の着色剤で表面を着色する場合よりも絶縁性が低下しにくくなり、絶縁性に対する信頼性が損なわれにくくなる。

なお、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）および酸化コバルト（ＣｏＯ）を併せて、その酸化クロムおよび酸化コバルトの含有量の比率を８：２〜９：１にすることで、ＣＩＥ1976Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間における明度指数Ｌ＊が52以上58以下であり、クロマティクネス指数ａ＊およびｂ＊がそれぞれ1.5以上1.8以下および−7.6以上−6.8以下である紫色を呈することができる。

ここで、明度指数Ｌ＊とは色調の明暗を示す指数であり、明度指数Ｌ＊の値が大きいと色調は明るく、明度指数Ｌ＊の値が小さいと色調は暗くなる。また、クロマティクネス指数ａ＊は色調の赤から緑の度合いを示す指数であり、ａ＊の値がプラス方向に大きいと色調は赤色になり、その絶対値が小さくなるにつれて色調は鮮やかさに欠けたくすんだ色調になり、ａ＊の値がマイナス方向に大きいと色調は緑色になる。さらに、クロマティクネス指数ｂ＊は色調の黄から青の度合いを示す指数であり、ｂ＊の値がプラス方向に大きいと色調は黄色になり、その絶対値が小さくなるにつれて色調は鮮やかさに欠けたくすんだ色調になり、ｂ＊の値がマイナス方向に大きいと色調は青色になる。

併せて、酸化クロムおよび酸化コバルトの含有量の比率（酸化クロム：酸化コバルト）を８：２〜９：１にすることによって、以下の式（Ａ）で規定される色調感の差である色差（△Ｅ＊ａｂ）を２以下にすることができ、反射した光ビームが散乱されにくくなる。
△Ｅ＊ａｂ＝（（△Ｌ＊）^２＋（△ａ＊）^２＋（△ｂ＊）^２））^１／２・・・（Ａ）
また、プローブカード用基板１の表面に存在する気孔の面積占有率が、プローブカード用基板１の剛性に影響を与えるため、本発明のプローブカード用基板１は、表面に存在する気孔の面積占有率が２％以下であることが好ましい。この表面に存在する気孔の面積占有率が２％以下であれば、表面における破壊源が減少するのでさらに剛性を高めることができる。

ここで、プローブカード用基板１の剛性は、動的弾性率によって評価することででき、この動的弾性率は、ＪＩＳ Ｒ 1602−1995に規定される超音波パルス法に準拠して求めればよい。なお、プローブカード用基板１が薄く、JＩＳ Ｒ 1602−1995に準拠した試験片の形状および寸法とすることができないときには、プローブカード用基板１から切り出した試験片の形状および寸法における動的弾性率を求めればよい。

また、表面に存在する気孔の面積占有率は、以下のようにして求めればよい。まず、プローブカード用基板１の一部を切り出し、算術平均高さＲａが0.1μｍ以下となるように表面を研磨した後、金属顕微鏡を用いて、倍率を200倍にしてＣＣＤカメラで画像を取り込み、画像解析装置（（株）ニレコ製 ＬＵＺＥＸ−ＦＳ等）により画像内の１視野の測定面積を2.25×10^−２ｍｍ^２，測定視野数を20個，つまり測定総面積が4.5×10^−１ｍｍ^２における開気孔の開口面積を求めて測定総面積における割合を気孔の面積占有率とすればよい。

図２は、本発明のプローブカードを用いた半導体ウエハ検査装置の実施の形態の一例を示す、（ａ）は半導体チップを検査していない状態における部分断面図であり、（ｂ）は半導体チップを検査している状態における部分断面図である。

図２に示す本発明のプローブカードを用いた半導体ウエハ検査装置15は、本発明のプローブカード用基板１と、プローブカード用基板１に取り付けられたプローブ５とを備えてなる本発明のプローブカードを用いたものである。

図２に示すプローブカード用基板１は、支持部材４に取り付けられ、支持部材４の反対側では、プローブ５を挿入する貫通孔３を備えたプローブカード用基板１の周縁に沿って取り付けられたフレーム６によって包囲され、プローブ５を挿入する連通孔７を備えた弾性体８が当接する。プローブ５が長手方向とほぼ垂直な方向へ湾曲すると、弾性体８は変形し、湾曲によって生じたプローブ５の曲げ応力は、変形によって生じた弾性体８の弾性力によって増強され、半導体ウエハ９上に形成された電極10に対して大きな押圧力を付与する。なお、電極10はアルミニウムを主成分として形成されており、半導体ウエハ９を分割したあとで形成される半導体チップ11の両端に一定間隔で複数個配列される。

また、半導体ウエハ検査装置15は、半導体ウエハ９を吸引して固定する真空チャック12と、真空チャック12を保持するステージ14とを有している。そして、真空チャック12には、半導体ウエハ９を加熱するヒーター13が内蔵されている。

支持部材４は、詳しくは図示しないが、各プローブ５に対応した複数の配線層が形成された多層配線基板からなり、各配線層に各プローブ５の後端が電気的に接続されている。支持部材４は、例えば酸化アルミニウム，窒化アルミニウムおよび窒化珪素のいずれかを主成分とするセラミックスまたはポリイミド等の樹脂で形成される。

フレーム６は、環状の部材によりプローブカード用基板１の周縁を囲むように、例えばセラミックス、プラスチック等で形成されている。

弾性体８は、厚さが例えば５ｍｍ以上50ｍｍ以下であって、絶縁性および弾性を有するとともに、プローブ５を形成するタングステン，タンタル，ニッケルまたは高速度鋼（high-speed steel）との間で大きな親和性を有しない材料、例えばシリコンーゴムまたはエチレンプロピレンゴムによって形成され、プローブカード用基板１とフレーム６とに包囲されている。弾性体８は、通常、熱膨張係数が大きく熱の影響を受けやすいため、フレーム６が弾性体８の外形を規制することで、熱が与えられても電極10に対する相対的な位置精度が確保できるようにされている。

プローブ５は、直径が例えば20μｍ以上100μｍ以下のタングステン，タンタル，ニッケルまたは高速度鋼によって形成されており、弾性体８中の連通孔７を通つて、先端が弾性体８から突き出ている。弾性体８を形成するシリコンーゴムと、プローブ５を形成するタングステン，タンタル，ニッケルまたは高速度鋼との間の親和性は小さく、両者は物理的にも化学的にも強く結合されることはないので、プローブカード用基板１が電極10に接触し、押圧したとき、容易に弾性変形する。電極10がアルミニウムを主成分とする場合、その表面は酸化され、薄い酸化皮膜10ａが形成されるが、プローブ５が電極10を押圧したとき、酸化皮膜10ａを破壊するだけの機械的強度を有する。

ところで、プローブ５が電極10を押圧するとき、図２（ｂ）に示すように、その先端は電極10の表面に接してから電極10を押圧する。プローブ５は、電極10からの応力に抗して直線状の形状を保つだけの機械的強度を有さないので、弾性体８に遊貫した部位において長手方向とほぼ垂直な方向へ湾曲する。このとき、プローブ５の湾曲した部分は長手方向に50μｍ〜100μｍ程度変位する。

またプローブ５は、長手方向とほぼ垂直な方向へ湾曲するときに、例えば、図２（ｂ）で示した矢印方向の弾性力に抗して弾性体８を変形させる。このとき、プローブ５は、弾性体８の弾性力により僅かに変形する。そして、プローブ５の曲げ応力は弾性体８の弾性力によって増強され、プローブ５および弾性体８が一体となって電極10に対して大きな押圧力を与えることができる。その結果、プローブ５は容易に酸化皮膜10ａを破壊することが可能となり、半導体チップ11となる部分の電気的特性を正確に測定することができる。

図３は、本発明のプローブカードを用いた半導体ウエハ検査装置の他の実施の形態の例を示す断面図である。

図３に示す本発明の半導体ウエハ検査装置15は、本発明のプローブカード用基板１と、プローブカード用基板１に取り付けられたプローブ５とを備えてなる本発明のプローブカードを用いたものである。

図３に示すプローブカードは、多層配線基板からなる支持部材４に、先端が伸縮可能なポゴピン16を介して取り付けられ、プローブ５間の間隔（ピッチ）を変換するためのピッチ変換用基板17と、ピッチ変換用基板17にはんだバンプ18などによって固定され、電気的に接続されているプローブ支持基板19と、プローブ支持基板19の貫通孔３に挿入されているプローブ５とを備えている。

図３に示す本発明のプローブカード用基板１は、ピッチ変換用基板17およびプローブ支持基板19の少なくともいずれかであり、ピッチ変換用基板17には、表層および内部にプローブ５と電気的に接続する配線パターンが形成されており、ピット変換用基板17を配置することにより、例えばプローブ間の間隔（ピッチ）を30μｍ以上50μｍ以下に狭くすることができる。

なお、図３に示す本発明の半導体ウエハ検査装置15では、支持部材４が樹脂で形成され、プローブカード支持基板19が本発明のプローブカード用基板からなるときには、ピッチ変換用基板17は、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムからなる化合物を主成分とし、この化合物における酸化アルミニウムの含有量が９質量％以上41質量％以下である複合セラミックスで形成してもよい。

例えば、支持部材４がガラス不織布の織り込まれたエポキシ樹脂で、−40℃〜150℃における熱膨張係数は7.5×10^−６／℃以上9.5×10^−６／℃以下であるとき、ピッチ変換用基板17の複合セラミックスが酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムからなる化合物を主成分とし、化合物におけるアルミナの含有量を９質量％以上41質量％以下とすることによって、−40℃〜150℃における複合セラミックスの熱膨張係数を7.5×10^−６／℃以上9.5×10^−６／℃以下とすることができるため、高温に加熱した状態における半導体チップ11とな部分の電気的特性の検査において、半導体ウエハ９，プローブカード支持基板19，ピッチ変更用基板17および支持部材４の各部材間で生じる熱膨張の差を抑制することができるので、プローブ５と電極10との位置ずれが生じるのを少なくすることができる。

なお、複合セラミックスの主成分である酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムは、Ｘ線回折法を用いて同定することができる。また、含有量については、具体的には複合セラミックス中のＡｌおよびＺｒの各含有量を蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ発光分析法により求め、この各含有量をそれぞれ酸化物であるＡｌ_２Ｏ_３およびＺｒＯ_２に換算することにより求めることができ、合算した量が主成分量である。

次に、本発明のプローブカード用基板１を得るための製造方法について説明する。

まず純度が99.9％以上で、平均粒径が0.5μｍ以上1.3μｍ以下の酸化アルミニウムの粉末と、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの各粉末とを用意する。そして、酸化アルミニウムの含有量が98.5質量％以上であり、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの各粉末の合計100質量％に対して、酸化カルシウムおよび酸化珪素の含有量がそれぞれ20質量％以上37.5質量％以下であって残部が酸化マグネシウムとなるように秤量した混合粉末を水などの溶媒ともに回転ミルに投入して、純度が99.5％以上99.99％以下の酸化アルミニウムからなるセラミックスボールで混合を行なう。

なお、本発明のプローブカード用基板１の表面を着色する場合には、上記混合粉末の一部が酸化クロムおよび酸化コバルトであってもよく、酸化クロムおよび酸化コバルトの各含有量は、混合粉末100質量％に対して、例えば、0.8質量％以上0.9質量％以下，0.1質量％以上0.2質量％以下である。

次に、ポリビニルアルコール，ポリエチレングリコールやアクリル樹脂などの成形用バインダを溶媒に添加した後、混合してスラリーを得る。ここで、成形用バインダの添加量は混合粉末100質量％に対して合計２質量％以上10質量％以下とする。成形用バインダの添加量が２質量％未満であれば、成形体に求められる強度や可とう性が得られず脆い成形体となる。また、成形用バインダの添加量が10質量％を超えると焼成でバインダが焼失しにくくなり、クラックなどの不具合が出るおそれが高くなる。成形用バインダの添加量を混合粉末100質量％に対して合計２質量％以上10質量％以下とすることにより、成形体に求められる強度や可とう性が得られ、クラックなどの不具合が発生しにくい成形体を得ることができる。

次に、混合粉末，成形用バインダ等を混合したスラリーをドクターブレード法によってシートを成形し、所定形状の金型でこのシートを打ち抜く、またはレーザ加工を施すことにより、取付孔２および貫通孔３が形成された成形体とすることができる。

また、必要に応じて、切削加工，レーザ加工等によりシートを各種形状、例えば円板状や角板状にすればよい。そして、各種形状に加工された成形体を焼成炉に入れて、1550℃以上1650℃以下として２時間以上４時間以下で焼成することにより、例えば、図１に示すプローブカード用基板１を得ることができる。また、1600℃以上1650℃以下として２時間以上４時間以下で焼成することにより、表面に存在する気孔の面積占有率を２％以下とすることができる。

また、半導体ウエハ９を吸引して固定する真空チャック12と、真空チャック12を保持するステージ14とを有し、本発明のプローブカードを用いることにより、本発明の半導体ウエハ検査装置15とすることができる。その結果、半導体チップ11の高集積化に伴って、プローブ５を挿入するための貫通孔３が増えても、プローブカード支持基板19およびピッチ変更用基板17の少なくともいずれかは、変形が少ない本発明のプローブカード用基板１を用いているので、プローブ５は半導体チップ11となる部分の電気的特性を正確に測定することができる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

まず、平均粒径が表１に示す酸化アルミニウムの粉末と、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの各粉末とを用意した。そして、表１に示す含有量のセラミックスとなるように秤量した混合粉末を溶媒である水とともに回転ミルに投入して、純度が99.5％の酸化アルミニウムからなるセラミックスボールで３時間混合した。

次に、成形用バインダとして、ポリビニルアルコール，ポリエチレングリコールおよびアクリル樹脂を混合粉末100質量％に対して合計６質量％となるように添加した後、混合してスラリーを得た。そして、このスラリーを用いてドクターブレード法によりシートを成形し、所定形状の金型でこのシートを打ち抜くことにより、取付孔２および貫通孔３が形成された成形体を得た。次に、この成形体を焼成炉に入れた後、試料Ｎｏ．42，49，56については1580℃，試料Ｎｏ．41，48，55については1590℃，その他の試料については1650℃の焼成温度で３時間保持することにより、厚みが1.0ｍｍで直径が310ｍｍの本発明のプローブカード用基板１である試料Ｎｏ．７〜11，22〜56を得た。

表１に示すように含有量や酸化アルミニウムの平均結晶粒径が本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１〜６，12〜21についても上述した方法と同様の方法で作製した。なお、焼成温度は1650℃として、３時間保持した。

そして、それぞれの試料の各成分の含有量については、ＩＣＰ発光分析法により求めた。測定方法としては、まず、前処理として、焼成したプローブカード用基板１の一部を超硬乳鉢にて粉砕した。次に、白金るつぼにホウ酸（Ｍｅｒｃｋ製 純度99.9999％）２ｇを入れてバーナーにて加熱し、ガラス状に融解させ放冷した後に、試料0.1ｇおよび炭酸ナトリウム（Ｍｅｒｃｋ製 純度99.999％）３ｇを加えてバーナーにて加熱して融解した。そして、放冷した後に塩酸溶液に溶解し、溶解液をフラスコに移して水で標線まで薄めて定容とし、検量線用溶液とともにＩＣＰ発光分析装置で測定した。求められたＡｌ，Ｃａ，ＳｉおよびＭｇの含有量を酸化物に換算することにより、酸化アルミニウム，酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの含有量を求め、結果を表１に示した。

また、酸化アルミニウムの平均結晶粒径および剛性を示す動的弾性率を測定するためにプローブカード用基板１から試験片を切り出し、それぞれＪＩＳ Ｒ 1670−2006，ＪＩＳ Ｒ 1602−1995に規定される超音波パルス法に準拠して測定した。なお、平均結晶粒径を求めるための試験片については、算術平均高さＲａが0.1μｍ以下となるように表面を研磨した後、大気雰囲気中において1450℃で１時間サーマルエッチングを行ない、走査型電子顕微鏡を用いて1000倍で撮影した100μｍ×100μｍの範囲の画像から平均結晶粒径を算出した。

また、表面に存在する気孔の面積占有率は、以下のようにして求めた。まず、プローブカード用基板１から試験片を切り出し、算術平均高さＲａが0.1μｍ以下となるように表面を研磨した後、金属顕微鏡を用いて、倍率を200倍にしてＣＣＤカメラで画像を取り込み、画像解析装置（（株）ニレコ製 ＬＵＺＥＸ−ＦＳ）により画像内の１視野の測定面積を2.25×10^−２ｍｍ^２，測定視野数を20個，つまり測定総面積が4.5×10^−１ｍｍ^２における開気孔の開口面積を求めて測定総面積における割合を気孔の面積占有率として、表１に示した。

またヒボナイトの確認は、Ｘ線回折装置（Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ（株）製 Ｄ８−ＡＤＶＡＮＣＥ）を用いて試料の表面を分析し、ヒボナイト結晶が検出された試料には「有」、検出されなかった試料には「無」と表１に示した。

表１に示す結果から分かる通り、酸化アルミニウムの含有量が98.5質量％未満である試料Ｎｏ．１および酸化アルミニウムの平均結晶粒径が2.5μｍを超える試料Ｎｏ．２〜６は、動的弾性率が380ＧＰａ未満と低かった。また、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの合計100質量％に対する酸化カルシウムおよび酸化珪素の含有量が20質量％未満であるか、または37.5質量％を超える試料Ｎｏ．12〜21も、動的弾性率が380ＧＰａ未満と低かった。さらに、ヒボナイト結晶が検出された試料Ｎｏ．15，17は、動的弾性率が370ＧＰａ，372ＧＰａであり、剛性に影響を与えることが分かった。

これに対し、本発明の範囲である試料Ｎｏ．７〜11，22〜56は、酸化アルミニウムの含有量が98.5質量％以上のセラミックスからなり、このセラミックスは、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムを含み、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの合計100質量％に対して、酸化カルシウムおよび酸化珪素の含有量はそれぞれ20質量％以上37.5質量％以下であって残部が酸化マグネシウムであるとともに、酸化アルミニウムの平均結晶粒径が2.5μｍ以下（但し、０μｍを除く。）であることから、ヒボナイト結晶も検出されず、プローブカード用基板１の動的弾性率が380ＧＰａ以上となり、剛性を高められることが分かった。

また、酸化アルミニウム，酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの各含有量が同じである試料Ｎｏ．40〜42，47〜49および54〜56を比べると、表面に存在する気孔の面積占有率が２％を超える試料Ｎｏ．42に対する試料Ｎｏ．40，41、同様に試料Ｎｏ．49に対する試料Ｎｏ．47，48および試料Ｎｏ．56に対する試料Ｎｏ．54，55は、表面に存在する気孔の面積占有率が２％以下であることにより動的弾性率を高められることが分かった。

まず、アルミナ，酸化カルシウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化クロム，酸化コバルト，酸化マンガンおよび酸化鉄が表２に示す含有量となるように秤量して調合粉末とした。そして、この調合粉末を溶媒である水とともに回転ミルに投入して、アルミナボールで24時間混合粉砕した。なお、混合粉砕後の平均粒径は２μｍであった。

次に、成形用バインダとして、ポリビニルアルコール，ポリエチレングリコールおよびアクリル樹脂を混合粉末100質量％に対して合計６質量％となるように添加した後、混合してスラリーとした。そして、このスラリーを用いてドクターブレード法によりシートを成形し、所定形状の金型でこのシートを打ち抜くことにより、取付孔２および貫通孔３が形成された成形体を得た。次に、この成形体を焼成炉に入れて、1600℃で10時間保持することで厚みが1.0ｍｍで直径が310ｍｍの本発明のプローブカード用基板１である試料Ｎｏ．57〜62を得た。

そして、それぞれの試料の各成分の含有量については、ＩＣＰ発光分析法により求めた。測定方法としては、まず、前処理として、焼成したプローブカード用基板１の一部を超硬乳鉢にて粉砕した。次に、白金るつぼにホウ酸（Ｍｅｒｃｋ製 純度99.9999％）２ｇを入れてバーナーにて加熱し、ガラス状に融解させ放冷した後に、試料0.1ｇおよび炭酸ナトリウム（Ｍｅｒｃｋ製 純度99.999％）３ｇを加えてバーナーにて加熱して融解した。そして、放冷した後に塩酸溶液に溶解し、溶解液をフラスコに移して水で標線まで薄めて定容とし、検量線用溶液とともにＩＣＰ発光分析装置でＡｌ，Ｃａ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｃｒ，Ｃｏ，ＭｎおよびＦｅの各含有量を測定し、それぞれ酸化物であるＡｌ_２Ｏ_３，ＣａＯ，ＳｉＯ_２，ＭｇＯ，Ｃｒ_２Ｏ_３，ＣｏＯ，ＭｎＯ_２およびＦｅ_２Ｏ_３に換算して、その値を表２に示した。

また、プローブカード用基板１の表面の色調を目視で確認し、その色調を表２に示した。

表２に示す結果から分かるように、酸化クロム，酸化コバルト，酸化マンガンおよび酸化鉄の少なくとも１種を主成分とする着色剤を含ませることによって、表面が白色である場合より光ビームが反射しにくい紫色，ピンク色，赤色および黄色のいずれかに呈色させられているため、半導体ウエハの所定位置を自動的に検出するためのオートアライメント手段が光ビームを半導体ウエハに照射しても、反射することがほとんどなくなるので、半導体ウエハの所定位置を正確に検出することができるといえる。

実施例１で用いた本発明の試料Ｎｏ．７のプローブカード用基板１と、プローブカード用基板１に取り付けられたプローブ５とを備えてなる本発明のプローブカードを用いた、図２に示す半導体ウエハ検査装置15を用いて、半導体ウエハ９の中央部に対向するプローブ５の先端の変位と半導体ウエハ９の端部（半導体ウエハ９の中央部から90ｍｍ離れた位置）に対向するプローブ５の先端の変位との差を３次元測定器で測定した。

より具体的には、直径が200ｍｍのシリコンからなる半導体ウエハ９を真空チャック12で固定した状態で、雰囲気の温度をそれぞれ25℃，50℃，75℃，100℃，125℃および150℃に設定して、半導体ウエハ９の中央部に対向するプローブ５の先端の変位と半導体ウエハ９の端部（半導体ウエハ９の中央部から90ｍｍ離れた位置）に対向するプローブ５の先端の変位との差を３次元測定器で測定した。

また、比較例として、試料Ｎｏ．７を試料Ｎｏ．２に取り替えて、上述した雰囲気の温度における半導体ウエハ９の中央部に対向するプローブ５の先端の変位と半導体ウエハ９の端部（半導体ウエハ９の中央部から90ｍｍ離れた位置）に対向するプローブ５の先端の変位との差を３次元測定器で測定した。

その差を表３に示した。

表３に示す結果から分かるように、酸化アルミニウムの平均結晶粒径が2.5μｍを超える試料Ｎｏ．２は、動的弾性率が380ＧＰａ未満と低かったために、雰囲気の温度が高くなると、変位の差が大きくなることが分かった。

一方、本発明の範囲である試料Ｎｏ．７は、酸化アルミニウムの含有量が98.5質量％以上のセラミックスからなり、このセラミックスは、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムを含み、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの合計100質量％に対して、酸化カルシウムおよび酸化珪素の含有量はそれぞれ20質量％以上37.5質量％以下であって残部が酸化マグネシウムであるとともに、酸化アルミニウムの平均結晶粒径が2.5μｍ以下（但し、０μｍを除く。）であることから、プローブカード用基板１の動的弾性率が380ＧＰａ以上であることから、雰囲気の温度が高くなっても、変位の差が大きくならないことが分かった。

このことから、本発明のプローブカード用基板１と、プローブカード用基板１に取り付けられたプローブ５とを備えてなる本発明のプローブカードを用いた半導体ウエハ検査装置15は、剛性の高いプローブカード用基板１を用いているので、雰囲気の温度が高くても
撓みにくく、正確な検査ができるといえる。

１：プローブカード用基板
２：取付孔
３：貫通孔
４：支持部材
５：プローブ
６：フレーム
７：連通孔
８：弾性体
９：半導体ウエハ
10：電極
11：半導体チップ
12：真空チャック
13：ヒーター
14：ステージ
15：半導体ウエハ検査装置
16：ポゴピン
17：ピッチ変換用基板
18：はんだバンプ
19：プローブ支持基板

Claims (5)

1. 酸化アルミニウムの含有量が９８．５質量％以上のセラミックスからなり、該セラミックスは、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムを含み、前記酸化カルシウム，前記酸化珪素および前記酸化マグネシウムの合計１００質量％に対して、前記酸化カルシウムおよび前記酸化珪素の含有量はそれぞれ２０質量％以上３７．５質量％以下であって残部が前記酸化マグネシウムであるとともに、前記酸化アルミニウムの平均結晶粒径が２．５μｍ以下（但し、０μｍを除く。）であることを特徴とするプローブカード用基板。
2. 前記セラミックスは、酸化クロムおよび酸化コバルトを含むことを特徴とする請求項１に記載のプローブカード用基板。
3. 表面に存在する気孔の面積占有率が２％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプローブカード用基板。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のプローブカード用基板と、該プローブカード用基板に取り付けられたプローブとを備えてなることを特徴とするプローブカード。
5. 請求項４に記載のプローブカードを用いたことを特徴とする半導体ウエハ検査装置。

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