JP2016111175A - プローブ装置及びプローブ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械式のターゲットを使用せず、光学的な手段によって短時間に一対のカメラの位置合わせを行うことが可能なプローブ装置を提供する。【解決手段】プローブ装置において、下部撮像ユニットの投影光学部６７では、投影用光源８１から照射された光が、ターゲット６５を通過することによって光学的なターゲットマークを生成する。ターゲットマークは、投影用光源８１から照射された光によって、結像位置Ｐと、下部カメラ６１の結像部６１ａに投影される。上部カメラ９１の結像部９１ａと結像位置Ｐとは互いに光学的共役の位置に配置されているため、結像位置Ｐに結像されたターゲットマークは、上部カメラ９１の結像部９１ａにも投影される。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば半導体ウエハなどの基板の検査に用いるプローブ装置及びプローブ方法に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイスの電気的特性を評価するためのプローブ検査が行われる。プローブ検査は、半導体基板に形成されている半導体デバイスの電極にプローブ針を接触させ、個々の半導体デバイス毎に電気信号を入力し、これに対して出力される電気信号を観測することによって電気的特性評価を行うものである。

プローブ検査に用いるプローブ装置は、プローブ検査の対象となる半導体デバイスが形成された被検査基板を保持するとともに、水平方向、垂直方向及び回転が可能なステージと、被検査基板に形成されている半導体デバイスの電極にプローブ針を正確に接触させるためのアライメント装置を備えている。アライメント装置としては、プローブ針の位置を検出するための第１のカメラと、被検査基板の表面に形成された半導体デバイスの位置を検出するための第２のカメラを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１、２）。このようなプローブ装置では、プローブ針と電極との位置合わせを行うため、第１のカメラによりプローブ針の位置を座標として求める工程と、移動可能な機械式ターゲットにより第１のカメラと第２のカメラとを位置合わせする工程と、第２のカメラにより被検査基板の電極の位置を座標として求める工程と、が実施される。

上記特許文献１、２のように、機械式ターゲットを使用して一対のカメラの位置合わせを行う方式では、第１のカメラと第２のカメラの焦点付近にターゲットを進出もしくは退避させる動作が必要である。そのため、誤動作によって機械式ターゲットがプローブ装置の他の部材と接触して故障を引き起こしたり、機械式ターゲットを駆動させる機構からパーティクルが発生したりする、などの問題が懸念されていた。また、機械式ターゲットを駆動させる機構が複雑であるため、部品点数が多く、小型化が困難でコスト高である、定期的なメンテナンスが必要である、などの問題もあった。さらに、機械式ターゲットでは、ガラス板にターゲットマークを形成したものが使用されるため、ガラス板の厚みの分だけ屈折量が変化してしまう。その結果、片側のカメラからは、ガラス板の厚み方向に誤差が発生するため、位置合わせの精度を低下させる要因になる、という問題もあった。

一方、機械式ターゲットの代わりに、光学的な手段を用いて一対のカメラの位置合わせを行う方法が知られている（例えば、特許文献３、４）。特許文献３では、スポット光を一方のカメラの光軸に沿って進行させ、他方のカメラで認識させることによって位置合わせを行うプローブ装置が提案されている。特許文献４では、一方のカメラから他方のカメラへ向けて、２次元パターンを投影する投影光学系を備えたプローブ装置が提案されている。

特開平８−３３５６１２号公報（図１など） 特開平７−２９７２４１号公報（図１など） 特開２００３−３０３８６５号公報（図１など） 特開２０１０−２１９１１０号公報（図２など）

光学的な手段で一対のカメラの位置合わせを行う上記特許文献３、４では、位置合わせの際に、両方のカメラで同時にターゲットマークの代わりとなるスポット光や２次元パターンを認識できない。そのため、これらの従来技術では、位置合わせを複数のステップに分けて行わざるを得ない。その結果、位置合わせに要する手間と時間がかかり、プローブ検査全体のスループットが低下する、という問題があった。

また、特許文献３、４の位置合わせ方法では、両方のカメラで同時にスポット光や２次元パターンを認識できないことから、不透明物体をいずれかのカメラの光軸上に挿入してスポット光や２次元パターンを認識させる動作が必要となる。従って、特許文献３、４の位置合わせ方法では、可動部材を用いることになり、従来の機械式ターゲットを用いる場合の上記問題点のほとんどが未解決のままである。

例えば、特許文献３のプローブ装置では、スポット光を照射する側に置かれたカメラは、スポット光の光軸を遮る物体面にスポット光を結像させることによってはじめてカメラの光軸とスポット光との位置合わせが可能になる。また、特許文献４のプローブ装置では、投影光学系が配置された側のカメラによって直接二次元パターンを認識することができないため、不透明な板などの物体を、当該カメラの光を遮るように挿入して二次元パターンの実像を予め撮像し、その座標を保存しておくことが必要となる。

従って、本発明の目的は、機械式のターゲットを使用せず、光学的な手段によって短時間に一対のカメラの位置合わせを行うことが可能なプローブ装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明のプローブ装置は、
被検査基板を保持するとともに、水平方向及び垂直方向に移動可能なステージと、
前記被検査基板の表面に形成されているデバイスの電極に接触させるプローブ針を撮像する第１の撮像装置と、
前記第１の撮像装置によって撮像を行うための光学系を有する第１の撮像光学部と、
前記被検査基板が前記ステージに保持された状態で前記電極を撮像する第２の撮像装置と、
前記第２の撮像装置による撮像を行うための光学系を有する第２の撮像光学部と、
前記第１の撮像装置と前記第２の撮像装置との位置合わせに用いる光学的なターゲットマークを、前記第１の撮像装置及び前記第２の撮像装置の各結像部に同時に投影する光学系を有する投影光学部と、
を備えている。

本発明のプローブ装置は、さらに、前記ターゲットマークを生成するターゲットを備えていてもよく、
前記投影光学部は、前記第１の撮像装置の結像部に対して光学的に共役な位置に、前記ターゲットの像である前記ターゲットマークを結像させる結像位置を形成するものであってもよい。

本発明のプローブ装置は、前記ターゲットと、前記結像位置と、前記第２の撮像装置の結像部とを、互いに光学的に共役となる位置に配置して、前記ターゲットマークを、前記第１の撮像装置及び前記第２の撮像装置の各結像部に同時に投影するものであってもよい。

本発明のプローブ装置において、前記投影光学部は、
前記ターゲットへ光を照射する投影用光源と、
前記ターゲットを通過した前記投影用光源からの光を分割させる分割手段と、
前記第１の撮像装置の前記結像部に前記ターゲットマークが形成されるように、前記分割手段によって分割された光線を集束させる集束手段と、
を備えていてもよい。

本発明のプローブ装置は、前記集束手段が凹面反射鏡であってもよい。

本発明のプローブ方法は、上記のいずれかのプローブ装置を用いるプローブ方法である。このプローブ方法は、
前記第１の撮像装置及び前記第２の撮像装置の各結像部に同時に前記ターゲットマークを投影させ、それらの画像データから、前記第１の撮像装置及び前記第２の撮像装置の位置合わせを行うステップと、
前記第２の撮像装置によって前記被検査基板の複数箇所の前記電極を撮像し、そのときの前記電極の位置座標を記憶するステップと、
前記第１の撮像装置によって前記プローブ針を撮像し、そのときの前記プローブ針の位置座標を記憶するステップと、
前記各工程で得られた位置座標に基づき、前記プローブ針を前記電極に接触させて、前記被検査基板の表面に形成されたデバイスの電気的特性を検査するステップと、
を含むことを特徴とする。

本発明のプローブ装置は、光学的なターゲットマークを、第１の撮像装置及び第２の撮像装置の各結像部に同時に投影する投影光学系を備えている。そのため、機械式なターゲットを使用せず、設置スペースが小さく、簡易な構成の光学的手段によって、短時間に一対の撮像装置の位置合わせを行うことが可能になる。また、１回の位置合わせで一対の撮像装置を、Ｘ、Ｙ方向だけでなく、Ｚ方向にも高精度に位置合わせできる。従って、本発明のプローブ装置及びプローブ方法によれば、被検査基板に形成されたデバイスの電気的特性を短時間で正確に測定できる。

本発明の一実施の形態に係るプローブ装置の外観構成を示す斜視図である。 図１のプローブ装置の内部構造の概略を示す斜視図である。 下部撮像ユニット及び上部撮像ユニットの光学的な構成を示す説明図である。 投影光学部の変形例を示す説明図である。 投影光学部の別の変形例を示す説明図である。 投影光学部のさらに別の変形例を示す説明図である。 制御部のハードウェア構成の一例を示す説明図である。 本発明の一実施の形態のプローブ方法における一工程の説明図である。 本発明の一実施の形態のプローブ方法における別の工程の説明図である。 本発明の一実施の形態のプローブ方法におけるさらに別の工程の説明図である。 本発明の一実施の形態のプローブ方法におけるさらに別の工程の説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係るプローブ装置１００の外観構成を示す斜視図である。図２は、図１のプローブ装置１００の内部構造の概略を示す斜視図である。

本実施の形態のプローブ装置１００は、半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記すことがある）Ｗに形成された半導体デバイス等のデバイス（図示せず）の電気的特性の検査を行うものである。プローブ装置１００は、本体１と、この本体１に隣接して配置されるローダー部３と、本体１を覆うように配置されるテストヘッド５とを備えている。

＜本体＞
本体１は、内部が空洞の筐体であり、ウエハＷを載置するステージ７を収容する。本体１の天井部１ａには、開口部１ｂが形成されている。開口部１ｂは、ステージ７に載置されたウエハＷの上方に位置しており、この開口部１ｂに、円板状のプローブカード９を保持する略円板状のプローブカードホルダ（図示せず）が係合する。このプローブカードホルダによって、プローブカード９は、ステージ７に載置されたウエハＷと対向して配置される。

＜ローダー部＞
ローダー部３は、搬送容器であるフープ（図示省略）に収容されているウエハＷを取り出して本体１のステージ７へ搬送する。また、ローダー部３は、デバイスの電気的特性の検査が終了したウエハＷをステージ７から受け取り、フープへ収容する。

＜テストヘッド＞
テストヘッド５は、直方体形状をなし、本体１に設けられたヒンジ機構１１によって上方向へ回動可能に構成されている。テストヘッド５は、上方から本体１を覆った状態で、図示しないコンタクトリングを介してプローブカード９と電気的に接続される。テストヘッド５は、プローブカード９から伝送されるデバイスの電気的特性を示す電気信号を測定データとして記憶するとともに、測定データに基づいてデバイスの電気的な欠陥の有無を判定する機能を有している。

＜ステージ＞
図２に示すように、ステージ７は、基台２０上に配置されており、図中に示すＸ方向に沿って移動するＸ方向移動ユニット２１と、図中に示すＹ方向に沿って移動するＹ方向移動ユニット２３と、図中に示すＺ方向に沿って移動するＺ方向移動ユニット２５とを有している。

Ｘ方向移動ユニット２１は、Ｘ方向に配置されたガイドレール２７に沿って、ボールねじ２１ａの回動によってステージ７をＸ方向に高精度に移動させる。ボールねじ２１ａは、モータ（図示せず）によって回動される。また、このモータに組み合わされたエンコーダ（図示せず）によってステージ７の移動量の検出が可能となっている。

Ｙ方向移動ユニット２３は、Ｙ方向に配置されたガイドレール２９に沿って、ボールねじ２３ａの回動によってステージ７をＹ方向に高精度に移動させる。ボールねじ２３ａは、モータ２３ｂによって回動される。また、このモータ２３ｂに組み合わされたエンコーダ２３ｃによってステージ７の移動量の検出が可能となっている。

このように、Ｘ方向移動ユニット２１とＹ方向移動ユニット２３は、ステージ７を、水平面に沿い、互いに直交するＸ方向とＹ方向に移動させる。

Ｚ方向移動ユニット２５は、図示しないモータ及びエンコーダを有し、ステージ７をＺ方向に沿って上下に移動させるとともに、その移動量を検出できるようになっている。Ｚ方向移動ユニット２５は、ステージ７をプローブカード９へ向けて移動させてウエハＷ上のデバイスにおける電極とプローブ針とを当接させる。また、ステージ７は、図示しないモータによって、Ｚ方向移動ユニット２５の上において、図中に示すθ方向に回転自在に配置されている。

＜プローブカード＞
プローブカード９は、ステージ７と対向する面に多数のプローブ針９ａ（図１０及び図１１を参照）を備えている。プローブ装置１００では、ステージ７を水平方向（Ｘ方向，Ｙ方向，θ方向）及び垂直方向（Ｚ方向）に移動させることによって、プローブカード９及びウエハＷの相対位置を調整し、デバイスの電極とプローブ針９ａとを当接させる。テストヘッド５は、プローブカード９の各プローブ針９ａを介してデバイスに検査電流を流す。プローブカード９は、デバイスの電気的特性を示す電気信号をテストヘッド５に伝送する。テストヘッド５は、伝送された電気信号を測定データとして記憶し、検査対象のデバイスの電気的な欠陥の有無を判定する。なお、プローブ針９ａは、デバイスの電極に接続する機能を有するものであれば、どの様な形状であってもよい。

本体１の内部には、ステージ７に隣接してプローブカードホルダ交換ユニット３１が配置されている。プローブカードホルダ交換ユニット３１は、プローブカード９を保持する図示しないプローブカードホルダを担持するフォーク３３を有している。フォーク３３は、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能に構成されておりプローブカード９の交換を行う。

＜下部撮像ユニット＞
また、本体１の内部には、ステージ７とプローブカードホルダ交換ユニット３１の間に、下部撮像ユニット３５と、針先研磨ユニット３７とが配置されている。ここで、下部撮像ユニット３５は、プローブカード９に形成されたプローブ針９ａを撮像する。下部撮像ユニット３５及び針先研磨ユニット３７は、ステージ７に固定されており、ステージ７とともにＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動する。下部撮像ユニット３５の詳細な構成については後述する。

＜アライメントユニット＞
また、本体１の内部において、ステージ７の上方には、アライメントユニット４１が配置されている。アライメントユニット４１は、図示しない駆動部によって、図２中、Ｙ方向に移動可能に構成されている。アライメントユニット４１は、ステージ７や下部撮像ユニット３５と対向する水平面に沿う下面を有している。

＜上部撮像ユニット＞
アライメントユニット４１には、上部撮像ユニット４３が設けられている。上部撮像ユニット４３は、ステージ７上に載置されたウエハＷに形成されたデバイスの電極を撮像する。上部撮像ユニット４３の詳細な構成については後述する。

以上の構成によって、プローブ装置１００において、下部撮像ユニット３５と上部撮像ユニット４３は、互いに対向する位置をはじめ、下部撮像ユニット３５がプローブカード９に対向する位置や、上部撮像ユニット４３がステージ７に対向する位置など、複数の位置に相対移動可能となっている。

＜撮像ユニットの詳細構造＞
次に、図３を参照しながら、下部撮像ユニット３５及び上部撮像ユニット４３の詳細な構成について説明する。図３は、下部撮像ユニット３５と上部撮像ユニット４３を上下に対向させた状態で、それらの構成を光学的な特徴を中心に示したものである。

＜下部撮像ユニット＞
下部撮像ユニット３５は、第１の撮像装置としての下部カメラ６１と、下部カメラ６１によってプローブカード９のプローブ針９ａを撮像するための下部撮像光学部６３と、光学的なターゲットマークを生成するためのターゲット６５と、ターゲットマークを下部カメラ６１の結像部６１ａ及び上部カメラ９１の結像部９１ａに同時に投影するための投影光学部６７とを有している。ここで、下部カメラ６１及び上部カメラ９１の「結像部」とは、下部カメラ６１及び上部カメラ９１における、例えばＣＣＤ素子、ＣＭＯＳ素子などの撮像素子を意味する。

（下部カメラ）
下部カメラ６１は、プローブカード９に形成されたプローブ針９ａを撮像し、その画像データを生成する。また、下部カメラ６１は、ターゲットマークの画像データを生成する。

（下部撮像光学部）
下部撮像光学部６３は、例えばＬＥＤランプなどの撮影用光源７１と、撮影用光源７１からの照射光又はその反射光を集束させるレンズ７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃと、撮影用光源７１からの照射光又はその反射光を分割するビームスプリッタ７５を備えている。ビームスプリッタ７５は、例えばハーフミラーでもよい。

（ターゲット）
ターゲット６５は、例えばアクリル、ガラス、アルミニウム、鉄などの材質の５０〜１０００μｍ程度の厚みの薄板であり、光学的なターゲットマークに対応する模様が形成されている。本実施の形態において、ターゲットマークに対応する模様は、ターゲット６５を構成する薄板に設けられた貫通開口によって形成されている。なお、貫通開口の代わりに、例えば透明なアクリル板、ガラス板などの片側の面に、蒸着、塗工などの方法でターゲットマークに対応する模様を形成したものを使用してもよい。ターゲットマークに対応する模様の形状は任意であり、円形、四角形、十字形、同心円、放射パターンなどの幾何学模様を例示できる。

（投影光学部）
投影光学部６７は、ターゲット６５から、その像である光学的なターゲットマークを生成するとともに、ターゲットマークを下部カメラ６１及び上部カメラ９１の各結像部６１ａ，９１ａに同時に投影するための光学系である。図３では、ターゲットマークを下部カメラ６１の結像部６１ａに投影するときの光束を太線で模式的に示し、下部カメラ６１及び上部カメラ９１で撮像をするときの光束と、ターゲットマークを上部カメラ９１の結像部９１ａに投影するときの光束を細線で模式的に示している。投影光学部６７は、例えばＬＥＤランプなどの投影用光源８１と、投影用光源８１からの光を反射し集束させる凹面反射鏡８３と、投影用光源８１からの光を分割する分割手段としてのビームスプリッタ８５とを備えている。ビームスプリッタ８５は、例えばハーフミラーでもよい。また、凹面反射鏡８３は、下部カメラ６１の結像部６１ａに向けて光を集束させる集束手段としての機能と、光を反射する反射手段としての機能とを有している。そのため、凹面反射鏡８３を用いることによって、投影光学部６７の構成を簡素化し、省スペース化、小型化を図ることができる。なお、凹面反射鏡８３は、例えば平面反射鏡とレンズとの組み合わせで代替することもできる。

＜上部撮像ユニット＞
上部撮像ユニット４３は、第２の撮像装置としての上部カメラ９１と、上部カメラ９１によってウエハＷ上のデバイスを撮像するための上部撮像光学部９３と、を有している。

（上部カメラ）
上部カメラ９１は、ウエハＷ表面に形成されたデバイスの電極を撮像し、その画像データを生成する。また、上部カメラ９１は、ターゲットマークの画像データを生成する。

（上部撮像光学部）
上部撮像光学部９３は、例えばＬＥＤランプなどの撮影用光源１０１と、撮影用光源１０１からの照射光又はその反射光を集束させるレンズ１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃと、撮影用光源１０１からの照射光又はその反射光を分割するビームスプリッタ１０５を備えている。ビームスプリッタ１０５は、例えばハーフミラーでもよい。

（結像位置）
下部撮像光学部６３と上部撮像光学部９３との間には、ターゲットマークの結像位置Ｐが形成されている。本実施の形態のプローブ装置１００では、投影光学部６７によって、ターゲット６５と、ターゲットマークの結像位置Ｐと、下部カメラ６１の結像部６１ａとを、互いに光学的共役の関係になるように配置している。

また、図３に示す状態では、ターゲットマークの結像位置Ｐと上部カメラ９１の結像部９１ａとが互いに光学的共役の関係になるように、下部撮像光学部６３と上部撮像光学部９３を配置している。つまり、図３に示す状態において、下部撮像光学部６３及び上部撮像光学部９３は、ターゲットマークの結像位置Ｐと、ターゲット６５と、下部カメラ６１の結像部６１ａと、上部カメラ９１の結像部９１ａとが、互いに光学的共役の関係になるように構成されている。

下部撮像ユニット３５では、撮影用光源７１から照射された光は、レンズ７３Ａで集束し、その一部分がビームスプリッタ７５で反射してレンズ７３Ｂで集束し、結像位置Ｐに照射される。また、結像位置Ｐに配置された物体（例えばプローブ針９ａ）の表面で反射した光は、その一部分がビームスプリッタ７５を透過してレンズ７３Ｃで集束し、下部カメラ６１の結像部６１ａに投影される。

上部撮像ユニット４３では、上部撮影用光源１０１から照射された光は、レンズ１０３Ａで集束し、その一部分がビームスプリッタ１０５で反射してレンズ１０３Ｂで集束し、下方に配置された物体（例えば、デバイスの電極）に照射される。また、物体の表面で反射した光は、その一部分がビームスプリッタ１０５を透過してレンズ１０３Ｃで集束し、上部カメラ９１の結像部９１ａに投影される。

さらに、図３に示すように、上部カメラ９１の結像部９１ａと結像位置Ｐとが互いに光学的共役の位置に配置されているとき、上部カメラ９１の焦点は結像位置Ｐに合っている。そのため、結像位置Ｐに物体（例えば、デバイスの電極）を配置したときの物体の像や、結像位置Ｐに結像されている像（例えば、ターゲット６５の像であるターゲットマーク）は、上部カメラ９１の結像部９１ａに正確に投影される。

下部撮像ユニット３５の投影光学部６７では、投影用光源８１から照射された光が、ターゲット６５を通過することによって光学的なターゲットマークを生成する。また、投影用光源８１から照射された光は、その一部分がビームスプリッタ８５を通過し、凹面反射鏡８３によって反射されるとともに集束し、さらにビームスプリッタ８５で反射して下部カメラ６１に入射する。従って、ターゲット６５で生成されるターゲットマークは、投影用光源８１から照射された光によって下部カメラ６１の結像部６１ａに投影される。

また、投影用光源８１から照射された光の一部分は、ビームスプリッタ８５で反射し、レンズ７３Ｃ、ビームスプリッタ７５、レンズ７３Ｂを介して、結像位置Ｐに照射される。従って、ターゲット６５で生成されたターゲットマークは、投影用光源８１から照射された光によって結像位置Ｐに投影される。

さらに、上記のとおり、図３に示す状態では、ターゲットマークの結像位置Ｐと、ターゲット６５と、下部カメラ６１と、上部カメラ９１とを、互いに光学的共役となる位置に配置している。従って、投影用光源８１を点灯させて、ターゲットマークを結像位置Ｐに結像させることによって、下部カメラ６１と上部カメラ９１の双方の結像部６１ａ，９１ａに、同時にターゲットマークを投影できる。

［投影光学部の変形例］
次に、プローブ装置１００における投影光学部の変形例について説明する。図４〜図６は、それぞれ投影光学部の変形例を示している。投影光学部は、ターゲットマークを下部カメラ６１及び上部カメラ９１の各結像部６１ａ，９１ａに同時に投影できるものであればよいため、種々のバリエーションが存在する。ここでは、代表的に３つの変形例について説明する。なお、図４〜図６において、上部撮像ユニット４３、並びに下部カメラ６１及び下部撮像光学部６３の構成は図３と同じであるため、同一の符号を付して説明を省略する。図４〜６では、ターゲットマークを下部カメラ６１の結像部６１ａに投影するときの光束を太線で模式的に示し、下部カメラ６１及び上部カメラ９１で撮像をするときの光束と、ターゲットマークを上部カメラ９１の結像部９１ａに投影するときの光束を細線で模式的に示している。

＜第１の変形例＞
図４は、第１の変形例を示すものである。第１の変形例の投影光学部６７Ａは、例えばＬＥＤランプなどの投影用光源８１と、投影用光源８１からの光を集束させる凹面反射鏡８３と、投影用光源８１からの光を分割するビームスプリッタ８５とを備えている。

第１の変形例の投影光学部６７Ａは、下部カメラ６１、投影用光源８１及びターゲット６５に対する凹面反射鏡８３の配置が、図３に示した投影光学部６７と相違している。すなわち、図３に示した投影光学部６７では、投影用光源８１からターゲット６５を通過し、ビームスプリッタ８５を透過する光束の光軸上に凹面反射鏡８３を配置したのに対し、本変形例の投影光学部６７Ａでは、投影用光源８１からターゲット６５を通過し、ビームスプリッタ８５で反射する光束の光軸上に凹面反射鏡８３を配置した。

本変形例の投影光学部６７Ａでは、投影用光源８１から照射された光は、ターゲット６５を通過することによって光学的なターゲットマークを生成する。また、ターゲット６５を通過した光の一部分は、ビームスプリッタ８５で反射し、凹面反射鏡８３によって反射されるとともに集束させられ、さらにビームスプリッタ８５を透過して下部カメラ６１に入射する。従って、ターゲット６５で生成されたターゲットマークは、投影用光源８１から照射された光によって下部カメラ６１の結像部６１ａに投影される。

また、本変形例の投影光学部６７Ａでは、投影用光源８１から照射された光の一部分は、ビームスプリッタ８５を透過し、レンズ７３Ｃ、ビームスプリッタ７５、レンズ７３Ｂを介して、結像位置Ｐに照射される。従って、ターゲット６５で生成されたターゲットマークは、投影用光源８１から照射された光によって結像位置Ｐに投影される。

なお、本変形例において、結像位置Ｐに物体を配置したとき、物体面で反射した光は、レンズ７３Ｂ、ビームスプリッタ７５、レンズ７３Ｃを介して、一部分がビームスプリッタ８５で反射し、下部カメラ６１に入射する。

＜第２の変形例＞
図５は、第２の変形例を示すものである。第２の変形例の投影光学部６７Ｂは、例えばＬＥＤランプなどの投影用光源８１と、投影用光源８１からの光を反射する一対の平面反射鏡１１１，１１３と、投影用光源８１からの光を集束させるレンズ１１５と、投影用光源８１からの光を分割するビームスプリッタ８５と、結像位置Ｐと下部カメラ６１と間で光軸を直角に曲げるためのビームスプリッタ１１７を備えている。

第２の変形例の投影光学部６７Ｂでは、投影用光源８１から照射された光は、ターゲット６５を通過することによって光学的なターゲットマークを生成する。また、ターゲット６５を通過した光の一部分がビームスプリッタ８５を透過し、平面反射鏡１１１及び平面反射鏡１１３で順次反射されるとともにレンズ１１５で集束し、さらにビームスプリッタ１１７を透過して下部カメラ６１に入射する。従って、ターゲット６５で生成されたターゲットマークは、投影用光源８１から照射された光によって下部カメラ６１の結像部６１ａに投影される。

また、本変形例の投影光学部６７Ｂでは、投影用光源８１から照射された光の一部分は、ビームスプリッタ８５で反射し、レンズ７３Ｃ、ビームスプリッタ７５、レンズ７３Ｂを介して、結像位置Ｐに照射される。従って、ターゲット６５で生成されたターゲットマークは、投影用光源８１から照射された光によって結像位置Ｐに投影される。

なお、本変形例において、結像位置Ｐに物体を配置したとき、物体面で反射した光は、レンズ７３Ｂ、ビームスプリッタ７５、レンズ７３Ｃ、ビームスプリッタ８５を介して、一部分がビームスプリッタ１１７で反射し、下部カメラ６１に入射する。

＜第３の変形例＞
図６は、第３の変形例を示すものである。第３の変形例の投影光学部６７Ｃは、例えばＬＥＤランプなどの投影用光源８１と、投影用光源８１からの光を反射する一対の平面反射鏡１１１，１１３と、投影用光源８１からの光を集束させるレンズ１１５と、投影用光源８１からの光を分割するビームスプリッタ８５と、投影用光源８１と結像位置Ｐとの間で光軸を直角に曲げるためのビームスプリッタ１１９を備えている。

第３の変形例の投影光学部６７Ｃにおいて、投影用光源８１から照射された光は、ターゲット６５を通過することによって光学的なターゲットマークを生成する。また、ターゲット６５を通過した光の一部分がビームスプリッタ１１９を透過し、レンズ１１５で集束させられるとともに平面反射鏡１１１及び平面反射鏡１１３で順次反射され、さらにビームスプリッタ８５を透過して下部カメラ６１に入射する。従って、ターゲット６５で生成されたターゲットマークは、投影用光源８１から照射された光によって下部カメラ６１の結像部６１ａに投影される。

また、本変形例の投影光学部６７Ｃでは、投影用光源８１から照射された光の一部分は、ビームスプリッタ１１９で反射し、ビームスプリッタ８５を透過して、レンズ７３Ｃ、ビームスプリッタ７５、レンズ７３Ｂを介して、結像位置Ｐに照射される。従って、ターゲット６５で生成されたターゲットマークは、投影用光源８１から照射された光によって結像位置Ｐに投影される。

なお、本変形例においては、結像位置Ｐに物体を配置したとき、物体面で反射した光は、レンズ７３Ｂ、ビームスプリッタ７５、レンズ７３Ｃを介し、一部分がビームスプリッタ８５で反射し、下部カメラ６１に入射する。

以上の３つの変形例に限らず、本実施の形態のプローブ装置１００において、投影光学部は、ターゲットマークを下部カメラ６１の結像部６１ａ及び上部カメラ９１の結像部９１ａに同時に投影できればよく、種々の変形が可能である。

＜制御部＞
プローブ装置１００は、さらに制御部５０を備えている。制御部５０は、プローブ装置１００の各構成部の動作を制御する。制御部５０は、典型的にはコンピュータである。図７は、制御部５０のハードウェア構成の一例を示している。制御部５０は、主制御部２０１と、キーボード、マウス等の入力装置２０２と、プリンタ等の出力装置２０３と、表示装置２０４と、記憶装置２０５と、外部インターフェース２０６と、これらを互いに接続するバス２０７とを備えている。主制御部２０１は、ＣＰＵ（中央処理装置）２１１、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２１２およびＲＯＭ（リードオンリメモリ）２１３を有している。記憶装置２０５は、情報を記憶できるものであれば、その形態は問わないが、例えばハードディスク装置または光ディスク装置である。また、記憶装置２０５は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体２１５に対して情報を記録し、また記録媒体２１５より情報を読み取るようになっている。記録媒体２１５は、情報を記憶できるものであれば、その形態は問わないが、例えばハードディスク、光ディスク、フラッシュメモリなどである。記録媒体２１５は、本実施の形態のプローブ装置１００において行われるプローブ方法のレシピを記録した記録媒体であってもよい。

制御部５０は、本実施の形態のプローブ装置１００において、複数のウエハＷに対し、ウエハＷ上に形成されたデバイスに対する検査を実行できるように制御する。具体的には、制御部５０は、プローブ装置１００において、各構成部（例えば、モータ２３ｂなどの駆動装置、エンコーダ２３ｃなどの位置検出装置、下部撮像ユニット３５、上部撮像ユニット４３等）を制御する。これらは、ＣＰＵ２１１が、ＲＡＭ２１２を作業領域として用いて、ＲＯＭ２１３または記憶装置２０５に格納されたソフトウエア（プログラム）を実行することによって実現される。

［プローブ方法］
次に、図８〜図１１を参照しながら、プローブ装置１００を使用してウエハＷ上に形成されたデバイスの電気的特性の検査を行うプローブ方法の手順の一例について説明する。図８〜図１１は、本実施の形態のプローブ方法の工程を説明する説明図である。図８〜図１１では、ステージ７、下部撮像ユニット３５、上部撮像ユニット４３、プローブ９（プローブ針９ａ）及びウエハＷ（不図示のデバイス）の位置関係を模式的に示している。図８〜図１１中、符号３０１は、下部カメラ６１の結像部６１ａと結像位置Ｐ又は物体（プローブ針９ａ）との間の光束を模式的に示しており、符号３０３は、上部カメラ９１の結像部９１ａと結像位置Ｐ又は物体（デバイスの電極）との間の光束を模式的に示している。

本実施の形態のプローブ方法は、機械的なターゲットマークに代えて、光学的なターゲットマークを用いるとともに、そのターゲットマークを、下部カメラ６１及び上部カメラ９１の各結像部６１ａ，９１ａに同時に投影させる点以外は、従来のプローブ装置におけるプローブ方法と同様に実施できる。例えば、本実施の形態のプローブ方法は、下記の工程Ａ〜工程Ｄを含むことができる。

まず、準備段階として、ローダー部３のフープ（図示せず）から被検査基板であるウエハＷを取り出してステージ７に搬送する。図示は省略するが、ウエハＷの表面には、測定対象となるデバイスが形成されている。

工程Ａ：
工程Ａでは、下部カメラ６１及び上部カメラ９１の各結像部６１ａ，９１ａに同時にターゲットマークを投影させ、それらの画像データから、下部カメラ６１及び上部カメラ９１の位置合わせを行う。図８に示すように、下部撮像ユニット３５と上部撮像ユニット４３が上下に対向する位置まで相対移動させる。次に、下部撮像ユニット３５の投影光学部６７の投影用光源８１を点灯し、ターゲット６５で生成されたターゲットマークを結像位置Ｐに投影する。その結果、ターゲットマークが、下部カメラ６１及び上部カメラ９１の各結像部６１ａ，９１ａに同時に投影される。そして、下部カメラ６１及び上部カメラ９１により、それぞれ得られたターゲットマークの画像データに基づき、上部カメラ９１の結像部９１ａと、結像位置Ｐとが互いに光学的に共役の位置関係となるように位置合わせを行う。具体的には、下部カメラ６１及び上部カメラ９１の各結像部６１ａ，９１ａに同時に投影されたターゲットマークの中心と、下部カメラ６１及び上部カメラ９１の光軸とが一致し、かつ、上部カメラ９１の焦点が結像位置Ｐに合致するように位置を求める。

このような位置合わせは、下部カメラ６１で取得されたターゲットマークの画像データと、上部カメラ９１で取得されたターゲットマークの画像データとを比較しながら、ステージ７に固定された下部撮像ユニット３５をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させることによって行われる。そして、下部カメラ６１の結像部６１ａは、はじめからターゲット６５及び結像位置Ｐと光学的に共役の位置関係にあるので、下部カメラ６１及び上部カメラ９１は、互いに焦点及び光軸が一致していることになる。このときのステージ７のＸ、Ｙ、Ｚ座標を、例えば（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）として制御部５０のメモリであるＲＡＭ２１２、記憶装置２０５又は記録媒体２１５に格納する。

本実施の形態のプローブ方法では、工程Ａで、ターゲットマークを、下部カメラ６１及び上部カメラ９１の各結像部６１ａ，９１ａに同時に投影することによって、１回の位置合わせで下部カメラ６１と上部カメラ９１をＸ、Ｙ、Ｚ方向に位置合わせできる。従って、２つのカメラで別々にターゲット６５の実像を取得する場合に比べて、位置合わせに要する時間を短縮できるとともに、結像位置Ｐに実像を表示するための不透明な板などを挿入する機構と手間が必要なくなる。

工程Ｂ：
工程Ｂでは、上部カメラ９１によってウエハＷ上のデバイスの複数箇所の電極を撮像し、そのときの電極の位置座標を記憶する。投影用光源８１を消灯した状態で、図９に示すように、ステージ７を上部撮像ユニット４３の下方に相対移動させ、撮影用光源１０１を点灯して、上部カメラ９１の焦点を予め定められたウエハＷ上の複数（例えば５つ）の撮像ポイントに合わせて、撮像する。ここで、撮像ポイントは、ウエハＷ上に形成されたデバイスの所定の電極に設定する。得られた画像データから、そのときの各撮像ポイントの位置座標を求める。ここでは、便宜上、各撮像ポイントの位置座標を総称して（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）として表す。位置座標（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）は、制御部５０のメモリであるＲＡＭ２１２、記憶装置２０５又は記録媒体２１５に格納する。

なお、以上の説明では、ステージ７のθ方向（周方向）の位置合わせについては考慮していないが、プローブ針９ａの配列方向とデバイスの配列の方向とのずれを考慮する場合には、前記複数の撮像ポイントの中の任意の２点から、θ方向のずれを求めてステージ７をθ方向に移動させる補正を行えばよい。

工程Ｃ：
工程Ｃでは、下部カメラ６１によってプローブカード９のプローブ針９ａを撮像し、そのときのプローブ針９ａの位置座標を記憶する。投影用光源８１を消灯した状態で、図１０に示すように、下部撮像ユニット３５の下部カメラ６１をプローブ針９ａの下方まで相対移動させる。そして、撮影用光源７１を点灯し、下部カメラ６１の焦点が予め決められた所定のプローブ針９ａに一致するように、ステージ７に固定された下部撮像ユニット３５をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させ、撮像する。得られた画像データから、そのときのプローブ針９ａの位置座標（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）を求める。この位置座標（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）は、制御部５０のメモリであるＲＡＭ２１２、記憶装置２０５又は記録媒体２１５に格納する。

以上工程Ａ〜工程Ｃの動作を行えば、工程Ａで上部カメラ９１の結像部９１ａと、ターゲットマークの結像位置Ｐと、下部カメラ６１の結像部６１ａとが互いに光学的に共役の位置となるように、上部カメラ９１及び下部カメラ６１のＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置を合わせているので、一つの撮像装置によってウエハＷとプローブ針９ａとを撮像する場合と等価になる。従って、ウエハＷ上の複数の撮像ポイントとプローブ針９ａとの相対位置を、上記各位置座標から正確に把握できる。上記各位置座標は、例えば、ステージ７が所定の標準位置に位置する場合に対するＸ、Ｙ、Ｚ方向のそれぞれのエンコーダのパルス数によって管理することができる。なお、本実施の形態のプローブ方法では、工程Ａ〜工程Ｃの順序は問わない。例えば、工程Ａ、Ｂ、Ｃの順、工程Ａ，Ｃ、Ｂの順、工程Ｂ、Ａ、Ｃの順、工程Ｂ、Ｃ、Ａの順、工程Ｃ、Ａ、Ｂの順、又は、工程Ｃ、Ｂ、Ａの順に実施できる。また、工程Ａ〜工程Ｃは、アライメントユニット４１を移動させる毎に実施することが好ましい。

工程Ｄ：
工程Ｄでは、上記工程Ａ、工程Ｂ、工程Ｃの各工程で得られた位置座標に基づき、図１１に示すように、プローブ針９ａとウエハＷの表面に形成された所定のデバイスの電極との位置が合うようにステージ７をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させる。その後、プローブ針９ａを電極に接触させて、デバイスの電気的特性を検査する。

以上のように、本実施の形態のプローブ装置１００は、下部カメラ６１と上部カメラ９１との位置合わせに用いる光学的なターゲットマークを、下部カメラ６１及び上部カメラ９１の各結像部６１ａ，９１ａに同時に投影する投影光学部を備えている。そのため、機械式なターゲットを使用せず、設置スペースが小さく、簡易な構成の光学的な手段によって短時間に一対のカメラの位置合わせを行うことが可能になる。また、１回の位置合わせで下部カメラ６１と上部カメラ９１をＸ、Ｙ方向だけでなく、Ｚ方向にも位置合わせできる。従って、本実施の形態のプローブ装置１００によれば、ウエハＷに形成されたデバイスの電気的特性を短時間で正確に測定することが可能になる。また、本実施の形態のプローブ装置１００によれば、機械式ターゲットを使用する場合の諸問題、例えば、誤動作による接触事故、パーティクル発生、部品点数が多く小型化が困難であること、コスト高であること、定期的なメンテナンスが煩雑であること、などを解消することができる。

以上、本発明の実施の形態を例示の目的で詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、投影光学部６７，６７Ａ，６７Ｂ，６７Ｃを下部撮像ユニット３５に設けたが、上部撮像ユニット４３に設けることもできる。また、位置合わせの対象となる一対のカメラは、上下の位置関係に限るものではなく、例えば、一対のカメラを水平方向に配置した場合であっても、同様に本発明を適用できる。

また、被検査基板としては、半導体ウエハに限らず、例えば液晶表示装置に用いるガラス基板に代表されるフラットパネルディスプレイ用などであってもよい。

３５…下部撮像ユニット、４３…上部撮像ユニット、６１…下部カメラ、６３…下部撮像光学部、６５…ターゲット、６７…投影光学部、７１…撮影用光源、７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃ…レンズ、７５…ビームスプリッタ、８１…投影用光源、８３…凹面反射鏡、８５…ビームスプリッタ、９１…上部カメラ、９３…上部撮像光学部、１０１…撮影用光源、１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ…レンズ、１０５…ビームスプリッタ、Ｐ…結像位置

Claims (6)

1. 被検査基板を保持するとともに、水平方向及び垂直方向に移動可能なステージと、
   前記被検査基板の表面に形成されているデバイスの電極に接触させるプローブ針を撮像する第１の撮像装置と、
   前記第１の撮像装置によって撮像を行うための光学系を有する第１の撮像光学部と、
   前記被検査基板が前記ステージに保持された状態で前記電極を撮像する第２の撮像装置と、
   前記第２の撮像装置による撮像を行うための光学系を有する第２の撮像光学部と、
   前記第１の撮像装置と前記第２の撮像装置との位置合わせに用いる光学的なターゲットマークを、前記第１の撮像装置及び前記第２の撮像装置の各結像部に同時に投影する光学系を有する投影光学部と、
   を備えたプローブ装置。
2. さらに、前記ターゲットマークを生成するターゲットを備え、
   前記投影光学部は、前記第１の撮像装置の結像部に対して光学的に共役な位置に、前記ターゲットの像である前記ターゲットマークを結像させる結像位置を形成するものである請求項１に記載のプローブ装置。
3. 前記ターゲットと、前記結像位置と、前記第２の撮像装置の結像部とを、互いに光学的に共役となる位置に配置して、前記ターゲットマークを、前記第１の撮像装置及び前記第２の撮像装置の各結像部に同時に投影する請求項２に記載のプローブ装置。
4. 前記投影光学部は、
   前記ターゲットへ光を照射する投影用光源と、
   前記ターゲットを通過した前記投影用光源からの光を分割させる分割手段と、
   前記第１の撮像装置の前記結像部に前記ターゲットマークが形成されるように、前記分割手段によって分割された光線を集束させる集束手段と、
   を備えている請求項２又は３に記載のプローブ装置。
5. 前記集束手段が凹面反射鏡である請求項４に記載のプローブ装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のプローブ装置を用いるプローブ方法であって、
   前記第１の撮像装置及び前記第２の撮像装置の各結像部に同時に前記ターゲットマークを投影させ、それらの画像データから、前記第１の撮像装置及び前記第２の撮像装置の位置合わせを行うステップと、
   前記第２の撮像装置によって前記被検査基板の複数箇所の前記電極を撮像し、そのときの前記電極の位置座標を記憶するステップと、
   前記第１の撮像装置によって前記プローブ針を撮像し、そのときの前記プローブ針の位置座標を記憶するステップと、
   前記各工程で得られた位置座標に基づき、前記プローブ針を前記電極に接触させて、前記被検査基板の表面に形成されたデバイスの電気的特性を検査するステップと、
   を含むことを特徴とするプローブ方法。

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