JP2020188046A - プローブカード - Google Patents

Abstract

【課題】探針の高さばらつきが発生しても、各探針と電極との接触圧力を一定とするとともに、探針を電極に押し付ける力がカード本体にかからなくする。【解決手段】複数の探針を有し、前記複数の探針を測定対象の複数の電極に接触させて該測定対象の電気特性を測定するためのプローブカードであって、１つの探針の上端に１つずつ個別に取り付けられる複数の錘を備え、前記複数の探針を前記複数の電極に接触させたときに、各電極には対応する探針と錘による力が加わるものであることを特徴とするプローブカード。【選択図】図１

Description

本発明は、プローブカードに関する。

ＩＣ、又はウェーハ上に作られたチップの不良判定／評価において、測定用の探針を電極に接触させて測定する方法は広く一般的に行われている。例えば、ＩＣ又はウェーハ上の電極に測定用の探針を電気的に接触させて、テスターから該測定用の探針を介して入力信号を送り、かつ該測定用の探針を介して出力信号をモニターする。なお、テスターとしては、デジタル信号を扱う種類のものと、アナログ信号を扱う種類のものとがある。

複数の探針を同時にウェーハ上の電極に接触させてテストを行うが、探針とＩＣ上の電極、又は探針とウェーハ上の電極とは、オーミックコンタクトで接続されているため、その圧着圧力のばらつきは測定ばらつきの原因となる。デジタル信号を用いて測定を行う場合は、該圧着圧力の多少のばらつきは問題にならないが、アナログ信号を用いて測定を行う場合は、該圧着圧力のばらつきも含めて出力となるので、該圧着圧力のばらつきを極力小さくすることが好ましい。

ここで、探針の高さばらつきが大きいと、一部の探針は電極に接触し、他の一部の探針は電極に接触しないという事態が発生して、テストを正常に行うことができない。そこで、該高さばらつきを解消するため、探針をばねで支えることで該探針が電極に接触した後も上下可能な構造とし、全ての探針が電極に接触できるようにする場合が多い。しかし、ばねは移動量（縮む量）と力（反発力）とが比例関係にあるため、該高さばらつきを解消できる反面、電極に印加される接触圧力にばらつきが発生する問題が生じる。

結局のところ、電極に対する探針の接触圧力を一定にして上記の問題を解消するためには、初期（電極に接触する前）の探針の高さをできるだけ同じにして、探針の高さばらつきを極力抑える必要があり、その調整が非常に困難な作業であった。

図７は、ばね式の探針構造の例を示す。図８は、市販品の探針を示す。
これらの図に示す構造は、市販のポゴピンと呼ばれるばねを内蔵した構造である。上端にばね２３が取り付けられた探針２１は、カード本体（基盤）２０に装着されることで、プローブカードとして機能する。

しかし、探針２１をカード本体２０に装着する際に探針の高さばらつきを抑えることは難しく、ある程度の高さばらつきが必ず生じる。

この場合、全ての探針２１を、例えば、ウェーハ１０上の電極１１に接触させようとすると、１つの探針２１にかかる力は小さいが、カード本体２０に何百本もの探針２１が装着されたプローブカードでは、その全体にかかる力Ｆtotalは非常に大きい。従って、カード本体２０を撓ませないために、カード本体２０には強固な構造が求められ、結果として、プローブカードが高価なものとなってしまっていた。

また、カード本体２０から比較的下方に突出している探針２１が電極１１に与える接触圧力Ｆ１は、そうでない探針２１が電極１１に与える接触圧力Ｆ０よりも大きくなる。その結果、接触圧力Ｆ１が加わる電極１１が破壊され、測定が不可能となってしまっていた。一方、接触圧力Ｆ１による電極１１の破壊を防ぐためには、探針の高さばらつきを５０μｍ程度に抑える必要がある。しかし、ポゴピンの場合、探針の長さ自体のばらつきと、ポゴピンを接着剤でカード本体２０に装着するときの位置ばらつきとによって探針の高さばらつきが生じているため、これを上記の５０μｍ程度に抑えることは難しい。

なお、特許文献１は、探針の接触ばらつきを抑えるための評価方法について開示するが、そのために１つの探針に１つのひずみ計が必要である。このため、狭い範囲に何百本もの探針が装着されるような高密度な探針構造に適用することは難しく、特許文献１から明らかなように、１つの探針のみを有するシングルプローブにしか応用できないと考えられる。

また、特許文献２は、接触圧によるプローブカードの変形に伴う触針のＺ方向の変位量を求め、この変位量を補償して該接触圧を一定とするためにウェーハのチャック機構のＺ方向の位置を修正する技術を開示する。このなかで、半導体デバイスの電気的特性を検査するに当たり、プローブカードの触針と半導体デバイスの電極パッドとの接触圧が約２００ｋｇ程の大きな値になることが記載されている。しかし、特許文献２は、この接触圧自体を小さくすることについては何ら開示しない。

特開２００３−３４７３７０号公報 特開２００３−４３１１２号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、探針の高さばらつきが発生していたとしても、各探針と電極との接触圧力を一定とすることができるとともに、探針を電極に押し付ける力がカード本体にかからないプローブカードを提案することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、複数の探針を有し、前記複数の探針を測定対象の複数の電極に接触させて該測定対象の電気特性を測定するためのプローブカードであって、１つの探針の上端に１つずつ個別に取り付けられる複数の錘を備え、前記複数の探針を前記複数の電極に接触させたときに、各電極には対応する探針と錘による力が加わるものであることを特徴とするプローブカードを提供する。

このようなプローブカードによれば、探針の高さばらつきが発生していたとしても、探針が電極に接触したときには、常に電極には、対応する探針と錘による力が加わる。すなわち、ＩＣ、又はウェーハ上に作られたチップなどの測定対象物の不良判定／評価を行うに当たって、各探針と電極との接触圧力を一定とすることができるとともに、探針を電極に押し付ける力はカード本体にかからなくすることができる。従って、電極の破壊を防止できるとともに、カード本体も強固で高価なものを使用する必要がなくなる。また、探針の高さばらつきを抑制又は解消する手段を新たに設ける必要がないので、開発コストを抑えることもできる。

また、１つの探針に対して１つずつ個別に設けられる複数の穴を有するカード本体をさらに備え、各探針は、対応する穴を通過するように配置され、各錘は、対応する穴を通過しない形状とすることで、対応する探針が電極に接触していないときに前記探針を前記カード本体に係止し、対応する探針が電極に接触しているときに前記探針を前記カード本体から離間してフリーとなるものであることが好ましい。

これにより、上記の各探針と電極との接触圧力を一定とし、かつ探針を電極に押し付ける力がカード本体にかからないプローブカードを、簡易な構造で実現できる。また、各探針が電極に接触していないときに、錘がカード本体に係止する構造とすることで、探針が穴から抜け出さないようにすることができる。

前記複数の錘は、同じ重さを有することが好ましい。

これにより、探針の高さばらつきが発生していたとしても、探針が電極に接触したときの各探針と電極との接触圧力は、全て同じとなる。その結果、プローブカードに搭載される複数の探針のうち、一部の探針で接触圧力が極端に大きくなって、対応する電極を破壊するといった事態が発生することもなくなる。

各錘は、下端のサイズが対応する穴のサイズよりも大きい形状を有することが好ましい。

これにより、全ての錘について、各探針が電極に接触していないときに錘の下端がカード本体に係止する構造となるため、プローブカードの取り扱いが容易化される。

前記測定対象は、半導体ウェーハであることが好ましい。

これにより、半導体プロセスにおいて、ウェーハ上に形成された素子又は回路の不良判定／評価を、上記のプローブカードを用いて行うことが可能となる。

以上のように、本発明によれば、探針の高さばらつきが発生していたとしても、各探針と電極との接触圧力を一定とすることができるとともに、探針を電極に押し付ける力がカード本体にかからないプローブカードを実現することができる。更に、接触圧力を一定にできることから、測定する電気特性のばらつきも抑制して、高精度で測定できる。

本発明のプローブカードの例を示す図である。 探針と錘の構造例を示す図である。 電極に対する探針の接触圧力を示す図である。 実施例の検証結果を示す図である。 比較例の検証結果を示す図である。 比較例の検証結果を示す図である。 ばね式の探針構造の例を示す図である。 市販品の探針を示す写真である。

上記のとおり、探針をウェーハ上の電極に押し付けるために、通常はばねを利用するが、ばねは移動量と力とが比例関係にあるため、探針の高さばらつきが発生していると、探針ごとに、電極への押し付け圧力（探針と電極との接触圧力）が異なるという事態が発生する。その結果、探針と電極との間に、互いの接触圧力の違いに起因するコンタクトばらつきが発生し、これが測定ばらつきの原因となるという問題があった。

一方、探針の高さばらつきを抑制又は解消することは現実的に困難である。

このようなことから、探針の高さばらつきが発生していたとしても、各探針と電極との接触圧力を一定とすることができるとともに、探針を電極に押し付ける力がカード本体にかからないプローブカードの開発が望まれていた。

本発明者らは、上記問題について鋭意検討を重ねた結果、まず、探針に高さばらつきが発生していても、全ての探針を電極に押し付けることができる圧力についてどのようなものがあるかを検討した。ばねはそのうちの一つであるが、探針の高さばらつきに依存して電極への押し付け圧力（探針と電極との接触圧力）にばらつきを発生させる。そこで、ばね以外の力について検討したところ、錘による重力で探針を押し付ける構造とすれば、探針の高さばらつきに関係なく、常に一定の押し付け圧力で探針を電極に押し付けることができ、かつコンタクトばらつきによる測定ばらつきも発生しないことを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、複数の探針を有し、前記複数の探針を測定対象の複数の電極に接触させて該測定対象の電気特性を測定するためのプローブカードであって、１つの探針の上端に１つずつ個別に取り付けられる複数の錘を備え、前記複数の探針を前記複数の電極に接触させたときに、各電極には対応する探針と錘による力が加わるものであることを特徴とするプローブカードである。

以下、本発明の実施の形態について、添付した図面に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。

図１は、本発明のプローブカードの例を示す。図２は、探針と錘の構造例を示す。
測定対象物としてのウェーハ１０は、電極１１を有する。このウェーハ１０上の電極１１に探針２１を押し当てて、ウェーハ１０内に形成された素子又は回路の電気的特性を測定する。プローブカード２４は、穴Ｈを有するカード本体（基盤）２０を備える。探針２１は、カード本体２０の穴Ｈを通過するように配置される。探針２１の上端には、それぞれ錘（重り）２２が取り付けられている。錘２２は、１つの探針２１に１つずつ個別に設けられている。

錘２２は、カード本体２０の穴Ｈを通過しない形状となっている。例えば、同図に示すように、錘２２は、円柱形を有し、下端のサイズ（直径）が穴Ｈのサイズ（直径）よりも大きくなっている。その結果、探針２１が電極１１に接触していないとき、錘２２は、重力によりカード本体２０に係止し、探針２１は、カード本体２０からぶら下がった状態となっている。

ここで、探針２１に高さばらつきが発生している場合を考える。この場合において、探針２１が電極１１に接触すると、錘２２は、カード本体２０から離間してフリー（上下に移動可能な状態）となる。また同時に、錘２２は、重力により一定の押し付け圧力Ｆを電極１１に与える。すなわち、錘２２の重さが同じ場合には、探針２１の全てが電極１１に接触したときの各探針２１の電極１１に対する押し付け圧力（各探針２１と電極１１との接触圧力）Ｆは、全て同じとなる。

その結果、プローブカードに搭載される複数の探針２１のうち、一部の探針２１で接触圧力が極端に大きなって電極１１を破壊するといった事態が発生することがなくなる。

また、カード本体２０に設けられる穴Ｈは、探針２１をガイドするためのものであり、探針２１は、カード本体２０に固定されていない。これは、探針２１が電極１１に接触しているときに、錘２２による押し付け圧力Ｆがカード本体２０にかからないことを意味する。従って、カード本体２０も強固で高価なものを使用する必要がなくなる。

以上のプローブカードによれば、探針２１の高さばらつきが発生していたとしても、探針２１が電極１１に接触したときには、電極１１には一定の押し付け圧力Ｆ、すなわち、探針２１と錘２２による力だけが加わる。従って、探針２１の高さばらつきを抑制又は解消する必要がないとともに、電気的特性を評価する際に電極１１が破壊されるといった事態も回避することができる。また、押し付け圧力Ｆは、カード本体２０にかからないため、カード本体２０も強固で高価なものを使用する必要がなくなる。更に、接触圧力が一定とできるので、電気特性の測定精度の向上も図ることができる。

なお、上述のプローブカードを用いた測定対象物の測定は、デジタル信号を用いて行うことも可能であるし、又はアナログ信号を用いて行うことも可能である。すなわち、測定対象物は、デジタルＩＣであっても、又はアナログＩＣであってもよい。

以下に本発明の実施例を挙げて、本発明を詳細に説明するが、これらは、本発明を限定するものではない。

（実施例）
図３は、電極に対する探針の接触圧力を示す。
同図において、比較例は、ばね力により探針を電極に押し付けるばね方式のプローブカードの模式図であり、実施例は、錘による重力により探針を電極に押し付ける重力方式のプローブカードの模式図である。

３００ｍｍウェーハのＧＯＩ測定を行うため、実施例のプローブカードは、各探針２１に個別に取り付けられる錘２２の重さを１０ｇとした。比較例のプローブカードは、各探針２１に個別に取り付けられるばね２３のばね定数を３００ｇｆ／ｍｍとした。探針２１は、実施例及び比較例ともに、Ｗ（タングステン）製とし、直径１．５ｍｍのものを使用した。

・カード本体にかかる圧力について
まず、比較例を説明する。比較例では、探針２１の高さばらつきΔｘが無いときに、１本のばね２３による押し付け圧力が５０ｇｆ／１本であると仮定すると、プローブカードに３００本の探針２１が取り付けられるとカード本体２０には１５ｋｇの圧力がかかり、プローブカードに１０００本の探針２１が取り付けられるとカード本体２０には５０ｋｇの圧力がかかることになる。従って、カード本体２０には、このような大きな圧力がかかっても撓むことがない強固な構造が求められる。

また、ばね２３を用いる場合、該ばね２３の押し込み量が増えると、その反発力は加速度的に増えていくことになる。例えば、探針２１を電極に押し付けるばね２３のばね定数が３００ｇｆ／ｍｍである場合において、３００本の探針２１の長さが基準位置から１０μｍ増えたとすると、上記の高さばらつきΔｘが無いときに比べて、さらに９００ｇの圧力をカード本体２０に余分に加えなければならない。

これに対し、実施例において、１本の探針２１上に取り付けられる錘の重さを１０ｇと仮定すると、探針２１が電極に接触していない状態では、プローブカードに３００本の探針２１が取り付けられるとカード本体２０には３ｋｇの圧力がかかり、プローブカードに１０００本の探針２１が取り付けられるとカード本体２０には１０ｋｇの圧力がかかることになる。この圧力は、比較例と比べて十分に小さい。

しかも、探針２１が電極に接触して電気的特性の測定を行っている状態では、錘２２は、カード本体２０から離間して浮いた状態となる。すなわち、錘２２は、フリーな状態となるため、探針２１の高さばらつきΔｘに関係なく、１つの電極には１０ｇの押し付け圧力のみが発生するとともに、カード本体２０には錘２２による圧力が一切かからない。従って、実施例では、カード本体２０には、比較例のような強固な構造が必要とされない。

なお、実施例では、カード本体２０と探針２１との摺動部のすべりを良好にしておくことが好ましい。これにより、探針２１を電極に押し付けるときの探針２１の引っ掛かりを防止することができるからである。

・電極への押し付け圧力について
まず、実施例及び比較例ともに、探針２１は高さばらつきΔｘを有し、そのばらつき範囲は基準位置に対して±５０μｍであった。すなわち、最も長い探針２１の先端は、基準位置よりも＋５０μｍ長く、最も短い探針２１の先端は、基準位置よりも−５０μｍ短いものであった。

図４は、実施例の検証結果を示す。
同図において、各四角は、ウェーハ内に形成されたチップ（ダイシング前）を表し、各チップの電気的特性を、各チップの電極に上記実施例のプローブカードの探針を押し当てることによって測定した。

その結果、同図から明らかなように、探針に上記の高さばらつきΔｘ（基準位置に対して±５０μｍ、最も長い探針と最も短い探針との差が１００μｍ）が発生していても、全てのチップの電極に探針を押し当てることができ、全てのチップの電気的特性を測定することができた。また、探針の高さばらつきΔｘについては、基準位置に対して±７５μｍ、すなわち、最も長い探針と最も短い探針との差が１５０μｍのものについても、全てのチップの電極に探針を押し当てることができ、全てのチップの電気的特性を測定できることを確認した。

またこの時、ウェーハ上の各電極には、一定（１０ｇ）の押し付け圧力Ｆ（図３のＦ０＝Ｆ１＝…Ｆ８）のみが印加され、それによる電極の破壊も発生していないことを確認した。

（比較例）
図５及び図６は、比較例の検証結果を示す。
これらの図において、各四角は、ウェーハ内に形成されたチップ（ダイシング前）を表し、各チップの電気的特性を、各チップの電極に上記比較例のプローブカードの探針を押し当てることによって測定した。

その結果、同図から明らかなように、探針に上記の高さばらつきΔｘ（基準位置に対して±５０μｍ、最も長い探針と最も短い探針との差が１００μｍ）が発生していると、電気的特性を測定可能なチップ（測定可能部）の他に、故障部及び不接触部が発生することが判明した。ここで、故障部とは、探針による押し付け圧力が強すぎて電極自体が破壊されてしまった部分のことである。また、不接触部とは、上記の高さばらつきのために探針が電極に接触しないで電気的特性の測定が行えなかった部分のことである。

このように、比較例では、探針に高さばらつきΔｘが発生していると、故障部や不接触部無しに、全てのチップについて電気的特性を測定することが非常に難しくなっている。

なお、比較例において、３００本の探針を有するプローブカードを、基準位置にある探針が電極に接触するところ（±０μｍ）付近まで押し下げたところ、２７３本の探針が電極に接触し、残りの２７本の探針については、電極に接触することがなかった（図５参照）。また、電極に接触した探針のうち最も長い探針には、押し付け圧力として１５ｇ／１本がかかっていることが確認された。さらにこの時、探針の高さばらつきΔｘの平均値を−２０μｍと仮定すると、カード本体には約８００ｇの圧力がかかることが確認された。

また、比較例において、高さばらつきΔｘを有する探針の全てが電極に接触するまで、プローブカードを押し込んだ場合、具体的には、全ての探針と電極との間に電気が流れるまで、さらに探針を＋５０μｍほど押し込んだ場合、不接触部が無くなったものの、故障部の割合が非常に増えることが分かった（図６参照）。これは、図３に示すように、ウェーハ上の各電極には、互いに異なる押し付け圧力Ｆ（Ｆ０≠Ｆ１≠…Ｆ８）が印加され、最も長い探針には押し付け圧力Ｆ８として３０ｇ／１本がかかり、最も短い探針Ｆ７には、押し付け圧力として０ｇ／１本がかかり、その差ΔＦが大きな値（３０ｇ）となることに起因する。

また、基準位置にある探針が電極に接触するところ（±０μｍ）付近まで押し下げたところ、カード本体には約９００ｇの圧力がかかり、さらに探針を＋５０μmほど押し込んだところ、カード本体には約６．３ｋｇの圧力がかかることが確認された。

この検証結果から分かるように、実施例では、探針の高さばらつきが発生していたとしても、故障部や不接触部無しに測定対象物の電気的特性の測定が行えること、さらに、探針を電極に押し付ける力がカード本体にかからないことが立証された。

以上、説明してきたように、本発明によれば、探針の高さばらつきが発生していたとしても、各探針と電極との接触圧力を一定とすることができるとともに、探針を電極に押し付ける力がカード本体にかからないプローブカードを実現することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…ウェーハ、 １１…電極、 ２０…カード本体、 ２１…探針、 ２２…錘、 ２３…ばね、 ２４…プローブカード。

Claims (5)

1. 複数の探針を有し、前記複数の探針を測定対象の複数の電極に接触させて該測定対象の電気特性を測定するためのプローブカードであって、
   １つの探針の上端に１つずつ個別に取り付けられる複数の錘を備え、
   前記複数の探針を前記複数の電極に接触させたときに、各電極には対応する探針と錘による力が加わるものであることを特徴とするプローブカード。
2. １つの探針に対して１つずつ個別に設けられる複数の穴を有するカード本体をさらに備え、
   各探針は、対応する穴を通過するように配置され、
   各錘は、対応する穴を通過しない形状とすることで、対応する探針が電極に接触していないときに前記探針を前記カード本体に係止し、対応する探針が電極に接触しているときに前記探針を前記カード本体から離間してフリーとなるものであることを特徴とする請求項１に記載のプローブカード。
3. 前記複数の錘は、同じ重さを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプローブカード。
4. 各錘は、下端のサイズが対応する穴のサイズよりも大きい形状を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプローブカード。
5. 前記測定対象は、半導体ウェーハであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプローブカード。