JP2022082170A - プローバの消費電力低減方法及びプローバ - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハに構成された電子デバイス（半導体チップ）の電気的特性を検査するプローバにおいて、消費電力の低減を図ると共に、耐荷重を増加可能とする。【解決手段】半導体チップの電極パッドが構成されたウェーハＷをウェーハチャック２０上に保持し、サーボモータで所定位置まで上昇させて電極パッドにプローブ針３５を接触させて電気的特性を検査するプローバの消費電力低減方法であって、ウェーハチャック２０をサーボモータで上昇して停止させた後、所定量だけ下降させて所定位置で保持し、半導体チップの電気的特性検査を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、ウェーハに構成された電子デバイス（半導体チップ）の電気的特性を検査するプローバに係り、特に、ウェーハをウェーハチャック上に保持した状態で、半導体チップの電極パッドにプローブ針を接触（コンタクト）中において、消費電力を低減したプローバの消費電力低減方法及びプローバに関する。

半導体製造工程では、薄い板状のウェーハに各種の処理を施して、電子デバイスを有する複数のチップを製造する。各チップは、例えば、特許文献１等に開示されたプローバによって電気的特性が検査され、その後、ダイシング装置によってチップ毎に切り離される。

プローバは、ウェーハチャック（テーブル）、プローブ、テスタ等を備えて構成される。プローバによる検査方法は、ウェーハチャックの保持面に、検査前のウェーハを載置して吸着保持する。この後は、各チップの電極パッドにプローブ針を接触（プロービング）させ、チップの電極から出力される信号をテスタによって測定し、正常に動作するか否かを電気的に検査している。

プローブ針と半導体ウェーハとを接触させて電気特性を測定する検査は、その接触（コンタクト）を最適な状態にするために、常に、予め決められた位置まで半導体ウェーハを上昇させて適正なコンタクトが行われるように制御している。そして、最適な上昇量は、ウェーハチャックを駆動するサーボモータのモータ電流やトルクを制御することで行われている。

モータ電流の大きさは、複数のプローブ針が複数の電極パッドに所定範囲の接触圧で接触するだけでなく、接触荷重以外に対象の軸の駆動に影響する力成分（ステージを駆動する際の摩擦力やステージ自身の重量など）も考慮する必要がある。そこで、従来は、ウェーハとプローブ針が接触してから数１０～数１００μｍの範囲でウェーハＷをさらに上昇させるオーバードライブを行い、そこで停止している。

特開２０１８－１１７０９５号公報

上記従来技術において、コンタクト（デバイステスト時間）中の高さを保持するサーボモータのトルクは、ウェーハチャックの移動時よりも大きいトルクが必要とされる。そのため、プローバは、保持する時間の消費電力が大きい。また、プローバ性能である耐荷重は、コンタクト中のトルク（サーボモータへの負荷）で決定されるが、近年は、電子デバイスの細密化及び小型化によりウェーハの電極パッド数が増加しており、耐荷重を増加することも要求されている。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、消費電力の低減を図ると共に、耐荷重を増加可能としたプローバの消費電力低減方法及びプローバ提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、半導体チップの電極パッドが構成されたウェーハをウェーハチャック上に保持し、サーボモータで所定位置まで上昇させて前記電極パッドにプローブ針を接触させて電気的特性を検査するプローバの消費電力低減方法であって、前記ウェーハチャックを前記サーボモータで上昇して停止させた後、所定量だけ下降させて前記所定位置で保持し、前記検査を行う。

上記のプローバの消費電力低減方法において、前記所定量は、１μｍ～最大移動可能量としたことが望ましい。

上記のプローバの消費電力低減方法において、前記所定量は、１μｍ程度としたことが望ましい。

上記のプローバの消費電力低減方法において、前記所定位置は、前記プローブ針と前記電極パッドの間で確実な電気的接触を実現する接触圧が得られる位置とすることが望ましい。

上記目的を達成するため、本発明は、半導体チップの電極パッドが構成されたウェーハをウェーハチャック上に保持し、サーボモータで所定位置まで上昇させて前記電極パッドにプローブ針を接触させて電気的特性を検査するプローバにおいて、ボールネジとガイドで構成された前記ウェーハチャックの上下機構と、前記上下機構を駆動する前記サーボモータと、前記ウェーハチャックを上昇して停止させた後、所定量だけ下降させて前記所定位置で保持する制御装置と、を備えたものである。

上記のプローバにおいて、前記所定量は、１μｍ～最大移動可能量としたことが望ましい。

上記のプローバにおいて、前記所定量は、１μｍ程度としたことが望ましい。

本発明によれば、ウェーハを保持したウェーハチャックをサーボモータで上昇して停止させた後、所定量だけ下降させて所定位置で保持し、ウェーハ上に構成された電極パッドにプローブ針を接触させて電気的特性を検査するので、検査中にウェーハチャックを保持するための消費電力の低減を図ることができる。

本発明の一実施形態によるプローバ１０の側面図 本発明の一実施形態によるウェーハチャック２０の動作図 ウェーハチャック２０の保持トルクを測定する説明図 一実施例による図３の測定結果を示す表 一実施例によるウェーハチャック２０を上昇後、下降したときのモータトルク及び速度の時間変化を示すグラフ 従来及び一実施例によるモータ負荷率、瞬時発生トルク、エンコーダ情報、消費電力の測定結果を示す比較表 保持トルクを７０％としたときの耐荷重を従来及び一実施例で比較した結果を示す表

図１は、ウェーハＷに形成された複数の半導体チップの電気的特性を検査するウェーハテストシステムに用いられるプローバ１０の側面図である。プローバ１０は、ベース１２と、Ｙステージ１３と、Ｙ移動部１４と、Ｘステージ１５と、Ｘ移動部１６と、Ｚθステージ１７と、ウェーハチャック２０と、カードホルダ２５と、プローブカード２６と、ウェーハ位置合わせカメラ（図示せず）と、上下ステージ３０と、針位置合わせカメラ３１と、温度センサ（図示せず）と、クリーニング板３２等を備える。

ウェーハチャック２０の上面には、真空吸着等の各種保持方法によりウェーハＷが保持される。カードホルダ２５にはプローブカード２６の外周を保持する保持穴２５ａが形成され、保持穴２５ａにプローブカード２６が保持される。プローブカード２６は、検査する半導体チップの電極パッド（図示せず）の配置等に応じて配置されたプローブ針３５を有している。

針位置合わせカメラ３１は、プローブカード２６のプローブ針３５を撮像する。針位置合わせカメラ３１にて撮像されたプローブ針３５の撮像画像に基づき、プローブ針３５の位置を検出することができる。クリーニング板３２は、コンタクト時のプローブ針３５とウェーハＷとの接触抵抗を改善するため、プローブ針３５の針先をクリーニング時に研磨する。

プローバ１０は、ウェーハＷをウェーハチャック２０上に保持した状態で、プローブ針３５を有するプローブカード２６とウェーハチャック２０とを相対移動、つまりサーボモータでウェーハチャック２０をＺ軸方向へ上昇させる。それにより、ウェーハＷ上の電極パッドは、プローブ針３５と電気的に接触（コンタクト）する。

テスタは、プローブ針３５に接続された端子を介して、半導体チップに各種の試験信号を供給すると共に、半導体チップから出力される信号を受信及び解析して半導体チップが正常に動作するか否かのデバイステストを実行する。

電極パッドをプローブ針３５に接触させる動作は、プローブ針３５の位置及びウェーハＷの位置を検出した後、半導体チップの電極パッドの配列方向がプローブ針３５の配列方向に一致するように、Ｚθステージ１７を回転して行われる。そして、制御装置は、Ｚθステージ１７の検査する電極パッドがプローブ針３５の下に位置するように移動した後、サーボモータ（図示せず）でウェーハチャック２０を上昇させて、電極パッドをプローブ針３５に接触させる。

プローブ針３５に電極パッドを接触させるときは、電極パッドの表面がプローブ針３５の先端部に接触する高さ位置（接触開始位置）から、さらに高い位置（移動終了位置）まで電極パッドを上昇させる。接触開始位置は針位置合わせカメラ３１で検出される。従来は、移動終了位置がプローブ針３５と電極パッドの間で確実な電気的接触を実現する接触圧が得られるようなプローブ針３５の撓み量が得られる先端部の変位量を、接触開始位置に加えた高さ位置とされる。

実際には、プローブ針３５の本数は、例えば数百本であり、すべてのプローブ針３５と電極パッドの間で確実な電気的接触が実現されるように移動終了位置が所定の値で設定される。この接触開始位置から移動終了位置までの移動量はオーバードライブ量である。

プローバ１０などの半導体製造装置では高スループットが求められており、ウェーハテストシステムではプローブと電極パッドとの１回の接触で複数個のチップを同時に検査することにより検査のスループットを向上することが行われている。

プローブ針３５には、各チップの電極パッドに対応してプローブ針３５が設けられる。近年、同時に検査されるチップの個数は、増大する傾向にあり、例えば、同時に５０以上のチップを検査する場合、各チップが５０個の電極パッドを有する場合には、プローブカード２６には、５０×５０＝２５００本のプローブが設けられることになる。

電極パッドにプローブ針３５を接触させるとき、ウェーハチャック２０は、電極パッドとプローブ針３５との接触開始位置から所定位置までオーバードライブ量だけ上昇して停止している。プローブ針３５は、オーバードライブ量分の上昇により撓んで、所定の接触圧で電極パッドに接触する。例えば、１本のプローブ針３５の所望の接触圧が５ｇとすると、プローブが２５００本ある場合には、プローブカード２６は、全体で１２．５ｋｇの上方への圧力を中央の部分に受けることになる。

プローブカード２６は、配線パターンを有する多層のエポキシ樹脂などで作られており、中央の部分で大きな圧力を受けると撓んで上方へ変形する。プローブカード２６の変形は、オーバードライブ量を実質的に減少させることになり、接触圧を低下させる。そのため、オーバードライブ量は、プローブカード２６の変形による接触圧の低下分を見込んで設定しなければならなかった。

図２は、一実施形態によるウェーハチャック２０の動作図である。従来、ウェーハチャック２０は、所定位置までサーボモータで上昇駆動され、上昇して停止する。従来に対して、本実施形態は、ウェーハチャック２０をサーボモータでＺ軸方向に上昇して停止した後、所定量だけ下降させて所定位置に移動させ、保持する制御を行う。
ここで、所定量とは、後述する実験結果より最低１μｍ以上が望ましく、最大でもプローブ針３５と電極パッドとの間で確実な電気的接触が実現している範囲であることが必要である。以下、プローブ針３５と電極パッドとの間で確実な電気的接触が実現している最大の所定量を最大移動可能量と称する。
最大移動可能量は、プローブカード２６ごとに評価を行い、すべてのプローブ針３５と電極パッドとの間で確実な電気的接触が保たれる最大の下降量を求めることによって得ることができる。
所定量の例としては、１～数μｍとすることができる。

所定位置は、プローブ針３５と電極パッドの間で確実な電気的接触を実現する接触圧が得られる位置とする。ウェーハチャック２０の上昇下降は、ボールネジとガイド（図示せず）で構成される上下機構をサーボモータで駆動することで次のように行われる。

（１）ウェーハチャック２０は、プローブ針３５とウェーハＷが接触する前の所定のＺ軸高さにある。（２）制御装置は、サーボモータを駆動してウェーハチャック２０をＺ軸方向に上昇させ、プローブ針３５とウェーハＷとを接触させてウェーハチャック２０を所定位置まで上昇する。（３）その後、制御装置は、ウェーハチャック２０をＺ軸方向に１μｍ～最大移動可能量、望ましくは１～数μｍ、より望ましくは１μｍ程度だけ下降させてその位置を保持するように制御する。

デバイステストは、制御装置がウェーハチャック２０の位置を保持している間に実施される。これにより、サーボモータは、デバイステスト時間中の保持トルクを低減することが可能となり、プローバ１０としての消費電力低減を図ることができる。また、デバイステスト中のトルクを下げることができることは、サーボモータへの負荷も小さくなる。したがって、本実施形態は、サーボモータの負荷率で制限される耐荷重を上げることが可能となる。

ウェーハチャック２０を上昇して停止したままにせず、上昇して停止した後、１μｍ～最大移動可能量、望ましくは１～数μｍ、より望ましくは１μｍ程度の所定量だけ下降することによる効果は、次のように考えられる。ウェーハチャック２０の上昇時は、「ボールネジとガイドの摩擦による負荷」＋「上下する部材の重力負荷」に対するトルクが必要となる。下降時は、「ボールネジとガイドの摩擦による負荷」－「上下する部材の重力負荷」となる。

そのため、サーボモータに必要なトルクは、上昇よりも下降の方が低くなる。また、サーボモータ（通常、ＡＣサーボモータ）を用いる。そして、ＡＣサーボモータは、位置決め完了後に位置保持制御（サーボロック）を行うため、トルクが低い動作で位置決めを行うと停止時の保持トルクが低くなる。なお、上下機構に限らず、モータの回転方向（ＣＷ/ＣＣＷ）でトルクに差がある場合は、当制御が有効である。

以下、実験した結果による実施例を説明する。図３は、ウェーハチャック２０を所定位置まで上昇させたときの保持トルクを測定するときの説明図である。ウェーハチャック２０は、その上に荷重変換器であるロードセル４１を乗せ、矢印のように上昇させ、固定ガイド４０で所定位置に制限する。そして、実験は、従来のようにウェーハチャック２０を上昇して停止した場合と、上昇して停止したままにせず、上昇後、下降した場合とで１８０００μｍの位置でロードセル４１の出力が５２０ｋｇｆとなるようにした。

図４は、図３の実験結果を表にしたものである。図５は、ウェーハチャック２０を上昇後、下降したときのモータトルク及び速度の時間変化を示すグラフである。従来のようにウェーハチャック２０を上昇して１８０００μｍの位置で停止した場合は、保持トルクが７０％である。実施形態のように一度１８００１μｍまで上昇させて１８０００μｍ位置まで下降させた場合は、保持トルクが６１％、つまり、９％だけ保持トルクを下げることができた。

図６は、モータ負荷率、瞬時発生トルク、エンコーダ情報、消費電力の測定結果を従来のウェーハチャック２０を上昇して停止させたとき、及び本実施形態で比較した表である。この結果、従来の様に上昇して停止させたときのモータ負荷率、瞬時発生トルクは６７％、消費電力は２６Ｗであった。

本実施形態による上昇後、下降したときのモータ負荷率、瞬時発生トルクは６３％、消費電力は２４Ｗとなった。この結果、ウェーハチャック２０を上昇後、下降した方は、長時間のウェーハテスト中において大きな省電力化が図れることが分かる。なお、エンコーダ情報は、参考情報として停止位置に対応する値を示し、その差は１μｍに対応する。

図７は、保持トルクを７０％としたときの耐荷重を比較した結果である。保持トルクは、７０％で与え、ロードセル４１で耐荷重を測定したものである。従来制御は、単に上昇して停止させているので耐荷重は５２０ｋｇｆであった。それに対して、実施形態のように上昇後、下降するように制御した場合は、保持トルクを７０％でありながら耐荷重を６０５ｋｇｆとして増加できることが分かった。

１０…プローバ
１２…ベース
１３…Ｙステージ
１４…Ｙ移動部
１５…Ｘステージ
１６…Ｘ移動部
１７…Ｚθステージ
２０…ウェーハチャック
２５…カードホルダ
２５ａ…保持穴
２６…プローブカード
３０…上下ステージ
３１…針位置合わせカメラ
３２…クリーニング板
３５…プローブ針
４０…固定ガイド
４１…ロードセル
Ｗ…ウェーハ

Claims (7)

1. 半導体チップの電極パッドが構成されたウェーハをウェーハチャック上に保持し、サーボモータで所定位置まで上昇させて前記電極パッドにプローブ針を接触させて電気的特性を検査するプローバの消費電力低減方法であって、
   前記ウェーハチャックを前記サーボモータで上昇して停止させた後、所定量だけ下降させて前記所定位置で保持し、前記検査を行うことを特徴とするプローバの消費電力低減方法。
2. 前記所定量は、１μｍ～最大移動可能量としたことを特徴とする請求項１に記載のプローバの消費電力低減方法。
3. 前記所定量は、１μｍ程度としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のプローバの消費電力低減方法。
4. 前記所定位置は、前記プローブ針と前記電極パッドの間で確実な電気的接触を実現する接触圧が得られる位置とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のプローバの消費電力低減方法。
5. 半導体チップの電極パッドが構成されたウェーハをウェーハチャック上に保持し、サーボモータで所定位置まで上昇させて前記電極パッドにプローブ針を接触させて電気的特性を検査するプローバにおいて、
   ボールネジとガイドで構成された前記ウェーハチャックの上下機構と、
   前記上下機構を駆動する前記サーボモータと、
   前記ウェーハチャックを上昇して停止させた後、所定量だけ下降させて前記所定位置で保持する制御装置と、
   を備えたことを特徴とするプローバ。
6. 前記所定量は、１μｍ～最大移動可能量としたことを特徴とする請求項５に記載のプローバ。
7. 前記所定量は、１μｍ程度としたことを特徴とする請求項５又は６に記載のプローバ。

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