JP3095889B2 - 重力軽減機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、重力軽減機構に関す
る。

【０００１】

【産業上の利用分野】一般に、例えば半導体ウエハに形
成された各チップが電気的に正常に動作するか否かを検
査する装置として、プローバ装置が知られている。この
プローバ装置は、例えば図７及び図８に示すように上部
に半導体ウエハを載置固定するプローバ本体２と、回転
可能になされた主軸４にアーム６を介してプローバ本体
２上にて起倒自在に設けられたテストヘッド８を有して
おり、上記ウエハの各チップの電極パッドにテストヘッ
ド８に設けたプローブ針（図示せず）を接触させ、この
プローブ針を介して図示しないテスタから測定パターン
を印加することにより各チップの電気的特性を検査する
ようになっている。

【０００２】ところで、プローブ針のチェック、ウエハ
の針跡チェック、プロブカードの交換時は、図中仮想線
で示すようにテストヘッド８を主軸４を中心として起倒
したり、或いは完成品等のチェックを行うためには、反
対側の水平方向へ１８０度完全に展開しなければならな
い。この場合、テストヘッド８の展開操作は一般的には
オペレータによって行われるが、通常このテストヘッド
８の重量は２０〜３００ｋｇにも達しているので、オペ
レータがこれを容易に展開させることができるように重
力軽減機構として主軸４の一端部にカウンタウエイト１
０を取り付けて主軸に加わるモーメントを略ゼロにする
ことが行われている。また、他の重力軽減機構としては
主軸４に複数のネジリコイルバネを装着し、これらのバ
ネより発生するネジリモーメントを利用してテストヘッ
ド８の展開時に必要とされる力を軽減させるようになっ
ている。また、図９、図１０に示すように主軸４の一端
部にアーム１１を介してガススプリング１２を取り付
け、ガススプリングの弾発力をアーム１１に付与するこ
とにより主軸４に加わるモーメントを小さくすることも
行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うにカウンタウエイト１０を設ける場合には、テストヘ
ッド８がどの展開角度に位置しようがオペレータはこれ
を容易に動かすことができ、操作性は非常に良好である
が、カウンタウエイト１０を設けた分だけ装置全体の重
量が重くなってしまい、例えば清浄空気のダウンフロー
を吸引するネット状床部の強度をその分だけ増加させな
ければならないという改善点があった。また、テストヘ
ッド８の展開に伴ってカウンタウエイト１０が移動する
が、安全性を確保するためにその移動範囲全体を被うよ
うに保護カバー１２を設けなければならない。このため
に、装置の占有する床面積が大きくなり、特に、この種
の装置が配置されるクリーンルームの単位面積のコスト
は非常に高いので、全体として設備費の高騰を余儀なく
されるという改善点があった。

【０００４】一方、重力軽減機構としてネジリコイルバ
ネを使用した場合には、設置スペースは少なくて済むが
バネが縮み込むときに必ず空転エリアが発生し、バネが
機能しなくなる。このため、テストヘッド８が上下方向
に起立している状態ではバネが機能せず、非常に不安定
であった。また、テストヘッド８がプローバ本体２側に
位置する時とこれが１８０度展開して反対側に位置して
いる時のバネの沈み込み量が異なり、このため、例えば
テストヘッド８がプローバ本体２側へ倒されている時に
主軸４に加わるモーメントがゼロになるように設定する
と、テストヘッド８を１８０度反対側へ倒すためには、
例えば２０〜３０ｋｇの力でテストヘッド８を押さえ込
まねばならず、全体として操作性がかなり劣るという改
善点を有していた。

【０００５】更に、上記したようなネジリコイルバネを
使用する場合には、設置スペースが過度に大きくならな
い範囲で多数個のバネを設けたとしても、全体としての
重力軽減力は５０ｋｇ程度であり、前述のように半導体
デバイスの高集積化により装置が大型化して重量化した
今日においては対応することが困難となっている。ま
た、重力軽減機構としてガススプリングを使用した場合
は、ガススプリングと主軸４との干渉を防ぐため、主軸
４の先端部にガススプリングを取り付けなければなら
ず、また占有スペースを過度に大きくとれないことから
使用できるガススプリングの本数は数本程度に限られて
いる。また、数本のガススプリングでテストヘッド８の
重量を支えなければならないため、主軸４の中心からガ
ススプリングの取り付け部までの距離を長くし、モーメ
ントを大きくしなければならない。この場合、テストヘ
ッド８が上下方向に起立している状態ではガススプリン
グは最も伸びていて弾発力は最小であるが、テストヘッ
ド８がプローバ本体２側へ倒れているときと、これが１
８０度展開して反対側に位置しているときには、ガスス
プリングが最も押し込まれていて最大の弾発力を発生し
ている。この弾発力の差は十数キロとなり、この弾発力
の差により、例えば、テストヘッド８が上下方向に起立
しているときに主軸４に加わるモーメントがゼロになる
ように設定すると、テストヘッド８が起立している状態
からプローバ本体２側、または反対側へ回動させるため
には、例えば１０Ｋｇ〜２０Ｋｇの力でテストヘッドを
押さえ込まなければならず、全体として操作性がかなり
劣るという改善点を有していた。また、上記したよう
に、ガススプリングを取り付けることにより装置の占有
する床面積が大きくなるという改善点も有していた。本
発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解
決すべく創案されたものである。本発明の目的は、占有
スペースを大きくすることなく操作性の優れた重力軽減
機構を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した問題
点を解決するために、少なくとも所定の角度だけ回転可
能になされるようにその両端が軸受部で支持される主軸
に取り付け固定された重量物を回転するに際して前記重
量物を回動させるに要する力を軽減させる重力軽減機構
において、前記軸受部間の主軸にフランジを固定し、前
記主軸に対して直交する方向へ、その長手方向へ伸縮可
能なスプリングユニットを設けると共に前記スプリング
ユニットの力が作用する部分を前記フランジの外周部に
取り付け、この取り付け位置は、前記重量物が起立して
その重心が前記主軸の真上に位置した時の前記重心と前
記主軸とを結ぶ直線の略延長上に位置され、前記スプリ
ングユニットの弾発力を前記フランジに付与するように
構成したものである。また、本発明は、少なくとも所定
の角度だけ回転可能になされるようにその両端が軸受部
で支持される支持回転軸に取り付け固定された重量物を
回転するに際して前記重量物を回動させるに要する力を
軽減させる重力軽減機構において、前記軸受部間の支持
回転軸に円板状のフランジを同軸状に固定し、前記フラ
ンジの外周部に伸縮可能なスプリングユニットの力が作
用する部分を取り付け、この取り付け位置は、前記重量
物が起立してその重心が前記主軸の真上に位置した時の
前記重心と前記主軸とを結ぶ直線の略延長上に位置さ
れ、前記重量物が回転位置のどこに存在しても前記重量
物の重量による回転トルクと前記スプリングユニットの
反発力による回転トルクがバランスするように構成した
ものである。

【０００７】

【作用】本発明は、以上のように構成したので、主軸
（支持回転軸）に取り付け固定したフランジに、スプリ
ングユニットの一端より発生する弾発力が付与される。
この弾発力は、この弾発力が付与されている箇所から回
転中心まての距離が小さいため、重量物（テストヘッ
ド）が垂直方向に起立した状態から水平方向へ倒れるに
従ってもあまり変化せず、その結果、重量物の重量によ
り発生するモーメントとスプリングユニットの弾発力に
より発生するモーメントの差が僅かとなり、１８０度の
展開範囲全域にわたって僅かな力で回転させることがで
き、操作性を向上させることが可能となる。換言すれ
ば、重量物が回転位置のどこにあっても、重量物による
回転トルクとスプリングユニットの反発力による回転ト
ルクをバランスさせることがてきる。

【０００８】

【実施例】以下に、本発明に係る重力軽減機構の一実施
例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明に係る
重力軽減機構の一実施例を示す正面図、図２は図１に示
す機構の概略側面図、図３は図１に示す機構の概略平面
図である。尚、従来装置と同一部分については同一符号
を付す。図示するように本実施例においては本発明の重
力軽減機構をプローバ装置に適用した場合について説明
する。

【０００９】このプローバ装置１４は、その上部に検査
すべき被検査体、例えば半導体ウエハＷを載置固定する
プローバ本体２を有しており、このウエハＷは、図示し
ないＸ・Ｙ・Ｚステージ上に載置されて水平面内及び上
下方向への位置合わせを行い得るように構成されてい
る。このプローバ本体２の上方には、上記ウエハＷに形
成された各チップの電気的特性を検査する重量物として
のテストヘッド８が後述するように展開可能に設けられ
る。このテストヘッド８とプローバ本体２との接続上は
接続リング或いはワイヤリングアッセンブリ７０が有り
プロブカード６９はこの接続リングを介して設けられて
いる。このプロブカード６９のプローブ針１６をウエハ
Ｗに形成された各チップの電極パッドに接触させた状態
で図示しないテスタから測定パターンを印加することに
より各チップの電気的特性を検査し得るように構成され
ている。

【００１０】上記テストヘッド８は、テスタ７と上記プ
ローブ針１６との間の電気信号をインタフェースするた
めの多数の電子機器が収容されており、その重さは２０
〜２００ｋｇもの重量となる。このテストヘッド８は、
本発明の重力軽減機構１９に連結されて展開時にその重
力が軽減される。すなわちこのテストヘッド８は上記プ
ローバ本体２の側部に起立させて設けた２本の支柱１８
間に掛け渡された支持回転軸としての主軸２２に２本の
アーム２４を介して取り付け固定されており、そして、
この主軸２２はその両端において軸受部２０を介して上
記支柱１８の上部に回転可能に支持されている。従っ
て、重量物てある上記テストヘッド８は主軸２２を中心
として図１に示すように１８０度展開可能になされてい
る。

【００１１】そして、このテストヘッド８の重力を軽減
するために長手方向へ伸縮可能なスプリングユニット、
例えばガススプリング２６が使用される。このガススプ
リング２６は、主軸２２の軸方向に対して直交する方向
に沿って設けられる。このガススプリング２６は、図示
例にあっては２本しか記載してないが、実際には１０本
程度設けられており、またその数は軽減すべき重量物の
重さに対応させて適宜増減できる。このガススプリング
２６は、例えば円柱状のガススプリング本体２８内に所
定の圧力のガス例えば空気を充填し、このガスの圧力に
よりロッド部３０をガススプリング本体２８の長手方向
へ付勢するように構成されている。

【００１２】このガススプリング２６の全体は、直方体
状の保護箱３１内に収容されており、上記ガススプリン
グ本体２８の上端部は、２本の支柱１８間に平行に掛け
渡された２つの補強梁３２側に固定されると共に他端の
ロッド部３０の先端は、１対のガイド板３４側へ案内移
動可能に支持される。具体的には、上記２つの補強梁３
２間には上下方向へ僅かに傾斜させて補強板３６が掛け
渡して固定されており、この補強板３６には調整ネジ３
８を介して可動板４０が上下方向へ調整移動可能に設け
られる。そして、この可動板４０にこれに直交するよう
に上記ガススプリング本体２８の上端が取り付け固定さ
れており、ガススプリング本体２８は垂直方向に対して
やや傾斜されて全体の高さを低くするようになされてい
る。また、ロッド部３０の先端にはガイドピン４２が固
定されており、このガイドピン４２は、上記１対のガイ
ド板３４にロッド部３０の出没方向に沿って形成された
長孔状のガイド孔４４にその両端が遊嵌されて移動自在
になされている。

【００１３】一方、このガススプリング２６に対応する
主軸２２の部分には所定の径を有する図５に示すような
フランジ４６が取り付けられている。具体的にはこのフ
ランジ４６はリング状のフランジ部４８とこれに連接さ
れるリング状の締付部５０とよりなり、一側に切り欠き
５２を有している。そして、この切り欠かれた締付部５
０にボルト５４を挿通させてこのボルト５４を締め付け
て締付部５０のリング径を小さくすることによりフラン
ジ４６を主軸２２へ確実に固定するように構成されてい
る。そして、フランジ部４８には、これを貫通して接続
ピン５６が固設されている。この接続ピン５６の取り付
け位置は、テストヘッド８の重心Ｇと主軸２２の中心点
Ｏを結ぶ直線の延長線状に位置させるのが好ましい。

【００１４】そして、この接続ピン５６の両端部と前記
ロード部３０の先端に設けたガイドピン４２の両端部と
はそれぞれ強靱なワイヤ５８により強固に連結されてい
る。従って、主軸２２の回動に応じて接続ピン５６も円
弧状に上下動するが、この時、ガススプリング２６の弾
発力がワイヤ５８を介して主軸２２に下方向へ付勢され
るモーメントとして伝えられ、テストヘッド８により発
生するモーメントに略均り合うような反対方向のモーメ
ントを発生するように構成されている。このために、フ
ランジ部４８における接続ピン５６の取り付け位置は、
テストヘッド８が図１中の一方の仮想線で示すように上
下方向に起立してその重心Ｇが主軸２２の真上に位置し
た状態、すなわち９０度の角度だけ展開された状態にお
いて主軸２２の中心点Ｏとガススプリング２６とを結ぶ
線上に位置するように設定する。

【００１５】各ガススプリング２６の取り付け構造は、
全て上述したと同様に取り付けられ、例えばテストヘッ
ド８の重さが１００ｋｇ程度の場合には、ガススプリン
グ２６の能力にもよるがこのガススプリングを１０本程
度用いる。そして、主軸２２の中心点Ｏとテストヘッド
８の重心Ｇとの間の距離Ｌ１が例えば６００ｍｍの場合
には、主軸２２の中心点Ｏと接続ピン５６との間の距離
Ｌ２を例えば６０ｍｍ程度に設定する。このように距離
Ｌ２を短くできるのは、ガススプリングの特性は、短い
ストロークで強い弾発力を発揮し得るからである。尚、
テストヘッド８がプローバ本体２側から仮想線で示すよ
うに１８０度展開されたときにこのテストヘッド８の荷
重を支持するためにサイドデスク（図示せず）が設けら
れている。

【００１６】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。まず、このプローバ装置を用い
て被検査体である半導体ウエハＷ及びこのチップを使用
した完成品の電気的特性の検査を行う場合には、仮想線
で示すように９０度展開し、或いは１８０度展開して水
平状態に維持した状態のテストヘッド８をＡ方向、すな
わちプローバ本体２方向へ回動させ接続リング或いはワ
イヤリングアッセンブリ７０に接続させる。この時ウエ
ハＷはプローバ本体２のＸ・Ｙ・Ｚステージ７２に吸着
固定し任意の位置に精度よく位置決めされる。このよう
な状態でプロブカード６９のプローブ針１６をウエハＷ
上の各チップの電極パッドに接触させ、図示しないテス
タからプローブ針１６を介してチップに測定パターンを
印加し、各チップの電気的特性を検査する。

【００１７】また、テストヘッド８をプローバ本体２の
反対側へ１８０度展開して水平状態に維持した状態で
は、チップの完成品等が検査される。このように、テス
トヘッド８は必要に応じて、オペレータにより主軸２２
を中心として矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向へ展開乃至回動
される。この場合、テストヘッド８を回動させるに要す
る力は、重力軽減機構１９により軽減されて、これを容
易に回動させることができる。すなわち、ガススプリン
グ２６のロッド３０は常にガスイスプリング本体２８か
ら押し出されるように図中下方向へ向かう弾発力が付与
されており、この弾発力はワイヤ５８を介してフランジ
部４８に設けた接続ピン５６へ伝達され、主軸２２に対
してテストヘッド８により発生するモーメントを相殺す
るようにこれと略同等のモーメントが発生する。

【００１８】この場合、テストヘッド８が実線で示すよ
うにプローバ本体２側に位置しているときは、フランジ
部４８に設けた接続ピン５６は第１の位置Ｐ１に位置
し、テストヘッド８を展開させるに従ってこの接続ピン
５６は矢印Ｃ方向に移動し、テストヘッド８が起立され
た状態では接続ピン５６は第２の位置Ｐに位置する。更
に、テストヘッド８が回動されて１８０度の展開が行わ
れると接続ピン５６は第３の位置Ｐ３に達する。また、
テストヘッド８がプローバ本体２側の元の実線の位置に
戻されるときは、接続ピン５６は上記したと逆の経路を
矢印Ｄに示す方向に戻ることになる。ここで、テストヘ
ッド８が水平状態に維持されている状態では接続ピン５
６は第１または第３の位置Ｐ１、Ｐ３に位置されている
のでワイヤ５８は上方へ引き上げられてロッド部３０は
ガススプリング本体２８内に最も押し込まれ、最大の弾
発力が発揮される。この時、ロッド部３０に設けたガイ
ドピン４２はガイド板３４のガイド孔４４に沿って案内
されつつ上方へ移動し、図２に示すように位置Ｐ４に位
置している。

【００１９】また、テストヘッド８が起立された状態で
は接続ピン５６は第２の位置Ｐ２に位置されているの
で、ワイヤ５８は下方へ引き上げられてロット部３０は
ガススプリング本体２８から最も飛び出し、最小の弾発
力が発揮される。このときロット部３０に設けられたガ
イドピン４２は図２に示すようにＰ５に位置している。
従って、テストヘッド８が水平状態のときはワイヤ５８
は最大の張力で引かれているが、Ｐ４とＰ５の距離が比
較的小さく、またガススプリングは押し込み量の変化に
よる弾発力の変化が比較的小さいため、ワイヤ５８の最
大の張力と最小の張力の差は僅かなものとなる。その結
果、テストヘッド８がどの角度に位置していても、この
テストヘッド８により発生するモーメントの大きさに対
応させた逆方向のモーメントをガススプリングにより発
生させることができる。従って、テストヘッド８がどの
角度に位置していてもオペレータはこれを僅かな力でも
って回動させることができ、操作性を大幅に改善するこ
とができる。

【００２０】実験の結果、テストヘッド８の１８０度の
回動範囲内においてどの角度においても２ｋｇ重以内の
力でこれを回動させることができ、良好な結果を得るこ
とができた。また、複数、例えば１０個のガススプリン
グ２６を並列させて設けたとしてもその占有スペース
は、従来装置のカウンタウエイトを用いた場合と比較し
て大幅に減少させることができる。例えば、２つの測定
ステージを有するプローバ装置に本発明装置を適用した
場合には、例えば１０９５×２５００ｍｍの占有スペー
スで済み、従来のカウンタウエイトを用いた同型のプロ
ーバ装置の場合（１４９５×３３４２ｍｍ）に比較して
大幅にその占有スペースを減少させることができる。

【００２１】また、複数本のガススプリング２６により
テストヘッド８の重量を軽減するようにしたので、その
内の一部が故障してもテストヘッド８が急激に回動する
ことがなく、安全性も高く維持することができる。ま
た、故障したガススプリング２６は取り代えられるのは
勿論である。また、フランジ４６の締付部５０には切り
欠５２を設けてボルト５４により着脱可能としているの
で接続ピン５６の設定位置等を容易に調整することがで
きる。更には、ガススプリング２６の発生する弾発力を
代えるには、充填された圧縮空気の圧力を変化させた
り、或いは、この上端部を取り付け固定した可動板４０
を調整ネジ８により上下動させるようにしてもよい。

【００２２】尚、上記実施例においてはスプリングユニ
ットとしてガススプリング２６を設けたが、これに代え
て図５に示すようにツル巻き状に巻かれたコイルバネ６
０を設けるようにしてもよい。すなわち、コイルバネ６
０の一端に設けた上側フック６２をフランジ４６のフラ
ンジ部４８の係合穴に係合させ、他端に設けた下側フッ
ク６４を先のガイド板３４と同じ場所に設けた係合板６
６の係合穴６８に係合させるようにしてもよい。また、
コイルバネ６０に代えて、図６に示すように渦巻きバネ
６１を用いてもよい。すなわち、渦巻きバネ６１の端を
フック６３を介してフランジ４８に取り付け、渦巻きバ
ネの中心部に通した軸６５を係合板６７の係合穴６９に
係合させるようにしてもよい。上記実施例にあっては、
本発明の重力軽減機構をプローバ装置に設けた場合につ
いて説明したが、これに限定されず、重力を軽減させる
必要のある装置ならばどのような装置にも適用し得るの
は勿論である。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の重力軽減
機構によれば次のような優れた作用効果を発揮すること
ができる。重量物の回転可動範囲の全範囲に渡って僅か
な力でもって重量物を動かすことができ、従って、操作
性を大幅に向上させることができる。また伸縮可能なス
プリングユニットを用いるようにしたので従来のカウン
タウエイトを用いた場合と比較してその占有スペースを
大幅に削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る重力軽減機構の一実施例を示す概
略正面図である。

【図２】図２は図１に示す機構の概略側面図である。

【図３】図１に示す機構の概略平面図である。

【図４】本発明に用いるフランジを示す平面図である。

【図５】本発明の実施例に用いるツル巻き状に巻かれた
コイルバネを示す平面図である。

【図６】本発明の実施例に用いる渦巻きバネを示す平面
図である。

【図７】従来の重力軽減機構を用いたプローバ装置を示
す概略側面図である。

【図８】図７に示す装置の概略平面図である。

【図９】従来の重力軽減機構を用いたプローバ装置を示
す概略側面図である。

【図１０】図９に示す装置の概略平面図である。

【符号の説明】

２ プローバ本体 ８ テストヘッド（重量物） １４ プローバ装置 １６ プローブ針 １９ 重力軽減機構 ２２ 主軸 ２６ ガススプリング（スプリングユニット） ２８ ガススプリング本体 ３０ ロッド部 ４２ ガイドピン ４６ フランジ ５６ 接続ピン ６０ コイルバネ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 31/28 G01R 1/06 G01R 31/26 H01L 21/66

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも所定の角度だけ回転可能にな
   されるようにその両端が軸受部で支持される主軸に取り
   付け固定された重量物を回転するに際して前記重量物を
   回動させるに要する力を軽減させる重力軽減機構におい
   て、前記軸受部間の主軸にフランジを固定し、前記主軸
   に対して直交する方向へ、その長手方向へ伸縮可能なス
   プリングユニットを設けると共に前記スプリングユニッ
   トの力が作用する部分を前記フランジの外周部に取り付
   け、この取り付け位置は、前記重量物が起立してその重
   心が前記主軸の真上に位置した時の前記重心と前記主軸
   とを結ぶ直線の略延長上に位置され、前記スプリングユ
   ニットの弾発力を前記フランジに付与するように構成し
   たことを特徴とする重力軽減機構。
2. 【請求項２】 少なくとも所定の角度だけ回転可能にな
   されるようにその両端が軸受部で支持される支持回転軸
   に取り付け固定された重量物を回転するに際して前記重
   量物を回動させるに要する力を軽減させる重力軽減機構
   において、前記軸受部間の支持回転軸に円板状のフラン
   ジを同軸状に固定し、前記フランジの外周部に伸縮可能
   なスプリングユニットの力が作用する部分を取り付け、
   この取り付け位置は、前記重量物が起立してその重心が
   前記主軸の真上に位置した時の前記重心と前記主軸とを
   結ぶ直線の略延長上に位置され、前記重量物が回転位置
   のどこに存在しても前記重量物の重量による回転トルク
   と前記スプリングユニットの反発力による回転トルクが
   バランスするように構成したことを特徴とする重力軽減
   機構。
3. 【請求項３】 前記スプリングユニットはガススプリン
   グまたはツル巻き状に巻かれたコイルバネまたは渦巻き
   バネであることを特徴とする請求項１または２記載の重
   力軽減機構。
4. 【請求項４】 前記重量物は、テストヘッドであること
   を特徴とする請求項１乃至３記載の重力軽減機構。