JP3129935B2 - ウェーハ検査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体ウェーハ製造にお
ける検査工程に使用されるウェーハ検査装置に係り、特
にバンプ状のパッド（電極）を有するウェーハに対して
検査針をバンプパッドに適切にコンタクトさせるバンプ
パッド用針高さ合わせの機能を備えたウェーハ検査装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェーハの表面には同一の電気素
子回路が多数形成され、この電気素子回路を各チップと
して切断する前に、各電気素子回路の形成品質を検査す
るために、ウェーハプローバと称されるウェーハ検査装
置によってその良・不良を判定している。この種の検査
装置は一般に、ウェーハの各チップの電極と対応するプ
ローブ針を有しテスタに接続されたプローブカードとウ
ェーハの各チップとを順次対応させて各チップの電極
（ボンディングパッド）にプローブ針を接触させるよう
に構成されている。そしてプローブ針とチップの電極と
の位置合わせ（アライメント）を行う方法として、プロ
ーブ針群を下方からＣＣＤカメラで撮影して針位置を検
出するとともにウェーハの位置及びウェーハ上のチップ
パターンをウェーハ認識装置で認識し、画像処理等によ
ってウェーハ上の特定チップのボンデイングパッドとプ
ローブ針とを位置合わせる方法が知られている（特開昭
６０─２１３０４０号（特公平６─８７１７号）公報参
照）。

【０００３】また、前記ボンディングパッドは、かつて
はウェーハ上にパターニングされた被膜により形成され
るものが主流で、パッド自体に厚さはなく、ウェーハの
厚さがそのままプローブ針の接触面の高さとなってい
た。従って、図４（ａ）に示すようにＣＣＤカメラ７０
でプローブ針７２の高さを測定するとともに、容量検出
センサ７４でウェーハ７６の厚みを測定して、それら測
定結果にもとづいて、Ｚ方向（ウェーハの厚さ方向）の
駆動制御を行い、プローブ針７２とパッドとを接触させ
るようにしていた。

【０００４】ところが最近、ボンディングパッドがウェ
ーハの表面上に数十μｍ程度の大きさの略部分球のコブ
状のバンプパッドとして形成されるようになり、従来の
容量検出センサ７４ではバンプパッド７８の高さを検出
できず、従来の方法では図４（ｂ）に示すようにバンプ
パッド７８の高さ分だけプローブ針が余計にくい込んで
しまうようになった。

【０００５】このような過度のくい込みを防ぐには、バ
ンプパッドの高さを予め調査して、そのバンプ高さデー
タ（例えば、バンプ高さの設計値）を得ておき、容量検
出センサから得られるウェーハの厚みデータに基づい
て、ステージのＺ方向の駆動量をそのバンプ高さデータ
分だけ減算するように制御したり、或いは熟練したオペ
レータが顕微鏡を見ながら目視によりプローブ針７２を
バンプパッド７８にコンタクトさせる作業を行う必要が
ある。その他、プローブ針７２がバンプパッド７８に接
触して検査が良好に行われたときに、検査測定が完了し
たことを示す信号をテスター側から出力するように構成
し、ステージをＺ方向に微少上昇させながら検査測定を
行い、テスターから前記検査測定完了信号が出力された
ことを検出した時点を検出してプローブ針とバンプのコ
ンタクト位置を検出する方法も考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ように予め予想されるバンプ高さデータによってＺ方向
のステージを制御する方法は、実際のバンプ高さがその
プリセットデータから外れている場合には、適正なコン
タクトが得られないという問題がある。また、オペレー
タによる作業は、オペレータの感覚的な作業のためバラ
ツキが大きいという問題がある。

【０００７】しかも、上記の方法はいずれも、現実のバ
ンプ高さに依らず、所定のコンタクト操作が実行される
為に、誤操作によりウェーハ、プローブ針にダメージを
与える危険性もあるという問題がある。一方、テスター
側からの測定可能検出信号に基づいてコンタクト位置を
検出する方法は、一度必ずパッドにプローブ針跡を付け
なければならず、測定対象のチップについて検査結果が
不良の場合は、正確な高さも求めることができないと言
う問題がある。

【０００８】このようなことから、バンプパッドをもつ
ウェーハについて、バンプパッドとプローブ針を容易に
かつ適切にコンタクトさせるような新たな技術が望まれ
ている。本発明はこのような事情に鑑みてなされたもの
で、ウェーハ検査測定前に検査対象ウェーハにプローブ
針跡を付けずに、ウェーハに形成されたバンプパッドに
対するプローブ針の高さ合わせを自動的かつ高精度に行
うことができるウェーハ検査装置を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために、被検査ウェーハの電極に対応するプローブ
針と、被検査ウェーハの厚さ方向をＺ方向とすると前記
プローブ針と前記被検査ウェーハとのＺ方向の相対的な
移動により前記プローブ針を前記被検査ウェーハの電極
に接触／退避可能とする移動機構とを有し、半導体ウェ
ーハに形成された各チップの電気的特性を検査するウェ
ーハ検査装置において、前記プローブ針が電極から退避
状態にあるときの該プローブ針のＺ方向の高さをＣＣＤ
カメラで検出する針高さ検出手段と、検査対象のウェー
ハ表面に形成されたバンプ電極の上端面のＺ方向の高さ
をヘテロダイン干渉式の光ファイバ式レーザ測長器で検
出する電極高さ検出手段と、前記針高さ検出手段で検出
したプローブ針の高さ及び前記電極高さ検出手段で検出
したバンプ電極の上端面の高さに基づいて、前記プロー
ブ針の先端が前記バンプ電極に接触するように前記移動
機構を制御する制御手段と、を備えたことを特徴として
いる。

【００１０】

【作用】本発明によれば、プローブ針の高さを針高さ検
出手段で検出する一方、ウェーハ表面に形成されたコブ
状のパッド（バンプ電極）の上端面を電極高さ検出手段
で検出して、それぞれの検出結果を制御手段に通知す
る。そして制御手段は、これらの情報に基づいて、前記
プローブ針の先端が前記バンプ電極に適切に接触するよ
うに移動機構を制御している。これにより、バンプパッ
ドを持つウェーハの検査において、ウェーハの検査前に
ウェーハに針跡をつけることなく、バンプパッドに対す
る針の高さ合わせを自動的かつ高精度で行うことができ
る。

【００１１】

【実施例】以下添付図面に従って本発明に係るウェーハ
検査装置の好ましい実施例について詳説する。図１は本
発明に係るウェーハ検査装置の実施例の構成を示す概略
構成図である。同図に示すように本実施例のウェーハ検
査装置は、主として、ステージ１１、ステージ駆動用モ
ータ１２、プローブ針１６が設けられたプローブカード
１８、テスタ２０、アライメント光学装置２２、プロー
ブ針を撮像するＣＣＤカメラ２４、レーザ測長器２８、
及び制御部３０等から構成されている。

【００１２】前記ステージ１１の上面には、ウェーハ３
２を固着保持する手段 (不図示) が設けられている一
方、該ステージ１１は制御部３０によって制御されるス
テージ駆動用モータ１２によって、Ｘ，Ｙ，Ｚ，方向及
びＺ軸を中心とするθ回転方向に自在に移動可能に構成
され、これにより、ステージ１１上面に固着保持される
被検査ウェーハ３２を３次元的に移動可能である。

【００１３】尚、検査対象となるウェーハ３２は、ウェ
ーハ表面上に略部分球のコブ（バンプ）状の電極（バン
プパッド）３４が形成されているもので、図では説明の
便宜上一つのバンプのみしか示していないが、実際は、
一枚のウェーハ上に数百、数千という多数のバンプパッ
ドが形成されている。前記プローブカード１８には、ウ
ェーハ３２の各チップの電極に対応するプローブ針１６
が設けられている。そして、該プローブカード１８はテ
スタ２０に接続されており、プローブ針１６をウェーハ
３２の電極３４に接触（コンタクト）させることにより
各チップの電気的特性を検査することができる。

【００１４】一方、前記ステージ１１のＺ方向ステージ
には、支持部材３６が固着されており、該支持部材３６
によってＣＣＤカメラ２４が支持されている。このＣＣ
Ｄカメラ２４によって、プローブ針１６を下方から撮像
して針の先端の位置を検出する一方、ステージ１１をＺ
方向に移動して前記ＣＣＤカメラ２４を上下に動かし、
その合焦状態を見ながらプローブ針１６の先端の高さを
測定する。そして、その結果を制御部３０に通知するよ
うにしている。

【００１５】前記アライメント光学装置２２は、ＣＣＤ
カメラ等の撮像手段を含み、ウェーハ３２上のチップパ
ターンを認識して制御部３０に通知する。制御部３０で
は、前記アライメント光学装置２２で得られた情報と前
記ＣＣＤカメラ２４で得られたプローブ針１６の先端の
位置情報とを基に、公知の画像処理技術を用いて、プロ
ーブ針１６先端とウェーハ３２のパッドの二次元的な
（ＸＹ面内の）位置整合を自動で行う。

【００１６】更に、本実施例では、ウェーハ３２上に形
成されたバンプパッド３４の高さを測定するためのレー
ザ測長器２８を設けたことを特徴としている。このレー
ザ測長器２８は、バンプパッド３４の高さの他、ウェー
ハ３２の外径及び厚さを測定するのに用いられる。ここ
で、レーザ測長器の一例について図２を参照しながら説
明する。

【００１７】同図に示すレーザ測長器は、光ファイバ式
のレーザ測長器であって、主として、半導体レーザ４
２、コリメータレンズ４４、対物レンズ４６、光ファイ
バカプラ４８、光ファイバ５０、５１、５２、５４、光
コネクタ５５Ａ、５５Ｂ、フォトダイオード５６、変調
回路６１、温度制御回路６２、信号処理回路６３、及び
検出プローブ６４等から構成されている。

【００１８】半導体レーザ４２は、入力する変調回路６
１からの変調電流によって発振周波数と発光強度が変調
される。また、半導体レーザ４２には加熱及び／又は冷
却素子４５Ａと温度センサ４５Ｂとが設けられており、
温度制御回路６２は温度センサ４５Ｂによって検出され
る温度が一定値になるように加熱及び／又は冷却素子４
５Ａを制御する。これにより、半導体レーザ４２の温度
変化による波長変化を抑え、測定精度を上げている。

【００１９】前記半導体レーザ４２から出力される変調
されたレーザ光は、コリメータレンズ４４及び対物レン
ズ４７を介して光ファイバ５０の先端に集光される。ま
た、光ファイバ５０、５１の後端は、光ファイバカプラ
４８によって、光ファイバ５２の後端と光学的に接続さ
れている。従って、光ファイバ５０を通過した光は光フ
ァイバカプラ４８を介して光ファイバ５１に導かれ、光
コネクタ５５Ａ、５５Ｂを介して光ファイバ５４に導か
れる。

【００２０】光ファイバ５４の先端には、検出プローブ
６４が取り付けられており、該検出プローブ６４内には
図示しないロッドレンズが配設されている。前記ロッド
レンズは光の一部を出射端面で反射させるとともに残り
は透過させ、略平行光又は集光して測定面Ｗを照射す
る。即ち、前記ロッドレンズの出射端面は光軸に対して
垂直な平面であり、出射端面で反射された反射光は再び
ロッドレンズ自身で収束してほぼ光ファイバ５４に戻
る。

【００２１】また検出プローブ６４が検出した光は逆の
経路を辿って光ファイバ５１に戻り、その光の一部は光
ファイバ５２に導かれる。また、前記ロッドレンズの出
射端面の反射は、該ロッドレンズと空気との屈折率の違
いによるものであって、ロッドレンズの入射光のうち、
例えば約４％の光量の光が反射され、残りの約９６％の
光量の光が測定面Ｗを照射する。したがって、測定面Ｗ
がやや粗面であっても、また測定面Ｗが検出プローブ６
４の光軸と厳密に垂直でなくても、測定面Ｗを照射する
光の数パーセントの光量の光が検出プローブ６４に集光
されれば、十分な強度の干渉信号が得られ、変位測定が
可能である。

【００２２】さて、検出プローブ６４の端面反射光（参
照光）と、検出プローブ６４から出射され測定面Ｗで反
射されて再び検出プローブ６４に入射した測定面反射光
（物体光）との間には、検出プローブ６４の出射端面と
前記測定面Ｗとの距離Ｄに対応した時間遅れがあり、両
者の周波数は異なる。そのため、参照光と物体光とで、
ヘテロダイン干渉が生じる。

【００２３】この干渉信号は光ファイバ５４、５１、光
ファイバカプラ４８、及び光ファイバ５２を介して導か
れ、光ファイバ５２の先端に設置されたホトダイオード
５６により検出される。このホトダイオード５６によっ
て検出された信号の周波数と位相は、検出プローブ６４
の出射端面と前記測定面Ｗとの距離Ｄに比例する。この
信号をもとに測定面Ｗの位置 (Ｚ方向の高さ) を検出す
る原理は、ヘテロダイン干渉式によるもので、本願明細
書では詳しく説明しないが、特願平４─２１１４３０号
明細書に記載されている。

【００２４】図１に戻って、上述したようなレーザ測長
器は、光があたっている点までの距離を高精度に測定で
きるので、ウェーハ上に形成されたバンプパッドを上記
測定面Ｗとして該バンプパッドの高さを測定できると同
時に、ウェーハ３２を直径方向に動かしながら連続的に
測定することによって、ステージ面とウェーハ面との測
定差からウェーハ３２の外径及び厚さも測定することが
できる。

【００２５】前記レーザ測長器２８は、制御部３０に接
続されており、制御部３０は、レーザ測長器２８で測定
したバンプパッド３４の高さと、前記ＣＣＤカメラ２４
で検出したプローブ針１６の高さとに基づいて、ステー
ジ１１のＺ方向の移動を制御し、プローブ針１６とバン
プパッド３４とを適正にコンタクトさせるようにしてい
る。

【００２６】尚、本実施例ではバンプパッドの高さを測
定する手段は、現実の適用性に優れた上述のようなレー
ザ測長器として説明するが、バンプパッドの高さを測定
する手段はこれに限らず、公知の非接触式測長器、非接
触表面形状測定装置、又はバンプ高さ測定装置など種々
の手段で行うことも可能である。次に、前記の如く構成
されたウェーハ検査装置の作用について説明する。

【００２７】検査対象となるウェーハ３２をステージ１
１上面に固着し、ステージ駆動用モータ１２を介して、
ステージ１１をアライメント光学装置２２の下方に移動
する。そしてアライメント光学装置２２によってウェー
ハ上のチップパターンが撮像され、そのデータが制御部
３０に通知される。次いで、プローブ針１６と前記ＣＣ
Ｄカメラ２４とが対峙する位置にステージ１１を移動
し、前記ＣＣＤカメラ２４でプローブ針１６を撮像し、
針の位置を検出するとともに、前記ＣＣＤカメラ２４を
Ｚ方向に移動させて針先端の高さを検出する。そして、
その結果は制御部３０に通知される。

【００２８】尚、針先端の高さ検出は、検査時に毎回行
う必要は必ずしもない。例えば、検査終了後に、プロー
ブ針１６が予め定めた所定の位置に退避するように構成
されていれば、プローブ針の高さは、プローブカード交
換時に一度検出するだけでもよい。また、数回の検査を
行った後、確認的に針の高さを検出することも考えられ
る。

【００２９】続いて、レーザ測長器２８でウェーハ３２
の外径及び厚さを測定する。通常、ウェーハ外径及び厚
さはウェーハ設計値が予め知られているので、それを基
準データとして、その基準データからのバラツキ( プラ
ス・マイナス) を検出するようにする。一方、バンプパ
ッド３４は、一枚のウェーハ上に数百、数千個と形成さ
れており、通常その高さはバンプパッド設計値の所定公
差内にはいっていることが、先行する検査工程で確かめ
られているものである。従って、全てのバンプについて
その高さを実測する必要はなく、チップ内の一つのバン
プについて実測すれば足りる。レーザ測長器２８でバン
プバッドの在る所を測定すると、ウェーハ自体の厚みを
含んだバンプパッド３４の上端面の高さ位置を知ること
ができる（図３（ａ）参照）。

【００３０】制御部３０は、前記ＣＣＤカメラ２４で検
出した針先端の高さデータと、レーザ測長器２８で検出
したバンプパッド上端面の高さデータを基にして、図３
（ｂ）に示すようにプローブ針１６をバンプパッド３４
に適切にコンタクトさせるようにステージ１１のＺ方向
の移動量を制御する。これにより、バンプパッド３４に
対するプローブ針１６の高さ合わせを自動的かつ高精度
に行うことができる。また、バンプパッドの高さを測定
する為に設けたレーザ測長器２８は、バンプパッド３４
の高さのみならず、ウェーハ３２の外径及び板厚も測定
することができるので、従来、ウェーハの外径及び板厚
を測定する手段として用いられていた容量検出センサは
不要となる。

【００３１】更に、チップの電気的特性の検査終了後
に、バンプパッドに付けられた針跡の形状や深さを前記
レーザ測長器２８で測定検査する工程を追加することも
でき、検査の確実性を高めることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るウェ
ーハ検査装置によれば、針位置検出手段で検出したプロ
ーブ針の高さと、電極高さ検出手段で検出したバンプ電
極の上端面の高さとに基づいて、制御手段により移動機
構を制御し、前記プローブ針の先端が前記バンプ電極に
適切に接触するようにしたので、バンプパッドを持つウ
ェーハの検査において、ウェーハの検査前にウェーハや
針にダメージを与えることがなく、バンプパッドに対す
る針の高さ合わせを自動的かつ高精度で行うことができ
る。

【００３３】また、検査前にバンプ設計値などの事前の
データ入力をする必要がなくなり、操作性が向上する。
更に、従来オペレータの感覚に頼っていた高さ合わせを
自動的に行うことができるようにしたので、検査の信頼
度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るウェーハ検査装置の実施例の構成
を示す概略構成図

【図２】レーザ測長器の一例を示す概略構成図

【図３】本実施例のプローブ針の高さ合わせを説明する
ための図

【図４】従来のウェーハ検査装置によるプローブ針の高
さ合わせを説明するための図

【符号の説明】

１１…ステージ １２…ステージ駆動用モータ １６、７２…プローブ針 ２４、７０…ＣＣＤカメラ ２８…レーザ測長器 ３０…制御部 ３２、７６…ウェーハ ３４、７８…バンプパッド（電極） ４２…半導体レーザ ５０、５１、５２、５４…光ファイバ ６４…検出プローブ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検査ウェーハの電極に対応するプロー
   ブ針と、被検査ウェーハの厚さ方向をＺ方向とすると前
   記プローブ針と前記被検査ウェーハとのＺ方向の相対的
   な移動により前記プローブ針を前記被検査ウェーハの電
   極に接触／退避可能とする移動機構とを有し、半導体ウ
   ェーハに形成された各チップの電気的特性を検査するウ
   ェーハ検査装置において、 前記プローブ針が電極から退避状態にあるときの該プロ
   ーブ針のＺ方向の高さをＣＣＤカメラで検出する針高さ
   検出手段と、 検査対象のウェーハ表面に形成されたバンプ電極の上端
   面のＺ方向の高さをヘテロダイン干渉式の光ファイバ式
   レーザ測長器で検出する電極高さ検出手段と、 前記針高さ検出手段で検出したプローブ針の高さ及び前
   記電極高さ検出手段で検出したバンプ電極の上端面の高
   さに基づいて、前記プローブ針の先端が前記バンプ電極
   に接触するように前記移動機構を制御する制御手段と、 を備えたことを特徴とするウェーハ検査装置。
2. 【請求項２】 前記プローブ針の先端を前記バンプ電極
   に接触させ、チップの電気的特性の検査終了後に、前記
   バンプ電極に付けられた針跡の形状や深さを前記光ファ
   イバ式レーザ測長器で測定検査することを特徴とする請
   求項１記載のウェーハ検査装置。