JP3279294B2 - 半導体装置のテスト方法、半導体装置のテスト用プローブ針とその製造方法およびそのプローブ針を備えたプローブカード - Google Patents

半導体装置のテスト方法、半導体装置のテスト用プローブ針とその製造方法およびそのプローブ針を備えたプローブカード

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JP3279294B2 JP24169099A JP24169099A JP3279294B2 JP 3279294 B2 JP3279294 B2 JP 3279294B2 JP 24169099 A JP24169099 A JP 24169099A JP 24169099 A JP24169099 A JP 24169099A JP 3279294 B2 JP3279294 B2 JP 3279294B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体集積
回路の電気的特性確認のテスト(ウエハテスト)もしく
は表示デバイスの表示テストまたは電子回路基板の動作
テストを行うためのプローブ針とその製造方法およびそ
のプローブ針によってテストした半導体装置に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】従来のプローブ針は、図13(a)に示
すように、先端が鈎型に曲げられたプローブ針202を
上下動するプローブカード201に取り付け、半導体集
積回路のテスト電極パッド(以下電極パッドと称する)
に押し当てる際に電極パッド表面の酸化膜を破って電極
パッド新生面に真接触(電気的接触)をさせてテスト
(プロービング)を行っていた。このプロービングの際
のプローブ針先端の様子を図13(b)に示す。説明を
わかりやすくするため、大きさなどをモデル化してい
る。図13(b)に示すように、従来のプローブ針の先
端200はもともとその先端がフラットに仕上がってい
るため、例えば、プロービング時にはまず、先端フラッ
ト部全体が接触し、電極パッド203の表面の酸化膜2
04や表面の汚染物質が介在したままのプロービングと
なる。
【0003】さらに、プローブを電極パッドに押し付
け、50〜100μm下方に押し込む(オーバードライ
ブ)ことによって傾斜した針の針先を横すべりさせ、酸
化膜204の一部が破れて電気的真接触する導通部分2
06ができ、導通テストが行われる。このとき、プロー
ブ針は撓むことによって若干回転する。したがって、カ
ードに取り付けられた先端がフラットに加工された多数
本の針を有するプローブカードでは、オーバードライブ
時に針先端部のフラット面の角度が不均一になりやす
く、接触状態が安定しないという問題がある。
【0004】また、特開平6ー61316号公報には半
導体集積回路の電極パッドに傷を付けないためプローブ
針の先端を球状もしくは楕円球状に形成した例が示され
ている。この場合は先端がフラットに加工されたものと
異なり接触面積のばらつきのような問題は発生しない。
【0005】また、特開平8ー166407号公報によ
れば半導体装置のリード部分のテスト(ファイナルテス
ト)用プローブ針であるが、プローブ針の先端の曲率半
径rを0.5Rから5R(Rは針の先端部の直径)にす
ることによってフラットに加工された先端に対して上記
の球状と同じ理由により接触面積が安定する結果、プロ
ーブ針の温度上昇が抑制され、Snの溶着を防止する例
が示されている。ここでの曲率半径の最小は加工上の限
界、すなわち半球状が最小曲率と規定されている。ま
た、最大の5Rの設定理由は側面部と先端球面部の境界
の稜線がSnめっきを削り取ることを防止するためと説
明されている。
【0006】また、特開平5ー273237号公報には
プローブ針先端を電極パッドに線接触する構造が示され
ている。これによれば、電極パッドが小さくなってもプ
ローブ針が滑り出ることなく精度良く測定が可能となる
とされており、先端部は図14に示すような形状が良い
ことが開示されている。
【0007】さらに、特開平8ー152436号公報に
はプローブ針の先端を半導体装置の電極パッドと接触さ
せた時に平行になる第1の面207とテスト時に平行に
なる第2の面208から構成した図15に示す例があ
る。これによれば、第1の面で電極パッドの酸化皮膜を
剥離させ、酸化皮膜のない表面を露出させることによっ
て、第2の面と良好な接触状態が保たれる。第2の面は
第1の面の3倍に取られており、接触面積の確保が図ら
れている。
【0008】また、プローブ材料に使用されているタン
グステンが粉末焼結体であることから先端形状の加工は
電解研磨が用いられることが多いが、表面粗さが大きい
と、凝着がおきやすいため、電解条件を工夫することに
よって表面粗さを小さくする方法が前述の特開平8ー1
66407号公報に示されている。また、同様に先端を
鏡面にすることの有効性が特開平8ー152436号公
報にも示されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従来のプローブ針は以
上のように構成されており、図13に示すように、電気
特性テスト時にプローブ針先端と電極パッドとの真の接
触面積(電気的導通部分206)が極端に小さく、十分
な導通が得られない場合があった。また、プロービング
を繰り返すことで、針の先端200に酸化膜204が堆
積していくため、電極パッドとの真の接触面積が少なく
なり、導通が不安定になるという問題点があった。
【0010】さらに、先端部を球面状として応力の低減
は図れても、酸化皮膜の除去が不十分のためやはり真接
触面積の確保ができなかった。すなわち、接触面積が大
きくなっても球面直下のアルミニウム酸化皮膜の残存が
安定接触を妨げており、かつコンタクト回数の増加とと
もに先端部に付着するアルミニウム酸化物をある頻度で
頻繁に除去する必要があった。
【0011】さらに、この酸化皮膜残存の問題を解決す
るために提案された構造として、酸化皮膜の剥離と真の
接触の確保を異なる針先面で行う図15の場合、初期状
態は良好な結果が得られたが、コンタクト数を重ねるに
従って接触不良を発生する針が生じた。この問題につい
て針の状態を観察・解析した結果以下のことが見いださ
れた。すなわち、第2の接触面を電極パッドに当接させ
テスト回数を重ねると、この第2の面にアルミニウムが
付着しており、このアルミニウムが酸化することによっ
て接触抵抗の増大をもたらす。この現象はとくに半導体
のウェハを交換した後やラインが停止した後、つまり、
数分程度以上のテストの中断が発生したときに生じるこ
とが多かったことからも上述の推定が妥当であると考え
られる。なお、接触不良が発生する針とそうでない針が
あったが、これは多数の針が同時に電極パッドに接触す
ることからも、面の角度ばらつきによると推定され、図
15の構成においては第1,第2の平面を高精度に加工
することが困難であり、今後ますます増大する一括多ピ
ン測定に対して問題があった。
【0012】また、針表面を研磨加工する、研磨傷に電
極材料であるアルミニウムが食い込み、このアルミニウ
ムが酸化して接触不良を起こすという問題があった。ま
た、一般にタングステンプローブ針材料は焼結体である
ため内部に空孔欠陥があり、アルミニウムがこの空孔に
食い込み、このアルミニウムが酸化して接触不良を誘発
し問題となっていることも判明した。
【0013】また、プローブ針によって検査した半導体
装置を後工程であるワイヤボンディングを行ったとき、
プローブ痕がボンディング歩留りを低下させる原因とな
っていた。特に1ウェハあたりの半導体装置の取れ数を
増加させるためには半導体装置を小さくする必要がある
が、これに伴って電極パッドを小さくし、同時にボンデ
ィングサイズを小さくしたとき、プローブ痕サイズも小
さくすることが望まれているが、安定接触を得るにはプ
ローブ痕サイズを大きくせざるを得ず、その結果ボンデ
ィング歩留りが低下した。
【0014】本発明は上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、プローブ針先端と電極パッドとの
真の接触面積を大きくして、少ない針滑り量で確実な電
気的接触が得られかつ生産性の高いプローブ針とその製
造方法を提供するものである。
【0015】また、先端にアルミニウムが付着しないメ
ンテナンスフリーのプローブ針とその製造方法を提供す
るものである。
【0016】また、プローブ痕を小さくすることによっ
て、信頼性の高い半導体装置を提供するものである。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の構成に係
る半導体装置のテスト方法は、テスト用プローブ針の先
端部を半導体装置のパッドに押圧させ、上記先端部と上
記パッドとを電気的に接触させて、上記半導体装置の動
作をテストする半導体装置のテスト方法であって、先端
部を曲率半径Rの球状曲面とした上記プローブ針を、厚
さtの上記パッドに押圧したとき、上記先端部は、上記
パッド表面の酸化膜を破って上記球状曲面がパッド内部
に接触され、6t≦r≦30t の関係を満たすものである 。また、本発明の第の構成
に係る半導体装置のテスト用プローブ針は、先端部を
導体装置の電極パッドに押圧し、上記先端部と上記電極
パッドを電気的接触させて、半導体装置の動作をテスト
する半導体装置のテスト用プローブ針において、上記プ
ローブ針は側面部と先端部から構成され、上記先端部は
球状の曲面であり、上記曲面の曲率半径rを10≦r≦
20μmとしたものである。
【0018】
【0019】
【0020】また、本発明の第の構成に係る半導体装
置のテスト用プローブ針は、先端部を半導体装置の電極
パッドに押圧し、上記先端部と上記電極パッドを電気的
接触させて、半導体装置の動作をテストする半導体装置
のテスト用プローブ針において、上記プローブ針の先端
部の形状は、上記押圧による電極パッドとの接触により
せん断が発生する球状曲面形状であって、かつ、表面粗
さを0.4μm以下にしたものである。
【0021】また、本発明の第の構成に係る半導体装
置のテスト用プローブ針は、先端部を半導体装置の電極
パッドに押圧し、上記先端部と上記電極パッドを電気的
接触させて、半導体装置の動作をテストする半導体装置
のテスト用プローブ針において、上記プローブ針の先端
部の表面粗さは0.6μm以下であって、かつ、上記プ
ローブ針の先端部の少なくとも一部には、上記電極パッ
ドと上記プローブ針とを相対的に滑らせる方向に一致さ
せて、線状の凹部を形成したものである。
【0022】また、本発明の第4の構成に係る半導体装
置のテスト用プローブ針は、上記第3の構成に係る半導
体装置のテスト用プローブ針において、線状の凹部を、
プローブ針先端部中心から放射状に形成したものであ
る。また、本発明の第の構成に係る半導体装置のテス
ト用プローブ針の製造方法は、上記第3の構成のプロー
ブ針の製造方法において、先端部の曲面を電解研磨また
砥粒による研磨で概略球状曲面に加工する工程と、先
端部の曲面を研磨砥粒もしくは研磨砥粒を含んだ樹脂に
挿入して線状の凹部を形成する工程、または先端部の曲
面を上記樹脂上で移動させて線状の凹部を形成する工程
とを備えたものである。
【0023】
【0024】また、本発明のプローブカードは、複数の
プローブ針を上下動して、半導体装置の電極パッドに当
接させ、上記半導体装置をテストするプローブカードに
おいて、上記第1乃至4のいずれかの構成に係る半導体
装置のテスト用プローブ針を備えたものである。
【0025】
【発明の実施の形態】実施の形態1.本発明の実施の形
態を図を用いて説明する。図1、図2は本発明の実施の
形態1によるプローブ針と電極パッドの状態を示す説明
図である。図において、1はプローブ針、2は電極パッ
ドであり、DRAM等の一般的なロジック系集積半導体
装置では厚さ0.8μm程度のAl−Cu膜である。電
力用等特殊用途の半導体装置では、パッド厚さが2〜3
μmのものもある。3は電極パッドの結晶配向、4、
5、6は滑り面、7は針先の接線方向ベクトル、8は電
極パッド表面酸化皮膜、9は酸化膜凝着部分、10は電
気的導通部分、11はせん断片である。
【0026】図2に示すように、プローブ針1と電極パ
ッド2の電気的導通部は、プロービングの際、電極パッ
ド2の表面の酸化膜8をプローブ針1を滑らすことによ
って破り、電極パッド新生面と接触することで得られ
る。なお、プローブ針1は電極パッド2の面に対し垂直
ではなく、ここでは8度の倒れ角度を有した場合を示し
ており、この角度によってプローブ針1と電極パッド2
との相対すべりが発生する。また、プローブ針1を下か
ら見たときの等高線図を並記するが、先端部は等高線が
密となっている曲率r1の第1の曲面と、等高線が粗と
なっている曲率r2の曲面で構成されており、この2つ
の面は連続した球状の曲面となっている。
【0027】従来の発明においては針先とアルミニウム
パッドの接触による変形の観点で現象を明らかにし、こ
れに対して妥当な形状や材料を提案するものは残念なが
らなかった。そこで、このせん断変形を容易に生じさせ
る方法およびアルミニウムの付着防止について鋭意検討
・実験を加えた。せん断変形は金属結晶のすべり面に沿
って生じる。これに対して、スパッタ時の電極パッド2
の結晶配向3は(111)にそろったいわゆるC軸配向
になっている。この(111)の滑り面4が電極パッド
となす角度は0度である。また、他の滑り面の中で、電
極パッド表面となす角度が最も小さな滑り面5は(11
0)(101)(011)であり、その角度は35.3
度である。滑り面の角度でしかせん断が起こり得ないと
すれば、0度もしくは35.3度、といった、とびとび
の値でしか、せん断しない筈である。
【0028】しかし、実験結果からは、とびとびの値で
はなく、滑り面4と5の中間の角度でせん断しているこ
とが分かった。これは、上記滑り面4と上記滑り面5に
沿ったせん断が組合わさり、図2に示すようなせん断1
1がおこっているためである。今、滑り面4(0度)の
方向に一旦滑りが生じると、この方向の滑り片は0度方
向の圧縮力を受け、それ以上滑りが進行することが妨げ
られるようになる。このため、0度方向の滑りよりも3
5.3度方向の滑りが生じやすい状態となり、次には3
5.3度方向の滑りが生じる。図1の針先面とパッド面
との角度θが35.3度よりも小さい場合、35.3度
方向の滑りが生じると、滑り片はより狭い空間に押し込
まれることになるため、それ以上の滑りの進行が妨げら
れる。この状態では35.3度方向の滑りよりも0度方
向の滑りが生じやすい状態となって、再び0度方向の滑
りと35.3度方向の滑りが交互にくり返して生じ、こ
の組合わせの結果0度と35.3度の中間の角度のせん
断が生じると考えられる。
【0029】針先の接線方向7の角度を変化させて行っ
た実験によると、このようなせん断が起こりうる針先の
接線方向7と電極パッド面の角度は15度〜35度であ
り、安定してせん断が起こる角度は17度〜30度であ
る。よって、針先の接線方向ベクトル7が電極パッド表
面となす角度が15度から35度、望ましくは17度か
ら30度になるような針先形状であれば、電極パッド表
面の酸化皮膜8を破り、電極パッド新生面と接触するこ
とができ、十分な電気的導通が得られるようになる。上
記の接線角度が得られる条件を針先の曲率半径rと電極
パッドの厚さtの関係で表わすとそれぞれ6t≦r≦3
0t,8t≦r≦23tとなる。このような現象は、A
l,Au,Cu,Al−Cu合金,Al−Si等の面心
立方格子金属に共通して見られる。
【0030】このプローブ針1を使って、アルミニウム
パッド2につけたプローブ痕を図3に示す。プローブ先
端で排出されたアルミニウム31が層状(ラメラ)構造
になっていることから、プローブ先端がテストパッド材
料に連続してせん断変形を起こしているのが分かる。上
記層状構造はアルミニウムパッドの厚さ0.8μmを越
えて、この例では約1.5μmの厚さで積層されてお
り、アルミニウムパッド上の針先端部の滑り方向の前面
に突起を形成するような排斥形態となっている。この排
斥状態の従来例を図4に示す。この従来例の場合はすべ
り方向前面に排斥がほとんど発生していないことがわか
る。
【0031】以上のような接触のメカニズムの解析や排
斥状態の観察等から従来の先端がフラットな場合や、先
端が大きな曲率を持った球形の場合の問題は次の2つの
現象で説明できることが明らかとなった。まず、針の滑
り方向の前面には排斥による突起はわずかしか形成され
ず、電気的接触は針の下もしくは後方で行われる。しか
し、針の下や後方ではすべり面と加圧方向が一致しない
ため新生面を容易には形成できない。すなわち、酸化皮
膜が針と電極パッドの界面に残存する。このため、接触
面積を大きくとることによって、新生面が一部であった
としても電気的接触がなんとか図れるようにしている。
2つ目の現象として、新生面が形成された場合には針へ
のアルミニウムの凝着という問題が発生する。この凝着
したアルミニウムが酸化し、次のプロービング時に離脱
除去することができない場合に接触不良が発生する。
【0032】一方、本発明では電極パッド表面と針の接
触角度がすべりを発生させやすくかつ針の前面に新生面
が形成され、ここが密着(針の長軸方向の力が加わる形
状となっている)し、電気的接触面となる。ただし、こ
の面にも従来例と同様にアルミニウムの凝着が発生する
が、次のプロービング時に針の滑り方向に位置するた
め、大きな離脱力が加わり除去され、新生面との接触が
常に確保できる。したがって、本発明ではアルミニウム
凝着部が残存するのは電気的接触を必要としない第二の
曲面の側面に近いところである。この針と従来のフラッ
ト針を用いて導通試験した結果を図5に比較して示す
が、従来の(b)では500回程度で接触抵抗が1オー
ムを越えてしまう接触不良が発生したのに対し、(a)
に示す本発明の針では10000回を越える接触回数に
おいて、導通不良は起こっていない。
【0033】次に、このプローブ針を使った半導体装置
に対する効果を説明する。本発明によれば半導体装置の
電極パッドにはプローブ針が相対すべりした痕が形成さ
れ、とくにその先端部には材料を層状に積み上げた排斥
部が形成される。プローブ痕は従来のプローブ針を用い
ても形成されるが、後工程のワイヤボンディングのため
にはなるべく小さい方が好ましい。とくに、半導体装置
を小さくするために配線幅が小さくなるにつれ回路部分
の高集積化が図られており、これに伴って電極パッドも
小さくする必要が発生した。しかし、従来のプローブ針
ではプローブ痕を小さくすることは安定性がさらに悪く
なるため採用することができなかった。これは上に述べ
たように、従来では針の下面に電気的接触部を形成する
方法を採っているからである。従って、従来ではプロー
ブ痕は幅20μm長さ40μm程度が必要となり(図
3,4参照)、さらに接触が安定しない場合は再度同じ
電極パッドにプロービングする手法が採られ、プローブ
痕はさらに大きくなってしまうのが現状であった。
【0034】一方、本発明ではプローブ痕は幅12μm
長さ20μm程度と大幅に小さくすることができた。さ
らに、ワイヤボンディング後に接合部の形成状況を観察
すると、プローブ痕上では接合の安定性の指標となる合
金層の形成が不十分であり、プローブ痕サイズの違いは
ワイヤボンディング性に大きく影響を及ぼすことがわか
った。すなわち、ワイヤーボンディング部の大きさは、
一辺が80μmの電極パッドに対しては直径65μm程
度の円形とした。今後の半導体装置では電極パッドの一
辺は65μmとなり、それに伴ってボンディング部は直
径55μm程度に縮小する必要がある。プローブ痕は面
積にすると従来で800μm2、本発明で240μm2
あり、小電極パッド(直径55μm)に対するボンディ
ング部面積2400μm2 にとって従来のプローブ痕面
積は接合品質を劣化させる大きさとなるが、本発明では
プローブ痕面積が240μm2と約1/3に小さくなり
接合品質の劣化は生じない。小電極パッド対応で、とく
に長期信頼性において従来プローブでは5%のオープン
不良が発生したのに対して、本発明では不良発生は皆無
であった。
【0035】ここで、プローブ針の曲率半径を小さくす
れば電極パッドに加わる圧力が高くなり、半導体装置の
電極パッドの損傷(クラック)を生じせしめる。通常は
7gf程度の力でプローブ針を半導体装置に押しつける
が、従来の針においては、接触面積を小さくした分、荷
重をたとえば3gfとすると接触不良が発生した。これ
は従来の針では接触面積を大きくとることによって、ば
らつきのために新生面が小さくなった場合にでも電気的
導通が得られるように設計していたからで、小さい接触
面積では相対的に新生面の面積も小さくかつばらついて
しまい、接触不良となる。したがって、本発明のよう
に、針のすべり方向の前方に対しては、電極パッドの新
生面を形成しやすい形状(曲率r1の球状曲面)に保ち
つつ、針圧を支える前面と下面において下面(曲率r2
の球状曲面)の面積を大きく取る構成電極パッドの損傷
の防止に有効であることがわかった。すなわち、本発明
においては、前面である第一の曲面では電気的接触を確
保し、下面である第二の曲面は応力を下げる役割に分け
る。このとき、オーバードライブによって針がわずかに
回転し、針圧が最も高くなるオーバードライブ完了時に
は接触面積が最も大きくなるようにしているので、電極
パッドに加わる圧力を下げることができる。
【0036】また、先端部を球状の面とすることによっ
て多数個ある針の高さがばらついても(通常10μm程
度のばらつきがある)、従来提案されているフラット面
と異なり、接触面積が安定するという効果がある。な
お、所定のオーバードライブ量だけ押し込んだときの針
に加わる最終荷重はプローブ針の太さや長さを調整する
ことによって所望の値に設定することができるが、荷重
はオーバードライブするにつれて増加することは避ける
ことはできない。本発明においては針先端と電極パッド
の接触面積がオーバードライブとともに増加するように
構成しているため、針の高さがばらついても半導体装置
に加わる圧力はそれほど増加せず、ダメージを防止する
ことができた。
【0037】なお、上記の導通試験ではプローブ針1の
倒れ角度を8度としたが、一般的なプローブ針のそれは
6度前後であり、この角度によっても接触安定性に対し
て大幅な効果が期待できる。しかし、本発明においては
接触面積を小さく制限しているため、ダメージを防止す
るには倒れ角度を大きくすることがよく、電極パッド2
からのはみ出しを防止することも考慮すると8度以上1
2度以内とすることが好ましい。
【0038】以上示した第一の曲面と第二の曲面を先端
部に容易に形成する方法・装置を同時に見いだした。方
法は以下の通りであり、図6に示す。図において、12
は電解液である。まず、先端部を一般的な電解研磨もし
くはたとえばSiの砥粒を用いた研磨によって、ほぼ軸
対称の所望の球状に加工する。次に、基板上に弾性変形
可能な研磨部材を固着した研磨装置を用いて、曲率の大
きな第1の曲面と曲率の小さな第2の曲面を有する非軸
対称な曲面形状を形成する。研磨部材としては、研磨材
を含む弾性変形可能な厚膜、または研磨材を表面に固
着、あるいは金属膜を介して固着した弾性変形可能な厚
膜が使用できる。具体的には、たとえばシリコン基板1
3上に厚さ50μmのポリイミドのシート14をたとえ
ばコーティングもしくは接着し、この上にTiの薄膜1
5を100オングストローム成膜し、さらに研磨材とな
るTiN膜16を2μm成膜したものが使用できる。ま
た、同じくシリコン基板上にSi砥粒を含む厚さ300
μmの樹脂厚膜を固着したものが使用できる。
【0039】針先の研磨は、プロ−ブ針をプロ−ブカ−
ドに取り付けた状態で、前記の研磨部材に押し当て、ウ
エハテスト時のオ−バ−ドライブ量よりも大きなオ−バ
−ドライブ量(数100μm)でくり返し上下動させる
ことによって行なわれる。プロ−ブカ−ドに傾斜して取
り付けられているプロ−ブ針の先端は、プロ−ブカ−ド
の上下動によって研磨部材上を横滑りする。この時、弾
性変形によって研磨部材が針先の球面を抱きかかえるよ
うに沈み込み、主として曲率半径r2を有する第2の曲
面が形成される。曲率半径r2は、研磨部材の厚さや弾
性定数によって調節することができる。なお、プロ−ブ
針は研磨装置に接触させてから所定距離だけ表面を横滑
りさせてからこの位置を中心に前後させると、第二の曲
面がより選択的に加工されて好ましい。
【0040】研磨部材は上記材料・構成だけではなく、
剛性の高い基板上に剛性の低い材料に直接研磨材を固着
してもよく、また剛性の高い基板上に研磨材を含む剛性
の低い厚膜状の樹脂を固着させてもよく、要はプローブ
針が研磨装置上をわずかに沈み込みながら移動するかも
しくは途中で研磨材中に進入するよう、好ましくは表面
を滑るように構成すれば容易に先端部に曲率の異なる面
が形成できる。
【0041】また、同じ球面といえども前述したように
電極パッドのせん断変形が容易に発生するか否かで接触
の安定性は大きく異なる。DRAM等一般的な集積半導
体装置の電極パッドの厚さ約0.8μmに対して曲率半
径を変えて同様の試験をした結果を図7に示すが、7〜
30μmの曲率半径がコンタクト寿命において良好な結
果が得られており、好ましくは10〜20μmである。
7μm以下では曲率半径が小さすぎるため電気的導通面
の第一の面に十分な力が加わらずかつ面積が小さいため
問題となり、上限の20〜30μmは、前述した電極パ
ッドのせん断が発生する範囲の上限である24μmにほ
ぼ一致している。
【0042】なお、電極パッド厚さが異なると、適正な
曲率半径r1もそれに応じて変化するが、 9t≦r1≦35t なる関係に基づいて同様な管理を行えばよい。
【0043】なお、電極パッド材料のせん断変形が起こ
る滑り面の角度とプローブ先端形状の関係を分かりやす
く説明するためプローブ針先端面の形状を球面として図
示、説明したが、実際には完全な球面である必要はな
く、球面に近い曲面形状であれば同様な効果を得ること
ができる。
【0044】また、本実施の形態ではテストパッド材料
としてAl−Cu合金を例にあげたが、電極パッド材料
がアルミニウムと同様の滑り変形(せん断変形)をする
アルミニウムやAl−Si−Cu合金、銅などの材料で
あれば同様の効果を得ることができる。
【0045】実施の形態2.図8は本発明の実施の形態
2によるプローブ針の表面粗さと接触抵抗が1オームを
越えるコンタクト回数の関係を示すもので、電極パッド
の厚さ約0.8μmのDRAMに対して先端の曲率半径
15μmのプローブ針を用いて試験をした結果である。
これより、表面粗さが1μmと粗い場合には20000
回程度で寿命を迎えるが、電解研磨などにより面粗度を
上げていくと、0.4μm程度以下で急激にコンタクト
回数を増やすことができることがわかった。特に0.1
μmにした場合には38万回に達し、表面粗さが1μm
の場合の約20倍の寿命を達成できる。これはプローブ
針の先端に酸化物が付着しにくくなったためと推察で
き、上記実施の形態1で示した範囲内で、電極パッドの
厚さあるいはプローブ針の先端の曲率半径を変えてもほ
ぼ同様の結果が得られた。
【0046】実施の形態3.図9は本発明の実施の形態
3によるプローブ針の先端の外観形状を示す説明図で、
(a)は横から、(b)はプローブ針の先を正面から観
たものである。図において、1はプローブ針、17はプ
ローブ針1の先端に放射状に設けた凹部である。上記実
施の形態2と同様に、先端の曲率半径15μmのプロー
ブ針の表面を種々の表面粗さに仕上げ、さらに、研磨砥
粒を用いてプローブ針の先端中心から放射状に研磨傷を
設けて凹部を形成し、これらのプローブ針を電極パッド
の厚さ約0.8μmのDRAMの試験に用いた。図10
は、本発明の実施の形態3によるプローブ針の表面粗さ
と接触抵抗が1オームを越えるまでのコンタクト回数の
関係を示すもので、ランダムに凹部が形成された一般的
な研磨のみのプローブ針(破線)と比較して示したもの
である。図より、放射状に凹部を設けたプローブ針は一
般的な研磨のみのものに比べ、コンタクト回数が著しく
増大していることがわかる。これは、電極パッドにプロ
ーブ針を押しつけスクラブする時に、電極パッドのアル
ミニウムなどの金属が放射状に形成した凹部に沿って塑
性流動し、不規則な研磨傷などの段差部分に機械的に勘
合することが少なくなり、上記アルミニウムなどの金属
がプローブ針の先端に残存し、さらに酸化して接触抵抗
を増大させることが少なくなったためと考えられる。
【0047】さらに上記現象を確認するために、粒径5
μmの研磨砥粒を用いて種々の状態で凹部を設けたプロ
ーブ針を、DRAMの電極パッドに押しつけ試験をした
後、これらのプローブ針を走査型電子顕微鏡(SEM)
を用いて観察した。図11はSEM観察結果を模式化し
て示した説明図で、プローブ針の先の正面図である。図
において、1はプローブ針、17はプローブ針先端に設
けた凹部、18は凝着物であり、(a)は先端中心から
放射状に凹部を設けたもの、(b)は一部(少なくとも
電極パッドと接触する箇所)に、平行に凹部を設けたも
の、(c)は先端中心から同心円状に凹部を設けたも
の、(d)はランダムに凹部を設けたものである。これ
らのプローブ針を、電極パッドに、図中矢印で示した方
向に擦り合わせると、それぞれ図に示すような状態で、
アルミニウムあるいその酸化物と思われる凝着物18が
観察された。これらより、(c)の同心円状、および
(d)のランダムに凹部を設けたものに、多く凝着物が
観察されるのに比し、(a)の放射状、および(b)の
平行状に凹部を設けたものに凝着が少ないことから、お
およそスクラブ方向に一致させて凹部を設けることによ
りプローブ針への凝着を防止できることが確認できた。
【0048】以上示したプローブ針の先端に容易におお
よそスクラブ方向に一致させて凹部を形成する方法を同
時に見いだした。方法は以下の通りである。まず、先端
部を一般的な電解研磨もしくは例えばSiの砥粒を用い
た研磨によって、所望の球状に加工する。次に、放射状
に凹部を形成する場合には、研磨砥粒にほぼ垂直にプロ
ーブ針を挿入するか、例えばポリイミドなどの樹脂に研
磨砥粒を埋め込んだ基板、あるいはフィルムにプローブ
針を突き刺す。また、平行状に凹部を形成する場合に
は、研磨砥粒上でプローブ針を移動させるか、上記と同
様の研磨砥粒を埋め込んだフィルム、あるいは研磨材を
成膜した基板上でプローブ針を移動させる。上記研磨砥
粒としては、Si、SiC、人工ダイヤモンドなどが使
用でき、本実施の形態の凹部を形成するためには粒径5
μm以下のものが好ましい。また、研磨砥粒を埋め込ん
だフィルムは、樹脂に上記研磨砥粒を混ぜ込み硬化させ
て作製できる。
【0049】実施の形態4.図12は本発明の実施の形
態4によるプローブ針と一般的なプローブ針の組織を走
査型電子顕微鏡(SEM)により撮影した図である。図
12(a)は一般的なタングステンプローブの組織であ
り、図12(b)は上記タングステン針を熱処理した後
の組織である。タングステンプローブ針は焼結体である
ため、焼結後の材料には空孔が含まれる。この空孔を潰
すため、焼結後の材料を機械加工で圧延し、さらに線引
き加工して、針状結晶組織としているが、それでも1〜
2%の空孔(空隙)がある。そこで、この空隙を潰すた
めの熱処理を施したいが、タングステン材料が再結晶す
る温度領域での熱処理を加えると上記タングステン材料
の針状結晶組織がくずれて脆化し、タングステン本来の
材料強度が失われるため、本発明のような細いプローブ
針には用いることができない。そこで、比較的低温度で
外部から高圧力を加え、温度と圧力の相乗効果で、タン
グステン材料内部の空孔を潰す方法を見いだした。
【0050】プローブ針のように線引き加工された金属
材料は、材料内部にかなりの加工歪(残留応力)が残っ
ている。この加工歪みによって、特に結晶粒界付近のラ
ンダムに配列した金属原子は科学的ポテンシャルエネル
ギーが高くなっている。そこで、この加工歪の大きな金
属材料を再結晶温度以下の温度に加熱し、さらに外部か
ら静水圧をかけて上記金属材料内部の結晶粒界付近にあ
る空隙をつぶす処理を行った。熱処理条件としてはバル
ク材料の再結晶温度以下、圧力は材料のすべりを発生さ
せる圧力以上、その処理時間は処理される金属材料の原
子の移動がおよそ停止するまでとなるが、具体的には、
処理温度が300℃〜600℃、処理圧力が200〜2
000気圧、処理時間は0.5から5時間で熱処理する
ことにより、空孔が減少する。上記熱処理条件範囲でも
特に、処理温度500℃、処理圧力1000気圧以上、
処理時間1時間以上のときに空孔が激減することが実験
から明らかとなった。
【0051】なお、圧力条件については高い方が処理時
間が短くて済む。通常、材料内部の空孔欠陥をつぶすた
めには、材料の再結晶温度(通常はその材料の融点の4
〜5割の温度)以上の温度で、高圧をかけて熱処理(H
IP処理とよばれる)されるが、図12(a),(b)
に示すように本実施の形態の場合は例えばタングステン
の融点3400℃に比べて、およそ1桁低い温度での熱
処理により空孔がつぶせることが分かった。また、再結
晶温度以上での熱処理に比べ、材料の脆化が生じない。
なお、5mm程度の太い針に関して同様の熱処理条件で
その変化を確認したが、空孔欠陥は残存したままであっ
た。すなわち、150μm〜300μm程度のプローブ
針のサイズまで線引き加工したあとで、本発明の熱処理
を行うことが上記効果を得るうえで必須であることがわ
かった。
【0052】さらに、この熱処理によって、プローブ材
料を線引きした方向に著しく結晶配向が揃うことが見い
だされ、この効果によって、プローブ先端を加工する際
のエッチングや研磨レートが均一となり、針先端を非常
になめらかな平滑面とできることが分かった。その結
果、プローブ針先端に酸化物が付着しにくくなり、電気
的導通の良いプロービングが可能となった。表面粗さと
しては0.4μm程度以下の平滑面が良好である。
【0053】また、表1に示すように機械的性質も均一
(ヤング率のばらつきが、処理前には18.8〜25.
2kgf/mm2 であったのに対し、処理後には22.
3〜26.3kgf/mm2 )になるため、上記プロー
ブ針を取り付けたプローブカードを用いてプロービング
することにより、プローブ針のばらつきを考慮した余分
なオーバードライブや荷重を減らすことができるように
なる。
【0054】
【表1】
【0055】この熱処理したプローブ針材料を使って、
実施の形態1の先端の曲率半径25μmのプローブ針を
半導体装置に対し使用したところ、安定した電気接触抵
抗による連続プロービングの可能な回数が200000
回以上と実施の形態1に比し安定性が向上し、テスト時
間とテストコストが大幅に低減することができるように
なった。
【0056】上述した実施の形態では、主として半導体
集積回路のウエハテストをするためのプローブ針および
プローブカードについて述べたが、本発明によるコンタ
クトの方法によれば、例えば、半導体集積回路をパッケ
ージにした後でのリードフレームにコンタクトする場合
にも本発明の概念を使って電気的導通の良いファイナル
テストができる。また、半導体集積回路または表示デバ
イス等を実装した電子回路基板の動作テストにも適用が
でき、電気的導通の良いプロービングができる。
【0057】
【発明の効果】以上のように、本発明の半導体装置のテ
スト方法によれば、テスト用プローブ針の先端部を半導
体装置のパッドに押圧させ、上記先端部と上記パッドと
を電気的に接触させて、上記半導体装置の動作をテスト
する半導体装置のテスト方法であって、先端部を曲率半
径Rの球状曲面とした上記プローブ針を、厚さtの上記
パッドに押圧したとき、上記先端部は、上記パッド表面
の酸化膜を破って上記球状曲面がパッド内部に接触さ
れ、 6t≦r≦30tの関係を満たすようにしたので、 プロービング時にプロ
ーブ針先端が効率よく電極パッドをせん断変形でき、プ
ローブ先端と電極パッドとが十分な電気的導通を得るこ
とができ、信頼性の高い半導体装置の電気特性試験が可
能となる。また、本発明の第の構成に係る半導体装置
のテスト用プローブ針によれば、先端部を半導体装置の
電極パッドに押圧し、上記先端部と上記電極パッドを電
気的接触させて、半導体装置の動作をテストする半導体
装置のテスト用プローブ針において、上記プローブ針は
側面部と先端部から構成され、上記先端部は球状の曲面
であり、上記曲面の曲率半径rを10≦r≦20μmと
したので、コンタクト寿命を大幅にのばずことができ
る。
【0058】
【0059】
【0060】また、本発明の第2の構成に係る半導体装
置のテスト用プローブ針によれば、先端部を半導体装置
の電極パッドに押圧し、上記先端部と上記電極パッドを
電気的接触させて、半導体装置の動作をテストする半導
体装置のテスト用プローブ針において、上記プローブ針
の先端部の形状は、上記押圧による電極パッドとの接触
によりせん断が発生する球状曲面形状であって、かつ、
表面粗さを0.4μm以下にしたので、凝着が防止でき
ることからさらに連続して安定に電気的導通を取るプロ
ーブ針を提供することができる。
【0061】また、本発明の第3の構成に係る半導体装
置のテスト用プローブ針によれば、先端部を半導体装置
の電極パッドに押圧し、上記先端部と上記電極パッドを
電気的接触させて、半導体装置の動作をテストする半導
体装置のテスト用プローブ針において、上記プローブ針
の先端部の表面粗さは0.6μm以下であって、かつ、
上記プローブ針の先端部の少なくとも一部には、上記電
極パッドと上記プローブ針とを相対的に滑らせる方向
一致させて、線状の凹部を形成したので、凝着が防止で
きることからさらに連続して安定に電気的導通を取るプ
ローブ針を提供することができる。
【0062】また、本発明の第4の構成に係る半導体装
置のテスト用プローブ針によれば、上記第3の構成に係
る半導体装置のテスト用プローブ針において、線状の凹
部を、プローブ針先端部中心から放射状に形成したの
で、凝着が防止できることからさらに連続して安定に電
気的導通を取るプローブ針を提供することができる。
た、本発明の第1の構成に係る半導体装置のテスト用プ
ローブ針の製造方法によれば、上記第3の構成のプロー
ブ針の製造方法において、先端部の曲面を電解研磨また
砥粒による研磨で概略球状曲面に加工する工程と、先
端部の曲面を研磨砥粒もしくは研磨砥粒を含んだ樹脂に
挿入して線状の凹部を形成する工程、または先端部の曲
面を上記樹脂上で移動させて線状の凹部を形成する工程
とを備えたので、凝着が防止できることからさらに連続
して安定に電気的導通を取るプローブ針を容易に作るこ
とができる。
【0063】
【0064】また、本発明のプローブカードによれば、
複数のプローブ針を上下動して、半導体装置の電極パッ
ドに当接させ、上記半導体装置をテストするプローブカ
ードにおいて、上記第1乃至4のいずれかの構成に係る
半導体装置のテスト用プローブ針を備えたので、プロー
ブ針先端の凝着が防止できることからさらに連続して安
定に電気的試験を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1によるプローブ針と電
極パッドの状態を示す説明図である。
【図2】 本発明の実施の形態1によるプローブ針と電
極パッドの状態を示す説明図である。
【図3】 本発明の実施の形態1によるプローブ針によ
りアルミニウム電極パッドにつけたプローブ痕を一般的
なプローブ針の場合と比較して示す説明図である。
【図4】 本発明の実施の形態1によるプローブ針によ
りアルミニウム電極パッドにつけたプローブ痕を一般的
なプローブ針の場合と比較して示す説明図である。
【図5】 本発明の実施の形態1によるプローブ針を用
いた場合の接触安定性を一般的な例と比較して示す説明
図である。
【図6】 本発明の実施の形態1によるプローブ針と研
磨装置の状態を示す説明図である。
【図7】 本発明の実施の形態1によるプローブ針を用
いた場合の接触安定性と先端形状の関係を示す説明図で
ある。
【図8】 本発明の実施の形態2によるプローブ針の表
面粗さと接触抵抗が1オームを越えるコンタクト回数の
関係を示す特性図である。
【図9】 本発明の実施の形態3によるプローブ針の先
端の外観形状を示す説明図である。
【図10】 本発明の実施の形態3によるプローブ針の
表面粗さと接触抵抗が1オームを越えるまでのコンタク
ト回数の関係を示す特性図である。
【図11】 本発明の実施の形態3によるプローブ針を
SEM観察した結果を模式化した説明図である。
【図12】 本発明の実施の形態4によるプローブ針と
一般的なプローブ針の組織をSEMにより撮影した図で
ある。
【図13】 従来のプローブ装置およびプローブ針と電
極パッドの状態を示す説明図である。
【図14】 別の従来のプローブ針を示す説明図であ
る。
【図15】 さらに別の従来のプローブ針を示す説明図
である。
【符号の説明】
1 プローブ針、2 電極パッド、3 電極パッドの結
晶配向、4 (111)の滑り面、5(110),(1
01),(011)の滑り面、6 最小の滑り面、7
針先の接線方向ベクトル、8 電極パッド表面酸化膜、
9 電気的導通部分、10 酸化膜凝着部分、11 せ
ん断、12 電解液、13 基板、14樹脂、16 研
磨材、17 凹部、18 凝着物、31 プローブ先端
で排出されたアルミニウム、200 プローブ針の先
端、201 プローブカード、202 プローブ針、2
03 電極パッド、204 電極パッド表面酸化膜、2
05 プローブ針「かかと」部分、206 電気的導通
部分。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 出口 善宣 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三菱電機株式会社内 (72)発明者 三木 一伸 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三菱電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平8−166407(JP,A) 特開 昭63−10536(JP,A) 特開 昭63−128264(JP,A) 特開 平2−253167(JP,A) 特開 平5−175295(JP,A) 特開 平6−61316(JP,A) 特開 平6−289056(JP,A) 特開 平6−291167(JP,A) 特開 平8−50144(JP,A) 特開 平8−292209(JP,A) 特開 平5−273237(JP,A) 特開 平6−18560(JP,A) 特開 平11−148947(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 1/067,31/28

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 テスト用プローブ針の先端部を半導体装
    置のパッドに押圧させ、上記先端部と上記パッドとを電
    気的に接触させて、上記半導体装置の動作をテストする
    半導体装置のテスト方法であって、先端部を曲率半径R
    の球状曲面とした上記プローブ針を、厚さtの上記パッ
    ドに押圧したとき、上記先端部は、上記パッド表面の酸
    化膜を破って上記球状曲面がパッド内部に接触され、 6t≦r≦30t の関係を満たすことを特徴とする半導体装置のテスト方
    法。
  2. 【請求項2】 先端部を半導体装置の電極パッドに押圧
    し、上記先端部と上記電極パッドを電気的接触させて、
    半導体装置の動作をテストする半導体装置のテスト用プ
    ローブ針において、上記プローブ針は側面部と先端部か
    ら構成され、上記先端部は球状の曲面であり、上記曲面
    の曲率半径rを10≦r≦20μmとしたことを特徴と
    する半導体装置のテスト用プローブ針。
  3. 【請求項3】 先端部を半導体装置の電極パッドに押圧
    し、上記先端部と上記電極パッドを電気的接触させて、
    半導体装置の動作をテストする半導体装置のテスト用プ
    ローブ針において、上記プローブ針の先端部の形状は、
    上記押圧による電極パッドとの接触によりせん断が発生
    する球状曲面形状であって、かつ、表面粗さは0.4μ
    m以下であることを特徴とする半導体装置のテスト用プ
    ローブ針。
  4. 【請求項4】 先端部を半導体装置の電極パッドに押圧
    し、上記先端部と上記電極パッドを電気的接触させて、
    半導体装置の動作をテストする半導体装置のテスト用プ
    ローブ針において、上記プローブ針の先端部の表面粗さ
    0.6μm以下であって、かつ、上記プローブ針の先
    端部の少なくとも一部には、上記電極パッドと上記プロ
    ーブ針とを相対的に滑らせる方向に一致させて、線状の
    凹部が形成されていることを特徴とする半導体装置のテ
    スト用プローブ針。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の半導体装置のテスト用プ
    ローブ針において、線状の凹部は、プローブ針先端部中
    心から放射状に形成されていることを特徴とする半導体
    装置のテスト用プローブ針。
  6. 【請求項6】 請求項記載の半導体装置のテスト用プ
    ローブ針の製造方法において、先端部の曲面を電解研磨
    または砥粒による研磨で概略球状曲面に加工する工程
    と、先端部の曲面を研磨砥粒もしくは研磨砥粒を含んだ
    樹脂に挿入して線状の凹部を形成する工程、または先端
    部の曲面を上記樹脂上で移動させて線状の凹部を形成す
    る工程とを備えた半導体装置のテスト用プローブ針の製
    造方法。
  7. 【請求項7】 複数のプローブ針を上下動して、半導体
    装置の電極パッドに当接させ、上記半導体装置をテスト
    するプローブカードにおいて、上記プローブ針は、請求
    項2乃至5のいずれかに記載の半導体装置のテスト用プ
    ローブ針であること特徴とするプローブカード。
JP24169099A 1998-08-31 1999-08-27 半導体装置のテスト方法、半導体装置のテスト用プローブ針とその製造方法およびそのプローブ針を備えたプローブカード Expired - Lifetime JP3279294B2 (ja)

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