JP3391352B2 - 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

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
テストなど半導体装置の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を備えたプローブ
カード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、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。

【００１３】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
気的接触が得られ電極パッドの損傷を防止でき、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。また、プローブ痕を小さくすることによって、信
頼性を向上させて半導体装置のテストが行えるプローブ
カードを提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
のテスト用プローブ針は、先端部を半導体集積回路の電
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、半導体集積回路の動作をテストするウエ
ハ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、かつ上記曲面は、プローブ針を電極パッドに当接後
さらに針が電極パッドと相対的に滑り移動させた場合の
すべり方向に対して、その方向におおよそ位置する第一
の曲面の曲率をその反対側の第二の曲面の曲率より大き
くし、かつ上記第一の曲面の曲率半径を７〜３０μｍと
したものである。

【００１５】また、本発明に係る半導体装置のテスト用
プローブ針の製造方法は、上記本発明の構成に係る半導
体装置のテスト用プローブ針において、先端部の曲面を
電解研磨または砥粒による研磨で粗加工し、軸対称の球
状曲面とする工程と、基板上に固着された研磨砥粒を含
む弾性変形可能な厚膜、または研磨材を表面、もしくは
金属膜を介して固着した弾性変形可能な厚膜からなる研
磨部材上で横すべりさせて仕上げ加工する工程とを備え
たものである。

【００１６】また、本発明に係るプローブカードは、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、上記プローブ針を、上記本発明の構成に係
る半導体装置のテスト用プローブ針としたものである。

【００１７】

【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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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で
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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】参考例１．図８は本発明の参考例１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０．１μm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。

【００３８】参考例２．図９は本発明の参考例２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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】参考例３．図１２は本発明の参考例３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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】

【表１】

【００４７】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。

【００４８】上述した実施の形態および参考例では、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。

【００４９】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る半導体装置
のテスト用プローブ針によれば、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、かつこの曲面
は、プローブ針を電極パッドに当接後さらに針が電極パ
ッドと相対的に滑り移動させた場合のすべり方向に対し
て、その方向におおよそ位置する第一の曲面の曲率をそ
の反対側の第二の曲面の曲率より大きくし、かつ第一の
曲面の曲率半径を７〜３０μｍとしたので、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
通を得る小さな接触面を針先端クリーニングなしで得る
ことができ、かつ半導体装置の損傷を与えない、ボンデ
ィング不良を発生させないことが可能となる。

【００５０】また、本発明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、上記本発明の構成に係
る半導体装置のテスト用プローブ針の製造方法であっ
て、先端部の曲面を電解研磨または砥粒による研磨で粗
加工し、軸対称の球状曲面とする工程と、基板上に固着
された研磨砥粒を含む弾性変形可能な厚膜、または研磨
材を表面、もしくは金属膜を介して固着した弾性変形可
能な厚膜からなる研磨部材上で横すべりさせて仕上げ加
工する工程とを備えたので、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小さな接触面を得ることが
でき、かつ半導体装置に損傷を与えずボンディング不良
を発生させないプローブ針を容易に作ることができる。

【００５１】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、上記本発明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、かつ半導体装置に損傷を与えない効
果がある。

【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】 本発明の参考例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】 本発明の参考例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】 本発明の参考例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】 本発明の参考例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】 本発明の参考例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 平８−292209（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−10536（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−128264（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−175295（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−61316（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−289056（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 1/06 - 1/073 G01R 31/26 H01L 21/66

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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、かつ上記曲
   面は、プローブ針を電極パッドに当接後さらに針が電極
   パッドと相対的に滑り移動させた場合のすべり方向に対
   して、その方向におおよそ位置する第一の曲面の曲率を
   その反対側の第二の曲面の曲率より大きくし、かつ上記
   第一の曲面の曲率半径を７〜３０μｍ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。
2. 【請求項２】 請求項１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粗加工し、軸対称の球状曲面と
   する工程と、基板上に固着された研磨砥粒を含む弾性変
   形可能な厚膜、または研磨材を表面、もしくは金属膜を
   介して固着した弾性変形可能な厚膜からなる研磨部材上
   で横すべりさせて仕上げ加工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。
3. 【請求項３】 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１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。