JP3727540B2 - 隆起した接触要素を有するウェハのプロービングを行うためのプローブカード - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、隆起した接触構造体を有する電子部品との接触を行うための装置に関する。本発明は、弾性接触構造体を有するウェハのプロービングを行うのに特に良く適したものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
半導体デバイスの製造分野では、何らかの機能レベルに関してウェハから個体化されていない状態で(unsingulated)デバイスのテストを行うことは周知である。従来、これは、プローブカード及びプローバ(prober)を用いて行われる。代表的なプローブカードを図１に示す。該プローブカードがプローバ上に取り付けられ、該プローバが、該プローブカードの位置及び向きを高い精度で検出し、及びウェハの位置及び向きがテストされ、次いでそれら２つが精確に位置合わせされる。次いで該プローブカードがテスタに接続されて、該テスタとウェハ上の１つ又は２つ以上のデバイスとの間の接続が提供される。該テスタは、被験装置（ＤＵＴ）を付勢して該デバイスの性能を評価することができる。このプロセスが必要に応じて繰り返されてウェハ上の各デバイスがテストされる。該テストの規準をパスしたデバイスは、更なる処理を受けることになる。
【０００３】
１つの特に有用なプローブカードは、ウェハとの接触のために弾性を有するバネ要素を利用したものである。かかるプローブカードを図１に示す。このプローブカードは、本出願人の「Method of Planarizing Tips of Probe Elements of a Probe Card Assembly」と題する米国特許第5,974,662号、及びそれに対応する1996年5月23日にWO96/15458として公開されたPCT出願に詳細に説明されている。
【０００４】
半導体デバイスは、半導体ウェハ上に作製されるが、それを機能させるために外部のデバイスに対して個体化され(singulate)接続されなければならない。長年にわたり、標準的な半導体接続方法は、半導体デバイスをパッド（典型的にはアルミニウム）と共に製造することを伴うものであった。かかるパッドは、一般にワイヤボンディングを使用する一層大きな構造体（典型的にはリードフレーム）に接続される。リードフレームは、適当なパッケージ（典型的にはセラミック又はプラスチックからなるもの）内に取り付けることができる。該パッケージ上の接続部の間隔は、回路基板又はその他の係合装置（ソケット等）との係合を行うよう設計される。数年にわたるパッケージングにおける様々な革新により、パッケージングにおける、比較的近接した間隔及びより多くのピン数が可能となった。
【０００５】
このパッケージングパラダイムからの大きな変化をBGAパッケージングに見ることができる。この場合には、接点が、リフローイング可能な(reflowable)材料の小球となる。一般にはんだ材料を使用してパッケージを接触領域に位置決めし、次いで該パッケージを加熱して該はんだをリフローイングさせて、確実な電気的接続が提供される。これと同じ全体的な技法がチップレベルで使用されて、接触領域にわたり小さなバンプが形成される。一般的に使用されているプロセスは、C4(controlled collapse chip connection)ボールを作製するものである。
【０００６】
従来のプローブカードは、伝統的なボンドパッド（典型的にはアルミニウム）と接触するよう設計される。図１の新規のプローブカードは、この用途で有用なものとなる。また、C4ボールのプロービングは、様々な理由でより複雑なものであるが、図１のプローブカードは、この用途にも特に良く適したものである。
【０００７】
半導体ウェハ上に小さな弾性接触構造体を直接形成することを可能にする新規の形態のパッケージングが利用可能となった。これは、1998年11月3日発行の米国特許第5,829,128号を含む幾つかの特許の主題である。ここで、その一例を、端子226に接続されたバネ224を有するウェハ208として図２に示す。
【０００８】
弾性接触要素を用いて構成された半導体ウェハの全て又はその幾つかのコントラクタのための大規模コントラクタが開示された。固定プロセス及びバーンインプロセスについては、本出願人の同時係属中の米国特許出願第08/784,862号（1997年1月15日出願）に説明されている。これに対応するPCT出願は、1997年11月20日にWO97/43656として公開されている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、隆起した接触要素を有する半導体ウェハのプロービングにとって有用なプローブカードを提供する。特に、本発明は、バネ等の弾性接触要素との接触を行うのに有用なものである。
【００１０】
プローブカードは、ウェハ上の接触要素と係合するための端子を有するよう設計される。一好適実施形態では、該端子はポスト(post)となる。一好適実施形態では、該端子は、反復的な接触に適した接触材料を含むものとなる。
【００１１】
一好適実施形態では、間隔変換器(space transformer)の一方の側に接点が配設され、該間隔変換器の反対側に端子が配設される。前記バネ接触部を有する介在手段(interposer)が、前記間隔変換器の反対側にある１つの接触部を、それに対応するプローブカード上の端子に接続し、次いで該端子が、従来のテスタ等のテスト装置に接続することが可能な端子へと接続される。
【００１２】
本発明の目的は、隆起した接触要素を有する半導体デバイスのプロービングを行うためのプローブカードを提供することにある。
【００１３】
本発明のもう１つの目的は、隆起した接触要素を有する電子部品のプロービングを行うことにある。かかる電子部品は、BGAパッケージ等のパッケージ化された半導体を含み得るものである。
【００１４】
本発明の上述その他の利点、並びに例証としての実施形態の詳細については、以下の詳細な説明及び図面からより完全に理解されよう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１のプローブカードアセンブリは、上記引用の本出願人の米国特許第5,974,662号に詳細に説明されている。同図は、該米国特許第5,974,662号の図５であり、該図５では500代の符号が付しているが、ここでは100代の符号を付している。
【００１６】
ここで図２を参照する。同図では、新たな目的のために図１のプローブカードアセンブリが僅かに変更されている。共通の要素には、プローバ（図示せず）に取り付けられた支持用のプローブカード102が含まれる。介在手段112は、バネ114及びそれに対応するバネ116を有しており、これらのバネは、それぞれに対応する端子110,120が電気的に接続されるように該介在手段を介して接続を行うものである。間隔変換器106においては、対応する端子120,222（図１では122）が接続される。該プローブカード102は、回路の接続をサポートし、これにより、テスタのリードをそれに対応する端子110へ接続し、次いで114,116,120,222（又は122）を介して半導体デバイスからの接続を受けることができるようになる。図１では、弾性接触要素124は、端子122に接続され、半導体ウェハ108上の端子126と接触させられる。図２では、半導体ウェハ208は、端子226を有しており、該端子226が、隆起した接触要素（この場合には弾性接触要素224）を有しており、該弾性接触要素224がそれに対応する端子222の対応する接触領域と接触させられて、テスタへの回路が完成する。該テスタは、接続された半導体デバイスを付勢して、該デバイスの機能を評価することが可能となる。
【００１７】
バネ114,116を備えた介在手段112は、端子110,120に対する押圧を行う。間隔変換器106を介在手段112のバネ力に抗してプローブカード102に向かって押圧することにより、バネ114,116及び端子110,120の先端の平坦度が不完全な場合であっても、介在手段が、対応する各端子110,120との接触を維持することになる。更に、様々な構成要素の弾性の限界内で、間隔変換器がプローブカードに対して角度をなすことにより、特定の寸法内で位置合わせを行うことが可能となる。差動ネジ138,136を極めて精密に調節して、プローブカード102に対する間隔変換器118の表面の向きを再設定することができる。その結果として、該間隔変換器に接続されたあらゆるものの向きが、それに対応して設定されることになる。このため、図１のバネ124の先端及び図２の端子222を半導体ウェハに対して高い精度で位置決めすることが可能となる。
【００１８】
ここで図３を参照する。同図では、代替的な実施形態において図２の構成要素を見ることができる。その主な構成要素は、図２に関して説明したように機能する。間隔変換器324は、端子336,335を支持し、それら端子は適宜接続される。介在手段325は、弾性接触要素334,333を支持する。プローブカード321は、端子332,331を支持し、それら端子は適宜接続される。一般に、テスタからのリードは、端子331に接続されることになる。次いで該端子331が、端子332に接続され、次いで弾性接触要素333,334を介して端子335に接続され、最後に対応する端子336に接続される。支持バネ320は、介在手段325及びプローブカード321に対して間隔変換器324を保持する。配向(orienting)装置322は、上述のように機能して、プローブカード321に対する間隔変換器の向きの微調整を行う。
【００１９】
図３は、半導体ウェハ310を幅広に示したものであり、この場合には、複数の別個の半導体デバイス311が存在する。同図では、１つの半導体デバイスがそれに対応する端子336にもう少しで接続される状態で示されている。半導体ウェハ310をプローブカード321に向かって移動させることにより、マイクロバネ接点301が、それに対応する端子336の接触領域と直接に及び緊密に接触するようになり、その結果としてテスタの対応するリードと接続される。そのテスト後、半導体ウェハの再位置決めを行って、別の半導体デバイスをプローブカードアセンブリ上の対応する端子に接触させることができる。
【００２０】
図４は、ポスト構造体を作製するための特に好適な方法を示している。介在手段、間隔変換器、及びプローブカードの作製についての詳細は、本出願人の米国特許第5,974,662号及び本書で引用する早期の出願で詳述されている。
【００２１】
図４を参照すると、構造体400において、支持基板405は、端子410、相互接続部420、及び端子415を備えている。それらに適した材料及びそれらの代替的な構成については、上記引用の出願で詳述されている。好適な実施形態では、支持基板は多層セラミック基板となる。導電層417は、複数の端子415（その他の端子は図示していない）の接続を行うものである。以下のステップの一層詳細な説明は、本出願人の「Lithographic Contact Elements」と題する同時係属中の米国特許出願第09/205,423号、及びそれに対応する1999年11月23日提出のPCT出願（出願番号は未だ分からない）に見出すことができる。図４ないし図７は、前記対応する出願の図１ないし図４を書き替えたものである。
【００２２】
電気メッキ処理では、メッキ処理のための適当な回路を提供するために、メッキ処理が行われる要素間に共通の接続を提供することが有利である。これ以外の堆積方法を使用して、本書で説明するものと同様の構造体を形成することが可能である。かかる方法は、米国特許第5,974,662号及びそれをサポートする出願で説明され又は引用されている。符号417等の短絡層の代替策は、複数の端子410（そのうちの１つのみを示す）を直接に接続する短絡層407を提供することである。その両者が図示されているが、実際には、その一方又は他方のみが使用されることになるのが一般的である。符号407で示すような「上部」層の使用は、基板を通して接続を行う適当な方法が存在しない場合に特に有利である。かかる場合の一例として、シリコン、又は、セラミック、ポリイミド、若しくはその他の材料の特定の構成体(configurations)を基板として使用する場合が挙げられる。
【００２３】
短絡層407は、スパッタリングにより付与される。材料、厚さ、処理の変形例その他の詳細については、本出願人の1998年2月26日出願の「Lithographically Defined Microelectronics Contact Structure」と題する対応米国特許出願第09/032,473号、及び1999年11月19日にWO98/52224として公開された対応PCT出願に見出すことができる。特に好適な１つの材料は、タングステン及びチタンからなる合金である。これは、スパッタリングにより付与することができる。有用な深さは、3000〜6000オングストローム（例えば4500オングストローム）というオーダーである。様々なチタン合金又はタングステン合金もまた有用なものである。
【００２４】
ネガティブフォトレジスト425等の抵抗層が、基板の表面（勿論、他の付与された層の最上部に位置する表面）に付与される。これは、端子410上に開口を残すようにパターン形成される。
【００２５】
該フォトレジスト層の前記開口内に、該開口を満たすよりも多くの適当な構造材料(structural material)430が堆積される。一好適実施形態では、ニッケル及びコバルトの合金が、電気メッキ処理により堆積される。他の有用な材料として、銅、パラジウム、パラジウムコバルト、及びそれらの材料を含む合金が挙げられる。スパッタリング等の他の堆積方法もまた適している。
【００２６】
化学機械研磨等の研磨又は研削処理を使用して、過度の構造材料が除去され、高度に平坦な構造体が残される。更に、基板上の他の構造体が平坦にされる。１つのポストの領域内で、及び一連のポストにわたり、高さの変動を最小限にすることが望ましい。1000分の１(one in 1000)のオーダーの平坦さ（比較的離れた対応する特徴部分で測定した表面を越える高さ）が望ましいが、所与の設計の特定の制約のため1000分の２〜５又はそれ以上が十分に許容可能となる。これは、直線約25.4mm（１インチ）につき約0.00254mm（約100マイクロインチ）又は１cmにつき約１ミクロンという高さの一貫性に相当する。
【００２７】
一好適実施形態では、追加の接触層が付与される。図８を参照すると、接触層431が構造材料430上に堆積されている。一好適実施形態では、これは電気メッキにより堆積される。好適な材料はパラジウム及びコバルトの合金である。他の有用な材料として、パラジウム、ハードゴールド(hard gold)、ソフトゴールド(soft gold)、及びロジウムが挙げられる。その厚さは、接触要素を作製する当業者により理解されている設計上の規準により選択することができる。一好適実施形態では、該厚さは、約０〜５ミクロン（約０〜200マイクロインチ）となる。
【００２８】
フォトレジストのマスキング層を剥離させ、及び導電層407,417を除去することにより、構造体が完成する。有用な技術として、灰化(ashing)、ウェットエッチング、及びレーザ融除が挙げられる。時間、材料、及び条件についての詳細は、当業界で極めて周知のところである。図９を参照すると、完成した構造体400は、次いで、図２及び図３に示すように、プローブカードアセンブリ内に配設することができる。
【００２９】
端子の外形は、この方法を用いて極めて柔軟に設計することが可能であり、設計者は、高度の柔軟性を得ることになる。（基板の表面とほぼ平行なXY平面内の）断面がほぼ正方形のポストを形成するのは非常に簡単である。これは、X方向及びY方向の各々において0.0254〜0.254mm（約１〜10ミル）のオーダーとすることができる。明らかに、この場合には、殆どあらゆる大きさ及び形状に設計することが可能である。該構造体の高さを基板表面から０〜1.5mm（０〜60ミル）のオーダーにするのが都合がよい。勿論、該端子が包括的に高度に平坦である限り、実際にその端子を基板表面よりも下方へ配置することも可能である。有用な高さは、約125〜250ミクロン（約５〜10ミル）のオーダーである。別の好適な実施形態は、約１〜1.5mm（約40〜60ミル）のオーダーの高さを有する構造体を備えたものである。
【００３０】
プローブ構造体が、テスト対象となるウェハの平面と可能な限り良好に整列するように、該プローブ構造体の方向付けを行うことは、極めて有益である。間隔変換器の表面を妥当に平坦にすることもまた非常に助けとなる。ウェハ上の弾性接触構造体の接触端（一方向から見た先端）が、全体的に同一の平面上にあり、該同一平面上にある端子が、整列した平面にわたり同一平面上にある端子と接触させられるものと仮定すると、これは、全ての先端の全ての端子との接触を保証するために最小限の量だけ前記先端を押圧すればよいことを意味している。先端、端子、又は接触平面の位置ずれに存在する非同一平面性(non-coplavarity)は、それが如何なる量であっても、全ての先端を満足のゆく接触状態とするために複数の先端のうちの幾つかを更に移動させなければならないことになる、という結果を招くものとなる。本書で説明する構造体は、比較的平坦にすること、及びウェハ上での最小限の駆動を可能にするよう正しく方向付けすることを容易に実施することが可能なものである。好適な設計では、75ミクロン（３ミル）のオーダーのオーバートラベルが１つの有用な設計ポイントである。すなわち、最初の先端がそれに対応する端子に接触するポイントから、該先端に対応する基部が、該端子により接近するオーバートラベル距離だけ駆動される。多くの設計では、これにより先端が端子に対して押圧されて、該先端が、該端子上でスライドし、このため該先端又は端子上に存在し得る汚染物質を掘り返し又は通過するようになる。これはまた、他の先端を駆動して該先端に対応する端子に接触させ該端子に沿うようにする。構成要素が正しく設計されて整列されている場合には、選択されたオーバートラベルの度合いは、対応する端子に最後に接触する先端が適切な接触を確立することを可能にするものとなる。
【００３１】
バネを有するウェハの幾つかの実例は、オーバートラベル停止保護手段を備えている。かかるオーバートラベル停止保護手段は、本出願人の「Interconnect Assemblies and Method」と題する同時係属中の米国特許出願第09/114,586号（1998年7月13日出願、発明者：Benjamin Eldridge）及びそれに対応するPCT出願第US99/00322号（1999年1月4日出願）に詳細に説明されている。図１０には、かかるオーバートラベル停止保護手段の一例が示されている。半導体ウェハ1008は、弾性接触要素1024と共に端子1026を備えるよう作製されている。図２の符号208,226,224と比較されたい。更に、オーバートラベル停止保護手段1025が含まれている。一好適実施形態では、これは硬化エポキシという形をとる。該保護手段は多くの形態をとることが可能である。図示のように、保護手段は、弾性接触要素1024のみのための開口を有するほぼ平坦なエポキシのフィールドといったものである。該停止保護手段の高さは、各弾性接触要素が所望の量だけ変形することができるが該保護手段のレベル「以下」に行き過ぎることがなく、これによりオーバートラベルが効果的に制限されるように選択される。かかる停止保護手段を有するウェハは、図２及び図３に関して上記で説明したものと同じ装置を使用してテストすることができる。
【００３２】
ここで図１０及び図１１を参照する。弾性接触要素1024が対応する端子222に最初に接触する場合、該弾性接触要素は、それに対応する端子に最初に接し、次いでその表面上を拭い始める。図１１において、弾性接触要素1024Aは、接触状態にあり幾分か押圧されている。図１１では、各端子222は、それぞれに対応するオーバートラベル停止保護手段1025に接触することになるが、対応する弾性接触要素1024Aをそれ以上押圧しなくなる。半導体ウェハ1008がプローブカード102に向かって更に駆動されると（図１０参照）、オーバートラベル停止保護手段1025が端子222を押圧することになり、これにより間隔変換器106がプローブカード102に向かって駆動される。半導体ウェハ1008に十分な駆動力が与えられた場合には、プローブカード102が該半導体ウェハから離れるように変形されることになる。設計者は、期待されるプロービング力に適合するようプローブカードの剛性特性を選択することができる。考慮すべき１つのファクタは、プローブカードアセンブリに接触することが期待される弾性接触要素の数である。もう１つのファクタは、各バネのバネ定数である。もう１つのファクタは、プローブカードが過駆動された際に該プローブカードが降伏する程度を考慮することである。一般に、１つの弾性接触要素についてのバネ定数ｋsである場合、ｎ個のバネについての接触されるバネの有効バネ定数はｎｋsとなる。一好適実施形態では、プローブカードのバネ定数ｋpcbは、ｎｋs以上となる。バネ定数ｋpcbがｎｋsの２倍のオーダーとなるのが特に好ましい。
【００３３】
１つの特に好ましい動作モードは、オーバートラベル停止保護手段をプローブカードに平坦に結合させ、次いで小さな力を加えるか又は付加的な力を加えない、というものである。
【００３４】
本発明を用いた装置及び方法、並びに本発明の好適実施形態についての一般的な説明を上記で行ってきた。当業者であれば、上記の装置及び方法の多数の態様に本発明の教示の範囲内に含まれる変更を加えることが可能であることに気づき、またそれを実施することが可能である。本発明の思想及び範囲は、特許請求の範囲のみにより制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の半導体デバイスのプロービングを行うためのプローブカードを示している。
【図２】 隆起した接触要素を有する半導体デバイスのプロービングを行うためのプローブカードを示している。
【図３】 隆起した接触要素を有する半導体デバイスのプロービングを行うためのプローブカードの第２の実施形態を示している。
【図４】 本発明のプローブカードでの使用に適したポストを形成するプロセスにおける各ステップを示している。
【図５】 本発明のプローブカードでの使用に適したポストを形成するプロセスにおける各ステップを示している。
【図６】 本発明のプローブカードでの使用に適したポストを形成するプロセスにおける各ステップを示している。
【図７】 本発明のプローブカードでの使用に適したポストを形成するプロセスにおける各ステップを示している。
【図８】 本発明のプローブカードでの使用に適したポストを形成するプロセスにおける各ステップを示している。
【図９】 本発明のプローブカードでの使用に適したポストを形成するプロセスにおける各ステップを示している。
【図１０】 移動停止保護手段(travel stop protector)を備えたウェハと共に使用される本発明の装置を示している。
【図１１】 移動停止保護手段(travel stop protector)を備えたウェハと共に使用される本発明の装置を示している。

Claims (8)

  1. 表面から延びる細長い弾性接触要素を含む電子デバイスと、
    プローブカードと、
    複数の端子を有するプローブ基板であって、該端子のそれぞれが前記細長い弾性接触要素の一つに対して押しつけられて押圧するプローブ基板と、
    前記プローブカードと前記プローブ基板の間に配置され、前記プローブカード及び前記プローブ基板から隔置されている介在手段であって、前記プローブカードと前記プローブ基板の間に柔軟な電気的接続をもたらす複数の細長い相互接続要素を含む介在手段と、
    前記プローブカードに対して前記プローブ基板の向きを変える手段とを含み、
    前記電子デバイスが、前記プローブ基板と係合する少なくとも１つの停止構造体を有し、前記端子が前記細長い弾性接触要素を押圧する量が制限されるテストアセンブリ。
  2. 前記端子が、前記プローブ基板から突出するポストである請求項１に記載のテストアセンブリ。
  3. 前記ポストが、前記プローブカード基板から1.5mm未満の距離だけ突出している請求項２に記載のテストアセンブリ。
  4. 前記端子が、前記プローブ基板の表面と同じ面又は前記プローブ基板の表面よりも下方に配置されているパッドである請求項１に記載のテストアセンブリ。
  5. 前記端子のそれぞれの少なくとも第１の層が、ニッケル-コバルト、ニッケル、銅、コバルト、パラジウム又はこれらの合金からなる請求項１に記載のテストアセンブリ。
  6. 前記端子のそれぞれの少なくとも第２の層が、前記第１の層とは異なり、パラジウム、コバルト、ハードゴールド、ソフトゴールド、ロジウム又はこれらの合金からなる請求項５に記載のテストアセンブリ。
  7. 前記電子デバイスが、複数の個体化されていない半導体ダイからなる半導体ウェハである請求項１に記載のテストアセンブリ。
  8. 前記プローブ基板が、それぞれがバネ定数ｋｓを有するｎ個の細長い弾性接触要素に接触するように構成され、プローブカードアセンブリが、前記プローブカード、前記介在手段、前記プローブ基板を含み、当該プローブカードアセンブリが、実質上変形することなく、前記少なくとも１つの停止構造体に許容される前記接触要素の最大押圧に対するｎｋｓよりも大きなバネ力に耐えるのに十分な剛性を有する請求項１に記載のテストアセンブリ。
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