JP3902747B2 - プローブ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハ等の被検査体を位置決めしたのち、テスタに接続される触針を被検査体に接触させてその電気的特性を検査するプローブ装置に関し、特に触針に対する被検査体の位置決め精度を向上したプローブ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造工程においては、製造効率を向上させるために、ウェハ製造プロセスが終了してウェハ内に形成された多数の半導体デバイスの電極パッドにプローブカードの触針を接触させて、ＩＣテスタからの試験信号を印加して半導体デバイスからの出力信号を検出し、正常に動作しないデバイスは後の組立工程から除くと共に、その検査結果が速やかにフィードバックされ、後の製造工程に反映される。この検査に使用されるのがプローブ装置である。
【０００３】
このプローブ装置は、例えば真空吸着等によりウェハを保持するチャック部を備えており、このウェハのチャック部上方には、半導体デバイスの電極パッドに対応した多数の触針を備えたプローブカードが固定されている。そして駆動機構によりチャック部を支持しているステージをＸ，Ｙ，Ｚ，θ方向に移動させ、チャック部に保持されたウェハの半導体デバイスの電極パッドに触針を接触させ、この触針を介してテスタにより電気的な試験測定を行うように構成されている。
【０００４】
ところで正確な電気的測定を行うためには、プローブカードの触針を半導体デバイスの電極パッドに確実に接触させなければならず、このためステージを高精度に制御すると共に、測定前に触針に対して電極パッドを正確に位置合わせすることが必要である。そのため、従来のプローブ装置では、プローブカードの触針に半導体デバイスの電極パッドを接触させて、電気的な特性検査を行うプロービング領域と、触針をもつプローブカードが着脱自在に固定されるテストヘッドから離れた位置に、顕微鏡を備えた撮像手段（アライメント装置）を配置し、この撮像手段の下方側のウェハの位置合わせを行うアライメント（位置合わせ）領域とが、平面的に一定の距離を配置されている。したがって、ウェハが供給されたチャック部がまず最初に、このアライメント領域に移動してウェハが位置決めされ、つぎにこの位置決めされたウェハが、ステージの移動により触針の真下のプロービング領域に運ばれ、試験測定が行われる。このためステージを移動させる移動機構等の機械的誤差が、上記移動量に含まれるため、不正確な位置決めになるという問題があった。また、プローブ装置内にプロービング領域とアライメント領域とを平面的に一定の距離をあけて設ける必要があるため、プローブ装置を小型化できないという問題があった。
【０００５】
これらの問題を解決するために、従来より特公平７−１１１９９０号公報及び特開平１１−２６５２８号公報等によるプローブ装置が提案されている。このプローブ装置は、ウェハの位置合わせを行うアライメント装置を、ウェハの電気的測定を行うプロービング領域にまで移動可能に設けたものであり、これにより、プロービング領域内でウェハの位置合わせを行うことができ、ウェハの電気的試験測定中は、このアライメント装置をプロービング領域外に退避させて待機状態にすることで、プロービング領域とアライメント領域とをほぼ一致させることで、上記した問題を解決しようとするものである。
【０００６】
しかしながら、上記した従来のアライメント装置は、固定式もしくは水平移動式であり、いずれにしても触針の電極パッドへの接触時（プローブコンタクト時）とウェハの位置決め時（ウェハアライメント時）のプローブ装置のチャック部の高さは同じではない。また、プローブカードは多種類にわたっており、１種類のプローブカードの触針先端へのコンタクト高さを同じにした場合でも、同一テスタにおける異なる触針長さを有するプローブカードにおいては、コンタクト高さを同じにすることはできないという問題がある。そのため、チャック部のステージをＺ軸（垂直）方向に移動させる位置決め動作が必要となる。
【０００７】
このように、ウェハアライメント時のチャック部高さ（ウェハアライメント高さ）からプローブコンタクト時のチャック部高さ（コンタクト高さ）へチャック部のステージをＺ軸方向へ移動させた場合は、ステージのＺ軸方向移動によるチャック部のねじれ、倒れ（傾き）等の影響によるウェハの回転方向及びＸＹ方向のミクロンオーダーでの位置決め誤差が発生するという問題がある。この誤差を補正することは可能であるが、温度変化等の外乱や経年変化によって誤差補正とのずれが生じる可能性があるため、定期的に補正を検証する必要があり、根本的な対処策にはならない。
【０００８】
また、ステージ上にかなりの荷重がかかるプローバのＸ，Ｙ，Ｚステージにおいて、最も精度を出すことが困難であるのは、Ｚ軸方向動作であり、ステージの位置決め技術において、Ｚ軸方向に移動させた際のＸ，Ｙ，θ方向の精度確保が課題となっていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
微細化、大口径化が進むシリコンウェハの測定において、精度への要求は高まっており、プローバ装置の精度向上は喫緊の課題であった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、Ｚ軸方向に移動した際のウェハのＸ軸、Ｙ軸、θ方向の位置決め誤差を取り除き、位置決め精度を向上したプローバ装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のプローバ装置を提供する。
請求項１に記載のプローブ装置は、ウェハを保持するチャック部を備えた、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能なステージと、このステージに取り付けられ、プローブカードの触針の先端の高さを計測する触針用光学装置と、ウェハを位置決めするアライメント光学装置とを備えていて、このアライメント光学装置を上下方向に昇降自在に設け、触針の先端の位置とアライメント光学装置の焦点の位置との高さが等しくなるようにアライメント光学装置を昇降させるようにしたものである。これにより、プロービング時における触針と半導体デバイスの電極パッドの接触時と、ウェハを位置決めするウェハアライメント時のステージ高さを同じにすることができる。従って、ウェハアライメント後のＺ軸方向のステージの位置決め動作が必要でなく、それによる位置決め誤差の発生を防止できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従って本発明の実施の形態のプローバ装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態のプローバ装置の概略を示す斜視図である。符号１は、基台であり、この基台１上にはＹ方向に伸びるガイドレール２１に沿ってボールネジ（図示略）によりＹ方向に駆動されるＹステージ２が設けられると共に、Ｙステージ２の上にはＸ方向に伸びるガイドレール３１に沿ってボールネジ（図示略）によりＸ方向に駆動されるＸステージ３が設けられている。なお、これらのボールネジは、それぞれ図示されないモータによって回転駆動され、これによってＸ，Ｙステージ２，３がそれぞれＸ，Ｙ方向に移動できるものである。
【００１２】
Ｘステージ３には、図示しないモータによりＺ方向に駆動されるＺステージ４が設けられ、このＺステージ４には、Ｚ軸のまわりに回転自在（θ方向に移動自在）なチャック部５が設けられている。従って、チャック部５は、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ方向に移動可能である。
チャック部５の上面には、ウェハＷを固着保持する手段、例えば真空源と連通する吸着溝、が形成されていてウェハＷを真空吸着保持するようになっている。
【００１３】
図２に示されるように、ウェハＷを載置するチャック部５の上方には、図示されないテストヘッドにプローブカード６が装着されている。プローブカード６は、上面側にテストヘッドに電気的に接続される電極群を有し、下面側にはこれら電極群に夫々電気的に接続された多数の触針６１が、ウェハＷの半導体デバイスの電極パッドの配列に対応して設けられている。従って、触針６１をウェハＷの半導体デバイスの電極パッドに接触（コンタクト）させることにより、各半導体デバイスの電気的特性を検査することができる。
【００１４】
ウェハＷを載置するチャック部５を昇降させるＺステージ４には、チャック部５に隣接して、プローブカード６の触針６１の位置を求める触針用顕微鏡（光学装置）７が取り付けられている。この触針用光学装置７によって、プローブカード６の触針６１を下方から撮像して触針６１の先端の位置を検出する一方、Ｚステージ４をＺ方向に動かしてこの触針用光学装置７を上下に動かし、その合焦状態を見ながら触針６１の先端の高さｈを測定する。その測定結果は、制御部１０に入力される。
【００１５】
プローバ装置の基台１には、アライメント光学装置（顕微鏡）８がウェハＷを載置するチャック部５に隣接して設置されている。本発明においては、このアライメント光学装置８が、上下昇降機構８１によって基台１上に設けられている。この上下昇降機構８１は、公知の直線的な移動機構であればよく、例えばリニアガイド機構、ボールネジ機構等により構成されており、制御部１０からの出力によって駆動される。図２には、上下昇降機構８１の一例が示されている。即ち、アライメント光学装置８に固定された筒状部材８１ａと基台１に固定された筒状部材８１ｂとの間にボールベアリング８１ｃが配置されてガイド機構を構成しており、ボールネジ８１ｄに螺合されるナット部材８１ｅが筒状部材８１ａに取り付けられている。従って、パルスモータ８１ｆによりボールネジ８１ｄを回転することにより、筒状部材８１ａが昇降し、アライメント光学装置８が上下動する。パルスモータ８１ｆは制御部１０からの信号によって駆動される。また、アライメント光学装置８は、ＣＣＤカメラ等の撮像手段を含み、ウェハＷ上の半導体デバイスのパターンを認識して制御部１０に出力する。制御部１０では、アライメント光学装置８で得られた情報と触針用光学装置７で得られた触針６１の先端の位置情報とをもとに、公知の画像処理技術を用いて、触針６１とウェハＷの半導体デバイスの電極パッドのＸＹ面内の二次元的な位置整合を自動で行う。
【００１６】
以上のように構成された本発明のプローブ装置は、以下のように作動される。搬送装置（図示略）によって搬送されたウェハＷをチャック部５上に載置する。次に、触針用光学装置７によって触針６１の先端の高さ（プロービング高さ）ｈを測定して、その測定結果を制御部１０に入力する。図２に示すようにこの測定結果に基づいて、制御部１０はアライメント光学装置８の上下昇降機構８１を駆動して、アライメント光学装置（顕微鏡）８の焦点位置ｆまでの高さ（アライメント高さ）がｈ′である場合には、｜ｈ′−ｈ｜だけアライメント光学装置８を移動して、触針６１の先端の高さｈと同じ高さにする。このようにして、プロービング高さとアライメント高さとを同一にする。
【００１７】
図３は、本発明と従来技術との比較を概略的に説明する図である。（ａ），（ｂ）は、プローブカード６の触針６１の長さが異った場合を示しており、このようにプローブカード６を交換した際に触針６１の長さが変わった場合でも、同様にアライメント光学装置８を移動させることで、プロービング高さとアライメント高さとを常に同一にすることができる。このように、プロービング高さとアライメント高さとが同一であるので、ウェハＷのアライメント後の触針６１の先端とウェハＷの半導体デバイスの電極パッドとの位置整合は、ＸＹ面内のみで行えばよく、Ｚ方向での誤差を削減できる。なお、プロービング高さｈを零に近付ける程、その位置決め精度を向上できる。これに対して、（ｃ）に示される従来技術においては、プロービング高さとアライメント高さとが異なっているために、ウェハＷのアライメント後にＺ方向での位置整合も行なわなければならず、Ｚステージの倒れ誤差やねじれ誤差が生じる恐れがあり、位置決め精度が悪化する要因となる。
【００１８】
また、温度変化等の外乱や経年変化等により、アライメント光学装置（顕微鏡）８の焦点距離が変化した場合においても、Ｚステージの高さを任意の基準位置に移動した状態でアライメント光学装置８をＺ軸方向（上下方向）に動作させ、焦点の一致する位置から焦点距離の変化を自己診断することができる。
【００１９】
以上説明したように、本発明においては、触針のコンタクト時とウェハのアライメント時のチャック部の高さを同一にすることができ、ステージ機構のＺ軸方向動作によるＺステージのねじれ・倒れ（傾き）等の影響から生じるチャック部上のウェハの位置決め誤差をなくすことができ、プローバ装置の精度を向上できる。また、プローバ装置の精度向上は、ウェハの更なる微細化、大口径化を可能としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のプローブ装置の概略を示す斜視図である。
【図２】本発明のプローブ装置におけるアライメント光学装置のアライメント高さ合わせを説明する図である。
【図３】本発明（ａ），（ｂ）と従来技術（ｃ）の作用の比較を模式的に説明する図である。
【符号の説明】
１…基台
２…Ｙステージ
３…Ｘステージ
４…Ｚステージ
５…チャック部
６…プローブカード
６１…触針
７…触針用光学装置（顕微鏡）
８…アライメント光学装置（顕微鏡）
８１…上下昇降機構
１０…制御部

Claims (1)

1. 多数の半導体デバイスが形成されたウェハを位置決めしたのち、プローブカードの触針を半導体デバイスの電極パッドに接触させて、その電気的特性を検査するプローブ装置において、このプローブ装置が、
   ウェハを載置し、保持するチャック部を備え、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能なステージと、
   前記ステージに取り付けられ、前記プローブカードの触針の先端の高さを計測する触針用光学装置と、
   ウェハを位置決めするアライメント光学装置と、
   とを具備しており、
   前記アライメント光学装置が上下方向に昇降自在に設けられていて、前記触針の先端の位置と前記アライメント光学装置の焦点の位置とが同じ高さ位置にあるように前記アライメント光学装置を昇降移動させることを特徴とするプローブ装置。

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