JP4209555B2

JP4209555B2 - 半導体検査装置

Info

Publication number: JP4209555B2
Application number: JP19357399A
Authority: JP
Inventors: 茂久小栗; 浩敏寺田; 裕久樋口; 慎一児島; 好司金田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2019-07-07
Also published as: JP2001024042A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの異常発生解析や信頼性評価などに供される半導体検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＶＬＳＩなどの半導体デバイスの高集積化に伴い、半導体チップに形成されている内部回路などの異常解析や信頼性評価を行うことが益々困難となってきている。
【０００３】
このような現状において、半導体デバイスから発生する極めて微弱な光（以下、極微弱光という）を検出することにより異常箇所を突き止める解析技術が注目されている。この解析技術を適用した半導体デバイス検査装置として、エミッション顕微鏡を備える装置が知られている。
【０００４】
エミッション顕微鏡は、半導体デバイス内部の異常箇所に電界が集中したときに生じるホットキャリアに起因する極微弱光や、ラッチアップなどに起因する赤外域の極微弱光を高感度で撮像する顕微鏡である。このエミッション顕微鏡を半導体デバイス検査システムに適用した技術は、特開平７−１９０９４６号公報に掲載されている。
【０００５】
図８は、特開平７−１９０９４６号公報に掲載されている半導体デバイス検査システムを示している。このシステムは観測部Ａ、制御部Ｂおよび解析部Ｃで構成されており、観測部Ａ内部には基板Ｓがデバイス形成面を下にして、つまり基板Ｓ裏面を上向きにして配置されている。そして、その上部にエミッション顕微鏡４が落射型に配置されている。基板Ｓへ電圧を印加するために、デバイス形成面と対面してテストフィクチャ７が設けられている。テストフィクチャ７は、コネクタパネル８を介して観測部Ａの外側に設けられたバイアス印加制御部８ａに制御されており、基板Ｓのデバイス形成面への所定電気信号の印加はバイアス印加制御部８ａの制御によるテストフィクチャ７によって行われている。制御部Ｂの制御により基板Ｓ裏面から半導体チップに赤外光照射部５によって赤外光を照射しつつ、その反射光像、つまり基板内部に形成されているデバイス像をＣＣＤカメラ２で撮像する。そして、赤外光およびその他の光を遮断した状態で基板Ｓの異常箇所から生じる極微弱光の発光像をＣＣＤカメラ２で撮像している。
【０００６】
また、他の従来技術としては、基板のデバイス形成面を下向きにし、基板を裏面から真空吸着して基板を支持し、下方に向いているデバイス形成面にカンチレバーを対面させて基板に電気信号を印加する技術が用いられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年は半導体デバイスのメタルの多層化、フリップチップ、ＣＳＰ化およびＬＯＣ化等あらたなデバイス構造化が進み、更なる半導体デバイスの大規模、大集積化に伴い、回路の複雑さが増してきた。そのため、従来の半導体デバイス検査システムで電気信号を印加するだけではでは対応しきれない、多数の電気信号を印加しながら故障箇所を検出したいという要求が高まっている。
【０００８】
しかし、テストフィクチャを用いる技術ではウェハ状態の基板の測定ができないといった問題がある。
【０００９】
また、基板を真空吸着によって支持し、多数の電気信号をカンチレバーなどによって基板下部から印加する場合には、電気的接触をさせるためにカンチレバーによって基板に加わる圧力が増し、数Ｋｇにもおよぶ圧力が基板に加わってしまう（例えば、発明者の見積もりでは基板に加わる荷重が１ピン当たり８ｇとして、４０００ピンの針当てを行いたい場合、３２Ｋｇもの圧力が基板に加わってしまう）。そのため基板が破損するおそれがあり、破損しなくとも圧力による基板の歪みによって電気的接触が外れてしまったり、基板の真空吸着が外れるといった問題がある。
【００１０】
そこで本発明は、従来の半導体デバイス検査システムを更に改良することを目的とし、特に、多数の電気信号を基板に形成された半導体デバイスに印加しながら基板の発光箇所を観察可能とする半導体検査装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明に係る半導体検査装置は、基板に設けられた半導体デバイスからの発光を検出し評価を行う半導体検査装置であって、複数の電気信号を前記基板に印加するためのプローブカードを含む電圧印加部と、電圧印加部のプローブカードに対面し、前記基板のデバイス形成面がプローブカード側となる状態で前記基板を支持するための支持面を有する支持部材を含むステージ部と、ステージ部に対して電圧印加部のプローブカードの反対側に設けられ、支持部材を介して前記基板の裏面側から前記基板を撮像するための倒立型の撮像部と、ステージ部に対して電圧印加部のプローブカードの反対側に設けられ、支持部材を介して前記基板の裏面側から前記基板に赤外光を照射するための光源と、プローブカード及び支持部材の間に配置され、プローブカードの光像を反射する第１ミラーと、支持部材上に支持された基板の光像を反射する第２ミラーとを含む光学系と、光学系の第１ミラーによって反射、結像されたプローブカードの光像と、第２ミラーによって反射、結像された基板の光像とを取得するカメラとを備え、ステージ部は、支持部材上に支持された基板を移動させることにより、基板の位置決めを行うための電動ＸＹＺステージを含むとともに、電圧印加部は、基板のデバイス形成面に電気信号を印加する複数のスプリングピンをその一面に有する着脱可能なプローブカードと、プローブカードを支持する着脱可能なプローブカード支持基板と、プローブカードを垂直方向に移動させる駆動部と、ステージ部の電動ＸＹＺステージを駆動するステージ駆動部と、駆動部及びステージ駆動部を制御する入力装置とを含むことを特徴とする。
【００１２】
この様に、基板を支持する支持面を備えるので、多数の電気信号を印加する際に圧力を受ける基板を、支持面の全体によって支持することができる。また、支持面上に基板を配置するため基板落下のおそれもない。そのため、従来より多数の電気信号を半導体基板に印加することが可能となる。
【００１３】
また、本発明に係る半導体検査装置は、支持部材が赤外照射部からの照射光および基板から発生する光に対して透明な材料で形成されていることを特徴としてもよい。この様に、支持部材が透明な材料で形成されていることにより、基板内部の回路画像および基板の異常箇所からの発光を撮像部によって鮮明に撮像することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
半導体検査装置の実施形態の全体構成を図１に基づいて説明すると、この半導体検査装置は、暗箱１０を有する観測部Ａと、暗箱１０内に設置される冷却ＣＣＤカメラ１９その他の構成要素を制御するための制御部Ｂと、冷却ＣＣＤカメラ１９から出力される画像信号を上記の制御部Ｂを介して入力して所定の画像処理を行う解析部Ｃとを具備している。
【００１６】
外部からの光の入射を遮断する暗箱１０内には、測定対象である半導体デバイスが形成された基板Ｓを載せてＸＹＺ座標方向へ移動させることにより、基板Ｓの位置決めを行う電動ＸＹＺステージ１２を備えている。ここで、電動ＸＹＺステージ１２は基板Ｓを配置する部位に基板の支持面となるガラスチャック１１を有している。暗箱１０はこの電動ＸＹＺステージ１２の上部に基板Ｓに電圧を印加する電圧印加部Ａ１を、下部には基板Ｓ裏面を撮像する撮像部Ａ２を有している。
【００１７】
電圧印加部Ａ１は、基板Ｓのデバイス形成面に電気信号を印加する複数のスプリングピン１３をその一面に有する着脱可能なプローブカード１４と、プローブカード１４を支持する着脱可能なプローブカード支持基板１９と、プローブカード１４を垂直方向に移動させる駆動部２０と、電動ＸＹＺステージ１２を駆動するステージ駆動部２１と、駆動部２０およびステージ駆動部２１を制御する入力装置１８とを備えている。
【００１８】
更に、電圧印加部Ａ１は、スプリングピン１３および電動ＸＹＺステージ１２の表面反射光をＣＣＤカメラ１６に結像させる光学系１５と、光学系１５と水平に保持されたＣＣＤカメラ１６と、ＣＣＤカメラ１６を軸に光学系１５を回転自在に移動させる回転軌道部１６ａと、ＣＣＤカメラ１６を制御するＣＣＤカメラ制御部１６ｂと、ＣＣＤカメラ１６により撮像された画像を表示するモニタ１７とを備えている。ここで、ＣＣＤカメラ制御部１６ｂは入力装置１８によって制御されている。また、ＣＣＤカメラ１６は電動ＸＹＺステージ１２およびプローブカード１４に隣接しており、回転軌道部１６ａによりＣＣＤカメラ１６を回転させることによって、ＣＣＤカメラ１６と水平に保持されている光学系１５をスプリングピン１３と電動ＸＹＺステージ１２との間に配置したり、逆にスプリングピン１３と電動ＸＹＺステージ１２との間から移動させたりすることができる。
【００１９】
ＣＣＤカメラ１６は、ＣＣＤカメラ制御部１６ｂによって制御されている。その制御を説明すると、図２（ａ）に示すように、ＣＣＤカメラ１６は、ＣＣＤ固体撮像デバイス１６ｃと、ＣＣＤ駆動回路１６ｄと、画像合成光学系１６ｅとを有しており、図１に示すＣＣＤカメラ制御部１６ｂは、ＣＣＤ駆動回路１６ｄに制御信号を送り、ＣＣＤ固体撮像デバイス１６ｃを制御している。
【００２０】
次に、図１、図２および図３を用いてスプリングピン１３と基板Ｓ上に形成されている金属電極パッドＳ１とのアライメント方法およびスプリングピン１３と金属電極パッドＳ１との電気的接続方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、基板Ｓを半導体デバイスが形成されている面を上側にして透明なガラスチャック１１上に配置する。ここで、基板Ｓの半導体デバイスが形成されている面には金属電極パッドＳ１が多数形成されている。
【００２１】
まず、回転軌道部１６ａを回転させることによって光学系１５を基板Ｓとスプリングピン１３との間に移動させる。光学系１５は図２（ａ）に示すように、ミラーＭ１およびＭ２を備えている。ここで、ミラーＭ１はプローブカード１４に対面して配置され、Ｍ２は基板Ｓに対面して配置されている。そして、ミラーＭ１およびＭ２は基板Ｓの表面のある一点と、そこから垂直方向に一致するプローブカード１４の表面の一点からそれぞれ反射された光を反射し、ＣＣＤ固体撮像デバイス１６ｃの所定の一点に結像されるように配置されている。そのため、モニタ１７には基板Ｓ表面とプローブカード１４表面の像が重畳された画像が得られる。ここで、電動ＸＹＺステージ１２のＺ方向を調節することにより、ＣＣＤカメラ１６で得られる画像の焦点を合わせることができる。
【００２２】
次に、光学系１５を用いたアライメントを図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）に参照されるように、金属電極パッドＳ１を含んだ基板Ｓの表面画像と、スプリングピン１３を含んだプローブカード１４の像が重なって一つの画像としてモニター１７に映し出される。ここで、モニタ１７に映し出された画像によってスプリングピン１３と金属電極パッドＳ１の位置が確認できる。
【００２３】
次に、個々の金属電極パッドＳ１の位置が所定のスプリングピン１３と重ね合わさるように、入力装置１８によってステージ駆動部２１を制御し、電動ＸＹＺステージ１２をＸＹ方向に移動させる。そして、スプリングピン１３と金属電極パッドＳ１との位置が図３（ｂ）に参照されるように同一になるように調節される。この様にして、スプリングピン１３と基板Ｓ上に形成されている金属電極パッドＳ１とのアライメントが終了する。
【００２４】
次に、回転軌道部１６ａを回転させることによってスプリングピン１３と基板Ｓの間から光学系１５を移動させる。そして、入力装置１８で駆動部１５を制御することにより、プローブカード１４を所定距離下降させ、図２（ｂ）に示すようにスプリングピン１３と金属電極パッドＳ１とを電気的に接触させる。個々のスプリングピン１３は、暗箱１０の外部に設けられたバイアス印加部１９ａによって、プローブカード支持基板１９およびプローブカード１４を介して所定の電気信号を印加するように制御される。
【００２５】
以上のように、ＣＣＤカメラ１６によりプローブカード１４の表面と基板Ｓの表面を観察し、電動ＸＹＺステージ１２で基板Ｓの位置を調節することにより、スプリングピン１３と金属電極パッドＳ１のアライメントが実現される。また、アライメント後、プローブカード１４を所定距離下降させることによってスプリングピン１３と金属電極パッドＳ１の電気的接触が実現される。なお、本実施形態は一実施形態を示しており、本発明に係る実施形態はこれに限られるものではない。例えば、電動ＸＹＺステージ１２は上下左右にだけ移動可能ではなく、ＸＹ平面の任意の一点に対して、そのＺ方向を軸にしてθ方向に回転可能であってもよい。
【００２６】
図１に示すように、撮像部Ａ２は、ガラスチャック１１を介して基板Ｓからの像を所定範囲内での任意倍率で拡大する撮像光学系２２と、撮像光学系２２を通過した像を撮像する冷却ＣＣＤカメラ２３と、撮像光学系２２を介して基板Ｓに照明用の赤外光を照射する赤外光照射装置２４と、撮像光学系２２および冷却ＣＣＤカメラ２３の駆動制御を行うＸＹＺステージ２５とを備えている。この様に本実施形態の撮像部は倒立型となっている。ここで、ガラスチャック１１は赤外光照射装置２４からの光および基板Ｓ内部での発光に対して透明な部材で形成されている。
【００２７】
撮像光学系２２および赤外光照射装置２４の構成を図４および図５に基づいて詳述する。撮像光学系２２は、ガラスチャック１１を介した基板Ｓからの像を所定の倍率で拡大することができる対物レンズ系２２ａと、この対物レンズ系２２ａで拡大された像を冷却ＣＣＤカメラ２３の受光面に結像させるための結像レンズ系２２ｂと、対物レンズ系２２ａと結像レンズ系２２ｂとの間に介在されたハーフミラー２２ｃとを有している。これらの対物レンズ系２２ａ、ハーフミラー２２ｃおよび結像レンズ系２２ｂの光軸は、冷却ＣＣＤカメラ２３の受光面であるＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａの中心法線方向Ｎ（図５参照）に一致している。なお、ハーフミラー２２ｃは、対物レンズ系２２ａからの光を結像レンズ系２２ｂへ透過させると共に、赤外光照射装置２４からの照射用赤外光を対物レンズ系２２ａへ反射させる。ここで、対物レンズ系２２ａはガラスチャック１１の光学収差を補正したものを用いることが好ましい。
【００２８】
赤外光照射装置２４は、光源であるハロゲンランプ２４ａと共に、コンデンサレンズ２４ｂ、ＩＲ透過型光学フィルタ２４ｃ、コンデンサレンズ２４ｄ、拡散板２４ｅおよび視野絞り２４ｆが同一光軸に沿って設けられている。そして、ハロゲンランプ２４ａから放射された光はコンデンサレンズ２４ｂで平行光となり、ＩＲ透過型光学フィルタ２４ｃが平行光のうち所定波長以上の赤外光だけを透過させ、コンデンサレンズ２４ｄがこの赤外光をその焦点位置に集光する。拡散板２４ｅはコンデンサレンズ２４ｄの焦点位置に配置されており、集光した赤外光強度をを均一な強度に変換し、更に、視野絞り２４ｆが、均一化された赤外光を所定光束に絞り、コンデンサ２４ｇを介してハーフミラー２２ｃへ出射する。そして、視野絞り２４ｆから出射された赤外光は、コンデンサ２４ｇにより集光されハーフミラー２２ｃで反射されて対物レンズ４ａを透過し、ガラスチャック１１を介して基板Ｓへ照射される。
【００２９】
次に、冷却ＣＣＤカメラ２３および制御部Ｂの構成を図５に基づいて説明する。まず、冷却ＣＣＤカメラ２３は、例えば１０００×１０１８個の画素を有するＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａと、ＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａに固着されたペルチェ素子２３ｂとを有している。ＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａとペルチェ素子２３ｂは真空ポンプ（図示せず）によって常に減圧状態に設定された減圧雰囲気中に収容されている。更に、ＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａのペルチェ素子との反対側には、シャッタ機構２３ｃが配設されている。ＣＣＤ駆動回路２３ｄは、制御部Ｂ内のタイミングジェネレータ１００ｂから供給される同期信号ＣＫに同期してＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａの撮像動作を制御する。シャッタ駆動回路２３ｅは、マイクロプロセッサなどを有する中央処理部１００ａからの指令に基づいて、シャッタ機構２３ｃの開閉動作を制御する。更に、ペルチェ素子２３ｂは制御部Ｂ内のペルチェ素子制御回路１００ｃから供給される電流によって駆動されることにより、ＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａを常に一定温度で冷却して、内部での暗電流の発生を抑制すると同時に、冷却ＣＣＤカメラ２３全体での熱雑音の発生を抑制する。なお、この冷却ＣＣＤカメラ２３は、長い露光時間で撮像して低周波数の点順次タイミングでＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａから各画素信号Ｐ_Lを読み出す低速撮像モードと、それより短い露光時間で撮像して高周波数の点順次タイミングでＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａから各画素信号Ｐ_Hを読み出す高速撮像モードとを切換え設定することができる。低速撮像モードでは、１フレーム周期（１静止画像分の全画素信号を読み出すための周期）が４秒、高速撮像モードでは、０．１２５秒に設定されている。
【００３０】
一方、制御部Ｂは、観測部Ａと制御部Ｂとの全体動作を制御する中央処理部１００ａと、ＣＣＤ駆動回路２３ｄを介してＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａの上記低速撮像モードおよび高速撮像モードでの撮像タイミングを設定するための同期信号ＣＫを発生するタイミングジェネレータ１００ｂと、ペルチェ素子２３ｂを温度制御するペルチェ素子制御回路１００ｃと、観測部Ａと制御部Ｂとの全体動作に必要な電力供給源１００ｄが設けられている。
【００３１】
更に、制御部Ｂには、低速撮像モードにおいてＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａから所定の点順次タイミング（１画素毎の読出しタイミング、以下、低速点順次タイミングという）で読み出される画素信号Ｐ_Lをその低速点順次タイミングに同期してサンプルホールドする低速走査回路１００ｅと、高速撮像モードにおいてＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａから所定の点順次タイミング（以下、高速点順次タイミングという）で読み出される画素信号Ｐ_Hをその高速点順次タイミングに同期してサンプルホールドする高速走査回路１００ｆと、ＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａから読み出される上記の画素信号Ｐ_L，Ｐ_Hを、撮像モード毎に切換えて低速走査回路１００ｅ並びに高速走査回路１００ｆへ転送する切換回路１００ｇを具備している。
【００３２】
更に、コントラスト強調回路１００ｈは、高速撮像モードにおいて高速走査回路１００ｆより出力される画素信号Ｐ_H’から不要な信号成分を除去した後、所定増幅率で増幅することによってコントラストの高い画素信号ＨＰ_Hを形成する。なお、上記しきい値電圧Ｖ_THは、観測者が任意に可変調整することができるようになっている。
【００３３】
そして、低速撮像モードにおいて低速走査回路１００ｅから出力されるアナログの画素信号Ｐ_L’を、Ａ／Ｄ変換器１００ｉがデジタルの画素データＤ_Lに変換し、一方、高速撮像モードにおいてコントラスト強調回路１００ｈから出力されるアナログの画素信号ＨＰ_Hを、Ａ／Ｄ変換器１００ｊがデジタルの画素データＤ_Hに変換し、これらの画素データＤ_L，Ｄ_Hは共通の出力端子１００ｋを介して解析部Ｃへ転送される。
【００３４】
更に、低速走査回路１００ｅと高速走査回路１００ｆの上記サンプルホールドタイミングは、タイミングジェネレータ１００ｂから出力される同期信号ＣＫに同期するので、低速撮像モード並びに高速撮像モードにおけるＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａの各点順次読出しタイミングとも同期する。また、画素データＤ_L，Ｄ_Hを解析部Ｃへ確実に転送するために、同期信号ＣＫが同期信号出力端子１００ｍを介して解析部Ｃへ供給され、また、中央処理部１００ａと解析部Ｃとの間で種々の制御データＣＤを、ＲＳ２３２Ｃ規格に準拠したインターフェース回路１００ｎを介して授受するようになっている。
【００３５】
次に、解析部Ｃの構成を図１および図６と共に説明する。まず、図１において、解析部Ｃは、種々の演算機能を有するマイクロプロセッサ２００ａを内蔵する画像処理部２００と、画像処理部２００に付随して接続されるマウス入力装置２１０とキーボード入力装置２２０およびカラーモニタ装置２３０を備えている。ここで、画像処理部２００は、制御部Ｂから転送されてくるデジタルの画素データＤ_L，Ｄ_Hを入力すると共に、制御部Ｂ内のインターフェース回路１００ｎに接続されるインターフェース回路２００ｂを介して中央処理部１００ａとの間で種々の制御データＣＤをＲＳ２３２Ｃ規格に準拠して授受し、更にタイミングジェネレータ１００ｄからの同期信号ＣＫを入力するようになっている。
【００３６】
更に画像処理部２００の内部構成を図６に基づいて説明すると、制御部Ｂから転送されてくる所定個数ずつの画素データＤ_L（またはＤ_H）の配列を変更することにより、左右が反転した再生画像を得るための左右反転画素データＤ_L’（またはＤ_H’）を作成する画像反転部２００ｃと、低速撮像モードにおいて画像反転部２００ｃから出力される左右反転画素データＤ_L’を１フレーム画相当分格納する画像メモリ２００ｄと、高速撮像モードにおいて画像反転部２００ｃから出力される左右反転画素データＤ_H’を１フレーム画相当分格納する画像メモリ２００ｅと、１フレーム画像相当分を格納した後にこれらの画像メモリ２００ｄおよび２００ｅから読み出されてくる左右反転画素データＤ_L’およびＤ_H’の配列を崩すことなく画素単位で重畳加算してその加算画素データ（Ｄ_L’＋Ｄ_H’）を出力する加算回路２００ｆと、加算回路２００ｆからの各加算画素データ（Ｄ_L’＋Ｄ_H’）をビデオレートの映像信号Ｖ_Dに変換してカラーモニタ装置２３０に供給する重畳表示制御部２００ｇを備えている。
【００３７】
マウス入力装置２１０とキーボード入力装置２２０は、操作者が測定開始の指示や上記のしきい値電圧Ｖ_THの調整、その他システムの動作を制御するための入力装置として機能する。
【００３８】
次に、かかる構成の半導体検査装置の作動を図７に示すフローチャートに基づいて説明する。まず、同図中のステップ(a) において、観測者は、基板Ｓの基板側を鏡面研磨し、その基板Ｓをその裏面側が対物レンズ系２２ａに対向するようにしてガラスチャック１１に装着する。ここで、基板Ｓの裏面を研磨するのは、裏面に照射された赤外光や基板Ｓで発生する光の基板内部での吸収を極力減らすためである。
【００３９】
次に、ステップ(b) において、観測者はマウス入力装置２１０もしくはキーボード入力装置２２０を操作し、赤外光照射装置２４により基板Ｓを照明する。
【００４０】
次に、ステップ(c) において、冷却ＣＣＤカメラ２３を高速撮像モードに設定すると、中央処理部１００ａが、１フレーム周期を０．１２５秒に設定すると共に、その１フレーム周期内の所定期間を露光期間としてシャッタ駆動回路２３ｅに指示する。そして、後述する高速撮像モードの停止がなされるまでは、各フレーム周期に同期して、シャッタ機構２３ｃが露光のための開閉動作を繰り返すと共に、ＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａが撮像動作を繰り返す。したがって、カラーモニタ２３０には、０．１２５秒毎の静止画像が逐次表示される。
【００４１】
１フレーム周期における撮像動作を代表して述べる。図４に示すように、基板Ｓの裏面側に照射される赤外光がガラスチャック１１（図示せず）を介して半導体チップの半導体基板を透過・反射し、この反射散乱光像が撮像光学系２２に入射する。そして、図５に示すように所定の露光時間の間、シャッタ機構２３ｃが開状態となることにより冷却ＣＣＤカメラ２３が反射散乱光像を撮像する。即ち、基板Ｓに形成されている半導体デバイスの回路パターンなどの像を裏面撮像する。更に、所定の露光時間経過後、ＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａは高速点順次タイミングに同期して各画素信号Ｐ_Hを出力し、各画素信号Ｐ_Hは、切り換え回路１００ｇを介して高速走査回路１００ｆでサンプリングされ且つコントラスト強調回路１００ｈで雑音およびオフセット成分が除去され、更にＡ／Ｄ変換器１００ｊでデジタルの画素データＤ_Hに変換される。
【００４２】
そして、このようにして得られる画素データＤ_Hは、画像反転部２００ｃにおいて、画素毎に左右の配列が反転された左右反転画素データＤ_H’に変換されて、画像メモリ２００ｅに一時記憶され、更に、画像メモリ２００ｅからリアルタイムで左右反転画素データＤ_H’が読み出され、且つ加算回路２００ｆおよび重畳表示制御部２００ｇを介してカラーモニタ２３０に画像再生される。ここで、画像反転部２００ｃに入力される画像データＤ_Hは、基板Ｓの半導体チップを裏側から見たときの回路パターン像などのデータであるので、左右反転画素データＤ_Hは、基板Ｓの半導体チップを表側から見たときの回路パターン像（通常の表面パターンの像）のデータとなり、カラーモニタ２３０に表示される再生画像は通常の表面パターンの静止画像となる。
【００４３】
そして、観測者がカラーモニタ２３０に逐次表示される画像を見ながらＸＹＺステージ２５をＸＹ方向に移動させることにより、基板Ｓの観測すべき部分を特定することができ、また、ＸＹＺステージ２５をＺ方向に高さ調節することによって合焦状態を設定することができる。また、コントラスト強調回路１００ｈのしきい値電圧Ｖ_THを適宜に調節することによって、雑音やオフセット成分を除去した鮮明画像を設定することができる。
【００４４】
次に、図７のステップ(d) において、異常解析の開始を指示すると、画像メモリ２００ｅがその指示直前までに記憶していた１フレーム画分の左右反転画素データＤ_H’を保持し、高速撮像モードが停止されると同時に低速撮像モードに切換わる。この低速撮像モードでは、中央処理部１００ａがハロゲンランプ２４ａを消灯させることで赤外光照射装置２４の照明動作を停止させ（ステップ(e) ）、前述したようにスプリングピン１３が基板Ｓに動作電圧の印加や動作タイミングクロック等の所定の電気信号を印加する（ステップ(f) ）。更に、中央処理部１００ａが、１フレーム周期を４秒に設定すると共に、その１フレーム周期内の所定期間を露光期間としてシャッタ駆動回路２３ｅに指示する。なお、低速撮像モードでの露光期間は、高速撮像モードでのそれよりも長時間であり、低速点順次タイミングの各周期も高速撮像モードでのそれよりも長時間となる。即ち、ＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａの各画素に生じる画素信号は、高速撮像モード時よりも低速で読み出される。
【００４５】
次に、ステップ(g) において、ＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａは、低速撮像モードでの撮像を開始する。そして、低速撮像モードの停止がなされるまでは、各フレーム周期に同期して、シャッタ機構２３ｃが露光のための開閉動作を繰り返すと共に、ＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａが撮像動作を繰り返す。したがって、カラーモニタ２３０には、４秒毎の静止画像が逐次表示される。
【００４６】
１フレーム周期における撮像動作を代表して述べるものとする。基板Ｓの半導体チップに何等かの異常発生箇所が存在すると、その箇所から極微弱光が発生するので、ＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａは露光期間においてこの極微弱光の像を撮像することとなる。また、低速撮像モードによる長期間露光が実現されるので、極微弱光の像が鮮明に撮像される。そして、所定の露光時間経過後、ＣＣＤ固体撮像デバイス２３ａは低速点順次タイミングに同期して各画素信号Ｐ_Lを出力し、各画素信号Ｐ_Lは、切り換え回路１００ｇを介して低速走査回路１００ｅでサンプリングされ、更にＡ／Ｄ変換器１００ｉでデジタルの画素データＤ_Lに変換される。
【００４７】
ここで、注目すべき点は、低速走査回路１００ｅが低速点順次タイミングに同期した低速度で各画素信号Ｐ_Lをサンプルホールドするので、サンプルホールドにおける高周波のスイッチングノイズなどの発生を大幅に抑制することができ、高Ｓ／Ｎの画素信号Ｐ_L’を得ることができる。
【００４８】
そして、このように得られた画素データＤ_Lは、画像反転部２００ｃにおいて画素に対して左右の配列が反転された左右反転画像データＤ_L’に変換されて、画像メモリ２００ｄに記憶される。なお、左右反転画像データＤ_L’は基板Ｓの半導体チップを表側から見たのと等価なデータとなる。
【００４９】
更に、画像メモリ２００ｅは、左右反転画像データＤ_L’を格納すると同時に左右反転画素データＤ_L’を出力し、画像メモリ２００ｄも、左右反転画素データＤ_L’の画素に対応する左右反転画素データＤ_H’を出力する。したがって、各画素に対応する左右反転画像データＤ_L’と左右反転画素データＤ_H’が低速点順次タイミングに同期して同時に加算回路２００ｆへ供給され、加算回路２００ｆは重畳加算画素データ（Ｄ_L’＋Ｄ_H’）を出力し、重畳表示制御部２００ｇが重畳加算画素データ（Ｄ_L’＋Ｄ_H’）に基づいてビデオ信号Ｖ_Dを形成する。この結果、カラーモニタ２３０には、基板Ｓの回路パターンなどの像に異常発生箇所を示す極微弱光の像がいわゆるスーパーインポーズされて、４秒毎に切換わる静止画像が表示されることとなる。
【００５０】
そして、観測者が異常解析の停止を指示すると、その指示直前までに画像メモリ２００ｄおよび２００ｅに記憶された夫々の１フレーム画像分の左右反転画像データＤ_L’と左右反転画素データＤ_H’が保持され、この保持された左右反転画像データＤ_L’と左右反転画素データＤ_H’による静止画像がカラーモニタ２３０に継続して表示される。
【００５１】
このように、本実施形態によれば、観測者はカラーモニタ２３０の表示を見ながら容易に異常発生箇所を観察することができる。なお、本実施形態は一実施形態を示しており、本発明に係る実施形態はこれに限られるものではない。例えば、低速および高速モードでの１フレーム周期を観測者が設定変更可能であってもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、測定すべき基板を支持面上に配置し、電圧印加部により所定の電気信号を印加することによって、電圧印加時に基板に加わる圧力に対して基板を破損させるおそれが軽減され、且つ基板に加わる圧力による基板の歪みによって真空吸着がはずれても、基板が落下するおそれがないので、従来よりも多数の電気信号の印加を実現できる。
【００５３】
そして、赤外光を照射しながらの基板に形成された半導体デバイス回路の像を基板裏面から撮像し、また、多数の電気信号を印加しつつ基板からの発光を基板裏面から撮像することができるので、基板の異常解析および信頼性評価を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体検査装置の一実施形態の全体構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、本実施形態の基板上に形成された金属電極パッドとスプリングピンとのアライメント方法を示した図である。
図２（ｂ）は、金属電極パッドとスプリングピンが電気的接触された状態を示す図である。
【図３】図３（ａ）は、本実施形態の基板表面の像とプローブカード表面の像を重畳加算した画像を示す図である。
図３（ｂ）は、本実施形態の金属電極パッドとスプリングピンとのアライメントが終了したときの、基板表面の像とプローブカード表面の像を重畳加算した画像を示す図である。
【図４】本実施形態の撮像光学系と赤外線光照射装置の構成を詳細に示すブロック図である。
【図５】本実施形態の冷却ＣＣＤカメラと制御部の構成を詳細に示すブロック図である。
【図６】本実施形態の解析部の構成を詳細に示すブロック図である。
【図７】本実施形態の作動を説明するためのフローチャートである。
【図８】従来のエミッション顕微鏡のブロック図である。
【符号の説明】
Ａ…観測部、Ａ１…電圧印加部、Ａ２…撮像部、Ｂ…制御部、Ｃ…解析部、Ｓ…基板、Ｓ１…金属電極パッド、１…暗箱、２…冷却ＣＣＤカメラ、３…電動ＸＹＺステージ、４…撮像光学系、５…赤外落射照明装置、６…ステージ駆動部、７…テストフィクチャ、１０…暗箱、１１…ガラスチャック、１２…電動ＸＹＺステージ、１３…スプリングピン、１４…プローブカード、１５…光学系、１６…ＣＣＤカメラ、１６ａ…回転軌道部１６ｂ…ＣＣＤ制御部、、１７…モニタ、１８…入力装置、１９…プローブカード支持基板、２０…駆動部、２１…ステージ駆動部、２２…撮像光学系、２３…冷却ＣＣＤカメラ、２４…赤外光照射装置、２５…ＸＹＺステージ、１００ｅ…低速走査回路、１００ｆ…高速走査回路、１００ｈ…コントラスト強調回路、２００…画像処理部、２００ｃ…画像反転部、２００ｄ，２００ｅ…画像メモリ、２００ｆ…加算回路、２００ｇ…重畳表示制御部、２３０…カラーモニタ。

Claims

基板に設けられた半導体デバイスからの発光を検出し評価を行う半導体検査装置であって、
複数の電気信号を前記基板に印加するためのプローブカードを含む電圧印加部と、
前記電圧印加部の前記プローブカードに対面し、前記基板のデバイス形成面が前記プローブカード側となる状態で前記基板を支持するための支持面を有する支持部材を含むステージ部と、
前記ステージ部に対して前記電圧印加部の前記プローブカードの反対側に設けられ、前記支持部材を介して前記基板の裏面側から前記基板を撮像するための倒立型の撮像部と、
前記ステージ部に対して前記電圧印加部の前記プローブカードの反対側に設けられ、前記支持部材を介して前記基板の裏面側から前記基板に赤外光を照射するための光源と、
前記プローブカード及び前記支持部材の間に配置され、前記プローブカードの光像を反射する第１ミラーと、前記支持部材上に支持された前記基板の光像を反射する第２ミラーとを含む光学系と、
前記光学系の前記第１ミラーによって反射、結像された前記プローブカードの光像と、前記第２ミラーによって反射、結像された前記基板の光像とを取得するカメラと
を備え、
前記ステージ部は、前記支持部材上に支持された前記基板を移動させることにより、前記基板の位置決めを行うための電動ＸＹＺステージを含むとともに、
前記電圧印加部は、前記基板の前記デバイス形成面に電気信号を印加する複数のスプリングピンをその一面に有する着脱可能な前記プローブカードと、前記プローブカードを支持する着脱可能なプローブカード支持基板と、前記プローブカードを垂直方向に移動させる駆動部と、前記ステージ部の前記電動ＸＹＺステージを駆動するステージ駆動部と、前記駆動部及び前記ステージ駆動部を制御する入力装置とを含むことを特徴とする半導体検査装置。
前記支持部材が前記光源からの光および前記基板からの発光に対して透明な材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体検査装置。
前記カメラは、前記プローブカードの光像と、前記基板の光像とが重畳された重畳画像を取得するとともに、
前記光学系は、前記基板上の点からの光と、そこから垂直方向に一致する前記プローブカード上の点からの光とが、前記カメラの所定の一点に結像されるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体検査装置。
前記カメラによって取得された画像を表示するモニタをさらに備え、前記モニタに表示された前記画像を参照して、前記プローブカードの前記スプリングピンと、前記基板の金属電極パッドとのアライメントを行うことが可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体検査装置。
前記光学系を回転自在に移動させることで、前記プローブカード及び前記支持部材上の前記基板の間の位置と、他の位置との間で前記光学系を移動させる回転軌道部を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の半導体検査装置。