JP4842640B2 - プローブカードおよび検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、検査対象である半導体ウェハと検査用の信号を生成する回路構造との間を電気的に接続するプローブカードに関する。

半導体の検査工程では、ダイシングする前の半導体ウェハの状態で導電性を有するプローブ（導電性接触子）をコンタクトさせることによって導通検査を行い、不良品を検出することがある（ＷＬＴ：Wafer Level Test）。このＷＬＴを行う際には、検査装置（テスター）によって生成、送出される検査用の信号を半導体ウェハに伝えるために、多数のプローブを収容するプローブカードが用いられる。ＷＬＴでは、半導体ウェハ上のダイをプローブカードでスキャニングしながらプローブをダイごとに個別にコンタクトさせるが、半導体ウェハ上には数百〜数万というダイが形成されているので、一つの半導体ウェハをテストするにはかなりの時間を要し、ダイの数が増加するとともにコストの上昇を招いていた。

上述したＷＬＴの問題点を解消するために、最近では、半導体ウェハ上の全てのダイ、または半導体ウェハ上の少なくとも１／４〜１／２程度のダイに数百〜数万のプローブを一括してコンタクトさせるＦＷＬＴ（Full Wafer Level Test）という手法も用いられている（例えば、特許文献１を参照）。この手法では、プローブを半導体ウェハに対して正確にコンタクトさせるため、所定の基準面に対するプローブカードの平行度や平面度を精度よく保つことによってプローブの先端位置精度を保持する技術や、半導体ウェハを高精度でアライメントする技術が必要とされる。

図１７は、上述したＦＷＬＴにおいて適用されるプローブカード要部の構成を模式的に示す図である。同図に示すプローブカード４１は、半導体ウェハ１００に設けられた電極パッド１０１に対応して配置された複数のプロープ４２と、プローブ４２を収容するプローブヘッド４３と、プローブヘッド４３における微細な配線パターンの間隔を変換して中継する中継基板であるスペーストランスフォーマ４４とを備える。スペーストランスフォーマ４４にはプローブヘッド４３に収容されたプローブ４２と対応する位置に電極パッド４５が設けられており、プローブ４２の先端が電極パッド４５に接触している。また、スペーストランスフォーマ４４内部には、電極パッド４５に対応したパターンを有する配線が設けられている（図示せず）。この配線は、インターポーザを介して検査用の基板へと接続されている（インターポーザと基板は図示せず）。

特開２００３−２４０８０１号公報

ところで、半導体ウェハ１００の検査は、複数の異なる温度環境下で行われる。このため、プローブカード４１においては、プローブヘッド４３、スペーストランスフォーマ４４、および半導体ウェハ１００がそれぞれ有する熱膨張係数（ＣＴＥ：Coefficient of Thermal Expansion）の値の差が問題となってくる。

以下、この点について具体的に説明する。以後の説明において、図１７に示す状態は常温環境下（２５℃程度）での状態であるとする。また、プローブヘッド４３の熱膨張係数をＣ_P、スペーストランスフォーマ４４の熱膨張係数をＣ_S、半導体ウェハ１００の熱膨張係数をＣ_Wとしたとき、３つの熱膨張係数間にはＣ_S＜Ｃ_P＜Ｃ_Wという関係が成り立っているとする。この場合、高温環境下（例えば８５℃程度）では、図１８に示すように、プローブヘッド４３、スペーストランスフォーマ４４、および半導体ウェハ１００の熱膨張の度合いが異なるため、相互の位置関係が常温時から変化し、プローブ４２が半導体ウェハ１００の電極パッド１０１やスペーストランスフォーマ４４の電極パッド４５に接触しなくなってしまうことがあった。

このように、プローブカードは熱膨張係数が互いに異なる複数の部材を積層することによって構成されているため、検査時の温度環境によって各部材の膨張の度合いが異なるのは不可避である。そこで、かかる状況を改善するため、検査時の温度環境によらずにプローブを接触対象に対して確実に接触させることができる技術が待望されていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、検査時の温度環境によらずにプローブを接触対象に対して確実に接触させることができるプローブカードを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るプローブカードは、検査対象である半導体ウェハと検査用の信号を生成する回路構造との間を電気的に接続するプローブカードであって、導電性材料から成り、前記半導体ウェハが有する電極パッドに接触して電気信号の入力または出力を行う複数のプローブと、前記複数のプローブを収容保持するプローブヘッドと、前記回路構造に対応する配線パターンを有する基板と、前記プローブヘッドに積層され、前記基板が有する前記配線パターンの間隔を変えて中継し、この中継した配線に対応して前記プローブヘッドと対向する側の表面に設けられた電極パッドを有するスペーストランスフォーマと、を備え、前記プローブの両端は、前記半導体ウェハを検査する際の最低温度と最高温度との平均温度を有する環境下において、前記半導体ウェハおよび前記スペーストランスフォーマがそれぞれ有する前記電極パッドの中央部付近に接触することを特徴とする。

本発明に係るプローブカードは、上記発明において、前記スペーストランスフォーマに固着され、当該スペーストランスフォーマと前記プローブヘッドとの位置決めを行う複数の位置決めピンを備え、前記プローブヘッドは、前記複数の位置決めピンをそれぞれ挿通する複数の位置決め孔を有し、この複数の位置決め孔のうち少なくとも一つは、長手方向の長さが前記位置決めピンの径よりも大きい長孔形状をなすことを特徴とする。

本発明に係るプローブカードは、検査対象である半導体ウェハと検査用の信号を生成する回路構造との間を電気的に接続するプローブカードであって、導電性材料から成り、前記半導体ウェハが有する電極パッドに接触して電気信号の入力または出力を行う複数のプローブと、前記複数のプローブを収容保持するプローブヘッドと、前記回路構造に対応する配線パターンを有する基板と、前記プローブヘッドに積層され、前記基板が有する前記配線パターンの間隔を変えて中継し、この中継した配線に対応して前記プローブヘッドと対向する側の表面に設けられた電極パッドを有するスペーストランスフォーマと、前記スペーストランスフォーマに固着され、当該スペーストランスフォーマと前記プローブヘッドとの位置決めを行う複数の位置決めピンと、を備え、前記プローブヘッドは、前記複数の位置決めピンをそれぞれ挿通する複数の位置決め孔を有し、この複数の位置決め孔のうち少なくとも一つは、長手方向の長さが前記位置決めピンの径よりも大きい長孔形状をなすことを特徴とする。

本発明に係るプローブカードは、上記発明において、前記プローブヘッドの表面は中心対称な形状をなし、この表面の中心を通過する対角線の両端付近に一対の位置決めピンが挿通され、この一対の位置決めピンの一方を挿通する位置決め孔は、前記対角線に平行な方向の長さが前記位置決めピンの径よりも大きいことを特徴とする。

本発明に係るプローブカードは、上記発明において、前記プローブヘッドの表面は中心対称な形状をなし、この表面の中心に対して対称な位置に複数の位置決めピンが挿通され、各位置決めピンを挿通する位置決め孔は、前記表面の中心から放射状に広がっていく径方向の長さが前記位置決めピンの径よりも大きいことを特徴とする。

本発明に係るプローブカードは、上記発明において、前記基板に装着されて前記基板を補強する補強部材と、導電性材料から成り、前記基板と前記スペーストランスフォーマとの間に介在して前記基板の配線を中継するインターポーザと、前記基板に固着され、前記インタポーザおよび前記スペーストランスフォーマに圧力を加えて保持する保持部材と、前記保持部材に固着され、前記プローブヘッドの表面であって前記複数のプローブが突出する表面の縁端部近傍を全周に渡って前記基板の方向へ押さえ付けるリーフスプリングと、をさらに備えたことを特徴とする。

本発明に係るプローブカードによれば、導電性材料から成り、前記半導体ウェハが有する電極パッドに接触して電気信号の入力または出力を行う複数のプローブと、前記複数のプローブを収容保持するプローブヘッドと、前記回路構造に対応する配線パターンを有する基板と、前記プローブヘッドに積層され、前記基板が有する前記配線パターンの間隔を変えて中継し、この中継した配線に対応して前記プローブヘッドと対向する側の表面に設けられた電極パッドを有するスペーストランスフォーマと、を備え、前記プローブの両端は、前記半導体ウェハを検査する際の最低温度と最高温度との平均温度を有する環境下において、前記半導体ウェハおよび前記スペーストランスフォーマがそれぞれ有する前記電極パッドの中央部付近に接触する構成とすることにより、検査時の温度環境によらずにプローブを接触対象に対して確実に接触させることが可能となる。

また、本発明に係るプローブカードによれば、スペーストランスフォーマに固着され、当該スペーストランスフォーマとプローブヘッドとの位置決めを行う複数の位置決めピンを備え、前記プローブヘッドは、前記複数の位置決めピンをそれぞれ挿通する複数の位置決め孔を有し、この複数の位置決め孔のうち少なくとも一つは、長手方向の長さが前記位置決めピンの径よりも大きい長孔形状をなすことにより、検査時の温度環境によらずにプローブを接触対象に対して確実に接触させることができるとともに、熱膨張によるプローブカードの破損等を防止することも可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以後、「実施の形態」と称する）を説明する。なお、図面は模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、それぞれの部分の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るプローブカード要部の構成を示す分解斜視図である。また、図２は、本実施の形態１に係るプローブカードの上面図である。さらに、図３は、本実施の形態１に係るプローブカードを用いた検査の概要を示す図であり、プローブカードについては図２のＡ−Ａ線断面を模式的に示す図である。これらの図１〜図３に示すプローブカード１は、複数のプローブを用いて検査対象である半導体ウェハ１００と検査用の信号を生成する回路構造を備える検査装置とを電気的に接続するものである。

プローブカード１は、薄い円盤状をなし、検査装置との電気的な接続を図る基板１１と、基板１１の一方の面に装着され、基板１１を補強する補強部材１２と、基板１１からの配線を中継するインターポーザ１３と、インターポーザ１３によって中継された配線の間隔を変えて中継するスペーストランスフォーマ１４（中継基板）と、基板１１よりも径が小さい円盤状をなしてスペーストランスフォーマ１４に積層され、検査対象の配線パターンに対応して複数のプローブ２を収容保持するプローブヘッド１５と、を備える。また、プローブカード１は、基板１１に固着され、インターポーザ１３およびスペーストランスフォーマ１４を積層した状態で一括して保持する保持部材１６と、保持部材１６に固着されてプローブヘッド１５の端部を固定するリーフスプリング１７と、を備える。

以下、プローブカード１のさらに詳細な構成を説明する。基板１１は、ポリイミド、ベークライト、エポキシ樹脂等の絶縁性物質を用いて形成され、複数のプローブ２と検査装置とを電気的に接続するための配線層（配線パターン）がビアホール等によって立体的に形成されている。

補強部材１２は、基板１１と略同径を有する円形の外周部１２１と、外周部１２１のなす円と同じ中心を有し、インターポーザ１３の表面よりも若干表面積が大きい円盤状をなす中心部１２２と、中心部１２２の外周方向から外周部１２１に達するまで延出し、外周部１２１と中心部１２２とを連結する複数の連結部１２３（図１では４個）とを備える。かかる補強部材１２は、アルマイト仕上げを行ったアルミニウム、ステンレス、インバー材、コバール材（登録商標）、ジュラルミンなど剛性の高い材料によって実現される。

インターポーザ１３は、正８角形の表面を有し、薄板状をなす。このインターポーザ１３として、例えばポリイミド等の絶縁性材料から成る薄膜状の基材と、この基材の両面に所定のパターンで配設され、片持ち梁状をなす板ばね式の複数の接続端子とを有するものを適用することができる。この場合には、インターポーザ１３の一方の表面に設けられた接続端子がスペーストランスフォーマ１４の電極パッドに接触するとともに、他方の表面に設けられた接続端子が基板１１の電極パッドに接触することによって両者の電気的な接続を図る。なお、接続端子をコイルピンによって構成してもよい。

なお、インターポーザ１３としては、上記以外にも薄板状のシリコンゴム内部の板厚方向に金属粒子を配列させた加圧導電ゴム（ラバーコネクタ）を適用することもできる。この加圧導電ゴムは、板厚方向に圧力を加えと、シリコンゴム内部で隣接する金属粒子が互いに接触することによって異方導電性を示す。このような性質を有する加圧導電ゴムを用いてインターポーザ１３を構成することにより、基板１１とスペーストランスフォーマ１４との電気的な接続を図ってもよい。

スペーストランスフォーマ１４は、内部の配線層も基板１１と同様、ビアホール等によって立体的に形成されている。このスペーストランスフォーマ１４の表面はインターポーザ１３と略合同な正８角形の表面を有し、薄板状をなしている。かかるスペーストランスフォーマ１４は、セラミックス等の絶縁性材料を母材としており、プローブヘッド１５の熱膨張係数と基板１１の熱膨張係数との差を緩和する機能をも果たしている。

プローブヘッド１５は、円盤形状をなし、図２に示すプローブ収容領域１５ｐにおいて複数のプローブ２を図２で紙面垂直に突出するように収容保持している。プローブヘッド１５に収容されるプローブ２の数や配置パターンは、半導体ウェハ１００に形成される半導体チップの数や電極パッド１０１の配置パターンに応じて定まる。例えば、直径８インチ（約２００ｍｍ）の半導体ウェハ１００を検査対象とする場合には、数十〜数千個のプローブ２が必要となる。また、直径１２インチ（約３００ｍｍ）の半導体ウェハ１００を検査対象とする場合には、数百個〜（数千個〜）数万個のプローブ２が必要となる。

プローブヘッド１５は、例えばセラミックス等の絶縁性材料を用いて形成され、半導体ウェハ１００の配列に応じてプローブ２を収容するための孔部が肉厚方向に形成されている。

保持部材１６は、補強部材１２と同様の材料によって構成され、インターポーザ１３とスペーストランスフォーマ１４を積層して保持可能な正八角柱形状の中空部を有する。この保持部材１６は、インターポーザ１３およびスペーストランスフォーマ１４を基板１１に対して押し付けて保持することにより、基板１１とスペーストランスフォーマ１４とがインターポーザ１３を介して電気的に接続するために必要な圧力を加えている。

リーフスプリング１７は、リン青銅、ステンレス（ＳＵＳ）、ベリリウム銅などの弾性のある材料から形成され、薄肉の円環状をなし、その内周にはインターポーザ１３、スペーストランスフォーマ１４、およびプローブヘッド１５を保持するための押え用部材としての爪部１７１が全周に渡って一様に設けられている。かかる爪部１７１は、プローブヘッド１５表面の縁端部近傍を全周に渡って基板１１の方向へ均等に押さえ付けている。したがって、プローブヘッド１５で収容するプローブ２には略均一な初期荷重が発生し、上記の如く多数のプローブ２を保持する場合のように、プローブヘッド１５の反り、波打ち、凹凸等の変形が問題となってくる場合であってもそのような変形を抑制することができる。

基板１１と補強部材１２との間、基板１１と保持部材１６との間、および保持部材１６とリーフスプリング１７との間は、所定の位置に螺着されたねじによってそれぞれ締結されている（図示せず）。

基板１１に形成される配線１８の一端は、検査装置との接続を行うために基板１１の表面であって補強部材１２が装着された側の表面に配設された複数のオスコネクタ１９に接続される一方、その配線１８の他端は、スペーストランスフォーマ１４の下端部に形成される電極パッド１４１を介してプローブヘッド１５で収容保持するプローブ２に接続されている。なお、図３では、記載を簡略にするために、一部の配線１８のみを模式的に示している。

各オスコネクタ１９は、基板１１の中心に対して放射状に配設され、検査装置のコネクタ座３で対向する位置に設けられるメスコネクタ２０の各々と対をなし、互いの端子が接触することによってプローブ２と検査装置との電気的な接続を確立する。オスコネクタ１９とメスコネクタ２０とから構成されるコネクタとして、オスコネクタを挿抜する際に外力をほとんど必要とせず、コネクタ同士を結合した後に外力によって圧接力を加えるゼロインサーションフォース（ＺＩＦ：Zero Insertion Force）型コネクタを適用することができる。このＺＩＦ型コネクタを適用すれば、プローブカード１や検査装置は、プローブ２の数が多くても接続によるストレスをほとんど受けずに済むため、電気的接続を確実に得ることができ、プローブカード１の耐久性を向上させることもできる。

なお、プローブカードと検査装置とで、コネクタのオスとメスとを逆にしても構わない。また、コネクタは放射状以外の配置としてもよい。さらに、プローブカードと検査装置との接続をコネクタによって実現する代わりに、スプリング作用のあるポゴピン等の端子を検査装置に設け、かかる端子を介してプローブカードと検査装置とを接続する構成としてもよい。

図３に示すように、プローブ２は、ウェハチャック４に載置された半導体ウェハ１００の電極パッドの配置パターンに対応して一方の先端が突出するようにしてプローブヘッド１５に収容保持されており、各プローブ２の先端（底面側）が半導体ウェハ１００の複数の電極パッド１０１の表面に対して垂直な方向から所定圧で接触する。かかるプローブ２は細針状をなすとともに、長手方向に伸縮自在に弾発付勢されている。このようなプローブ２として、従来から知られているプローブのいずれかを適用することができる。

次に、プローブカード１と半導体ウェハ１００との位置関係について説明する。半導体ウェハ１００の検査を行う場合には、複数の異なる温度環境下で検査を行うため、検査時の温度の最小値（最低温度）と最大値（最高温度）の温度差が大きいと、プローブカード１を構成する各部材の熱膨張係数の違いによる膨張の度合いの違いが顕著になってくる。このため、検査時の温度によってはプローブ２の先端が半導体ウェハ１００やスペーストランスフォーマ１４の適切な位置に接触しないことが起こりうる。そこで、本実施の形態１においては、検査時の最低温度と最高温度の平均温度を有する温度環境下で検査を行う場合に、プローブ２の両端が、半導体ウェハ１００の電極パッド１０１やスペーストランスフォーマ１４の電極パッド１４１の中央部付近で接触する構成とする。

なお、本実施の形態１では、検査の内容等によって、プローブカード１およびウェハチャック４を含む検査システムの雰囲気温度を変化させる場合もあれば、ウェハチャック４の温度を変化させる場合もある。したがって、ここでいう温度環境とは、検査時の雰囲気温度および／またはウェハチャック４の温度に応じた環境のことを意味する。この点については、本発明の全ての実施の形態に共通である。

図４Ａ〜図４Ｃは、異なる温度を有する温度環境においてプローブカード１を構成するスペーストランスフォーマ１４、プローブヘッド１５、および半導体ウェハ１００の相互の位置関係を模式的に示す図である。以下の説明においては、上述した背景技術の項と同様、スペーストランスフォーマ１４の熱膨張係数をＣ_S、プローブヘッド１５の熱膨張係数をＣ_P、半導体ウェハ１００の熱膨張係数をＣ_Wとする。また、図４Ａ〜図４Ｃでは、３つの熱膨張係数の間にＣ_S＞Ｃ_P＞Ｃ_Wの関係が成り立っているものとする。

なお、図４Ａ〜図４Ｃでは、スペーストランスフォーマ１４、プローブヘッド１５、および半導体ウェハ１００の位置関係を説明することが主眼であるため、それ以外の構成の詳細については簡略化しており、プローブ２も２本のみを記載している。

図４Ａは、検査時の最低温度Ｔ_lowを有する温度環境下でのスペーストランスフォーマ１４、プローブヘッド１５、および半導体ウェハ１００の位置関係を模式的に示す図である。この最低温度環境下において、プローブ２の上端はスペーストランスフォーマ１４に設けられた電極パッド１４１の外縁部付近と接触している。また、プローブ２の下端は、検査時に半導体ウェハ１００に設けられた電極パッド１０１の内縁部付近と接触している。

図４Ｂは、最低温度Ｔ_lowから温度を上昇させ、検査時の最低温度Ｔ_lowおよび最高温度Ｔ_highの平均値Ｔ_mean＝（Ｔ_low＋Ｔ_high）／２を有する温度環境下でのスペーストランスフォーマ１４、プローブヘッド１５、および半導体ウェハ１００の位置関係を模式的に示す図である。この平均温度環境下において、プローブ２の上端はスペーストランスフォーマ１４の電極パッド１４１の中央部付近と接触する一方、プローブ２の下端は半導体ウェハ１００の電極パッド１０１の中央部付近と接触する。なお、図４Ｂに示す破線は、最低温度環境下での位置関係（図４Ａ）を示したものである。

図４Ｃは、平均温度Ｔ_meanからさらに温度を上昇させて検査時の最高温度Ｔ_highを有する温度環境下でのスペーストランスフォーマ１４、プローブヘッド１５、および半導体ウェハ１００の位置関係を模式的に示す図である。この図４Ｃに示す最高温度環境下において、プローブ２の上端はスペーストランスフォーマ１４の電極パッド１４１とその電極パッド１４１の内縁部付近と接触している。また、プローブ２の下端は、検査時に半導体ウェハ１００の電極パッド１０１の外縁部付近と接触している。なお、図４Ｃに示す破線は、平均温度環境下での位置関係（図４Ｂ）を示したものである。

このように、プローブ２の先端が電極パッド１０１や電極パッド１４１と接触する位置が異なるのは、３つの熱膨張係数Ｃ_S、Ｃ_P、およびＣ_Wに差があるためである。すなわち、これら３つの部材のうち熱膨張係数が最大であるスペーストランスフォーマ１４は、温度の上昇に伴って最も膨張しやすいため、図４Ｂや図４Ｃで水平方向に広がる割合が最も大きい。これに対して、３つの部材のうち熱膨張係数の値が最小である半導体ウェハ１００は、図４Ｂや図４Ｃで水平方向に広がる割合が最も小さい。したがって、図４Ａに示す最低温度環境下では、プローブ２の先端位置と電極パッド１０１および１４１の中央部と位置がずれて接触しているのに対し、図４Ｂに示す平均温度環境下では、プローブ２の先端が電極パッド１０１および１４１の中央部と接触する。なお、これら３つの部材の鉛直方向の厚みは各部材の水平方向の幅と比較して顕著に小さいので、鉛直方向への熱膨張は無視できる。

従来のプローブカードでは、常温環境（最低温度環境と一致することもある）下においてプローブと電極パッドとの位置あわせを行っていた。しかしながらこの場合には、高温環境下でプローブと電極パッドのずれ量が大きくなってしまい。接触しなくなってしまう場合があった（図１８を参照）。これに対して、本実施の形態１においては、平均温度環境下でプローブ２の先端が電極パッド１０１および１４１の中央部と接触するように位置あわせを行っているため、検査時に想定される温度帯域における接触位置のずれ量を従来の１／２程度と小さくすることができる。この結果、半導体ウェハ１００の電極パッド１０１やスペーストランスフォーマ１４の電極パッド１４１とプローブ２の先端とを、温度環境によらずに確実に接触させることが可能となる。

ところで、３つ熱膨張係数Ｃ_S、Ｃ_P、およびＣ_Wの間の関係は上述した場合に限られるわけではない。図５は、３つの熱膨張係数Ｃ_S、Ｃ_P、およびＣ_Wの間にＣ_S＜Ｃ_P＜Ｃ_Wの関係がある場合の平均温度環境下における相互の位置関係を示す図である。同図に示す場合にも、平均温度環境下においてプローブ２の先端が電極パッド１０１および１４１の中央部付近と接触している。なお、図５においては、最低温度環境下での相互の位置関係を破線で表示するとともに、最高温度環境下での相互の位置関係を１点鎖線で示している。

図５に示す場合には、半導体ウェハ１００の熱膨張の度合いが最も大きく、スペーストランスフォーマ１４−２の熱膨張の度合いが最も小さい。したがって、プローブヘッド１５−２に収容保持されたプローブ２の電極パッド１０１に対する検査時の接触位置は、温度が上昇していくにつれて外縁部側から内縁部側へ変化する。これに対して、プローブ２の電極パッド１４１との接触位置は、温度が上昇するにつれて電極パッド１４１の内縁部側から外縁部側へと変化する。

より一般に、シリコンを主成分とする半導体ウェハ１００の熱膨張係数Ｃ_Wは３．４（ｐｐｍ／℃）程度であることが知られているが、本実施の形態１においては、検査で使用する温度の平均値における位置関係を基準とすればよいだけなので、スペーストランスフォーマ１４およびプローブヘッド１５は熱膨張係数に関わらずに最適な材料を選択することができる。したがって、プローブカード１を製造する際の材料選択の自由度が格段に増加する。

以上説明した本発明の実施の形態１に係るプローブカードによれば、導電性材料から成り、前記半導体ウェハが有する電極パッドに接触して電気信号の入力または出力を行う複数のプローブと、前記複数のプローブを収容保持するプローブヘッドと、前記回路構造に対応する配線パターンを有する基板と、前記プローブヘッドに積層され、前記基板が有する前記配線パターンの間隔を変えて中継し、この中継した配線に対応して前記プローブヘッドと対向する側の表面に設けられた電極パッドを有するスペーストランスフォーマと、を備え、前記プローブの両端は、前記半導体ウェハを検査する際の最低温度と最高温度との平均温度を有する環境下において、前記半導体ウェハおよび前記スペーストランスフォーマがそれぞれ有する前記電極パッドの中央部付近に接触する構成とすることにより、検査時の温度環境によらずにプローブを接触対象に対して確実に接触させることが可能となる。

また、本実施の形態１によれば、検査時の温度幅の中間すなわち検査時の最低温度と最高温度の平均温度を有する温度環境下でのプローブヘッド、スペーストランスフォーマ、および半導体ウェハの相互の位置関係を基準とした位置あわせを行っているため、検査時に想定される温度帯域であれば、プローブが半導体ウェハやスペーストランスフォーマの電極パッドと接触しなくなってしまうことがない。したがって、プローブヘッドやスペーストランスフォーマの材料選択の自由度が増加する。この結果、顧客の要望に柔軟に対応することができるとともに、コストの削減を図ることも可能となる。

さらに、本実施の形態１によれば、半導体ウェハやスペーストランスフォーマの電極パッドのサイズに柔軟にも対応することが可能であり、例えばプローブを０．２ｍｍピッチ以下の微小なサイズの電極パットに接触させることも容易となる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係るプローブカードは、プローブヘッドとスペーストランスフォーマとの位置決めを行う一対の位置決めピンを備え、この一対の位置決めピンを挿通する位置決め孔のうちの一つを長手方向の長さが位置決めピンの径よりも大きい長孔形状としたことを特徴とする。

本実施の形態２においても、スペーストランスフォーマや半導体ウェハが有する電極パッドとプローブとの位置あわせは、上記実施の形態１と同様になされているものとする。すなわち、検査時の最低温度と最高温度の平均温度を有する温度環境下でのスペーストランスフォーマ、プローブヘッド、および半導体ウェハの相互の位置関係を基準として位置あわせが行われているものとする。

図６は、本実施の形態２に係るプローブカードのプローブヘッドとスペーストランスフォーマとの構成を示す図である。また、図７は、図６のＢ−Ｂ線断面を模式的に示す図である。以下の説明では、スペーストランスフォーマの熱膨張係数Ｃ_Sとプローブヘッドの熱膨張係数Ｃ_Pとの間にＣ_S＜Ｃ_Pという関係があるものとする。また、図６および図７は、検査時の最低温度環境下でのスペーストランスフォーマとプローブヘッドとの位置関係を示しているものとする。なお、図７では、プローブを含む内部の配線に関する記載を省略している。この点については、以下で参照する同様の断面についても同じことがいえる。

図６および図７に示すプローブカード２１は、スペーストランスフォーマ２２と、プローブヘッド２３と、スペーストランスフォーマ２２の表面と直交する方向に延出するように固着された２本の位置決めピン２４ａおよび２４ｂと、を備える。位置決めピン２４ａおよび２４ｂは、スペーストランスフォーマ２２の表面の中心を通過する対角線の両端付近に固着される。プローブヘッド２３には、互いに同形の位置決めピン２４ａおよび２４ｂをそれぞれ挿通してプローブヘッド２３のスペーストランスフォーマ２２に対する位置決めを行う一対の位置決め孔２３１および２３２が、プローブヘッド２３の表面の中心を通過する対角線上の両端付近に形成されている。

二つの位置決め孔のうち、位置決め孔２３１は位置決めピン２４ａ等と略同径を有しており、プローブヘッド２３に対する位置がほぼ固定されている。これに対して位置決め孔２３２は、プローブヘッド２３表面のなす円の外周方向の長さが位置決めピン２４ａ等の径よりも大きい。したがって、位置決め孔２３２に挿通された位置決めピン２４ｂは、プローブヘッド２３に対して円の外周方向に沿って移動する自由度を有する。

なお、プローブカード２１の上記以外の構成は、上述したプローブカード１と同様である。

図８は、プローブカード２１が平均温度環境下におけるスペーストランスフォーマ２２とプローブヘッド２３の位置関係を示す図であり、図９は、図８のＣ−Ｃ線断面を模式的に示す図である。なお、図８における破線は、図６の状態すなわち検査時の最低温度環境下でのスペーストランスフォーマ２２とプローブヘッド２３との位置関係を示している。図８および図９では、プローブヘッド２３の方が熱膨張の度合いが大きいため、位置決めピン２４ｂは位置決め孔２３２の中央付近に位置する。

図１０は、プローブカード２１が検査時の最高温度環境下におけるスペーストランスフォーマ２２とプローブヘッド２３の位置関係を示す図であり、図１１は、図１０のＤ−Ｄ線断面を模式的に示す図である。なお、図１０における破線は図６の状態すなわち検査時の最低温度環境下でのスペーストランスフォーマ２２とプローブヘッド２３との位置関係を示している。図１０および図１１に示す状態で、位置決めピン２４ｂは位置決め孔２３２の内縁部付近に位置する。

このように、プローブヘッド２３に長孔形状をなす位置決め孔２３２を設けたことにより、スペーストランスフォーマ２２とプローブヘッド２３との位置関係を温度によって変化させ、スペーストランスフォーマ２２の熱膨張係数Ｃ_Sとプローブヘッド２３の熱膨張係数Ｃ_Pとの差を緩和、吸収させることができる。この結果、全ての位置決めピンを位置決めピン２４ａと同様に略同径の位置決め孔に挿通する場合のように、温度の上昇によって膨張したプローブヘッドの位置決めピンが挿通された箇所に亀裂等が生じることによって破損することがなくなる。

本実施の形態２においても、スペーストランスフォーマの熱膨張係数Ｃ_Sとプローブヘッドの熱膨張係数Ｃ_Pとの間にＣ_S＞Ｃ_Pという関係が成り立つ場合も想定される。図１２は、この場合に検査時の最低温度環境下でのスペーストランスフォーマとプローブヘッドとの位置関係を示す図である。同図に示す場合、スペーストランスフォーマ２５とプローブヘッド２６とは、二つの位置決めピン２７ａおよび２７ｂによって位置決めされている。このうち、位置決めピン２７ｂは、長手方向がプローブヘッド２６表面の径方向に平行な長孔形状をなす位置決め孔２６１を挿通している。図１２では、位置決めピン２７ｂは位置決め孔２６１の内縁部側に位置しており、温度が上昇するにつれて位置決め孔２６１の外縁部側へと挿通位置が変化していく。

以上説明した本発明の実施の形態２に係るプローブカードによれば、導電性材料から成り、前記半導体ウェハが有する電極パッドに接触して電気信号の入力または出力を行う複数のプローブと、前記複数のプローブを収容保持するプローブヘッドと、前記回路構造に対応する配線パターンを有する基板と、前記プローブヘッドに積層され、前記基板が有する前記配線パターンの間隔を変えて中継し、この中継した配線に対応して前記プローブヘッドと対向する側の表面に設けられた電極パッドを有するスペーストランスフォーマと、を備え、前記プローブの両端は、前記半導体ウェハを検査する際の最低温度と最高温度との平均温度を有する環境下において、前記半導体ウェハおよび前記スペーストランスフォーマがそれぞれ有する前記電極パッドの中央部付近に接触する構成とすることにより、上記実施の形態１と同様に、検査時の温度環境によらずにプローブを接触対象に対して確実に接触させることが可能となる。

また、本実施の形態２によれば、スペーストランスフォーマに固着され、当該スペーストランスフォーマと前記プローブヘッドとの位置決めを行う一対の位置決めピンをさらに備え、その一対の位置決めピンをそれぞれ挿通する位置決め孔のうち少なくとも一つの外周方向の長さを位置決めピンの径よりも大きくすることにより、プローブヘッドの熱膨張係数とスペーストランスフォーマとの熱膨張係数に差がある場合でも、高温時の半導体ウェハの検査において、プローブヘッドやスペーストランスフォーマが破損することがない。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係るプローブカードは、上記実施の形態２と同様にプローブヘッドとスペーストランスフォーマとの位置決めを行う位置決めピンを備える。本実施の形態３においては、中心対称な形状をなすプローブヘッドの表面の中心に対して対称な位置に複数の位置決めピンが挿通され、各位置決めピンを挿通する位置決め孔のプローブヘッド表面の径方向の長さを位置決めピンの径よりも大きい長孔形状としたことを特徴とする。

本実施の形態３においても、スペーストランスフォーマや半導体ウェハが有する電極パッドとプローブとの位置あわせは、上記実施の形態１と同様になされているものとする。すなわち、検査時の最低温度と最高温度の平均温度を有する温度環境下でのスペーストランスフォーマ、プローブヘッド、および半導体ウェハの相互の位置関係を基準として位置あわせが行われているものとする。

図１３は、本実施の形態３に係るプローブカードのプローブヘッドとスペーストランスフォーマとの構成を示す図である。また、図１４は、図１３のＥ−Ｅ線断面を模式的に示す図である。以下の説明では、スペーストランスフォーマの熱膨張係数Ｃ_Sとプローブヘッドの熱膨張係数Ｃ_Pとの間にＣ_S＜Ｃ_Pという関係があるものとする。また、図１３および図１４は、検査時の最低温度環境下でのスペーストランスフォーマとプローブヘッドとの位置関係を示しているものとする。

図１３および図１４に示すプローブカード３１は、スペーストランスフォーマ３２と、プローブヘッド３３と、スペーストランスフォーマ３２の表面と直交する方向に延出するように固着された４本の位置決めピン３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、および３４ｂと、を備える。位置決めピン３４ａ〜３４ｄは、スペーストランスフォーマ３２の表面の中心に対して対称な位置に固着される。プローブヘッド３３には、位置決めピン３４ａ〜３４ｄをそれぞれ挿通してプローブヘッド３３のスペーストランスフォーマ３２に対する位置決めを行う位置決め孔３３１〜３３４が、プローブヘッド３３の表面の円の中心に対して対称な位置に形成されている。

位置決め孔３３１〜３３４は、プローブヘッド３３表面のなす円の中心から放射状に広がっていく径方向の長さが位置決めピン３４ａ等の径よりも大きい。したがって、位置決め孔３３１〜３３４にそれぞれ挿通された位置決めピン３４ａ〜３４ｄはプローブヘッド２３に対して円の径方向に沿って移動する自由度を有する。すなわち、本実施の形態３においては、温度の上昇に伴って、プローブヘッド３３はその表面の円の中心から放射状に広がって膨張していく。

なお、プローブカード３１の上記以外の構成は、上述したプローブカード１と同様である。

図１５は、プローブカード３１が検査時の平均温度環境下におけるスペーストランスフォーマ３２とプローブヘッド３３の位置関係を示す図である。なお、図１５における破線は、図１３の状態すなわち検査時の最低温度環境下でのスペーストランスフォーマ３２とプローブヘッド３３との位置関係を示している。常温時の両者の位置関係を示している。本実施の形態３では、プローブヘッド３３の方が熱膨張の度合いが大きいため、平均温度環境下において、位置決めピン３４ａ〜３４ｄは、位置決め孔３３１〜３３４の中央付近に位置する。

図１６は、プローブカード３１が検査時の最高温度環境下におけるスペーストランスフォーマ３２とプローブヘッド３３の位置関係を示す図である。なお、図１６における破線も、図１３の状態すなわち検査時の最低温度環境下でのスペーストランスフォーマ３２とプローブヘッド３３との位置関係を示している。図１６に示す状態で、位置決めピン３４ａ〜３４ｄは位置決め孔３３１〜３３４の各内縁部付近に位置する。

このようにして、プローブヘッド３３に表面の径方向を長手方向とする長孔形状をなす位置決め孔３３１〜３３４を設けたことにより、スペーストランスフォーマ３２とプローブヘッド３３との位置関係を温度によって変化させ、スペーストランスフォーマ３２の熱膨張係数Ｃ_Sとプローブヘッド３３の熱膨張係数Ｃ_Pとの差を緩和、吸収させることができる。この結果、上記実施の形態２と同様に、温度の上昇によって膨張したプローブヘッドの位置決めピン挿通箇所に亀裂等が生じることによって破損することがなくなる。

ところで、スペーストランスフォーマの熱膨張係数Ｃ_Sとプローブヘッドの熱膨張係数Ｃ_Pとの間にＣ_S＞Ｃ_Pという関係がある場合も想定される。この場合には、上記実施の形態２で説明した図１２における位置決め孔２６１のように、最低温度環境下での位置決めピンが位置決め孔の内縁部に位置するように位置あわせを行えばよい。

以上説明した本発明の実施の形態３に係るプローブカードによれば、導電性材料から成り、前記半導体ウェハが有する電極パッドに接触して電気信号の入力または出力を行う複数のプローブと、前記複数のプローブを収容保持するプローブヘッドと、前記回路構造に対応する配線パターンを有する基板と、前記プローブヘッドに積層され、前記基板が有する前記配線パターンの間隔を変えて中継し、この中継した配線に対応して前記プローブヘッドと対向する側の表面に設けられた電極パッドを有するスペーストランスフォーマと、を備え、前記プローブの両端は、前記半導体ウェハを検査する際の最低温度と最高温度との平均温度を有する環境下において、前記半導体ウェハおよび前記スペーストランスフォーマがそれぞれ有する前記電極パッドの中央部付近に接触する構成とすることにより、上記実施の形態１と同様に、検査時の温度環境によらずにプローブを接触対象に対して確実に接触させることが可能となる。

また、本実施の形態３によれば、スペーストランスフォーマに固着され、当該スペーストランスフォーマと前記プローブヘッドとの位置決めを行う複数の位置決めピンをさらに備え、各位置決めピンを挿通する位置決め孔のプローブヘッド表面の中心から放射状に広がっていく径方向の長さが位置決めピンの径よりも大きくすることにより、上記実施の形態２と同様に、プローブヘッドの熱膨張係数とスペーストランスフォーマとの熱膨張係数に差がある場合でも、高温時の半導体ウェハの検査において、プローブヘッドやスペーストランスフォーマが破損することがない。

特に、本実施の形態３によれば、全ての位置決め孔がプローブヘッド表面の中心に対して放射状に広がっていく方向を長手方向とする長孔形状をなすことにより、プローブヘッドは表面の中心に対して放射状に膨張することになるため、プローブヘッドの特定の部分に過度の負荷が加わる恐れがほとんどなくなる。

なお、以上の説明では位置決めピンおよび位置決め孔がそれぞれ４個の場合を説明したが、位置決めピンおよび位置決め孔の数はこれに限られるわけではなく、３個または５個以上であってもよい。

（その他の実施の形態）
ここまで、本発明を実施するための最良の形態として、実施の形態１〜３を詳述してきたが、本発明はそれら３つの実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。例えば、本発明に係るプローブカードは円盤状以外の形状として多角形の表面形状をなすプローブヘッドを備えてもよく、それらの形状は検査対象の形状または電極パッドの配置パターンによって変更可能である。

また、インターポーザやスペーストランスフォーマの各表面形状をプローブヘッドに相似な円形としてもよい。この場合には、ＦＷＬＴ用のプローブカードとしては最も対称性が高くなるため、プローブカードの平面度や平行度を最優先する場合には最適である。

上記以外にも、インターポーザやスペーストランスフォーマの各表面を適当な正多角形とし、プローブヘッドをその正多角形に相似な正多角形としてもよい。また、インターポーザやスペーストランスフォーマの形状の変化に応じて保持部材の抜き形状も変化する。また、プローブヘッドが半導体ウェハにフルコンタクトする場合にはプローブヘッドは円形としてもよい。このように、本発明に係るプローブカードは円盤以外の形状をなす基板やプローブヘッドを備えてもよく、それらの形状は検査対象の形状やその検査対象に設けられる電極パッドの配置パターンによって変更可能である。

以上の説明からも明らかなように、本発明は、ここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。

本発明の実施の形態１に係るプローブカードの構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るプローブカードの構成を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係るプローブカードを用いた検査の概要を示す図である。 最低温度環境下でのプローブカード要部の構成を示す図である。 平均温度環境下でのプローブカード要部の構成を示す図である。。 最高温度環境下でのプローブカード要部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の一変形例に係るプローブカード要部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るプローブカード要部の最低温度環境下での構成を示す図である。 図６のＢ−Ｂ線断面を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態２に係るプローブカード要部の平均温度環境下での構成を示す図である。 図８のＣ−Ｃ線断面を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態２に係るプローブカード要部の最高温度環境下での構成を示す図である。 図１０のＤ−Ｄ線断面を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態２の一変形例に係るプローブカード要部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係るプローブカード要部の最低温度環境下での構成を示す図である。 図１３のＥ−Ｅ線断面を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態３に係るプローブカード要部の平均温度環境下での構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係るプローブカード要部の最高温度環境下での構成を示す図である。 従来のプローブカード要部の構成を模式的に示す図である。 従来のプローブカード要部の高温環境下での構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１、２１、３１、４１ プローブカード
２、４２ プローブ
３ コネクタ座
４ ウェハチャック
１１ 基板
１２ 補強部材
１３ インターポーザ
１４、２２、２５、３２、４４ スペーストランスフォーマ
１５、２３、２６、３３、４３ プローブヘッド
１５ｐ プローブ収容領域
１６ 保持部材
１７ リーフスプリング
１８ 配線
１９ オスコネクタ
２０ メスコネクタ
２１ プローブカード
２０ メスコネクタ
２４ａ、２４ｂ、２７ａ、２７ｂ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ 位置決めピン
４５、１０１、１４１ 電極パッド
１００ 半導体ウェハ
１２１ 外周部
１２２ 中心部
１２３ 連結部
１７１ 爪部
２３１、２３２、２６１、２３２、３３１、３３２、３３３、３３４ 位置決め孔

Claims (5)

1. シリコンを主成分とする検査対象である半導体ウェハと検査用の信号を生成する回路構造との間を電気的に接続するプローブカードであって、
   導電性材料から成り、前記半導体ウェハが有する電極パッドに接触して電気信号の入力または出力を行う複数のプローブと、
   前記複数のプローブを収容保持するプローブヘッドと、
   前記回路構造に対応する配線パターンを有する基板と、
   前記プローブヘッドに積層され、前記基板が有する前記配線パターンの間隔を変えて中継し、この中継した配線に対応して前記プローブヘッドと対向する側の表面に設けられた電極パッドを有するスペーストランスフォーマと、
   を備え、
   前記プローブヘッド、前記スペーストランスフォーマおよび前記シリコンの熱膨張係数は互いに異なり、かつ前記プローブヘッドの熱膨張係数は、前記スペーストランスフォーマおよび前記シリコンの熱膨張係数の中間の値を有し、
   前記プローブの一端は、前記半導体ウェハの不良品を検出するために常温を含む複数の異なる温度環境下で前記半導体ウェハの導通を検査する際の最低温度と最高温度との平均値の温度環境下で前記スペーストランスフォーマの電極パッドのうち中央部付近と接触し、前記最低温度環境下で前記スペーストランスフォーマの電極パッドのうち該スペーストランスフォーマの径方向における外縁部付近および内縁部付近の一方と接触し、前記最高温度環境下で前記スペーストランスフォーマの電極パッドのうち前記外縁部付近および前記内縁部付近の他方と接触することを特徴とするプローブカード。
2. 前記スペーストランスフォーマに固着され、当該スペーストランスフォーマと前記プローブヘッドとの位置決めを行う複数の位置決めピンを備え、
   前記プローブヘッドおよび前記スペーストランスフォーマは同じ中心軸に対してそれぞれ中心対称な形状をなし、
   前記プローブヘッドは、前記中心軸に対して対称な位置に、互いに同じ形状をなし、前記中心軸から見て放射状に広がる開口を有し、前記複数の位置決めピンのいずれかが挿通される複数の位置決め孔が形成され、
   前記位置決め孔は、前記プローブヘッドの径方向に沿った前記開口の長さが前記位置決めピンの径よりも大きく、
   前記位置決めピンは、前記平均値の温度環境下で前記位置決め孔の前記径方向における中央部付近に位置することを特徴とする請求項１記載のプローブカード。
3. 前記基板に装着されて前記基板を補強する補強部材と、
   導電性材料から成り、前記基板と前記スペーストランスフォーマとの間に介在して前記基板の配線を中継するインターポーザと、
   前記基板に固着され、前記インタポーザおよび前記スペーストランスフォーマに圧力を加えて保持する保持部材と、
   前記保持部材に固着され、前記プローブヘッドの表面であって前記複数のプローブが突出する表面の縁端部近傍を全周に渡って前記基板の方向へ押さえ付けるリーフスプリングと、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２記載のプローブカード。
4. 検査対象である半導体ウェハの不良品を検出するために常温を含む複数の異なる温度環境下で前記半導体ウェハの導通を検査する検査方法であって、
   導電性材料から成り、前記半導体ウェハが有する電極パッドに接触して電気信号の入力または出力を行う複数のプローブと、前記複数のプローブを収容保持するプローブヘッドと、検査用信号を生成する回路構造に対応する配線パターンを有する基板と、前記プローブヘッドに積層され、前記基板が有する前記配線パターンの間隔を変えて中継し、この中継した配線に対応して前記プローブヘッドと対向する側の表面に設けられた電極パッドを有するスペーストランスフォーマと、を備え、前記プローブヘッド、前記スペーストランスフォーマおよび前記半導体ウェハの熱膨張係数は互いに異なり、かつ前記プローブヘッドの熱膨張係数は、前記スペーストランスフォーマおよび前記半導体ウェハの熱膨張係数の中間の値を有し、前記プローブの一端は、前記複数の異なる温度環境のうち最低温度と最高温度との平均値の温度環境下で前記スペーストランスフォーマの電極パッドのうち中央部付近と接触し、前記最低温度環境下で前記スペーストランスフォーマの電極パッドのうち該スペーストランスフォーマの径方向における外縁部付近および内縁部付近の一方と接触し、前記最高温度環境下で前記スペーストランスフォーマの電極パッドのうち前記外縁部付近および前記内縁部付近の他方と接触するプローブカードを用いることにより、前記半導体ウェハと前記回路構造との間を電気的に接続し、
   前記プローブの他端と前記半導体ウェハが有する電極パッドとの接触位置を、前記平均値の温度環境下で該電極パッドの中央部付近とすることを特徴とする検査方法。
5. 前記半導体ウェハは、シリコンを主成分とすることを特徴とする請求項４記載の検査方法。

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