JP5004454B2 - プローバ及びプローバにおける回転・移動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ上に形成された複数の半導体チップ（ダイ）の電気的な検査を行うために、テスタの端子を半導体チップの電極パッドに接続するプローバに関する。

半導体製造工程では、薄い円板状の半導体ウエハに各種の処理を施して、半導体装置（デバイス）をそれぞれ有する複数のチップ（ダイ）を形成する。各チップは電気的特性が検査され、その後ダイサーで切り離なされた後、リードフレームなどに固定されて組み立てられる。上記の電気的特性の検査は、プローバとテスタを組み合わせたウエハテストシステムで行われる。プローバは、ウエハをステージに固定し、各チップの電極パッドにプローブニードルを接触させる。テスタは、プローブニードルに接続される端子から、電源および各種の試験信号を供給し、チップの電極に出力される信号をテスタで解析して正常に動作するかを確認する。

図１は、ウエハテストシステムの概略構成を示す図である。ウエハテストシステムは、プローバ１０とテスタ３０とで構成される。図示のように、プローバ１０は、ウエハＷを保持するウエハステージ１６と、ウエハステージ１６をＺ軸方向に移動すると共にＺ軸を中心として回転するＺ軸移動・回転部１５と、プローブニードルの位置を検出するプローブニードル位置検出カメラ１８と、プローブニードル位置検出カメラ１８をＺ軸方向に移動するカメラ移動機構１７と、Ｚ軸移動・回転部１５及びカメラ移動機構１７を支持してＸ軸方向に移動する（Ｘ軸）移動台１４と、Ｘ軸移動台１４を支持してＹ軸方向に移動するＹ軸移動台１３と、Ｙ軸移動台１３を支持する移動ベース１２と、移動ベース１２を支持する基台１１と、基台１１に支持される支柱１９及び２０と、支柱１９及び２０に支持されるヘッドステージ２１と、図示していない支柱に設けられたウエハアライメントカメラ２２と、ヘッドステージ２１に設けられたカードホルダ２３と、カードホルダ２３に取り付けられるプローブカード２４と、を有する。移動・回転機構については広く知られているので、ここでは説明を省略する。プローブカード２４は、検査するデバイスの電極配置に応じて配置されたプローブニードル２５を有し、検査するデバイスに応じて交換される。プローブニードル位置検出カメラ１８はプローブニードルの配置及び高さ位置を検出し、ウエハアライメントカメラ２２はウエハＷ上の半導体チップ（ダイ）の電極パッドの位置を検出する。

テスタ３０は、テスタ本体３１と、テスタ本体３１に設けられたコンタクトリング３２とを有する。プローブカード２５には各プローブに接続される端子が設けられており、コンタクトリング３２はこの端子に接触するように配置されたスプリングプローブを有する。テスタ本体３１は、図示していない支持機構により、プローバ１０に対して保持される。

図２は、図１のプローバ１０の斜視図である。参照番号は図１と同じである。参照番号２６は移動台１４を移動させるボールネジを示し、２７はＹ軸移動台１３を移動させるボールネジを示す。

検査を行う場合には、プローブニードル位置検出カメラ１８がプローブニードル２５の下に位置するように、移動台１４を移動させ、カメラ移動機構１７でプローブニードル位置検出カメラ１８をＺ軸方向に移動して焦点を合わせ、プローブニードル位置検出カメラ１８でプローブニードル２５の先端位置を検出する。プローブニードル２５の先端の水平面内の位置（Ｘ及びＹ座標）はカメラの座標により検出され、垂直方向の位置はカメラの焦点位置で検出される。このプローブニードル２５の先端位置の検出は、プローブカード２４を交換した時にはかならず行う必要があり、プローブカード２４を交換しない時でも所定個数のチップを測定するごとに適宜行われる。なお、プローブカード２４には、通常数百から数千本以上ものプローブニードル２５が設けられており、すべてのプローブニードル２５の先端位置を検出せずに、通常は特定のプローブの先端位置を検出する。

次に、図１において破線で示すように、ウエハステージ１６に検査するウエハＷを保持した状態で、ウエハＷがウエハアライメントカメラ２２の下に位置するように、Ｘ軸移動台１４を移動させ、ウエハＷ上の半導体チップの電極パッドの位置を検出する。１チップのすべての電極パッドの位置を検出する必要はなく、いくつかの電極パッドの位置を検出すればよい。また、ウエハＷ上のすべてのチップの電極パッドを検出する必要はなく、いくつかのチップの電極パッドの位置が検出される。

次に、上記のようにして検出したプローブニードル２５の配列及び電極パッドの配列に基づいて、プローブニードル２５の配列方向と電極パッドの配列方向が一致するように、Ｚ軸移動・回転部１５によりウエハステージ１６を回転した後、検査するチップの電極パッドがプローブニードル２５の下に位置するようにウエハステージ１６をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動し、Ｚ軸移動・回転部１５によりウエハステージ１６をＺ軸方向に上昇させて、電極パッドをプローブニードル２５に接触させて上昇を停止する。この状態でテスタ３０から電源及び信号を供給して検査を行う。

プローバについては、特許文献１などに記載されており、広く知られているので、これ以上の説明は省略する。

特開２００４−０３９７５２号公報（全体）

上記のように、ウエハアライメントカメラ２２で電極パッドの位置を検出するウエハアライメント時と、プローブニードル２５を電極パッドに接触させる検査時のウエハステージ１６のＺ軸方向の位置、すなわち高さは、通常異なる。そのため、ウエハアライメント後ウエハステージ１６をＺ軸方向に移動する必要があるが、Ｚ軸移動・回転部１５によりウエハステージ１６をＺ軸方向に移動すると、Ｚ軸のローリング誤差、すなわちウエハステージ１６の微小回転が発生する。

上記のように、Ｚ軸移動・回転部１５によりウエハステージ１６を回転して、プローブニードル２５の配列方向と電極パッドの配列方向を一致させており、ウエハステージ１６のＺ軸のローリング誤差が発生すると、プローブニードル２５の配列方向と電極パッドの配列方向がずれ、プローブニードル２５と電極パッドの正常な接触が行えないという問題が生じる。特に、プローブニードル２５の配列が長い時には、小さな角度誤差でも端では大きな位置ずれになるので、問題になりやすい。

従来のプローバでは、１回の接触で１個のチップを検査するように、チップ１個の電極パッドに合わせてプローブニードルを配置したプローブカードを使用しており、電極パッドをプローブニードルに接触させる時に、ウエハステージの回転方向の誤差はあまり影響しなかった。そのため、ウエハステージ１６のＺ軸のローリング精度については十分な保証が行われていなかった。また、ウエハステージ１６の回転方向の誤差に影響する要因として、移動台がＸ軸方向及びＹ軸方向に移動する時のヨーイングがあるが、移動台のＸ軸方向及びＹ軸方向移動時のヨーイングついても十分な保証が行われていなかった。

しかし、近年同時に多数のチップの検査を行うことでウエハテストシステムのスループットを向上することが行われており、しかもウエハの口径も増大する傾向にあり、プローブニードルの配列長さが非常に長くなってきている。そのため、Ｚ軸のローリング精度、移動台のＸ軸方向及びＹ軸方向移動時のヨーイングについての要求が厳しくなっている。しかし、従来のプローバでは、このような要求に十分に答えられないという問題が生じている。

本発明は、このような問題を解決するもので、簡単な機構を付加するだけで、Ｚ軸のローリング又は移動台のＸ軸方向及びＹ軸方向移動時のヨーイングによるウエハステージの回転誤差を低減できるプローバ及びプローバにおける回転・移動制御方法の実現を目的とする。

上記目的を実現するため、本発明のプローバは、ウエハステージに、プローブニードル位置検出カメラで検出可能なようにターゲットを設ける。

すなわち、本発明のプローバは、ウエハ上に形成された半導体装置の動作を電気的に検査するため、テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバであって、前記半導体装置の電極に接触して前記電極を前記テスタの端子に接続するプローブニードルを有するプローブカードと、前記ウエハを保持するウエハステージと、前記ウエハステージを回転すると共にＺ軸方向に移動するステージ回転・Ｚ軸移動機構と、前記ステージ回転・Ｚ軸移動機構を支持する移動台と、前記移動台をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動するＸＹ移動機構と、前記移動台に設けられ、前記プローブニードルの先端位置を検出するプローブニードル位置検出カメラと、前記ウエハステージに、前記プローブニードル位置検出カメラで検出可能に設けられたターゲットと、を備えることを特徴とする。

Ｚ軸移動・回転部によるウエハステージのＺ軸方向の移動と、カメラ移動機構によるプローブニードル位置検出カメラのＺ軸方向の移動は独立である。更に、プローブニードル位置検出カメラはカメラ移動機構の中心に位置しているので、プローブニードル位置検出カメラがＺ軸方向に移動して回転誤差が生じてもＸ軸方向及びＹ軸方向の位置は変化しない。従って、プローブニードル位置検出カメラでターゲットのＸ軸方向及びＹ軸方向の位置を検出すれば、ウエハステージのＺ軸の回転が検出できる。本発明のプローバでは、このようなウエハステージのＺ軸の回転が、ウエハステージにターゲットを設けるだけで、従来の構成要素を利用して容易に検出できる。

プローブニードル位置検出カメラがプローブニードルの位置を検出する時には、Ｚ軸移動・回転部によるウエハステージのＺ軸の回転を利用して、ターゲットをプローブニードル位置検出カメラの視野を遮らないように退避させる。

上記のウエハステージのＺ軸の回転検出が可能になることにより、ウエハステージのＺ軸方向の移動に伴うローリング誤差が検出できる。

すなわち、上記のプローバでウエハステージの回転及び移動を制御する回転・移動制御方法であって、第１のＺ軸位置で、前記プローブニードル位置検出カメラで前記ターゲットを検出可能な状態にし、前記ＸＹ移動機構によるＸ軸方向及びＹ軸方向の移動及び前記ステージ回転・Ｚ軸移動機構による回転を行わずに、前記ウエハステージを第２のＺ軸位置まで移動させ、前記プローブニードル位置検出カメラで前記ターゲットを検出して回転量を算出し、前記第１のＺ軸位置と前記第２のＺ軸位置の間で前記ウエハステージを移動させる時には、算出した前記回転量分だけ前記ウエハステージを回転して、回転位置を補正することを特徴とする。

また、ウエハステージを第１のＺ軸位置と第２のＺ軸位置の間で移動させる時の回転位置の補正は、プローブニードル位置検出カメラでターゲットを検出することにより行うことが可能である。

また、上記のウエハステージのＺ軸回りの回転検出を利用して、移動台のＸ軸方向及びＹ軸方向移動時のヨーイングの補正を行うことができる。

すなわち、上記のプローバにおいて、ウエハステージの回転及び移動を制御する回転・移動制御方法であって、外部装置を使用して、前記ＸＹ移動機構による前記移動台のＸ軸方向及びＹ軸方向の移動に伴う前記移動台のＺ軸の回りの回転量を、Ｘ軸位置及びＹ軸位置に応じて検出して記憶し、前記移動台のＸ軸方向及びＹ軸方向の移動位置に応じて、記憶した前記移動台のＺ軸の回りの前記回転量を相殺するように前記ウエハステージを回転させ、その時の回転量を前記プローブニードル位置検出カメラで前記ターゲットを検出する。

本発明によれば、従来の構成に簡単な機構を付加するだけで、Ｚ軸のローリング誤差を検出できるようになり、それを利用してＺ軸のローリング誤差の補正、及び移動台のＸ軸方向及びＹ軸方向移動時のヨーイングの補正が容易に行えるという効果を奏する。

図３は、本発明の実施例のプローバの概略構成を示す斜視図である。本実施例のプローバは、図１及び図２に示した従来例のウエハテストシステムで使用されるプローバ１０と類似の構成を有し、ウエハステージ１６にターゲット５１が設けられている点が従来例と異なる。

図４は、ターゲット５１を、プローブニードル位置検出カメラ１８側から見た図を示す。ターゲット５１の下側には、十字線５２が設けられている。プローブニードル位置検出カメラ１８は、プローブニードルの位置を検出する画像処理装置に接続されており、ソフトウエアを変更するだけで容易に十字線５２の視野内の位置を検出できる。視野座標と実際の位置関係は対応しており、視野内の位置を検出することにより実際の位置を検出できる。

ターゲット５１はウエハステージ１６に設けられており、Ｚ軸移動・回転部１５によるウエハステージ１６のＺ軸の回転に伴って回転する。図３は、プローブニードル位置検出カメラ１８でターゲット５１の下側の十字線５２を検出する場合を示しているが、プローブニードル位置検出カメラ１８でプローブニードル２５の位置を検出する時には、ターゲット５１がプローブニードル位置検出カメラ１８の視野外に位置するようにウエハステージ１６を回転する。

次に、本実施例のプローバで、Ｚ軸移動・回転部１５によるＺ軸方向の移動に伴いウエハステージ１６のローリング誤差を検出して補正する第１の動作例を説明する。

検査を行う場合には、まずウエハアライメントカメラ２２でウエハＷの電極パッドを検出する時のウエハステージのＺ軸方向の高さ位置、すなわち図５において破線で示す位置におけるウエハステージ１６の高さ位置を第１の高さ位置とし、電極パッドをプローブニードル２５に接触させて検査を行う時のウエハステージのＺ軸方向の高さ位置、すなわち図５において実線で示す位置におけるウエハステージ１６の高さ位置を第２の高さ位置とし、この第１と第２の高さ位置を決定する。この第１と第２の高さ位置は、実際ウエハステージ１６上にウエハを載置して検出しても、設計データから算出してもよい。図５に示すように、第１と第２の高さ位置の差はＨであるとする。

次に、ウエハステージ１６を第２の高さ位置まで上昇させることが可能な水平位置（Ｘ軸方向及びＹ軸方向位置）、例えば図５において実線で示す水平位置に移動させ、ウエハステージ１６を第１の高さ位置まで移動する。そして、ターゲット５１の十字線５２がプローブニードル位置検出カメラ１８の視野内の中心付近になるようにウエハステージ１６を回転させ、十字線５２の位置を検出して記憶する。この時の十字線５２の位置を第１十字位置とする。

次に、ウエハステージ１６を第１の高さ位置から第２の高さ位置まで上昇させ、プローブニードル位置検出カメラ１８でターゲット５１の十字線５２の位置を検出する。この時の十字線５２の位置を第２十字位置とする。第１十字位置と第２十字位置の差が、ウエハステージ１６の第１の高さ位置から第２の高さ位置への移動に伴うローリング誤差に起因するずれであり、ウエハステージ１６の回転中心に対する第１十字位置と第２十字位置の差からローリング誤差を算出して記憶する。

なお、ここでは、ウエハステージ１６を第１の高さ位置から第２の高さ位置まで上昇させてローリング誤差を求めたが、Ｚ軸移動・回転部１５によるウエハステージ１６のＺ軸方向の移動に伴うローリング誤差が線形に変化するのであれば、ある高さ位置から第１と第２の高さ位置の差Ｈ分だけ移動してローリング誤差を求めてもよい。

次に、ターゲット５１をプローブニードル位置検出カメラ１８の視野外になるようにウエハステージ１６を回転させた後、従来と同様に、プローブニードル位置検出カメラ１８がプローブニードル２５の下に位置するように移動してプローブニードル２５の先端位置を検出し、検出した位置を記憶する。

次に、ターゲット５１の十字線５２がプローブニードル位置検出カメラ１８の視野内の中心付近になるようにウエハステージ１６を回転させた後、ウエハＷの受け渡し位置に移動し、ウエハステージ１６上に検査するウエハＷを載置する。この時、ウエハＷ上の電極パッドの配列方向は、ある程度の誤差範囲内でプローブニードル２５の配列方向に一致するように載置されるものとする。

次に、従来と同様に、ウエハＷがウエハアライメントカメラ２２の下に位置するように、すなわち図５において破線で示す位置に移動して電極パッドの位置を検出する。そして、前に検出したプローブニードル２５の先端位置と、検出した電極パッドの位置からプローブニードル２５の配列方向を電極パッドの配列方向に一致させるためのウエハステージ１６の調整回転量と、Ｘ軸及びＹ軸方向の移動量を算出する。

そして、ウエハステージ１６を算出した調整回転量だけ回転し、算出したＸ軸及びＹ軸方向の移動量だけ移動する。従来例ではこのままウエハステージ１６を上昇させたが、第１の動作例では、上記のようにして算出したローリング誤差を補正するように、ウエハステージ１６を算出したローリング誤差分だけ逆方向に回転する。この回転量は、プローブニードル位置検出カメラ１８でターゲット５１の十字線５２の位置変化を検出することにより確認する。これにより高精度の回転量制御が可能である。その後、ウエハステージ１６をＺ軸方向に上昇させて電極パッドをプローブニードル２５に接触させる。後は従来例と同じである。

次に、本実施例のプローバで、Ｘ軸移動台１４及びＹ軸移動台１３の移動に伴うヨーイング、すなわち、ウエハステージ１６のＸ軸方向及びＹ軸方向の移動に伴う回転を補正する第２の動作例を説明する。

Ｘ軸移動台１４は、ボールネジ２６を含むＸ軸移動機構により移動されるが、移動に伴い水平面内の回転、すなわちＺ軸の回りの回転が発生する。これをヨーイングと呼ぶ。同様に、Ｙ軸移動台１３は、ボールネジ２７を含むＹ軸移動機構により移動されるが、移動に伴いＺ軸の回りの回転（ヨーイング）が発生する。これらのヨーイングは、ウエハステージ１６の水平方向の位置ずれ及びＺ軸の回転となって影響する。ここでは、ウエハステージ１６のＺ軸の回転を補正を対象とする。ヨーイングによるウエハステージ１６の水平方向の位置ずれは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の移動位置を補正することにより別途補正されるものとする。

外部の装置、例えばオートコリメータなどを利用して、Ｘ軸移動台１４及びＹ軸移動台１３の移動に伴うヨーイングをあらかじめ測定しておく。これは、Ｘ軸移動台１４及びＹ軸移動台１３に取り付けた反射ミラーにオートコリメータからの光ビームを照射して、反射光ビームの集束位置のずれを検出することにより行う。ヨーイングは、例えばＸ及びＹ移動位置におけるウエハステージ１６の回転量として記憶される。

そして、ウエハステージ１６を水平方向に移動する時には、ターゲット５１の十字線５２がプローブニードル位置検出カメラ１８の視野内に入るようにウエハステージ１６を回転した上で移動し、移動の前後でのウエハステージ１６の回転量の差分だけウエハステージ１６を回転してヨーイングによる回転を補正するが、この回転量は、プローブニードル位置検出カメラ１８でターゲット５１の十字線５２の位置変化を検出することにより確認する。

本発明は、通常のプローバであればどのようなプローバにも適用可能である。

プローバとテスタでウエハ上のチップを検査するウエハテストシステムの基本構成を示す図である。 従来のプローバの概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施例のプローバの概略構成を示す斜視図である。 実施例のプローバのターゲットを示す図である。 実施例のプローバでの、ウエハステージのＺ軸方向の移動に伴うローリング誤差の検出と補正を説明する図である。

符号の説明

１２ 移動ベース
１４ Ｘ軸移動台
１５ Ｚ軸移動・回転部
１６ ウエハステージ
１８ プローブニードル位置検出カメラ
２２ ウエハアライメントカメラ
２４ プローブカード
２６ プローブニードル

Claims (4)

1. ウエハ上に形成された半導体装置の動作を電気的に検査するため、テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバであって、
   前記半導体装置の電極に接触して前記電極を前記テスタの端子に接続するプローブニードルを有するプローブカードと、
   前記ウエハを保持するウエハステージと、
   前記ウエハステージを回転すると共にＺ軸方向に移動するステージ回転・Ｚ軸移動機構と、
   前記ステージ回転・Ｚ軸移動機構を支持する移動台と、
   前記移動台をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動するＸＹ移動機構と、
   前記移動台に設けられ、前記プローブニードルの先端位置を検出するプローブニードル位置検出カメラをＺ軸方向に移動するカメラ移動機構と、
   前記ウエハステージに、前記プローブニードル位置検出カメラで検出可能に設けられたターゲットと、を備え、
   前記プローブニードル位置検出カメラは、前記カメラ移動機構の中心に位置し、Ｚ軸方向に移動しても、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の位置が変化しないことを特徴とするプローバ。
2. 請求項１に記載のプローバにおいて、前記ウエハステージの回転及び移動を制御する回転・移動制御方法であって、
   第１のＺ軸位置で、前記プローブニードル位置検出カメラで前記ターゲットを検出可能な状態にし、
   前記ＸＹ移動機構によるＸ軸方向及びＹ軸方向の移動及び前記ステージ回転・Ｚ軸移動機構による回転を行わずに、前記ウエハステージを第２のＺ軸位置まで移動させ、
   前記プローブニードル位置検出カメラで前記ターゲットを検出して回転量を算出し、
   前記第１のＺ軸位置と前記第２のＺ軸位置の間で前記ウエハステージを移動させる時には、算出した前記回転量分だけ前記ウエハステージを回転して、回転位置を補正することを特徴とする方法。
3. 前記ウエハステージを前記第１のＺ軸位置と前記第２のＺ軸位置の間で移動させる時の回転位置の補正は、前記プローブニードル位置検出カメラで前記ターゲットを検出することにより行われる請求項２に記載の回転・移動制御方法。
4. 請求項１に記載のプローバにおいて、前記ウエハステージの回転及び移動を制御する回転・移動制御方法であって、
   外部装置を使用して、前記ＸＹ移動機構による前記移動台のＸ軸方向及びＹ軸方向の移動に伴う前記移動台のＺ軸の回りの回転量を、Ｘ軸位置及びＹ軸位置に応じて検出して記憶し、
   前記移動台のＸ軸方向及びＹ軸方向の移動位置に応じて、記憶した前記移動台のＺ軸の回りの前記回転量を相殺するように前記ウエハステージを回転させ、
   その回転量を前記プローブニードル位置検出カメラで前記ターゲットを検出することを特徴とする回転・移動制御方法。

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