JP5546328B2 - ウェーハテスト方法およびプローバ - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハ上に形成された複数の半導体装置（チップまたはダイ）の電気的な検査を行うウェーハテスト方法およびプローバに関し、特に室温以外の温度条件で検査を行うのに適したウェーハテスト方法およびプローバに関する。

半導体製造工程では、薄い円板状の半導体ウェーハに各種の処理を施して、複数のチップ（ダイ）状の半導体デバイスを形成する。ウェーハ上の各半導体デバイスは、電気的特性が検査され、その後ダイサーで切り離なされ、不良の半導体チップを除いて、リードフレームなどに固定されてパッケージ（組立）される。これにより、不良の半導体チップがパッケージから排除され、パッケージ後の電気的検査項目を省略できるためにコストが低減されると共に、ウェーハ形状で検査することにより、ウェーハ形状での検査結果分布が取得でき、ウェーハ形状で処理する製造工程へ分布結果をフィードバックして歩留まりを向上できる。

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ェーハテストシステムで行われる。プローバは、ウェー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カードのプローブを接触させる。テスタは、プローブ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。ここでは、このような検査をウェーハテストと称する。

ウェーハテストシステムは、プローバとテスタとで構成される。プローバは、複数の半導体チップが形成されたウェーハを保持するウェーハチャックと、半導体チップの電極パッドに接触して電極パッドをテスタの端子に接続する複数のプローブを有するプローブカードを保持するプローブカード保持部と、を有する。プローブを半導体チップの電極パッドに接触させると、テスタの端子が半導体チップの電極パッドに接続された状態となり、テスタから電源および信号を半導体チップに供給して動作させ、半導体チップからの出力をテスタが検出して動作試験を行う。

プローブは、１個の半導体チップを検査するのに必要な本数を設ける場合と、複数個の半導体チップを１回の接触で同時に検査できる本数を設ける場合がある。複数個の半導体チップを１回の接触動作で同時に検査することをマルチプロービングと称し、同時に検査する半導体チップをＤＵＴ(Device Under Test)と称し、ＤＵＴの個数は各種ある。同時に検査する個数が増加するとスループットは向上するが、１回の接触動作での検査時間は長くなる。以下、説明を簡単にするために、１回の接触動作で１個の半導体チップを検査するシングルプロービングを例として説明する。

複数のプローブを半導体チップの対応する電極パッドに正確に接触させることが必要であり、各ウェーハの検査を開始する前に、複数のプローブの位置を検出するプローブ位置アライメント動作と、ウェーハ上の半導体チップの電極パッドの位置を検出するウェーハ位置アライメント動作と、を行い、複数のプローブと半導体チップの電極パッドの位置関係を検出した上で、すべてのプローブを半導体チップの対応する電極パッドに正確に接触するように位置調整した上で接触させる。アライメント動作は、画像処理を伴う上、アライメント位置まで移動するため、ある程度の時間を要する。そのため、スループットを低下させないために、アライメント動作は、各ウェーハの検査を開始する前に１回だけ行うことが望ましい。

図１は、従来例のプローバにおいて、ウェーハＷに形成された複数個（ここでは１４８個）の半導体チップ１０１を検査する順番を示す図である。図１に示すように、左上隅の半導体チップ１０１がプローブの下に位置するように移動し、ウェーハＷとプローブを接触させて検査を行う。この半導体チップの検査が終了すると、一旦ウェーハＷとプローブを離し、右横の半導体チップ１０１がプローブの下に位置するように移動し、同様の動作を行う。以下、図１に示すように、上辺の４個の半導体チップの検査が終了すると、２行目の右隅の半導体チップ１０１から左方向の半導体チップを順次検査する。以下、順に行を変えながら左右方向を切り換えて、すべての半導体チップを検査し、１枚のウェーハの検査が終了する。図１に示す検査順は、プローブに対するウェーハの移動距離を短くするように決められている。なお、検査を開始する半導体チップの位置および移動方向は、各種設定可能であり、例えば、左辺のもっとも上に位置する半導体チップから、下方向に移動し、その次に２番目の列の下から上に移動するようにしてもよい。

図２は、検査するウェーハＷ上の半導体チップの位置と、プローブ２６の関係を説明する図である。図２において、ヘッドステージ２２はカードホルダ２４を固定しており、カードホルダ２４にプローブカード２５が取り付けられる。プローブカード２５には、複数のプローブ２６が設けられている。ウェーハＷはウェーハチャック１８に真空吸着などにより固定される。ウェーハチャック１８は、θ回転部１７により、載置面内で（Ｚ軸を回転軸として）回転可能であり、さらに移動台１６が移動することによりＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に移動可能である。

図２の（Ａ）は、ウェーハＷ上の中央の列の半導体チップを検査する場合を示し、図２の（Ａ）の状態でウェーハＷを上昇させてウェーハＷをプローブ２６に接触させる。図２の（Ｂ）はウェーハＷ上の左側の列の半導体チップを検査する場合を示し、図２の（Ｃ）はウェーハＷ上の右側の列の半導体チップを検査する場合を示す。

半導体デバイスは、仕様に応じて、室温での動作を保証するだけでなく、高温または低温での動作を保証することが要求される。そのため、ヒータまたは冷却機構（チラー機構）により、ウェーハチャック１８を高温または低温にし、その上に保持したウェーハＷを高温または低温にした状態で検査することが行われる。例えば、近年のプローバは、ウェーハチャック１８を＋２００℃から−５５℃の間の温度に設定できるものが主として使用されているが、今後はさらに温度範囲を広げて、例えば＋３００℃から−５５℃の間の温度に設定できることが要求されると予測されている。

ウェーハテストを高温または低温で行う場合、高温または低温のウェーハチャック１８にウェーハＷを保持し、ウェーハＷが検査する温度範囲になったことを検出した後、アライメント動作を行い、ウェーハＷをプローブ２６に接触させて検査を行う。ウェーハＷは、熱容量が比較的小さいため、ウェーハチャック１８の温度が検査する温度範囲であれば、比較的短時間で検査温度範囲になる。

ウェーハチャック１８の温度が室温と大幅に異なる場合、プローバ内の雰囲気、移動機構の構成部品、ヘッドステージ２２、カードホルダ２４およびプローブカード２５などの温度は、ウェーハチャック１８の温度変化に伴って、伝導伝熱、対流伝熱および輻射伝熱などの物理的現象により変化する。そして、上記の各要素が、熱変化により物理的に膨張または収縮する。それぞれの要素の膨張または収縮は、要素の配置に起因する伝熱量の違いや材質の違いにより差異があり、各要素内でも温度分布などにより部分的に膨張または収縮に差異がある。

高温または低温で検査を行う場合、上記のように、ウェーハチャック１８にウェーハＷを保持し、ウェーハＷが検査する温度範囲になったことを検出した後、アライメント動作を行う。ウェーハチャック１８の温度はこの温度範囲内になるようにフィードバック制御されるため、これ以降のウェーハチャック１８およびウェーハＷの温度変化は、比較的小さい。しかし、プローバを構成する各要素は、温度制御しておらず、ウェーハチャック１８の温度とは異なる温度であるため、検査中に上記の各要素の温度は変化する。そのため、各要素は、アライメント動作を行った時から位置変化を生じ、ウェーハチャック１８に保持されたウェーハＷに対して位置ずれが発生する。

特に、ヘッドステージ２２、カードホルダ２４およびプローブカード２５は、アライメント動作時には、ウェーハチャック１８およびウェーハＷとある程度離れており、大きな温度差を有する。しかし、検査中は、ヘッドステージ２２、カードホルダ２４およびプローブカード２５の直下にウェーハチャック１８およびウェーハＷが位置しており、伝導伝熱、対流伝熱および輻射伝熱などが大きくなり、温度が大きく変化し、電極パッドとの接触位置が変化する。また、プローブ２６は、形状および材質の異なるプローブカード２５、カードホルダ２４およびヘッドステージ２２に支持されており、温度変化、特に温度分布（温度勾配）が変化すると、プローブ２６の先端位置が複雑に変化する。

図２に示すように、検査する半導体チップのウェーハ上の位置に応じて、プローブカード２５とウェーハチャック１８との位置関係が異なる。例えば、図２の（Ｂ）では、ウェーハチャック１８は、プローブカード２５の左側に位置し、図２の（Ｃ）では、ウェーハチャック１８は、プローブカード２５の右側に位置する。そのため、例えばウェーハチャック１８が高温の場合、図２の（Ｂ）では、プローブカード２５の左側は右側よりも大きな伝熱を受け、プローブカード２５の左側は右側よりも高温となり、温度勾配が生じる。これは、ヘッドステージ２２、カードホルダ２４についても同様である。特に、１回の接触動作で検査する時間、例えば１個の半導体チップを検査する時間は、半導体チップの集積度の増加や高機能化により、長くなる傾向にあり、１回の接触動作で検査する時間が１０分以上になる場合もある。このような場合、プローブカード２５、カードホルダ２４およびヘッドステージ２２に大きな温度勾配が発生し、プローブ２６の先端位置の変化が増加する。

図３は、図１に示す順でウェーハＷ上の半導体チップ１０１を検査した場合の、プローブ２６の先端位置のＸ軸およびＹ軸方向の位置変化を示す図である。図３において、ＸはＸ軸方向の変位量を、ＹはＹ軸方向の変位量を、示し、単位はμｍである。図３は、１枚のウェーハＷを検査するのに要する時間が１時間３０分で、縦の点線はウェーハＷを切り換えるタイミングを表している。プローブ２６の先端位置のＺ軸方向の変位も発生し、この方向の変位はプローブの接触圧を変化させるが、接触位置の変化には影響しない。

図３では、Ｙ軸方向の変位量の方が、Ｘ軸方向の変位量より大きく、最大５μｍ変位した。これは、図１に示すように、Ｘ軸方向の移動は各行で行われ、Ｙ軸方向の移動は、各行でのＸ軸方向の移動が終了すると次の行に移動するという具合に徐々に移動していくためと考えられる。

図４は、図３の場合と同様の条件で検査を行った場合のカードホルダ２４の温度変化を示す図であり、Ａが図１のウェーハＷの上側に近い部分の温度変化を、Ｂが図１のウェーハＷの下側に近い部分の温度変化を、示す。ウェーハが切り換えられた時には、上側の部分は、Ａで示すように、前のウェーハの検査終了の直前にウェーハチャック１８により加熱されていたため高い温度であるが、下側の部分は、Ｂで示すように、前のウェーハの検査終了の直前にはウェーハチャック１８から離れていたため、比較的低い温度である。切り換えられたウェーハの検査が開始されると、上側の部分は、Ａで示すように、ある期間そのまま温度が低下するが、下側の部分は、Ｂで示すように、温度が上昇する。ウェーハチャック１８（ウェーハＷ）の中心行がプローブカード２５の中心に向かって移動するにしたがって、上側の部分は、Ａで示すように、温度が上昇始めるが、下側の部分は、Ｂで示すように、温度が低下する。さらに、ウェーハチャック１８（ウェーハＷ）の下側の行がプローブカード２５の中心に向かって移動するにしたがって、上側の部分は、Ａで示すように、温度がさらに上昇し、下側の部分は、Ｂで示すように、温度がそのまま低下する。ウェーハの検査が終了すると、ウェーハチャック１８（ウェーハＷ）は、プローブカード２５およびカードホルダ２４から離れるので、上側の部分は、Ａで示すように、温度が急激に低下する。

図４に示すように、カードホルダ２４の２箇所の温度差は、“８度強”にもなる。カードホルダ２４の２箇所で図４に示すような温度変化を生じる原因は、図３の場合と同様に、Ｘ軸方向の移動は各行で行われ、Ｙ軸方向の移動は徐々に行われるためであると考えられる。

図４では、カードホルダ２４の上側と下側の２箇所の温度変化のみを示したが、他の箇所、左右および左上、左下、右上および右下の６箇所の温度変化も測定した。例えば、左右の２箇所では、Ｘ軸方向の７回の往復に応じた温度変化が測定された。このような温度勾配の変化は、プローブカード２５およびヘッドステージ２２でも同様に発生する。

上記のような温度勾配が発生した場合、プローブの位置が変化し、アライメント動作で決定したプローブと電極パッドの相対位置が変化し、プローブを電極パッドに正確に接触できないという問題を発生する。そこで、１枚のウェーハの検査の途中で、再度アライメント動作を行うことにより、プローブを電極パッドに正確に接触できるようにしている。上記のような温度勾配が発生した場合でも、アライメント動作はそのような温度勾配による変位を含めて位置関係を検出するため、プローブを電極パッドに正確に接触できる。しかし、前述のように、アライメント動作は、ある程度の処理時間を要するため、スループットを低下させるという問題がある。

特許文献１および２は、プローブカード、カードホルダおよびヘッドステージなどの温度も制御することにより、温度変化および温度勾配の変化に起因するプローブの変位を少なくすることを記載している。

特許文献３は、加熱または冷却した場合の応力集中を低減したプローブカードを記載している。

特開２００６−１６２４７６号公報 特開２００３−３４４４７８号公報 特許第３０６６７８４号

しかし、プローブカード２５、カードホルダ２４およびヘッドステージ２２などの温度も制御するには、これらにヒータおよび冷却機構を設ける必要があり、装置が大型化し、コストが増加するという問題がある。

本発明は、簡単な構成で、小さなスループットの低下量で、高温または低温のウェーハを検査可能なウェーハテスト方法およびプローバの実現を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のウェーハテスト方法およびプローバは、ウェーハの中心に対して対角付近に位置する半導体チップを、続けて検査することにより、高温または低温のウェーハチャック（ウェーハ）が、プローブカード、カードホルダおよびヘッドステージなどに与える熱の影響をできるだけ分散して均等になるようにする。

すなわち、本発明のウェーハテスト方法は、ウェーハ上に形成された複数の半導体チップを電気的に検査するため、テスタの各端子に接続する複数のプローブを有するプローブカードと、ウェーハを保持するウェーハチャックと、を相対的に移動して、複数のプローブを半導体チップの電極パッドに接触させる接触動作を繰り返すウェーハテスト方法であって、ある半導体チップの接触動作の終了後の次の接触動作では、ウェーハの中心に対して接触動作が終了した半導体チップの対角付近に位置する半導体チップに、複数のプローブを接触させることを特徴とする。

また、本発明のプローバは、複数の半導体チップが形成されたウェーハを保持するウェーハチャックと、半導体チップの電極パッドに接触して電極パッドをテスタの端子に接続する複数のプローブを有するプローブカードを保持するプローブカード保持部と、を備え、半導体チップを電気的に検査するため、テスタの各端子を半導体チップの電極パッドに接続するプローバであって、ウェーハチャックを、前記複数のプローブに対して相対的に移動する移動機構と、移動機構を制御し、複数のプローブを半導体チップの電極パッドに接触させる接触動作を繰り返すように制御する移動制御部と、を備え、移動制御部は、ある半導体チップの接触動作の終了後の次の接触動作では、ウェーハの中心に対して接触動作が終了した半導体チップの対角付近に位置する半導体チップに、複数のプローブを接触させるように制御する対角移動シーケンスを備えることを特徴とする。

図４に示したように、高温または低温のウェーハチャックが、熱源となり、プローブカード、カードホルダおよびヘッドステージなどに熱的影響を与えるが、ウェーハチャックのこれらの要素に対する位置関係、具体的にはプローブカードの中心（プローブ）との位置関係により温度勾配を生じる。本発明によれば、ウェーハの中心に対して対角付近に位置する半導体チップを続けて検査するので、ウェーハチャックがこれらの要素に与える熱的影響が平均化され、温度勾配を小さくする。

ここで、半導体チップは、ウェーハＷ上に図１に示すように配置されるため、ウェーハの中心に対して正確に対角に位置する２個の半導体チップを続けて検査することはできない。発明の主旨は、ウェーハチャックがプローブカード、カードホルダおよびヘッドステージなどに与える熱的影響を時間的に平均化することである。例えば、連続した３回もしくは４回の接触動作で検査される半導体チップのうち、２個の半導体チップは常にウェーハの中心に対して対角に位置するようにしてもよい。

したがって、ウェーハ上に形成された複数の半導体チップについて、検査する順番は各種の変形例が可能である。代表的な例としては、最初の接触動作では、ウェーハの中心付近の半導体チップにプローブを接触し、プローブを接触する半導体チップをウェーハの中心から徐々に周辺に移動し、最後の接触動作では、ウェーハの周辺の半導体チップにプローブを接触する外方向対角移動シーケンスと、最初の接触動作では、ウェーハの周辺の半導体チップにプローブを接触し、プローブを接触する半導体チップをウェーハの周辺から徐々に中心に移動し、最後の接触動作ではウェーハの中心付近の半導体チップにプローブを接触する内方向対角移動シーケンスと、がある。なお、開始位置と最初の方向は任意に設定でき、各種の変形例があり得る。

これまでの説明では、１回の接触動作で１個の半導体チップを検査するシングルプロービングの例を説明したが、２個以上の半導体チップを同時に検査するマルチプロービングにも本発明は適用可能である。ただし、すべての半導体チップを１回の接触動作で測定する場合には適用できない。

本発明は、ウェーハを高温または低温の状態に保持して検査する場合に適用され、室温で検査する場合には適用されない。室温で検査する場合には、スループットを向上するために、図１に示したような順番で検査することが望ましい。そのため、プローバでは、移動制御部が接触動作の順番に関する複数のシーケンスを記憶しており、ユーザにより指示されたシーケンスにしたがって接触動作の順番を制御するようにすることが望ましい。複数のシーケンスには、図１に示したような順番のシーケンス、外方向対角移動シーケンスおよび内方向対角移動シーケンスを含む対角移動シーケンスが含まれ、開始位置や最初の方向が選択できることが望ましい。

本発明によれば、図１の従来例の移動の順番に比べて、検査する半導体チップ間の移動時間が増加するためスループットは若干低下する。しかし、図１の従来例の移動の順番の場合、途中で再度アライメント動作を行うことが必要になる。半導体チップ間の移動時間の増加は、アライメント動作に要する時間より短いので、全体としてはスループットが向上する。

また、本発明は、プローバの移動制御部のシーケンスを変更するだけ、言い換えればソフトウエアを変更するだけで実現できるので、実質的なコストの増加は無い。

本発明によれば、移動シーケンスを変更するだけで実質的なコストの増加無しに、高温または低温での検査のスループットを向上できる。

図１は、ウェーハ上の半導体チップの従来例の検査順を示す図である。 図２は、検査するウェーハ上の半導体チップの位置と、プローブの関係を説明する図である。 図３は、図１に示す順でウェーハ上の半導体チップを検査した場合の、プローブの先端位置のＸ軸およびＹ軸方向の位置変化を示す図である。 図４は、図３の場合と同様の条件で検査を行った場合のカードホルダの温度変化を示す図である。 図５は、プローバとテスタでウェーハ上の半導体チップを検査する実施形態のウェーハテストシステムの基本構成を示す図である。 図６は、アライメント動作を示す図である。 図７は、カードホルダ、プローブカードおよびウェーハチャックのサイズを示す図である。 図８は、実施形態におけるウェーハ上の半導体チップの検査順の例を示す図である。 図９は、実施形態における開始位置および開始方向の設定画面を示す図である。 図１０は、実施形態のプローバにおいて対角移動シーケンスでウェーハ上の半導体チップを検査した場合の、プローブの先端位置のＸ軸およびＹ軸方向の位置変化を示す図である。 図１１は、実施形態のプローバにおいて対角移動シーケンスでウェーハ上の半導体チップを検査した場合のカードホルダの温度変化を示す図である。 図１２は、実施形態のプローバの検査動作を示すフローチャートである。

図５は、本発明の実施形態のウェーハテストシステムの概略構成を示す図である。ウェー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、基台１１と、その上に設けられた移動ベース１２と、Ｙ軸移動台１３と、Ｘ軸移動台１４と、Ｚ軸移動部１５と、Ｚ軸移動台１６（図２の移動台１６に対応）と、θ回転部１７と、ウェーハチャック１８と、プローブの位置を検出するプローブ位置検出カメラ１９と、側板２０及び２１と、ヘッドステージ２２と、支柱３１に設けられたウェーハアライメントカメラ２３と、ヘッドステージ２２に設けられたカードホルダ２４と、ステージ移動制御部２７と、画像処理部２８及び温度制御部４６等を有する制御部２９と、を有する。プローブカード２５は、カードホルダ２４に取り付けられる。プローブカード２５には、プローブ２６が設けられる。

移動ベース１２と、Ｙ軸移動台１３と、Ｘ軸移動台１４と、Ｚ軸移動部１５と、Ｚ軸移動台１６と、θ回転部１７は、ウェーハチャック１８を３軸方向及びＺ軸周りに回転する移動・回転機構を構成し、ステージ移動制御部２７により制御される。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２５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２６を有し、検査するデバイスに応じて交換される。画像処理部２８は、プローブ位置検出カメラ１９の撮影した画像からプローブの配置及び高さ位置を算出し、ウェーハアライメントカメラ２３の撮影した画像からウェーハ上の半導体チップ（ダイ）の電極パッドの位置を検出する。なお、画像処理部２８は、検出された画像を画像処理し、電極パッドにプローブが接触したことにより生じる接触痕を検出でき、電極バッド内の接触痕の位置、大きさ等を画像認識できる。

テスタ３０は、テスタ本体と、テスタ本体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。

検査を行う場合には、図６の（Ａ）に示すように、プローブ位置検出カメラ１９がプローブ２６の下に位置するように、Ｚ軸移動台１６を移動させ、プローブ位置検出カメラ１９でプローブ２６の先端位置を検出する。プローブ２６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（Ｚ座標）はカメラの焦点位置で検出される。このプローブ２６の先端位置の検出は、プローブカード２５を交換したときには必ず行う必要があり、プローブカードを交換しない時でも所定個数のチップを測定する毎に適宜行われる。なお、プローブカード２５には、通常１０００以上ものプローブ２６が設けられているため、全てのプローブ２６の先端位置を検出せずに、通常は作業効率を考慮して、特定のプローブの先端位置を検出する。

次に、ウェーハチャック１８に検査するウェーハＷを保持した状態で、図６の（Ｂ）に示すように、ウェーハＷがウェーハアライメントカメラ２３の下に位置するように、Ｚ軸移動台１６を移動させ、ウェーハＷ上の半導体チップの電極パッドの位置を検出する。

プローブ２６の位置及びウェーハＷの位置を検出した後、チップの電極パッドの配列方向がプローブ２６の配列方向に一致するように、θ回転部１７によりウェーハチャック１８を回転する。そして、ウェーハＷの検査するチップの電極パッドがプローブ２６の下に位置するように移動した後、ウェーハチャック１８を上昇させて、電極パッドをプローブ２６に接触させる。

プローブ２６に電極パッドを接触させる時には、電極パッドの表面がプローブ２６の先端部に接触する高さ位置（接触開始位置）から、更に所定量高い位置（検査位置）まで電極パッドを上昇させる。検査位置は、プローブ２６と電極パッドとの間で確実な電気的接触を実現する接触圧が得られるようなプローブ２６の撓み量が得られるプローブの先端部の変位量を、接触開始位置に加えた高さ位置である。実際には、プローブ２６の本数は、例えば１０００本以上であり、全てのプローブ２６と電極パッドの間で確実な電気的接触が実現されるように検査位置が設定される。撓み量は、所定の範囲であればよいので、プローブ２６とウェーハＷの表面とのＺ軸方向の相対位置精度は、Ｘ軸およびＹ軸方向ほどの精度は要求されない。

テスタ３０は、プローブ２６に接続される端子から、電源及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３０で解析して正常に動作するかを確認する。

ウェーハチャック１８は、図示しないヒータ、冷媒管及び温度センサ４５が取り付けられる。ヒータは電源４３と、冷媒管は冷却ユニット４４につなげられる。制御部２９内の温度制御部４６は、電源４３、冷却ユニット４４及び温度センサ４５と制御線で接続され、温度センサ４５からの検査温度に従い、後述する処理に従って、電源４３及び冷却ユニットを用いて温度制御を行う。なお、本実施例においてはウェーハチャックの加熱手段として、ヒータ及び電源４３を用いるが、他の公知の加熱手段として、ヒートポンプ等による熱源も利用可能である。

ウェーハチャック１８の中には、加熱用のヒータが、ウェーハチャック１８全体を加熱するように埋め込まれる。ヒータは、プローバ内部または外部の電源４３に接続され温度制御される。さらに、ウェーハチャック１８の中には、冷却用の冷媒を通過させる冷却管が埋め込まれる。冷却管の中には、冷媒が通され、冷媒はプローバ内部又は外部に取り付けられる冷却ユニット４４で強制冷却される。さらに、ウェーハチャック１８には、温度センサ４５が付けられ、温度センサ４５は、ウェーハチャック１８の温度を検出する。なお、ウェーハチャック１８の加熱、温度センサ４５はウェーハチャック１８の温度を検出できるように構成されれば、ウェーハチャック１８のどの部分に、何個取り付けられても良い。

図７は、カードホルダ２４、プローブカード２５およびウェーハチャック１８のサイズを示す図である。

図７の（Ａ）は、実施形態のプローバにおけるサイズを示す。実施形態のプローバは、１回の接触動作で１個の半導体チップを検査するシングルプロービングのプローバである。カードホルダ２４は、外径が２９２ｍｍで、内径が１４５ｍｍである。プローブカード２５は、外径が２００ｍｍで、複数のプローブ２６が設けられる範囲は１辺が７．５ｍｍの正方形である。ウェーハチャック１８は、外径が３０５ｍｍである。この場合、ウェーハＷには約１３００個の半導体チップが形成されている。したがって、ウェーハの両側を測定する場合には、ウェーハチャック１８は、ヘッドステージ２２、カードホルダ２４およびプローブカード２５に対して約３００ｍｍ移動した状態であり、熱的影響を与える位置関係が大きく異なる。

前述のように、スループットを向上するため、１回の接触動作で複数個の半導体チップを検査するマルチプロービング方法が行われている。図７の（Ｂ）および（Ｃ）は、マルチプロービング方法を行うプローバのカードホルダ２４およびプローブカード２５のサイズを示す図であり、ウェーハチャック１８のサイズは図７の（Ａ）と同じである。

図７の（Ｂ）は、１回の接触動作で４個の半導体チップを検査する場合を示し、カードホルダ２４は、外径が３７２ｍｍで、内径が１４５ｍｍである。プローブカード２５は、外径が２００ｍｍで、複数のプローブ２６が設けられる範囲は１辺が１５ｍｍの正方形である。

図７の（Ｃ）は、１回の接触動作で４００個の半導体チップを検査する場合を示し、カードホルダ２４は、外径が５１０ｍｍで、内径が３０５ｍｍである。プローブカード２５は、外径が４４０ｍｍで、複数のプローブ２６が設けられる範囲は１辺が１５０ｍｍの正方形である。この場合、４回の接触動作で、すべての半導体チップを検査できる。

一般に、１回の接触動作で検査可能な半導体チップをＤＵＴ(Device Under Test)と称す。ＤＵＴの個数は、シングルプロービングの場合は１個で、図７の（Ｂ）の場合は４個で、図７の（Ｃ）の場合は４００個である。

近年、ウェーハ上のすべての半導体チップを１回の接触動作で検査するプローバおよびプローブカードも検討されているが、一般にはシングルプロービングか、数個のマルチプロービングである。ウェーハ上には数百から数千の半導体チップが形成されるため、１枚のウェーハの検査を行うのに、複数回の接触動作を必要とし、それに応じてＸ軸方向およびＹ軸方向の移動が必要になる。

実施形態のプローバのサイズは図７の（Ａ）に示す通りであるが、ウェーハＷに形成される半導体チップの個数が多く、図示が難しいので以下の説明では、図１と同様にウェーハＷには１４８個の半導体チップが形成されるとして説明を行う。本発明は、ウェーハＷに形成される半導体チップの個数にかかわらず適用可能である。

図８は、実施形態のプローバにおいて、ウェーハＷに形成された複数個（ここでは１４８個）の半導体チップ１０１を検査する順番、すなわち対角移動シーケンスの例を示す図であり、図１に対応する図である。図８の（Ａ）は、外方向対角移動シーケンスの場合の順番を示す。外方向対角移動シーケンスでは、最初の接触動作で、ウェーハＷの中心付近の半導体チップにプローブを接触し、次にプローブを接触する半導体チップをウェーハＷの中心に対して対角付近に位置する半導体チップを順次選択して検査する。そして、ウェーハＷの中心に近い半導体チップの検査が終了すると、その外側に位置する半導体チップを選択するという具合に、選択する半導体チップをウェーハの中心から徐々に周辺に移動し、最後の接触動作では、ウェーハの周辺の半導体チップにプローブを接触する。このようにして、ウェーハＷ上のすべての半導体チップの検査が終了すると、ウェーハＷの検査を終了し、検査済みのウェーハＷをアンロードして、次に検査するウェーハＷをロードして上記の動作を行う。

図８の（Ｂ）は、内方向対角移動シーケンスの場合の順番を示す。内方向対角移動シーケンスでは、最初の接触動作で、ウェーハＷの周辺の半導体チップにプローブを接触し、次にプローブを接触する半導体チップをウェーハＷの中心に対して対角付近に位置する半導体チップを順次選択して検査する。そして、ウェーハＷの周辺の半導体チップの検査が終了すると、その内側に位置する半導体チップを選択するという具合に、選択する半導体チップをウェーハの周辺から徐々に中心に移動し、最後の接触動作では、ウェーハの中心の半導体チップにプローブを接触する。このようにして、ウェーハＷ上のすべての半導体チップの検査が終了すると、ウェーハＷの検査を終了し、検査済みのウェーハＷをアンロードして、次に検査するウェーハＷをロードして上記の動作を行う。

図８の（Ａ）および（Ｂ）に示した順番は対角移動シーケンスの例示であり、各種の変形例があり得る。例えば、開始位置と最初の方向は任意に設定できる。具体的には、図８の（Ａ）および（Ｂ）の順番で、ウェーハＷを中心軸に対して左右および上下対称、９０度ずつの回転対称の変形例が可能である。さらに、例えば、図８の（Ｂ）で、９〜１６で示した半導体チップを最初に検査する半導体チップとして選択することも可能である。

また、本発明の主旨は、ウェーハチャック１８がプローブカード２５、カードホルダ２４およびヘッドステージ２２などに与える熱的影響をできるだけ短時間で平均化することであり、その主旨の範囲で変形することが可能である。特に、半導体チップは、ウェーハＷ上に図８に示すように配置されるため、ウェーハＷの中心に対して正確に対角に位置する２個の半導体チップを続けて検査することはできず、この主旨を維持する範囲で次に検査する半導体チップを選択すればよい。

図８に示した対角移動シーケンスは、高温または低温でウェーハテストを行う場合に使用することが望ましく、室温または室温からの温度差が少ない条件でウェーハテストを行う場合には、スループットを低下させないように、図１の順番、すなわち通常移動シーケンスでウェーハテストを行うことが望ましい。

図９は、実施形態のプローバで、ユーザが通常移動シーケンスを行う場合の開始位置および開始方向を設定する場合の入力画面を示す図である。図９に示すように、図８の半導体チップの配列であれば、８種の開始位置が選択可能で、選択した開始位置に応じて開始方向が決定される。実施形態のプローバでは、図９の通常移動シーケンス以外に、図８の（Ａ）および（Ｂ）に示した２種類の外方向および内方向対角移動シーケンスをユーザが選択可能で、さらにそれぞれのシーケンスで開始位置を選択可能であるように構成されている。

また、プローバは、従来から「サンプルプロービング」と称される機能を有している。この機能は、ユーザが測定する半導体チップの位置（ＸおよびＹ座標）を順に選択し、選択した順番でウェーハテストを行う機能である。この機能を利用して、対角移動シーケンスにおける順番を設定することも可能である。

図１０は、実施形態のプローバで、対角移動シーケンスにしたがってウェーハＷ上の半導体チップを検査した場合の、プローブ２６の先端位置のＸ軸およびＹ軸方向の位置変化を示す図であり、図３に対応する図である。図１０において、ＸはＸ軸方向の変位量を、ＹはＹ軸方向の変位量を、示し、単位はμｍである。図１０は、１枚のウェーハＷを検査するのに要する時間が１時間３０分で、縦の点線はウェーハＷを切り換えるタイミングを表している。

図１０では、Ｘ軸方向の変位量およびＹ軸方向の変位量は、２μｍ程度であり、図３に示した通常移動シーケンスの場合より、Ｙ軸方向の変位量が大幅に小さくなっている。これは、図１の通常移動シーケンスに比べて、ウェーハチャック１８が与える熱的影響が、対角移動シーケンスにより、短時間で平均化されるためと考えられる。

図１１は、図１０の場合と同様の条件で検査を行った場合のカードホルダ２４の温度変化を示す図であり、図４に対応する。図１１において、Ａが図８の（Ａ）および（Ｂ）でウェーハＷの上側に近い部分の温度変化を、ＢがウェーハＷの下側に近い部分の温度変化を、示す。図１１の温度変化３℃程度であり、図４に比べて、小さいことがわかる。

図１１では、カードホルダ２４の上側と下側の２箇所の温度変化のみを示したが、他の箇所、左右および左上、左下、右上および右下の６箇所の温度変化も測定した。その結果、通常移動シーケンスを行った場合に比べて、いずれの点でも温度変化は小さくなった。

したがって、１枚のウェーハの検査中のプローブの位置変化は小さく、途中でアライメント動作を行う必要はなかった。

実施形態では、図１の通常移動シーケンスに比べて、検査する半導体チップ間の移動時間が増加するため検査時間は少し長くなるが、途中で再度アライメント動作を行う場合に比べれば全体の時間は短いので、スループットが向上する。

図１２は、実施形態のウェーハテストシステムにおけるウェーハテストの動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１１では、これから実行するウェーハテストが室温で行うのか、高温または低温で行うかを判定し、室温で行うのであればステップＳ１８に進み、高温または低温で行うのであればステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、ユーザが通常移動シーケンスと対角移動シーケンスのいずれかを選択したかを判定し、通常移動シーケンスを選択した場合にはステップＳ１８に進み、対角移動シーケンスを選択した場合にはステップＳ１３に進む。室温以外の温度であっても、室温との差が小さければ通常移動シーケンスで検査しても問題は生じない。

ステップＳ１３では、選択された対角移動シーケンスが、外方向対角移動シーケンスであるか内方向対角移動シーケンスであるかを判定し、外方向対角移動シーケンスであればステップＳ１４に進み、内方向対角移動シーケンスであればステップＳ１５に進む。

ステップＳ１４では、移動シーケンスを外方向対角移動シーケンスに設定し、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１５では、移動シーケンスを内方向対角移動シーケンスに設定し、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、ウェーハチャックおよびウェーハを検査する温度に変化させる。

ステップＳ１７では、ウェーハチャックおよびウェーハが検査する温度範囲になったかを判定し、温度範囲になるまで待機する。

ステップＳ１８では、通常移動シーケンスが選択されたので、開始位置および移動方向の入力を受ける。

ステップＳ１９では、入力された開始位置および移動方向に従って通常移動シーケンスに設定する。

ステップＳ２０では、ウェーハチャックおよびウェーハを検査する温度に変化させる。室温で検査する場合には温度変化の必要はない。

ステップＳ２１では、プローブ位置アライメント動作を行う。もし、同じ条件での検査の繰り返しで、プローブカードが交換されない場合には、このステップを省略しても良い場合がある。

ステップＳ２２では、ウェーハ位置アライメント動作を行う。

ステップＳ２３では、プローブ位置アライメント動作およびウェーハ位置アライメント動作の結果に基づいて、設定した移動シーケンスでウェーハ上のすべての半導体チップのウェーハテストを行う。

以上説明した対角移動シーケンスは、プローバの制御部を構成するコンピュータシステムのソフトウエアの変更のみで実現可能であり、コスト増加は無視できるほど小さい。

以上説明したように、実施形態では、対角移動シーケンスを行うことにより、ウェーハを高温または低温で検査する場合でも、熱源であるウェーハチャックから周囲、特にプローブカード、カードホルダなどのプローブの位置変化に関係する部分への熱的影響の位置による差異を、短時間で平均化して温度勾配を小さくできる。これにより、プローブとウェーハチャックに保持されたウェーハの電極パッドとの位置関係の変動を小さくできる。したがって、従来必要としていた１枚のウェーハの検査中での再アライメント動作を省略できる。

以上、本発明の実施例を説明したが、各所の変形例が可能であるのはいうまでもない。

本発明は、ウェーハごとにウェーハテストを行うウェーハテスト方法およびプローバに適用可能である。

１８ ウェーハチャック
２２ ヘッドステージ
２４ カードホルダ
２５ プローブカード
２６ プローブ
Ｗ ウェーハ

Claims (11)

1. ウェーハ上に形成された複数の半導体チップを電気的に検査するため、テスタの各端子に接続する複数のプローブを有するプローブカードと、前記ウェーハを保持するウェーハチャックと、を相対的に移動して、前記複数のプローブを前記半導体チップの電極パッドに接触させる接触動作を繰り返すウェーハテスト方法であって、
   ある半導体チップの接触動作の終了後の次の接触動作では、前記ウェーハの中心に対して接触動作が終了した前記半導体チップの対角付近に位置する半導体チップに、前記複数のプローブを接触させることを特徴とするウェーハテスト方法。
2. 最初の接触動作では、前記ウェーハの中心付近の半導体チップに前記複数のプローブを接触し、前記複数のプローブを接触する半導体チップを前記ウェーハの中心から徐々に周辺に移動し、最後の接触動作では、前記ウェーハの周辺の半導体チップに前記複数のプローブを接触する請求項１に記載のウェーハテスト方法。
3. 最初の接触動作では、前記ウェーハの周辺の半導体チップに前記複数のプローブを接触し、前記複数のプローブを接触する半導体チップを前記ウェーハの周辺から徐々に中心に移動し、最後の接触動作では前記ウェーハの中心付近の半導体チップに前記複数のプローブを接触する請求項１に記載のウェーハテスト方法。
4. 前記複数のプローブは、１回の接触動作で複数個の前記半導体チップの電極パッドに接触する請求項１から３のいずれか１項に記載のウェーハテスト方法。
5. 前記ウェーハは、高温または低温の状態に保持される請求項１から４のいずれか１項に記載のウェーハテスト方法。
6. 複数の半導体チップが形成されたウェーハを保持するウェーハチャックと、
   前記半導体チップの電極パッドに接触して前記電極パッドを前記テスタの端子に接続する複数のプローブを有するプローブカードを保持するプローブカード保持部と、を備え、前記半導体チップを電気的に検査するため、テスタの各端子を前記半導体チップの電極パッドに接続するプローバであって、
   前記ウェーハチャックを、前記複数のプローブに対して相対的に移動する移動機構と、
   前記移動機構を制御し、前記複数のプローブを前記半導体チップの電極パッドに接触させる接触動作を繰り返すように制御する移動制御部と、を備え、
   前記移動制御部は、ある半導体チップの接触動作の終了後の次の接触動作では、前記ウェーハの中心に対して接触動作が終了した前記半導体チップの対角付近に位置する半導体チップに、前記複数のプローブを接触させるように制御する対角移動シーケンスを備えることを特徴とするプローバ。
7. 前記ウェーハチャックは、保持した前記ウェーハを高温または低温にする加熱または冷却機構を備える請求項６に記載のプローバ。
8. 前記対角移動シーケンスは、最初の接触動作では、前記ウェーハの中心付近の半導体チップに前記複数のプローブを接触し、前記複数のプローブを接触する半導体チップを前記ウェーハの中心から徐々に周辺に移動し、最後の接触動作では、前記ウェーハの周辺の半導体チップに前記複数のプローブを接触するように制御する外方向対角移動シーケンスを含む請求項６または７に記載のプローバ。
9. 前記対角移動シーケンスは、最初の接触動作では、前記ウェーハの周辺の半導体チップに前記複数のプローブを接触し、前記複数のプローブを接触する半導体チップを前記ウェーハの周辺から徐々に中心に移動し、最後の接触動作では、前記ウェーハの中心付近の半導体チップに前記複数のプローブを接触するように制御する内方向対角移動シーケンスを含む請求項６または７に記載のプローバ。
10. 前記移動制御部は、前記接触動作の順番に関する複数のシーケンスを記憶しており、ユーザにより指示されたシーケンスにしたがって接触動作の順番を制御する請求項６から９のいずれか１項に記載のプローバ。
11. 前記複数のプローブは、１回の接触動作で複数個の前記半導体チップの電極パッドに接触する請求項６から１０のいずれか１項に記載のプローバ。

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