JP5602667B2 - プローブのクリーニング装置およびその装置を用いたプローブのクリーニング方法 - Google Patents

Description

この発明は半導体デバイスや集積回路などのテスト工程で使用されるプローブに関するもので、特にプローブ先端に付着した異物を除去するクリーニング装置およびその装置を用いたプローブのクリーニング方法に係るものである。

プローブは半導体デバイスなどの検査時に電流、電圧を印加するための電気接点として用いられ、電極とテスターと呼ばれる検査回路とを接続するための導電端子である。プローブの繰返し接触および電流印加はプローブ先端に半導体デバイス表面の電極材料を付着させる。この付着によりプローブ先端と半導体デバイスの表面で形成される電気抵抗（接触抵抗）が増大する。この接触抵抗の増大は半導体デバイスとの接触不良を引き起こすため、半導体デバイスの適正な検査を妨げる要因となる。
従来より半導体デバイスのテスト工程では、プローブ先端に堆積する付着物をクリーニングシートなどによって定期的に除去することにより、プローブの延命化が図られている。

例えば、従来技術としてベース板と、ベース板上に形成された第１の弾性部材と、第１の弾性部材上に形成された第２の弾性部材と、第２の弾性部材上に形成され硬質粒子とバインダー材料で構成された研磨層とを備え、より具体的には第１の弾性部材のヤング率が、５ｋｇｆ／ｍｍ２以上４００ｋｇｆ／ｍｍ２以下、第２の弾性部材の膜厚が、０．１μｍ以上２０μｍ以下、第２の弾性部材の引っ張り強さが、０．１ｋｇｆ／ｍｍ２以上、研磨層に対する硬質粒子の体積比率が、５％以上７０％以下、硬質粒子の粒径が、０．１μｍ以上９μｍ以下であるプローブ先端付着異物の除去部材をウエハステージ上に設置し、先端が略球面形状または略球面の一部に平坦部のある形状を呈するプローブを、前記プローブ先端付着異物の除去部材上に閉ループ形状の軌跡を描くべく滑り動作させて、前記プローブの先端付着異物を除去させることを特徴とするプローブ先端付着異物のクリーニング方法が示されている（例えば、特許文献１）。

また、プローブ針に付着した異物を除去するためのクリーニング機構を有するプローバーにおいて、クリーニング機構が少なくともクリーニング板、超音波発振器、発振器コントローラーを有し、プローブをクリーニング板に押し当ててクリーニングする際に、超音波発振器によりクリーニング板を超音波振動させ、プローブに付着した異物を効率良く除去することを特徴とするプローバーが示されている（例えば、特許文献２）。
またさらに、電気特性検査の検査対象に接触させるプローブ針の先端を研磨してクリーニングするプローブ針研磨装置であって、基板上に載置されクリーニングのためにプローブ針と接触させる研磨板と、基板を通じて研磨板を上下に移動させるエアシリンダーと、基板を通じて研磨板を回転させる回転装置とを備え、回転装置により研磨板を正方向と逆方向に少なくともプローブ針径以上回転する機能と、研磨板の回転速度を可変させる機能を有することを特徴とするプローブ針研磨装置が開示されている。プローブ針に常に一定の力で連続的に押し当てるだけではなく断続的に押し当て量を変化させることによって、プローブ針へのストレスを緩和させることが示されている（例えば、特許文献３）。

特許第３８８８３９０号公報 特開２００４−０３９７９０号公報 特開２００７−１５５３６９号公報

しかしながら上記特許文献１に示された技術は、閉ループ状にプローブ先端をクリーニングシート水平方向へ移動させる方式であるため、プローブの保持構造によってはプローブ先端から保持部までの距離によって決まるシート水平方向のプローブばね定数と、プローブ先端が水平方向に受ける負荷との関係により、シート上でプローブ先端がスティックスリップする場合が発生し、付着物を除去できない可能性もある。
また、特許文献２に示された技術は、超音波振動を用いてクリーニングシートに水平動作を与え、付着物を除去するものであるが、超音波振動の振動数が高く、プローブ先端に急激な水平方向変位量を与えるため、プローブの強度を低下させる恐れがあり、それに伴い、シート接触時にプローブ先端に作用する水平方向反力が増大し、スティックスリップする問題がある。
さらに特許文献３に示された技術は、押し込み量を変化させることによって、プローブ針へのストレスを緩和させることが示されている。この動作は押し込み量をプローブ押し込み方向に対して正負逆転させる動作であり、プローブ先端がＲ形状を有する場合、先端形状を維持するためプローブ先端側部の研磨が必要であり、プローブ先端がある程度沈み込むまで押し込み量を増加させる必要がある。従って、上記動作ではＲ形状のプローブ先端が平坦化する問題がある。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、プローブ先端付着物の除去効率を上昇させ、クリーニングシート上でのスティックスリップを無くし、またプローブ先端形状の維持をよくしたプローブのクリーニング装置およびプローブのクリーニング方法を提供することを目的とする。

第１の発明に係る電気特性検査に用いられるプローブのクリーニング装置は、曲率Ｒで形成された球面状の先端部が設けられたプローブ、あるいは前記球面状の先端部の中途から直線で延伸する傾斜部が設けられたプローブを装着する鉛直方向駆動機構と、プローブの先端部に付着した異物を除去するためのクリーニングシートを固定するステージと、ステージの水平方向駆動機構と、鉛直および水平方向駆動機構を制御する制御装置とが設けられており、プローブがステージの表面に対して垂直となるよう装着され、制御装置は鉛直方向駆動機構をプローブの先端部のクリーニングシートへの押し込みが複数回でその押し込み量が連続的に増加して所定の値となるまで駆動制御するとともに、水平方向駆動機構をクリーニングシートのプローブの先端部に対する移動軌跡が、連続的な閉ループとなるよう駆動制御するものである。

また第２の発明に係るプローブのクリーニング方法は、前記第１の発明に係るクリーニング装置を用いてプローブをクリーニングするものである。

第１の発明に係るプローブのクリーニング装置は、上記のような構成を採用しているので、プローブ先端部がクリーニングシート上で引き起こすスティックスリップを防止する効果がある。また複数のプローブをクリーニングすることも可能となり、クリーニング毎に変化する取り付け精度の影響を低減できるため、オフラインクリーニングを実施しやすく、生産ラインでの運用が容易となり、より信頼性の高いクリーニングを実施できる効果がある。また、この効果に派生してプローブ先端をより均一に仕上げる効果がある。
また第２の発明に係るプローブのクリーニング方法は、上記プローブのクリーニング装置を用いているので、同様の効果を奏する。

クリーニング装置の全体図を示す斜視図である。 プローブとクリーニングシートの関係を示した断面図である。 押し込み増加におけるＸ、Ｙ方向とＺ方向のプローブ先端部の軌跡を示したグラフである。 ステップ状の押し込み増加におけるＸ、Ｙ方向とＺ方向のプローブ先端部の軌跡を示したグラフである。 クリーニングにおけるＸ、Ｙ方向のプローブ先端部の軌跡を示した図である。 アタッチメント取り付け時を説明するプローブ治具およびアタッチメントの断面図である。

実施の形態１．
実施の形態１の詳細な説明に入る前に、従来技術のプローブのクリーニング装置およびクリーニング方法に関する課題を今一度述べる。
閉ループ状にプローブ先端部をクリーニングシート水平方向へ移動させる方式は、プローブ先端部からプローブを保持する保持部までの距離によって決まるシート水平方向のプローブばね定数と、プローブ先端部が水平方向に受ける荷重との関係により、クリーニングシート上でプローブ先端部がスティックスリップし、適正にクリーニングできないという問題がある。
例えば、プローブの保持部からプローブ先端部までが１．０ｍｍ、プローブ直径が０．１１ｍｍ、材質がタングステンであるプローブを、研磨層下にクッション層を有するクリーニングシートを用いて水平移動によりクリーニングするとき、スティックスリップが発生しない押し込み範囲は０．０３ｍｍ程度と小さい。従って、プローブの保持部にプローブ先端部がほぼ同一平面となるよう取り付けられた複数本のプローブを一度にクリーニングするためには、プローブ単体の長さ精度、およびクリーニング装置への取り付け精度が要求される。プローブを取り付けたプローブ治具を検査ヘッドに固定した状態で検査とクリーニングを繰り返すインラインクリーニング方式であれば、装置への取り付け精度は変化することなく、またプローブの長さもクリーニングを繰り返すと均一化されやすいが、プローブ治具の脱着が発生するオフラインクリーニング方式はクリーニング装置への取り付け精度がクリーニング毎に変化するため、プローブ先端部の仕上がり、およびクリーニング量がプローブ毎にばらつく問題がある。
さらにプローブ先端部を球面状とするＲ形状に維持するためのクリーニングシートは、プローブの押し込みにより研磨層が沈み込む構造であるため、水平方向移動クリーニング時にプローブ先端側部が研磨される。
プローブ先端側部のクリーニングはプローブ先端部を細く削ってしまうため、プローブ先端部の強度が低下し、プローブの折損などの問題が生じることがあった。
逆に、プローブ先端部中央の付着物を除去することに注力しすぎると、プローブ先端部のＲ形状が平坦形状に変わるため、ある程度のプローブ先端側部の研磨も必要であり、プローブ先端部中央を多く、プローブ先端側部を少なく研磨できるものでなければならない。

この発明は、前述した特許文献１〜３に示された課題に加えて、上記した諸課題を解消するためになされたものである。
以下、図１〜図３に基づいて説明を行う。
図１は、本実施の形態１のプローブのクリーニング装置１００の全体を示した斜視図である。図１において、Ｘステージ３０は台座１の上に設置され、Ｘステージガイド３１上をロボシリンダーなどのＸ方向駆動装置３２によってＸ軸方向に直進移動する。Ｙステージ４０はＸステージ３０の上に設置され、Ｙステージガイド４１上をロボシリンダーなどのＹ方向駆動装置４２によってＹ方向に直進移動する。クリーニングシート５０はＹステージ４０の上に設置される。これらＸ、Ｙ方向駆動装置３２、４２よりなる水平方向駆動機構によってクリーニングシート５０は水平方向に駆動される。
つまり、Ｙステージ４０はＸステージ３０上をＸ方向に直進移動され、Ｙステージ４０上のクリーニングシート５０はＹ方向に直進移動されることになり、結果としてクリーニングシート５０は、ステージ上をＸ方向、Ｙ方向の双方向の水平方向に移動する。
プローブ１１を鉛直方向であるＺ方向に移動させる鉛直方向機構として、プローブヘッド２１が台座１に設置され、プローブヘッドガイド２２上をロボシリンダーなどのＺ方向駆動装置２３によって鉛直方向に直進移動する。プローブカセットホルダ２０はプローブヘッド２１に取り付けられ、このプローブカセットホルダ２０にプローブ治具１０を取り付ける。プローブ１１はプローブ治具１０の保持部１０ａで保持される。
このようなプローブのクリーニング装置１００の構成によりプローブ１１とクリーニングシート５０はＸ、Ｙ、Ｚ方向について相対移動する。

例えば半導体デバイスを繰り返し検査したプローブ１１は所定ロットを検査した後、検査装置から取り外される。このプローブ１１は検査装置と同様のプローブ治具１０を持つプローブのクリーニング装置１００に取り付けられて、クリーニングが行われる。

図２（ａ）は、プローブ１１とクリーニングシート５０の関係を示した断面図である。
図２（ｂ）のプローブ１１の拡大図に示すように、プローブ１１のプローブ先端部１２には曲率Ｒを有する球面状１２ｃがあるいは図２（ｃ）のプローブ１１の拡大図に示すように、前記球面状１２ｃの中途から直線で延伸する傾斜部１２ｄが設けられている。クリーニングシート５０は表層に研磨層５１がある。この研磨層５１は、例えばＳｉＣ系の砥粒を樹脂のバインダーで固められたものである。その下層に弾塑性体である発泡ポリウレタンのクッション層５２で構成される。さらに、その下層はＰＥＴフィルム等のベース板５３があり、ベース板５３下部はクリーニングシート５０をＹステージ４０に固定するための粘着層５４がある。ここで図２に示す記号Ｘ_１、Ｘ_５はクリーニングシート５０の移動する位置を示すものであり後述する図３、図４のＸ軸のＸ_１、Ｘ_５と一致するものである。
プローブ１１はスプリングの反力を使用して接触するスプリングプローブ、ワイヤのたわみの反力を使用して接触するワイヤプローブ、プローブの曲げを横滑りの力に変換して接触するカンチレバーなどの方式があるが、プローブ１１の方式によらずクリーニング可能である。
プローブ先端部１２はプローブ先端部中央１２ａに、例えばアルミの付着物１３が堆積する傾向がある。プローブ先端部１２が球面状である場合、プローブ先端部１２と検査対象部物の半導体デバイスとの接触エリアはプローブ先端部中央１２ａとなるため、通電検査によるアルミの付着物１３はプローブ先端部中央１２ａに堆積する。

以下、図３の微少量ずつ押し込み量を増加させた場合のＸ方向とＺ方向のプローブ先端部１２の軌跡を示したグラフに基づいて、プローブ先端部１２のクリーニング動作について説明する。
なおこの図３および後述する図４において、Ｘ方向およびＹ方向のプローブ軌跡の位置関係は図５のような閉ループ状である。図１に示したプローブのクリーニング装置１００において、クリーニング動作はプローブ先端部１２をクリーニングシート５０をＺ方向の所定の位置に連続的に、移動させる動作と、かつＹステージ４０上のクリーニングシート５０をＸおよびＹ方向の所定の位置に連続的に移動させる動作の組み合わせで実現する。
すなわちプローブ先端部１２はクリーニングシート５０の研磨層５１近傍まで下降し、クリーニングシート５０は図３の場合、（Ｘ₁、Ｙ₁）→（Ｘ₂、Ｙ₂）→（Ｘ₃、Ｙ₃）→（Ｘ₄、Ｙ₄）→（Ｘ₅、Ｙ₅）→（Ｘ₁、Ｙ₁）と閉ループを描くよう数ミリ程度連続的に移動する。閉ループ形状は直進、円弧運動などプローブ配置などに合わせて適宜選択できる。このように前記Ｘ_１、Ｙ_１の状態から、プローブ先端部１２はＺ方向駆動装置２３により徐々にクリーニングシート５０の厚さ（深さ）方向へ移動し、クリーニングシート５０のＸ、Ｙ方向動作とプローブ先端部１２のＺ方向動作が組み合わさり、プローブ先端部１２のアルミの付着物１３は研磨層５１との研磨により除去される。
なお、Ｘ、Ｙ方向動作とＺ方向動作の組み合わせは、プログラムされたソフトを備えた図１に示した制御装置６０にてコントロールされる。

例えば、球面状１２ｃを有するプローブ先端部１２をクリーニングする場合、プローブ１１の直径が０．１ｍｍ、図１に示す保持部１０ａからのプローブ突出量は０．５ｍｍ、球面状１２ｃをなすためのプローブ先端部１２の曲率Ｒは０．０５ｍｍとする。クリーニングシート５０の研磨層５１に使われる砥粒は＃４０００〜＃１００００程度のものが効果的である。
このプローブ先端部１２に付着したアルミの付着物１３を除去するためにはＸ、Ｙ方向の水平移動量を数ミリ程度とすることで除去することが可能である。
プローブ先端部１２の曲率Ｒが０．０５ｍｍ程度の場合、プローブ１１の最終押し込み量はプローブ先端部中央１２ａが研磨層５１にタッチダウンした状態から所定の値である０．０３ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度となるよう設定することが好ましい。また、タッチダウンするＺ位置はＺ移動量を振分けたクリーニングシートサンプルを作製し、このクリーニングシートサンプルに残された痕を顕微鏡で確認することで決定することができる。
加えて、スティックスリップを発生させないため、タッチダウンするＺ位置からＸ、Ｙ方向の水平移動を開始することは必要条件ではない。例えば、プローブ先端部中央１２ａと研磨層５１が０．０１ｍｍ程度離間した状態からＸ、Ｙ方向の水平移動を開始して徐々に押し込み量を増加させた場合であっても、所定の値である最終押し込み量が０．０３ｍｍ〜０．０５ｍｍに達していれば、同様の効果が得られることは言うまでもない。
このとき、もしプローブ先端部中央１２ａを研磨層５１に０．０５ｍｍまで一度に押し込んで水平移動させた場合、プローブ治具１０から突出する直径０．１ｍｍ、長さ０．５ｍｍのプローブは水平移動時に発生する水平方向の反力に負けてスティックスリップしやすい。スティックスリップ後に研磨層５１に残される軌跡は凹凸が激しく、プローブ先端部１２のクリーニング仕上がりも悪化する。

この実施の形態１では押し込み量を徐々に連続的に微小増加させる。従ってクリーニング動作ではプローブ先端部中央１２ａに付着するアルミの付着物１３はクリーニングシート５０の研磨層５１に最も早く接触し、クリーニングを開始する。その後Ｚ方向への押し込みを増加し、徐々にプローブ先端部１２が弾塑性体であるクッション層５２の効果により研磨層５１と共に沈み込んでいく。
このようなクリーニング動作においてプローブ先端部中央１２ａはプローブ先端側部１２ｂより長時間研磨されるため、プローブ先端部１２の球面状１２ｃの形状が維持されやすい。
また、徐々に押し込む動作はプローブ先端部１２と研磨層５１の間で作用するＸ、Ｙ、Ｚ方向の急激な反力の変化を抑止するため、プローブ先端部１２が研磨層５１上でスティックスリップすることを防止できる。
以上より、この実施の形態１によるクリーニングはプローブ先端部１２が球面状、および球面状の中途から直線で延伸した傾斜部を有する場合において効果的にアルミの付着物を除去できる。

このようにこの実施の形態１では、プローブ先端部１２をクリーニングシート５０への押し込みを所定の押し込み量まで連続的に微小増加させながら水平方向へ移動させたため、付着物１３が残存するプローブ先端部中央１２ａが最初に研磨層５１と接する。その後、押し込み量が増加し、プローブ先端側部１２ｂをクリーニングするため、プローブ先端部中央１２ａをより多く、プローブ先端側部１２ｂをより少なく研磨でき、プローブ先端部１２が細くなることに起因する強度低下が及ぼすプローブ１１の折損を防止する効果がある。また、プローブ先端部中央１２ａの付着物１３は最初に除去され、徐々にプローブ先端側部１２ｂをクリーニングするため、プローブ先端部中央１２ａの平坦化を防止し、プローブ先端部１２の球面状１２ｃのプロフィールを維持しやすい効果があり、これに伴い生産工程の歩留まりが向上する。

実施の形態２．
次に、実施の形態２について説明する。
図４は、ステップ状の連続的な押し込み増加におけるＸ方向とＺ方向のプローブ先端部１２の軌跡を示したグラフ図である。
実施の形態１ではプローブ先端部１２をＺ方向に連続的に微小増加させながらクリーニングシート５０をＸ、Ｙ方向に移動させるものであったが、Ｚ方向移動の増加を連続的に微小増加からステップ状に増加するようにしてもよい。
例えば、実施の形態１で示したプローブ先端部１２をクリーニングする場合、研磨層５１に一度の０．０５ｍｍ押し込んだ状態で水平方向へ移動させると、保持部１０ａから突出するプローブ１１が水平方向移動時の反力に負けてスティックスリップしやすいが、０．０１ｍｍずつ段階的にかつ連続的に押し込み量を増加させることでスティックスリップを防止できる。
このようにプローブ先端部１２が研磨層５１から受ける反力が急激に変化することがない押し込み量で増加させていけば、プローブ先端部１２のアルミの付着物１３の除去に対して同様の効果が得られる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３を説明する。
図６は、アタッチメント１４取り付け時を説明するプローブ治具１０およびアタッチメント１４の断面図である。図６（ａ）は、アタッチメント１４を取り付けた状態を示し、図６（ｂ）はアタッチメント１４の取り付け無しの状態を示している。
実施の形態１、２では図１および図６（ｂ）のようにプローブ１１をプローブ治具１０に取り付けた状態のままでプローブカセットホルダ２０に固定する方法であった。従って図６（ｂ）において、例えばプローブ１１の直径０．１ｍｍに対して保持部１４ａからの突出量が０．５ｍｍ以上と長い場合には、スティックスリップしやすい。このスティックスリップ防止のため、保持部１４ａからプローブ先端部１２までの距離を短くする目的でアタッチメント１４を取り付けてもよい。このアタッチメント１４はプローブ治具１０のプローブ１１の配置と同様の位置に穴が空けられたプレート形状のものであり、プローブ１１の水平方向の変位を規制する。
このアタッチメント１４によりプローブ先端部１２から保持部１４ａまでの距離は短くなり、クリーニング動作時にプローブ１１のスティックスリップやプローブ１１の湾曲の発生を防止する効果がある。

１０ プローブ治具、１０ａ 保持部、１１ プローブ、１２ プローブ先端部、
１３ 付着物、１４ アタッチメント、２３ Ｚ方向駆動装置、３０ Ｘステージ、
３２ Ｘ方向駆動装置、４０ Ｙステージ、４２ Ｙ方向駆動装置、
５０ クリーニングシート、５１ 研磨層、１００ クリーニング装置。

Claims (5)

1. 電気特性検査に用いられるプローブのクリーニング装置であって、
   前記クリーニング装置には、曲率Ｒで形成された球面状の先端部が設けられたプローブ、あるいは前記球面状の先端部の中途から直線で延伸する傾斜部が設けられたプローブを装着する鉛直方向駆動機構と、前記プローブの先端部に付着した異物を除去するためのクリーニングシートを固定するステージと、前記ステージの水平方向駆動機構と、前記鉛直および水平方向駆動機構を制御する制御装置とが設けられており、前記プローブが前記ステージの表面に対して垂直となるよう装着され、前記制御装置は前記鉛直方向駆動機構を前記プローブの先端部の前記クリーニングシートへの押し込みが複数回でその押し込み量が連続的に増加して所定の値となるまで駆動制御するとともに、前記水平方向駆動機構を前記クリーニングシートの前記プローブの先端部に対する移動軌跡が、連続的な閉ループとなるよう駆動制御することを特徴するプローブのクリーニング装置。
2. 前記クリーニングシートには表面に研磨層、その下層に弾塑性体が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプローブのクリーニング装置。
3. 前記制御装置は、前記プローブの先端部の前記クリーニングシートへの押し込みが複数回でその押し込み量が連続的に増加して所定の値となるまで、ステップ状に増加するよう駆動制御することを特徴とする請求項１に記載のプローブのクリーニング装置。
4. 前記鉛直方向駆動機構には、前記クリーニングシートとプローブ治具の保持部との鉛直方向の距離を調整するアタッチメントが設けられ、該アタッチメントに前記プローブが装着されていることを特徴とする請求項１に記載のプローブのクリーニング装置。
5. 前記請求項１のプローブのクリーニング装置を用いたことを特徴とするプローブのクリーニング方法。

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