JP5630947B2 - カンチレバー型プローブ - Google Patents

Description

本発明は、ＬＳＩチップの半導体デバイス等を検査する目的で使用されるカンチレバー型プローブに関する。

半導体ウエハに作成されたＬＳＩチップ等の電気的特性を測定するに当たり、図７に示すようにプローブカードに取り付けられたプローブ１００の先端部（コンタクト・ティップ）を半導体ウエハ２００上に作成されたＬＳＩチップ等の電極２０１に接触した状態で行われる。この際、電極２０１とプローブ１００の先端部との間の電気的接続を確保するために、オーバードライブを行うとともにスクラブして電極２０１の表面上を覆っている酸化膜等を除去するようにしている。

図７にはスクラブ時にプローブ１００に作用する力が併せて示されている。図中ｆ１はプローブ１００を電極２０１の表面上に押圧接触したときの反作用力、図中ｆ２はプローブ１００をスクラブ方向αに水平移動させたときの押し戻し力である。押し戻し力ｆ２については、スクラブ方向αとは反対の方向に作用することから、プローブ１００の先端と電極２０１との間の摩擦力との関係で、スクラブ時にプローブ１００の先端部に曲げモーメントＭが発生する。その結果、プローブ１００を長期にわたり使用すると、プローブ１００の先端部が反スクラブ方向に曲がり、測定の継続が困難になる虞れがあった。

そのため、特許文献１に示されているようにプローブの材質を機械的強度の大きいタングステン合金等に変更する等して、プローブ自体の耐久性を良好にしていた。

特開２００２−１７３７３１

しかしながら、電極密度が高く且つ電極下に回路が形成された次世代デバイスについては、測定時の強い力でプローブを電極に押し付けると、電極下の回路を破壊する恐れがあることから、プローブの材質としてタングステン合金等の機械的強度が大きいものを使用することに不向きであり、貴金属合金等の機械強度の低いものを使用せざるを得なかった。この課題を解消しない限り、スクラブ時の曲げモーメントにより次世代デバイス用のプローブカードの耐久性が低くなり、経済的効率性を損なう結果となる。

本発明は上記した背景の下で創作されたものであって、その目的は、たとえ機械強度の低い材質であってもその耐久性を良好にすることが可能なカンチレバー型プローブを提供することにある。

本発明に係るカンチレバー型プローブは、先端部が折り曲げられたカンチレバー型プローブであって、前記折り曲げられた部分と先端の接触部との間のテーパ角を先端側から段階的に小さくし、前記接触部よりも後の部分が、前記折り曲げられた部分までの間で外側に膨らんだ形状にしている。

この発明によると、スクラブ時にプローブの先端部に現れる応力分布が均一化され、応力のピーク値が従来に比べて小さくなり、たとえ機械強度の低い材質であってもその耐久性を良好にすることができる。よって、電極密度が高く且つ電極下に回路が形成された次世代デバイス用のプローブカードについてもその耐久性を悪化させることなく使用することが可能となり、その経済的効率性を高める上で大きな意義がある。

具体的には、プローブの先端部につき下記の数１の多項式で近似された形状にすると良い。

但し、Ｌはプローブの先端から固定部（プローブカードに対するプローブの固定個所）までの長さ、Ｘはプローブの先端からの距離、Ｎは３以上の任意の整数、φはプローブの先端からＸの点における直径、φ₀ はプローブの先端直径、φ₁ はプローブの固定部直径である。

上記具体例の場合、スクラブ時において、プローブの先端と被測定電極との摩擦力又は切削抵抗による曲げモーメントに対して発生する応力は下記の数式２で示される。

但し、σはプローブの距離Ｘの点における最大応力、Ｆはプローブの先端に作用する曲げ方向力である。

この発明によると、上記のようにスクラブ時にプローブの先端部に現れる応力のピーク値が小さくなり、その応力分布も長さ方向に一層均一化され、プローブの機械的強度が一層高まる。

本案のプローブについては、上記断面積を円形形状によって構成した場合だけでなく、矩形形状によって構成した場合も上記と全く同様の作用効果を奏する。

以下、本発明のカンチレバー型プローブの実施の形態を図面を参照して説明する。図１は同プローブを有するプローブカードの概略側面図、図２は同プローブを示す図であって、（ａ）はプローブの先端部を示す側面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。

ここに例として掲げるカンチレバー型プローブ１（以下、これを「プローブ１」と称する。）は、断面円形の線材を加工したものであり、先端接触部１１、弾性変形部１２及び後端支持部１３を有している。その材質や先後端の寸法については従来プローブと全く同じであって、先端接触部１１からプローブカード２に電気接続可能に固定される後端支持部１３までの連続的な太さ形状（プローブ１の側面の稜線の形状）が従来プローブとは全く異なっている。

なお、図１中２はカンチレバー型のプローブカード、３は検査台、４は検査対象の半導体ウエハである。プローブカード２を水平状態に保持するための機構及び検査台３をプローブカード２に対して垂直及び水平に相対的に移動させる機構については図示省略されている。

プローブ１の先端接触部１１は、図２に示すように略円錐状をなしたコンタクト・ティップであって、先端１１１が半導体ウエハ４に作成された電極４１（被測定電極）に接触可能になっている。

弾性変形部１２は、先端接触部１１と後端支持部１３との間に設けられた略直線状部材であって、先端部が約９０度〜１１０度に折り曲げられ、先端接触部１１の後端に連なって形成されている。

後端支持部１３は、プローブカード２の裏面の配線パターンにハンダ付け等により固定される直線状部材であって、弾性変形部１２の後端に連なって形成されている。

図２（ａ）中には破線で従来プローブの先端部の形状が併せて示されている。従来プローブの先端部の側面の稜線が直線状であったが、本案のプローブ１については、その先端部の側面の稜線が従来プローブに比べて外側に若干膨らんだ曲線状となっている。

本実施形態においては、先端接触部１１から後端支持部１３までの連続的な太さ形状を、その先端１１１からの距離ＸのＮ乗根の多項式（具体的には下記の数式１）になる直径φの断面積の連続体となる曲線の形状にしている。

但し、Ｌはプローブ１の先端１１１から固定部（プローブカード２に対するプローブ１の固定箇所）までの長さ、Ｘはプローブ１の先端１１１からの距離、φはプローブ１の先端１１１からＸの点における直径、φ₀ はプローブ１の先端１１１の直径、φ₁ はプローブ１の上記固定部の直径、Ｎは３以上の任意の整数である。

上記した構造のプローブ１をプローブカードに使用した場合、スクラブ時にプローブ１の先端部に現れる応力は下記の数式４に示す通りとなる。

但し、σはプローブ１の距離Ｘの点における最大応力、Ｆはプローブ１の先端１１１に作用する曲げ方向力である。

数式４を用いてスクラブ時にプローブ１の先端部に現れる長さ方向の応力分布を求めると、図３のグラフに示す通りとなる。

同グラフの縦軸はスクラブ時にプローブ１の先端部に現れる応力σ、同グラフの横軸はプローブ１の先端１１１からの距離Ｘである。破線のグラフは従来プローブの応力分布を示している。図３中には距離Ｘとプローブ１との位置関係が併せて示されている。

このようにプローブ１の先端接触部１１から後端支持部１３までの連続的な太さ形状が上記した通りに改良されていることから、スクラブ時にプローブ１の先端部に現れる長さ方向の応力分布が略一定となり、応力のピーク値が従来プロープの場合の約半分に低下した。即ち、プローブ１の材質として機械的強度の高いタングステン合金等を使用しなくても、その耐久性を高めることが可能になった。よって、電極密度が高く且つ電極下に回路が形成された次世代デバイス用のプローブカードについてもその耐久性を悪化させることなく使用することが可能となった。

プローブ１の製造方法については従来方法を採用すれば良い。例えば、直径が２００μｍ以下の円柱状の線材に研磨装置等を用いて加工し、その先端部を折り曲げて作成すると良い。もっとも、プローブ１の外側面を曲面加工する必要があるので、加工方法としては限定される。この点、図４に示すプローブ１'の場合、曲面加工が必要でなく平面加工だけで良いことから、加工自体が簡単となり、この点で低コスト化を図ることか可能になる。

図４はプローブ１'の先端部の側面図である。図２で示すプローブ１と大きく異なるのは、プローブ１'の先端接触部１１'から後端支持部（図示省略）までの連続的な太さ形状が上記した曲線ではなく、同曲線を２本の直線によって近似された形状になっている点である。

プローブ１'の製造方法の一例を図５を参照して説明する。図５はプローブ１'を機械式研磨装置を用いて加工するその製造工程を示す模式図である。図５中の直線は研磨面を示している。即ち、円柱状の線材の先端部に対し、稜線角度（テーパ角）を２段階に小さくして研磨加工した後、折り曲げ加工するようにする。

このようなプローブ１'であってもスクラブ時にその先端部に現れる応力分布は図３に示すものと近いものとなる。より良好な応力分布を得るには近似する直線の本数を３以上にして曲線近似の精度を高くすると良い。

図２及び図４に示すプローブ１等については、断面形状が円形状であって、専ら機械式研磨で製作するのに適した形状であったが、図露光技術と電鋳技術を用いて製作するのに適した形状、例えば、図６に示すような断面形状が矩形形状であるプローブ１”についても上記と同様に適用可能である。

図６はプローブ１”の先端部の側面図である。プローブ１”が図２で示すプローブ１と大きく異なるのは、先端接触部１１”から後端支持部（図示省略）までの連続的な太さ形状を、その先端１１１”からの距離ＸのＮ乗根の多項式（具体的には下記の数式５）になる直径φ'の断面積の連続体となる曲線の形状にした点である。

なお、Ｌはプローブ１”の先端１１１”から固定部（プローブカード２に対するプローブ１”の固定箇所）までの長さ、Ｘはプローブ１”の先端１１１”からの距離、φ'はプローブ１”の先端１１１”からＸの点における厚み、φ₀ 'はプローブ１”の先端１１１”の直径、φ₁ 'はプローブ１”の上記固定部の厚み、Ｎは２以上の任意の整数である。

図６（ａ）中には破線で従来プローブの先端部の形状が併せて示されている。従来プローブの先端部の側面の稜線が直線状であったが、本案のプローブ１"については、その先端部の側面の稜線が従来プローブに比べてその外側に若干膨らんだ曲線状となっている。

なお、プローブ１”の側面の稜線形状を図４で示すプローブ１'と同様に、数式５で示す曲線ではなく、その曲線を複数本の直線によって近似した形状にしても良い。

このような構造のプローブ１”をプローブカードに使用した場合、スクラブ時にプローブ１”の先端部に現れる応力については上記数式４に示すものと同様となり、長さ方向の応力分布についても図３のグラフに示すものと同様になる。

プローブ１”については、光学的マスクを変更するだけで露光技術と電鋳技術を用いて同様に製作することが可能であり、上記したメリットに加えて、コスト面で一層メリットがある。

なお、本発明に係るカンチレバー型プローブは、先端接触部から後端支持部までの連続的な太さ形状を、その先端からの距離の２又は３乗根の多項式になる直径の断面積の連続体となる曲線の形状にしたり、その曲線の形状を２本以上の直線によって近似した形状にしても良く、その荷重や材質等に応じて適宜設計変更すると良い。

本発明の実施の形態を説明するための図であって、本案プローブを有するフローブカードの概略側面図である。 同プローブを示す図であって、（ａ）はプローブの先端部を示す側面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 スクラブ時に同プローブの先端部に現れる長さ方向の応力分布を示すグラフである。 同プローブの変形例を示す図であって、プローブの先端部を示す側面図である。 同プローブの製造方法を説明するための図であって、その製造工程を示す模式図である。 別の実施の形態を説明するための図であって、（ａ）はプローブの先端部を示す側面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図，（ｃ）はＣ−Ｃ断面図である。 従来例を説明するための図であって、（ａ）はスクラブ時にプローブに作用する力を併せて示すプローブの側面図、（ｂ）は長年使用し続けた結果、先端部分が曲がった様子を示すプローブの側面図である。

符号の説明

１ プローブ（カンチレバー型プローブ）
１１ 先端接触部
１１１ 先端
１２ 弾性変形部
１３ 後端支持部
２ プローブカード
３ 検査台
４ 半導体ウエハ
４１ 電極
α スクラブ方向

Claims (1)

1. 先端部が折り曲げられたカンチレバー型プローブにおいて、前記折り曲げられた部分と先端の接触部との間のテーパ角を先端側から段階的に小さくし、前記接触部よりも後の部分が、前記折り曲げられた部分までの間で外側に膨らんだ形状にしたことを特徴とするカンチレバー型プローブ。

Images