JP5968202B2

JP5968202B2 - 半導体評価装置

Info

Publication number: JP5968202B2
Application number: JP2012251968A
Authority: JP
Inventors: 岡田　章; 章岡田; 肇秋山; 欽也山下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-11-16
Also published as: JP2014103136A

Description

本発明は半導体評価装置に関し、特に半導体装置の電気的特性を評価する半導体評価装置の構造に関するものである。

被測定物である半導体装置の、半導体ウエハ状態または半導体チップ状態等での電気的特性を測定する場合、一般に、真空吸着等により、被測定物の設置面（裏面）をチャックステージの表面に接触させて固定した後、被測定物の表面に電気的な入出力を行うためにコンタクトプローブを接触させる。コンタクトプローブは、従来から、大電流または高電圧印加等の要求に応じて多ピン化が実施されている。

一方で、近年、被測定物の性能向上等の観点から被測定物の薄厚化が進められている。

このような状況の下、特に、薄厚化した被測定物の破損防止、および、コンタクトプローブの破損防止、さらには、コンタクトプローブが被測定物の表面に接触する際の平行度の向上等の観点から、コンタクトプローブの被測定物に対する接触荷重の制御が重要となってきている。

そこで、コンタクトプローブ先端の被測定物の表面に対する平行度に保つために、コンタクトプローブとは別の、あるいはコンタクトプローブと一体化した、圧力を検出するための複数個のセンサを設けた手法が開示されている（特許文献１〜３参照）。

特開昭５９−１１７２２９号公報特開平３−１７７０３９号公報特開平９−５１０２３号公報

しかし、特許文献１および特許文献２に開示されているような、コンタクトプローブとは別の、圧力を検出する複数個のセンサを設ける手法では、複数のコンタクトプローブ間でコンタクトプローブ先端の被測定物の表面に対する平行度は改善されているものの、各コンタクトプローブの被測定物に対する接触荷重に関する接触状況を、直接的または連続的に把握することは困難であった。

また、特許文献３に開示されているような、コンタクトプローブ毎に圧力検知手段を設置しコンタクトプローブと一体化したセンサを設ける手法では、コンタクトプローブが故障または破損した場合に、故障または破損したコンタクトプローブとともに圧力検知手段を交換しなければならず、低コスト化の観点から問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、コンタクトプローブの被測定物に対する接触荷重を把握でき、かつ、コンタクトプローブが故障または破損にも適切に対応できる半導体評価装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に関する半導体評価装置は、コンタクトプローブを半導体装置に接触させることにより、当該半導体装置の電気的特性を評価する半導体評価装置であって、前記コンタクトプローブを着脱可能に設置する設置治具と、前記コンタクトプローブの接触圧に応じて前記設置治具を摺動可能に保持する保持部材と、前記設置治具に取り付けられ、前記設置治具の前記摺動により前記コンタクトプローブから前記半導体装置に加えられる接触荷重を測定する測定部とを備える。

本発明の上記態様によれば、設置治具の摺動により半導体装置に加えられる接触荷重を測定する測定部によって、接触荷重を直接的に把握することができる。よって、コンタクトプローブの故障または破損を未然に防ぐことができる。

また、測定部は、コンタクトプローブを着脱可能に設置する設置治具に取り付けられているため、コンタクトプローブが故障または破損して交換が必要になった場合でも、コンタクトプローブとともに交換する必要はない。よって、コンタクトプローブとともに交換する必要がある場合に比べて、製造コストを抑制することができる。

本発明の実施形態に関する半導体評価装置の構成概略図である。本発明の実施形態に関するコンタクトプローブの動作を説明する図である。本発明の実施形態に関するコンタクトプローブの保持構造の外観概略図である。本発明の実施形態に関するコンタクトプローブの保持構造の断面図である。本発明の実施形態に関する半導体装置の評価動作の手順を示すフローチャートである。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

＜実施形態＞
＜構成＞
図１は、半導体装置５の電気的特性を評価する半導体評価装置１の構成概略図である。

図１に示されるように、半導体評価装置１は、半導体装置５を配置するチャックステージ３と、プローブ基体２と、評価および制御部４とを備える。またプローブ基体２は、コンタクトプローブ１１と、圧力検知部７と、弾性部材８と、絶縁性基体１６とを備える。プローブ基体２と評価および制御部４とは、接続部１７Ａを介して接続されている。また、チャックステージ３と評価および制御部４とは、接続部１７Ｂを介して接続されている。接続部１７Ａは、絶縁性基体１６に接続されている。また、接続部１７Ｂは、チャックステージ３の側面に接続されている。

プローブ基体２は、移動アーム９により保持され、任意の方向へ移動可能となっている。移動アーム９は、図１に示されるような単腕のものに限られず、複数の移動アーム９が備えられる場合であってもよい。なお、プローブ基体２が移動可能である代わりに、半導体装置５を配置したチャックステージ３側が移動可能であってもよい。

図１においては、半導体装置５の縦方向、つまり面外方向（Ｚ軸方向）に大きな電流を流す縦型構造の半導体装置５が一例として示されているが、本発明における半導体装置はこれに限るものではなく、半導体装置の一面において入出力を行う、横型構造の半導体装置であってもよい。

縦型構造である半導体装置５の評価の際、外部と接続するためのひとつの電極は、半導体装置５の上面に設けた接続パッド１８と接触するコンタクトプローブ１１である。そしてもう一方の電極は、半導体装置５の下面、つまりは設置面が接触するチャックステージ３の表面となる。

コンタクトプローブ１１は、絶縁性基体１６に保持されており、この絶縁性基体１６に接続部１７Ａを介して接続された信号線６を通じて、評価および制御部４に接続される。チャックステージ３の表面は、チャックステージ３側面の接続部１７Ｂにさらに取り付けられた信号線６を介して、評価および制御部４に接続される。

なおコンタクトプローブ１１は、大電流を印加することを想定して複数個設置されている。各コンタクトプローブ１１は、例えば絶縁性基体１６上に設けられた金属板（図示せず）を介して、接続部１７Ａに接続されている。

接続部１７Ａの絶縁性基体１６における配置位置は、各コンタクトプローブ１１における電流密度が略一致するように、接続部１７Ｂとの間で調整されることが望ましい。具体的には、接続部１７Ａと接続部１７Ｂとの距離がどのコンタクトプローブ１１を介しても略一致する位置に、接続部１７Ａの配置位置および接続部１７Ｂの配置位置が調整されることが望ましい。すなわち、コンタクトプローブ１１を介して、接続部１７Ａと接続部１７Ｂとが対向する位置に配置されることが望ましい。

チャックステージ３は、半導体装置５を設置し固定する台座である。固定の手段として、例えば真空吸着の機能を有する。ただし、当該固定の手段は真空吸着に限るものではなく、静電吸着等であっても構わない。縦型構造の半導体装置５の電気的特性を評価する場合には、半導体装置５と接触するチャックステージ３表面が電極として機能する。チャックステージ３表面は、接続部１７Ｂから信号線６を介して、評価および制御部４に接続されている。

評価および制御部４は、信号線６を介して接続部１７Ａおよび接続部１７Ｂに接続されている。評価および制御部４は、半導体装置５の電気的特性に関して評価動作を行い、また、コンタクトプローブ１１の半導体装置５に対する接触荷重を制御する。

＜コンタクトプローブの動作＞
図２は、コンタクトプローブ１１の動作を説明する図である。コンタクトプローブ１１は、導電性を有する、例えば銅、タングステン、レニウムタングステン等の金属材料により作製されるが、これらに限るものではない。

図２に示されるようにコンタクトプローブ１１は、突起部１０と、設置部１４と、先端部１２と、押し込み部１３と、電気的接続部１５とを備える。

設置部１４は、基台であり絶縁性基体１６と接続される部分である。

先端部１２は、半導体装置５表面に設けられた接続パッド１８と機械的かつ電気的に接触する部分である。先端部１２は、導電性向上や耐久性向上等の観点から、コンタクトプローブ１１全体とは別の部材、例えば金、パラジウム、タンタル、プラチナ等を被覆されていてもよい。

押し込み部１３は、内部に組み込まれたスプリング等のばね部材によって、接触時に摺動が可能となる部分である。

電気的接続部１５は、先端部１２と電気的に通じており、外部への出力端となる部分である。

ここでは、コンタクトプローブ１１がＺ軸方向に摺動性を有したスプリング式のものである場合について説明したが、本発明に関する構成としてはこれに限られるものではなく、カンチレバー式（片持ち梁式）のコンタクトプローブであっても構わない。なおＺ軸方向に摺動性を有したものについても、スプリング式に限らず、積層プローブ、ワイヤープローブ等であっても構わない。

次に、コンタクトプローブ１１の動作を説明する。図２（ａ）には、コンタクトプローブ１１の初期状態が示されている。この状態から、図２におけるＺ軸下方（Ｚ軸マイナス方向）にコンタクトプローブ１１を下降させると、図２（ｂ）に示される状態となる。図２（ｂ）に示された状態は、接続パッド１８と先端部１２とが接触している状態である。

その後、さらにコンタクトプローブ１１を下降させると、押し込み部１３が設置部１４内にばね部材を介して押し込まれ、半導体装置５の接続パッド１８と先端部１２との接触がより確実なものとなる（図２（ｃ）参照）。

＜コンタクトプローブの保持＞
次に、コンタクトプローブ１１の保持について図３および図４を参照しつつ説明する。図３は、コンタクトプローブ１１の保持構造の外観概略図であり、図４は、その断面図である。なお、図３および図４においては、設置部１４内に挿入される押し込み部１３および電気的接続部１５は、図示が省略されている。

コンタクトプローブ１１の設置部１４は、設置部１４に形成された突起部１０がソケット１９の端部に引っかけられることにより、ソケット１９に着脱可能に設置される。

ソケット１９は、絶縁性基体１６に設けられた孔に挿入されることで、絶縁性基体１６に保持される。ここで、ソケット１９は、コンタクトプローブ１１の半導体装置５との接触圧に応じて、絶縁性基体１６の孔の側壁に沿って滑らかに摺動可能である。また、ソケット１９が絶縁性基体１６の孔から抜け落ちないように、ソケット１９の上端に図示しない係止部が設けられ、絶縁性基体１６の上面に接離自在に係止可能となっている。ソケット１９にはコンタクトプローブ１１の設置部１４が着脱可能に設置されているため、ソケット１９とコンタクトプローブ１１とは、一体となって摺動する。

ソケット１９は、設置部１４の突起部１０が引っかけられた端部において、突起部１９Ａを有している。突起部１９Ａは、ソケット１９の摺動方向とは交差する方向（直交している場合を含む）に延び出て形成されている。

圧力検知部７は、ソケット１９外周の少なくとも一部に沿って取り付けられ、ソケット１９の突起部１９Ａと接触している。圧力検知部７は、ソケット１９の摺動方向の一方で突起部１９Ａに接触し、他方で、弾性部材８を介して絶縁性基体１６と接触している。そしてソケット１９の摺動によって、突起部１９Ａと絶縁性基体１６に挟まれる。圧力検知部７の具体例としては、ひずみゲージまたは圧電素子等がある。これらを採用することにより、簡易な方法で、検知した圧力値を電気的に出力させることができる。

弾性部材８は、弾力性、絶縁性、耐熱性を有した緩衝材としてのシートである。また弾性部材８は、ソケット１９外周の少なくとも一部に沿って取り付けられ、圧力検知部７と絶縁性基体１６とに挟まれる位置に配置されている。つまり弾性部材８は、ソケット１９の摺動方向に挟まれている。弾性部材８の具体例としては、シリコンゴムがある。なお弾性部材８は、必須の構成要件ではない。

コンタクトプローブ１１が半導体装置５に加えた接触加重は、設置部１４を絶縁性基体１６の孔に対して押し込む力となって現れる。よって圧力検知部７が、突起部１０から突起部１９Ａに伝えられた当該押し込む力を、突起部１９Ａと絶縁性基体１６との間の圧力として検知する。

圧力検知部７において検知された圧力の値は、信号線６を通じて評価および制御部４に出力される。評価および制御部４は、当該出力値と、予め設定されたしきい値とを比較し、両者の差が小さくなるように、移動アーム９を移動させる制御を行う。具体的には、圧力検知部７からの出力値がしきい値よりも大きい場合には、移動アーム９を図１のＺ軸正方向に移動させ、半導体装置５に加えられた接触荷重を軽減させる。また、圧力検知部７からの出力値がしきい値よりも小さい場合には、移動アーム９を図１のＺ軸負方向に移動させ、半導体装置５に加えられた接触荷重を増加させる。

また、コンタクトプローブ１１が複数備えられている場合には、各コンタクトプローブ１１間で、半導体装置５に加える接触荷重が均等に調整されるように、移動アーム９を移動させる。当該移動には、移動アーム９の保持角度の変更も含む。

また、評価および制御部４は、圧力検知部７で検知した結果を、半導体装置５の評価に反映させることもできる。例えば、しきい値とは大きく離れた圧力値が出力された半導体装置５について、適切に電気的特性を評価できていない半導体装置５であると特定し、除外する、またはさらなる評価動作を継続する等の方法がある。

次に図５を参照しつつ、半導体評価装置１による、半導体装置５の評価動作について説明する。なお図５は、半導体装置５の評価動作の手順を示すフローチャートである。

まず、半導体装置５の評価前に、被測定物に加えられる適切な接触荷重のしきい値の設定を行う（ステップＳ１）。接触荷重のしきい値は、半導体装置５の厚みや印加する電流、電圧に応じて設定される。なお本実施形態のように、半導体評価装置１において複数のコンタクトプローブ１１が備えられている場合、各コンタクトプローブで異なるしきい値が設定されてもよい。また、評価動作前に、複数のコンタクトプローブ１１の先端部１２の平行度をあらかじめ揃えておくことが望ましい。

次に、半導体装置５の設置面がチャックステージ３の表面に接触するように、半導体装置５をチャックステージ３上に設置する（ステップＳ２）。半導体装置５としては、例えば、複数の半導体チップが形成された半導体ウエハ、または半導体チップそのものが考えられるが、これらに限るものではなく、真空吸着等により固定する半導体装置５であればよい。

半導体装置５をチャックステージ３上に固定した後、各コンタクトプローブ１１と接続パッド１８とを接触させる（ステップＳ３）。

各コンタクトプローブ１１を接続パッド１８に接触させる際には、まず、移動アーム９を用いてＸＹ面内の位置合わせを行い、次に、被測定物に加えられる接触荷重を検出しながらＺ方向の移動を実施する。

そして、圧力検知部７において検知された圧力値、つまり半導体装置５に対する接触荷重に応じて、コンタクトプローブ１１の接続パッド１８への押し込み量を制御し、一定の押し込み量を保つ（ステップＳ４）。このとき保たれる接触荷重は、評価前に設定したしきい値である。

その後、半導体装置５の所望の電気的特性に関する評価を実施するが、常に各圧力検知部７の出力を監視する（ステップＳ５）。

そして、個々の圧力値を比較して異常値（しきい値と大きく離れた値）が検知されていないか判断する（ステップＳ６）。異常値が検知されていない場合には、ステップＳ５に戻り半導体装置５の電気的特性に関する評価動作を継続して行う。

一方で異常値が検知されている場合には、電気的特性に関する評価を中止等し、異常のあったコンタクトプローブ１１および半導体装置５の記録を行う（ステップＳ７）。

本構成により、各コンタクトプローブ１１にそれぞれソケット１９を介して取り付けられた圧力検知部７の出力値を比較することで、それぞれコンタクトプローブ１１の接触状況を把握することが可能となる。よって、各コンタクトプローブ１１における何らかの異常、例えば摺動異常、破損、脱落等、または、各コンタクトプローブ１１間で予め調整した平行度に異常が生じた場合に、適切に把握することができる。

また、半導体装置５側に何らかの異常、例えば放電による破壊等が生じた場合でも、接触荷重の変化からその発生箇所を把握することができる。

＜効果＞
本発明に関する実施形態によれば、半導体評価装置が、ソケット１９と、絶縁性基体１６と、圧力検知部７とを備える。

ソケット１９は、コンタクトプローブ１１を着脱可能に設置する設置治具である。絶縁性基体１６は、コンタクトプローブ１１の接触圧に応じてソケット１９を摺動可能に保持する保持部材である。圧力検知部７は、ソケット１９に取り付けられ、ソケット１９の摺動によりコンタクトプローブ１１から半導体装置５に加えられる接触荷重を測定する測定部である。

このような構成によれば、コンタクトプローブ１１が半導体装置５に加えた接触荷重をソケット１９から直接的に検知する圧力検知部７によって、接触荷重を直接的に把握することができる。よって、コンタクトプローブ１１の故障または破損を未然に防ぐことができる。また、半導体装置５に余分な荷重が加わること、さらには歪みが生じることを回避でき、半導体装置５の電気的特性に関する評価の評価精度が向上する。

また、圧力検知部７は、コンタクトプローブ１１を着脱可能に設置するソケット１９に取り付けられているため、コンタクトプローブ１１が故障または破損して交換が必要になった場合でも、コンタクトプローブ１１とともに交換する必要はない。よって、コンタクトプローブ１１とともに交換する必要がある場合に比べて、製造コストを抑制することができる。

また、コンタクトプローブ１１に何らかの異常、例えば摺動異常、破損、脱落等が生じた場合のチェックが、評価動作中にも行うことができる。また、半導体装置５側に何らかの異常、例えば放電による破壊等のチェックが評価動作中にも行うことができる。

また、本発明に関する実施形態によれば、ソケット１９は、その摺動方向と交差する方向に延び出て形成された突起部１９Ａを有する。そして圧力検知部７が、突起部１９Ａおよび絶縁性基体１６によって摺動方向に挟まれ、接触荷重を測定する。

このような構成によれば、設置部１４と一体となって摺動する突起部１９Ａが、絶縁性基体１６との間で圧力検知部７を挟むことによって、半導体装置５に加えられる接触荷重が圧力検知部７に伝えられる。よって、圧力検知部７において、半導体装置５に加えられる接触荷重を検知することができる。

また、本発明に関する実施形態によれば、評価および制御部４は、圧力検知部７における測定結果に基づいて、コンタクトプローブ１１による接触荷重を制御する制御部として機能する。

このような構成によれば、コンタクトプローブ１１により半導体装置５に加えられる接触荷重を適切な値に調整することができ、コンタクトプローブ１１の故障または破損を防ぐことができる。

また、本発明に関する実施形態によれば、コンタクトプローブ１１は複数設けられ、圧力検知部７が、各コンタクトプローブ１１によって半導体装置５に加えられる接触荷重を測定し、評価および制御部４が、各コンタクトプローブ１１間で接触荷重を調整する。

このような構成によれば、複数のコンタクトプローブ１１間の半導体装置５に対する平行度を向上させることができる。

また、本発明に関する実施形態によれば、評価および制御部４は、圧力検知部７における測定結果を、半導体装置５の電気的特性の評価に反映させる反映部として機能する。

このような構成によれば、半導体装置５の電気的特性を評価する際にも圧力検知部７によって接触荷重を測定する。そして、しきい値から大きく異なる接触荷重が検知された半導体装置５については、適切に電気的特性を評価できていない半導体装置５であると特定し、除外する、または評価動作をやり直す等、適切に対応することができる。

また、本発明に関する実施形態によれば、圧力検知部７および絶縁性基体１６によって摺動方向に挟まれる弾性部材８を備える。

このような構成によれば、圧力検知部７において検知しうる圧力の変化幅を拡張させることができる。

本発明の実施形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。

なお本発明は、その発明の範囲内において、本実施形態における任意の構成要素の変形もしくは省略が可能である。

１半導体評価装置、２プローブ基体、３チャックステージ、４評価および制御部、５半導体装置、６信号線、７圧力検知部、８弾性部材、９移動アーム、１０，１９Ａ突起部、１１コンタクトプローブ、１２先端部、１３押し込み部、１４設置部、１５電気的接続部、１６絶縁性基体、１７Ａ，１７Ｂ接続部、１８接続パッド、１９ソケット。

Claims

コンタクトプローブを半導体装置に接触させることにより、当該半導体装置の電気的特性を評価する半導体評価装置であって、
前記コンタクトプローブを着脱可能に設置する設置治具と、
前記コンタクトプローブの接触圧に応じて前記設置治具を摺動可能に保持する保持部材と、
前記設置治具に取り付けられ、前記設置治具の前記摺動により前記コンタクトプローブから前記半導体装置に加えられる接触荷重を測定する測定部とを備えることを特徴とする、
半導体評価装置。
前記設置治具は、その摺動方向と交差する方向に延び出て形成された突起部を有し、
前記測定部が、前記突起部および前記保持部材によって前記摺動方向に挟まれ、前記接触荷重を測定することを特徴とする、
請求項１に記載の半導体評価装置。
前記測定部における測定結果に基づいて、前記コンタクトプローブによる前記接触荷重を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする、
請求項１または２に記載の半導体評価装置。
前記コンタクトプローブは、複数設けられ、
前記測定部が、各前記コンタクトプローブによって前記半導体装置に加えられる接触荷重を測定し、
前記制御部が、各前記コンタクトプローブ間で前記接触荷重を調整することを特徴とする、
請求項３に記載の半導体評価装置。
前記測定部における測定結果を、前記半導体装置の電気的特性の評価に反映させる反映部をさらに備えることを特徴とする、
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体評価装置。
前記測定部および前記保持部材によって前記摺動方向に挟まれる弾性部材をさらに備えることを特徴とする、
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体評価装置。
前記測定部が、ひずみゲージであることを特徴とする、
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体評価装置。
前記測定部が、圧電素子であることを特徴とする、
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体評価装置。