JP6041175B2 - プローバ - 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装置（チップ）の電気的特性の検査を行うプローバに関し、特に、多段状に積層された複数の測定部を有するプローバに関する。

半導体製造工程は、多数の工程を有し、品質保証及び歩留まりの向上のために、各種の製造工程で各種の検査が行われる。例えば、半導体ウエハ上に半導体装置の複数のチップが形成された段階で、各チップの半導体装置の電極パッドをテストヘッドに接続し、テストヘッドから電源及びテスト信号を供給し、半導体装置の出力する信号をテストヘッドで測定して、正常に動作するかを電気的に検査するウエハレベル検査が行われている。

ウエハレベル検査の後、ウエハはフレームに貼り付けられ、ダイサで個別のチップに切断される。切断された各チップは、正常に動作することが確認されたチップのみが次の組み立て工程でパッケージ化され、動作不良のチップは組み立て工程から除かれる。更に、パッケージ化された最終製品は、出荷検査が行われる。

ウエハレベル検査は、ウエハ上の各チップの電極パッドにプローブを接触させるプローバを使用して行われる（例えば、特許文献１参照）。プローブはテストヘッドの端子に電気的に接続され、テストヘッドからプローブを介して各チップに電源及びテスト信号が供給されると共に各チップからの出力信号をテストヘッドで検出して正常に動作するかを測定する。

半導体製造工程においては、製造コストの低減のために、ウエハの大型化や一層の微細化（集積化）が進められており、１枚のウエハ上に形成されるチップの個数が非常に大きくなっている。それに伴って、プローバでの１枚のウエハの検査に要する時間も長くなっており、スループットの向上が求められている。そこで、スループットの向上を図るため、多数のプローブを設けて複数個のチップを同時に検査できるようにするマルチプロービングが行われている。近年、同時に検査するチップ数は益々増加し、ウエハ上のすべてのチップを同時に検査する試みも行われている。そのため、電極パッドとプローブを接触させる位置合わせの許容誤差が小さくなっており、プローバにおける移動の位置精度を高めることが求められている。

一方、スループットを増加するもっとも簡単な方法として、プローバの台数を増加させることが考えられるが、プローバの台数を増加させると、製造ラインにおけるプローバの設置面積も増加するという問題を生じる。また、プローバの台数を増加させると、その分装置コストも増加することになる。そのため、設置面積の増加や装置コストの増加を抑えてスループットを増加させることが求められている。

このような問題に対し、本願出願人は、多段状に積層された複数の測定部を有するプローバを提案している（特許文献２参照）。このプローバでは、複数の測定部が多段状に積層された積層構造（多段構造）を有するため、ウエハレベル検査を測定部毎に行うことができ、設置面積の増加や装置コストの増加を抑えてスループットを向上させることができる。

特開２００９−６００３７号公報 特開２０１４−１５０１６８号公報

ところで、特許文献１に開示されたプローバでは、テストヘッドを保持体により保持して、プローバ本体の天板（ヘッドステージ）から離れた退避位置から水平姿勢の位置まで回転させた後、このテストヘッドをプローバ本体に設けられた昇降支持機構に引き渡し、この昇降支持機構によりテストヘッドを下降させて、プローバ本体にテストヘッドを装着させる。

このヘッドステージにはプローブカードが取り付けられており、プローブカードの各プローブをウエハの各チップの電極パッドに接触させて精度よく検査を行うためにはプローブカードとウエハとの平行度を確保する必要がある。特にウエハの全チップを同時に検査するいわゆる一括コンタクト方式の場合、プローブカードの各プローブをウエハの各チップの電極パッドに均一に接触させるためにプローブカードとウエハとの平行度の精度がより必要になる。

しかしながら、本願出願人が提案した上記プローバは、多段状に積層された複数の測定部を有するため、特許文献１に開示されたような構成を採用することはレイアウト上実現することが困難である。

例えば、テストヘッドをヘッドステージに直接搭載することも考えられるが、ヘッドステージにかかるテストヘッドの荷重が許容範囲を超えた場合、ヘッドステージの変形が大きくなり、プローブカードとウエハとの平行度を保つことができなくなる。その結果、ウエハレベル検査の測定精度が低下する要因となる。

また、本願出願人が提案した上記プローバでは、プローブカードとウエハチャックとの間に形成される内部空間を減圧することにより、ウエハチャックをプローブカードに向かって引き寄せる構成となっているが、ウエハチャックの構成部品による偏荷重等の影響によってウエハチャックに傾きや位置ずれが生じてしまう可能性がある。この場合、プローブカードとウエハとの平行度が悪くなり、プローブカードの各プローブをウエハの各チップの電極パッドに均一に接触させることができなくなるため、ウエハレベル検査の測定精度が低下してしまう結果になる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、プローブカードとウエハとの平行度を保つことができ、ウエハレベル検査を高精度に行うことができるプローバを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るプローバの一態様は、多段状に積層された複数の測定部を有するプローバであって、測定部は、テストヘッドと、プローブを有するプローブカードと、テストヘッドとプローブカードとの間に介在するポゴフレームと、ポゴフレームが取り付けられるポゴフレーム取付部を有するヘッドステージと、ヘッドステージを支持するフレーム部材と、フレーム部材に支持され、テストヘッドを保持するテストヘッド保持部と、ウエハを保持するウエハチャックと、テストヘッドとポゴフレームとを吸着により固定する第１吸着固定部と、プローブカードとポゴフレームとを吸着により固定する第２吸着固定部と、ウエハチャックを着脱自在に固定するウエハチャック固定部を有し、ウエハチャック固定部に固定されたウエハチャックを昇降させる機械的昇降手段と、ウエハチャックとプローブカードとの間に密閉空間を形成する環状のシール部材と、ウエハチャックがプローブカードに向かって引き寄せられるように密閉空間を減圧する減圧手段と、を備え、ヘッドステージを基準にして、テストヘッド、ポゴフレーム、プローブカード、及びウエハチャックを一体化した状態でウエハの電気的検査を行う。

上記態様によれば、テストヘッドの荷重がヘッドステージに直接的にかかることがなく、ポゴフレームの変形が防止され、ウエハとプローブカードとの平行度を容易に確保することができ、ウエハレベル検査の精度を向上させることが可能となる。

本発明に係るプローバの一態様において、テストヘッド保持部は、テストヘッドを昇降移動させる昇降機構と、テストヘッドが昇降移動する際にテストヘッドを案内する規制面を有するガイド部と、テストヘッドをポゴフレームとは反対側に付勢するバネ部材を有する緩衝部と、を備える。

上記態様によれば、テストヘッド保持部は昇降機構、ガイド部、及び緩衝部を有しており、このテストヘッド保持部によりテストヘッドがフレーム部材に支持される構成となっている。そのため、昇降機構によりテストヘッドを装着位置と退避位置との間で昇降移動させる際に、ガイド部によりテストヘッドの位置や向きが規制された状態で昇降移動が案内されるとともに、緩衝部によりテストヘッドとポゴフレームの距離及び平行度が適正に保たれる。したがって、テストヘッドの荷重がヘッドステージに直接的にかかることがなく、ポゴフレームの変形が防止され、ウエハとプローブカードとの平行度を容易に確保することができ、ウエハレベル検査の精度を向上させることが可能となる。

本発明に係るプローバの一態様において、緩衝部は、テストヘッドの重心から等距離離れた位置に複数設けられることが好ましい。この態様によれば、テストヘッドの荷重が均等に分散されるので、テストヘッドの水平姿勢を適正に保つことができ、本発明の効果がより一層顕著なものとなる。

本発明に係るプローバの一態様において、ポゴフレーム取付部は、ポゴフレームを吸着して固定する吸着面を有することが好ましい。この態様によれば、ヘッドステージに対してポゴフレームが確実に固定される。なお、ポゴフレーム取付部には、ヘッドステージに対するポゴフレームの位置決めを行うために位置決めピンなどの位置決め手段が設けられていることが好ましい。

本発明に係るプローバの一態様において、テストヘッドとポゴフレームとを吸着により固定し、かつプローブカードとポゴフレームとを吸着により固定することが好ましい。この態様によれば、テストヘッドとポゴフレームとの間、及びプローブカードとポゴフレームとの間をそれぞれ電気的に導通させる際に必要な接触圧を確保することができ、これらの間を接続する端子のばらつきによる影響を抑えることが可能となる。

本発明に係るプローバの一態様において、ウエハチャックとプローブカードとを吸着により一体化した状態でウエハの電気的検査を行うことが好ましい。この態様によれば、ウエハの各チップの電極パッドにプローブを適正な接触圧で接触させることができ、ウエハレベル検査の精度を向上させることが可能となる。

また、上記目的を達成するために、本発明に係るプローバの他の態様は、ウエハを保持するウエハチャックと、ウエハチャックと対向するように設けられ、ウエハの各電極パッドと対応する位置にプローブを有するプローブカードと、テストヘッド保持部によりプローブカードのウエハチャックとは反対側に保持されたテストヘッドと、プローブカードとテストヘッドとの間に介在され、テストヘッドとプローブカードとを電気的に接続するポゴフレームと、ポゴフレームが取り付けられるポゴフレーム取付部を有するヘッドステージと、ウエハチャックに設けられ、ウエハチャックに保持されたウエハを取り囲むように形成された環状のシール部材と、ウエハチャックを着脱自在に固定するウエハチャック固定部を有し、ウエハチャック固定部に固定されたウエハチャックを昇降させる機械的昇降手段と、プローブカード、ウエハチャック、及びシール部材により形成された内部空間を減圧する減圧手段と、減圧手段による内部空間の減圧によりウエハチャックをプローブカードに向かって移動させるときにウエハチャックの移動方向に直交する方向の移動を規制しつつウエハチャックの移動を案内するガイド手段と、を備える。

上記態様によれば、減圧手段による内部空間の減圧によりウエハチャックをプローブカードに向かって引き寄せる際に、ガイド手段によりウエハチャックの移動方向に直交する方向の移動が規制されつつウエハチャックの移動が案内されるので、ウエハチャックの位置ずれや傾きを防止することができる。したがって、ウエハとプローブカードとの平行度を容易に確保することができ、ウエハレベル検査の精度を向上させることが可能となる。

本発明に係るプローバの他の態様において、ガイド手段は、ウエハチャックに設けられた軸受部と、ヘッドステージに着脱自在に固定され軸受部に軸支されるガイド軸部とを有することが好ましい。この態様は、ガイド手段の具体的な構成の１つを示したものである。

本発明に係るプローバの他の態様において、ガイド手段は、ウエハチャックの移動方向に直交する方向における互いに異なる位置に少なくとも３つ設けられることが好ましい。この態様によれば、ウエハチャックの移動方向に直交する方向におけるウエハチャックの傾きを確実に防止することが可能となる。

本発明に係るプローバの他の態様において、減圧手段による内部空間の減圧が行われる際にウエハチャックとウエハチャックとの相対距離を検出する高さ検出センサを備えることが好ましい。この態様によれば、減圧手段による内部空間の減圧によりウエハチャックをプローブカードに向かって引き寄せる際に、ウエハチャックを適正な高さとすることが可能となる。

本発明に係るプローバの他の態様において、高さ検出センサは、ウエハチャックの移動方向に直交する方向における互いに異なる位置に少なくとも３つ設けられることが好ましい。この態様によれば、減圧手段による内部空間の減圧によりウエハチャックをプローブカードに向かって引き寄せる際に、プローブの潰し量（オーバードライブ量）の確認やウエハチャックの傾き、測定時の状態変化等の監視や、正しく測定が行われているか否かを正確に判定することが可能となる。

本発明に係るプローバの他の態様において、テストヘッド保持部は、テストヘッドを昇降移動させる昇降機構と、テストヘッドが昇降移動する際にテストヘッドを案内する規制面を有するガイド部と、テストヘッドをポゴフレームとは反対側に付勢するバネ部材を有する緩衝部と、を有することが好ましい。この態様によれば、昇降機構によりテストヘッドを装着位置と退避位置との間で昇降移動させる際に、ガイド部によりテストヘッドの位置や向きが規制された状態で昇降移動が案内されるとともに、緩衝部によりテストヘッドとポゴフレームの距離及び平行度が適正に保たれる。したがって、ウエハとプローブカードとの平行度を容易に確保することができ、ウエハレベル検査の精度を向上させることが可能となる。

本発明に係るプローバの他の態様において、緩衝部は、テストヘッドの重心から等距離離れた位置に複数設けられることが好ましい。この態様によれば、テストヘッドの荷重が均等に分散されるので、テストヘッドの水平姿勢を適正に保つことができ、本発明の効果がより一層顕著なものとなる。

本発明に係るプローバの他の態様において、ポゴフレーム取付部は、ポゴフレームを吸着して固定する吸着面を有することが好ましい。この態様によれば、ヘッドステージに対してポゴフレームが確実に固定される。なお、ポゴフレーム取付部には、ヘッドステージに対するポゴフレームの位置決めを行うために位置決めピンなどの位置決め手段が設けられていることが好ましい。

本発明によれば、プローブカードとウエハとの平行度を保つことができ、ウエハレベル検査を高精度に行うことができる。

本発明の一実施形態に係るプローバの全体構成を示した外観図 図１に示したプローバを示した平面図 測定ユニットの構成を示した概略図 測定部の構成を示した概略図 ウエハチャックがヘッドステージ側に受け渡された後の状態を示した図 テストヘッド保持部の平面的な配置関係を示した平面図 テストヘッド保持部を側面側から見た側面図

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について説明する。

図１及び図２は、本発明の実施形態に係るプローバの全体構成を示した外観図と平面図である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態のプローバ１０は、検査するウエハＷ（図４参照）を供給及び回収するローダ部１４と、ローダ部１４に隣接して配置され、複数の測定部１６を有する測定ユニット１２とを備えている。測定ユニット１２は、複数の測定部１６を有しており、ローダ部１４から各測定部１６にウエハＷが供給されると、各測定部１６でそれぞれウエハＷの各チップの電気的特性の検査（ウエハレベル検査）が行われる。そして、各測定部１６で検査されたウエハＷはローダ部１４により回収される。なお、プローバ１０は、操作パネル２１、各部を制御する制御装置（不図示）等も備えている。

ローダ部１４は、ウエハカセット２０が載置されるロードポート１８と、測定ユニット１２の各測定部１６とウエハカセット２０との間でウエハＷを搬送する搬送ユニット２２とを有する。搬送ユニット２２は、図示しない搬送ユニット駆動機構を備えており、Ｘ、Ｚ方向に移動可能に構成されるとともに、θ方向（Ｚ方向周り）に回転可能に構成されている。また、搬送ユニット２２は、上記搬送ユニット駆動機構により前後に伸縮自在に構成された搬送アーム２４を備えている。搬送アーム２４の上面部には図示しない吸着パッドが設けられており、搬送アーム２４は、この吸着パッドでウエハＷの裏面を真空吸着してウエハＷを保持する。これにより、ウエハカセット２０内のウエハＷは、搬送ユニット２２の搬送アーム２４によって取り出され、その上面に保持された状態で測定ユニット１２の各測定部１６に搬送される。また、検査の終了した検査済みのウエハＷは逆の経路で各測定部１６からウエハカセット２０に戻される。

図３は、測定ユニット１２の構成を示した図である。

図３に示すように、測定ユニット１２は、複数の測定部１６が多段状に積層された積層構造（多段構造）を有しており、各測定部１６はＸ方向及びＺ方向に沿って２次元的に配列されている。本実施の形態では、一例として、Ｘ方向に４つの測定部１６がＺ方向に３段積み重ねられている。なお、各測定部１６は、いずれも同一の構成を有しており、詳細を後述するように、ウエハチャック５０やプローブカード５６等を備えて構成される。

測定ユニット１２は、複数のフレームを格子状に組み合わせた格子形状を有する筐体（不図示）を備えている。この筐体は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向にそれぞれ延びる複数のフレームを格子状に組み合わせて形成されたものであり、これらのフレームで囲まれた各空間部にそれぞれ測定部１６の構成要素が配置される。

次に、測定部１６の構成について説明する。図４は、測定部１６の構成を示した概略図である。

図４に示すように、測定部１６は、ウエハチャック５０と、ヘッドステージ５２と、テストヘッド５４と、プローブカード５６と、ポゴフレーム５８とを備えている。

テストヘッド５４は、詳細を後述するテストヘッド保持部８０によりヘッドステージ５２の上方に支持されている。テストヘッド５４は、プローブカード５６のプローブ６６に電気的に接続され、電気的検査のために各チップに電源及びテスト信号を供給するとともに、各チップからの出力信号を検出して正常に動作するかを測定する。

ヘッドステージ５２は、筐体の一部を構成するフレーム部材３４に支持されており、ポゴフレーム５８の平面形状に対応した円形状の開口からなるポゴフレーム取付部５３を有する。ポゴフレーム取付部５３は位置決めピン（不図示）を有しており、ポゴフレーム５８は位置決めピンにより位置決めされた状態でポゴフレーム取付部５３に固定される。本実施の形態では、一例として、ポゴフレーム取付部５３は、ポゴフレーム５８を吸着して固定する吸着面を有しており、図示しない吸引手段により、ポゴフレーム５８をポゴフレーム取付部５３の吸着面に吸着させて固定している。これにより、ヘッドステージ５２に対してポゴフレーム５８が確実に固定される。なお、ポゴフレーム５８の固定方法としては、本実施の形態に限定されず、例えば、ネジ等の機械的な固定手段を用いてもよい。

ポゴフレーム５８は、テストヘッド５４の下面（ポゴフレーム５８に対向する面）に形成される各端子とプローブカード５６の上面（ポゴフレーム５８に対向する面）に形成される各端子とを電気的に接続する多数のポゴピン（不図示）を備えている。また、ポゴフレーム５８の上面（テストヘッド５４に対向する面）及び下面（プローブカード５６に対向する面）の外周部には、それぞれリング状のシール部材（不図示）が形成されている。そして、図示しない吸引手段により、テストヘッド５４とポゴフレーム５８と上面側シール部材で囲まれた空間、及びプローブカード５６とポゴフレーム５８と下面側シール部材で囲まれた空間が減圧されることにより、テストヘッド５４、ポゴフレーム５８、及びプローブカード５６が一体化される。なお、ポゴフレーム５８の上面、下面はそれぞれ第１吸着固定部、第２吸着固定部の一例である。

プローブカード５６は、検査するウエハＷの各チップの電極に対応して配置された、カンチレバーやスプリングピン等の複数のプローブ６６が設けられている。各プローブ６６は、プローブカード５６の下面（ウエハチャック５０に対向する面）から下方に向けて突出して形成されており、プローブカード５６の上面（ポゴフレーム５８に対向する面）に設けられる各端子に電気的に接続されている。したがって、テストヘッド５４、ポゴフレーム５８、及びプローブカード５６が一体化されると、各プローブ６６は、ポゴフレーム５８を介してテストヘッド５４の各端子に電気的に接続される。なお、本例のプローブカード５６は、検査するウエハＷの全チップの電極に対応した多数のプローブ６６を備えており、各測定部１６ではウエハチャック５０に保持されたウエハＷ上の全チップの同時検査が行われる。

ウエハチャック５０は、真空吸着等によりウエハＷを吸着して固定する。ウエハチャック５０は、後述するアライメント装置７０に着脱自在に支持固定される。アライメント装置７０は、ウエハチャック５０をＸ、Ｙ、Ｚ、θ方向に移動することで、ウエハチャック５０に保持されたウエハＷとプローブカード５６との相対的な位置合わせを行う。

また、ウエハチャック５０の上面（ウエハ載置面）の外周部には弾性を有するリング状のシール部材（以下、「チャックシールゴム」という。）６４が設けられている。後述するＺ軸移動・回転部７２によりウエハチャック５０をプローブカード５６に向かって移動（上昇）させたときに、チャックシールゴム６４がヘッドステージ５２の下面に接触することで、ウエハチャック５０、プローブカード５６（ヘッドステージ５２）、及びチャックシールゴム６４により囲まれた内部空間Ｓ（図５参照）が形成される。そして、図示しない吸引手段（減圧手段）により、前述の内部空間Ｓが減圧されることにより、ウエハチャック５０がプローブカード５６に向かって引き寄せられる。これにより、プローブカード５６の各プローブ６６がウエハＷの各チップの電極パッドに接触して検査を開始可能な状態となる。なお、チャックシールゴム６４は環状のシール部材の一例である。

ウエハチャック５０の内部には、チップを高温状態（例えば、最高で１５０℃）、又は低温状態（例えば最低で−４０℃）で電気的特性検査が行えるように、加熱／冷却源としての加熱冷却機構（不図示）が設けられている。加熱冷却機構としては、公知の適宜の加熱器／冷却器が採用できるものであり、例えば、面ヒータの加熱層と冷却流体の通路を設けた冷却層との二重層構造にしたものや、熱伝導体内に加熱ヒータを巻き付けた冷却管を埋設した一層構造の加熱／冷却装置など、様々のものが考えられる。また、電気加熱ではなく、熱流体を循環させるものでもよく、またペルチエ素子を使用してもよい。

アライメント装置７０は、ウエハチャック５０を真空吸着等により着脱自在に支持するアライメント装置７０を備えている。アライメント装置７０は、上述したようにウエハチャック５０に保持されたウエハＷとプローブカード５６との相対的な位置合わせを行うものであり、ウエハチャック５０を着脱自在に支持固定してウエハチャック５０をＺ軸方向に移動すると共にＺ軸を回転中心としてθ方向に回転するＺ軸移動・回転部７２と、Ｚ軸移動・回転部７２を支持してＸ軸方向に移動するＸ軸移動台７４と、Ｘ軸移動台７４を支持してＹ軸方向に移動するＹ軸移動台７６とを備えている。

Ｚ軸移動・回転部７２、Ｘ軸移動台７４、及びＹ軸移動台７６は、それぞれ、少なくともモータを含む機械的な駆動機構によりウエハチャック５０を所定の方向に移動自在もしくは回転自在に構成される。機械的な駆動機構としては、例えば、サーボモータとボールネジとを組み合わせたボールネジ駆動機構により構成される。また、ボールネジ駆動機構に限らず、リニアモータ駆動機構やベルト駆動機構等で構成されていてもよい。なお、Ｚ軸移動・回転部７２は機械的昇降手段の一例である。

アライメント装置７０は、それぞれの段毎に設けられており（図３参照）、図示しないアライメント装置駆動機構によって、各段に配置された複数の測定部１６間で相互に移動可能に構成されている。すなわち、アライメント装置７０は、同一の段に配置される複数（本例では４つ）の測定部１６間で共有されており、同一の段に配置された複数の測定部１６間を相互に移動する。各測定部１６に移動したアライメント装置７０は図示しない位置決め固定装置により所定位置に位置決めされた状態で固定され、上述したアライメント装置駆動機構によりウエハチャック５０をＸ、Ｙ、Ｚ、θ方向に移動させて、ウエハチャック５０に保持されたウエハＷとプローブカード５６との相対的な位置合わせを行う。なお、図示は省略したが、アライメント装置７０は、ウエハチャック５０に保持したウエハＷのチップの電極とプローブ６６との相対的な位置関係を検出するために、針位置検出カメラと、ウエハアライメントカメラとを備えている。

なお、本実施の形態では、アライメント装置７０（Ｚ軸移動・回転部７２）は、その上面に吸引口（ウエハチャック固定部の一例）を有し、図示しない吸引手段によりウエハチャック５０を吸着して固定するが、ウエハチャック５０の固定方式としては、ウエハチャック５０を着脱自在に固定できるものであれば周知の様々な方式を採用でき、クランプ等による機械的な方式であってもかまわない。また、アライメント装置７０には、ウエハチャック５０との相対的な位置関係が常に一定となるように位置決め部材（不図示）が設けられていることが好ましい。

本実施の形態では、上述した構成に加え、さらに、内部空間Ｓの減圧によりウエハチャック５０をプローブカード５６に向かって引き寄せる際に、ウエハチャック５０のＸ、Ｙ方向（水平方向）の位置ずれや傾きを防止するための構成として、ウエハチャック５０をＺ方向（鉛直方向）に案内するチャックガイド機構９０を備えている。チャックガイド機構９０はガイド手段の一例である。

チャックガイド機構９０は、ウエハチャック５０の周縁部、具体的にはウエハチャック５０と一体化されたチャックガイド保持部９４の外周部の周方向にわたって複数並列に設けられている。チャックガイド機構９０は、内部空間Ｓの減圧によりウエハチャック５０をプローブカード５６に向かって引き寄せる動作が行われる前に、後述するチャックガイド９８をヘッドステージ５２に真空吸着等により吸着して固定することで、ウエハチャック５０の水平方向の移動を規制しつつＺ方向に平行に移動させるガイド機構として機能する。そのため、ウエハチャック５０（チャックガイド保持部９４）にはウエハチャック５０の移動方向（Ｚ方向）に直交する水平方向（Ｘ、Ｙ方向）において互いに異なる位置に少なくとも３つのチャックガイド機構９０が設けられる。なお、本例では、図示を省略したが、チャックガイド保持部９４には３つのチャックガイド機構９０が周方向に沿って等間隔（１２０度毎）に設けられる（図４では１つのみ図示）。

ここで、チャックガイド機構９０の構成について詳しく説明する。

チャックガイド機構９０は、チャックガイド保持部９４に形成された軸受部９６と、軸受部９６によりＸ、Ｙ方向（水平方向）の移動が規制された状態でＺ方向（鉛直方向）に移動可能に構成されたチャックガイド（ガイド軸部）９８とを有する。軸受部９６は、例えばボールベアリング等で構成される。

チャックガイド９８は軸受部９６に回転自在に軸支され、その上部には、ヘッドステージ５２に対してチャックガイド９８を着脱自在に固定する固定部１００を備えている。固定部１００の上面にはリング状のシール部材（以下、「チャックガイドシールゴム」という。）１０２が設けられるとともに、チャックガイドシールゴム１０２の内側には、図示しない吸引手段に接続される吸引口（不図示）と、固定部１００とヘッドステージ５２との間の距離（間隙）を一定に保つためのクリアランス保持部材１０４とが設けられている。クリアランス保持部材１０４は、固定部１００とヘッドステージ５２との間に一定の間隙を保つことができるものであれば、その形状は特に限定されるものではない。

かかる構成により、Ｚ軸移動・回転部７２によりウエハチャック５０を所定の高さまで移動させ、チャックガイドシールゴム１０２をヘッドステージ５２に接触させた後、図示しない吸引手段によりチャックガイドシールゴム１０２とヘッドステージ５２と固定部１００との間に形成された内部空間Ｑを減圧すると、チャックガイド９８の固定部１００がヘッドステージ５２に吸着して固定された状態となる。このとき、上述したクリアランス保持部材１０４によりヘッドステージ５２との間に一定の間隙が確保されるので、チャックガイド９８の固定部１００による吸着し過ぎが抑制され、ヘッドステージ５２に固定されたチャックガイド９８の傾きを防止することができる。そして、内部空間Ｓの減圧によりウエハチャック５０をプローブカード５６に向かって引き寄せる際に、ヘッドステージ５２に固定されたチャックガイド９８によりウエハチャック５０はＸ、Ｙ方向の移動が規制されつつＺ方向に移動することが可能となる。これにより、ウエハチャック５０の構成部品による偏荷重による傾きや位置ずれを防止することができ、平行度を保った状態でウエハチャック５０の受け渡し動作を安定して行うことが可能となり、ウエハＷ上の電極パッドとプローブ６６との間で良好なコンタクトを実現することが可能となる。

また、本実施の形態では、ヘッドステージ５２とウエハチャック５０との相対距離を検出する高さ検出センサ９２がヘッドステージ５２に設けられている。この高さ検出センサ９２は、内部空間Ｓの減圧によりウエハチャック５０をプローブカード５６に向かって引き寄せる際に、ウエハチャック５０の高さ位置や傾きを監視するために設けられたものである。そのため、ヘッドステージ５２には、ウエハチャック５０の移動方向であるＺ方向（鉛直方向）に直交するＸ、Ｙ方向（水平方向）において互いに異なる位置に少なくとも３つの高さ検出センサ９２が設けられている（図４では１つのみ図示）。この構成によれば、各高さ検出センサ９２の検出結果からウエハチャック５０の高さ位置や傾きを監視することが可能となる。したがって、内部空間Ｓの減圧によりウエハチャック５０をプローブカード５６に向かって引き寄せる際に、プローブ６６の潰し量（オーバードライブ量）の確認やウエハチャック５０の傾き、測定時の状態変化等を監視することができ、正しく測定が行われているか否かを正確に判定することが可能となる。

次に、図４〜図７を参照して、テストヘッド保持部８０の構成について詳しく説明する。なお、図６はテストヘッド保持部８０の平面的な配置関係を示した平面図であり、図７はテストヘッド保持部８０を側面側から見た側面図である。図６では、説明の便宜上、テストヘッド５４を破線で図示している。

図４〜図７に示すように、テストヘッド保持部８０は、テストヘッド５４の上面側に設けられる受け部５４ａとフレーム部材３４との間に介在して設けられる。テストヘッド保持部８０の下端はフレーム部材３４上に据え付けられており、その上端はテストヘッド５４の受け部５４ａを支持する。すなわち、テストヘッド５４は、テストヘッド保持部８０によってフレーム部材３４に支持されており、ヘッドステージ５２にはテストヘッド５４の荷重が直接的にかからず、プローブカード５６とウエハＷとの平行度を保つことができ、ウエハレベル検査を高精度に行うことが可能となっている。テストヘッド保持部８０の具体的な構成は、以下のとおりである。

テストヘッド保持部８０は、テストヘッド５４をＺ方向に昇降させる昇降機構８２と、昇降機構８２によりテストヘッド５４を昇降させるときにテストヘッド５４のＺ方向の移動を案内するガイド部８４と、テストヘッド５４とプローブカード５６との距離（クリアランス）及び平行度を一定に保つ緩衝部８６とを備えている。

昇降機構８２は、例えばエアーシリンダや電動機構により構成され、テストヘッド５４をＺ方向に昇降させる。この昇降機構８２の下端はフレーム部材３４に固定され、その上端はテストヘッド５４の受け部５４ａを支持する。昇降機構８２の数や配置はテストヘッド５４をＺ方向に昇降させることができれば特に限定されるものではない。なお、本実施の形態では、一例として、テストヘッド５４の受け部５４ａに対応して２つの昇降機構８２Ａ、８２Ｂが設けられる。これにより、テストヘッド５４の荷重が各昇降機構８２Ａ、８２Ｂに分散されるので、テストヘッド５４を安定かつ確実にＺ方向に昇降させることができる。なお、テストヘッド５４の受け部５４ａは、テストヘッド５４の上端部から側方（Ｘ方向）に突出したフランジ面（突出面）を有しており、このフランジ面が昇降機構８２の上端によって支持される。

ガイド部８４は、テストヘッド５４の側面（Ｘ方向に垂直な面）に向かい合う規制面８５を有し、この規制面８５にテストヘッド５４の受け部５４ａの側面が当接することによりテストヘッド５４の水平方向（Ｘ、Ｙ方向）の動きを規制した状態でテストヘッド５４のＺ方向の移動を案内する。ガイド部８４の数や配置はテストヘッド５４の位置や向きを規制できるものであれば特に限定されるものではない。本実施の形態では、一例として、４つのガイド部８４Ａ〜８４Ｄがテストヘッド５４の両側の受け部５４ａの側面を挟むように設けられている。具体的には、ガイド部８４Ａ、８４Ｂは昇降機構８２Ａを挟んだ両側に配置され、ガイド部８４Ｃ、８４Ｄは昇降機構８２Ｂを挟んだ両側に配置される。換言すれば、ガイド部８４Ａとガイド部８４Ｃ、及びガイド部８４Ｂとガイド部８４Ｄは、それぞれ、テストヘッド５４を挟んで互いに対向する位置に配置される。これにより、テストヘッド５４を上下方向に昇降させる際に各ガイド部８４（８４Ａ〜８４Ｄ）によりテストヘッド５４の水平方向の動き（位置や向き）が規制された状態でテストヘッド５４の上下動が案内される。

緩衝部８６は、フレーム部材３４に固定されるバネ受け部８７とテストヘッド５４の受け部５４ａとの間に介在されるバネ部材８８を有する。このバネ部材８８は、テストヘッド５４を上方（すなわち、ポゴフレーム５８とは反対側）に付勢する付勢力を有し、テストヘッド５４とポゴフレーム５８との間の距離及び平行度を適正に保つ機能を有する。本実施の形態では、一例として、複数の緩衝部８６Ａ〜８６Ｄを有しており、各緩衝部８６Ａ〜８６Ｄはテストヘッド５４の受け部５４ａの端部をそれぞれ支持している。すなわち、各緩衝部８６Ａ〜８６Ｄは、テストヘッド５４の重心から等距離離れた位置に配置されている。これにより、テストヘッド５４の荷重が均等に分散され、テストヘッド５４の水平姿勢を適正に保つことが可能となっている。

以上の構成により、テストヘッド５４は、ガイド部８４（８４Ａ〜８４Ｄ）によりＸ、Ｙ方向（水平方向）の動きを規制した状態で案内されながら、昇降機構８２（８２Ａ、８２Ｂ）によりＺ方向（鉛直方向）に移動する。これにより、テストヘッド５４は退避位置と装着位置との間で安定して移動可能となる。

また、昇降機構８２（８２Ａ、８２Ｂ）によってテストヘッド５４が装着位置まで移動したとき、緩衝部８６（８６Ａ〜８６Ｄ）のバネ部材８８によりテストヘッド５４とポゴフレーム５８との間の距離及び平行度を適正に保つことができる。したがって、初期設定時にテストヘッド５４とポゴフレーム５８との平行調整を一度行えば、テストヘッド５４を昇降させても平行度は常に保たれるため、テストヘッド５４の再度の平行調整が不要となり、調整に必要な時間と労力を削減することができる。

次に、本実施の形態のプローバ１０を用いた検査方法について説明する。

本実施の形態のプローバ１０を用いた検査方法では、事前の準備として、テストヘッド５４、ポゴフレーム５８、及びプローブカード５６を一体化する一体化工程が実施される。具体的には、以下のようにして一体化工程が行われる。

一体化工程では、まず最初に、ヘッドステージ５２にポゴフレーム５８を真空吸着等により吸着固定した後、プローブカード５６をポゴフレーム５８に真空吸着等により吸着固定する。続いて、ガイド部８４によりテストヘッド５４のＸ、Ｙ方向（水平方向）の動きを規制しながら、昇降機構８２によりテストヘッド５４を装着位置まで移動させる。このとき、テストヘッド５４は、ポゴフレーム５８とは接しておらず、緩衝部８６（８６Ａ〜８６Ｄ）のバネ部材８８によりテストヘッド５４とポゴフレーム５８との間の距離（クリアランス）及び平行度が適正に保たれている。そして、テストヘッド５４をポゴフレーム５８に真空吸着等により吸着固定する。これにより、テストヘッド５４、ポゴフレーム５８、及びプローブカード５６が一体化された状態となる。

このようにして一体化工程が行われた後、プローバ１０では以下の動作が実施される。

まず、ローダ部１４では、ウエハカセット２０内のウエハＷが搬送ユニット２２の搬送アーム２４によって取り出され、搬送アーム２４の上面に保持された状態で測定ユニット１２の各測定部１６に搬送される。

一方、測定ユニット１２では、各段ごとに設けられたアライメント装置７０は所定の測定部１６に移動し、アライメント装置７０の上面にウエハチャック５０を位置決めして吸着により固定する。

続いて、アライメント装置７０は、ウエハチャック５０を所定の受渡し位置に移動させる。そして、ローダ部１４の搬送ユニット２２からウエハＷが受け渡されると、そのウエハＷはウエハチャック５０の上面に保持される。

次に、アライメント装置７０は、ウエハＷを保持したウエハチャック５０を所定のアライメント位置に移動させ、図示しない針位置検出カメラ及びウエハアライメントカメラにより、ウエハチャック５０に保持されたウエハＷのチップの電極とプローブ６６との相対的な位置関係を検出し、検出した位置関係に基づいて、ウエハチャック５０をＸ、Ｙ、Ｚ、θ方向に移動させて、ウエハチャック５０に保持されたウエハＷとプローブカード５６との相対的な位置合わせを行う。

この位置合わせが行われた後、アライメント装置７０は、ウエハチャック５０を所定の測定位置（プローブカード５６に対向する位置）に移動させ、アライメント装置７０のＺ軸移動・回転部７２によりチャックガイドシールゴム１０２がヘッドステージ５２に接触する高さとなるまでウエハチャック５０を上昇させる。このとき、上昇後のウエハチャック５０の高さ（ウエハチャック５０の上面高さ）としては、プローブ６６の先端位置（コンタクト位置）よりも高い位置である態様が好ましい。この態様の場合、プローブカード５６の各プローブ６６はオーバードライブの状態でウエハＷの各チップの電極パッドに接触するので、プローブ６６の先端が電極パッドの表面にくい込み、その電極パッドの表面にそれぞれ針跡を形成するので、電極パッドに形成された酸化膜をプローブ６６の接触によって除去することができると共に、ウエハチャック５０をアライメント装置７０からヘッドステージ５２（プローブカード５６側）に受け渡す際に発生する外乱（振動）に対して、プローブ６６のＸ、Ｙ方向（水平方向）の位置ずれ（横ずれ）を防ぐことができる。なお、電極パッドに形成された酸化膜による影響が小さい場合には、上昇後のウエハチャック５０の高さは、プローブ６６の先端位置（コンタクト位置）よりも低い位置（クリアランス高さ）としてもよい。

次に、チャックガイド機構９０のチャックガイド９８をヘッドステージ５２に固定する。具体的には、上述のようにしてチャックガイドシールゴム１０２がヘッドステージ５２に接触した後、図示しない吸引手段（減圧手段）により、チャックガイドシールゴム１０２、ヘッドステージ５２、及び固定部１００の内部に形成された内部空間Ｑを減圧することによって、固定部１００をヘッドステージ５２に吸着固定する。

次に、Ｚ軸移動・回転部７２によるウエハチャック５０の吸着固定を解除した後、ヘッドステージ５２に設けられた複数の高さ検出センサ９２によりウエハチャック５０の高さ位置を検出しながら、ヘッドステージ５２（プローブカード５６）とウエハチャック５０とチャックシールゴム６４とで囲まれた内部空間Ｓを、図示しない吸引手段で減圧する。このとき、上述したようにチャックガイド機構９０のチャックガイド９８（固定部１００）はヘッドステージ５２に吸着固定されているので、ウエハチャック５０はチャックガイド９８によりＸ、Ｙ方向（水平方向）の移動が規制されつつＺ方向（鉛直方向）への移動が案内される。これにより、ウエハチャック５０は傾きや位置ずれが生じることなくプローブカード５６に向かって引き寄せられ、プローブカード５６とウエハチャック５０は密着状態となり、プローブカード５６の各プローブ６６は均一な接触圧でウエハＷの各チップの電極パッドに接触する。

また、本実施の形態では、各高さ検出センサ９２の検出結果に基づいてウエハチャック５０の高さ位置や傾きを求め、これらの値が適正な範囲であるか否かを判定する処理を行われるようになっている。なお、この判定処理は上述した制御装置によって行われる。これにより、内部空間Ｓの減圧によりウエハチャック５０をプローブカード５６に向かって引き寄せる際に、プローブ６６の潰し量（オーバードライブ量）の確認やウエハチャック５０の傾き、測定時の状態変化等の監視や、正しく測定が行われているか否かを正確に判定することが可能となる。

以上のようにして、ウエハチャック５０をアライメント装置７０（Ｚ軸移動・回転部７２）からヘッドステージ５２（プローブカード５６側）に受け渡されると、図５に示すように、テストヘッド５４、ポゴフレーム５８、プローブカード５６、及びウエハチャック５０が一体化された状態となり、プローブカード５６の各プローブ６６は均一な接触圧でウエハＷの各チップの電極パッドに接触した状態となる。これにより、ウエハレベル検査を開始可能な状態となる。その後、テストヘッド５４から各プローブ６６を介してウエハＷの各チップに電源及びテスト信号が供給され、各チップから出力される信号を検出して電気的な動作検査が行われる。

なお、ウエハチャック５０がアライメント装置７０（Ｚ軸移動・回転部７２）からヘッドステージ５２（プローブカード５６側）に受け渡された後、アライメント装置７０は他の測定部１６に移動し、その測定部１６において同様の手順でコンタクト動作が行われ、ウエハレベル検査が順次行われる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、テストヘッド５４の受け部５４ａとフレーム部材３４との間にテストヘッド保持部８０を介在させることにより、テストヘッド５４がフレーム部材３４に支持される構成となっている。そのため、テストヘッド５４の荷重がヘッドステージ５２に直接的にかかることがなく、ポゴフレーム５８の変形が防止されるので、ウエハＷとプローブカード５６との平行度を容易に確保することが可能となり、ウエハレベル検査の精度を向上させることができる。

特に本実施の形態によれば、テストヘッド保持部８０は、昇降機構８２及びガイド部８４を備えたので、テストヘッド５４は、ガイド部８４により水平方向の動き（位置や向き）を規制した状態で案内されながら退避位置と装着位置との間で安定して移動可能となる。これによって、テストヘッド５４のメンテナンス作業性が向上する。

さらに、このテストヘッド保持部８０は、バネ部材８８を有する緩衝部８６を備えたので、テストヘッド５４とポゴフレーム５８との間の距離及び平行度を適正に保つことができる。これにより、テストヘッド５４を装着位置と退避位置との間で安定して移動させることが可能となる。

また、本実施の形態では、ヘッドステージ５２にポゴフレーム５８が吸着により固定され、さらに、テストヘッド５４、ポゴフレーム５８、及びプローブカード５６が吸着により固定される。これにより、テストヘッド５４とポゴフレーム５８との間、及びプローブカード５６とポゴフレーム５８との間をそれぞれ電気的に導通させる際に必要な接触圧を確保することができ、これらの間を接続する端子のばらつきによる影響を抑えることが可能となる。

また、本実施の形態では、ヘッドステージ５２を基準にして、テストヘッド５４、ポゴフレーム５８、プローブカード５６、及びウエハチャック５０が一体化された状態でウエハレベル検査が行われる。したがって、ウエハＷとプローブカード５６との平行度を保ったまま、ウエハＷの各チップの電極パッドにプローブ６６を接触させるコンタクト動作を容易なものとすることができる。すなわち、ウエハＷの各チップの電極パッドにプローブ６６を適正な接触圧で接触させることができ、ウエハレベル検査の精度を向上させることが可能となる。

また、本実施の形態では、チャックガイド機構９０のチャックガイド９８（固定部１００）をヘッドステージ５２に真空吸着等により吸着固定した状態でウエハチャック５０をチャックガイド９８に沿ってＺ方向に案内するチャックガイド機構９０を備えたので、内部空間Ｓの減圧によりウエハチャック５０をプローブカード５６に向かって引き寄せる際に、ウエハチャック５０の位置ずれや傾きを防止することができる。したがって、ウエハチャック５０の構成部品による偏荷重による傾きや位置ずれを防止することができ、平行度を保った状態でウエハチャック５０の受け渡し動作を安定して行うことが可能となり、ウエハＷ上の電極パッドとプローブ６６との間で良好なコンタクトを実現することが可能となる。

また、本実施の形態では、ヘッドステージ５２にはウエハチャック５０との相対距離を検出する高さ検出センサ９２が少なくとも３つ設けられているので、各高さ検出センサ９２の検出結果に基づいてウエハチャック５０の高さ位置や傾きを監視することが可能となる。これにより、内部空間Ｓの減圧によりウエハチャック５０をプローブカード５６に向かって引き寄せる際に、プローブ６６の潰し量（オーバードライブ量）の確認やウエハチャック５０の傾き、測定時の状態変化等の監視や、正しく測定が行われているか否かを正確に判定することが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、チャックガイド機構９０の固定方式として、真空吸着等の吸着方式を示したが、ヘッドステージ５２にチャックガイド９８を着脱自在に固定できるものであれば周知の様々な方式を採用でき、クランプ等による機械的な方式であってもかまわない。

また、上述した実施の形態では、チャックガイド機構９０をウエハチャック５０側に設けてヘッドステージ５２側にチャックガイド９８（固定部１００）を吸着させる構成を示したが、チャックガイド機構９０をヘッドステージ５２側に設けてウエハチャック５０側にチャックガイド９８（固定部１００）を吸着させる構成としてもよい。

また、上述した実施の形態では、高さ検出センサ９２をヘッドステージ５２に設けた構成を示したが、ウエハチャック５０とヘッドステージ５２との相対距離を検出できるものであればよく、例えば、高さ検出センサ９２をウエハチャック５０に設けるようにしてもよい。

以上、本発明のプローバについて詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

１０…プローバ、１２…測定ユニット、１４…ローダ部、１６…測定部、１８…ロードポート、２０…ウエハカセット、２１…操作パネル、２２…搬送ユニット、２４…搬送アーム、３０…筐体、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ…分離筐体、５０…ウエハチャック、５２…ヘッドステージ、５４…テストヘッド、５６…プローブカード、５８…ポゴフレーム、６４…チャックシールゴム、６６…プローブ、７０…アライメント装置、７２…Ｚ軸移動・回転部、７４…Ｘ軸移動台、７６…Ｙ軸移動台、８０…テストヘッド保持部、８２…昇降機構、８４…ガイド部、８５…規制面、８６…緩衝部、８８…バネ部材、９０…チャックガイド機構、９２…高さ検出センサ、９４…チャックガイド保持部、９６…軸受部、９８…チャックガイド、１００…固定部、１０２…チャックガイドシールゴム、１０４…クリアランス保持部材

Claims (8)

1. ウエハを保持するウエハチャックと、
   前記ウエハチャックと対向するように設けられ、前記ウエハの各電極パッドと対応する位置にプローブを有するプローブカードと、
   テストヘッド保持部により前記プローブカードの前記ウエハチャックとは反対側に保持されたテストヘッドと、
   前記プローブカードと前記テストヘッドとの間に介在され、前記テストヘッドと前記プローブカードとを電気的に接続するポゴフレームと、
   前記ポゴフレームが取り付けられるポゴフレーム取付部を有するヘッドステージと、
   前記ウエハチャックに設けられ、前記ウエハチャックに保持された前記ウエハを取り囲むように形成された環状のシール部材と、
   前記ウエハチャックを着脱自在に固定するウエハチャック固定部を有し、前記ウエハチャック固定部に固定された前記ウエハチャックを昇降させる機械的昇降手段と、
   前記プローブカード、前記ウエハチャック、及び前記シール部材により形成された内部空間を減圧する減圧手段と、
   前記減圧手段による前記内部空間の減圧により前記ウエハチャックを前記プローブカードに向かって移動させるときに前記ウエハチャックの移動方向に直交する方向の移動を規制しつつ前記ウエハチャックの移動を案内するガイド手段と、
   を備えるプローバ。
2. 前記ガイド手段は、前記ウエハチャックに設けられた軸受部と、前記ヘッドステージに着脱自在に固定され前記軸受部に軸支されるガイド軸部とを有する、
   請求項１に記載のプローバ。
3. 前記ガイド手段は、前記ウエハチャックの移動方向に直交する方向における互いに異なる位置に少なくとも３つ設けられる、
   請求項１又は２に記載のプローバ。
4. 前記減圧手段による前記内部空間の減圧が行われる際に前記ウエハチャックと前記ウエハチャックとの相対距離を検出する高さ検出センサを備える、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のプローバ。
5. 前記高さ検出センサは、前記ウエハチャックの移動方向に直交する方向における互いに異なる位置に少なくとも３つ設けられる、
   請求項４に記載のプローバ。
6. 前記テストヘッド保持部は、
   前記テストヘッドを昇降移動させる昇降機構と、
   前記テストヘッドが昇降移動する際に前記テストヘッドを案内する規制面を有するガイド部と、
   前記テストヘッドを前記ポゴフレームとは反対側に付勢するバネ部材を有する緩衝部と、
   を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のプローバ。
7. 前記緩衝部は、前記テストヘッドの重心から等距離離れた位置に複数設けられる、
   請求項６に記載のプローバ。
8. 前記ポゴフレーム取付部は、前記ポゴフレームを吸着して固定する吸着面を有する、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のプローバ。
   

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