JP6333112B2 - ウエハ検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、プローブカードを用いてウエハの検査を行うウエハ検査装置に関する。

一般に、半導体デバイスの製造工場では、ウエハレベルの全てのプロセスが終了した段階で、ウエハ上に形成されている半導体デバイス（集積回路）の電気的特性が検査され、チップの良否判定が行われる。この種のウエハ検査には、検査治具として、多数の針状の接触子を有するプローブカードが用いられる。

検査時には、プローブカードとウエハとの間で、各接触子とウエハ表面の各対応する電極とを対向させる位置合わせが行われたうえで、相対的な加圧接触が行われる。この場合、各接触子の先端がウエハの表面に接触してから所定のストロークつまりオーバードライブ量だけ相対的に押し込まれることで、接触子の先端がウエハ表面の保護膜や汚染膜を破りながら擦って各対応する電極に加圧接触するようになっている。

最近は、検査室内に複数のプローブカードを配置し、それら複数のプローブカードの中の一つに対して共用の搬送ロボットないし移動ステージがウエハの搬送、押し付けまたは引き離しを行っている間に、他のプローブカードで別のウエハに対する検査を行えるようにしたウエハ検査装置が開発されている。このようなウエハ検査装置においては、複数のプローブカードに対して一台の移動ステージが共用されるので、プローバの構成、特にウエハ支持体またはチャックトップ回りの構成が簡易になるとともに、プローバの集約化およびスペース効率が大幅に向上する。

特開２００２−２２７６８号公報

上記のように複数のプローブカードに対して一台の移動ステージを共用するウエハ検査装置は、各プローブカードにチャックトップ上のウエハを加圧接触させる際に、プローブカードとチャックトップとの間にバキューム吸引力を作用させるための密閉可能な囲繞空間を形成する。

通常、この囲繞空間を形成するために、プローブカードの周囲には縦方向で伸縮自在な筒状部材たとえばベローズが設けられる。そして、プローブカードとウエハとの位置合わせが済んでから、移動ステージによるチャックトップの押し上げに連動または追従して該囲繞空間の真空引きが行われる。この真空引きによって、チャックトップには囲繞空間の圧力（負圧）と周囲の圧力（大気圧）との差圧に応じた上向きの力が作用する。このバキューム吸引力に基づく上向きの力により、プローブカードの各接触子がウエハ表面の各対応する電極パッドに所定の圧力で安定に加圧接触することができる。

上記囲繞空間の真空引きは、ウエハ検査の所要時間またはタクトを短縮するうえで高速・短時間に行われるのが好ましい。しかしながら、囲繞空間を高速に設定圧力（負圧）まで減圧すると、囲繞空間の圧力がアンダーシュート波形を描いて設定圧力を絶対値で超えてしまい、過大なバキューム吸引力によって接触子あるいは電極パッドがダメージを受けやすいことが問題となっている。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、プローブカードとウエハとをバキューム吸引力により加圧接触させて行われるウエハレベルの検査において、所望のバキューム吸引力を発生するための真空引きを高速かつ安定に行えるようにしたウエハ検査装置を提供する。

本発明のウエハ検査装置は、検査対象のウエハの表面に形成されている複数の電極にそれぞれ接触するための複数の接触端子を有するプローブカードと、前記プローブカードの周囲に配置され、前記プローブカードに対向させて前記ウエハを載置する厚板部材であるチャックトップと、前記プローブカードと前記ウエハとの間で所定の加圧接触状態を形成または維持するために、前記チャックトップおよび前記プローブカードで囲まれる密閉可能な囲繞空間を設定圧力まで真空引きするバキューム機構とを備える。そして、前記バキューム機構は、真空源と、前記真空源に接続される第１のポートおよび前記囲繞空間に接続されるための第２のポートを有する比例制御弁と、前記第２のポートに接続される密閉された所定の気体流路または空間の圧力を測定する圧力センサと、所望の圧力設定値を指示する電気信号に応じて、前記圧力センサより得られる圧力測定値が前記圧力設定値に一致するように前記比例制御弁を制御するバルブ制御部とを有する電空レギュレータと、前記比例制御弁の前記第２のポートを前記圧力センサを経由して前記囲繞空間に接続する第１のモードと、前記比例制御弁の第２のポートを前記囲繞空間に接続し、かつ前記圧力センサを前記囲繞空間に対して前記比例制御弁と並列に接続する第２のモードとの間で切り換え可能に構成されている気体流路網とを備える。

上記の装置構成においては、上記囲繞空間の圧力が大気圧付近になっている状態で第１のモードを選択すると、圧力センサより得られる圧力測定値を圧力設定値に一致させるように、電空レギュレータの比例制御弁、圧力センサおよびバルブ制御部が圧力フィードバック制御で動作する。これにより、囲繞空間の圧力は、大気圧付近の初期圧力から指数関数的に立ち下がり、短時間で圧力設定値に近づく。ただし、このときの圧力センサは、比例制御弁の第２のポートと囲繞空間との間に位置し、排気路上で囲繞空間よりも下流側（相対的に比例制御弁に近い方）に位置している。このため、圧力センサより得られる圧力測定値が圧力設定値に到達しても、圧力センサよりも排気路上で上流側（相対的に比例制御弁から遠い方）に位置する囲繞空間の圧力は圧力設定値には到達せず、それより幾らか高い値で飽和する。

ここで、第１のモードから第２のモードに切り換えると、圧力センサより得られる圧力測定値を上記圧力設定値に一致させるように、電空レギュレータの比例制御弁、圧力センサおよびバルブ制御部が圧力フィードバック制御で動作する。ただし、圧力センサは、排気路上で囲繞空間よりも上流側に位置している。これによって、囲繞空間の圧力がそれまでの飽和値または安定値から設定圧力にステップ的に移行し、それ以後も設定圧力に保持される。

本発明のウエハ検査装置によれば、上記のような構成および作用により、プローブカードとウエハとをバキューム吸引力により加圧接触させて行われるウエハレベルの検査において、所望のバキューム吸引力を発生するための真空引きを高速かつ安定に行うことができる。

本発明の一実施形態におけるウエハ検査装置の全体構成を概略的に示す平面図である。 上記ウエハ検査装置の全体構成を概略的に示す側面図である。 実施形態におけるプローバの主要な構成を示す断面図である。 実施形態のプローバにおいて１回のウエハ検査が行われるときの可動部の主な動作を説明するための図である。 オーバードライブ保持用のバキューム機構の構成を示すブロック図である。 圧力立ち下げモードにおける上記バキューム機構の各部の状態を示す図である。 圧力保持モードにおける上記バキューム機構の各部の状態を示す図である。 上記バキューム機構の作用（囲繞空間の圧力の波形）を示す波形図である。

図１および図２に、本発明の一実施形態におけるウエハ検査装置の全体構成を概略的に示す。
［システム全体のレイアウト］

図１および図２において、ウエハ検査装置１０は、プローブカードが装着されている多数のプローバを立体的に収容するウエハ検査室１２を備えている。このウエハ検査室１２の内部は、図１の平面視で示すように、検査対象のウエハ上に形成されている多数の半導体デバイスについてウエハレベルでの電気的特性の検査が行われる検査領域１４と、ウエハおよびプローブカードの搬入／搬出や制御系のマン・マシン・インタフェースが行われる搬出入領域１６と、検査領域１４および搬出入領域１６の間に設けられた搬送領域１８とに区画されている。

検査領域１４には、図２の側面視で示すように、ウエハ検査用のインタフェースないし試験装置であるテスタ組み込み型のプローバ２０が複数階たとえば３つの階の各々で水平一列に多数配置されている。そして、各階毎に、水平一列に並ぶ複数台（たとえば６台）のプローバ２０に対して、配列方向（水平方向）に移動可能な１台の移動ステージ２２が下方に設けられるとともに、同方向に移動可能な１台のカメラ２４が搬送領域１８寄りの前方または側方に設けられる。移動ステージ２２は、水平移動して各プローバ２０の真下にアクセス可能であり、各プローバ２０に装着されているプローブカードに対して、検査対象のウエハの位置決め、押し付けまたは引き取り等を行えるように、ウエハを載置するチャックトップを水平面内および鉛直方向で移動させる多軸の移動機構を備えている。カメラ２４は、各プローバ２０におけるウエハ位置合わせ等に用いられる。

搬出入領域１６は、複数の収容空間２６に区画されている。これらの収容空間２６には、一定数のウエハを収容する容器たとえばＦＯＵＰを受け入れるキャリアポート２６ａ、ウエハ搬送上の位置合わせを行うアライナー２６ｂ、このウエハ検査装置１０で使用される予定または使用済みのプローブカードの搬入／搬出が行われるプローブカードローダ２６ｃ、このウエハ検査装置１０内の各部を統括的に制御するシステムコントローラ２６ｄ等が設置される。

搬送領域１８には、この搬送領域１８内を移動するだけでなく、検査領域１４や搬出入領域１６にも自由自在にアクセスできる３次元方向で移動可能な搬送ロボット２８が配置されている。この搬送ロボット２８は、キャリアポート２６ａと検査領域１４内の任意のプローバ２０との間で検査前または検査済のウエハの搬送を行うとともに、プローブカードローダ２６ｃと検査領域１４内の任意の各プローバ２０との間で部品交換される新旧プローブカードの搬送を行う。ウエハ搬送に関しては、搬送ロボット２８は、一対の搬送アーム２９を有しており、ピック・アンド・プレース方式で、先に相手側からウエハを一方の搬送アーム２９に受け取り、その後に他方の搬送アーム２９で自ら搬送してきた別のウエハを相手側に渡すようになっている。

このように、このウエハ検査装置１０においては、ウエハ検査室１２内にプローブカードが装着されているプローバ２０が複数階にわたって立体的に多数配置されている。そして、各階毎に水平一列に並んでいる複数のプローバ２０に対して１台の移動ステージ２２が共通に使用され、この移動ステージ２２が一つのプローバ２０のプローブカードに対してウエハの押し付けまたは引き取りを行っている間に、他のプローバ２０で別のウエハに対する検査が行われる。プローバ２０の装置構成、特にチャックトップ回りの装置構成が簡易であり、プローバ２０の立体的な集約配置によりウエハ検査室１２のスペース効率（特にフットプリント）に優れている。

［プローバ回りの構成］

図３に、この実施形態におけるプローバ２０の主要な構成を示す。このプローバ２０は、テスタ３０を一体的に組み込むとともに、テスタ３０のマザーボード３２に厚板状のポゴフレーム３４を介して着脱可能に装着されるプローブカード３６と、このプローブカード３６の周囲に配置される伸縮可能な筒状部材たとえばベローズ３８と、プローブカード３６と対向して検査対象のウエハＷを載置する厚板状のチャックトップ４０とを備えている。

ポゴフレーム３４の中心部には、プローブカード３６より一回り小さな口径を有する貫通孔またはポゴブロック装着穴４２が形成されている。このポゴブロック装着穴４２には、多数のポゴピン４４を垂直方向に貫通させて保持する略円柱状または円盤状のポゴブロック４６が着脱可能に挿嵌される。各ポゴピン４４は、後述する第１のバキューム機構６４（図３）によりプローブカード３６およびポゴフレーム３４に作用するバキューム吸引力により、その先端（下端）がプローブカード３６の上面の各対応する電極に弾性的に加圧接触し、頂部（上端）がマザーボード３２の各対応する電極に押し付けられる。

プローブカード３６には、針状の接触子またはコンタクトプローブ３７が所定の配置パターンで多数取り付けられている。各コンタクトプローブ３７の先端は、プローブカード３６の下面から突出し、チャックトップ４０上のウエハＷの表面に設けられている各対応する電極パッドと対向するようになっている。

ポゴフレーム３４とマザーボード３２との間には環状のスペーサ４８を介して隙間５０が形成される。この隙間５０は、ポゴブロック取付領域の周囲に配置される環状のシール部材５２により半径方向で分断されている。また、ポゴフレーム３４とプローブカード３６との間でも、ポゴブロック取付領域の周囲に配置される環状のシール部材５４により両者間の隙間５６が半径方向で分断されている。これによって、マザーボード３２、プローブカード３６およびシール部材５２，５４で囲まれる密閉可能な吸引空間５８が形成される。

この吸引空間５８は、ポゴフレーム３４の周辺部に形成されているガス流路６０および外部配管６２を介してプローブカード保持用の第１のバキューム機構６４に接続されている。第１のバキューム機構６４は、真空ポンプまたは工場真空用力等の真空源を有しており、吸引空間５８を所定の負の圧力に減圧し、この減圧状態を定常的に維持する。これにより、プローブカード３６とポゴフレーム３４は、吸引空間５８の圧力（負圧）と周囲の圧力との差圧による上向きの力を受けて、マザーボード３２に定常的に固定されるようになっている。

ベローズ３８は、金属製の蛇腹構造体であり、プローブカード３６の板面に垂直な方向つまり上下方向に伸縮自在に構成されている。ベローズ３８の上端は、ポゴフレーム３４の下面に結合されている。ベローズ３８の下端は、環状の下部フランジ６８を介してチャックトップ４０の周辺部の上面に真空吸着力で着脱可能に結合可能となっている。

より詳しくは、チャックトップ４０の上面は、ウエハＷを載置する中心部またはウエハ載置面４０ａと、このウエハ載置面４０ａの半径方向外側で環状に延びる周辺部またはベローズ連結面４０ｂとに分割されている。ベローズ連結面４０ｂには、口径の異なる２つのＯリング７０ａ，７０ｂを同心状に配置してなるシール部材７０が設けられている。両Ｏリング７０ａ，７０ｂの下半部はベローズ連結面４０ｂの凹所に固定され、両Ｏリング７０ａ，７０ｂの上半部はベローズ連結面４０ｂの上に突出している。両Ｏリング７０ａ，７０ｂの頂面が下部フランジ６８の下面に接触している状態では、両Ｏリング７０ａ，７０ｂに挟まれた環状の空間７４は密閉可能な吸引空間となる。

この吸引空間７４は、チャックトップ４０の内部に形成されている気体流路７６および外部配管７８を介してベローズ連結用の第２のバキューム機構８０に接続されている。第２のバキューム機構８０は、真空ポンプまたは工場真空用力等の真空源を有しており、吸引空間７４の容積が小さいので、密閉された吸引空間７４を大気圧から所定の負の圧力まで瞬時に減圧することができる。この真空引きにより、下部フランジ６８には吸引空間７４の圧力（負圧）と周囲の圧力つまり大気圧との差圧に基づく下向きの力が作用し、ベローズ３８の下端が下部フランジ６８とシール部材７０を介してチャックトップ４０のベローズ連結面４０ｂに結合されるようになっている。

上記のようにベローズ３８の下端がチャックトップ４０のベローズ連結面４０ｂに結合されている状態では、プローブカード３６とベローズ３８とチャックトップ４０との間に密閉可能な吸引空間または囲繞空間８２が形成される。この囲繞空間８２は、ポゴフレーム３４の内部に形成されている気体流路８４，８６および外部の配管８８，９０を介してオーバードライブ保持用の第３のバキューム機構９２に接続されている。

この第３のバキューム機構９２は、真空ポンプまたは工場真空用力等の真空源を有しており、囲繞空間８２の容積が相当大きくても、囲繞空間８２をたとえば大気圧付近の基準圧力から所望のバキューム吸引力が得られる負の設定圧力まで高速・短時間に減圧することができる。この真空引きにより、チャックトップ４０には囲繞空間８２の圧力（負圧）と周囲の圧力つまり大気圧との差圧に基づく上向きの力が作用し、チャックトップ４０上のウエハＷがチャックトップ４０の重力およびコンタクトプローブ３７の弾性的な反力等に抗してプローブカード３６に押圧されるようになっている。

この囲繞空間８２の真空引きに際しては、バキューム吸引力が一瞬でも設定値を超えると（過大になると）、ウエハＷ表面の電極パッドあるいはコンタクトプローブ３７が損傷を受け、あるいは変形することがある。この実施形態においては、後に詳しく説明するように、第３のバキューム機構９２が囲繞空間８２を大気圧付近の基準圧力から負の設定圧力まで高速・短時間に真空引きする場合でも、囲繞空間８２の圧力の波形がアンダーシュートを起こさずに設定圧力に到達して飽和または安定するので、ウエハＷ表面の電極パッドおよびコンタクトプローブ３７のいずれにもダメージを与えないようになっている。

［ウエハ検査における可動部の動作］

次に、図４を参照して、この実施形態のプローバ２０において１回のウエハ検査が行われるときの可動部の主な動作を説明する。なお、プローバ２０内の各部の動作は、後述するコントローラ１０２（図５〜図７）によって制御される。

図４の(A)に示すように、チャックトップ４０は、ウエハ検査に先立ち、ベローズ３８から離脱して、プローブカード３６とは十分大きなスペースを開けた下方の位置で移動ステージ２２に支持される。この状態で、搬送ロボット２８（図１）が検査対象のウエハＷをチャックトップ４０上に載置する。チャックトップ４０上に載置されたウエハＷは、チャックトップ４０に備わっているバキューム式またはメカニカル式のチャック機構（図示せず）により固定保持される。この時、第１のバキューム機構６４はオン状態を保ち、第２および第３のバキューム機構８０，９２はオフ状態を保っている。

上記のようにしてウエハＷがチャックトップ４０上に載置されてから、カメラ２４（図２）および移動ステージ２２により、プローブカード３６とウエハＷとの間で水平面内の位置合わせが行われる。

この位置合わせの後、移動ステージ２２は、昇降移動部を作動させて、チャックトップ４０を鉛直に押し上げる。そうすると、図４の(B)に示すように、チャックトップ４０のベローズ連結面４０ｂに突出して設けられているシール部材７０（Ｏリング７０ａ、７０ｂ）が下部フランジ６８の下面に接触した時またはその直後に、ベローズ連結用の第２のバキューム機構８０がオンして、ベローズ３８がチャックトップ４０に連結される。チャックトップ４０にベローズ３８が連結されると、プローブカード３６とベローズ３８とチャックトップ４０との間に密閉可能な囲繞空間８２が形成される。しかし、この時点で、第３のバキューム機構９２は未だオフ状態を保っている。

この後も、移動ステージ２２はチャックトップ４０の押し上げを継続し、図４の（C）に示すように、ウエハＷの表面がプローブカード３６のコンタクトプローブ３７の先端に当接するに至る。そして、移動ステージ２２は、ここからチャックトップ４０をコンタクトプローブ３７の弾性的な反力に抗して所定距離つまりオーバードライブ量だけさらに押し上げる。このオーバードライブ動作により、各コンタクトプローブ３７の先端がウエハＷ表面の保護膜や汚染膜を破りながら擦って各対応する電極パッドに程良く加圧接触するに至る。

この実施形態では、移動ステージ２２によるチャックトップ４０の押し上げおよびオーバードライブ動作が完了して、プローブカード３６とウエハＷとの間に所定圧力の加圧接触状態が確立された状態の下で、オーバードライブ保持用の第３のバキューム機構９２がオンする。このバキューム機構９２がオンすると、上述したように、真空引きによって囲繞空間８２が大気圧付近の基準圧力から負の設定圧力まで高速・短時間に減圧されることにより、チャックトップ４０には囲繞空間８２の圧力（負圧）と周囲の大気圧との差圧による一定の上向きの力が作用し、プローブカード３６とウエハＷとの間の加圧接触状態が保持される。この直後に、図４の(D)に示すように、移動ステージ２２はチャックトップ４０から下方に離間し、次いで同じ階の別のプローバ２０へ移動する。

当該プローバ２２においては、上記のようにウエハＷとプローブカード３６との加圧接触状態が保たれている状態の下で、テスタ３０が作動する。テスタ３０は、マザーボード３２およびプローブカード３６（コンタクトプローブ３７）を介してウエハＷに対するウエハレベルの電気的特性検査を実施する。

テスタ３０によるウエハレベルの電気的特性検査が終了すると、移動ステージ２２がチャックトップ４０の下に戻って来る。このタイミングに合わせて、第３のバキューム機構９２が真空引きを停止し、囲繞空間８２をそれまでの減圧状態から大気圧付近の初期状態に切り換える動作（圧力復帰動作）を所定時間費やして行う。この圧力復帰動作により、それまでチャックトップ４０上のウエハＷをプローブカード３６に押し付けていたバキューム吸引力が弱まって、チャックトップ４０が降下し、ウエハＷがプローブカード３６から離間する。終には、チャックトップ４０が移動ステージ２２の上に着座する。

この直後、第２のバキューム機構８０が真空引きを停止し、吸引空間７４をそれまでの減圧状態から大気圧付近の初期状態に切り換える。吸引空間７４の容積が小さいのでこの切り換えは瞬時に行われ、下部フランジ６８がチャックトップ４０のベローズ連結面４０ｂから分離可能となる。そして、移動ステージ２２がチャックトップ４０をさらに下ろすことによって、チャックトップ４０が図４の(A)と同じ高さ位置まで移動し、搬送ロボット２８（図１）が来るのを待つ。搬送ロボット２８は、チャックトップ４０の傍らに着くと、検査済みのウエハＷを引き取り、それと入れ替わりに当該プローバ２０で次に検査を受けるべき新規のウエハＷをチャックトップ４０上に載置する。この後は、この新規のウエハＷについて上述と同じ動作が繰り返される。

［オーバードライブ保持用バキューム機構の構成］

次に、図５を参照して、オーバードライブ保持用の第３のバキューム機構９２の構成を説明する。

このバキューム機構９２は、プローブカード３６とベローズ３８とチャックトップ４０との間に形成される密閉可能な囲繞空間８２に対して、バキューム吸引力を発生するための負圧を供給するだけでなく、引き離し力を発生するための正圧を供給することもできる。このために、バキューム機構９２は、圧力源として、真空ポンプまたは工場真空用力からなる真空源９４だけでなく、コンプレッサ等の圧縮空気源９６も備えている。さらに、バキューム機構９２は、他の主要な構成要素として電空レギュレータ９８、電磁切換弁１００およびコントローラ１０２を有している。ここで、電空レギュレータ９８は、比例制御弁９８Ａ、圧力センサ９８Ｂおよびバルブ制御部９８Ｃによって構成されている。コントローラ１０２は、バキューム機構９２内の各部の動作または状態を制御する。

より詳細には、真空源９４の出力ポートは、配管１０４を介して電空レギュレータ９８の比例制御弁９８Ａのポートａに接続されている。一方、圧縮空気源９６の出力ポートは、配管１０６を介して比例制御弁９８Ａのポートｂに接続されている。

比例制御弁９８Ａは上記ポートａ，ｂの外にポートｃを有しており、比例制御弁９８Ａの内部でポートａ，ｂがポートｃに並列に接続されている。電空レギュレータ９８は、比例制御弁９８Ａのポートａに入力される負の圧力と、ポートｂに入力される正の圧力とを任意の比で混合して、ポートｃの圧力を所定レンジ内で任意の設定値に制御できるようになっている。ここで、上記レンジの下限は真空源９４の出力（負圧）の値に対応し、上限は圧縮空気源９６の出力（正圧）の値に対応している。比例制御弁９８Ａのポートｃは、配管１０８を介して電磁切換弁１００のポートｄに接続されている。

電磁切換弁１００は上記ポートｄの外にポートｅ，ｆを有しており、内部でポートｅ，ｆのいずれか一方が選択的にポートｄに繋がるようになっている。ポートｅは、配管９０およびポゴフレーム３４の内部流路８６を介して囲繞空間８２に接続されている。配管９０の途中には電空レギュレータ９８の圧力センサ９８Ｂが設けられる。ポートｆは、配管８８およびポゴフレーム３４の内部流路８４を介して囲繞空間８２に接続される。

圧力センサ９８Ｂは、上記のように電空レギュレータ９８の一部を構成している。圧力センサ９８Ｂの出力信号つまり配管流路９０内の圧力を表わす圧力測定値信号ＭＰは、バルブ制御部９８Ｃに与えられる。バルブ制御部９８Ｃは、囲繞空間８２の圧力について、コントローラ１０２からの圧力設定値を指示する圧力設定値信号ＳＰと、圧力センサ９８Ｂからの圧力測定値信号ＭＰとを比較して比較誤差を生成し、この比較誤差を零に近づけるように比例制御弁９８Ａの内部のバルブアクチエータを駆動制御する。この実施形態では、バルブ制御部９８Ｃが圧力センサ９８Ｂより圧力測定値信号ＭＰを入力するだけでなく、コントローラ１０２も同じ圧力測定値信号ＭＰを取り込めるようになっている。

この実施形態においては、電磁切換弁１００、配管８８，９０，１０８およびコントローラ１０２によって、バキューム機構９２の気体流路網１１０が形成されている。この気体流路網１１０は、後述するように、比例制御弁９８Ａのポートｃを圧力センサ９８Ｂを経由して囲繞空間８２に接続する第１のモードと、比例制御弁９８ＡのポートＣを囲繞空間に接続し、かつ圧力センサ９８Ｂを囲繞空間８２に対して比例制御弁９８Ａと並列に接続する第２のモードとの間で切り換え可能に構成されている。

［オーバードライブ保持用バキューム機構の作用］

以下、図６〜図８を参照して、上記バキューム機構９２の作用を説明する。バキューム機構９２内の各部の動作はコントローラ１０２によって制御される。コントローラ１０２は、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）を含み、半導体メモリ、光ディスク、磁気ディスク、磁気テープ等の記録媒体より読み出し可能な、あるいはネットワークを通じて他のコンピュータよりダウンロード可能な所要のプログラムを実行する。

上記のように、１回のウエハ検査において、プローブカード３６とウエハＷとの位置合わせの後、移動ステージ２２はチャックトップ４０を鉛直上押し上げる動作を開始する。この時、バキューム機構９２においては、真空源９４、圧縮空気源９６および電空レギュレータ９８がオフ状態を保っている。電磁切換弁１００の内部では、ポートｄとポートｆとが繋がっている。

これにより、チャックトップ４０にベローズ３８が連結された後は、つまりプローブカード３６とベローズ３８とチャックトップ４０との間に密閉可能な囲繞空間８２が形成された後は、移動ステージ２２がチャックトップ４０をさらに押し上げると、囲繞空間８２の容積が縦方向で縮小して、囲繞空間８２内の空気が押し出されるようにしてバキューム機構９２側に排出される。この時、バキューム機構９２において、好ましくは、比例制御弁９８Ａのポートｃが気体流路網１１０の切換弁（図示せず）により囲繞空間８２から遮断されている。そして、囲繞空間８２からポゴフレーム３４の内部流路８４，８６を通ってバキューム機構９２の気体流路網１１０に送られた空気は、気体流路網１１０に設けられている大気ポートまたはリリーフ弁（図示せず）より大気中に放出される。こうして、この大気開放モードでは、囲繞空間８２の容積が変化しても、囲繞空間８２の圧力Ｐ₈₂は大気圧付近に保たれる。

上記のような移動ステージ２２によるチャックトップ４０の押し上げおよびオーバードライブ動作が完了すると、バキューム機構９２はそれまでの大気開放モードから圧力立ち下げモードに切り換わる（図８の時点ｔ₀）。この圧力立ち下げモードでは、コントローラ１０２の制御の下で、真空源９４、圧縮空気源９６および電空レギュレータ９８がオンし、電磁切換弁１００が図６に示すように切り換えられる。

すなわち、電磁切換弁１００の内部では、ポートｄとポートｅとが繋がり、ポートｆは遮断される。これにより、比例制御弁９８Ａのポートｃが、電磁切換弁１００（ポートｄ→ｅ）、配管９０およびポゴフレーム３４の内部流路８６からなる排気ルートＥＲ₁を介して囲繞空間８２に接続される。

圧力立ち下げモードが開始されると、囲繞空間８２の空気が上記排気ルートＥＲ₁を通って比例制御弁９８Ａのポートｃに流れ込むようになる。見方を変えれば、比例制御弁９８Ａのポートｃより負の圧力が上記排気ルートＥＲ₁を通って囲繞空間８２に供給されるようになる。

圧力立ち下げモードでは、圧力センサ９８Ｂにより計測される配管流路９０内の圧力Ｐ₉₀をコントローラ１０２より指示される設定圧力−Ｐ_Sに一致させるように、電空レギュレータ９８の比例制御弁９８Ａ、圧力センサ９８Ｂおよびバルブ制御部９８Ｃからなるフィードバック機構が動作する。これにより、囲繞空間８２の圧力Ｐ₈₂は、図８に示すように、大気圧付近の基準圧力Ｐ_Oから指数関数的に立ち下がり、短時間で設定圧力−Ｐ_Sに近づく。ただし、圧力センサ９８Ｂは、比例制御弁９８Ａのポートｃと囲繞空間８２との間に位置し、排気路上で囲繞空間８２よりも下流側（相対的に比例制御弁９８Ａに近い方）に位置している。このため、圧力センサ９８Ｂより得られる圧力測定値ＭＰ（Ｐ₉₀）が圧力設定値ＳＰ（−Ｐ_S）に到達しても、圧力センサ９８Ｂよりも排気路上で上流側（相対的に比例制御弁９８Ａから遠い方）に位置する囲繞空間８２の圧力Ｐ₈₂は圧力設定値ＳＰ（−Ｐ_S）には到達せず、それより幾らか高い値（−Ｐ_S＋δＰ）で飽和する。

コントローラ１０２は、圧力センサ９８Ｂからの圧力測定値信号ＭＰを受け取り、その圧力測定値信号ＭＰの波形が立ち下がり領域から飽和領域（定常または安定領域）に入ったことを確認して、それまでの圧力立ち下げモードから圧力保持モードに切り換える（図８の時点ｔ₁）。

この圧力保持モードでは、真空源９４、圧縮空気源９６および電空レギュレータ９８がオン状態を保ったまま、電磁切換弁１００だけが切り換えられる。すなわち、図７に示すように、電磁切換弁１００の内部で、ポートｄとポートｆとが繋がり、ポートｅは遮断される。

これにより、比例制御弁９８Ａのポートｃは、配管１０８、電磁切換弁１００（ポートｄ→ｆ）、配管８８およびポゴフレーム３４の内部流路８４からなる排気ルートＥＲ₂を介して囲繞空間８２に接続される。一方、圧力センサ９８Ｂは、電磁切換弁１００のポートｅにて一端が遮断されている配管９０およびポゴフレーム３４の内部流路８６からなる排気ルートまたは圧力センシングルートＥＲ₃を介して囲繞空間８２に接続される。

圧力保持モードにおいても、圧力センサ９８Ｂにより計測される気体流路または配管９０内の圧力Ｐ₉₀をコントローラ１０２より指示される設定圧力−Ｐ_Sに一致させるように、電空レギュレータ９８の比例制御弁９８Ａ、圧力センサ９８Ｂおよびバルブ制御部９８Ｃがフィードバックループで動作する。ただし、圧力センサ９８Ｂは、今度は排気路上で囲繞空間８２よりも上流側（相対的に比例制御弁９８Ａから遠い方）に位置している。

したがって、図８に示すように、圧力立ち下げモードから圧力保持モードに切り換わると即座に囲繞空間８２の圧力Ｐ₈₂がそれまでの飽和値または安定値（−Ｐ_S＋δＰ）から設定圧力−Ｐ_Sにステップ的に移行し、それ以後も設定圧力−Ｐ_Sに保持される。この設定圧力−Ｐ_Sは、オーバードライブ量の押し付けによってプローブカード３６とウエハＷとの間に形成された所定圧力の加圧接触状態をそのまま保持するバキューム吸引力が囲繞空間８２内に得られる値に設定されている。

このような圧力保持モードの下で、テスタ３０は、マザーボード３２およびプローブカード３６（コンタクトプローブ３７）を介してウエハＷに対するウエハレベルの電気的特性検査を安全に実施することができる。また、図７に示すように、圧力保持モードの下で、移動ステージ２２はチャックトップ４０から離れることができる。

テスタ３０によるウエハレベルの電気的特性検査が終了すると、バキューム機構９２はそれまでの圧力保持モードから圧力復帰モードに切り換わる（図８の時点ｔ₂）。この圧力復帰モードでは、真空源９４、圧縮空気源９６および電空レギュレータ９８がオン状態を保ったまま、電磁切換弁１００だけが切り換えられる。すなわち、図６に示すように、電磁切換弁１００の内部で、ポートｄとポートｅとが繋がり、ポートｆは遮断される。つまり、バキューム機構９２の気体流路網１１０は圧力立ち下げモードと同じ状態になる。ただし、コントローラ１０２より電空レギュレータ９８のバルブ制御部９８Ｃに与えられる設定圧力が、それまでの負の設定圧力−Ｐ_Sから大気圧付近の基準圧力Ｐ_Oに変わる。

そうすると、圧力センサ９８Ｂにより計測される気体流路または配管９０内の圧力Ｐ₉₀をコントローラ１０２より指示される大気圧付近の基準圧力Ｐ_Oに一致させるように、電空レギュレータ９８の比例制御弁９８Ａ、圧力センサ９８Ｂおよびバルブ制御部９８Ｃがフィードバック制御で動作するようになる。これにより、囲繞空間８２の圧力Ｐ₈₂は、図８に示すように、設定圧力−Ｐ_Sから指数関数的に立ち上がり、短時間で大気圧付近の基準圧力Ｐ_Oに近づく。

ただし、この場合は、圧力立ち上げモードのときとは逆で、圧力センサ９８Ｂより得られる圧力測定値ＭＰ（Ｐ₉₀）が圧力設定値ＳＰ（Ｐ_O）に到達しても、圧力センサ９８Ｂよりも給気路上で下流側に位置する囲繞空間８２の圧力Ｐ₈₂は圧力設定値ＳＰ（Ｐ_O）には到達せず、幾らか低い値（Ｐ_O−δＰ）で飽和する。なお、圧力復帰モードの最中に、チャックトップ４０の重力がバキューム吸引力を上回って、チャックトップ４０が降下し、ウエハＷがプローブカード３６から離間する。そして、チャックトップ４０は移動ステージ２２の上に着座する。

コントローラ１０２は、圧力センサ９８Ｂからの圧力測定値信号ＭＰを受け取り、圧力測定値信号ＭＰの波形が立ち上がり領域から飽和領域に入ったことを確認して、それまでの圧力復帰モードから大気開放モードに切り換える（図８の時点ｔ₃）。

大気開放モードに切り換わると、真空源９４、圧縮空気源９６および電空レギュレータ９８がオフし、電磁切換弁１００の内部ではポートｄとポートｆとが繋がる。また、囲繞空間８２がバキューム機構９２の大気ポート（図示せず）に接続され、囲繞空間８２の圧力が大気圧に近似または一致するようになる。

なお、圧力復帰モードから大気開放モードに切り換える際に、電磁切換弁１００内で一時的に図７と同様にポートｄとポートｆとを繋いでポートｅを遮断したうえで、真空源９４、圧縮空気源９６および電空レギュレータ９８をオンさせ、囲繞空間８２の圧力Ｐ₈₂を強制的かつ瞬時に大気圧付近の基準圧力Ｐ_Oに到達させることも可能である。

上記のように、この実施形態では、プローブカード３６、ベローズ３８およびチャックトップ４０で囲まれる密閉可能な囲繞空間８２の中でプローブカード３６とウエハＷとの間に所定の圧力の加圧接触状態を保持するために、囲繞空間８２を真空引きしてバキューム吸引力を発生させる。この真空引きにおいて、囲繞空間８２の圧力を大気圧付近の基準圧力Ｐ_Oから負の設定圧力−Ｐ_Sまで立ち下げる際、囲繞空間８２の圧力Ｐ₈₂が、図８に仮想線Ｐ_82'で示すようなアンダーシュート波形を描かずに、立ち下がり領域から設定圧力付近の飽和領域または定常領域に最短かつスムーズに移行するようになっている。このことにより、ウエハＷ表面の電極パッドやコンタクトプローブ３７にダメージを与えるおそれはなく、ウエハＷに対するウエハレベルの電気的特性検査を安全に実施することができる。

さらに、この実施形態では、囲繞空間８２の圧力Ｐ₈₂を上記バキューム吸引力を発生するための負の設定圧力−Ｐ_Sから大気圧付近の基準圧力Ｐ_Oに戻す際には、囲繞空間８２の圧力Ｐ₈₂が、図８に仮想線Ｐ₈₂"で示すようなオーバーシュート波形を描かずに、立ち上がり領域から基準圧力付近の飽和領域または定常領域に最短かつスムーズに移行するようになっている。このことにより、チャックトップ４０を移動ステージ２２の上に大きな衝撃を伴わずにスムーズに着座させることが可能であり、チャックトップ４０の損傷を回避することができる。

［他の実施形態または変形例］

上記した実施形態では、移動ステージ２２によるチャックトップ４０の押し上げおよびオーバードライブ動作が完了し、プローブカード３６とウエハＷとの間に所定圧力の加圧接触状態が確立してから、第３のバキューム機構９２がオンしてその加圧接触状態を保持するようにした。しかし、チャックトップ４０の押し上げ動作とバキューム機構９２のバキューム吸引動作との連携関係は任意に調整可能である。たとえば、オーバードライブ動作の一部または全部をバキューム機構９２に担わせることも可能である。

また、上記した実施形態では、コントローラ１０２が、電空レギュレータ９８の圧力センサ９８Ｂより出力される測定圧力値信号ＭＰを通じて配管９０内の圧力をモニタした。別の構成例として、圧力センサ９８Ｂとは別個の圧力センサを用いて、コントローラ１０２が配管９０内の圧力または他の配管内の圧力をモニタしてもよい。

１０ ウエハ検査装置
２０ プローバ
２２ 移動ステージ
２８ 搬送ロボット
３４ ポゴフレーム
３６ プローブカード
３７ コンタクトプローブ（接触子）
３８ ベローズ（変形可能な筒状部材）
４０ チャックトップ
６４ （プローブカード保持用の）第１のバキューム機構
８０ （ベローズ連結用の）第２のバキューム機構
８８，９０ 配管
９２ （オーバードライブ保持用）の第３のバキューム機構
９４ 真空源
９８ 電空レギュレータ
９８Ａ 比例制御弁
９８Ｂ 圧力センサ
９８Ｃ バルブ制御部
１００ 電磁切換弁
１０２ コントローラ
１０８ 配管
１１０ 気体流路網

Claims (8)

1. 検査対象のウエハの表面に形成されている複数の電極にそれぞれ接触するための複数の接触端子を有するプローブカードと、
   前記プローブカードの周囲に配置され、前記プローブカードに対向させて前記ウエハを載置する厚板部材であるチャックトップと、
   前記プローブカードと前記ウエハとの間で所定の加圧接触状態を形成または維持するために、前記チャックトップおよび前記プローブカードで囲まれる密閉可能な囲繞空間を設定圧力まで真空引きするバキューム機構と
   を備え、
   前記バキューム機構が、
   真空源と、
   前記真空源に接続される第１のポートおよび前記囲繞空間に接続されるための第２のポートを有する比例制御弁と、前記第２のポートに接続される密閉された所定の気体流路または空間の圧力を測定する圧力センサと、所望の圧力設定値を指示する電気信号に応じて、前記圧力センサより得られる圧力測定値が前記圧力設定値に一致または近似するように前記比例制御弁を制御するバルブ制御部とを有する電空レギュレータと、
   前記比例制御弁の前記第２のポートを前記圧力センサを経由して前記囲繞空間に接続する第１のモードと、前記比例制御弁の第２のポートを前記囲繞空間に接続し、かつ前記圧力センサを前記囲繞空間に対して前記比例制御弁と並列に接続する第２のモードとの間で切り換え可能に構成されている気体流路網と
   を有するウエハ検査装置。
2. 前記気体流路網が、
   第３、第４および第５のポートを有する第１の切換弁と、
   前記比例制御弁の前記第２のポートと前記第１の切換弁の前記第３のポートとを接続する第１の気体流路と、
   前記第１の切換弁の前記第４のポートと前記囲繞空間とを前記圧力センサを経由して接続する第２の気体流路と、
   前記第１の切換弁の前記第５のポートと前記囲繞空間とを接続する第３の気体流路と、
   前記第１のモードを選択するために前記第３のポートが前記第４のポートに繋がるように前記第１の切換弁を切り換え、前記第２のモードを選択するために前記第３のポートが前記第５のポートに繋がるように前記第１の切換弁を切り換えるコントローラと
   を有する、請求項１に記載のウエハ検査装置。
3. 前記コントローラは、前記第１のモードにおいて前記第２の気体流路内の圧力を表わす圧力測定値信号を前記圧力センサまたは別の圧力センサより受け取り、前記圧力測定値信号の波形が立ち下がり領域から飽和領域に達したことを確認して、前記第１のモードから前記第２のモードに切り換える、請求項２に記載のウエハ検査装置。
4. 前記バキューム機構が、圧縮空気源をさらに有し、
   前記比例制御弁が、前記第２のポートに対して前記第１のポートと並列に接続されるとともに前記圧縮空気源に接続される第６のポートをさらに有し、
   前記電空レギュレータは、前記真空源および前記圧縮空気源より前記比例制御弁の前記第１および第６のポートにそれぞれ入力される負の圧力と正の圧力とを任意の比で混合して、前記第２のポートの圧力を所定範囲内で所望の設定値に制御する、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のウエハ検査装置。
5. 前記チャックトップを分離可能に支持する移動可能なステージを有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のウエハ検査装置。
6. 前記ステージは、前記チャックトップを昇降移動させるための昇降部を有し、前記プローブカードの接触子に前記チャックトップ上の前記ウエハの表面を当接させてから、所望のオーバーストローク量だけ前記チャックトップを押し込んで、前記プローブカードと前記ウエハとの間で前記加圧接触状態を形成する、請求項５に記載のウエハ検査装置。
7. 前記昇降部が前記チャックトップを前記所望のオーバーストローク量だけ押し込んだ後に、前記気体流路網が前記第１のモードに切り替わり、前記第１のモードの下で前記圧力センサより得られる前記圧力測定値が前記圧力設定値に一致または近似するように前記バルブ制御部が前記比例制御弁を制御し、
   前記圧力測定値が飽和領域に入って安定した状態で前記気体流路網が前記第１のモードから前記第２のモードに切り替わり、前記第２のモードの下で前記圧力センサより得られる前記圧力測定値が前記圧力設定値に一致または近似するように前記バルブ制御部が前記比例制御弁を制御する、
   請求項６に記載のウエハ検査装置。
8. 前記プローブカードの周囲に配置され、前記プローブカードの板面と垂直な方向で伸縮自在な筒状部材と、
   前記チャックトップの前記ウエハを載置するためのウエハ載置面の周囲に取り付けられ、バキューム吸引力を用いて前記筒状部材と着脱可能かつ密閉可能に結合する連結部と
   を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のウエハ検査装置。