JP6463862B1

JP6463862B1 - プローバ装置

Info

Publication number: JP6463862B1
Application number: JP2018089936A
Authority: JP
Inventors: 利治金児
Original assignee: ハイソル株式会社
Priority date: 2018-05-08
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2038-05-08
Also published as: JP2019197771A

Abstract

【課題】線状部材の一端が固定されたチャックに生じる位置ズレを校正する。
【解決手段】本体筐体８０に固定されたＸＹステージ５と、ＸＹステージ５により移動させられるＺステージ３０と、Ｚステージ３０により移動させられるチャック５０と、チャック５０の上方に配設される撮像素子６０とを備えたプローバ装置１００であって、一端が本体筐体８０に固定され、他端がチャック５０に固定されたパイプ７０と、ＸＹステージ５の目標位置と撮像素子６０で計測したチャック５０の位置との関係を最小二乗近似した近似式（１次式を除く）を演算する制御装置９０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、プローバ装置に関する。

プローバ装置は、半導体ウェハをＸＹＺθ方向に移動させつつ、プローブを接触させて半導体ウェハの電気的特性を測定する装置である。特許文献２には、ＸＹθステージ及び撮像素子を用いる位置決め制御装置が開示されている。この特許文献２の技術は、テーブルの上に載置した位置決め対象（部品）を静止中に撮像して、位置決めを行う第１の位置決めと、移動中に撮像し、位置決めする第２の位置決めとを行うものである。また、最小二乗法により補正パラメータの最適値を求めている。

特開２０１２−１３７９６１号公報（段落００９２）

ところで、ＸＹＺθステージの上に配設され、半導体ウェハを固定するチャックは、半導体ウェハの結露を防止するために、窒素ガスやＤＲＹＡＩＲを該半導体ウェハに向けて吹き付ける必要がある。このため、チャックには、ホース（例えば、フッ素樹脂パイプ）の一端が固定されていることが多い。また、チャックには、温度制御を行うヒータやペルチェ素子のケーブルが取り付けられている。このため、ホースやケーブル等の線状部材をチャックに取り付けたときに、線状部材の弾性力や弾性変位によって、チャックの位置ズレが生じてしまう。しかも、この位置ズレや弾性変位は、ＸＹＺθステージの移動量に応じて、変動するものである。

特許文献１に記載の技術は、剛体のＸＹθステージを前提にしたものである。このため、特許文献１に記載の技術では、ＸＹθステージの上に取り付けたテーブル（チャック）に線状部材を取り付けたときに生じる位置ズレまで校正することができない。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、線状部材の一端が固定されたチャックに生じる位置ズレを校正することができるプローバ装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、本体筐体（８０）に固定されたＸＹステージ（５）と、前記ＸＹステージにより移動させられるＺステージ（３０）と、前記Ｚステージにより移動させられるチャック（５０）と、前記チャックの上方に配設される撮像素子（６０）とを備えたプローバ装置（１００）であって、一端が前記本体筐体に固定され、他端が前記チャックに固定された線状部材（例えば、パイプ７０、ケーブル７５）と、前記ＸＹステージの目標位置と前記撮像素子で計測した前記チャックの位置との関係を最小二乗近似した近似式（１次式を除く）を演算する制御装置（９０）と、を備えることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。

本発明によれば、線状部材の一端が固定されたチャックに生じる位置ズレを校正することができる。

本発明の第１実施形態であるプローバの構成図である。校正用マスクのパターン図である。ステージ校正方法を説明するためのフローチャートである。本発明の第１実施形態におけるＸ軸方向の校正曲線を説明するための図である。校正式を用いてステージ駆動する方法を説明するためのフローチャートである。本発明の第２実施形態におけるＸ軸方向の校正曲線を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本実施形態を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態であるプローバ装置の構成図である。
プローバ装置１００は、Ｘステージ１０と、Ｙステージ２０と、θステージ４０と、Ｚステージ３０と、ステージコントローラ４５と、柱状部材５５と、チャック５０と、撮像素子としてのＣＣＤカメラ６０と、ホース７０と、ケーブル７５と、チャンバ８５と、閉口部材８６と、本体筐体８０と、制御装置９０と、窒素ボンベ９５とを備えて構成される。

Ｘステージ１０は、Ｙステージ２０を上部に搭載し、Ｙステージ２０をＸ軸方向に移動させるものである。Ｙステージ２０は、θステージ４０を上部に搭載し、θステージ４０をＹ方向に移動させるものである。なお、Ｘステージ１０及びＹステージ２０で、ＸＹステージ５を構成する。θステージ４０は、Ｚステージ３０を上部に搭載し、Ｚステージ３０をＺ軸廻りに回転させるものである。Ｚステージ３０は、柱状部材５５を介してチャック５０をＺ方向に移動させるものである。

Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０は、それぞれ、自身の制御位置を計測するリニアスケール１５，２５，３５を内蔵している。ステージコントローラ４５は、リニアスケール１５，２５，３５の計測位置と制御装置９０が設定する設定位置（目標位置）とが一致するように、Ｘステージ１０と、Ｙステージ２０と、θステージ４０と、Ｚステージ３０との位置を帰還制御する。これらの構成により、チャック５０は、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ方向に移動させられる。

チャック５０は、ステージ校正時には、校正用マスク１１０を固定し、電気的特性又は温度特性の測定時には、半導体ウェハ１２０を固定するものである。柱状部材５５は、円柱形状であり、Ｚステージ３０の移動距離よりも長く形成されている。なお、柱状部材５５は、角柱でも構わない。チャンバ８５の底板８５ａには、円形状の開口部８１が形成されている。開口部８１の径は、柱状部材５５がＸＹ方向に移動しても、柱状部材５５の側面と当接しない大きさに設定されている。

閉口部材８６は、円帯状（円環状）の板材であり、チャンバ８５の底板８５ａの上面に載置され、開口部８１を閉口する。但し、閉口部材８６の内径は、柱状部材５５の径よりも若干大きくなっている。これにより、閉口部材８６は、柱状部材５５が上下方向に移動しても、自重でチャンバ８５の底板８５ａに当接する。なお、チャンバ８５は、窒素やＤＲＹＡＩＲが充満する空間を形成し、半導体ウェハの結露を防止するものである。チャンバ８５は、真空チャンバではないので、閉口部材８６と柱状部材５５との間の隙間からの窒素やＤＲＹＡＩＲの漏れを問題としない。

チャック５０とチャンバ８５の側板８５ｂとの間には、線状部材としてのホース７０が設けられている。ホース７０には、半導体ウェハ１２０に吹き付ける窒素やＤＲＹＡＩＲが供給される。ホース７０は、フッ素樹脂パイプ（テフロン（登録商標）パイプ）であり、硬く、屈曲性が低い。また、チャック５０とチャンバ８５の側板８５ｃとの間には、線状部材としてのケーブル７５が設けられている。ケーブル７５は、図示しないヒータやペルチェ素子に通電するものである。また、ケーブル７５は、半導体ウェハ１２０の電気特性を計測するプローブと計測器（図示せず）とを接続するものでもある。

また、チャンバ８５及びＸステージ１０は、本体筐体８０に固定されている。このため、ホース７０及びケーブル７５の取付時の撓みにより、チャック５０は、ホース７０及びケーブル７５の復元力を受ける。また、ホース７０及びケーブル７５の屈曲状態により、チャック５０が受ける復元力の方向や大きさが異なる。

また、チャック５０とＸＹステージ５との間には、θステージ４０、Ｚステージ３０及び柱状部材５５が介挿されている。つまり、チャック５０は、ＸＹステージ５に対して、Ｚ方向に高く配設されている。このため、チャック５０は、傾倒し、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に位置ズレする。したがって、チャック５０の位置は、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０が備えるリニアスケール１５，２５の測定位置とは異なる。

なお、図１では、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０、θステージ４０及びチャック５０がＸ軸方向に微小変位した状態を破線で示している。また、図１には、チャック５０の変位量をΔＸで示している。さらに、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０及びθステージ４０の何れかのステージの移動により、ホース７０及びケーブル７５の反発力が変化し、チャック５０の変位量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）も変動する。

ＣＣＤカメラ６０は、ＸＹステージ５の中心の上方であって、チャンバ８５の上板８５ｄの下部に設けられている。これにより、ＣＣＤカメラ６０は、チャック５０に固定された校正用マスク１１０の一部を拡大して撮像する撮像素子である。

制御装置９０は、ＰＣ（Personal Computer）であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）がプログラムを実行することにより、図示しない位置制御部と画像計測部との機能を実現する。位置制御部は、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０、及びθステージ４０を駆動するステージコントローラ４５を制御する。画像計測部は、ＣＣＤカメラ６０の撮像画像を用いて、チャック５０の位置（画像計測位置）を計測する。

また、制御装置９０は、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０、及びθステージ４０を移動させつつ、チャック５０に生じる微小変位（例えば、ΔＸ）を計測し、ステージの校正を行う。また、制御装置９０は、校正時に、チャック５０の位置（画像計測位置）や微小変位を示す画像を表示装置（図示せず）に表示させる。なお、制御装置９０と窒素ボンベ９５とは、本体筐体８０の外部に配置されている。

図２は、校正用マスクのパターン図である。
校正用マスク１１０は、石英ガラスに酸化クロムのパターンを転写したものである。校正用マスク１１０のパターンは、平行且つ等間隔な複数の直線を縦横に配列したものであり、縦横一つづつの直線が中心点Ｏ（０，０）を通っている。校正用マスク１１０の中心点Ｏは、チャック５０の位置を評価するためのものである。なお、方眼の間隔Ｄは、ＣＣＤカメラ６０の撮像範囲（一点鎖線）よりも狭い。つまり、ＣＣＤカメラ６０は、複数回の撮像で、全範囲を撮像する。

図３は、ステージの校正方法を説明するためのフローチャートである。
このルーチンは、校正作業者が校正用マスク１１０をチャック５０に固定し、制御装置９０に格納されている校正用プログラムを起動したときに起動する。

制御装置９０は、ＣＣＤカメラ６０の撮像画像を画像処理し、校正用マスク１１０の中心点Ｏを画像計測基準点に設定する（Ｓ１１）。Ｓ１１の処理後、制御装置９０は、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０を所定のピッチで移動させる（Ｓ１２）。このとき、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０の設定位置が記憶部に記憶される。Ｓ１２の処理後、制御装置９０は、校正用マスク１１０の交点位置（初回は、中心点Ｏ）を画像計測し（Ｓ１３）、交点の座標を記憶部に格納する。

Ｓ１３の処理後、制御装置９０は、校正用マスク１１０の交点を追尾し、追尾した交点が撮像範囲内（画像計測範囲内）か否か判定する（Ｓ１４）。追尾した交点が撮像範囲内であれば（Ｓ１４で範囲内）、制御装置９０は、交点の座標を記憶する（Ｓ１６）。一方、追尾した交点が撮像範囲外に出たときには（Ｓ１４で範囲外）、校正用マスク１１０の他の交点（例えば、座標（１，０）の交点）が撮像範囲内（画像計測範囲内）に入っている。この場合、制御装置９０は、他の交点の座標を校正用マスクの方眼間隔Ｄで加算（例えば、Ｘ方向にシフト）し（Ｓ１５）、加算した他の交点の座標（画像計測位置）を記憶する（Ｓ１６）。

Ｓ１６の処理後、制御装置９０は、ＸＹＺステージの設定位置が仕様範囲内（最大移動範囲内）であるか否か判定する（Ｓ１７）。仕様範囲内であれば（Ｓ１７で範囲内）、制御装置９０は、処理をＳ１２に戻し、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０を所定のピッチで移動させる（Ｓ１２）。一方、仕様範囲外になれば（Ｓ１７で範囲外）、制御装置９０は、ＸＹＺステージの設定位置Ｘｓに対する画像計測位置Ｘｍを最小二乗近似する（Ｓ１８）。つまり、制御装置９０は、画像計測位置（例えば、Ｘ軸）を下記のようなｎ次式（但し、１次式を除く。）で最小二乗近似する。
ｆ（Ｘｓ）＝ａ_０＋ａ_１Ｘｓ＋ａ_２Ｘｓ^２＋ａ_３Ｘｓ^３＋・・・・・（１）
そして、近似式ｆ（Ｘｓ）の係数ａ_０，ａ_１，ａ_２，ａ_３，・・・を記憶部に一時記憶する。

なお、Ｓ１１で、校正用マスク１１０の中心点Ｏを画像計測基準点に設定している。このため、ホース７０及びケーブル７５をチャック５０に取り付けた取付時に生じる中心点Ｏの位置ズレはゼロと見なされる。

図４は、本発明の第１実施形態におけるＸ軸方向の校正曲線を説明するための図である。
横軸は、Ｓ１２で記憶されたＸステージ１０の設定位置Ｘｓである。縦軸は、Ｓ１６で記憶された校正用マスク１１０の交点のＸ座標（画像計測位置）Ｘｍである。破線は、ステージ移動量と校正用マスクの位置とが一致（比例）する理想直線である。実線は、校正用マスク１１０の交点の計測値をｎ次式（例えば、２次式）で最小二乗近似した近似式である。図４では、実線と破線との差分（微小変位ΔＸ：ズレ量）がＸステージ１０の設定位置に応じて変動している。

この近似式ｆ（Ｘｓ）は、Ｘステージ１０の設定位置Ｘｓと校正用マスク１１０の交点の画像計測位置Ｘｍとの関係を示したものである。近似式ｆ（Ｘｓ）は、原点を通る傾き１の直線なので、
ｆ（Ｘｓ）＝Ｘｓ＋ａ_２Ｘｓ^２＋ａ_３Ｘｓ^３＋・・・・・（２）
となる。また、図４に示す近似式ｆ（Ｘｓ）は、単調増加（ｄｆ（Ｘｓ）／ｄＸｓ＞０）の条件を付している。これにより、校正用マスク１１０の中心点Ｏを目標位置（画像計測位置Ｘｍ）としたとき、２つのＸステージ１０の設定位置Ｘｓが出てくることを防いでいる。

次に、制御装置９０は、Ｘステージ１０の設定位置Ｘｓにおけるズレ量ΔＸを最小二乗近似する。つまり、制御装置９０は、設定位置Ｘｓとズレ量ΔＸ＝（ｆ（Ｘｓ）−Ｘｓ）との関係を示す校正式の係数ｂ_０，ｂ_１，ｂ_２，ｂ_３，・・・を演算する。
ΔＸ（Ｘｓ）＝ｂ_０＋ｂ_１Ｘｓ＋ｂ_２Ｘｓ^２＋ｂ_３Ｘｓ^３＋・・・・（３）

なお、最小二乗近似は、ステージを移動させる全区間をｎ次式（ｎ：２以上の整数）で近似させても構わないし、移動平均させても構わない。また、図４の計測値や校正曲線は、校正時に、制御装置９０が表示部に表示させても構わない。

図３のフローチャートの説明に戻り、Ｓ１８の処理後、制御装置９０は、校正用マスク１１０の交点を画像計測した画像計測位置の各々と近似式の値とを差分演算し（Ｓ１９）、差分値（残差）がプローバ位置精度の保証範囲内か否か判定する（Ｓ２０）。精度保証範囲内であれば（Ｓ２０で範囲内）、制御装置９０は、（３）式で求めた校正式ΔＸ（Ｘｓ）の係数ｂ_０，ｂ_１，ｂ_２，ｂ_３，・・・をファイル出力する（Ｓ２１）。このとき、（１）式で求めた近似式ｆ（Ｘｓ）の係数ａ_０，ａ_１，ａ_２，ａ_３，・・・をファイル出力しても構わない。

一方、保証範囲外であれば（Ｓ２０で範囲外）、制御装置９０は、ピッチ間隔を変化させて（Ｓ２２）、残差を小さくする。Ｓ２２の処理後、制御装置９０は、ステージの設定位置を初期状態に戻してから（Ｓ２３）、処理をＳ１２に戻し、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０を所定のピッチで移動させる。

図５は、校正式を用いてステージ駆動する方法を説明するためのフローチャートである。このルーチン（Ｓ３０）は、チャック５０（図１）に半導体ウェハ１２０を固定し、電気的特性や温度特性を測定する場合であって、ステージを駆動する毎に起動する。また、このときには、予め、Ｓ２１（図４）でファイル出力された校正式ΔＸ（Ｘｓ）の係数ｂ_０，ｂ_１，ｂ_２，ｂ_３，・・・が読み込まれており、ステージの目標位置（設定位置）が決定されているものとする。

制御装置９０は、ファイルに格納された校正式の係数ｂ_０，ｂ_１，ｂ_２，ｂ_３，・・・を用いて、画像計測位置Ｘｓ（目標値）におけるズレ量ΔＸ（Ｘｓ）を演算する（Ｓ３１）。Ｓ３１の後、目標値Ｘｓにズレ量ΔＸ（Ｘｓ）を減算して、ステージ設定値Ｘｓを演算する（Ｓ３２）。Ｓ３２の後、制御装置９０は、ステージ設定値Ｘｓをステージコントローラ４５に出力し、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０を駆動する（Ｓ３３）。

また、（１）式（近似式ｆ（Ｘｓ））の増加・減少がある場合は、予め、極大点をファイルに格納しておき、Ｘステージ１０の設定位置Ｘｓが極大点から増加するときか、減少するときかの判定を行う。

以上説明したように、プローバ装置１００においては、線状部材としてのホース７０、及びケーブル７５がチャック５０と本体筐体８０との間に取り付けられている。このため、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０を移動すると、チャック５０は、ホース７０及びケーブル７５の復元力によって、位置ズレを起こす。プローバ装置１００は、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０を移動しつつ、チャック５０に固定された校正用マスク１１０に形成された十字線の画像を撮像する。

制御装置９０は、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０の設定位置（目標位置）に対する画像計測した十字線の位置（画像計測位置）をｎ次式（ｎ：２以上の整数）で最小二乗近似する。制御装置９０は、画像計測位置と最小二乗近似した校正式との差分が精度保証範囲内になるまで、ピッチ間隔を変化させる。制御装置９０は、精度保証範囲内になった近似式ｆ（Ｘｓ）や校正式ΔＸ（Ｘｓ）をファイルに格納する。

プローバ装置１００は、読み出した校正式で補正し、補正した設定位置（目標位置）で、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０を位置制御する。これにより、Ｘステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０の設定位置を変えたときに生じる弾性変位（位置ズレ）を補正することができる。

（第２実施形態）
前記第１実施形態では、ｎ次式（例えば、２次式）を用いて、ステージ移動量の全範囲を近似式で校正したが、ズレ量が点対称になる様な特別な場合は簡易的に校正することができる。

図６は、本発明の第２実施形態におけるＸ軸方向の校正曲線を説明するための図である。
図４と同様に、図６の横軸は、ステージ移動量であり、縦軸は、ＣＣＤカメラ６０で撮像したマスク位置である。破線は、ステージ移動量と校正用マスク１１０の位置とが一致（比例）する理想直線である。実線は、校正用マスク１１０の交点座標の軌跡である。実線と破線との差分がチャック５０に生じた微小変位ΔＸである。

図６では、微小変位ΔＸがＰ点を中心に点対称のようになっている。つまり、画像計測位置Ｘｍを近似する近似式ｆ（Ｘｓ）は、ステージ移動量の３次式で近似することができる。また、Ｐ点を基準にステージ移動量Ｘを減少する減少時と増加する増加時とで、微小変位ΔＸが逆方向になっている。このため、Ｐ点を基準に減少時と増加時との何れか一方を２次近似すれば、他方も近似することができる。

また、前記第１実施形態と同様に、近似式ｆ（Ｘｓ）に対して、単調増加（ｄｆ（Ｘｓ）／ｄＸｓ＞０）の条件を付している。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記実施形態のＸステージ１０、Ｙステージ２０、Ｚステージ３０は、それぞれ、リニアスケール１５，２５，３５を内蔵し、計測位置と目標位置とが一致するように帰還制御されていた。ステッピングモータを用いて、ステージ位置をオープンループ制御しても構わない。
（２）前記実施形態のステージ装置１００は、Ｘステージ１０及びＹステージ２０と、Ｚステージ３０との間に、θステージ４０及び柱状部材５５を介挿していたが、柱状部材５５は無くても構わない。また、前記実施形態では、校正用マスク１１０を用いていたが、例えば、チャック５０にマーク（目印）やスケールを付し、ＣＣＤカメラ６０がマークやスケールを撮像して、チャック５０の位置を画像計測しても構わない。

５ＸＹステージ
１０Ｘステージ
２０Ｙステージ
３０Ｚステージ
４０ θステージ
５０チャック
５５柱状部材
６０ＣＣＤカメラ（撮像素子）
７０ホース（線状部材）
７５ケーブル（線状部材）
８０本体筐体
８１開口部
８５チャンバ
８５ａ底板（底部）
８６閉口部材
９０制御装置
９５窒素ボンベ
１００プローバ装置
１１０校正用マスク
１２０半導体ウェハ

Claims

本体筐体に固定されたＸＹステージと、
前記ＸＹステージにより移動させられるＺステージと、
前記Ｚステージにより移動させられるチャックと、
前記チャックの上方に配設される撮像素子とを備えたプローバ装置であって、
一端が前記本体筐体に固定され、他端が前記チャックに固定された線状部材と、
前記ＸＹステージの第１目標位置と前記撮像素子で計測した前記チャックの位置との関係を最小二乗近似した近似式（１次式を除く）を演算する制御装置と、
を備えることを特徴とするプローバ装置。
請求項１に記載のプローバ装置であって、
前記線状部材は、フッ素樹脂パイプである
ことを特徴とするプローバ装置。
請求項２に記載のプローバ装置であって、
前記近似式は、３次式、且つ単調増加である
ことを特徴とするプローバ装置。
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のプローバ装置であって、
前記制御装置は、前記撮像素子が出力する校正用マスクの撮像画像を用いて、該校正用マスクの基準点の位置を画像計測し、前記チャックの位置を求める
ことを特徴とするプローバ装置。
請求項４に記載のプローバ装置であって、
前記制御装置は、前記近似式と前記第１目標位置との差分と、前記第１目標位置との関係をファイルに格納し、前記ファイルに格納された関係を用いて校正した第２目標位置で、前記ＸＹステージ及び前記Ｚステージを位置制御する
ことを特徴とするプローバ装置。
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のプローバ装置であって、
前記チャックと前記Ｚステージとの間に介挿される柱状部材をさらに備え、
前記柱状部材の長さは、前記Ｚステージの移動距離よりも長い
ことを特徴とするプローバ装置。