JP6685526B1 - プローバ装置、及び計測用治具 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップの電圧電流特性を容易に行う。【解決手段】部材を吸着固定するチャック５０と、半導体チップ４０の電気的特性を測定するプローブ６０と、プローブ６０を移動させるＺステージ７５とを備えたプローバ装置であって、部材は、チャック５０と半導体チップ４０との間に介挿される計測用治具３０であり、計測用治具３０は、複数の穴が開口する金属基材２０と、穴に挿入されている複数のコンタクトプローブ１０とを備え、コンタクトプローブ１０は、進退可能な電極部を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、プローバ装置、及び計測用治具に関し、例えば、半導体チップの金属配線を行う前段階で電圧電流測定を行うときに使用するプローバ装置、及び計測用治具に関する。

半導体チップの試作や検査では、半導体チップの上面に形成された複数の電極にプローブピンを接触させてから、電圧電流測定が行われる。

特許文献１には、半導体ウェハのチップに形成された電極に、上から複数のピンを接触させるプローブが開示されている。また、特許文献１には、半導体チップに当接していない状態において弾性力が小さく、半導体チップに当接した状態においては、弾性力が大きくなるようにしたプローブピン（ポゴピン）が記載されている。

特許第６３１７２７０号公報（段落００４３参照）

特許文献１の技術は、半導体チップの上部に形成された電極（上部電極）に、上方からプローブピンを接触させるものである。このため、Ｓｉ基板の電位を基準に電圧電流測定を行うためには、半導体チップの下部のＳｉ基板に金属配線を行ってから、上部電極の電圧電流測定を行うことになる。この金属配線は、半導体チップの開発試作段階では、工程の増加を意味する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体チップの電圧電流特性を容易に行うことができるプローバ装置、及び計測用治具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、本発明の計測用治具は、二次元配列した複数の穴が開口する金属基材と、前記穴に挿入されている複数のコンタクトプローブとを備え、前記コンタクトプローブは、進退可能な電極部を有し、全ての前記コンタクトプローブと前記金属基材とは、電気的に接続されていることを特徴とする。

これによれば、半導体チップの下部にコンタクトプローブを接触させることができる。このため、半導体チップのＳｉ基板に金属配線を行わずとも、Ｓｉ基板の電位を基準に電圧電流測定を行うことができる。また、計測用治具を吸着固定するチャックの吸着溝の大きさよりも、コンタクトプローブ同士の間隔を小さくすれば、吸着溝よりも小さな半導体チップを固定することができる。

本発明によれば、半導体チップの電圧電流特性を容易に行うことができる。

本発明の実施形態であるプローバ装置の構成図である。 本発明の実施形態であるプローバ装置の外観写真である。 本発明の実施形態である計測用治具の平面図及び断面図である。 計測用治具で使用されるプローブピンの模式図である。 半導体チップの構造図である。 本発明の実施形態であるプローバ装置を用いた測定方法を説明する説明図である。 チャックに半導体チップを載置した状態を示す写真である。 比較例に係るプローバ装置の構成図である。 本発明の変形例である計測用治具の平面図である。

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。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態であるプローバ装置の構成図であり、図２は、その外観写真である。
プローバ装置１００は、チャック５０と、プローブ６０と、ＸＹステージ７０と、Ｚステージ７５と、計測器８０と、顕微鏡８１と、吸着ポンプ８５とを備えて構成されるマニュアルプローバである。マニュアルプローバは、半導体チップ４０の開発試作段階で、電圧電流測定を行う際に好適に使用される。

チャック５０には、吸着溝５２と、吸着溝５２に連通する吸着孔５１とが形成されている。チャック５０は、本来、半導体ウェハ又は半導体チップを保持（吸着固定）するものである。しかしながら、本実施形態のプローバ装置１００は、チャック５０と半導体チップ４０との間に計測用治具３０を介設する。つまり、チャック５０に保持される部材としての計測用治具３０は、チャック５０の吸着溝５２又は吸着孔５１の上に載置され、計測用治具３０の上に半導体チップ４０が載置される。なお、図２の外観図では、計測用治具３０、半導体チップ４０、計測器８０、吸着ポンプ８５が省略されている。

プローブ６０は、計測器８０で半導体チップ４０の電圧電流特性を測定するためのものであり、複数（例えば、２つ）のプローブ電極６１と、プラテン６２と、複数（例えば、４つ）のポジショナ７１とを有している。プローブ電極６１は、半導体チップ４０の電極４３に接触させる針である。ポジショナ７１は、プローブ電極６１を微動させるものである。プラテン６２は、複数のポジショナ７１を固定する板材である。Ｚステージ７５は、レバー（図２）の操作に応じて、プラテン６２を上下方向に移動させる。ＸＹステージ７０は、チャック５０を水平方向に移動させるものである。

計測器８０は、複数のプローブ電極６１を用いて検出した半導体チップ４０の電圧電流特性を数値化し、分析する装置である。計測器８０は、計測用治具３０にも接続されている。このため、計測器８０は、半導体チップのＳｉ基板４１に接触した計測用治具３０の電位を基準に、半導体チップ４０の電圧電流特性を測定することもできる。顕微鏡８１は、半導体チップ４０及びプローブ電極６１の像を拡大するものである。

吸着ポンプ８５は、チャック５０に形成された吸着孔５１から空気を吸い込む。これにより、吸着溝５２の上に載置された計測用治具３０がチャック５０に吸着される。本実施形態では、半導体チップ４０の一辺の長さＤは、吸着溝５２よりも小さく、計測用治具３０の大きさは、吸着溝５２よりも大きい。

図３（ａ）は、本発明の実施形態である計測用治具の平面図であり、図３（ｂ）は、そのＡ−Ａ断面図である。
計測用治具３０は、複数（例えば、１４４本）のコンタクトプローブ１０と、金属基材２０とから構成される。コンタクトプローブ１０は、略円柱状の金属部材である。コンタクトプローブ１０は、電極部１２が進退し、伸縮可能に構成されている。電極部１２が押圧されると、コンタクトプローブ１０は、伸張状態から退行状態に変化する。なお、コンタクトプローブ１０の外径は、例えば、０．１５２ｍｍや０．３ｍｍである。

金属基材２０は、直方体状の金属部材であり、複数（例えば、１４４個）の挿入穴２１を備えている。挿入穴２１は、有底の穴であり、金属基材２０の上面に開口している。挿入穴２１同士の間隔ｄは、吸着溝５２の大きさ（長さＬ（図１））よりも短く、半導体チップ４０の一辺の最小長さＤ（図５）よりも短い。また、挿入穴２１同士の間隔ｄは、吸着溝５２の長さをＬとして、ｄ＝Ｌ／Ｎ（Ｎは、２以上の整数、好ましくは５以上の整数、さらに好ましくは１０以上の整数）以下が好ましい。

各々の挿入穴２１には、コンタクトプローブ１０が挿入されており、電極ピン１１の一部が金属基材２０から露出する。これにより、電極ピン１１は、Ｓｉ基板４１（図５）の底面だけでなく、側面にも接触可能である。なお、金属基材２０と全てのコンタクトプローブ１０とは、電気的に接続されている。また、挿入穴２１は、貫通孔でも構わない。

図４は、計測用治具で使用されるプローブピンの模式図である。
コンタクトプローブ１０は、電極ピン１１と、ホルダー１５と、バネ部材１３とを備える。電極ピン１１は、電極部１２と当接部１７とが形成された金属の軸体である。電極部１２は、電極ピン１１に形成された略半球状の部分である。当接部１７は、コンタクトプローブ１０の伸張状態でホルダー１５の凹部上端１６ａに当接する。

ホルダー１５は、電極ピン１１が挿入される中空金属の軸体である。ホルダー１５の内面の中間部には、凹部１６が形成されている。すなわち、ホルダー１５の内部空間は、中間部が拡径されており、その拡径部分において、電極ピン１１の当接部１７が上下動する。バネ部材１３は、コイルばねであり、圧縮状態で、一端が当接部１７に当接し、他端がホルダー１５の凹部下部１６ｂに当接する。これにより、コンタクトプローブ１０の電極部１２は、押圧されると、ホルダー１５に対して退行する。

図５は、半導体チップの構造図である。
半導体チップ４０は、Ｓｉ基板４１に電気回路部４２が形成されたものであり、電気回路部４２には、複数の電極４３が形成されている。ここで、半導体チップ４０は、金属配線が行われていないものとする。また、半導体チップ４０の一辺の最小長さＤ（図１，６）は、吸着溝５２の長さＬ（図１）よりも短い。

（使用方法）
図６は、本発明の実施形態であるプローバ装置を用いた測定方法を説明する説明図である。
まず、作業者は、計測用治具３０をチャック５０の吸着孔５１の上に載置する。この状態では、全てのコンタクトプローブ１０は、伸張状態（可動範囲の上限位置にある状態）である。そして、作業者は、計測用治具３０の上に半導体チップ４０を載置する。このとき、作業者は、Ｓｉ基板４１を下にして載置する。

次に、作業者は、Ｚステージ７５でプローブ６０を下降させる。これにより、プローブ電極６１が半導体チップ４０を押し下げる。この結果、図１で示したように、半導体チップ４０の電極４３とプローブ６０のプローブ電極６１とが接触する。また、半導体チップ４０直下の複数のコンタクトプローブ１０が退行した退行状態（下方に移動した状態）になり、Ｓｉ基板４１と金属基材２０（図１）とが導通する。なお、半導体チップ４０の周辺の複数のコンタクトプローブ１０は、伸張状態を維持する。

計測器８０は、電極４３に接触した状態で電圧電流測定を行う。このとき、Ｓｉ基板４１と計測用治具３０の何れかの電極部１２とが接触するので、計測器８０は、Ｓｉ基板４１の電位を基準に計測することができる。

図７は、本実施形態の計測用治具３０（図１）を用いることなく、チャック５０の上面に、直接、半導体チップ４０を載置した写真である。なお、吸着孔５１の周囲には、十字状の吸着溝５２が形成されている。吸着溝５２の大きさ（長さＬ）と半導体チップ４０の一辺の最小長さＤとが同程度であるので、半導体チップ４０が吸着溝５２に落下又は傾斜してしまうことが分かる。

これに対し、本実施形態のプローバ装置１００（図１）では、計測用治具３０がチャック５０に吸着固定され、計測用治具３０の中央部に半導体チップ４０が載置されている。さらに、プローバ装置１００は、載置された半導体チップ４０をプローブ電極６１で押し下げることにより、半導体チップ４０を保持している。計測用治具３０の一辺の大きさは、吸着溝５２の大きさよりも大きいので、計測用治具３０が吸着溝５２に落下したり傾斜したりすることはない。したがって、半導体チップ４０の一辺の最小長さＤが吸着溝５２の大きさ（長さＬ）と同程度であっても、プローバ装置１００は、半導体チップ４０を確実に固定することができる。

（比較例）
図８は、比較例に係るプローバ装置の構成図である。
プローバ装置１０１は、前記実施形態の計測用治具３０（図１）を使用していない。そのために、チャック５０の吸着溝５２の上に、半導体チップ４０とベース板９０とを両面テープ９５で貼り合わせたものを載置している。

ベース板９０は、確実にチャック５０に吸着固定される。しかしながら、ベース板９０が金属板であったとしても、両面テープ９５が絶縁物なので、半導体チップ４０の裏面側のＳｉ基板４１と電気的接触を得ることができない。また、半導体チップ４０の上面側の電極４３にプローブ電極６１を接触させる際、両面テープ９５の厚みが変化し、接触状態が不安定になる問題点があった。

これらの問題点に対し、実施形態に係る計測用治具３０（図１）によれば、複数の電極部１２（図３（ｂ））と半導体チップ４０のＳｉ基板４１との電気的接触が得られる。つまり、計測器８０は、金属配線を行う前段階で、Ｓｉ基板４１の電位を基準に電極４３の電圧電流特性を測定することができる。また、計測用治具３０は、バネ部材１３（図４（ｂ））の反発力で、複数の電極部１２とＳｉ基板４１とが電気的に接触するので、接触状態が安定する。

ところで、銀ペースト等の導電性接着剤で、半導体チップ４０をチャック５０に接着することも考えられる。導電性接着剤であれば、完全な固定と、良好な電気的接触を維持することができる。しかしながら、導電性接着剤は、接着に要する時間が掛かり、加熱により硬化するため、温度ストレス（熱的ストレス）が掛かる問題点がある。また、一度接着すると半導体チップ４０をチャック５０から取り外しにくい問題点がある。

一方、実施形態に係る計測用治具３０（図１）によれば、Ｚステージ７５でプローブ電極６１を上昇させるだけで、半導体チップ４０を取り外すことができる。また、導電性接着剤を使っていないので、半導体チップ４０に熱的ストレスが掛からない。

（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）前記実施形態の計測用治具３０は、複数のコンタクトプローブ１０を碁盤の目のように二次元的に配列したが、千鳥配列にすることもできる。図９に示す計測用治具３１は、金属基材２２と複数のコンタクトプローブ１０とから構成されている。金属基材２２の挿入穴は、千鳥配列である。隣接する３本のコンタクトプローブ１０，１０，１０は、二等辺三角形の頂点に配置される。底辺の間隔は、ｄであり、等辺の長さは、ｄ１＞ｄである。半導体チップ４０の一辺の最小長さＤ（図５）は、長さｄ１よりも長い。

（２）前記実施形態のプローバ装置１００は、顕微鏡８１を用いたマニュアルプローバであったが、撮像カメラ（不図示）を用いても構わない。また、ＸＹステージ７０やＺステージ７５等は、ＰＣ（Personal Computer）を用いて位置制御しても構わない。

１０ コンタクトプローブ
１１ 電極ピン
１２ 電極部
２０，２２ 金属基材
２１ 挿入穴
３０，３１ 計測用治具
４０ 半導体チップ
４１ Ｓｉ基板
４３ 電極
５０ チャック
５２ 吸着溝
６０ プローブ
６１ プローブ電極
８０ 計測器
８１ 顕微鏡（撮像カメラ）
１００ プローバ装置

Claims (5)

1. 部材を保持するチャックと、半導体チップの電気的特性を測定するプローブと、該チャック及び該プローブの何れか一方又は双方を移動させるステージとを備えたプローバ装置であって、
   前記部材は、前記チャックと前記半導体チップとの間に介挿される計測用治具であり、
   前記計測用治具は、
   二次元配列した複数の穴が開口する金属基材と、
   前記穴に挿入されている複数のコンタクトプローブとを備え、
   前記コンタクトプローブは、進退可能な電極部を有し、
   全ての前記コンタクトプローブと前記金属基材とは、電気的に接続されている
   ことを特徴とするプローバ装置。
2. 請求項１に記載のプローバ装置であって、
   前記コンタクトプローブ同士の間隔は、前記チャックの吸着溝の大きさよりも小さい
   ことを特徴とするプローバ装置。
3. 部材を保持するチャックと、半導体チップの電気的特性を測定するプローブと、該チャック及び該プローブの何れか一方又は双方を移動させるステージとを備えたプローバ装置であって、
   前記部材は、前記チャックと前記半導体チップとの間に介挿される計測用治具であり、
   前記計測用治具は、
   複数の穴が開口する金属基材と、
   前記穴に挿入されている複数のコンタクトプローブとを備え、
   前記コンタクトプローブは、進退可能な電極部を有し、
   前記コンタクトプローブ同士の間隔は、前記チャックの吸着溝の大きさよりも小さく、
   前記複数のコンタクトプローブの少なくとも一つが前記半導体チップの基板に接触する
   ことを特徴とするプローバ装置。
4. 二次元配列した複数の穴が開口する金属基材と、
   前記穴に挿入されている複数のコンタクトプローブとを備え、
   前記コンタクトプローブは、進退可能な電極部を有し、
   全ての前記コンタクトプローブと前記金属基材とは、電気的に接続されている
   ことを特徴とする計測用治具。
5. 請求項４に記載の計測用治具であって、
   前記コンタクトプローブ同士の間隔は、保持されるチャックの吸着溝の大きさよりも小さく、
   前記複数のコンタクトプローブの少なくとも一つが載置される半導体チップの基板に接触する
   ことを特徴とする計測用治具。