JPH10303260A

JPH10303260A - プローブ先端パラメータの自動測定による半導体素子の検査方法

Info

Publication number: JPH10303260A
Application number: JP10126808A
Authority: JP
Inventors: Andrew Holy Theodore; テオドア・アンドリュ−・ホーリー; L Goode Laun; ラウン・エル・グッディ; J Bastos Larry; ラリー・ジェイ・バストス
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 1998-11-13
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: US6127831A; JP4308938B2

Abstract

(57)【要約】【課題】プローブ先端パラメータの測定および検査を
生産フローの中に統合する検査方法を提供する。【解決手段】プローブ先端（２０）のパラメータの測
定装置（７０）を、プローブ検査ステーション（１０）
のチャック（２４）即ち基板ホルダ上に一体化する。プ
ローブ・カード（１８）の単一のプローブ・ピン，数個
のプローブ・ピン，またはプローブ・ピンの全てについ
て、プローブ先端の力を同時に測定することができる。
プローブ先端力のようなプローブ先端のパラメータの測
定を統合化によって、プローブ・プロセスに関するリア
ル・タイムのデータが得られ、測定したプローブ先端パ
ラメータおよび縦方向のプローブ・チャックの過剰駆動
間のフィードバックが可能となる。この検査統合化は、
ウエハ（２２）上のダイ（２６）の試験中に、プローブ
先端のパラメータを周期的に検査することによって行わ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に、半導体
素子の検査に関し、更に特定すれば、ばね張力および電
気的抵抗を含むプローブ先端パラメータの自動測定を含
む、半導体素子の検査方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】集積回路の製造におけるステップの１つ
に、「プローブ(probe) 」と呼ばれるものがある。ウエ
ハの処理終了後に、プローブ・カードおよびプローブ・
ステーションを用いて当該ウエハを検査することによ
り、パッケージする前の各ダイの性能を電気的に検査す
る。この時点で、プローブにおいて不合格となったダイ
には、不良のマークを付け、最終的に廃棄する。ダイが
不合格となるには、多くの理由があり得る。かかる不良
の原因の１つとして、ダイ自体は完全に良品であって
も、ハードウエアの不良によるものが考えられる。

【０００３】プローブは、ウエハ内のダイをプローブ・
カードと電気的に接触させ、これを検査用ハードウエア
に接続する手段を提供する。現行では、プローブ・カー
ドは多数のプローブ先端を有し、ダイ上の周囲にあるボ
ンド・パッドまたはアレイ状のバンプのいずれかに接触
する。多くの場合、プローブ先端は、ボンド・パッドま
たはバンプの酸化物層を削り落として、電気的接触を行
う必要がある。このため、プローブ先端にはある程度の
力，ならびにＸ方向および／またはＹ方向の運動が必要
となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】今日の集積水準では、
ダイおよび対応するプローブ・カードは、多数の接触を
行わなければならない。数百カ所の接触を同時に行うこ
とはめずらしくはない。その結果、プローブ・カードは
多数のプローブ先端を内蔵し、そのプローブ先端の各々
が対応する目標のボンド・パッドまたはアレイ・バンプ
と接触しなければならない。あいにく、しかしながら、
所与のプローブ・カード内において、異なるプローブ・
パッドが対応するボンディング・パッドまたはバンプに
与える接触力が異なる可能性がある。その結果、ダイに
対する電気的接触にばらつきが生じる。この問題を検出
し、解決し、その解決を確認することができれば、有利
であろう。現在、プローブ・カードがプローブ・ステー
ション内に実装されている場合、各プローブ先端毎にプ
ローブ先端力を「リアル・タイム」で測定することはで
きない（ここで、リアル・タイムとは、中間の検査中断
のことを言う）。また、プローブ先端力を測定し、それ
をプローブ・プロセスの統合部分として、ばね定数に変
換することができれば、有利であろう。

【０００５】現在、Washington州のMercer Islnad のAp
plied Precision Inc.が、個々のプローブ先端の相対力
を測定可能な、オフ・ライン・ステーションを製造して
いる。このステーションはオフ・ラインであるので、プ
ローブ先端力の測定および検査を生産フローの中に統合
することは不可能である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による一体化プロ
ーブ先端パラメータ測定装置は、プローブ・ステーショ
ンのチャック（基板ホルダ）上に一体化される。プロー
ブ・カード上の単一のプローブ先端，数個のプローブ先
端，または全プローブ先端のいずれかについて、プロー
ブ先端力の測定が可能である。プローブ先端力の測定を
検査ステーションに統合することによって、プローブ・
プロセスに関するデータを短時間で得ることができる。
これによってもたらされる利点として、プローブ先端力
の測定値およびＺ軸方向のチャックの過剰駆動(overdri
ve) 間のフィードバックが可能となることがあげられ
る。

【０００７】本発明のよりより理解は、添付図面に関連
付けて以下の詳細な説明を検討することにより得ること
ができよう。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は、プローブ検査ステーショ
ン（「テスタ」）１０の断面図である。テスタ１０は、
検査ヘッド１２およびプローバ１４を有する。検査ヘッ
ド１２をプローブ・カード１８に接続するのは、プロー
ブ・インターフェース１６である。プローブ・カード１
８の底面上には、プローブ先端２０がある。プローブ先
端２０のいくつかの例として、カンチレバー・プロー
ブ，コブラ針プローブ(Cobra needle probe)，およびメ
ンブレーン・バンプ，ならびにその他のコンプライアン
ト・コンタクト(compliant contact) 技術があげられ
る。その他の技術にも考えられるものがある。

【０００９】プローブ先端２０は、ウエハ２２内の被検
査素子（ＤＵＴ：device under test ）を検査ヘッドに
電気的に接続する。プローバ・チャック２４はウエハ２
２およびウエハ２２内のダイ２６を、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に
移動させ、プローブ先端２０の接触点を個々のダイ２６
に接続する。

【００１０】図２は、図１におけるテスタ１０のチャッ
ク上面の平面図である。複数のダイからなる半導体ウエ
ハ２２を、チャック２４上に定着する。チャック２４自
体には、プローブ先端パラメータの測定のために、３つ
の潜在的に可能な機構(occasion)が取り付けられてい
る。典型的に、整合にはカメラ３２を用いる。しかしな
がら、これは、プローブ先端およびセンサの目標物の像
(view)を同時に与えることができる。典型的に、プロー
ブ先端清浄装置３４を用いてプローブ先端２０を定期的
に清浄化する。これは、サンド・ペーパの場合のよう
に、プローブ先端２０の底面に素早く接触させることに
よって行う。これは、「Ｎ」個のダイ毎に行われる。最
後に、独立した力測定ステーション３６を設置し、１つ
以上のプローブ先端２０に対するプローブ先端２０の力
を同時に自動測定可能とする。プローブ・パラメータ・
センサは、これら３カ所、即ち、カメラ３２，プローブ
先端洗浄装置３４，および独立した力測定ステーション
３６のいずれにも一体化が可能であることを注記してお
く。プローブ先端清浄装置の場合、プローブ先端２０を
清浄化する動作は、プローブ先端パラメータの測定に同
時に統合することができる。

【００１１】図３は、本発明の適用を示すフロー・チャ
ートである。このフロー・チャートには、内側ループお
よび外側ループが示されている。開始して外側ループに
入ると、ステップ５０において、所与のプローブ・カー
ドについてプローブ先端パラメータを測定する。まず、
絶対項または相対項のいずれかにおいて、プローブ先端
力を測定することができる。絶対力とは、センサに作用
する１つ以上のプローブ先端の実際の力である。相対力
とは、あるプローブ先端および他のプローブ先端間また
はあるプローブ先端および標準値間のデルタ（差分）測
定値である。プローブ先端圧力（力／単位面積）も検査
可能である。最後に、プローブ先端のばね定数を測定す
ることができる。

【００１２】プローブ先端は、個々に検査することも、
集団で検査することも可能である。集団は、２つからプ
ローブ・カードに取り付けられているプローブ先端全て
までの範囲を取り得る。単一のプローブ先端を検査する
場合の利点として、プローブ・カードに取り付けられて
いるどのプローブ先端が不良を示しているのかを識別可
能であることがあげられる。プローブ・カードに取り付
けられているプローブ先端全てを測定する場合の利点の
１つは、完全な接触を行うプローブ先端数で全プローブ
先端力を除算することによる、個々の力を導出する時間
の節約である。同様に、平均ばね定数は、プローブ先端
の圧縮時の「Ｚ」方向高さで除算することによって得る
ことができる。

【００１３】ステップ５０においてプローブ先端パラメ
ータを測定した後、ステップ５２においてプローブ先端
または先端群が仕様の範囲内に該当するか否かについて
検査が行われる。ステップ５２において仕様の範囲内に
該当しない場合、ステップ５４においてプローブ・カー
ドの修理または交換を行うことができる。いずれの場合
でも、基板即ちウエハ上のダイは、ステップ５６におい
て、プローブ・カードによって検査が行われる。次に、
ステップ５８において、検査すべきダイが他にあるか否
かについて判定(measurement) を行う。ステップ５８に
おいて検査すべきダイが既に残っていない場合、プロセ
スは完了する。その他の場合、ステップ６０において、
プローブ先端パラメータの測定を行うか否かについて判
定を行う。プローブ先端パラメータの測定は、例えば、
基板毎即ちウエハ毎，またはロット毎，あるいはある数
のダイを試験(probe) 即ち検査した後に行うことができ
る。実際には、ステップ５０において測定した特性によ
って、プローブ先端パラメータを測定する検査頻度を動
的に調節することも可能である。ステップ６０におい
て、未だプローブ先端パラメータを測定する時点ではな
い場合、ステップ５６において、プローブ・カードを用
いて次のダイを検査する。その他の場合、ステップ５０
において、プローブ・カードのプローブ先端パラメータ
を測定し、内側ループに入る。

【００１４】図４は、力センサ即ちゲージ７０の等幅図
である。現在では、力センサ７０には、１グラムの１／
１０の精度がある。これは、ここに記載する目的のため
には十分な精度である。しかしながら、この精度は時の
経過と共に改善されることが考えられる。力センサ７０
は、アーム７２，およびプレート７６によってアーム７
２に取り付けられたシム７４を有する。シム７４には隆
起部分７８がある。シム７４には様々な幅が可能であ
り、同時に検査するプローブ先端２０の数によって、そ
の幅が決定され選択される。また、プローブ・カード１
８に取り付けられているプローブ先端２０全ての力を測
定するための、全先端コンタクト・パッド(full tip co
ntact pad)８４もある。尚、図示の力センサ７０の実施
には、カメラ３２の使用が可能であることを注記してお
く。しかしながら、一体化プローブ先端清浄装置３４の
場合、アーム７２は不要であり、全先端コンタクト・パ
ッド８４のみがあればよい。特に、一度にプローブ先端
２０全てを測定する力センサ７０の場合、他の等価な構
成および設計も可能である。

【００１５】本願における力の測定は圧縮状態でのみ行
われるので、単一方向力センサ７０即ちロード・セル(l
oad cell) で十分である。好ましくは、力センサ７０
は、加えられる負荷の方向がセンサの測定軸と同一軸内
に入るように、正確に取り付ける。好ましくは、力セン
サ７０は、非線形，ヒステリシス，および＋／−．０２
％の非再現性(nonrepeatability)を有する。典型的に、
「４アーム・ストレイン・ゲージ・ブリッジ」を利用
し、歪みを電圧に変換する力センサ７０は、これらの値
を達成することができる。Futek Advanced Sensor Tech
nology, Inc. (26052 Merit Circle, Suite 103, Lagun
a Hills, CA 92653)は、これらの動作仕様を満たすセン
サを供給可能な会社である。更に、利用する力センサ７
０は、−２０℃ないし９０℃の温度範囲でも動作可能で
あることが好ましい。

【００１６】図５は、センサ７０，およびプローブ先端
２０の接触端であるプローブ先端コンタクト８２のカメ
ラで撮影した図である。力センサ７０において、アーム
７２はシム７４を含む。シム７４の終端には、先端面即
ち隆起面７８がある。シムの隆起面７８は、「Ｚ」軸方
向即ち縦方向に移動させると、プローブ先端コンタクト
８２と係合し、プローブ先端コンタクト８２を移動させ
る。こうして、この移動に対する抵抗を、力センサ７０
によって測定する。

【００１７】図６は、図４のプローブ先端コンタクト８
２およびシム７４の接触状態の拡大図を示す。シム７４
は、先端面(tipped surface)即ち隆起面７８を有する。
これはアーム７２によって支持されている。センサ７０
が縦方向即ち「Ｚ」軸方向に上昇すると、隆起面７８は
プローブ先端コンタクト８２と係合し、これを押圧する
ことによって、プローブ先端２０を上方向に撓ませる。
プローブ先端コンタクト８２の、隆起面７８によって誘
発される移動に対する相対抵抗の絶対値(absolute rela
tive resistance)を測定し、その測定値を用いて負荷が
加えられている場合のプローブ先端の挙動を測定すると
いう目的を果たすことができる。

【００１８】図７は、プローブ先端２０のばね力との関
係の一例を示すグラフである。縦軸即ち次元は力を重量
グラム単位で表し、横軸は「Ｚ」軸方向を、例えば、ミ
クロンで表す。破線の直線９２は理想的な線形力ばね挙
動線である。これは、力を加えたときに新しいばねがど
のように反応するかを示すものである。理論的には、横
断する距離が長い程、加えられる力も大きくなる。図示
のように、この関係は理論的には線形である。しかしな
がら、これは単なる近似に過ぎない。実線の曲線９４
は、劣化した力／ばね挙動の一例である。例えば、ばね
に過剰応力がかかったりあるいは疲労している場合、距
離および力間の関係は非線形となり得る。即ち、原点は
同一でありながら傾斜が変化する。

【００１９】図７におけるデータをいかにして使用可能
かを示す一例として、プローブ先端２０の寿命予測(tre
nd) をあげる。例えば、周期的に、例えば、各ウエハ
毎、各ロットの後、または「Ｎ」個のダイの後に、プロ
ーブ先端２０を検査することができる。プローブの高さ
距離は、実線の曲線９４に示す減衰に基づいて調節可能
である。また、１組のプローブ先端２０についての実デ
ータを、期待値と比較し、これからプローブ・カード１
８の寿命を測定することも可能である。また、このデー
タは、プローブ先端２０の物理的接触によってボンド・
パッドまたはバンプ上に発生する変形を減少させるため
にも使用可能である。更に、このデータは、プローブ先
端２０およびウエハ・メタルルジ(wafer metallurgy)間
の接触抵抗のような電気的データと結合または統合する
ことも可能である。

【００２０】本発明の精神から逸脱することなく、変更
および変様が可能であることを当業者は認めよう。した
がって、本発明は、特許請求の範囲に該当するような変
様および変更を全て含むことを意図するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による検査ステーションの断面図。

【図２】図１のテスタにおけるチャックの上面の平面
図。

【図３】本発明の適用を例示するフロー・チャート。

【図４】本発明のよる力センサ即ちゲージの等幅図。

【図５】本発明による力センサおよびプローブ先端の接
触端のカメラによる撮影図。

【図６】図４のプローブ先端およびシムの接触状況を示
す拡大図。

【図７】プローブ先端のばねとの関係の一例を示すグラ
フ。

【符号の説明】

１０プローブ検査ステーション１２検査ヘッド１４プローバ１６プローブ・インターフェース１８プローブ・カード２０プローブ先端２２ウエハ２４プローバ・チャック２６ダイ３２カメラ３４プローブ先端洗浄装置３６力測定ステーション７０力センサ７２アーム７４シム７６プレート８２プローブ先端コンタクト８４全先端コンタクト・パッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ラリー・ジェイ・バストスアメリカ合衆国テキサス州エリン、レーク・テラス・ドライブ1250

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子の検査方法であって：基板ホル
ダ（２４），およびプローブ先端部（２０）を有するプ
ローブ・カード（１８）を備えた検査システム（１０）
の準備を行う段階；前記検査システム内において前記プ
ローブ・カード（１８）の１回目の測定を行い、少なく
とも１つのプローブ先端部（２０）の力に関連するパラ
メータを判定する段階（５０）；および前記基板ホルダ
上において第１の複数の半導体素子（２６）を検査する
段階（５６）；から成ることを特徴とする方法。
【請求項２】前記検査システムの準備を行う段階は：フ
ォース・ゲージ（３６）を有する検査システム（１０）
を準備する段階から構成されることを特徴とする請求項
１記載の方法。
【請求項３】半導体素子（２６）の検査方法であって：
プローブ先端部（２０）を有する第１プローブ・カード
（１８）および基板ホルダ（２４）を備えた検査システ
ム（１０）の準備を行う段階；第１の複数の半導体素子
（２６）を検査する段階（５６）；前記検査システム
（１０）内において前記プローブ・カード（１８）の１
回目の測定を行い、前記第１プローブ・カード（１８）
の少なくとも１つのプローブ先端部（２０）の力に関連
するパラメータを判定する段階（５０）；および前記第
１プローブ・カード（１８）の１回目の測定を行う前記
段階の後に、第２の複数の半導体素子（２６）を検査す
る段階（５６）；から成ることを特徴とする方法。
【請求項４】前記検査システム（１０）内において前記
第１プローブ・カード（１８）の２度目の測定を行い、
前記少なくとも１つのプローブ先端（２０）の前記力に
関連するパラメータを判定する段階（６０）であって、
前記第２の複数の半導体素子（２６）を検査する前記段
階の後に行われる段階（６０）；前記第１プローブ・カ
ード（１８）の２度目の測定を行う段階の後に、第３の
複数の半導体素子（２６）を検査する段階；および前記
検査システム（１０）内において前記第１プローブ・カ
ード（１８）の３度目の測定を行い、前記少なくとも１
つのプローブ先端（２０）の力に関連するパラメータを
判定する段階（６０）であって、前記第３の複数の半導
体素子（２６）を検査する前記段階の後に行われる段階
（６０）；を更に含み、前記第１の複数の半導体素子
（２６）は、前記第２の複数の半導体素子（２６）より
も多く、該第２の複数の半導体素子（２６）は前記第３
の複数の半導体素子（２６）よりも多いことを特徴とす
る請求項３記載の方法。
【請求項５】前記第１の複数の半導体素子および前記第
２の複数の半導体素子は、異なる素子数を有し；前記検
査システム（１０）内において前記第１プローブ・カー
ド（１８）の２回目の測定を行い、前記少なくとも１つ
のプローブ先端（２０）の前記力に関連するパラメータ
を判定する段階（５０）であって、前記第２の複数の半
導体素子（２６）を検査する前記段階の後に行われる段
階（５０）；前記第１プローブ・カード（１８）の１回
目および２回目の測定を行う前記段階から得られる前記
力に関連するパラメータを比較する段階；および前記力
に関連するパラメータの差が指定された限度未満である
場合、前記比較する段階の後に、第３の複数の半導体素
子（２６）を検査する段階；を更に含むことを特徴とす
る請求項３記載の方法。