JPH11176893A - ウェーハ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プローブカード面に対する加熱ステージの相
対位置を、温度テストの開始から終了まで略一定に保持
することのできるウェーハ測定装置を提供する。 【解決手段】 半導体ウェーハを載置して所定の温度に
加熱する加熱ステージと、加熱ステージを上下方向に駆
動する駆動機構と、半導体ウェーハ上に形成されたボン
ディングパッドと接触して信号を伝達するための多数の
プローブ針が下方に突出し、かつ、プローブ針と電気的
に接続された電極が上面に配置されたプローブカード
と、このプローブカードの電極にそれぞれ接触するプロ
ーブ針が貫装され、テスト信号を入出力する接続部材
と、半導体ウェーハのボンディングパッドをプロープカ
ードのプローブ針に接触させるように駆動機構を制御す
る位置制御装置と、プローブカードの温度及び接続部材
にプローブカードが接触する圧力の少なくとも一方を検
出し、得られた値に基づいて加熱ステージの位置を補正
するステージ位置補正手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体ウェーハのボ
ンディングパッドにプローブ針を当ててダイの電気的試
験を行うウェーハ測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のウェーハ測定装置は、図５に示
すように、その位置が固定されたプローバ１０と、この
プローバ１０に対してその上部にてＺ矢印方向、すなわ
ち、上下方向に駆動せしめられるテストヘッド２１とを
備えている。

【０００３】テストヘッド２１から電気信号は、プロー
バ１０との電気的な接続を行なうための接続部材として
のインナーリング１１、プローブカード１２を通じて、
ウェーハのボンディングパッドへ印加される。ウェーハ
は加熱ステージ１３上に載せられ高温状態での試験が行
なわれている。

【０００４】ここで、インナーリング１１に多数のプロ
ーブ針が貫装され、これらのプローブ針の端部が表面と
裏面とにそれぞれ突出しており、テスタ２０を接離させ
るプローバ１０の上面部に装着されている。プローブカ
ード１２はインナーリング１１の下部に、その縁部を固
定した状態で装着される。そして、このプローブカード
１２にはその下方に向けて多数のプローブ針が植設され
ており、これらのプローブ針に対して電気的に接続され
た電極が上面の部位に配設されている。このプローブカ
ード１２の電極にはそれぞれインナーリング１１に貫装
されたプローブ針の先端が接触せしめられる。加熱ステ
ージ１３はその内部にヒータを内蔵し、その上面に被測
定ウェーハ１を載置し、これを保持する構成になってい
る。そして、加熱ステージ１３は図示を省略した駆動機
構によりＺ矢印方向、すなわち、上下方向に駆動され、
しかも、測定時には被測定ウェーハ１のボンディングパ
ッドにそれぞれプローブカード１２のプローブ針が接触
するようにその位置制御も行われる。

【０００５】一方、テストヘッド２１は被測定ウェーハ
１に試験電圧を印加する試料用電源、タイミングジェネ
レータ、パターンジェネレータの各出力信号を被測定ウ
ェーハ１に印加する出力部と、被測定ウェーハ１の出力
信号を取込むための入力部とから構成されている。ダイ
ソートボード２２はパターンの異なる電極が配設された
２枚のボードが接続線によって接続されたもので、テス
トヘッド２１上に接続される。

【０００６】なお、図５においては、理解を容易にする
ために、インナーリング１１のプローブ針とプローブカ
ード１２の上面に形成されたボンディングパッドとを離
した状態で示したが、実際には両者は接触せしめられた
状態に保持される。また、測定に際して、加熱ステージ
１３が持ち上げられて被測定ウェーハ１上のボンディン
グパッドがプローブカード１２のプローブ針に接触せし
められ、また、テスタ２０が押し下げられてダイソート
ボード２２の電極がインナーリング１１のプローブ針の
突出端部に接触せしめられる。そして、温度テストを実
行するには加熱ステージ１３に内蔵されたヒータによっ
て被測定ウェーハ１を所定の温度に保持する温度制御も
行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】被測定ウェーハ１の温
度テストを実行するには、加熱ステージ１３に内蔵され
たヒータによって被測定ウェーハ１自体を設定温度に制
御する必要がある。この場合、加熱ステージ１３の温度
を制御すれば、被測定ウェーハ１の温度も設定温度に近
付くことになる。これに対して、プローブカード１２
は、温度テストが開始されるまで室温に近い状態にあ
る。

【０００８】この状態で、加熱ステージ１３を上昇させ
ることによって、プローブカード１２のプローブ針に被
測定ウェーハ１のボンディングパッドを接触させ、その
状態で温度テストが開始される。この温度テスト中、被
測定ウェーハ１の熱がプローブカード１２のプローブ針
を伝達してプローブカード１２自体を加熱するため、プ
ローブカード１２は時間の経過に従って室温から測定温
度まで上昇する。

【０００９】この場合、プローブカード１２の外周縁は
固定されているため皿状に変形する。その変形は上方に
凸の状態になったり、下方に凸の状態になったりする。
図６はその変化の様子を示したもので、プローブカード
１２の中心部分の高さは、曲線ＰＣに示したように、温
度テストの開始から被測定ウェーハ１の温度と略一致す
るまで上昇し、それ以降一定に保たれる。

【００１０】なお、温度テストの経過時間とプローブカ
ード１２の面の高さとの関係は、図６に示した上方に凸
の変形に限らず、下方に凸になる変形も有り得る。

【００１１】このことから明らかなように、プローブカ
ード１２が上方に凸になるように変形すると、被測定ウ
ェーハ１のボンディングパッドに対する接触が断たれる
虞れがあり、逆に下方に凸の変形が起こると被測定ウェ
ーハ１を破壊させることが予測される。

【００１２】従来、これらの現象は実質的に悪影響を及
ぼさない程度であったが、今日では複数個のウェーハを
同時にテストする必要性が生じ、時には３２個分を同時
にテストする場合もある。そのためプローブ針の本数の
増加と相俟って、プローブカード１２の直径も大きくな
り、被測定ウェーハ１からの伝達熱による変形の影響も
無視できない状況になってきている。

【００１３】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、プローブカード面に対する加熱ステージ
の相対位置を、温度テストの開始から終了まで略一定に
保持することのできるウェーハ測定装置を提供すること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
内部にヒータが設けられ、上面に半導体ウェーハを載置
して半導体ウェーハを所定の温度に加熱する加熱ステー
ジと、加熱ステージを上下方向に駆動する駆動機構と、
加熱ステージの上方に設置され、半導体ウェーハ上に形
成されたボンディングパッドと接触して信号を伝達する
ための多数のプローブ針が下方に突出し、かつ、プロー
ブ針と電気的に接続された電極が上面に配置されたプロ
ーブカードと、プローブカードの上方に装着され、電極
にそれぞれ接触するプローブ針が貫装され、テスト信号
を入出力する接続部材と、半導体ウェーハのボンディン
グパッドをプロープカードのプローブ針に接触させるよ
うに駆動機構を制御する位置制御装置と、プローブカー
ドの温度及び接続部材にプローブカードが接触する圧力
のうち、少なくとも一方を検出するセンサと、センサの
出力に基づいてプローブカードのプローブ針に半導体ウ
ェーハのボンディングパッドが所定の圧力で接触するよ
うに位置補正値を位置制御装置に加えるステージ位置補
正手段と、を備えたウェーハ測定装置にある。

【００１５】請求項２に係る発明は、請求項１に記載の
ウェーハ測定装置において、センサを周方向に複数個配
置し、ステージ位置調整手段はセンサの検出値の平均値
に基づいて加熱ステージの位置補正値を決定するもので
ある。

【００１６】請求項３に係る発明は、請求項２に記載の
ウェーハ測定装置において、複数個のセンサのうち、プ
ローブカードの中心から見た径方向位置が互いに異なる
ように配置された複数のセンサを含むものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す好適な
実施形態に基づいて詳細に説明する。図２（ａ）は本発
明の一実施形態の主要素の設置状態を示した側面図、図
２（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視平面図である。これら各図に
おいて、従来装置を示した図５と同一の符号を付したも
のはそれぞれ同一の要素を示している。いま、プローブ
カード１２の上面の中心位置をＣとする。この中心位置
Ｃに対して径方向に離れた位置に複数の温度センサ３２
ａ〜３２ｄ、例えば、サーミスタが取付けられている。
これらの温度センサ３２ａ〜３２ｄの中心位置Ｃからの
距離はある程度バラツキを持たせた方が平均温度を求め
る上で好都合である。

【００１８】また、これらの温度センサ３２ａ〜３２ｄ
から見た径方向外側にそれぞれ圧力センサ３１ａ〜３１
ｄ、例えば、圧電素子が設けられている。これらの圧力
センサ３１ａ〜３１ｄはインナーリング１１に対する接
触圧力を検出するもので、インナーリング１１の対応部
位に突当片１１ａ〜１１ｄが取付けられている。この圧
力センサ３１ａ〜３１ｄと突当片１１ａ〜１１ｄとは、
インナーリング１１のプローブ針の下端がプローブカー
ド１２の上面の電極に接触したときに相互に接触するも
ので、この場合はプローブカード１２が上方に凸の変形
が起こることを前提としている。

【００１９】なお、プローブカード１２の変形量は中心
部が大きいことを考慮すると、圧力センサ３１ａ〜３１
ｄも中心位置Ｃに近付けることが望ましいが、突当片１
１ａ〜１１ｄを取付けるインナーリング１１の内径から
その位置が決まることになる。ここでは煩雑さを避ける
ために、プローブ針の外側に突当片１１ａ〜１１ｄを記
載してある。なお、プローブカード１２が下方に凸の状
態に変形した場合には圧力センサ３１ａ〜３１ｄから接
触圧力に対応する信号が出力されないため、その変形状
態を把握することができる。

【００２０】図１は本実施形態の制御系統の構成を示し
たブロック図である。同図において、圧力センサ３１ａ
〜３１ｄにはそれぞれ信号変換器３３ａ〜３３ｄが接続
され、さらに、温度センサ３２ａ〜３２ｄにもそれぞれ
信号変換器３４ａ〜３４ｄが接続されている。これらの
変換器は各センサの信号を増幅し、その大きさに応じた
デジタル信号を出力してステージ位置補正手段としての
ＣＰＵ４０に加える。ＣＰＵ４０はその機能に着目する
と、圧力検出値の平均値を求める圧力平均値演算手段４
１、温度検出値の平均値を求める温度平均値演算手段４
２、圧力及び温度に対応した加熱ステージ１３（図５参
照）の位置補正値を記録したデータテーブル４３と、演
算された平均温度に応じた位置補正値をデータテーブル
４３から選択する位置補正値選択手段４４とを備えてい
る。

【００２１】一方、加算器５１は温度テスト時に、加熱
ステージ１３を予め設定した位置に上昇させる基準移動
距離Ｈ_REF と位置補正値選択手段４４の位置補正値ΔＨ
とを加算するもので、加算した値を新たな位置指令値と
して加熱ステージ位置制御装置５２に加えるもので、加
熱ステージ位置制御装置５２は位置指令値に従って、一
般的には電動機でなる加熱ステージ駆動機構５３を制御
する構成になっている。

【００２２】上記のように構成された本実施形態の動作
について、図３及び図４をも参照して以下に説明する。
プローブカード１２は図３に示したように、その縁部が
プローバの固定枠１４にねじ止めされる。従って、常温
では図３（ａ）に示したように偏平な形状を有し、プロ
ーブ針の先端も平面上に揃うため、加熱ステージ１３を
基準移動距離Ｈ_REF に従って駆動すれば被測定ウェーハ
１のボンディングパッドに対して適切な圧力で接触す
る。

【００２３】しかるに、被測定ウェーハ１の熱がプロー
ブ針を介してプローブカード１２に伝わると、図３
（ｂ）に示すように上方に凸の状態に変形したり、図３
（ｃ）に示すように下方に凸の状態に変形したりする。
加熱ステージ１３の直径は大きいもので３０ｃｍにも及
ぶため、中心部分の変形量は比較的大きくなることが予
測されるが、図３ではその変形をさらに強調して示して
ある。図１に示した制御系は図３（ｂ）に示したように
上方に凸の状態に変形することに対処するもので、中心
部におけるプローブカード１２の上面は、図４の曲線Ｐ
Ｃに示したように、温度テストの初期段階で時間の経過
に従って上昇する。

【００２４】このとき、圧力センサ３１ａ〜３１ｄの検
出値が信号変換器３３ａ〜３３ｄによってディジタル信
号に変換され、さらに、圧力平均値演算手段４１によっ
て圧力平均値Ｐ_AVE が演算される。この圧力平均値Ｐ
_AVE はプローブカード１２が上方に凸の状態に変形した
ことの確認に供される。また、温度センサ３２ａ〜３２
ｄの検出値が信号変換器３４ａ〜３４ｄによってディジ
タル信号に変換され、さらに、温度平均値演算手段４２
によって温度平均値Ｔ_AVE が演算される。この温度平均
値Ｔ_AVE とプローブカード１２の高さ変位は一定の関係
にある。データテーブル４３にはこの温度平均値Ｔ_AVE
と変位量との関係が表として記録されており、位置補正
値選択手段４４は圧力平均値Ｐ_AVE が予め設定した値を
超える毎に、その時点の温度平均値Ｔ_AVE に対応する変
位量を選択して、加熱ステージ１３を駆動する距離の補
正値ΔＨとして出力する。この補正値ΔＨは基準移動距
離Ｈ_REF の補正値として加算器５１に加えられる。従っ
て、補正された移動距離（Ｈ_REF ＋ΔＨ）が加熱ステー
ジ位置制御装置５２に加えられる。加熱ステージ位置制
御装置５２は補正された移動距離（Ｈ_REF ＋ΔＨ）に従
って加熱ステージ駆動機構５３を駆動する。

【００２５】図４は熱の影響によるプローブカード面の
高さＰＣ、加熱ステージの位置の補正値ΔＨ、プローブ
カードに対する相対的な加熱ステージ位置ＨＳの関係を
時間の変化として表したものである。加熱ステージ１３
の位置をプローブカード１２の温度に関係付けて変化さ
せることによりプローブカード面に対する加熱ステージ
１３の相対位置ＨＳを、温度テストの開始から終了まで
略一定に保持することができる。

【００２６】なお、温度テストの開始時刻ｔ₀ から短時
間だけプローブカード面の高さＰＣがプローブカードに
対する相対的な加熱ステージ位置ＨＳよりも低くなって
いる範囲は、プローブカード１２の自重による変形によ
るもので、これを補正するべく所定の温度範囲では符号
が負の補正値ΔＨが加算器５１に加えられる。

【００２７】なお、上記実施形態では、圧力センサ３１
ａ〜３１ｄによってプローブカード１２が上方に凸の状
態で変形することを確認してから、プローブカード１２
の温度に対応させてプローブカード１２の位置を補正し
たが、温度テスト時に常時上方に凸の状態に変形する場
合には、圧力センサ３１ａ〜３１ｄを除去して温度セン
サ３２ａ〜３２ｄによる温度平均値のみに従って加熱ス
テージ１３の位置を補正するようにしてもよい。

【００２８】なおまた、温度テスト時にプローブカード
１２が常時上方に凸の状態に変形する場合には、温度セ
ンサ３２ａ〜３２ｄを除去し、圧力センサ３１ａ〜３１
ｄによって検出された圧力の平均値が所定の値を超える
毎に一定値だけ加熱ステージ１３を上昇補正するように
しても、上述したと略同様な結果が得られる。

【００２９】また、温度テスト時の熱の影響によってプ
ローブカード１２が常時下方に凸の状態に変形する場合
には、圧力センサ３１ａ〜３１ｄは実質的に用をなさな
いのでこれを除去し、図１に示した加算器５１の代わり
に減算器を用いて加熱ステージ１３を低い側に補正する
ことによって、加熱ステージ１３の相対位置ＨＳを、温
度テストの開始から終了まで略一定に保持することがで
きる。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明によって明らかなように、請
求項１に係る発明によれば、プローブカードの温度及び
接続部材に接触する圧力のうち、少なくとも一方を検出
するセンサの出力に基づいて、プローブ針に半導体ウェ
ーハのボンディングパッドが所定の圧力で接触するよう
に加熱ステージの位置を補正するので、プローブカード
面に対する加熱ステージの相対位置を、温度テストの開
始から終了まで略一定に保持することができる。

【００３１】また、請求項２に係る発明によれば、複数
個のセンサの検出値の平均値に基づいて加熱ステージ位
置を補正するので、外乱を抑えて接触圧力を適切に保持
できる効果もある。

【００３２】さらに、請求項３に係る発明によれば、プ
ローブカードの中心から見た径方向位置が互いに異なる
ように配置された複数のセンサを含んでいるので、径方
向位置の異なる部位の接触圧力を適切な範囲に保つ効果
も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るウェーハ測定装置の一実施形態の
制御系統の構成を示すブロック図。

【図２】図１に示した実施形態の主要素の設置状態を示
した側面図及び平面図。

【図３】図１に示した実施形態の動作を説明するため
に、プローブカードの変形状態を示した説明図。

【図４】図１に示した実施形態の動作を説明するため
に、熱の影響によるプローブカード面の高さ、加熱ステ
ージの位置の補正値、及びプローブカードに対する相対
的な加熱ステージ位置と、時間との関係を示した線図。

【図５】従来のウェーハ測定装置の概略構成を示した
図。

【図６】図５に示した従来のウェーハ測定装置における
熱の影響によるプローブカード面の高さと時間との関係
を示した線図。

【符号の説明】

１ 被測定ウェーハ １０ プローバ １１ インナーリング １２ プローブカード １３ 加熱ステージ ２１ テストヘッド ２２ ダイソートボード ３１ａ〜３１ｄ 圧力センサ ３２ａ〜３２ｄ 温度センサ ４０ ＣＰＵ ４１ 圧力平均値演算手段 ４２ 温度平均値演算手段 ４３ データテーブル ４４ 位置補正値選択手段 ５１ 加算器 ５２ 加熱ステージ位置制御装置 ５３ 加熱ステージ駆動機構

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部にヒータが設けられ、上面に半導体ウ
   ェーハを載置して前記半導体ウェーハを所定の温度に加
   熱する加熱ステージと、 前記加熱ステージを上下方向に駆動する駆動機構と、 前記加熱ステージの上方に設置され、前記半導体ウェー
   ハ上に形成されたボンディングパッドと接触して信号を
   伝達するための多数のプローブ針が下方に突出し、か
   つ、前記プローブ針と電気的に接続された電極が上面に
   配置されたプローブカードと、 前記プローブカードの上方に装着され、前記電極にそれ
   ぞれ接触するプローブ針が貫装され、テスト信号を入出
   力する接続部材と、 前記半導体ウェーハのボンディングパッドを前記プロー
   プカードのプローブ針に接触させるように前記駆動機構
   を制御する位置制御装置と、 前記プローブカードの温度及び前記接続部材に前記プロ
   ーブカードが接触する圧力のうち、少なくとも一方を検
   出するセンサと、 前記センサの出力に基づいて前記プローブカードのプロ
   ーブ針に前記半導体ウェーハのボンディングパッドが所
   定の圧力で接触するように位置補正値を前記位置制御装
   置に加えるステージ位置補正手段と、 を備えたウェーハ測定装置。
2. 【請求項２】前記センサを周方向に複数個配置し、前記
   ステージ位置調整手段は前記センサの検出値の平均値に
   基づいて前記加熱ステージの位置補正値を決定する請求
   項１に記載のウェーハ測定装置。
3. 【請求項３】複数個の前記センサのうち、前記プローブ
   カードの中心から見た径方向位置が互いに異なるように
   配置された複数のセンサを含む請求項２に記載のウェー
   ハ測定装置。