JPS6262536A - 半導体デバイスのプロ−ビング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ウェハ上に形成された半導体デバイスの電気
的特性を測定するプロービング装置に関する。

［従来の技術］ ウェハ上に形成された半導体デバイスや、ウェハ自体の
特性を電気的に測定するには、「ウェハプロービングマ
シン」あるいは「プローバ」等と称する装置が使用され
る。これは、一般に測定対象のデバイスの所望部に測定
針を接触させて、当該部の電気的特性をピックアップす
るもので、測定針には光学顕微鏡を付設して、これらと
ウェハとを相対的に移動させて、目視により又は自動的
に被測定部に測定針を確実に接触させつつ、測定を行う
。

この場合、周知の［ウェハプロービングマシン」の構成
は、通常、第２図示の如く、被測定ウェハ（１）を、Ｘ
−Ｙ−Ｚの３方向に移動可能なサンプルステージ（２）
に載置して、真空吸着等により保持し、ステージ（２）
の上方に支持腕（３）を配置して、支持腕（３）の下面
に垂設したタングステン等の導電性接触針（４）を、ウ
ェハ（１）の所望測定部に接触させる。支持腕（３）に
は、顕微鏡（５）を接触針（４）の先端をその視野に入
れるように付設してあり。

ステージ（２）をｘ−Ｙ方向に移動させて、所望の被測
定部を接触針（４）の先端に整合させた後、Ｚ方向に上
昇させて、接触針（４）とウェハ（１）とを接触させ、
ピックアップした測定データは、適宜の導線（６）　（
７）を介して測定器（８）に入力する。

かかる「ウェハプロービングマシン」は周知であり、複
数のメーカーから各種の形式の装置が市場に提供されて
いる。それらの装置には、たとえば、対象デバイスの複
数個の端子の配置形状に応じて、複数本の接触針を所要
の関係位置に配列したものとか、測定項目に対応して多
数の測定器を使用するために、接触針を備えたプローバ
部と各測定器との間に、リレーマトリックスを配設した
もの等が知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ 」二連した既存の「ウェハプロービングマシン」は、す
へて水平形式、すなわち第２図示の如く、サンプルステ
ージ（２）の上面が水平をなし、これに被１ｉ１ｕ定ウ
エハ（１）を載置保持する構成をとっている。このため
、次のような問題点の存在が指摘される。

まず、ウェハ（１）の上方に顕微ｍ（５）等の構造体が
存在するため、焦点合せ等の操作時に微細な金属粒子な
どのゴミが、ウェハ面に落下し付着するおそれがある。

かかるゴミは、プローバによる測定時に障害となるばか
りでなく、半導体デバイス自体に欠陥をもたらせて、製
品の歩留まりを低下させる因子となる。

また、水平形式の装置では、構造」二、サンプルステー
ジ（２）をＸ−Ｙ方向に移動可能とするために、ステー
ジ（２）と測定器（８）との距雛を大きくとる必要が生
じる。かつ、測定針（４）及び顕微鏡（５）を保持する
支持腕（３）は、サンプルステージ（２）の四辺のうち
いずれか一辺側に配置されるが、測定器（８）を１没置
した側及び正面の操作側は、実質的には使用できないの
で二辺に限定され、しかも支持腕（３）の基部は、サン
プルステージ（２）の移動ス１−ロークの外方に配置し
なければならないため、支持腕（３）が長大なものとな
る。

かつ、実際にこの種のプローバを使用する場合には、測
定器は１台に限られるものではなく、複数台の測定器を
並列的に使用することが多い。そのために、導線（６）
　（７）の長さが必然的に長くなり。

かつ、導線の長さが過大であったり、長さにばらつきが
あると、測定用高周波信号の位相ズレが生じて、零点調
整等の較正操作が困難になったり、電流測定時のノイズ
の発生等の不都合が多くなる。

また、測定対象の半導体デバイスは、一般に微細なパタ
ーンを有しており、接触針（４）を当接させるへき端子
は、たとえば２００μｍ角といった小サイズであるため
、接触針としてはきわめて細径のものを使用する必要が
ある。この場合、水平形式の装置では、前記の如くステ
ージ（２）の移動を許容するために、支持腕（３）を比
較的長大な片持ち構造とする必要が生じ、振動が発生し
やすく、その振動が接触針（４）の先端部で増幅されて
、所望測定位置への整合操作に際し、困難を感しること
がある。

さらに、水平形式の装置では、測定点へ接触針を整合さ
せる位置決め操作に際し、第３図示の如く、作業者が腰
をかがめた姿勢をとることになるので、長時間の作業を
行うと、腰痛の原因となる等、人間工学的にも問題があ
る。

さらに被測定デバイスは、基板の材質であるシリコン中
のキャリアの性質が温度により変化するため、一定の基
準温度を維持して測定をすることが行われる。この基準
温度は、たとえばマイナス２００’　Ｃといった低温が
適用され、そのために冷却した不活性ガス（たとえば、
Ｎ２）をウェハ面に供給するといった手段が用いられる
が、このために装置の各部が冷却され、露結現象が発生
する。

水平形式の装置にあっては、ウェハの全面を一様に冷却
するために、少なくともウェハの両側方から中心部へ向
けて冷却ガスを吹き出させるため、中心部ではガスが上
方へ向かって流れ、顕微鏡の対物レンズを露結させる不
都合がある。

［問題を解決するための手段］ 本考案のプロービング装置は１周知手段における上述問
題点を解決するため、被測定ウェハの面を定位置に垂直
ないしやや傾斜した姿勢に保持し、接触針及び顕微鏡等
を搭載した測定ヘッドを、該ウェハの面に沿って上下左
右に移動可能に、かつ、所望位置において接触針がウェ
ハ面に当接するよう、ａｌｌ定ヘッドをウェハ保持部に
対して近接ないし離間できるように配置したものである
。

また、低温測定のための冷却ガスは、ウェハ保持部の下
方に配設したノズルから、ウェハ面に沿って上方に吹き
出させるようにして、ウェハ全面を均一に冷却し、かつ
、顕微鏡等の露結を避ける必要のある装置は、冷却ガス
に直接曝されないようにしている。

［作用コ 接触針及び顕微鏡を、垂直に保持されたウェハ面に沿う
上下左右の二方向及び所望の測定位置において接触針が
ウェハ面に当接するための前後方向の、都合三方向に移
動させ、顕微鏡により測定部を確認しつつ測定を行う。

［実施例コ 第１図は、本考案の１実施例装置の概略構成を示す斜視
図である。

Ｌ字状をなす基台（１１）の上部に設けたウェハ装着部
（１２）に、測定すべき半導体デバイスを形成したウェ
ハ（１３）を、真空吸着手段により装着保持する。ウェ
ハ装着部（１２）の下部には、スリット状又は複数個の
細孔を線状に列設したのノズル（１４）を配置し、低温
の窒素（Ｎ、）ガスをウェハ（１３）の面に沿う層流状
態に上方へ噴射させる。なお、必要に応じ、装置全体を
窒素ガスチャンバーで覆うようにしてもよく、この場合
は、チャンバーの上部に窒素ガスを吸引回収するダクト
を設けることが望ましい。

また、基台（１１）の上部には、データ表示部（１５）
。

操作パネル（１６）等を適宜配設しである。

基台（１１）の下部に、前後方向の一対のガイドレール
（１７）を設置し、これに前後摺動台（１８）を架設す
る。基台（１１）に設置したモーター（１９）により駆
動されるネジ軸（２０）が１前後摺動台（１８）に付設
したナツト（図示せず）に係合し１前後摺動台（１８）
を駆動する。

前後摺動台（１８）の上面に、左右一対のスタン１く（
２１）を立設し、これにそれぞれ軸支した上下方向のガ
イドレール（２２）に、上下摺動台（２３）を架設する
。前後摺動台（１８）に設置したモーター（２４）によ
り駆動されるネジ軸（２５）が、上下摺動台（２３）に
付設したナツト（図示せず）に係合し、上下摺動台（２
３）を駆動する。

さらに、上下摺動台（２３）の上面に左右方向の一対の
ガイドレール（２６）を設置し、これに左右摺動台（２
７）を架設する。上下摺動台（２３）に設置したモータ
ー（２８）により駆動されるネジ軸（２９）が、左右摺
動台（２７）に付設したナツト（図示せず）に係合し、
左右摺動台（２７）を駆動する。

これらの各方向の移動は、操作パネル（１６）に適宜設
置した駆動スイッチにより、オペレータの操作によって
行う。駆動スイッチは、必ずしも操作パネル（１６）に
設置するに限らず、本体から分離したリモートコン１〜
ロール盤に設けてもよい。

左右摺動台（２７）の上面には、ブラケット（３０）を
立設し、これに接触針（３１）及び顕微鏡（３２）を装
着しである。

接触針（３１）の先端部は、従来のプロービング装置に
使用されるものと同様に、タングステン等の導電性材料
で形成され、上述の各方向の駆動手段を操作することに
より、ウェハ装着部（１２）に垂直に保持された被測定
ウェハ（１３）の面に平行に、上下左右に移動し、かつ
、所望位置において、ウェハ（１３）の面に当接又は離
間するように、前後方向に移動する。

顕微鏡（３２）は、接触針（３１）の先端部が視野のほ
ぼ中央に置かれ、かつ、対物レンズの光軸が被測定ウェ
ハ（１３）の面に垂直をなすように、すなわちウェハ（
１３）を垂直姿勢に装着した場合には、該光軸が前後方
向のガイドレール（１７）に対して平行に、ブラケット
（３０）に装着されている。

また、顕微鏡（３２）は、接触針（３１）が移動するた
めにウェハ（１３）から離間した状態で、ウェハ（１３
）の面に形成されたパターンを視認できるように焦点を
調整しておく。

装置全体を窒素ガスチャンバーで覆うようにした場合は
、顕微鏡（３２）の接眼部はチャンバー外に出し、かつ
、気密性の軟質膜等によりチャンバーとの間を連接して
おく。

本発明のプロービング装置は、以下の如くに作動する。

まず、測定すべき半導体デバイスを形成したウェハ（１
３）を、ウェハ保持部（１２）に吸着保持し、ノズル（
１４）から低温の窒素ガスを噴出させて、ウェハ（１３
）の面を大気から遮断して、細塵の付着を防ぐとともに
、所要の測定時温度に冷却する。この際、低温ガスはウ
ェハ（１３）の面に沿って層流状に上方へ流れ、ダクト
等から回収されるため、顕微鏡（３２）等を過度に冷却
することがなく、露結を防ぐことができる。

次いで、顕微ｆｉ　（３２）によりウェハ（１３）に形
成されているデバイスパターンを視認しながら、操作パ
ネル（１６）もしくはリモートコントロール盤のスイッ
チを操作して、モーター（２４）及び（２８）を制御し
、顕？Ｉｌ鏡（３２）及び接触針（３１）を上下左右に
移動させて、接触針（３１）の先端を所望の被測定端子
の位置に整合させる。これは、接触針（３１）の先端が
顕微鏡（３２）の視野のほぼ中央に位置しており、かつ
、顕微鏡と一体的に移動するので、容易に整合させるこ
とができる。

そこでスイッチの操作により、モーター（１９）を制御
して、接触針（３１）をウェハ（１３）の面に近接する
方向にのみ移動させ、その先端をウェハ（１３）に形成
されている半導体デバイスの所望の端子に接触させ、測
定を行う。このとき、顕微鏡（３２）も接触針（３１）
とともに移動するため、その映像は焦点がボケるが、こ
の段階では位置決め操作は必要ないため支障はない。も
ちろん、顕微鏡（３２）と接触針（３１）とを分離した
構造として、上下及び左右方向には一体的に移動させ、
前後方向には顕微鏡は停止させて、接触針のみを移動さ
せる構造としてもよい。

測定結果は、基台（１１）に内蔵された測定器を介して
、データ表示部（１５）に適宜表示される。

一つの端子について測定が終れば、スイッチ操作により
モーター（１９）を制御して、接触針（３１）をウェハ
（１３）の面から後退離間させ、顕微鏡（３２）及び接
触針（３１）を次の測定対象の端子の位置へ移動させて
、同様の測定を行う。

なお、上記実施例では、ウェハ装着部（１２）を基台（
１１）に配置し、接触針（３１）をブラケット（３０）
に装着するようにしたが、接触針（３１）を固定してウ
ェハ（１３）側を移動するようにしてもよく、両者の相
対的な位置関係が移動できるようにしてあればよい。ま
た、上記実施例では、顕微鏡（３２）を接触針（３１）
とともにブラケット（３０）に装着したため、接触針（
３１）がウェハ（１３）面に近接移動するにともない、
顕微鏡（３２）とウェハ（１３）面との距離が変動する
が、これを上下及び左右の移動については両者を一体的
に連動させ、前後方向には接触針（３１）のみが移動し
て、顕微鏡（３２）は焦点が合った位置に停止している
ようにしてもよい。

さらに、ウェハ（１３）の保持姿勢は、上記実施例のよ
うに完全な垂直位置のみに限定されるものではなく、や
や傾斜した位置としてもよい。その場合は、接触針（３
１）及び顕微鏡（３２）の上下移動が、ウェハ（１３）
面に平行な方向に沿うように、上下方向のガイドレール
（２２）をウェハ（１３）の傾斜に倣って、傾斜させて
おくことが必要である。

［発明の効果］ （１）従来、一般的に使用されている水平形式のプロー
ビング装置の如く、ウェハ面の上方に可動物体が存在し
ないため、微小ゴミがウェハ面に落下付着するおそれが
ない。

（２）水平形式の装置に比し、接触針から測定器本体ま
での導線の長さを短くすることができるので。

高周波測定に際して、信号電流の位相ズレの影響が少な
く、正確な測定値が得られる。

（３）低温測定のためにウェハ面に供給される低温ガス
は、垂直に保持したウェハの下方からウェハ面に沿って
上方に向かう一方向のみに流れるため、ウェハ以外の諸
装置を過度に冷却することがなく、特に露結による顕微
鏡の対物レンズの曇りの心配がない。

（４）測定針及び顕Ｗ１鏡をＸ−Ｙ−Ｚの３方向に移動
させる装置が、比較的低位置にあるため、振動が発生し
にくく、また、発生した振動は速やかに減衰するので、
測定位置への整合が容易である。

（５）測定に当り、無理のない姿勢で操作でき、かつ、
データ表示部を視線とほぼ同高にもうけであるので、オ
ペレータの疲労が少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例装置を示す斜視図、第２図は
従来装置の要部斜視図、第３図は同従来装置により測定
操作をする際のオペレータの姿勢を示す図である。 （１）・・・・・ウェハ、（２）・・・・・ウェハ移動
用ステージ、（３）・・・・・支持腕、（４）・・・・
・顕微鏡、（６）（７）・・・・・導線、（８）・・・
・・測定器、 （１１）・・・・・基台、（１２）・・・・・ウェハ装
着部、（１３）・・・・・ウェハ、　（１４）・・・・
・冷却ガス・ノズル、（１５）・・・・・データ表示部
、　（１６）・・・・・操作パネル、（１７）・・・・
・ガイドレール、（１８）・・・・・前後摺動台、　（
１９）・・・・・モーター、（２０）・・・・・ネジ軸
、（２１）・・・・・ブラケット、（２２）・・・・・
ガイドレール、（２３）・・・・・上下摺動台、（２４
）・・・・・モーター、（２５）・・・・・ネジ軸、（
２６）・・・・・ガイトレール、（２７）・・・・・左
右摺動台、（２８）・・・・・モーター、　（２９）・
・・・・ネジ軸、（３０）・・・・・ブラケット、（３
１）・・・・・接触針、（３２）・・・・・顕微鏡。 以上 ￥１１氾

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ウェハを基台上部の定位置に垂直ないしやや傾斜
   した姿勢に保持するウェハ支持装置と、前記ウェハに形
   成された半導体デバイスの所望端子に当接することによ
   り、該端子と導通し、デバイスの電気特性を測定する測
   定器にデータを入力させる接触針と、 該接触針と前記ウェハ面とを、上下並びに左右方向に相
   対的に移動させ、かつ、所望位置で接触針の先端をウェ
   ハ面に当接あるいは離間させるよう前後方向に相対的に
   移動させるよう前記基台に設置した３方向移動装置と、 接触針の先端をその視野のほぼ中央に置くように、ウェ
   ハ面との相対位置が前記接触針とともに少なくとも上下
   並びに左右方向に移動する顕微鏡とよりなる半導体デバ
   イスのプロービング装置。
2. （２）ウェハ支持装置が、真空圧によりウェハを吸着保
   持するようにした特許請求の範囲第（１）項に記載の半
   導体デバイスのプロービング装置。
3. （３）３方向移動装置が、前後方向のガイドレールにそ
   って摺動する前後摺動台と、上下方向のガイドレールに
   沿って摺動する上下摺動台と、左右方向のガイドレール
   に沿って摺動する左右摺動台とよりなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項に記載の半導体デバイスの
   プロービング装置。
4. （４）３個の摺動台にそれぞれナットを付設し、各ガイ
   ドレールにそれぞれ平行に配設したネジ軸を該ナットに
   係合し、各ネジ軸にそれぞれ駆動用モーターを付設した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（３）項に記載の半
   導体デバイスのプロービング装置。
5. （５）ウェハ支持装置の下方に、低温の不活性ガスをウ
   ェハの面に沿って、上方へ噴射するノズルを配置したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲前各項のいずれかに記載
   の半導体デバイスのプロービング装置。