JPS63211734A - ウエハプロ−バ - 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】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は、半導体チップのプローブ検査を行なうための
ウエハプローバに関し、特に半導体チップのポンディン
グパッドと電気的コンタクトをとるためにウエハプロー
バ内において設置されるプローブカードの自動位置合せ
機能を有するウエハプローバに関する。

［従来の技術］ ウエハプローバとは、半導体ウェハ上に形成された多数
のＩＣチップの特性を測定する際に用いられる装置であ
る。

実際のテストはＩＣテスタが行なうが、ウエハプローバ
は、このＩＣテスタと前記ウェハ上の各ＩＣチップとの
電気的コンタクトを正確に行なわせる。この電気的コン
タクトは、ブローブカードと呼ばれるＩＣチップのポン
ディングパッド位置に対応した接触針（プローブニード
ル）を有するプリント基板を介して正確に行なわれる。

そして、従来のウエハプローバにおいては、上記のプロ
ーブカードをウエハプローバ内に設定した際には、必ず
実際の測定対象であるウェハをプローブカード下に位置
させ、このプローブカードの各プローブニードル先端と
、その下のＩＣチップのポンディングパッドとのＸＹθ
Ｚ４Ｙθ向についての位置合せをオペレータが行なって
いた。

この位置合せとは、オペレータが実体顕微鏡を用いてプ
ローブニードル先端を観察しながら行なうものである。

オペレータは、θ方向についてはプローブカードを回転
させることにより、またＸＹ方向についてはθ方向台せ
後、ＩＣチップの各ポンディングパッドが各プローブニ
ードルの真下に来るようにクエへを移動させることによ
り、またＺ（高さ）方向についてはＸＹθ方向方向後、
実際にウェハを上昇させプローブニードルに接触させる
ことにより、位置合せを行なう。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、この位置合せの作業は非常に時間と手間がか
かるものであった。さらに、この作業においては、オペ
レータの熟練度によってプローブカードの設定精度が決
定されてしまうため、ＩＣチップの測定に対する不安定
要素の１つになっていた。

そこで、当然プローブカードの自動位置合せが強く望ま
れてはいる。しかし、今まで各種の提案はなされていた
が、下記のような種々の制約条件があり、これらの条件
をすべて満たす自動位置合せを実現したものは無かった
。

（１）押付けにより変形した極めて軽針圧（１０ｇ程度
）のプローブニードル先端部の位置計測を行なうこと。

（２）プローブニードル先端を汚染させないこと。

（３）　プローブニードル間を電気的にショートしない
こと。

（４）プローブニードルはテスタ側に接続されているた
め、電気的信号をここに入力することができないこと。

（５）プローブニードル先端形状によらずその先端部の
位置の安定検出が可能であること。

（６）消耗部品等を極力用いないこと。

（７）高速の位置検出が可能であること。

（８）小型、軽量（特にセンス系をステージ上にのせる
場合）であること。

（９）安価であること。

本発明の目的は、上述の従来形における問題点に鑑み、
従来オペレータの人手により行なっていたプローブカー
ドのＸＹθＺ４Ｙθ向の位置合せを、上記（１）〜（９
）の条件を満たしてかつ自動的に行なうことのできるウ
エハプローバを提供することにあり、このため特に、プ
ローブカードのプローブニードル群の高さ方向概略位置
を自動的に検出可能とするウエハブローパを提供するこ
とにある。

［問題点を解決するための手段および作用］上記の目的
を達成するため、本発明に係るウエハプローバは、板状
物体とプローブニードル群とを圧接手段により押付け、
この押付けにより板状物体が変形したことを検出するこ
ととしている。

すなわち、この変形を検出すれば、その時点でプローブ
カードのプローブニードル群の先端が板状物体の位置に
あることが分ることとなり、プローブニードル群の概略
の高さ位置が自動的に計測できたこととなる。

この変形検出手段としては、例えば、板状物体の両表面
のうちプローブニードル群と接しない側を導電性の薄膜
としておき、板状物体とプローブニードル群との圧接の
際にこの導電性薄膜とベースとが接するようにしておく
。そして、このベースの材質も導電性としておけば、薄
膜とベースとの電気的なコンタクトを検出することによ
り板状物体の変形を検出することができる。

また、板状物体は多数に分割して軽量化すれば板状物体
の機械的共振周波数を上げることができ、外部振動によ
りこの板状物体が下のベースと接触することを防止でき
る。さらに、板状物体のバネ定数を、この板状物体下に
エアー等を流入させその流体圧力によりコントロールす
るようにもできる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係るウエハプローバのニ
ードルセンスユニットを示す。同図において、１は検出
対象物であるプローブニードル、２はプローブニードル
１を押付け、その高さを検出するためのコンタクトプレ
ートである。３はプローブニードル１の概略位置を検出
するための２木のクロス状態のレーザビームを示す。４
はレーザビーム３の光路を曲げるためのプリズム、５は
レーザビーム３を分割するためのハーフミラ−１６は各
々２本のレーザビームを検出するためのホトディテクタ
、７はプローブニードル１の位置を計測する際にこのプ
ローブニードル１を押付けるためのニードルセンスプレ
ート、８はニードルセンスプレート７の裏面にて反射さ
れたレーザビーム３を受光しそのレーザビームのスポッ
ト点の位置を検出するポジションセンサである。９は半
導体レーザ、ｌＯは半導体レーザ９の出力光を平行光に
するためのコリメータ、１１はコリメータ１ｏの出力光
をより細かい平行ビームにするためのビームシュリンカ
である。付番２〜１１の部材でニードルセンスユニット
２４を構成する。

第２図は、第１図に示したニードルセンスユニットの周
辺を示す図である。同図において、２ｏはプローブニー
ドル１を保持しているプローブカード、２１はプローブ
カード２ｏをプローパ側に取付けるのに用いるカードホ
ルダ、２２はこのカードボルダ２１を回転可能なように
保持するヘッドプレート、２３はヘッドプレート２２に
対するカードボルダ２１の回転駆動を行なうパルスモー
タである。２４は第１図に示したニードルセンスユニッ
ト、２５はクエへを乗せるためのウェハチャック、２６
はこのウェハチャック２５に対して回転（θ方向）およ
び上下（Ｚ方向）の駆動を行なうためのθＺユニット、
２７はθＺユニット２６を搭載してＹ軸方向に移動する
Ｙステージ、２８はＹステージ２７を搭載してＸ軸方向
に移動するＸステージである。なお、ニードルセンスユ
ニット２４はウェハチャック２５の周　＼辺部に固定さ
れており、上述のθ２ステージ２６、Ｙステージ２７お
よびＸステージ２８によりＸＹθＺ方向に移動可能にな
っている。

第３図は、上述のようなニードルセンスユニットを使用
したウエハプローバの全体概略図である。同図において
、４０はウェハキャリヤ、４１はウェハキャリヤ台、４
２はテスト済みのクエへを目視検査するためのアンロー
ドストップ位置、４３はウェハをウェハチャック２５上
に乗せる前に概略の位置合せを行なうプリアライメント
ステーション、４４は操作パネル、４５はモニタである
。

第４ａ〜４ｅ図は、レーザビーム３によるプローブニー
ドルの概略位置計測（以下、サーチ動作と略す）を示す
図である。図中、３−１および３−２は各々左および右
上がりのレーザビームを示す。

第５図は、サーチ動作の計算用の座標を示すものである
。図中、０（Ｘｏ、３１０）は回転中心（ウェハチャッ
ク中心）　ｓ　　Ｐ　（Ｘｐ、３’ｐ）はレーザビーム
３−１．３−２のクロス点を示している。

第６図は、プローブニードル１の位置計測に用いられる
ニードルセンスプレート１１周りの荷重点検出系を示す
。

図中、１は位置検出の対象であるプローブニードル、２
はコンタクトプレート、２ａはその金属薄膜である。１
１はニードル１を押付けるためのニードルセンスプレー
ト、８０はこのニードルセンスプレート１１を空中に支
えるためのバネ、６１は各部を保持するベース、６２は
コンタクトプレート２の金属薄膜２ａとベース６ｏとの
電気的な導通を検出するための抵抗計である。また、３
はレーザビーム、５はハーフミラ−１７はポジションセ
ンサである。ニードルセンスプレート１１の裏面に入射
したレーザビーム３は反射され、ハーフミラ−５により
ポジションセンサ７に入るようになっている。

第７図は、第６図の荷重点検出系の１次元の等価図であ
る。

次に、第１図〜第７図を参照して本実施例に係るウエハ
プローバの動作を詳細に説明する。

まず、プローブニードルの概略の高さの測定について説
明する。

第２図において、プローブカード２０をカードホルダ２
１に設定すると、ニードルセンスユニット２４（第１図
にその詳細な構成を示す）はθＺステージ２６、Ｙステ
ージ２７、Ｘステージ２８によりプローブニードル１の
下に位置される。

この状態を示したものが第１図である。

まず、ニードルセンスユニット２４は、θＺステージ２
６のＺ駆動により上方に押し上げられる。この上昇の過
程において、プローブニードル１はコンタクトプレート
２に接触しこれを下に押下げる。この状態は、コンタク
トプレート２とベース６１との接触を抵抗計６２で測定
することにより、検出できる。以上の動作により、プロ
ーブニードル１の針先の高さが分ることになる。

なお、ここで、コンタクトプレート２は十分に小さな力
でもって下方に変形するように極めて薄いガラス板で構
成されており、その裏面は下のベース６１との電気的な
コンタクトが得られるように金属薄膜パターン２ａとな
っている（第６図参照）。

プローブニードルの概略の高さが分ると、次にプローブ
ニードルのサーチ動作に入る。このサーチ動作につき説
明する。

このサーチ動作は２本のレーザビーム３−１゜３−２に
より行なわれる。その様子を第４ａ〜４ｅ図および第５
図に示す。

なお、サーチ動作の時にはプローブニードル群とコンタ
クトプレート２とは接触しておらず離れている。また、
サーチ動作の対象となるプローブニードル１は通常１木
であり、プローブカード中のどれでもよいが、以下の説
明では簡略のために右上のプローブニードルを考えるこ
とにする。

まず、第４ａ図に示すように、レーザビーム３−１を移
動して、プローブニードル１により遮光されるようにす
る。図では、レーザビーム３−１を左側に移動している
。

次に、第４ｂ図に示すように、レーザビーム３−１が遮
光された状態のままで、θＺステージ２６のθ駆動によ
りこのレーザビーム３の全体を回転させる。この際、た
だ回転させただけではレーザビーム３−１が遮光状態か
ら外れてしまうため、常に遮光状態を保つように、θ駆
動と同時にＹステージ２７の駆動を行な°う。そして、
この動作をレーザビーム３が所定量回転するまで続行す
る。これにより、右上のプローブニードル１がレーザビ
ーム３−１上のどの位置にあるのか、その概略位置が分
ることになる。

そこで、次に第４Ｃ図に示すように、その概略位置近辺
までレーザビーム、３−２を移動させ、プローブニード
ル１によりレーザビーム３−２が遮光されるようにする
。

以上の動作により、−見、右上のプローブニードル１の
位置が分るように思われるが、第４ｄ図に示すように右
上とは別な位置のプローブニードル１によりレーザビー
ム３−２が遮光状態となり、あたかも誤検出ニードル５
０の位置に右上部のプローブニードル１があるかのよう
に検出″が行なわれる場合が生じる。

これを防ぐためには、第４ｅ図に示すように、プローブ
ニードル１が検出されたと判定された位置即ちレーザビ
ームの交点を中心として回転動作を行なう。もし検出さ
れたプローブニードル１が誤検出ニードルであった場合
には、この回転動作により２つのレーザビーム３−１．
３−２の両方または片方が必ず遮光から透光状態に変化
する。

以上の手順により、本当の右上の針先の位置が検出され
る。しかし、この検出位置はレーザビーム３による計測
に基づくものであり、回折等のため十分な精度の計測は
できない。そこで、次に荷重点検出による位置計測を行
なう。

第６図の荷重点検出系の概略構成図を参照して、荷重点
検出による位置計測につき説明する。

同図において、プローブニードル１をニードルセンスプ
レート１１に所定量押付けると、ニードルセンスプレー
トｌｌはプローブニードル１の位置によりその傾きが変
化する。

この傾き量の検出のため、本実施例においてはニードル
センスプレート１１の裏面にレーザビーム３を照射して
おき、この反射光の傾きをポジションセンサ７で検出す
るようにする。

ただし、上記押付は動作の際、プローブニードル１も変
形し、ニードルセンスプレート１１は押付は量（以下、
オーバドライブ量と略す）に比例した形で傾かないため
、ポジションセンサ７で検出される位置とニードルセン
スプレート１１上のプローブニードル１の位置とは一対
一に対応しない。

これを一対一に対応させるためにはプローブニードル１
とバネ６０のバネ定数の比が分らなければならない。

そこで、本実施例に係るウエハプローバにおいては、ニ
ードルセンスプレート１１上の特定の一個所だけではな
く複数個所にプローブニードル１を押付け、各々の個所
におけるポジションセンサ７の出力値から上述のバネ定
数の比を求め、それから正確なプローブニードル１の位
置を算出するようにしている。

以上述べたような手順により、右上のプローブニードル
１の先端の正確な位置が求められることになる。

これと同様な手順で他のもう一木（例えば左上）のプロ
ーブニードル１の先端の位置が求められるため、これら
の相対位置からプローブニードル１の全体の回転誤差お
よび位置誤差が求められることになる。

ここで求められた回転誤差については、第２図に示され
るパルスモータ２３により実際にプローブカード２０を
回転させて取り除き、位置誤差については、ウェハをブ
ロービングする際のＸＹステージ２７．２８の駆動時に
この量を補正することにより取り除くようにしている。

次に、上述したサーチ動作と荷重点検出による微位置計
測を、より具体的に示すためにその計算方法を示す。

（１）サーチ動作 第５図に示すように各レーザビーム３−１．３−２の入
出力点をＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄとすれば各点の座標は下式のよ
うになる。

Ａ点　（（ｘｐ＋１）＋Ｘ６１　（ｙｐｌ）＋ｙｏ）Ｂ
点　（（ｘｐ−ｉ　）　＋　ｘａ、（ｙｐ＋１　）　＋
　３’ａ　）０点　（（ｘｐ−ｔ　）　＋　Ｘｏ、　（
ｙｐ−１）　＋　ｙｏ　）Ｄ点　（（Ｘｐ＋１　）　＋
ｘｏ、　（ｙｐ−１）　＋ｙｏ　）ただし、上述したよ
うにｏ（ｘｏ、ｙｏ）は回転中心（ウェハチャック中心
）　、Ｐ　（Ｘｐ、ｙｐ）はレーザビーム３−１．３−
２のクロス点を示す。

ここで、第４ｂ図に示すように、０点（ｘｏ。

ｙｏ）を中心としたθ回転駆動およびＹ方向駆動を行な
って、レーザビーム３−１が常に遮光状態となるように
した場合の新たな中心０′点座標を（Ｘ　１．ｙＩ）と
すると、Ｂ、Ｄ点の真座標Ｂ′。

Ｄ′点は Ｂ　’　　　　（（ｘｐ−１）ｃｏｓθ−（ｙｐ＋１）
ｓｉｎｏ＋ｘｔ　　＋（ｘ、−１）ｓｉｎθ＋（ｙｐ＋
１）Ｃｏｓｅ＋ｙ＋）Ｄ’　　　（（ｘ、＋１）ｃｏｓ
θ−（Ｖｐ−１）ｓｉｎｅ＋ＸＩ＋（ｘｐ＋１）ｓｉｎ
θ＋（ｙｔ＋−１）ｃｏｓｏ＋ｙ＋）どなる。

ここで、プローブニードルの位置（ｘｎ＋ｙｎ　）はウ
エハブローパ上で上述のＢ、Ｄ点間を結ぶ直線の式とＢ
’　、Ｄ’点点間結ぶ直線の式の交点となるため、これ
を求めると下式のようになる。

・・・・・・（１−１） ・・・・・・（１−２） これによりプローブニードル位置（Ｘｎ、３’ｎ　）が
求められる。

また、第４ｅ図に示すように、クロスビームの交点を中
心にθ回転をさせるための新たな０点座標を（ｘｇ、ｙ
ｇ　）とすれば、 ｘ　　ｍ　　＝　　　ｆｘ　ｏ＋Ｘ　ｐ）−（Ｘ　ｐＣ
ＯＳθ　−ｙ　　、ｓｉｎθ）・・・・・・（２−１） ｙ　ａ　　−（ｙ　Ｑ”ｙ９）−（Ｘ　、５ｌｒｌθ−
ｙ　、ｃｏｓθ）・・・・・・（２−２） となる。

（２）荷重点検出による微位置計測 衣に、第７図を参照して第６図に示す荷重点検出の原理
を説明する。なお、ここでは説明の簡略化のために２次
平面であるコンタクトプレートを直線におき換えている
。

同図に示す各パラメータの意味は以下の通りである。

Ｄ　ニオ−パトライブ量 λｌ　：コンタクトプレート左側の変形量λ２　：コン
タクトプレート右側の変形量Ｌ　：コンタクトプレート
の長さ Ｘ　：コンタクトプレート中心から荷重点までの距離 ｋｏ　：コンタクトプレート側バネのバネ定数に１　ニ
ブローブニードルのバネ定数 ここでコンタクトプレートの傾きを ｄ＝ｆ１２−１゜ とすると、 パトライブＤをかけた時の傾きｄを検出することにより
、コンタクトプレート中心から荷重点までの距離ｘが求
めれられる。

なお、ここでｄはポジションセンサ出力から容易に測定
可能な量である。

法について説明を行なう。

まず、（３−１）式を下式のように簡略化する　ｘ ｄ　　＝　−Ｄ Ｘ’＋に 従って、 ここである点に対して±αずれた点において、同一オー
バドライブをかける場合を考えると、ここで、ｄ＋、ｄ
ｚ、ｄ、は各点における測定値である。

（４−１）式から ・・・・・・（４−２） ・・・・・・（４−３） 上２式からＫを消去して、さらに とおくと ２　（２Ｍ２Ｍ３−Ｍ２−Ｍ３）　Ｘ　”　”　（Ｍ２
−Ｍ３）　ＣＬ　Ｘ”（Ｍ２”Ｍ３）α２−０　・・・
・（５−１）ここで、Ｍ、、Ｍ、は測定値から容易に求
められる値であり、またαは２回目、３回目にオーバド
ライブをかける時に設定し用いる１回目に対する荷重点
のずらし量であり既知の値である。従って、（５−１）
式からＸが求められ、これより１回目の荷重点の座標Ｘ
が求められる。

ただし、ここで（５−１）式は２次方程式であるため解
は２つになるが、これは、Ｍ２　、Ｍ３が同一でも’ｌ
、ｄ２＋ｄ３の符号が全て逆な場合の解が入っているた
めであり、真の解を選択するには、２つの解のうちｄｌ
と同一符号のものを選べば良いことになる。

［実施例の変形例］ なお、本発明は前述の実施例に限定されるものではなく
、適宜下記のような変形を加えることも容易である。

１、構成について １−１）　　プローブニードルの高さ検出にコンタクト
プレートという一枚の薄いガラス板を用いているが、こ
れをより軽量化するために複数枚に分割する。

第８図は、コンタクトプレートを分割した例を示す。８
−１．８−２はコンタクトプレートを構成する各プレー
トであり、コンタクトプレートの周端部付近で互いに接
合されている。このように構成することにより、各プレ
ート８のバネ定数を小さくかつ各プレートの重量を軽く
できるため、検出感度を上げても機械的共振周波数を下
げないで済む。即ち、床振動、ステージ振動等の低周波
振動の外乱に強い検出系が構成できることとなる。

１−２）　　上述のコンタクトプレート下面にエアーを
入れることにより、ゴミの混入を防ぐと同時にコンタク
トプレートのバネ定数をこのエアー圧によりコントロー
ルする。

１−３）　　上述のコンタクトプレートとニードルセン
スプレートを一体にしておき、コンタクトプレートにプ
ローブニードルを押付けることによりニードルセンスプ
レートを傾け、この傾きをポジションセンサで検出する
ことにより、クロス状態のレーザビームを用いずにプロ
ーブニードル群のサーチ動作を行なう。

第９図は、コンタクトプレート２とニードルセンスプレ
ート１１とを一体化した例を示す。同図において、コン
タクトプレート２上にニードル群が押付けられると、バ
ネ９１によりコンタクトプレート２はニードルセンスプ
レート１１と同じ原理で傾く。そして、この傾きから概
略の位置が求められる。

ニードルセンスプレート１１を使用する際には、コンタ
クトプレート２を下のベースにバキューム吸着しバネ９
２のみが働くようにして、ニードルセンスプレート１１
に１本のニードルを押付ければよい。

２、シーケンスについて ２−１）　　プローブニードルをコンタクトプレート上
の複数個所に押付けるのではなく、オーバドライブ量を
複数回変化させながら各々のオーバドライブ時のポジシ
ョンセンサよりの測定値から荷重点を求める。

２−２）複数本もしくは全数のプローブニードルの先端
位置および針圧荷重を、定期的にまたはブロービング中
に不良が多発した際に測定し、外部に警告を出す。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、今まで人手によ
り行なっていたプローブニードルの先端の位置合せのう
ち、高さ位置計測の作業を自動化できる。また、この計
測はオーバドライブがかかった状態で、かつプローブニ
ードルの先端を汚染させることなく行なうことができ、
人手によるよりも高速に計測可能である。

また、本発明によれば、消耗部品等を必要とせず、テス
タ側にも何ら影響を与えずに済むため非常に保守性が良
い。さらには、本発明で述べたニードルセンスユニット
はその単純さゆえに極めて小型軽量かつ安価にすること
が可能であるため、本発明の構成のウエハプローバはそ
の基本性能である高速性を保ちつつ、小型にすることが
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係るウエハプローバのニ
ードルセンスユニットを示す斜視図、第２図は、上記実
施例に係るウエハプローバのニードルセンスユニット周
辺部の斜視図、第３図は、上記実施例に係るウエハプロ
ーバの全体概略図、 第４図は、クロスレーザビームによるプローブニードル
の概略位置検出の様子を示す説明図、第５図は、サーチ
動作の計算用の座標の説明図、 第６図は、上記実施例に係るウエハプローバの荷重点検
出系の断面図、 第７図は、上記荷重点検出系の等価図、第８図は、コン
タクトプレートを分割した変形例を示す斜視図、 第９図は、コンタクトプレートとニードルセンスプレー
トとを一体化した変形例を示す斜視図である。 １；プローブニードル、 ２；コンタクトプレート、 ３：レーザビーム、 ４ニブリズム、 ５：ハーフミラ−， ６：ホトディテクタ、 ７：ニードルセンスプレート、 ８：ポジションセンサ、 ９：半導体レーザ、 ｌＯ：コリメータ １１：ビームシュリンカ、 ２０ニブローブカード、 ２１：カードホルダ、 ２２；ヘッドプレート、 ２３：パルスモータ、 ２４：ニードルセンスユニット、 ２５：ウェハチャック、 ２６：θＺステージ、 ２７：Ｙステージ、 ２８：Ｘステージ。 第５図 第７図 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、板状物体と、該板状物体とプローブカードのプロー
   ブニードル群とを圧接する手段と、該圧接手段による圧
   接動作の際の上記板状物体の変形を検出して上記プロー
   ブニードル群の高さ位置を求める手段とを備えることを
   特徴とするウエハプローバ。 ２、前記板状物体の表面のうち前記プローブニードル群
   と接しない側が導電性の薄膜よりなり、かつ該板状物体
   とプローブニードル群との圧接の際に該導電性薄膜と接
   する導電性のベースを有し、該薄膜と該ベースとの電気
   的なコンタクトを検出することにより前記板状物体の変
   形を検出する特許請求の範囲第１項記載のウエハプロー
   バ。 ３、前記板状物体が、複数枚に分割され軽量化されてい
   る特許請求の範囲第１項または第２項記載のウエハプロ
   ーバ。 ４、前記板状物体のバネ定数をこの板状物体下に流入さ
   せる流体圧力によりコントロールする特許請求の範囲第
   １項、第２項または第３項記載のウエハプローバ。