JP4583224B2 - 測定用配線基板、プローブカード及び評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定用配線基板、プローブカード及び評価装置に関するものであり、特に半導体ウエハに形成された半導体素子（ＩＣ）や半導体集積回路（ＬＳＩ）の電気的特性を測定するためのプローブカードに好適に用いられる測定用配線基板、プローブカード及び評価装置に関するものである。

従来、シリコン等の半導体ウエハに形成した半導体チップや集積回路の検査用にテスタが用いられている。回路検査は、このテスタに接続されたプローブカードのプロ―ブを介してチップと接続することにより行われる。

プローブカードは、絶縁基板の主面に、多数の微細なプローブを有し、プローブを各チップの電極と接続することで、数ミリの大きさのチップの電気特性を検査するものである。

近年は、半導体ウエハに形成されたＩＣやＬＳＩの製造工程に起因する初期不良を選別する加速試験のひとつとしてバーンイン試験が行われ、出荷品の信頼性を確保することが行われている。例えば、１００℃以上の高温での動作状態の検査や通常よりも高電圧負荷での動作状態の検査を行うものである。

このような温度加速検査において、ポリイミドから構成される測定用配線基板を用いた場合、半導体ウエハとの熱膨張率差に大きく違いがあるため、常温時に位置合わせを行っても、温度を上昇させるとずれが生じ、測定用配線基板の表面に設けられた測定端子と半導体ウエハとの電気的接触が保たれないといった問題が生じる。

そこで、測定用配線基板の熱膨張率を半導体ウエハの熱膨張率に近づけることが試みられてきた。例えば、半導体ウエハと熱膨張係数が近く、透明な石英ガラスを用いることによって、温度変化による位置ずれを低減したプローブカードが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、プローブカード自体に反りやうねり等の変形が生じるのを防止し、正確な検査を行うために、炭化物セラミックまたは窒化物セラミック等の非酸化物セラミックを用いて測定用配線基板を作製することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０−１１１３１５号公報 特開２００４−１６５６５０公報

しかしながら、測定用配線基板を、石英ガラス、炭化物セラミック又は窒化物セラミック等の非酸化物セラミックで構成し、熱膨張率を半導体ウエハの熱膨張率に近づけても、測定精度が十分でないという問題が生じてきた。これは、半導体ウエハ上に形成する回路の集積度の高まりによって、半導体素子に形成される端子パッド（電極）のピッチも狭まり、また、半導体ウエハの大型化や、種々の温度における高温加速試験が行われるため、測定用配線基板の表面に設けられた測定端子と半導体ウエハとの電気的接触が保たれない、即ち測定信頼性が低下するという問題があった。

従って、本発明は、測定精度が高く、測定の信頼性に優れた測定用配線基板、プローブカード及び評価装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、従来の熱膨張率の数値が、例えば−４０〜４００℃までの伸びの平均値であり、各温度における伸びが半導体ウエハと基板材料とで一致しないことを知見し、材料の伸び曲線を各温度において半導体ウエハに近づけることで、測定精度や測定信頼性に優れた測定用配線基板、プローブカード及び評価装置を実現したものである。

即ち、本発明の測定用配線基板は、絶縁基板と、該絶縁基板の表面及び／又は内部に配設された配線層と、前記絶縁基板の表面に設けられ、半導体ウエハに形成された複数の半導体素子を測定するための測定端子を具備してなる配線基板からなり、前記絶縁基板が、金属成分としてＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ及びＢを含み、結晶相としてコーディエライトを含む焼結体からなるとともに、該焼結体が、ＳｉをＳｉＯ _２ 換算で２０〜５３質量％、ＡｌをＡｌ _２ Ｏ _３ 換算で２０〜６１質量％、ＭｇをＭｇＯ換算で２〜２４質量％、ＢをＢ _２ Ｏ _３ 換算で２〜１４質量％含有しており、前記絶縁基板の−４０℃〜＋４００℃における平均熱膨脹係数が２×１０^−６／℃〜５×１０^−６／℃、且つ−４０℃〜＋４００℃の全ての温度範囲において前記絶縁基板と前記半導体ウエハとの伸びの差が０．０２％以下であることを特徴とするものである。

前記焼結体が、さらにＺｎＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ及びＺｒＯ_２のうち少なくとも一種を含み、その合計の含有量が１５質量％以下であることが好ましい。

前記焼結体が、結晶相として、さらにアルミナ、ガーナイト、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン、ジルコニア、ジルコン酸カルシウムのうち少なくとも一種を含むことが好ましい。

ヤング率が１５０ＧＰａ以下であることが好ましい。

抗折強度が２００ＭＰａ以上であることが好ましい。

前記絶縁基板の比誘電率が７以下であることが好ましい。

前記配線層が、銅、銀、金のいずれかを主成分として含有していることが好ましい。

また、本発明のプローブカードは、上記の測定用配線基板と、該測定用配線基板の一方の表面に設けられた測定端子と、前記測定用配線基板の他の表面に設けられた接続端子と、を具備することを特徴とする。

さらに、評価装置は、上記の測定用配線基板と、該測定用配線基板の一方の表面に設けられた外部回路基板と、該外部回路基板の表面に設けられた測定端子と、前記測定用配線基板の他の表面に設けられた接続端子とを具備することを特徴とする。

従来材料の熱膨張係数の値が、例えば−４０から４００℃における伸びを温度で除した平均値にすぎず、温度変化による材料の伸びが反映されていない特性値であり、このような特性値を用いて測定用配線基板の評価が不正確になることを知見した。例えば、図４は従来材料の温度変化による材料の伸びの値を示した図である。窒化珪素はアルミナに比べて熱膨張係数がＳｉ半導体ウエハに近いが、Ｓｉ半導体ウエハとの伸びの差は測定温度によって大きく異なっている。

また、測定したガラスは、＋４００℃（以下、単に４００℃と記載する）における伸びがＳｉと近似しているため、−４０〜＋４００℃（以下、単に−４０〜４００℃と記載する）における平均熱膨脹係数の差は極めて小さいが、低温域においては、窒化珪素よりも伸びが小さく、このような領域において測定信頼性が低下していた。

このように従来の材料評価における熱膨張率は、特定の温度範囲、例えば−４０〜４００℃の温度範囲における伸びの平均値であった。つまり、−４０℃の長さを基準とし、４００℃の伸びを測定して、これらの値から熱膨張率を平均値として算出していたにすぎなかったため、−４０〜４００℃の温度範囲における熱膨張率の値が半導体ウエハの熱膨張率に近かったとしても、１００℃の測定温度で加速試験を行うと、絶縁基板に反りが生じたり、プローブが測定端子からずれて測定できないという問題が生じていた。

ところが、本発明によれば、絶縁基板が結晶相としてコーディエライトを含む上記構成の焼結体からなり、各温度における基板材料（絶縁基板）の伸びが使用温度範囲の全ての温度領域に渡って半導体ウエハの伸びと近いため、どのような温度条件においても測定が正確で、測定時の接触不良を低減して測定信頼性を高めた測定用配線基板、プローブカード及び評価装置を実現することができる。

本発明を、測定用配線基板を用いたプローブカードを例として取り上げて説明する。図１は、本発明のプローブカードを用いた半導体素子の評価装置の構造を説明するための説明図であり、図２は、その一部拡大概略断面図である。

図１、２によれば、ステージ１０１の上に半導体ウエハ１０２を載置し、その上に半導体ウエハ１０２のプローブカード１００の複数の測定端子３を半導体ウエハ１０２に接触させて、半導体素子１０２ａの電気特性を測定することができる。

プローブカードは、測定用配線基板１０３と、測定用配線基板１０３の一方の主面に設けられた測定端子３と、その反対側の対向主面に設けられた接続端子４で構成され、接続端子４は、外部回路基板１０４に半田を介して接合され、外部回路基板１０４の電気回路と電気的に接続されている。

外部回路基板１０４はテスタ１０５に電気的に接続され、半導体素子１０２ａの電気特性を測定することができる。また、外部回路基板１０４と、外部回路基板１０４に接合されたプローブカード１００は、昇降装置１０６によって上下に駆動させることができ、プローブカード１００の測定端子３を半導体ウエハ１０２に接触させたり、離したりすることができる。

本発明によれば、上記構造の半導体ウエハ１０２に形成された複数の半導体素子１０２ａを測定するためのプローブカード１００の測定用配線基板１０３を構成する多層配線基板において、絶縁基板１の−４０〜４００℃における平均熱膨脹係数が２×１０^−６／℃〜５×１０^−６／℃（以下、単に２〜５×１０^−６／℃と記載する）、且つ−４０〜４００℃全ての温度範囲においてシリコン等の半導体ウエハ１０２との伸びの差が０．０２％以下であることが重要である。

ここで、−４０〜４００℃における平均熱膨脹係数が２〜５×１０^−６／℃の範囲外、且つ−４０〜４００℃の全ての温度範囲において半導体ウエハ１０２との伸びの差が０．０２％を越える場合、絶縁基板１は、半導体ウエハ１０２との熱膨張率差が大きいため、常温時に位置合わせを行っても、温度を上昇させるとずれが生じ、測定用配線基板の表面に設けられた測定端子と半導体ウエハ１０２との電気的接触が保たれないといった問題が生じる。

例えば、図３は、本発明の絶縁基板、シリコンからなる半導体ウエハ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４の測定温度における伸びを示している。ここで、Ａｌ_２Ｏ_３は−４０〜４００℃における平均熱膨脹係数は２〜５×１０^−６／℃の範囲外にあり、−４０〜４００℃の温度範囲において半導体ウエハとの伸びの差が０．０２％以上である。また、Ｓｉ_３Ｎ_４は−４０〜４００℃における平均熱膨脹係数は２〜５×１０^−６／℃の範囲内にあるが、−４０〜４００℃の温度範囲において半導体ウエハとの伸びの差が０．０２％以上である。

一方、本発明の絶縁基板は−４０〜４００℃における平均熱膨脹係数が２〜５×１０^−６／℃の範囲内にあり、且つ各温度における基板材料（絶縁基板）と半導体ウエハとの伸びの差が０．０２％以下であるため、どのような温度条件においても測定が正確で、測定時の接触不良を低減して測定信頼性を高めた測定用配線基板、プローブカード及び評価装置を実現することができる。

本発明の測定用配線基板１０３に用いる絶縁基板１をかかる構成とすることで、半導体ウエハ１０２の熱膨張率の挙動と近似し、高温時の半導体ウエハに形成された複数の半導体素子１０２ａの測定においても接触不良が発生せず、半導体ウエハ１０２に形成された集積回路の動作状態について、正確な判断を下すことができる。

また、上記の構造の測定用配線基板１０３を構成する多層配線基板において、絶縁基板１が、少なくともＺｎＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ及びＺｒＯ_２のうち少なくとも一種を含み、その合計の含有量が１５質量％以下であることが望ましい。これにより、焼結体の焼結性や特性を微調整することが容易になる。

絶縁基板１が、結晶相として少なくともコーディエライトを含有する。このコーディエライト結晶相は、焼結体の平均熱膨脹係数と比誘電率とを同時に低下させる効果があり、焼結体の平均熱膨脹係数を、例えばシリコンやＧａＡｓ等の半導体に近似させる。

また、上記焼結体中には、結晶相として、さらにアルミナ、ガーナイト、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン、ジルコニア、ＣａＺｒＯ_３のうち少なくとも一種を含有することが望ましい。これらの結晶相は焼結体の抗折強度をより高める効果があり、特に、アルミナの効果がより大きく好適に使用できる
なお、本発明の焼結体中には上記以外の金属酸化物結晶相が含有していても良い。その金属酸化物結晶相の例としては、ＳｉＯ_２、ＣａＭｇＳｉ_２Ｏ_６、Ｓｒ_２ＭｇＳｉ_２Ｏ_７、Ｂａ_２ＭｇＳｉ_２Ｏ_７、ＣａＺｒＯ_３、ＺｎＯ、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４、Ｚｎ_２Ａｌ_４Ｓｉ_５Ｏ_１８、等が挙げられ、用途に合わせて選択できる。なお、上記金属酸化物結晶相はここに例示した金属酸化物に限定されるものではない。これにより、焼結体の焼結性や特性を微調整することが容易になる。

また、本発明によれば、絶縁基板１を構成する成分が、酸化物に換算した場合の組成比で、ＳｉＯ_２：２０〜５３質量％、特に２５〜４８質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：２０〜６１質量％、特に２８〜５５質量％、ＭｇＯ：２〜２４質量％、特に４〜１８質量％、ＺｎＯ：２〜１４質量％、特に３〜１１質量％、Ｂ_２Ｏ_３：２〜１４質量％、特に３〜１１質量％を含有し、さらに任意成分として、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ_２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％、特に１〜１０質量％含有することが望ましい。

上記絶縁基板１を構成する成分を上記範囲に限定したのは、上記コーディエライト結晶相を効果的に存在せしめ、かつシリコンに近似した平均熱膨脹係数と、低い誘電率、高い抗折強度を得るためである。

さらに、本発明における絶縁基板１は、比誘電率が７以下、特に６．５以下、最適には６以下であることが好ましい。これにより、絶縁基板１の配線層２の信号遅延を小さくすることが容易になる。

測定用配線基板１０３は、抗折強度が２００ＭＰａ以上、特に２２０ＭＰａ以上、最適には２４０ＭＰａ以上であることが望ましい。これにより、測定用配線基板１０３の割れや、欠け等の発生を抑制することが容易になる。

また、測定用配線基板１０３は、ヤング率が、１５０ＧＰａ以下、特に１２０ＧＰａ以下、更には１００ＧＰａ以下であることが好ましい。これにより、測定用配線基板１０３の割れや、欠け等の発生を抑制することが容易になる。

この測定用配線基板１０３の表面の配線層２に接続する測定端子３を介して、半導体素子１０２ａと電気的に接続されている。また、測定用配線基板１０３の下面には、外部回路基板１０４へ電気的に接続するための接続端子４が設けられており、外部回路基板１０４表面の配線導体と電気的に接続されることによって測定用配線基板１０３は外部回路基板１０４に接続される。

なお、通常、上記の測定端子３及び接続端子４は、半田などのロウ材によって形成される。

また、外部回路基板１０４は、例えば、少なくとも有機樹脂を含む絶縁材料からなり、具体的には、ガラス−エポキシ系複合材料からなり、一般には線熱膨張係数が１３〜１６ｐｐｍ／℃のプリント基板等が用いられ、この絶縁基板１の表面にＣｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属導体からなる配線が形成されている。

ここで、測定用配線基板１０３において、絶縁基板１が複数層形成され、かつ該絶縁基板１間にＣｕ、Ａｇ、Ａｕの群から選ばれる少なくとも１種を主成分として含有する配線層２が形成されていることが望ましい。これは、内部配線層をＣｕ、Ａｇ、Ａｕといった低抵抗金属にて形成することにより、半導体ウエハ１０２に形成された集積回路の動作状態について、正確な判断を下すことができるためである。

また、測定用配線基板１０３と、該測定用配線基板１０３の一方の主面に設けられた測定端子３と、測定用配線基板１０３の他の主面に設けられた接続端子４とを具備するプローブカード１００であることが望ましい。その理由は、測定用配線基板１０３上の測定端子３を具備することで、半導体素子１０２ａの検査を繰り返しできるためである。

また、本発明のプローブカード１００は、測定用配線基板１０３と、該測定用配線基板１０３の一方の表面に設けられ外部回路基板１０４と、該外部回路基板１０４の表面に設けられた測定端子と、該測定用配線基板１０３の他の表面に設けられた接続端子４とを具備する評価装置であることが望ましい。その理由は、測定用配線基板１０３と外部回路基板１０４を接続することで、外部回路基板１０４を介して測定器と接続することができるためである。

図１の多層配線基板を作製した。まず、表１に示した４種類の組成のガラスを準備した。なお、平均粒径は２μｍとした。

上記ガラスに対して、表２に示す組成物を混合してドクターブレード法によって成形体を作製し、この成形体を窒素/水蒸気雰囲気中、７５０℃、２時間の熱処理により脱バインダー処理した後、窒素雰囲気中で表２の条件で焼成してプローブカード用の測定用配線基板に用いる焼結体を作製した。

このセラミックスについて、−４０〜４００℃の熱膨張係数、−４０〜４００℃の各温度における半導体ウエハとの最大の伸びの差を求めた。

また、プローブカード形状にした時の−４０〜４００℃の熱膨張係数、−４０〜４００℃の各温度における半導体ウエハとの最大の伸びの差も求めた。

また、焼結体をφ１６ｍｍ、厚さ２ｍｍに加工し、両面にＩｎ−Ｇａペーストを塗布して電極とし、ＬＣＲメーターを用いて、測定周波数１ＭＨｚにおいて比誘電率を測定した。

さらに、焼結体を３ｍｍ×４ｍｍ×５０ｍｍに加工し、オートグラフを用いて３点曲げ強度を測定した。結果を表２に示した。

また、焼結体中における結晶相をＸ線回折測定から同定し、ピーク強度の大きい順に表３に示した。

また、表２における各原料組成物を用いて、ドクターブレード法により厚み３００μｍのグリーンシートを作製し、このシートにビアホールを形成し、銅を主成分とするメタライズペーストをスクリーン印刷法に充填し、さらにメタライズパッドのパターンをスクリーン印刷で塗布した。

そして、メタライズペーストが塗布、充填されたグリーンシートをスルーホールの位置合わせを行いながら６枚積層し圧着した。この積層体を窒素／水蒸気中、７５０℃、２時間の条件で熱処理して脱バインダーを行った後、それぞれ表２と同じ条件で焼成してプローブカードを作製した。

また、上記測定用配線基板の絶縁基板表面に大きさが１×１ｍｍの評価用パッドを形成した。

そして、このパッドに対して、Ｃｕからなるピンを半田付けして、−４０℃と４００℃の各温度に制御した恒温槽に測定用配線基板を１５分／１５分の保持を１サイクルとして１００サイクルの熱サイクルを施した後に、このピンを垂直に引き上げ、半田もしくは金属層が離れた時の強度を接着強度として評価し、接着強度は２２．５ＭＰａ以上を合格とした。結果を表３に示した。

本発明の試料Ｎｏ．１〜４、６〜１０、１３〜１８、２１〜２４は、−４０〜４００℃における平均熱膨張係数が２〜５×１０^−６／℃の範囲内、−４０〜４００℃の全ての温度範囲において配線基板と半導体ウエハとの伸びの差が０．０２％以下（焼結体とプローブカード形状との差なし）、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下、抗折強度が１５０ＭＰａ以上となり、熱サイクル後においても配線層の接着強度が２２．５ＭＰａ以上と高い接着強度が得られた。

一方、ガラス粉末の量が９９．５質量％よりも多い試料Ｎｏ．５では、焼結体が原形を保つことができず評価可能な試料を得ることができなかった。

また、ガラス粉末の量が６０質量％よりも少ない試料Ｎｏ．１１、さらに、コーディエライト粉末が２０質量％よりも多い試料Ｎｏ．１２では、１０００℃以下の焼成で緻密な焼結体を得ることができなかった。

試料Ｎｏ．１９、２０は、コーディエライト粉末を含有しない場合であるが、いずれの試料も−４０〜４００℃における平均熱膨脹係数が高くなり、−４０〜４００℃の全ての温度範囲において配線基板と半導体ウエハとの伸びの差が０．０２％以上となった。

さらに、ガラス粉末としてＭｇＯを含まないガラスＤを用いた試料Ｎｏ．２５、２６では、いずれの試料も−４０〜４００℃における平均熱膨脹係数が高くなり、−４０〜４００℃の全ての温度範囲において配線基板と半導体ウエハとの伸びの差が０．０２％以上となり、ヤング率も１５０ＧＰａ以下となった。

試料Ｎｏ．２７のＳｉ_３Ｎ_４は−４０〜４００℃における平均熱膨脹係数は２〜５×１０^−６／℃の範囲内にあるが、−４０〜４００℃の温度範囲において半導体ウエハとの伸びの差が０．０２％以上であった。

本発明の評価装置の説明図である。 本発明の測定用配線基板の部分拡大断面図である。 本発明の測定用配線基板を構成する絶縁基板の伸びと温度との関係を表した図である。 各材料別の伸びと温度との関係を表した図である。

符号の説明

１・・・絶縁基板
２・・・配線層
３・・・測定端子
４・・・接続端子
１００・・・プローブカード
１０１・・・ステージ
１０２・・・半導体ウエハ
１０２a・・・半導体素子
１０３・・・測定用配線基板
１０４・・・外部回路基板
１０５・・・テスタ
１０６・・・昇降装置

Claims (9)

1. 絶縁基板と、該絶縁基板の表面及び／又は内部に配設された配線層と、前記絶縁基板の表面に設けられ、半導体ウエハに形成された複数の半導体素子を測定するための測定端子を具備してなる配線基板からなり、前記絶縁基板が、金属成分としてＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ及びＢを含み、結晶相としてコーディエライトを含む焼結体からなるとともに、該焼結体が、ＳｉをＳｉＯ _２ 換算で２０〜５３質量％、ＡｌをＡｌ _２ Ｏ _３ 換算で２０〜６１質量％、ＭｇをＭｇＯ換算で２〜２４質量％、ＢをＢ _２ Ｏ _３ 換算で２〜１４質量％含有しており、前記絶縁基板の−４０℃〜＋４００℃における平均熱膨脹係数が２×１０^−６／℃〜５×１０^−６／℃、且つ−４０℃〜＋４００℃の全ての温度範囲において前記絶縁基板と前記半導体ウエハとの伸びの差が０．０２％以下であることを特徴とする測定用配線基板。
2. 前記焼結体が、さらにＺｎＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ及びＺｒＯ_２のうち少なくとも一種を含み、その合計の含有量が１５質量％以下であることを特徴とする請求項１記載の測定用配線基板。
3. 前記焼結体が、結晶相として、さらにアルミナ、ガーナイト、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン、ジルコニア、ジルコン酸カルシウムのうち少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の測定用配線基板。
4. ヤング率が１５０ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の測定用配線基板。
5. 抗折強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の測定用配線基板。
6. 前記絶縁基板の比誘電率が７以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の測定用配線基板。
7. 前記配線層が、銅、銀、金のいずれかを主成分として含有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の測定用配線基板。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の測定用配線基板と、該測定用配線基板の一方の表面に設けられた測定端子と、前記測定用配線基板の他の表面に設けられた接続端子と、を具備することを特徴とするプローブカード。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載の測定用配線基板と、該測定用配線基板の一方の表面に設けられた外部回路基板と、該外部回路基板の表面に設けられた測定端子と、前記測定用配線基板の他の表面に設けられた接続端子とを具備することを特徴とする評価装置。

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