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JP5497609B2 - プローバ装置及びプローブ測定方法 - Google Patents
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Description

本件は、プローバ装置及びプローブ測定方法に関する。
半導体ウェハ上に形成された半導体集積回路の回路動作や特性を測定するためのプローバ装置が種々知られている。このようなプローバ装置は、一般的に測定対象物となる半導体集積回路に設けられた電極パッドにプローブピンの先端部を接触させて、各種の測定を行う。このとき、電極パッドに表面酸化膜が形成されていることがある。プローブピンは、この表面酸化膜を貫通しなければ、プローブピンと電極パッドとの導通状態が確保できず、測定のための信号経路が形成されない。
従来、電極パッドの表面上の誘電体層を貫通して信号経路を形成する集積回路用プローブカードが知られている。具体的に、プローブピンを振動させてくぼみを形成し、次いで弱い増速駆動でプローブピンを電極パッドに接触させて信号経路を形成する集積回路用プローブカードが知られている(例えば、特許文献1)。このような集積回路用プローブカードは、電極パッドに表面酸化膜が形成されている場合にも適用することができると考えられる。
また、被試験ウェハに微小な超音波振動を与え、探針に装着した超音波ピックアップによって探針とウェハとの接触を検出するプローバ装置が知られている(例えば、特許文献2)。
特開2007−93574号公報 特開平1−171236号公報
しかしながら、前記のような集積回路用プローブカードは、振動により表面酸化膜にくぼみを設けた後、さらに、そのくぼみにプローブピンを押し込むことによって信号経路の電気的な接続を獲得する。このため、電極パッドに必要以上に深い傷、広い傷を付けてしまうおそれがある。また、プローブピンを押し込む動作を伴うことから、集積回路上の配線にダメージを与えてしまうおそれもある。さらに、前記のようなプローバ装置は、プローブピン(探針)とウェハとの接触状態を把握することはできるが、電極パッドの表面酸化膜が破壊され、プローブピンとウェハ(測定対象物)との導通が確保されたか否かの確認は困難である。
そこで、本明細書開示のプローバ装置及びプローブ測定方法は、プローブピンと測定対象物との導通状態を確保しつつ、測定対象物の過度の損傷を抑制することを課題とする。
本明細書開示のプローバ装置は、プローブピンと、前記プローブピンの先端部を接触させる電極パッドが設けられた測定対象物が設置される台座部と、前記プローブピンと前記測定対象物の少なくとも一方を往復振動させる振動発生部と、前記プローブピンの先端部が前記台座部に設置された前記測定対象物に接触したときの前記プローブピンと前記電極パッドとの間の導通状態を計測する導通状態計測部と、前記導通状態の値に基づいて、前記値が予め設定されたしきい値を越えた場合に、前記振動発生部による往復振動を停止させる制御部と、を備え、前記振動発生部は、前記プローブピンの先端部を前記台座部上で前記測定対象物に相対的に摺動させる往復振動を発生させ、前記導通状態計測部は、前記振動発生部が発生させる往復振動の振幅中央において前記導通状態の値を取得する。
また、本明細書開示のプローブ測定方法は、台座部上に設置された測定対象物が備える電極パッドとプローブピンとを接触させて前記プローブピンと前記測定対象物の少なくとも一方を振動させつつ、前記振動の振幅中央において前記プローブピンと前記電極パッドとの間の導通状態を計測し、前記導通状態の値に基づいて、前記値が予め設定されたしきい値を越えた場合に、前記振動を停止させ、その後、前記プローブピンを用いた測定対象物の測定を行う。
プローブピンの先端部と測定対象物部の少なくともいずれか一方を振動させ、両者を相対的に摺動する状態としつつ、プローブピンと電極パッドとの導通状態を監視する。そして、プローブピンと電極パッドとの導通が確認されたときは、即座に振動を停止する。これにより、測定対象物の過度の損傷を抑制することができる。プローブピンと電極パッドとの導通が確認された後は、測定対象物に対する各種測定を行う。
本明細書開示のプローバ装置、プローブ測定方法によれば、プローブピンと測定対象物との導通状態を確保しつつ、測定対象物の過度の損傷を抑制することができる。
図1は、実施例1のプローバ装置の一例を示す概念図である。 図2は、プローバ装置が備える検出回路の一例を示すブロック図である。 図3は、振動発生部が発生させる正弦波の一例を示す説明図である。 図4は、プローブピンが電極パッドに接触して摺動するときのエネルギ状態の説明図である。 図5は、実施例1のプローバ装置における制御の一例を示すフロー図である。 図6(A)〜(C)は、表面酸化膜が破壊される様子を時系列的に示す説明図である。 図7は、実施例1のプローバ装置において発信される信号及び観測される信号の一例を示す説明図である。 図8は、実施例2のプローバ装置における制御の一例を示すフロー図である。 図9は、実施例2のプローバ装置において発信される信号及び観測される信号の一例を示す説明図である。 図10は、プローブピン側を振動させる例を示す説明図である。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。
図1は、実施例1のプローバ装置100の一例を示す概念図である。図1は、プローバ装置100を側方から見た状態を模式的に示している。図2は、プローバ装置100が備える導通状態計測部の一例である検出回路部108を示すブロック図である。
プローバ装置100は、測定対象物が設置されるステージ101を備えている。測定対象物は、例えば、電極パッド111aが設けられた半導体ウェハ111である。電極パッド111aには、のちに詳述するように、プローブピン105の先端部105aを接触させる。ステージ101は、XYZの方向に移動することができる。このステージ101は、台座部の一例である。この例では、ステージ101上に振動発生部102が設けられており、この振動発生部102上に測定対象物が設置されて測定対象物に往復振動が付与される。振動発生部102は、後述するプローブピン105の先端部105aをステージ101上で半導体ウェハ111に相対的に摺動させる往復振動を発生させる。具体的には、図3に示すような正弦波(又は余弦波)による振動を付与する。
ステージ101の上方には、プローブカード取付台104が設けられている。プローブカード取付台104に装着されたプローブカード103は、複数のプローブピン105を備えている。各プローブピン105の先端部105aは、ステージ101上に設置された測定対象物が備える電極パッド111aと接触できるようにプローブカード103の中心側に位置している。プローブカード103には、測定機器106が電気的に接続されている。測定機器106は、後述する制御部109に電気的に接続されている。
プローバ装置100は、振動発振器107、検出回路部108、制御部109を備える。振動発振器107は、振動発生部102と電気的に接続されている。また、振動発振器107は、検出回路部108及び制御部109と電気的に接続されている。
検出回路部108は、上述のように導通状態計測部の一例である。検出回路部108は、プローブピン105の先端部105aがステージ101上に設置された測定対象物に接触したときのプローブピン105と電極パッド111aとの導通状態の値(導通状態を判定するための値)を計測し、取得する。すなわち、プローブピン105と電極パッド111aとの導通状態を計測する。検出回路部108が取得する値(導通状態の値)は、プローブピン105と測定対象物(電極パッド111a)との電気抵抗値Rである。なお、電気抵抗値Rと相関関係を有する値、すなわち、V=IRの関係式で表現される電圧値Vや電流値Iを取得するようにしてもよい。要は、前記の導通状態を判定することができるものであればどのようなものであってもよい。検出回路部108は、上記のように振動発振器107と電気的に接続されており、振動発振器107から同期信号を受け取る。また、検出回路部108は、制御部109と電気的に接続されている。
検出回路部108のブロック図を図2に示す。検出回路部108は、抵抗測定回路108aを備えている。抵抗測定回路108aは、検出信号に基づいて電気抵抗値Rを算出し、算出した抵抗値を制御部109へ出力する。本実施例における検出回路部108は、遅延回路108bを備えている。この遅延回路108bは、のちに詳述するように、抵抗値測定のタイミングを振動発生部102の振動と同期させるために設けられており、振動発振器107が発する同期信号に基づいて抵抗値測定のタイミングを算出する。抵抗値測定回路108aは、遅延回路108bが算出したタイミングに基づいて抵抗値を測定する。具体的に、検出回路部108は、振動発振器107が発生させる振動発生部102の正弦波による往復振動の振幅中央Cにおいて電気抵抗値Rを取得する。
ここで、振動発振器107が振動発生部102に付与する正弦波と、検出回路部108が電気抵抗値Rを測定するタイミングについて説明する。図3は、振動発生部102が発生させる正弦波の一例を示す説明図である。正弦波は、±Aずつ、合計2Aの振幅を有している。また、周期はT(秒)、周波数はf(Hz)である。このような正弦波は、図3中、参照符号a1で示す点で速度vが0となる。同様に図3中、参照符号a2で示す点でも速度vが0となる。一方、参照番号a3で示す点で速度は最大vmaxとなる。
図4は、プローブピン105が電極パッド111aに接触して摺動するときのエネルギ状態の説明図である。具体的には、プローブピン105の振動エネルギによって電極パッド111aに形成された表面酸化膜112を破壊する様子について説明するものである。なお、本実施例では、実際には振動発生部102が振動するが、プローブピン105は、振動発生部102上に設置された半導体ウェハ111の電極パッド111aに接触する。このため、プローブピン105は、電極パッド111aに対して、摺動するように振動することになる。
このようなプローブピン105の電極パッド111aに対する押圧荷重をPとする。また、プローブピン105の先端部105aと表面酸化膜112との摩擦係数をμとする。そして、振動発生部102の振動の速度、すなわち、プローブピン105の振動の速度をv(=2πf)とする。すると、プローブピン105の振動エネルギEは、
E=μPv 式1
となる。
上記式1において、速度vが変化すれば、その変化に伴って振動エネルギが変化する。ここで、上述したように、図3において、参照番号a3を付した点、すなわち、振幅中央Cにおいて最も速度vが大きく、振動エネルギが大きいことになる。従って、振幅中央Cの表面酸化膜112がプローブピン105の先端部105aによって最も早く、最も深く切削される。この振幅中央Cは、振動発生部102が振動していない状態のときの、プローブピン105の先端部105aの直下に位置している。
検出回路部108は、表面酸化膜112が最も早く、最も深く切削される箇所において電気抵抗値Rを測定する。すなわち、検出回路部108は、プローブピン105の先端部105aが振幅中央Cにおいて電気抵抗値Rを測定する。これにより、プローブピン105と電極パッド111aとの導通状態を確保しつつ、電極パッド111aを含む半導体ウェハ111の過度の損傷を抑制することができる。すなわち、表面酸化膜112が破壊されたと判断できる終点を適切に検出するため、過度の損傷を抑制することができる。また、測定機器106による測定も、表面酸化膜112が最も早く、最も深く切削された振幅中央Cで行うようにする。
プローバ装置100は、検出回路部108を検出状態に切り替える切替スイッチ(SW)110を備えている。この切替SW110がオン状態となると、プローブピン105と半導体ウェハ111に設けられた電極パッド111aとの間の電気抵抗値Rを測定できるようになる。
制御部109は、検出回路部108で計測し、取得した電気抵抗値Rに基づいて、プローブピン105と電極パッド111aとが導通状態となったか否かを判断する。具体的には、制御部109は、予め設定されたしきい値を記憶しており、このしきい値と電気抵抗値Rとを比較する。この比較の結果、電気抵抗値Rがしきい値を越え、導通状態となったか否かの判断を行う。そして、制御部109は、導通状態となったと判断する場合に、振動発振器107による往復振動を停止させる。ここで、制御部109は、振動発振器107による往復振動を停止させるときに、振動発振器107による振動発生部102の振動の振幅を徐々に小さくする制御を行う。そして、最終的に振幅中央Cに収束させ、そのまま測定機器106による測定を行うようにすることができる。
なお、電気抵抗値Rの場合、値が予め設定されたしきい値を越えるとは、電気抵抗値Rがしきい値よりも小さい値となることを意味する。値として電流値Iを用いる場合は、電流値Iがしきい値よりも大きい値となることを意味する。値として電圧値Vを用いる場合は、電圧値Vがしきい値よりも小さい値となることを意味する。
つぎに、図5乃至7を参照しつつプローバ装置100の制御の一例(プローブ測定方法)を示す。図5は、プローバ装置100の制御の一例を示すフロー図である。図6(A)〜(C)は、表面酸化膜112が破壊される様子を時系列的に示す説明図である。図7は、ローブ装置100において発信される信号及び観測される信号の一例を示す説明図である。
プローバ装置100は、制御部109によってその動作の制御が行われる。まず、測定対象物である半導体ウェハ111をステージ101上に設けられた振動発生部102上に載置する。そして、プローバ装置100は、まず、ステップS1において、プローブピン105を半導体ウェハ111の電極パッド111aにコンタクトさせる。なお、このとき、制御部109は、プローブピン105が半導体ウェハ111の電極パッド111aに接触する以前に振動発生部102による振動を開始しておいてもよい。すなわち、後述するステップS2、S3の処理の後にステップS1の処理を行うようにしてもよい。このように予め振動を開始しておくことにより、プローブピン105の電極パッド111aに対する荷重、振動が一か所に集中してしまうことを抑制することができる。これにより、滑らかにプローブピン105と電極パッド111a(表面酸化膜112)とを相互に摺動した状態へと移行させることができる。これにより、測定対象物たる半導体ウェハ111の過度の損傷を抑制することができる。
ステップ1におけるコンタクト動作についで、ステップS2において、切替スイッチ(SW)110をオン状態に切り替える。これにより、プローバ装置100における電気抵抗値Rを測定できる状態となる。
つぎに、ステップS3において、制御部109は、振動発振器107に指令を発し、振動発生部102において、振動を発生させる。なお、上述のように、予め振動を発生させておいてもよい。
振動が開始されると、図6(A)〜(B)に示すように、表面酸化膜112がプローブピン105によって徐々に切削される。すなわち、図6(A)に示すように表面酸化膜112が削られていない状態から、図6(B)に示すように振幅中央Cの近傍から順に深く切削される。そして、最終的に図6(C)に示すように、振幅中央Cの近傍において表面酸化膜112が切削されて電極パッド111aの表面が露出する。図6(C)に示すような状態となれば、プローブピン105と電極パッド111aとの導通が確保される。このように、振動発生部102が振動することにより、プローブピン105と表面酸化膜112とは、摺動状態となるが、この間にステップS4の電気抵抗値Rの取得を行う。すなわち、振動と同期させて、電気抵抗値Rの取得を行う。
ここで、図7を参照しつつ、振動と電気抵抗値Rの取得との同期について説明する。図7中、(a)は、振動波形の同期信号を示している。(b)は、電気抵抗値Rの取得信号を示している。(c)は、検出された電気抵抗値Rを示している。(d)は、しきい値を示している。(e)は、終了信号を示している。
(a)に示す同期信号は、正弦波が−(マイナス)側から+(プラス)側へ移行する時点で発信される。そして、(b)に示す取得信号は、同期信号の発信から半周期だけ遅延させて発せられる。このような信号の遅延は、図2に示す遅延回路108bによって算出される。このようにして取得信号は、正弦波の振幅中央Cとなるときに発せられるようになる。取得信号が発せられると、そのタイミングで時間gの間に電気抵抗値Rが測定され、取得される。
そして、ステップS5において、(c)で示される電気抵抗値Rは、(d)でしめされるしきい値と比較される。ステップS5において、Noと判断したときは、ステップS4に戻り、再びステップS5の判断を行う。すなわち、電気抵抗値Rとしきい値との比較を行う。
プローブピン105の往復振動が継続されると、表面酸化膜112は徐々に切削され、除去される。そして、この間、ステップS4、ステップS5の処理を繰り返す。すると、図7中、参照符号X1を付して示すように、電気抵抗値Rがしきい値よりも小さい値を示すようになる。このように、電気抵抗値Rがしきい値よりも小さい値となったら、プローブピン105と電極パッド111aとが導通状態となったと判断され、(e)で示す終了信号が発せられる。このとき、ステップS5においてYesと判断されることになる。
終了信号が発せられたら、ステップS6において振動を停止させる。このとき、振動発生部102よる振動の振幅を徐々に小さくする。そして、最終的には、プローブピン105の先端分105aを振幅中央Cに収束させる。これは、振幅中央Cの近傍の表面酸化膜112が最も深く切削された状態となっており、プローブピン105と電極パッド111aとの導通が確保し易いことを考慮したものである。仮に、急激に振動を停止させると、プローブピン105は、その慣性力によって振幅中央C以外の位置に停止してしまうおそれが高まる。振動の振幅を徐々に小さくすることにより、スムーズにプローブピン105の先端部105aを振幅中央Cに収束させることができる。
ステップS6における振動停止が完了した後は、ステップS7に進む。ステップS7では、切替スイッチ(SW)110をオフに切り替える。そして、ステップS8へ進む。ステップS8では、測定機器106による半導体ウェハ111の各種測定、試験が行われる。
以上説明したようなプローバ装置を用い、プローブ測定方法を実施することにより、プローブピン105と測定対象物である半導体ウェハ111(電極パッド111a)との導通状態を確保しつつ、半導体ウェハ111(電極パッド111a)の過度の損傷を抑制することができる。
つぎに、実施例2について、図8を参照しつつ説明する。実施例におけるプローバ装置100の概略構成は、実施例1の場合と同様である。従って、プローバ装置100の構成についての詳細な説明は省略する。実施例1と実施例2とが異なるのは、制御部109が行う制御である。
ステップS11〜S13は実施例1について説明した図5におけるステップS1〜S3と同様の措置であるで、その詳細な説明は省略する。また、ステップS14における第一回目電気抵抗値取得との措置は、実施例1におけるステップS4における措置と同様である。すなわち、図7を参照しつつ説明したように、振動と同期させて電気抵抗値Rを取得する。ステップS14で電気抵抗値Rを取得した後は、ステップS5と同様に電気抵抗値Rとしきい値との比較を行う。ステップS15でNoと判断したときは、ステップS14へ戻る。ステップS15でYesと判断したときは、ステップS16へ進む。このステップS16の措置は、ステップS6における措置と同様であるのでその詳細な説明は省略する。
ステップS16の措置が終了した後は、ステップS17に進む。ステップS17では、実施例1とは異なり、第二回目の電気抵抗値Rを取得する。このステップS17の第二回目電気抵抗値取得がステップS14の第一回目電気抵抗値取得と異なる点は、以下の如くである。すなわち、ステップS14では、プローブピン105と電極パッド111aとが相対的に摺動している状態、振動している状態で電気抵抗値Rを取得している。これに対し、ステップS17では、振動が停止した状態で電気抵抗値Rを取得している。このように停止した状態で電気抵抗値Rを取得することにより、プローブピン105と電極パッド111aとの導通状態をより正確に把握することができる。ステップS17で電気抵抗値Rを取得した後は、ステップS18でしきい値との比較を行う。その結果、Noと判断したときは、ステップS13へ戻り、再び、振動による表面酸化膜2の破壊を行って、プローブピン105と電極パッド111aとの導通を確保する。一方、ステップS18でYesと判断したとき、すなわち、プローブピン105と電極パッド111aとの導通が確認された後は、ステップS19へ進む。ステップS19の措置は、ステップS7の措置と共通するので、その詳細な説明は省略する。そして、ステップS20では、ステップS8と同様に、測定機器106による半導体ウェハ111の各種測定、試験が行われる。
つぎに、実施例3について、図9を参照しつつ説明する。図9中、(f)は、電気抵抗値Rの取得タイミングを示している。(g)は、検出された電気抵抗値Rを示している。(h)は、しきい値を示している。(i)は、終了信号を示している。実施例3が、実施例1と異なる点は、以下の如くである。実施例1では、図7で示すように振動の振幅と同期させて電気抵抗値Rが取得されている。これに対し、実施例3では、図9に示すように、非常に短い間隔、例えば、実施例1における時間gよりも短い間隔で連続的に電気抵抗値Rを取得する。
このように短い周期で電気抵抗値Rを取得して、これと、しきい値を比較するようにしてもよい。この場合、実施例1のように、同期信号が不要となるので、遅延回路108bを省略することができる。この場合であっても、参照符号X2で示すように電気抵抗値Rがしきい値を越えたタイミングで終了信号を発し、振動を停止させる。これにより、プローブピン105と測定対象物である半導体ウェハ111(電極パッド111a)との導通状態を確保しつつ、半導体ウェハ111(電極パッド111a)の過度の損傷を抑制することができる。
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、上記実施例は、測定対象物を載置するステージ101上に振動発生部102を設け、測定対象物側を振動させている。これに対し、図10に示すプローバ装置200のように、振動発振器107をプローブカード103へ接続して、プローブピン側を振動させるようにしてもよい。
100、200…プローバ装置
101…ステージ
102…振動発生部
103…プローブカード
104…プローブカード取付台
105…プローブピン
105a…先端部
106…測定機器
107…振動発振器
108…検出回路部
109…制御部
110…切替スイッチ(SW)
111…半導体ウェハ

Claims (5)

  1. プローブピンと、
    前記プローブピンの先端部を接触させる電極パッドが設けられた測定対象物が設置される台座部と、
    前記プローブピンと前記測定対象物の少なくとも一方を往復振動させる振動発生部と、
    前記プローブピンの先端部が前記台座部に設置された前記測定対象物に接触したときの前記プローブピンと前記電極パッドとの間の導通状態を計測する導通状態計測部と、
    前記導通状態の値に基づいて、前記値が予め設定されたしきい値を越えた場合に、前記振動発生部による往復振動を停止させる制御部と、
    を備え、
    前記振動発生部は、前記プローブピンの先端部を前記台座部上で前記測定対象物に相対的に摺動させる往復振動を発生させ、
    前記導通状態計測部は、前記振動発生部が発生させる往復振動の振幅中央において前記導通状態の値を取得するプローバ装置。
  2. 前記導通状態計測部によって計測される値は、前記プローブピンと前記測定対象物との電気抵抗値又は電気抵抗値と相関関係を有する値である請求項1記載のプローバ装置。
  3. 前記制御部は、前記振動発生部による往復振動を停止させるときに、前記振動発生部による振動の振幅を徐々に小さくする制御を行う請求項1又は2記載のプローバ装置。
  4. 前記制御部は、前記プローブピンが前記測定対象物に接触する以前に前記振動発生部による振動を開始する請求項1乃至3のいずれか一項記載のプローバ装置。
  5. 台座部上に設置された測定対象物が備える電極パッドとプローブピンとを接触させて前記プローブピンと前記測定対象物の少なくとも一方を振動させつつ、
    前記振動の振幅中央において前記プローブピンと前記電極パッドとの間の導通状態を計測し、
    前記導通状態の値に基づいて、前記値が予め設定されたしきい値を越えた場合に、前記振動を停止させ、
    その後、前記プローブピンを用いた測定対象物の測定を行うプローブ測定方法。
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