JP7616877B2 - プロービング装置 - Google Patents

Description

本開示は、半導体ウェハの検査に用いられるプロービング装置に関する。

半導体ウェハ（以下、単にウェハという。）の検査に用いられるプロービング装置がある。プロービング装置は、ウェハ上の半導体チップ（以下、単にチップという。）の電気的な検査用の探針（プローブ）が設けられたプローブカードを備えている。また、プローブカードには、光学系が搭載され、イメージセンサによって半導体チップの画像を取得可能となっている。ウェハの検査を精度よく行うためには、プローブカードを所定の温度に設定することが望ましく、そのためにプローブカードの温度を調整可能にする技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開平４－３５９４４５号公報

上記の温度調整の技術では、局所的な温度調整が困難であり、例えばプローブカードの移動に伴って面内の温度分布にむらが生じ、検査時の信頼性が低下する。

検査時の信頼性を向上させることが可能なプロービング装置を提供することが望ましい。

本開示の一実施の形態に係るプロービング装置は、基板と、基板の下面に設けられ、半導体ウェハの電気的な検査に用いられるプローブと、基板の中央に設けられ、半導体ウェハの画像を取得するために用いられる光学系とを有するプローブカードと、プローブカードに取り付けられ、局所的に温度調整が可能となるように面内で複数の分割領域に分割された構造を有する温度調整機構と、温度調整機構における複数の分割領域のそれぞれの温度を制御する温度コントローラとを備える。温度コントローラは、複数の分割領域間の温度変化を抑制し、半導体ウェハと光学系との高さ方向の位置精度が所望の値となるように、複数の分割領域のそれぞれの温度を所定の設定温度に制御する。

本開示の一実施の形態に係るプロービング装置では、複数の分割領域に分割された構造を有する温度調整機構によって、局所的な温度調整が可能となる。

比較例に係るプローバによる測定シーケンスの一例を示す説明図である。 比較例に係るプローバによる測定シーケンスの一例を示すフローチャートである。 比較例に係るプローバによるウェハ中央でのプリヒート時間とウェハ外周部の結像性能との関係の一例を示す説明図である。 第１の実施の形態に係るプロービング装置の一構成例を示す断面図である。 第１の実施の形態に係るプロービング装置における温度調整機構の面内構造の一例を示す平面図である。 第１の実施の形態に係るプロービング装置の制御系の回路構成例を示す回路図である。 ウェハとの位置関係に起因するプローブカードの温度状態の一例を示す説明図である。 温度調整機構の分割例を示す説明図である。 温度調整機構を分割しない場合のプローブカードの面内温度差の一例を示す説明図である。 温度調整機構を分割した場合のプローブカードの面内温度差の一例を示す説明図である。 非分割方式と分割方式とのそれぞれにおける、イメージセンサによって得られる画像のＭＴＦの面内分布の一例を示す説明図である。 第１の実施の形態に係るプロービング装置における温度調整の制御動作の流れの一例を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
０．比較例（図１～図３）
１．第１の実施の形態（図４～図１２）
１．１ 構成
１．２ 動作
１．３ 効果
２．その他の実施の形態

＜０．比較例＞
（比較例に係るプロービング装置の概要と課題）
半導体検査装置の１つとして、プロービング装置を用いてウェハ検査を行うプローバがある。プロービング装置のプローブカードには、光学系が搭載されている。プローバでは、光源やレンズ等の光学系を使ってイメージセンサによってウェハを撮像し、ウェハレベルの評価を実施している。ここで、高低温時はウェハが熱源となって移動するため、ウェハとプローブカードとの位置関係によって、プローブカードの面内温度が変化し、歪みが発生する。また、熱源であるウェハが移動するため、歪み量が刻々と変化する。その結果、プローブカードに搭載された光学系とウェハとの位置精度が例えば１５μｍ以内で刻々と変化し、取得画像のピントずれや測距の誤差が発生する。上記の理由により、高低温時におけるウェハレベルでの結像評価や測距評価は困難とされていた。

一方、特許文献１（特開平４－３５９４４５号公報）には、プローブカードを所定の温度に設定するために、プローブカードの温度を調整可能にする技術が提案されている。特許文献１に記載の技術では、プローブカードにおける、ある１カ所の温度を温度センサによって検出し、その検出結果に基づいてプローブカードの面内に一様に（分割せずに）配置された温度可変部によってプローブカードの温度を制御している。特許文献１に記載の技術では、プローブカードが常にウェハ面内上にある場合は、面内温度の一定化が可能となる。しかしながら、プローブカードの一部がウェハ面内上から外れた場合、その外れた部分の温度変化を抑制することが困難である。これに対し、本開示の技術では、後述するように、局所的な温度調整が可能な温度調整機構を設けることで、プローブカードの一部がウェハ面内上から外れた場合であっても、その外れた部分の温度変化を抑制することが可能となる。

また、特許文献１に記載の技術では、温度調整機構のヒータのオン／オフの際に発生する電磁ノイズの対策がなされておらず、例えば超低ノイズイメージセンサを用いた検査を行う場合の対応が不十分である。

また、ウェハ面内でのピントずれを均一にするための方法として、まず、プローブカードのプローブの針先の高さを測定してチップに対して針の押し込み量を一定にしようとするプローバの機能を使うことが考えられる。この場合、逆に、プローブの針先の高さの測定時にプローブカードの温度が変化してしまい有効的ではない。そこで、どのチップを測定する際もプローブカードがウェハ中央でピント調整を行った状態を保つことができればよいと考えられる。例えば、図１に示したように、測定するチップ１０１Ａごとにウェハ１００の中央部に戻りプローブカードを暖めた後（コンタクトプリヒート）に、測定するチップ１０１Ａへ移動させる方法が考えられる。図２は、この場合のプローバによる測定シーケンスの一例を示すフローチャートである。

まず、プローバは、プローブカードをウェハ１００の中央部に移動させ、中央のチップ１０１Ｃでコンタクトプリヒートを行う（ステップＳ１１）。次に、プローバは、中央のチップ１０１Ｃでピント調整を行う（ステップＳ１２）。次に、プローバは、中央のチップ１０１Ｃでコンタクトプリヒートを行う（ステップＳ１３）。次に、プローバはプローブカードを移動させ、指定のチップ１０１Ａの測定を行う（ステップＳ１４）。

次に、プローバは、指定のチップ数の測定が終了したか否かを判断する（ステップＳ１５）。指定のチップ数の測定が終了していないと判断した場合（ステップＳ１５；Ｎ）、プローバは、ステップＳ１３の処理に戻る。指定のチップ数の測定が終了していると判断した場合（ステップＳ１５；Ｙ）、次に、プローバは、プローブカードを中央のチップ１０１Ｃへ移動させる（ステップＳ１６）。

図３は、上述のような測定シーケンスを行う比較例に係るプローバによるウェハ中央でのプリヒート時間とウェハ外周部の結像性能との関係の一例を示している。プリヒート時間を延ばすほど、結像性能としてのピントずれは改善する傾向となる。ここで、プリヒート時間を１０分とすると、例えば１０００チップを含む１ウェハあたりの評価に掛かる時間は、１０分×１０００チップ＝約７日間となり、現実的な評価時間に収まらない。評価は長くても８時間以内に収めることが求められる。

これに対し、本開示の技術では、後述するように、局所的な温度調整が可能な温度調整機構を設けることで、測定時間への影響を回避しつつ、ウェハ検査時の信頼性を向上させることが可能となる。

＜１．第１の実施の形態＞
［１．１ 構成］
図４は、第１の実施の形態に係るプロービング装置の一構成例を示している。図５は、第１の実施の形態に係るプロービング装置における温度調整機構２の面内構造の一例を示している。図６は、第１の実施の形態に係るプロービング装置の制御系の回路構成例を示している。

第１の実施の形態に係るプロービング装置は、プローブカード１と、温度調整機構２と、温度コントローラ３とを備えている。

プローブカード１は、例えば多層配線層構造を有する基板１０と、基板１０の下面に設けられ、基板１０の配線に接続されたプローブ１１と、基板１０の中央に設けられた光学系１２とを有する。

温度調整機構２は、サーモスタットであり、プローブカード１に取り付けられ、局所的に温度調整が可能となるように、図５に示したように面内で複数の分割領域２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに分割された構造を有する。なお、図５では、複数の分割領域として４つの分割領域２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに分割された構造を示すが、２、３、または５分割以上の分割領域に分割された構造であってもよい。

温度調整機構２は、面内で複数の分割領域２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに分割された構造を有するヒータ２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）を有する。

温度調整機構２は、例えば接着材と極低頭ねじ１３により、プローブカード１における基板１０の下面に取り付けられている。温度調整機構２は、プローブカード１におけるプローブ１１および光学系１２が設けられた領域以外の領域に取り付けられている。なお、温度調整機構２が、基板１０内に設けられる構造であってもよい。

ヒータ２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）は、例えばシリコンラバーヒータである。ヒータ２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）は、高熱伝導材としての高熱伝導シート２２を介してプローブカード１の基板１０の下面に取り付けられている。高熱伝導シート２２は、例えば電気絶縁タイプの高熱伝導材である。これにより、ヒータ２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）とプローブカード１との間の面内の熱抵抗を小さくしている。

また、ヒータ２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）におけるプローブカード１に対する取り付け面とは反対側の面は、断熱材２３で覆われている。これにより、ヒータ２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）と周辺大気中との間の熱抵抗を大きくしている。

温度調整機構２は、熱電対２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ）を有する。熱電対２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ）は、ヒータ２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）における複数の分割領域２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのそれぞれにおける温度を検出する温度センサである。熱電対２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ）によりプローブカード１の表面温度を温度コントローラ３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）へフィードバックすることにより、温度コントローラ３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）によって温度を制御することが可能となっている。

温度調整機構２における複数の分割領域２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄはそれぞれ、例えば交流電源３０（図６）による交流電圧により駆動されることによって温度調整が可能である。

温度コントローラ３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）は、温度調整機構２における複数の分割領域２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのそれぞれの温度を制御する。温度調整機構２の制御回路は、図６に示したように、交流電源３０と、ヒューズ３１と、スイッチＳＷとを有していている。

温度コントローラ３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）は、温度調整機構２における複数の分割領域２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのそれぞれを交流電圧によりオン／オフ駆動することによって温度を制御する。また、後述するように、温度コントローラ３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）は、複数の分割領域２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのそれぞれのオン／オフ駆動のタイミングを交流電圧がゼロクロス点となったタイミングで行う。

以上のような構造により、プローブカード１の下面からウェハ１００までの距離が例えば４ｍｍ程度であっても、限られたスペース内で最大の温度特性を達成することが可能となっている。

（温度特性例）
図７は、ウェハ１００との位置関係に起因するプローブカード１の温度状態の一例を示している。

図７に示したように、プローブカード１の一部がウェハ１００の面内上から外れる場合、プローブカード１はウェハ１００の面内上にある部分ではウェハ１００からの熱によって加熱される一方、ウェハ１００の面内上から外れる部分では対流と輻射によって冷却される。温度調整機構２は、そのようなウェハ１００の面内上から外れた部分における温度変化を抑制することが可能となるように、分割構造とされている。

図８は、温度調整機構２の分割例を示している。図８には、温度調整機構２を分割しない場合（非分割方式）と分割した場合（分割方式）との構造の違いを示す。センス点とは、熱電対２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ）による温度の検出点を示す。

図９は、温度調整機構２を分割しない場合のプローブカード１の面内温度差の一例を示している。図１０は、温度調整機構２を分割した場合のプローブカード１の面内温度差の一例を示している。

図９に示したように、温度調整機構２が非分割構造であった場合、ウェハ１００の面内上から外れる部分ではプローブカード１の温度は例えば６０℃、ウェハ１００の面内上の部分ではプローブカード１の温度は７０℃となり、プローブカード１に面内温度差がある。これに対し、図１０に示したように、温度調整機構２が分割構造であった場合、ウェハ１００の面内上から外れる部分とウェハ１００の面内上の部分とのそれぞれの温度を例えば６０℃に合わせることが可能となる。

図１１は、以上で説明した非分割方式（図８、図９）と分割方式（図８、図１０）とのそれぞれにおける、イメージセンサによって得られる画像のＭＴＦの面内分布（ピントずれ）の一例を示している。

図１１に示したように、分割方式によってプローブカード１の面内温度を一定化することでピントずれの面内傾向が大幅に改善した。ＭＴＦを物理長に換算すると、光学系１２とウェハ１００との高さ方向の位置関係は、非分割方式の場合が例えば１５μｍ精度、分割方式の場合が例えば７．５μｍ精度となる。このように、第１の実施の形態に係るプロービング装置では、温度調整機構２の構造として分割方式を採用することで、高低温時におけるウェハレベルでの結像評価や測距評価を行うことを可能にしている。

一方、温度調整機構２による温度調整を行う副作用として、温度調整機構２とウェハ１００とが数ｍｍの距離で近接することから、温度調整機構２から発生される電磁ノイズが空間中に放出されてウェハ１００に到達し、イメージセンサによる測定に影響を及ぼすことが考えられる。例えば、ヒータ２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）をオン／オフ制御するためのスイッチＳＷ（図６）によるスイッチングイズが電磁ノイズとして空間中に放出されることが考えられる。

そこで、ノイズ対策として、温度コントローラ３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）は、交流電源３０の交流電圧をモニタし、交流電圧が０Ｖをクロスした時（ゼロクロス点）に、つまり電圧の符号のプラスとマイナスとが反転した時にヒータ２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）をオン／オフ制御する。これにより、電磁ノイズの発生を抑制し、例えば、イメージセンサによる取得画像における電圧ノイズレベルを例えば数１０μＶから数μＶへ低減することが可能となる。

［１．２ 動作］
図１２は、第１の実施の形態に係るプロービング装置における温度調整の制御動作の流れの一例を示すフローチャートである。

まず、温度コントローラ３は、熱電対２１による検出温度が設定温度未満か否かを判断する（ステップＳ２１）。検出温度が設定温度未満ではないと判断した場合（ステップＳ２１；Ｎ）、温度コントローラ３は、ステップＳ２１の処理を繰り返す。検出温度が設定温度であると判断した場合（ステップＳ２１；Ｙ）、次に、温度コントローラ３は、交流電圧がゼロクロス点か否かを判断する（ステップＳ２２）。交流電圧がゼロクロス点ではないと判断した場合（ステップＳ２２；Ｎ）、温度コントローラ３は、ステップＳ２２の処理を繰り返す。交流電圧がゼロクロス点であると判断した場合（ステップＳ２２；Ｙ）、次に、温度コントローラ３は、ヒータ２０をオンにする（ステップＳ２３）。

次に、温度コントローラ３は、熱電対２１による検出温度が設定温度以上か否かを判断する（ステップＳ２４）。検出温度が設定温度以上ではないと判断した場合（ステップＳ２４；Ｎ）、温度コントローラ３は、ステップＳ２４の処理を繰り返す。検出温度が設定温度以上であると判断した場合（ステップＳ２４；Ｙ）、次に、温度コントローラ３は、交流電圧がゼロクロス点か否かを判断する（ステップＳ２５）。交流電圧がゼロクロス点ではないと判断した場合（ステップＳ２５；Ｎ）、温度コントローラ３は、ステップＳ２５の処理を繰り返す。交流電圧がゼロクロス点であると判断した場合（ステップＳ２５；Ｙ）、次に、温度コントローラ３は、ヒータ２０をオフにする（ステップＳ２６）。

次に、温度コントローラ３は、例えば上位のシステムからの制御停止指示があるか否かを判断する（ステップＳ２７）。制御停止指示がないと判断した場合（ステップＳ２７；Ｎ）、温度コントローラ３は、ステップＳ２１の処理に戻る。制御停止指示があると判断した場合（ステップＳ２７；Ｙ）、温度コントローラ３は、制御処理を終了する。

［１．３ 効果］
以上説明したように、第１の実施の形態に係るプロービング装置によれば、複数の分割領域２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに分割された構造を有する温度調整機構２によって局所的な温度調整を可能にしたので、検査時の信頼性を向上させることが可能となる。

第１の実施の形態に係るプロービング装置によれば、分割構造の温度調整機構２によってプローブカード１の表面温度を一定化することにより、温度変化時のプローブカード１の歪みが抑制され、プローブカード１に搭載された光学系１２とウェハ１００との高さ方向の位置精度を例えば１５μｍから７．５μｍへと改善することができる。これにより、高低温時におけるウェハレベルでの結像評価や測距評価が可能となる。

また、第１の実施の形態に係るプロービング装置によれば、温度調整機構２のヒータ２０のオン／オフ駆動のタイミングを交流電圧のゼロクロス点に同期させるようにしたので、ヒータ２０をオン／オフ駆動する際のスイッチングノイズの発生を抑制し、イメージセンサによる取得画像における電圧ノイズレベルを例えば数１０μＶから数μＶへと低減することが可能となる。

なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。以降の他の実施の形態の効果についても同様である。

＜２．その他の実施の形態＞
本開示による技術は、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。

例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
以下の構成の本技術によれば、複数の分割領域に分割された構造を有する温度調整機構によって局所的な温度調整を可能にしたので、検査時の信頼性を向上させることが可能となる。

（１）
基板と、前記基板の下面に設けられたプローブと、前記基板の中央に設けられた光学系とを有するプローブカードと、
前記プローブカードに取り付けられ、局所的に温度調整が可能となるように面内で複数の分割領域に分割された構造を有する温度調整機構と、
前記温度調整機構における前記複数の分割領域のそれぞれの温度を制御する温度コントローラと
を備える
プロービング装置。
（２）
前記温度調整機構は、
面内で前記複数の分割領域に分割された構造を有するヒータと、
前記ヒータにおける前記複数の分割領域のそれぞれにおける温度を検出する複数の温度センサと
を有する
上記（１）に記載のプロービング装置。
（３）
前記温度調整機構における前記複数の分割領域はそれぞれ、交流電圧により駆動されることによって温度調整が可能であり、
前記温度コントローラは、前記温度調整機構における前記複数の分割領域のそれぞれを前記交流電圧によりオン／オフ駆動することによって温度を制御するようになされ、前記複数の分割領域のそれぞれのオン／オフ駆動のタイミングを前記交流電圧がゼロクロス点となったタイミングで行う
上記（１）または（２）に記載のプロービング装置。
（４）
前記温度調整機構は、前記プローブカードにおける前記基板の下面に取り付けられている
上記（１）ないし（３）のいずれか１つに記載のプロービング装置。
（５）
前記ヒータは、高熱伝導材を介して前記プローブカードの前記基板の下面に取り付けられている
上記（２）に記載のプロービング装置。
（６）
前記ヒータにおける前記プローブカードに対する取り付け面とは反対側の面が、断熱材で覆われている
上記（５）に記載のプロービング装置。
（７）
前記温度調整機構は、前記複数の分割領域として４つの分割領域を有する
上記（１）ないし（６）のいずれか１つに記載のプロービング装置。
（８）
前記温度調整機構は、前記プローブカードにおける前記プローブおよび前記光学系が設けられた領域以外の領域に取り付けられている
上記（１）ないし（７）のいずれか１つに記載のプロービング装置。

１…プローブカード、２…温度調整機構（サーモスタット）、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ…分割領域、３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）…温度コントローラ、１０…基板、１１…プローブ、１２…光学系、１３…極低頭ねじ、２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）…ヒータ（シリコンラバーヒータ）、２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ）…熱電対（温度センサ）、２２…高熱伝導シート（高熱伝導材）、２３…断熱材、３０…交流電源、３１…ヒューズ、１００…ウェハ（半導体ウェハ）、１０１Ａ…チップ（半導体チップ）、１０１Ｃ…中央のチップ（半導体チップ）、ＳＷ…スイッチ。

Claims (8)

1. 基板と、前記基板の下面に設けられ、半導体ウェハの電気的な検査に用いられるプローブと、前記基板の中央に設けられ、前記半導体ウェハの画像を取得するために用いられる光学系とを有するプローブカードと、
   前記プローブカードに取り付けられ、局所的に温度調整が可能となるように面内で複数の分割領域に分割された構造を有する温度調整機構と、
   前記温度調整機構における前記複数の分割領域のそれぞれの温度を制御する温度コントローラと
   を備え、
   前記温度コントローラは、前記複数の分割領域間の温度変化を抑制し、前記半導体ウェハと前記光学系との高さ方向の位置精度が所望の値となるように、前記複数の分割領域のそれぞれの温度を所定の設定温度に制御する
   プロービング装置。
2. 前記温度調整機構は、
   面内で前記複数の分割領域に分割された構造を有するヒータと、
   前記ヒータにおける前記複数の分割領域のそれぞれにおける温度を検出する複数の温度センサと
   を有し、
   前記温度コントローラは、前記複数の分割領域のうち前記温度センサによる検出温度が前記所定の設定温度未満となった分割領域の前記ヒータをオンし、前記温度センサによる検出温度が前記所定の設定温度以上となった分割領域の前記ヒータをオフすることにより、前記複数の分割領域のそれぞれの温度を前記所定の設定温度に制御する
   請求項１に記載のプロービング装置。
3. 前記温度調整機構における前記複数の分割領域はそれぞれ、交流電圧により駆動されることによって温度調整が可能であり、
   前記温度コントローラは、前記温度調整機構における前記複数の分割領域のそれぞれを前記交流電圧によりオン／オフ駆動することによって温度を制御するようになされ、前記複数の分割領域のそれぞれのオン／オフ駆動のタイミングを前記交流電圧がゼロクロス点となったタイミングで行う
   請求項１に記載のプロービング装置。
4. 前記温度調整機構は、前記プローブカードにおける前記基板の下面に取り付けられている
   請求項１に記載のプロービング装置。
5. 前記ヒータは、高熱伝導材を介して前記プローブカードの前記基板の下面に取り付けられている
   請求項２に記載のプロービング装置。
6. 前記ヒータにおける前記プローブカードに対する取り付け面とは反対側の面が、断熱材で覆われている
   請求項５に記載のプロービング装置。
7. 前記温度調整機構は、前記複数の分割領域として４つの分割領域を有する
   請求項１に記載のプロービング装置。
8. 前記温度調整機構は、前記プローブカードにおける前記プローブおよび前記光学系が設けられた領域以外の領域に取り付けられている
   請求項１に記載のプロービング装置。

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