(57)【要約】【課題】大口径ウエハの各点において正確な接触位置検出を行い、更に過負荷時にプローブ針を損傷することなく保護するウエハ支持装置を提供する。【解決手段】固定架台６に対し可動架台４がクロスローラガイド５により上下方向に案内され、固定架台６には可動架台４を押圧するための押圧部材７が配置され、可動架台４には接触バー２５が固定され、この可動架台４上にθステージ３が配置され、θステージ３には吸着ステージ１が固定され、吸着ステージ１上にはウエハ２又は個片チップ等の検査対象ワークが設置され、固定架台６にはセンサハウジング２０の駆動部材であるリニアモーター１６が配置され、センサハウジング２０には荷重センサ２１及び高精度変位センサ２２が設けられ、Ｚユニット２４は押圧部材７により支持され、接触バー２５が荷重センサ２１に接するように配置されているウエハ支持装置。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定架台と、可動架台と、この可動架台を前記固定架台に対して上下動可能に案内するクロスローラガイドと、前記固定架台に固定されて前記可動架台を上方に押圧する押圧手段と、前記可動架台に鉛直方向を回転軸として回転可能に設置されたθステージと、このθステージ上に設置されウエハを吸着保持する吸着ステージと、前記可動架台が上昇したときに可動架台に固定された接触バーが当接することにより前記接触バーが押圧する荷重を検出する荷重センサと、この荷重センサにより検出された荷重を基に前記押圧手段による押圧力を制御する制御部とを有し、前記押圧手段は、前記固定架台に固定され主加圧室及び副加圧室を有するシリンダと、前記主加圧室内及び副加圧室内で上下動する夫々主部及び副部を有するピストンロッドと、前記主加圧室内の圧力を調整する主圧力調整器と、前記副加圧室内の圧力を調整する副圧力調整器と、を有し、前記荷重センサは、前記接触バーが接触したときにその上方への移動は拘束するが、前記接触バーの下方への移動は拘束しないことを特徴とするウエハ支持装置。
【請求項２】
前記荷重センサが設置されるセンサ架台と、このセンサ架台を前記固定架台に対して上下動可能に案内する他のクロスローラガイドと、前記センサ架台の上下位置を検出する位置センサと、前記センサ架台を上下方向に駆動する駆動部材と、を有し、前記駆動部材により前記センサ架台を駆動して前記荷重センサの上下位置を調節することを特徴とする請求項１に記載のウエハ支持装置。
【請求項３】
前記駆動部材は、前記固定架台に固定された固定磁石と、この固定コイルとの間の磁気作用により浮上する可動磁石と、を有し、リニアモータによって前記センサ架台を上下動させることを特徴とする請求項２に記載のウエハ支持装置。
【請求項４】
前記駆動部材は、前記固定架台に固定されたモータと、このモータの駆動軸に設けられたボールネジと、前記センサ架台に形成され前記ボールネジが螺合するネジと、前記センサ架台の回転を阻止する手段とを有し、前記ボールネジを正逆回転させることにより、前記センサ架台を上下方向に駆動することを特徴とする請求項２に記載のウエハ支持装置。
【請求項５】
前記駆動部材は、ピストンの進出待入方向を鉛直にして前記固定架台に固定されたシリンダと、このシリンダの前記ピストンを前記センサ架台に連結する連結部材と、を有し、前記ピストンの進出待入位置を調節することにより、前記センサ架台を上下方向に駆動することを特徴とする請求項２に記載のウエハ支持装置。
【請求項６】
前記押圧手段の前記ピストンと、前記シリンダとの間に圧縮空気を供給する供給ポートを有し、前記シリンダは前記ピストンに対し、空気軸受となっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のウエハ支持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はウエハ支持装置に関し、特に半導体ウエハ上のチップ等の電気的特性検査を行う装置において、大口径ウエハの各点で、高精度な位置決め及び加圧制御が可能なウエハ支持装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、プローバと呼ばれるウエハ上の各チップの電極へプローブ針を接触させて電気的特性検査を行う装置では、ウエハをＸＹＺθ方向に移動する架台を有し、画像処理等によって位置決めを行って各チップへプローブ針を接触させる（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に代表されるような機構の場合、プローブ針の接触圧に関わるＺ方向については初期のキャリブレーション時に押し込み量を設定した後は、その接触圧によらず、Ｚ方向の位置のみで制御され、毎回同じ位置でウエハが停止する機構となっている。
【０００３】
近年、検査対象となる半導体チップの微細ピッチ化が進み、それに合わせて、検査に用いるプローブ針の微細化も進み、プローブ針はより細くなっている。しかしながら、電気的接続を取るための接触荷重もある程度は必要であるため、従来のような位置制御による位置決めのみでは、プローブ針の接触状態を正確に把握することができないという問題点が指摘されている。そこで、ステージに加わる荷重の大きさと、ステージのＸ軸方向及びＹ軸方向の位置ずれ量とを対応させた補正テーブルを用備えることにより、偏荷重による位置ずれを補正するステージの昇降装置が提案されている（特許文献２参照）。また、複数のアクチュエーターがステージの複数箇所を付勢することにより、ステージに載置されたウエハにプローブ針を接触させて、ステージに圧力を加えた場合に発生するモーメントを少なくするプローバも提案されている（特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２２９２７号公報  （第２−８頁、図１−１４）
【特許文献２】
特開２００２−１００６６６号公報  （第２−５頁、図５）
【特許文献３】
特許第３２６７９３８号公報  （第２−４頁、図６−８）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ウエハの大口径化及び更なる微細ピッチ化に伴い、ＸＹ平面上での位置決め精度も厳しくなっており、前述の従来技術ではこれらを満足することができなくなっている。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、大口径ウエハの各点において正確な接触位置検出を行い、更に過負荷時にプローブ針を損傷することなく保護するウエハ支持装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のウエハ支持装置は、固定架台と、可動架台と、この可動架台を前記固定架台に対して上下動可能に案内するクロスローラガイドと、前記固定架台に固定されて前記可動架台を上方に押圧する押圧手段と、前記可動架台に鉛直方向を回転軸として回転可能に設置されたθステージと、このθステージ上に設置されウエハを吸着保持する吸着ステージと、前記可動架台が上昇したときに可動架台に固定された接触バーが当接することにより前記接触バーが押圧する荷重を検出する荷重センサと、この荷重センサにより検出された荷重を基に前記押圧手段による押圧力を制御する制御部とを有し、前記押圧手段は、前記固定架台に固定され主加圧室及び副加圧室を有するシリンダと、前記主加圧室内及び副加圧室内で上下動する夫々主部及び副部を有するピストンロッドと、前記主加圧室内の圧力を調整する主圧力調整器と、前記副加圧室内の圧力を調整する副圧力調整器と、を有し、前記荷重センサは、前記接触バーが接触したときにその上方への移動は拘束するが、前記接触バーの下方への移動は拘束しないことを特徴とする。
【０００８】
本発明のウエハ支持装置は、前記荷重センサが設置されるセンサ架台と、このセンサ架台を前記固定架台に対して上下動可能に案内する他のクロスローラガイドと、前記センサ架台の上下位置を検出する位置センサと、前記センサ架台を上下方向に駆動する駆動部材と、を有し、前記駆動部材により前記センサ架台を駆動して前記荷重センサの上下位置を調節するように構成することができる。
【０００９】
前記駆動部材は、例えば、前記固定架台に固定された固定磁石と、この固定コイルとの間の磁気作用により浮上する可動磁石と、を有し、リニアモータによって前記センサ架台を上下動させるものである。又は、前記駆動部材は、例えば、前記固定架台に固定されたモータと、このモータの駆動軸に設けられたボールネジと、前記センサ架台に形成され前記ボールネジが螺合するネジと、前記センサ架台の回転を阻止する手段とを有し、前記ボールネジを正逆回転させることにより、前記センサ架台を上下方向に駆動するものである。又は、前記駆動部材は、例えば、ピストンの進出待入方向を鉛直にして前記固定架台に固定されたシリンダと、このシリンダの前記ピストンを前記センサ架台に連結する連結部材と、を有し、前記ピストンの進出待入位置を調節することにより、前記センサ架台を上下方向に駆動するものである。
【００１０】
本発明において、前記押圧手段の前記ピストンは、前記シリンダとの間に圧縮空気を供給する供給ポートを有し、前記シリンダは前記ピストンに対し、空気軸受となるように構成することができる。
【００１１】
本発明のウエハ支持装置においては、押圧手段の押圧力を、可動架台、接触バー、θステージ及び吸着ステージから構成される昇降部の荷重よりも若干高いものにしておくことにより、これら昇降部の荷重を相殺し、極めて小さな押力で可動架台を支持する。そして、プローブの針がウエハに押しつけられる際に、その押しつけられる力が押圧手段の押圧力を超えると可動架台が下方に動き、過剰な力がプローブにかかるのを防ぐことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１実施形態を示す断面図である。本発明の第１実施形態のウエハ支持装置は、固定架台６に対し、可動架台４が、剛性の高い大型のクロスローラガイド５により上下方向に案内されている。また、固定架台６には、可動架台４を押圧するための押圧部材７が配置されている。可動架台４には、接触バー２５が固定されており、この可動架台４上にθステージ３が配置されている。θステージ３は、外部モータ（図示せず）又は手動にて駆動し、外周部に設けられた突起を精密ねじで押し引きすることで、回転方向の角度調節を精密に行うことができる。また、θステージ３には、多孔質材からなり、種々の大きさの試料に対しても真空吸引による固定が可能な吸着ステージ１が固定され、吸着ステージ１上にはウエハ２又は個片チップ等の検査対象ワークが設置される。更に、固定架台６には、センサハウジング２０の駆動部材であるリニアモーター１６が配置されており、センサハウジング２０には荷重センサ２１及び高精度変位センサ２２が設けられている。可動架台４、接触バー２５、θステージ３及び吸着ステージ１により構成されるＺユニット２４は、押圧部材７により支持され、接触バー２５が荷重センサ２１に接するように配置されている。
【００１３】
図２は本実施形態の押圧部材７の断面図である。本実施形態の押圧部材７は、シリンダ７ａ及びロッド７ｂからなり、シリンダ７ａは固定架台６に固定されており、そのロッド７ｂが進入退出することにより、Ｚユニット２４が昇降するようになっている。シリンダ７ａには空気軸受用圧縮空気ポート８、主加圧室圧縮空気ポート１０及び副加圧室圧縮空気ポートが設けられている。本実施形態においては、２カ所の空気軸受用圧縮空気ポート８から圧縮空気を送り込むことにより、中心のロッド７ｂをシリンダ７ａに対して非接触の状態にし、主加圧室用圧縮空気ポート１０から主加圧室１１へ、更に副加圧室用圧縮空気ポート１２から副加圧室１３へ夫々圧縮空気を送り込むことにより、ロッド７ｂ下端の主加圧室受圧面１４及び副加圧室受圧面１５へ動作力を伝達する。押圧部材７において、加圧室が２カ所あるのは、受圧面積を２通りにして精密な圧力制御を行いやすくするためである。例えば、受圧面積が３１４．３ｍｍ２と大きく、最大加圧力が０．２ＭＰａで約６３Ｎの推力を発揮できる主加圧室１１で、Ｚユニット２４を構成する重量物の自重をキャンセルし、受圧面積が２０ｍｍ２、最大加圧力が０．２５ＭＰａで約５Ｎの推力を発生する副加圧室１３で微妙な接触荷重を調整する。副加圧室１３は外部からの圧力設定を容易にするため、圧力調節器に精密電空レギュレーターを使用して圧力制御を行う。本実施形態のウエハ支持装置においては、押圧部材７の加圧室に圧縮空気を送り込むと、ロッド７ｂに上向きの力が加わり、Ｚユニット２４を下から上へ押し上げる作用を有する。
【００１４】
一方、図３は本実施形態のリニアモータ１６の断面図である。リニアモータ１６は、可動磁石１６ａ及び固定コイル１６ｂからなり、固定コイル１６ａは固定架台６に固定されており、可動磁石１６ａは直動ガイド１９により固定架台６に対して上下方向に案内されている。可動磁石１６ａにはリニアスケール１７が取り付けられており、固定架台４に取り付けたスケール読みとりヘッド１８にて位置検出を行い、位置フィードバックによるサーボ制御を行う。また、可動磁石１６ａには、荷重センサ２１及び荷重センサ２１の沈み込み量を測定するための高精度変位センサ２２を備えたセンサハウジング２０が取り付けられている。本実施形態のウエハ支持装置においては、可動磁石１６ａに取り付けられたリニアスケール１７の値に対して、高精度変位センサ２２で読みとった沈み込み量を足し合わせることで、ステージ１の固定架台４に対するＺ方向の位置をより正確に把握することができる。
【００１５】
次に、本発明の第１実施形態の動作について説明する。図４は第１実施形態において、プローブ針が接触した場合の断面図である。図４に示すように、押圧部材７の主加圧室１１へ圧縮空気を送ると、ロッド７ｂへの加圧力から上向きの力が発生し、Ｚユニット２４の全てを上方向に押し上げる。Ｚユニット２４の重量（Ｆｚ）が５２Ｎのとき、主加圧室１１の推力（Ｆ１）を５１．５Ｎに設定すれば、Ｚユニット２４の見かけ上の重量（Ｆｔ）はＦｔ＝Ｆｚ−Ｆ１＝０．５Ｎとなる。更に、副加圧室１３に圧縮空気を送り込み、副加圧室１３の推力（Ｆ２）を１Ｎにすると、Ｆｔ＝Ｆｚ−Ｆ１−Ｆ２＝−０．５Ｎとなり、Ｚユニット２４は上方へ移動し、接触バー２５により荷重センサ２１へ０．５Ｎ上向きの力が加わって釣り合う。ここで、荷重センサ２１に加わる力をＦｓとすると、プローブ針２６が接触していない状態では、Ｆｓ＝Ｆｔとなる。実際には、プローブ針２６がウエハ２を下向きに押す力（Ｆｐ）が加わるので、Ｆｓ＝Ｆｔ−Ｆｐとなる。例えば、プローブ針２６がウエハ２に接触し、ウエハ２が０．７Ｎの力で下向きに押されるとすると、Ｆｓは−０．２Ｎになり、Ｚユニット２４は下方に移動する。つまり、Ｆｐの値がＦｔを上回れば、Ｚユニット２４が下方へ移動するということである。前述の例では０．５Ｎの荷重はプローブ針２６にはかからないことになるが、Ｆｔの値を適正な値にすることで、プローブ針２６に過剰な負荷をかけることを回避できる。この荷重Ｆｔをリリース荷重（Ｆｔ′）とする。更に、Ｚユニット２４を上下移動させる場合について説明する。前記リリース荷重（Ｆｔ′）が加わっている状態で、駆動源であるボイスコイル型リニアモータ１６を駆動させると、可動磁石１６ａの動きに合わせ、荷重センサ２１と接触バー２５を接点に、Ｚユニット２４が上下移動する。この釣り合いの状態においては、Ｚユニット２４が荷重センサ２１を介し、可動磁石１６ａと同時に上下移動するため、荷重センサ２１で検出するＦｓは、数式１に示すように、クロスローラガイド５の摺動抵抗（μｆ）、並びに加減速に伴う発生力が上向きになる上昇加速時及び下降減速時の発生力（Ｍαｍａｘ）の和より大きな値である必要がある。
【００１６】
【数１】
Ｆｓ＞μｆ＋Ｍαｍａｘ
（Ｍ：Ｚユニット質量、αｍａｘ：上昇加速時及び下降減速時加速度）
【００１７】
大きな加速度で移動する場合には、副加圧室１３の圧力を精密電空レギュレータで調整してＦｔを大きくし、接触検出又はプロービング動作時等には小さい加速度でＦｔを小さく取るか、又は動作開始後、一定速移動に移行した後に副加圧室１３の圧力を下げてＦｔを小さくする必要がある。しかしながら、接触検出又はプロービング動作時の速度は０．１乃至１００μｍ／秒と極めて小さくする必要があるため、問題にはならない。このように、本実施形態では、自重をキャンセルできるため、可動部の質量を比較的大きくすることができる。更に、本実施形態では、クロスローラガイド５自体を大型にし、内蔵するローラ径を大きくすることにより、転がり抵抗（μｆ）を低減することができる。
【００１８】
また、本実施形態においては、加減速による負荷変動がリリース荷重（Ｆｔ′）に影響するが、一定速又は停止状態であれば、荷重センサの負荷変動は起こらない。例えば、ウエハ２がプローブ針２６へ接触する位置を検出したい場合、一定速度でＺユニット２４を上昇させ、荷重センサの変化量を監視して接触検出を行うことができる。この際、前記摺動抵抗（μｆ）の影響を若干受けるため、一定速移動時にも２０乃至５０ｍＮ程度の負荷変動があるが、８０ｍＮ程度の検出であれば可能である。更に、本実施形態においては、プローブ針２６がウエハ２に接触し、プローブ針２６の反力が増していく状態を、Ｚユニット２４を一定速で移動させながらリアルタイムで確認することができる。リリース荷重（Ｆｔ′）をプローブ針２６の仕様に合わせて設定することで、プローブ針２６への過負荷を回避することができることは前述したが、その際、Ｚユニット２４のＺ方向の位置を把握するため、高精度変位センサ２２で荷重センサ及び接触バー２５の距離の測定を行う。更にまた、本実施形態においては、押圧部材７の副加圧室１３への供給圧力を精密電空レギュレータによって制御するため、あらかじめ設定したプロービングプロファイルに応じて、供給圧力を変化させることが可能であり、状況に応じたリリース荷重（Ｆｔ′）を設定できる。
【００１９】
次に、本発明の第２実施形態の断面図を図５及び６に示す。本発明の第２実施形態は、図５に示すように、駆動源にリニアモータではなく、ボールねじ２７及び回転式モータ２８を使用したものである。本実施形態は、ボールねじ２７を使用しているため、リニアモータ使用時に問題となる急激な負荷変動時のサーボ切れを回避する手段として有効である。回転式モータ２８にサーボモータを使用した場合は、ロータリエンコーダにてサーボ制御を行うことができる。また、回転式モータ２８にパルスモータを使用した場合は、オープン制御を行うことで、メカ構成を簡略化することができるが、この場合にはボールねじ２７のリード誤差がＺ軸の位置決め精度に影響するため、注意が必要である。そこで、図６に示すように、リニアスケール１７を可動架台４に取り付け、更にスケール読みとりヘッド１８を固定架台６に取り付けて、絶対位置を監視することにより、ステージのＺ方向の位置精度を確保することができる。
【００２０】
次に、本発明の第３実施形態の断面図を図７に示す。本発明の第３実施形態は、図７に示すように、荷重センサを使用せず、リリース荷重（Ｆｔ′）を小さく設定することで、荷重センサによる荷重管理を、精密電空レギュレータの圧力管理で代替するものである。例えば、リリース荷重（Ｆｔ′）を１Ｎとした場合、プローブ針２６がウエハ２に接触し、プローブ針２６の反力が１Ｎに限りなく近くなったとき、接触部品３３から接触バー２５が離れようとするが、これを高精度変位センサ２２で検出し、精密電空レギュレータにより副加圧室１３の推力（Ｆ２）を微増させて接触を保つものである。本実施形態の接触部品３３は弾性体であるため、接触バー２５が完全に離れてしまう前に圧力制御を行うことができる。
【００２１】
次に、本発明の第４実施形態の断面図を図８に示す。本発明の第４実施形態は、クロスローラガイド５の代わりに空気軸受２９を使用したものであり、特に、低荷重領域で使用する場合に有効である。本実施形態は、固定架台６に設けられた圧縮空気導入口３０から圧縮空気を送り込むことにより、可動架台４を上下方向に案内する。この場合、吸着ステージ１上のモーメント荷重（Ｆｍ）に対する機械剛性が低下し、偏心荷重負荷時の位置ずれが問題になるが、モーメント荷重（Ｆｍ）がかからない、又は無視できる範囲、即ち、空気軸受２９の中心に荷重が掛かっているか、又はウエハ端部にかかっている場合でも負荷が小さければ有効である。本実施形態よると、第１実施形態で述べたクロスローラガイド５で発生する摺動抵抗（μｆ）が、０に近い状態にすることができ、１ｇ以下の荷重でも接触検出が可能となる。
【００２２】
図９は本発明の第５実施形態の断面図であり、図１０はその上面図である。本発明の第５実施形態は、クロスローラガイド５及び空気軸受２９を使用せず、押圧部材７を３セット使用したものである。また、本実施形態においては、押圧部材７が上下移動の案内の役目も果たすことになる。本実施形態では、主加圧室１１の圧力を精密レギュレータ等の同一の圧力調整器から確保することで、全体のバランスを取り、副加圧室１３の圧力を独立して供給し、周辺部等への偏心した荷重に対して独立した制御を行うため、空気軸受特有のモーメント負荷時のこじりを防止することができる。具体的には、押圧部材７の各ロッドの外側脇に、高精度変位センサ３１を取り付け、リアルタイムで可動架台４との間隔を測定する。更に、本実施形態では、接触部をボールジョイント３２としているため、偏荷重負荷時にロッドがこじれることがなく、空気軸受の剛性確保要素として必要な耐モーメント荷重に有効である長手方向の長さが、通常の３倍確保することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、大口径ウエハ上の各点において、高精度な位置決め精度を確保しながら、微小荷重検出及び制御を行い、更にプローブ針の過負荷による損傷を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態における押圧部材の断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態におけるリニアモータの断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態において、プローブ針に接触した場合の断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態の断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態の断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態の断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態の断面図である。
【図９】本発明の第５実施形態の断面図である。
【図１０】本発明の第５実施形態の上面図である。
【符号の説明】
１；吸着ステージ
２；ウエハ
３；θステージ
４；可動架台
５；クロスローラーガイド
６；固定架台
７；押圧部材
７ａ；シリンダ
７ｂ；ロッド
８；空気軸受用圧縮空気ポート
１０；主加圧室用圧縮空気ポート
１１；主加圧室
１２；副加圧室用圧縮空気ポート
１３；副加圧室
１４；主加圧室受圧面
１５；副加圧室受圧面
１６；リニアモータ
１６ａ；可動磁石
１６ｂ；固定コイル
１７；リニアスケール
１８；読みとりヘッド
１９；直動ガイド
２０；センサハウジング
２１；荷重センサ
２２；高精度変位センサ
２４；Ｚユニット
２５；接触バー
２６；プローブ針
２７；ボールねじ
２８；回転式モータ
２９；空気軸受
３０；圧縮空気導入口
３１；高精度変位センサー
３２；ボールジョイント
３３；接触部品
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004152917.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004152917.tif 000011
【図１０】
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