(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーハ一括にてバーンインまたはテストを行うためのプローブ装置であって、本体基板と、この本体基板上に配設された弾性体と、この弾性体上に配設された配線基板とＰＣＲとバンプ付きメンブレンとを具備したプローブと、ウェーハより広い領域まで真空を保つシールリングを有するウェーハトレイユニットと組み合わせて使用され、前記シールリング内領域の大気圧を受け、前記配線基板に対し前記弾性体を介して前記本体基板により加圧することを特徴とするプローブ装置。
【請求項２】
前記弾性体は周辺部の弾性が中心部の弾性より高いことを特徴とする請求項１記載のプローブ装置。
【請求項３】
前記弾性体は前記本体基板のたわみを吸収できる厚みを有することを特徴とする請求項１記載のプローブ装置。
【請求項４】
前記本体基板には予め反りが与えられていることを特徴とする請求項３記載のプローブ装置。
【請求項５】
ウェーハ一括にてバーンインまたはテストを行うためのプローブ装置であって、通気穴を有する配線基板とＰＣＲとバンプ付きメンブレンとを具備したプローブと、ウェーハより広い領域まで真空を保つシールリングを備えるウェーハトレイユニットおよび前記シールリングとほぼ同一サイズのシールリングを有する反転トレイユニットと組み合わせて使用され、前記反転トレイユニットのシールリング内領域の大気圧を受け、前記反転トレイユニットにより前記配線基板の背面が加圧されることを特徴とするプローブ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体デバイスの信頼性を高めることを目的としたバーンインによるスクリーニング処理をウェーハ状態にて一括で行うためのプローブの構成技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体デバイスの信頼性を高めるためのスクリーニング処理として半導体デバイスに定格もしくは若干の過電圧による電源電圧を加え、各信号入力電極には実動作に近い信号を印加しつつ125℃程度の高温状態にして数時間バーンインすることが行われている。
【０００３】
従来はパッケージされた半導体デバイスの状態にてバーンインを実施していたが、最近のベアチップ、ＣＳＰといった半導体デバイスについてはウェーハ状態での一括バーンインが提案されている。
【０００４】
ウェーハ状態の半導体チップに対する一括バーンインを実現するためには、ウェーハ上に一括形成された複数の半導体チップの引き出し電極であるボンディングパッドに対し信号線を接続して信号を印加する。ウェーハ上には通常200から1000個の半導体チップが形成され、各半導体チップには100μm程度の微少サイズの電極であるボンディングパッドが20から40個程度配置されており、これらの電極に対し１ウェーハ当たり総数4000から40000点の信号線接続を正確に行う必要がある。ウェーハへの一括コンタクトを行う技術については日経マイクロデバイス1997年７月号のP.126以下にＴＰＳプローブとして述べられている。
【０００５】
従来のＴＰＳプローブは、図７の断面図に示す構造を持つ。このＴＰＳプローブは、配線基板71と、セラミックリング72と、ＰＣＲ(Pressure-sensitive Conductive Rubber)73と、バンプ付きメンブレン74とを備えている。配線基板71はガラスなどウェーハの熱膨張係数に近い熱膨張係数を持つ材質により構成され、ＰＣＲと接触する面にＰＣＲ73から伝えられた信号を外部に引き出す配線が施されている。ＰＣＲ73はウェーハのボンディングパッドおよびＴＰＳプローブのバンプの高さのバラツキを吸収しながらバンプからの信号を接続する役割を持つ。バンプ付メンブレン74はセラミックリング72に張りつけられたメンブレン上に、ウェーハのボンディングパッドに電気的に接続するためのバンプが形成されており、ウェーハのボンディングパッドに電気的に接触する役割を持つ。
【０００６】
従来のＴＰＳプローブと組み合わせて用いる従来のウェーハトレイユニットの構造を図８の断面図に示す。このウェーハトレイユニットは、ウェーハトレイ81と、ウェーハ台座82と、シールリング83と、真空バルブ84とを備えている。ウェーハ台座82はウェーハトレイ81の中央部を僅かに高くしたものであり、この部分にてウェーハを支える。シールリング83はゴム材により構成され、ウェーハトレイ81の周辺部にてウェーハトレイに切った溝に支えられ、真空領域に接したプローブの面との間で真空状態を形成するいわゆる真空室を構成し、真空を保持する役割を持つ。真空バルブ84は、ここに真空ポンプを接続しウェーハトレイの内側の空気を減圧する機能を持つ。
【０００７】
図９は、従来のＴＰＳプローブとウェーハトレイユニットとをウェーハに接続した状態を示す。図９において、バーンインを行う対象となるウェーハ91はウェーハ台座82の上に置かれ、上からＴＰＳプローブのバンプ付メンブレン74が接触している。これらバンプ付メンブレン74、ＰＣＲ73、および配線基板71の接続手段は特許第2922486号に示すＴＰＳプローブの構造によっており、配線基板71、ウェーハトレイ81、およびシールリング83による閉じた空間（いわば真空室）を減圧する手段は特許第2925964号に示す構造によっている。
【０００８】
次に図９を用いて従来のプローブ装置の動作を説明する。通常、プローブにウェーハを合わせ込んで接続するには専用のアライメント装置（図示せず）を用いる。アライメント装置はプローブの位置を認識する認識手段、ウェーハの位置を認識する認識手段、ウェーハを正確に移動するＸＹテーブル、および真空を制御する真空ポンプを備えている。
【０００９】
アライメント装置には図９において、ウェーハ台座82の上に置かれたウェーハ91とプローブ全体とをわずかな高低差をおいて設置する。この状態にてウェーハ91のボンディングパッドの位置を認識することによりウェーハ91全体の位置を測定する。一方、プローブのバンプ位置を認識することにより、プローブ全体の位置を測定する。これらウェーハ91全体の位置およびプローブ全体の位置情報よりウェーハ91とプローブの位置を合わせ込んだ後、徐々にウェーハ91とプローブを近接させ、シールリング83が配線基板71に接触するようにし、この状態にて真空バルブ84より真空ポンプを用いて、配線基板71、ウェーハトレイ81、およびシールリング83による閉じた空間内を減圧する。この状態では配線基板71とウェーハトレイ81とは強く引き寄せられ、確実な結合が行われる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプローブ装置のウェーハトレイユニットにおいては、ウェーハ91の外形に対し、シールリング83は近接して配置される。この間隔が大きいと、この部分に対し、配線基板71とウェーハトレイ81とにかかる大気圧を支えるものがないため、配線基板71の周辺がたわみ、この結果ウェーハ91の周辺部分に接続されるプローブ側のバンプに対し過大の圧力がかかる一方、ウェーハ91の中央部分では圧力が下がりバンプの接続に必要な圧力が得られない状態が発生し、全体として安定な接続が阻害されることになる。
【００１１】
また、ほぼウェーハと同じサイズの配線基板およびウェーハトレイを用い、プローブの内部を減圧することにより、この部分にかかる大気圧を利用して接続に必要な圧力を得る構造のため、プローブ内部を真空にまで減圧してもウェーハの単位面積当たりの圧力を大気圧に相当する１kgf以上かけることはできず、上記の接触する圧力の不安定さも影響し、単位面積当たりのピン数（ボンディングパッドあるいはバンプの数）を一定以上に増加することが困難であった。通常、１ピン当たり13gfの加重が必要であり、８インチウェーハの面積314cm2（直径200mm）では20,265ピンが上限となる問題があった。つまり、平均的には約64本／cm2が限界であった。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたもので、ウェーハ全体を均一に加圧し安定な接続を可能にしたプローブを提供するものである。
【００１３】
また、本発明は20,000ピンを超える多数のピン（この場合はボンディングパッド）を有するウェーハに対してウェーハレベルバーンインが可能なプローブを提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のプローブ装置は、ウェーハ一括にてバーンインまたはテストを行うためのプローブ装置であって、本体基板と、この本体基板上に配設された弾性体と、この弾性体上に配設された配線基板とＰＣＲとバンプ付きメンブレンとを具備したプローブと、ウェーハより広い領域まで真空を保つシールリングを有するウェーハトレイユニットと組み合わせて使用され、前記シールリング内領域の大気圧を受け、前記配線基板に対し前記弾性体を介して前記本体基板により加圧することを特徴とする。この構成により、本体基板全体にかかる大気圧を大きくし、ウェーハの単位面積当たりのピン数を増加できることとなる。
【００１５】
また、前記本発明のプローブ装置において、弾性体の周辺部の弾性を中心部の弾性より高くする。この構成により、弾性体の中央部は弱く、周辺部は強く圧縮され、結果として配線基板全体に対し均一な荷重がかかることとなる。
【００１６】
さらに、前記本発明のプローブ装置において、前記本体基板のたわみを吸収できる厚みを有する弾性体を用いる。この構成により、本体基板の湾曲を弾性体で吸収し、配線基板の受ける圧力をほぼ均一とすることができることとなる。
【００１７】
そして、前記本発明のプローブ装置において、前記本体基板に予め反りを与えておく。この構成により、配線基板の周辺に対する圧力を減じ、配線基板に均一な圧力を与えることができることとなる。
【００１８】
また、本発明のプローブ装置は、ウェーハ一括にてバーンインまたはテストを行うためのプローブ装置であって、通気穴を有する配線基板とＰＣＲとバンプ付きメンブレンとを具備したプローブと、ウェーハより広い領域まで真空を保つシールリングを備えるウェーハトレイユニットおよび前記シールリングとほぼ同一サイズのシールリングを有する反転トレイユニットと組み合わせて使用され、前記反転トレイユニットのシールリング内領域の大気圧を受け、前記反転トレイユニットにより前記配線基板の背面が加圧されることを特徴とする。この構成により、ウェーハトレイ全体にかかる大気圧を大きくすることでウェーハの単位面積当たりのピン数を増加でき、配線基板の表裏両面から圧力をかけることで配線基板の湾曲を防止し、ウェーハ全体を均一に加圧できることとなる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態において、プローブとウェーハトレイユニットとの組み合わせをプローブ装置と呼ぶ。
【００２１】
本発明の第１の実施の形態におけるプローブの平面図および断面図をそれぞれ図１（ａ）、（ｂ）に示す。このプローブは、配線基板11と、セラミックリング12と、ＰＣＲ13と、バンプ付きメンブレン14と、配線基板11に圧力を加えるための本体基板（以下圧力基板）15と、撓みを吸収できる厚みを持つ弾性体として第１〜第４のゴム材16〜19と、スペーサ20と、フレキシブルケーブル21とを備えている。
【００２２】
配線基板11は、ガラスなどウェーハの熱膨張係数に近い熱膨張係数を持つ材質により構成され、ＰＣＲと接触する面にＰＣＲ13から伝えられた信号を外部に引き出す配線が施されている。ＰＣＲ13はボンディングパッドおよびバンプの高さバラツキを吸収しながらバンプからの信号を接続する役割を持つ。バンプ付メンブレン14はセラミックリング12に張り付けられたメンブレン上にバンプが形成されており、ウェーハのボンディングパッドに接触する役割を持つ。
【００２３】
圧力基板15はガラスなど剛性の高い材料により構成され、配線基板11より大きなサイズを持つ。第１〜第４のゴム材16〜19は同心円の形状を持ち中心側から外周側へ向かって配置され、この順にて弾性が高くなる素材のゴムからなる。そして、配線基板11と圧力基板15の間に配置され、中心部は少ない変形にて、周辺部は比較的多い変形にて同等の圧力を伝える機能を持つ。スペーサ20は圧力基板15の上に配置され、同心円の形状を持ち、真空を保持しやすくする役割を持つ。フレキシブルケーブル21は配線基板11により引き出された信号線を圧力基板15の外に伝える役割を持つ。
【００２４】
このプローブと組み合わせて用いる本発明の第１の実施の形態におけるウェーハトレイユニットの構造の平面図および断面図をそれぞれ図２（ａ）、（ｂ）に示す。このウェーハトレイユニットは、ウェーハトレイ31と、ウェーハ台座32と、シールリング33と、真空バルブ34とを備えている。ウェーハ台座32はウェーハトレイ31の中央部を僅かに高くしたものであり、この部分にてウェーハを支える。シールリング33はゴム材にて構成され、ウェーハトレイ31の周辺部にてウェーハトレイ31に切った溝に支えられ、真空を保持する役割を持つ。真空バルブ34はウェーハトレイ31に備えられた真空パイプ35を通して真空溝36につながっており、真空ポンプに接続され、ウェーハトレイ31の内側の空気を減圧する機能を持つ。図８に示した従来のウェーハトレイユニットに比べシールリング33の位置がウェーハ台座32に対し遠くなっている、つまり、従来と同様の８インチウェーハ（直径約200mm）に対し、直径約284mmのシールリングを適用した。このようにして、ウェーハより広い領域まで真空を保つことができることが特徴である。
【００２５】
図３は、本発の第１の実施の形態によるプローブとウェーハトレイユニットとをウェーハに接続した状態を示す。図３において、バーンインを行う対象となるウェーハ41はウェーハ台座32の上に置かれ、上からバンプ付メンブレン14が接触している。接続した状態では圧力基板15、ウェーハトレイ31、およびシールリング33により閉じた空間が形成される。ここで、スペーサ20は圧力基板15とウェーハトレイ31との間に位置し、両者の間隔の一部を占めることで空いた距離を短くし、シールリング33の長さを短くしてシールリング33が確実に当たることにより真空を保ちやすくする機能を持つ。
【００２６】
以上のように構成されたプローブ装置について、図３を用いてその動作を説明する。プローブにウェーハを合わせ込んで接続するには従来と同様、専用のアライメント装置を用いる。アライメント装置はプローブの位置を認識する認識手段、ウェーハの位置を認識する認識手段、ウェーハを正確に移動するＸＹテーブル、真空を制御する真空ポンプを備えている。
【００２７】
まず、ウェーハ台座32の上に置かれたウェーハ41とプローブ全体とをわずかな高低差をおいて設置する。この状態にてウェーハ41のボンディングパッドの位置を認識することによりウェーハ41全体の位置を測定する。一方、プローブのバンプ付メンブレン14上のバンプ位置を認識することにより、プローブ全体の位置を測定する。これらウェーハ41全体の位置およびプローブ全体の位置よりウェーハ41とプローブの位置を合わせ込んだ後、徐々にウェーハ41とプローブとを近接させ、シールリング33がスペーサ20に接触するようにし、この状態にて真空バルブ34より真空ポンプを用いて、圧力基板15、ウェーハトレイ31、およびシールリング34による閉じた空間内を減圧する。この状態では圧力基板15とウェーハトレイ31とは強く引き寄せられ、確実な結合が行われる。
【００２８】
本発明の第１の実施の形態では、ウェーハより広い領域まで真空を保つことができるため、従来のＴＰＳプローブに比べ圧力基板15全体にかかる大気圧は大きくなり、この総圧力は第１〜第４のゴム材16〜19により配線基板11に加えられる。本発明による第１の実施の形態における加圧例を図４に示す。すなわち、本発明の第１の実施の形態による構造ではウェーハ41とシールリング33との間が広く、この部分が受ける大気圧により圧力基板15は図４に示すように湾曲する。そして、配線基板14と圧力基板15との間に硬さの異なるゴム材16〜19を挟み込んであり、周辺部のゴム材19は柔らかい材質のゴムにより構成されており強く圧縮され、中央部のゴム材16は硬い材質のゴムにより構成されており弱く圧縮され、結果として配線基板11全体に対し均一な荷重がかかる。
【００２９】
このように、本発明の第１の実施の形態によれば、直径約284mmのシールリングを用いることにより、圧力基板15の直径約284mmの円板状の面積が受ける大きな大気圧を弾性率の異なる複数のゴム材16〜19を通して配線基板11全体に対し均一な加重を加えることにより40,000ピン以上の多数のピンを備えるウェーハに対し１ピン当たり13gfの加重を可能とし確実な接続を実現してウェーハレベルバーンインを行うことができる。さらに、平均的には約130ピン／cm2に増加させることができる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施の形態のプローブとウェーハトレイユニットとをウェーハに接続した状態を図５に示す。この図において図３と同一の構成要素には図３で使用した符号を付した。第２の実施の形態のプローブは第１の実施の形態と同様な構造を持ち、図５において圧力基板15と配線基板11との間のゴム材を均一な硬さを持つ第５のゴム材42により構成している。
【００３１】
この構成では第１の実施の形態と同様、ウェーハより広い領域まで真空を保つことができるため、従来のＴＰＳプローブに比べ圧力基板15全体にかかる大気圧は大きくなる。そして、ウェーハ41とシールリング33との間の部分が受ける大気圧による圧力基板15の湾曲が少なければゴム材42によりこの湾曲が吸収され、配線基板11の受ける圧力をほぼ均一とすることができる。
【００３２】
このように、本発明の第２の実施の形態によれば、圧力基板15の受ける大きな大気圧を均一な硬さを持つゴム材42を通して配線基板11全体に対し均一な加重を加えることにより、40,000ピン以上の多数のピンを備えるウェーハに対し確実な接続を実現してウェーハレベルバーンインを行うことができる。
【００３３】
次に、本発明の第３の実施の形態のプローブについて説明する。本発明の第３の実施の形態のプローブは、第２の実施の形態のプローブと同様な構造を持ち、圧力基板15の裏面にポリイミド膜などを貼った後、収縮させることにより予め反りを与えておく。そして、この反りにより配線基板11の周辺に対する圧力を減ずることで均一な圧力を配線基板11に与えることを可能としたものである。
【００３４】
このように、本発明の第３の実施の形態によれば、圧力基板15の受ける大きな大気圧を圧力基板15の反りにより配線基板11全体に対し均一な加重を加えることで40,000ピン以上の多数のピンを備えるウェーハに対し確実な接続を実現してウェーハレベルバーンインを行うことができる。
【００３５】
次に、本発明の第４の実施の形態を図６に示す。本発明の第４の実施の形態のプローブは、配線基板51と、セラミックリング52と、ＰＣＲ53と、バンプ付きメンブレン54とを備えている。配線基板51はガラスなどウェーハの熱膨張係数に近い熱膨張係数を持つ材質により構成され、ＰＣＲと接触する面にＰＣＲ53から伝えられた信号を外部に引き出す配線が施されている。ＰＣＲ53はボンディングパッドおよびバンプの高さバラツキを吸収しながらバンプからの信号を接続する役割を持つ。バンプ付メンブレン54はセラミックリング52に張り付けられたメンブレン上にバンプが形成されており、ウェーハのボンディングパッドに接触する役割を持つ。
【００３６】
本発明の第４の実施の形態のウェーハトレイユニットは、ウェーハトレイ55と、ウェーハ台座56と、シールリング57と、真空バルブ58とを備えている。ウェーハ台座56はウェーハトレイ55の中央部を僅かに高くしたものであり、この部分にてウェーハを支える。シールリング57はゴム材にて構成され、ウェーハトレイ55の周辺部にてウェーハトレイ55に切った溝に支えられ、真空を保持する役割を持つ。真空バルブ58はウェーハトレイ55に備えられた真空パイプ581を通して真空溝582につながっており、真空ポンプに接続され、ウェーハトレイ55の内側の空気を減圧する機能を持つ。ウェーハトレイ55は図８に示した従来のウェーハトレイに比べサイズが大きく、かつシールリング57の位置がウェーハ台座56に対し遠くなっているのが特徴である。
【００３７】
本発明の第４の実施の形態において、バーンインを行う対象となるウェーハ59はウェーハ台座56の上に置かれ、上からバンプ付メンブレン54が接触している。
【００３８】
本発明の第４の実施の形態において、反転トレイユニットは、反転トレイ60と、反転トレイ台座61と、反転シールリング62とを備えている。反転トレイユニットはウェーハトレイユニットに対し配線基板51を挟んだ反対位置に配置される。反転トレイ台座61は反転トレイ60の上に形成され、ウェーハ59と同一サイズを持つ。反転シールリング62はゴム材にて構成され、反転トレイ60の周辺部にて反転トレイ60に切った溝に支えられ、真空を保持する役割を持つ。通気穴63は配線基板51に空けられた貫通穴であり、配線基板51、ウェーハトレイ55、およびシールリング57により形成される閉じた空間と配線基板51、反転トレイ60、および反転シールリング62により形成される閉じた空間とをつなぐ役割を持つ。
【００３９】
次に動作を説明する。図６において、ウェーハ台座56の上に置かれたウェーハ59とプローブ全体とをわずかな高低差をおいて設置する。この状態にてウェーハ59のボンディングパッドの位置を認識することによりウェーハ59全体の位置を測定する。一方、プローブのバンプ付メンブレン54上のバンプ位置を認識することにより、プローブ全体の位置を測定する。これらウェーハ59全体の位置およびプローブ全体の位置よりウェーハ59とプローブの位置を合わせ込んだ後、徐々にウェーハ59とプローブとを近接させ、シールリング57が配線基板51に接触するようにし、この状態にて真空バルブ58より真空ポンプを用いて、配線基板51、ウェーハトレイ55、およびシールリング57による閉じた空間内を減圧する。これと同時に配線基板51に空けられた通気穴63を通して、配線基板51、反転トレイ60、および反転シールリング62により形成された閉じた空間内を減圧する。
【００４０】
この状態ではウェーハトレイ55と配線基板51とは強く引き寄せられ、確実な結合が行われる。従来のＴＰＳプローブに比べウェーハトレイ55全体にかかる大気圧は大きくなり、この総圧力はウェーハ59を通して配線基板51に加えられバンプ付メンブレン54がウェーハに接続されるのに必要な圧力を提供する。一方、反転トレイ60と配線基板51とは強く引き寄せられ、反転トレイ台座61を通してウェーハを通して与えられる圧力と同一の圧力を配線基板51の反対側より与える。このため、配線基板51の両側より同一の圧力がかかるため配線基板51は湾曲することなく、ウェーハ59全体に対し均一な荷重がかかるようにすることができる。
【００４１】
このように、本発明の第4 の実施の形態によれば、ウェーハトレイおよび反転トレイの受ける大きな大気圧を配線基板に対し表裏両面より加えることにより40,000ピン以上の多数のピンを備えるウェーハに対し確実な接続を実現してウェーハレベルバーンインを行うことができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明は、従来よりも広い面積の大気圧を利用し、ウェーハ全体に対し均一に強い圧力をかけることにより、ウェーハの単位面積当たりの接続ピン数を増加することができるという優れた効果を有するプローブを提供することができるものである。これにより、チップ当たりのピン数の多いデバイスやピン数は少ないがウェーハ上に多数のチップが形成されているような従来バーンインできなかったウェーハに対してもウェーハレベルバーンインを実現することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施の形態におけるプローブを示す平面図、
（ｂ）本発明の第１の実施の形態におけるプローブを示す断面図、
【図２】（ａ）本発明の第１の実施の形態におけるプローブ装置のウェーハトレイユニットを示す平面図、
（ｂ）本発明の第１の実施の形態におけるプローブ装置のウェーハトレイユニットを示す断面図、
【図３】本発明の第１の実施の形態における動作例を説明するための図、
【図４】本発明の第１の実施の形態における加圧例を示す図、
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す図、
【図６】本発明の第３の実施の形態を示す図、
【図７】従来のプローブを示す図、
【図８】従来のウェーハトレイユニットを示す図、
【図９】従来の動作例を示す図である。
【符号の説明】
11、51  配線基板
12、52  セラミックリング
13、53  ＰＣＲ
14、54  バンプ付メンブレン
15  圧力基板
16  第１のゴム材
17  第２のゴム材
18  第３のゴム材
19  第４のゴム材
31、55  ウェーハトレイ
33、57  シールリング
41、59  ウェーハ
42  第５のゴム材
60  反転トレイ
62  反転シールリング
63  通気穴
【図１】
0003891798.tif 000002
【図２】
0003891798.tif 000003
【図３】
0003891798.tif 000004
【図４】
0003891798.tif 000005
【図５】
0003891798.tif 000006
【図６】
0003891798.tif 000007
【図７】
0003891798.tif 000008
【図８】
0003891798.tif 000009
【図９】
0003891798.tif 000010