(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子或いはその基板に複数の電極を配置した構成を有する半導体装置を検査するために使用されるメンブレン型ブローブ装置において、
メンブレン部材と、前記半導体上の電極に対して、それぞれ直接接触可能に、前記メンブレン部材上に設けられた弾性変形性を有するタングステンの微小ボールとを備えて構成され、
前記微小ボールは、一定の押加に対して、当該押加解放後に、６μｍ以上の復元力を有し、しかも繰り返し使用しても同様の復元の得られれる高純度タングステンマイクロボールからなり、
前記高純度タングステンマイクロボールは、含有されるＮｉ、Ｆｅ、Ｃｒの総量が３０ｐｐｍ以下（0は含まず）に制御され、その他タングステンの硬度や電気伝導性を大きく変化させない程度に不純物を含まない実質的に高純度のタングステンからなることを特徴とするメンブレン型プローブ装置。
【請求項２】
メンブレン型プローブ装置に用いられるタングステンの微小ボールであって、前記微小ボールは、一定の押加に対して、当該押加解放後に、６μｍ以上の復元力を有し、しかも繰り返し使用しても同様の復元の得られる高純度タングステンマイクロボールを製造する方法であって、被研磨材であるタングステンボールの直径サイズに対応して研磨速度の精密調整により研磨することで、研磨開始から仕上げまでの各段階において研磨板にかかるトルクを制御して高精度なタングステンマイクロボールを得ることを特徴とする高純度タングステンマイクロボールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置を検査するメンブレン型プローブ装置とそれに用いるタングステン（Ｗ）マイクロボールとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体パッケージ（ＰＫＧ）の出荷前に実施される検査において、一般的なクワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）では、素子から引き出されたリードに先端が針状のプローブを接触させて検査している。
【０００３】
一方、近年の高密度化したＰＫＧにおいては、針方式では検査すべき電極の密度上限界であり、メンブレン型で行う事も検討されている。
【０００４】
これらのブローブとして、その電気伝導度及び剛性からタングステンボールを用いる方法がある。
【０００５】
ここで、通常の加工を施したタングステンを考慮する場合、タングステンの原料である高比重、高硬度のＷ加工品を安価に得るには、従来より工業ベースでは、ＮｉやＣｕを添加し焼結しただけの材料が賞用されている。本発明でいう、タングステンボールの原料もこれに用いたもので良い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種のＷ材料は、時計の振り子などに利用するいわゆるヘビーメタルであり、これを原料とし、プラズマ法で球状化したものはボールの直径精度を上げるための研磨が容易にできるが、プローブとして繰り返し使用した場合、復元力は殆ど無い。
【０００７】
しかもこれにより、半導体装置の検査時、電極との接触不良が発生し、正確な検査ができなくなり、場合によつてはプローブ先端の破壊に至る。
【０００８】
そこで、本発明者らは、高純度なＷマイクロボールに復元力があることを見出した。
【０００９】
しかしながら、高純度Ｗは、ただ材料の性質として硬くて脆いため研磨が困難であり、プローブとしては使用ができなかった。
【００１０】
そこで、本発明の技術的課題は、精度を損なわず且つ破損などの無い研磨方法の適正化が図られた高純度タングステンマイクロボールの製造方法と、それにより製造された高純度タングステンマイクロボールを用いたメンブレン型プローブ装置とを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、高純度なＷのブラズマ球状化処理による原料素球を精密研磨するに際し、研磨速度の適正化とガイドとなる堰の在り方等を変更して前記技術的課題の解決を図ったものである。
【００１２】
即ち、本発明によれば、半導体素子或いはその基板に複数の電極を配置した構成を有する半導体装置を検査するために使用されるメンブレン型ブローブ装置において、メンブレン部材と、前記半導体上の電極に対して、それぞれ直接接触可能に、前記メンブレン部材上に設けられた弾性変形性を有するタングステンの微小ボールとを備えて構成され、前記微小ボールは、一定の押加に対して、当該押加解放後に、６μｍ以上の復元力を有し、しかも繰り返し使用しても同様の復元の得られれる高純度タングステンマイクロボールからなり、前記高純度タングステンマイクロボールは、含有されるＮｉ、Ｆｅ、Ｃｒの総量が３０ｐｐｍ以下（０は含まず）に制御され、その他タングステンの硬度や電気伝導性を大きく変化させない程度に不純物を含まない実質的に高純度のタングステンからなることを特徴とするメンブレン型プローブ装置が得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、メンブレン型プローブ装置に用いられるタングステンの微小ボールであって、前記微小ボールは、一定の押加に対して、当該押加解放後に、６μｍ以上の復元力を有し、しかも繰り返し使用しても同様の復元の得られる高純度タングステンマイクロボールを製造する方法であって、被研磨材であるタングステンボールの直径サイズに対応して研磨速度の精密調整により研磨することで、研磨開始から仕上げまでの各段階において研磨板にかかるトルクを制御して高精度なタングステンマイクロボールを得ることを特徴とする高純度タングステンマイクロボールの製造方法が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態によるメンブレン型プローブ装置によって測定される半導体装置の一例を示す平面図である。図２は本発明の実施の形態によるメンブレン型プローブ装置の全体構成を示す平面図である。図３は図１の半導体装置と図２のメンブレン型プローブ装置との位置関係を示す部分横断面図である。
【００１８】
図２に示すように、メンブレン型プローブ装置３０は、中央部に接触パッド部を備えており、且つＩＣテスターとの接続を考慮して、円形の外形形状を有している。中央部の接触パッド部には、予め半導体装置のバンプパッドの配列と同じ配列を備えた接触パッドが設けられている。より、具体的に言えば、図示されたメンブレン型プローブ装置３０の接触パッド２１は、図１に示された最外周パッド列１１Ａに対応した接触パッド列２１Ａ及び、内側に配列されたパッド列１１Ｂ，１１Ｃに夫々対応して配列された接触パッド列２１Ｂ，２１Ｃとを備えており、これらの接触パッド列２１Ａ，２１Ｂ、２１Ｃの数、ピッチは、基板２０のパッド列１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃと同一である。この場合、接触パッド列２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを構成する各接触パッド２１は、対応する基板２０上のパッドと接触できれば、各接触パッド２１の寸法は、対応する基板２０上のパッド寸法と若干異なっても良い。
【００１９】
メンブレン型プローブ装置３０の接触パッド部に設けられた接触パッド２１は、透明な樹脂、例えば、ポリイミド等上に形成されており、各接触パッド２１は、当該メンブレン型プローブ装置３０の外周に配列されたテスタ接続用電極２２と電気配線２３（破線）を介して電気的に接続されている。
【００２０】
図３を参照すると、図２に示されたメンブレンプローブ装置３０と、図１に示された基板２０との位置関係が示されている。図３に示されているように、半導体装置の基板２０上には、バンプパッド１１が配列されている。図示された接触パッド２１は、タングステンマイクロボールを有する球状突起２５によって構成されており、各球状突起２５は、メンブレン型プローブ装置３０の透明なメンブレン部材２６（例えば、ポリイミド）の一表面に取り付けられており、メンブレン型プローブ装置３０は、各球状突起２５を対応する基板２０のバンプパッド１１に接触させることができるように、構成されている。
【００２１】
具体的に言えば、図示された球状突起２５はメンブレン部材２６に形成されたスルーホール２７を介してメンブレン部材２６の他表面上の電気配線２３と電気的に接続されている。
【００２２】
次に、上記球状突起２５に用いられたタングステンマイクロボールについて述べる。
【００２３】
下記表１に示した純度のタングステンは、超硬合金原料に用いられる通常のタングステンに比べＦｅ、Ｎ１、Ｃｒが特に少ない事と、その他の不純物も自然な精製工程を施された素性のものとしては、不純物が少ない。
【００２４】
例えば、Ｆｅ  ２０ｐｐｍ、Ｎｉ  １０ｐｐｍを有する純度のタングステンからマイクロボールを作製すべく実験を行った処、研磨途中での研磨機からの飛び出し、それにより異形状品の解消が困難で工業的には採用しかねる上、押加の調整に乱れが生じると、ボールの破壊の可能な頻度が急増した。
【００２５】
一般的な精製工程からの不純物は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒの一部が１０〜２０ｐｐｍ程度汚染されていることは珍しく無い。
【００２６】
従って、精製工程を充分行ったことと、汚染に充分気を使った結果、下記表１の純度のタングステンが得られ、本発明に充分な期待する復元機能を保持出来ることを見いだした。
【００２７】
【表１】
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本発明の実施の形態によるタングステンマイクロボールは、所望する復元力を有する。
【００２８】
図４（ａ）及び（ｂ）は本発明のタングステンマイクロボールに圧縮試験を実施したときの圧縮応力と圧縮歪みとの関係を示すグラフである。
【００２９】
ｎ＝１５の試験において弾性変形内の圧縮応力の（ａ）最小値と（ｂ）最大値である。
【００３０】
図４（ａ）に示すように、圧縮応力が最小の場合でも、圧縮応力９４０ＭＰａつまり０．０９６ｇｆ／μｍ２（圧縮荷重としては１．８５Ｎつまり１８８ｇｆ）で、パッケージにおけるフリッピング時の押圧力０．００５ｇｆ／μｍ２を充分上回っている。
【００３１】
また，その時の変形量（復元量）は１８．４μｍであつた。
【００３２】
また、図５及び図６は各圧縮荷重をかけた後の直径５０μｍのＷ球の外形及び表面の金属組識の状態を示す顕微鏡写真である。
【００３３】
図５（ａ）に示すように、荷重１．８Ｎ（１８４ｇｆ、応力としては０．０９４ｇｆ／μｍ２）では、圧縮による痕跡（平坦部分）が観察されず、弾性力によって復元していることが確認できた。
【００３４】
図５（ｂ）に示すように、荷重２．５Ｎ（２５５ｇｆ、応力としては０．１３０ｇｆ／μｍ２）では塑性変形域に入っており、潰れたままとなっているが、表面の金属組識にワレの発生までには到っていない。
【００３５】
図６（ａ）に示すように、荷重７Ｎ（７１４ｇｆ、応力としては０．３６４ｇｆ／μｍ２）でも、まだ表面の金属組識にワレは発生しておらず、図６（ｂ）に示すように、荷重８．５Ｎ（８６７ｇｆ応力としては０．４４２ｇｆ／μｍ２）で初めて、表面の金属組識にワレが観察された。
【００３６】
ここで、プローブそのものは当然繰り返し使用するものであり、その場合タングステンボールの復元力は劣化していく。応力を繰り返し印加した結果、１０００回で１６μｍ、５０００回で１４μｍであつた。
【００３７】
また、ｎ＝１のデータながら、５万回で６０％減の約７μｍ、１０万回で６７％減の約６μｍであった。
【００３８】
このことにより、本発明におけるタングステンボールを有するプローブは繰り返し（１０万回以上）で６μｍの復元力を有するため実用的に用いる事が出来ることが判明した。
【００３９】
次に、本発明におけるタングステンマイクロボールの製造について述べる。
【００４０】
上記表１に示す原料を用いて、アルゴンガス等の不活性ガスを媒体として高周波コイルにより上部からプラズマ炎を発生させる装置において、粗粒タングステン粉を微量粉末供給機を用いてプラズマ中を通過させ、溶融タングステンの表面張力によって、球状化させ且つ急冷凝固させながら下部に落下させた。これにより、高真球度で、内部にポアの無い、半導体パッケージ等に必要とされる球径のタングステンマイクロボール素材が得られた。
【００４１】
次いで、球径化されたタングステンボール素材を傾斜分級等により精密に分級し、５３μｍ（目開き２８０ｍｅｓｈ）〜６３μｍ（目開き２５０ｍｅｓｈ）および６３μｍ（目開き２５０ｍｅｓｈ）〜７５μｍ（目開き２００ｍｅｓｈ）等何種類かの径の整ったボール素材が得られた。
【００４２】
このように、プラズマ法によって作製されたタングステンマイクロボール素材を以下に示す装置によって研磨し、タングステンマイクロボールを得た。
【００４３】
図７は本発明の実施の形態によるタングステンマイクロボールの研磨装置の概略構成を示す断面図である。
【００４４】
図７に示したように、本発明の実施の形態における研磨装置１０は、回転する上研磨板１と、これに対向して設けられ、固定された下研磨板２とから構成されている。
【００４５】
下研磨板２については、従来、回転させていたが上下それぞれの研磨板の持つバラツキが加わった形でボール素材の研磨精度に影響が出るため、下研磨板２は固定されている。
【００４６】
次に、下研磨板２に取り付けるガイドとなる堰３については、従来、研磨板２上に接着剤で貼り付けていたが、傾きなどのバラツキにより研磨中のボール素材の飛び出しが見られ、歩留まり低下の大きな一因となっていた。
【００４７】
そこで、図７に示すように、下研磨板本体５の外側にパイプ状の堰３を設け、ボルト４を介して固定した構造とした。
【００４８】
この時、堰３の内側、下研磨板の外周は１μｍオーダーで制御する超精密マイクロ加工により精度を確保し、ボール素材６が入り込む隙間が出ないようにした。実際のボール研磨の前段階として、まず堰３の無い状態で上下研磨板１，２の摺り合わせにより、各研磨板の表面１ａ，２ａの精度を出した。次いで、下研磨板本体５に堰３を取り付けこれも同様に上研磨板１をあてて摺り合わせ、堰３の精度を出した。堰３の高さは、研磨開始時に研磨板が最初にボール素材に接触することによる局部的な負荷発生を防ぐためボールの最大径より大きくした。
【００４９】
実際の研磨では、上研磨板１のトルクを、つまり研磨速度を２段階とし、仕上げ５０μｍボールを例にとった場合、６０μｍまでの研磨はトルクを強く２〜３μｍ／２４時間、６０μｍ以降のトルクは下げて１μｍ／２４時間として研磨した。
【００５０】
このような工程によって、仕上がりサイズの変動が無くなり、非常に高精度なしかもボールの破損のない研磨が可能になった。
【００５１】
また、上研磨板１の軸７はその回転がクランク状になるよう、即ち、エキセン回転（エキセントリック）させることで研磨中のボールが１ヶ所で停滞し易くなっていびつになることを防ぐよう工夫した。
【００５２】
以上説明したように、本発明の実施の形態により実用的に秀でたプローブを提供することが可能になった。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、精度を損なわず且つ破損などの無い研磨方法の適正化が図られた高純度タングステンマイクロボールの製造方法と、それにより製造された高純度タングステンマイクロボールを用いたメンブレン型プローブとを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるメンブレン型プローブ装置によって測定される半導体装置の一例を示す平面図である。
【図２】図２は本発明の実施の形態によるメンブレン型プローブ装置の全体構成を示す平面図である。
【図３】図１の半導体装置と図２のメンブレン型プローブ装置との位置関係を示す部分横断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は本発明のタングステンマイクロボールに圧縮試験を実施したときの圧縮応力と圧縮歪みとの関係を示すグラフである。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は各圧縮荷重をかけた後のＷ球の外形及び表面の金属組識の状態を示す顕微鏡写真である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は各圧縮荷重をかけた後のＷ球の外形及び表面の金属組識の状態を示す顕微鏡写真である。
【図７】本発明の実施の形態によるタングステンマイクロボールの研磨装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１    上研磨板
２    下研磨板
３    堰
４    ボルト
５    下研磨板本体
６    ボール素材
７    軸
１０    研磨装置
１１    バンプパッド
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ    パッド列
２０    基板
２１    接触パッド
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ    接触パッド列
２３    電気配線
２５    球状突起
２６    メンブレン部材
２７    スルーホール
３０    メンブレン型プローブ装置
【図１】
0004047529.tif 000003
【図２】
0004047529.tif 000004
【図３】
0004047529.tif 000005
【図４】
0004047529.tif 000006
【図５】
0004047529.tif 000007
【図６】
0004047529.tif 000008
【図７】
0004047529.tif 000009