(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の検査方法であって、
基板ホルダ（２４），およびプローブ先端部（２０）を有するプローブ・カード（１８）を備えた検査システム（１０）の準備を行う工程と、
前記検査システム内において前記プローブ・カード（１８）の１回目の測定を行い、プローブ先端部の移動に対する抵抗を、アーム７２、およびプレート（７６）によってアーム（７２）に取り付けられたシム（７４）を有する力センサ（７０）によって測定された、少なくとも１つのプローブ先端部（２０）の力に関連する、プローブ先端パラメータを判定する工程（５０）と、
前記プローブ先端パラメータが使用の範囲に該当するか否かを判定する工程と（５２）、
前記基板ホルダ上において第１の組の複数の半導体素子（２６）を検査する工程（５６）と、
前記プローブ先端パラメータを測定するように決められた周期まで、半導体素子（２６）の検査を行う工程を反復することと（工程５６〜６０）、
前記検査システム内において前記プローブ先端パラメータを再度測定する工程と（５０）、
前記プローブ先端パラメータが使用可能な範囲に該当するか否かを判定することによって、前記プローブ・カードの交換時期を判断する工程（５２）と、
前記プローブ・カードを交換する工程（５４）と、
複数の半導体素子（２６）を検査する工程（５６）をさらに行う工程とを備える、半導体素子の検査方法。
【請求項２】
前記プローブ先端パラメータを測定するように決められた周期は、前記半導体素子が設けられているウエハ毎であるか、前記ウエハのロット毎であるか、または検査される半導体素子（２６）の数量によって決められる、請求項１に記載の半導体素子の検査方法。
【請求項３】
前記プローブ先端パラメータを測定する検査頻度を動的に調節する工程をさらに備える、請求項１に記載の半導体素子の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、半導体素子の検査に関し、更に特定すれば、ばね張力および電気的抵抗を含むプローブ先端パラメータの自動測定を含む、半導体素子の検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路の製造におけるステップの１つに、「プローブ(probe) 」と呼ばれるものがある。ウエハの処理終了後に、プローブ・カードおよびプローブ・ステーションを用いて当該ウエハを検査することにより、パッケージする前の各ダイの性能を電気的に検査する。この時点で、プローブにおいて不合格となったダイには、不良のマークを付け、最終的に廃棄する。ダイが不合格となるには、多くの理由があり得る。かかる不良の原因の１つとして、ダイ自体は完全に良品であっても、ハードウエアの不良によるものが考えられる。
【０００３】
プローブは、ウエハ内のダイをプローブ・カードと電気的に接触させ、これを検査用ハードウエアに接続する手段を提供する。現行では、プローブ・カードは多数のプローブ先端を有し、ダイ上の周囲にあるボンド・パッドまたはアレイ状のバンプのいずれかに接触する。多くの場合、プローブ先端は、ボンド・パッドまたはバンプの酸化物層を削り落として、電気的接触を行う必要がある。このため、プローブ先端にはある程度の力，ならびにＸ方向および／またはＹ方向の運動が必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
今日の集積水準では、ダイおよび対応するプローブ・カードは、多数の接触を行わなければならない。数百カ所の接触を同時に行うことはめずらしくはない。その結果、プローブ・カードは多数のプローブ先端を内蔵し、そのプローブ先端の各々が対応する目標のボンド・パッドまたはアレイ・バンプと接触しなければならない。あいにく、しかしながら、所与のプローブ・カード内において、異なるプローブ・パッドが対応するボンディング・パッドまたはバンプに与える接触力が異なる可能性がある。その結果、ダイに対する電気的接触にばらつきが生じる。この問題を検出し、解決し、その解決を確認することができれば、有利であろう。現在、プローブ・カードがプローブ・ステーション内に実装されている場合、各プローブ先端毎にプローブ先端力を「リアル・タイム」で測定することはできない（ここで、リアル・タイムとは、中間の検査中断のことを言う）。また、プローブ先端力を測定し、それをプローブ・プロセスの統合部分として、ばね定数に変換することができれば、有利であろう。
【０００５】
現在、Washington州のMercer Islnad のApplied Precision Inc.が、個々のプローブ先端の相対力を測定可能な、オフ・ライン・ステーションを製造している。このステーションはオフ・ラインであるので、プローブ先端力の測定および検査を生産フローの中に統合することは不可能である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による一体化プローブ先端パラメータ測定装置は、プローブ・ステーションのチャック（基板ホルダ）上に一体化される。プローブ・カード上の単一のプローブ先端，数個のプローブ先端，または全プローブ先端のいずれかについて、プローブ先端力の測定が可能である。プローブ先端力の測定を検査ステーションに統合することによって、プローブ・プロセスに関するデータを短時間で得ることができる。これによってもたらされる利点として、プローブ先端力の測定値およびＺ軸方向のチャックの過剰駆動(overdrive) 間のフィードバックが可能となることがあげられる。
本発明の一実施形態による半導体素子の検査方法では、基板ホルダ（２４），およびプローブ先端部（２０）を有するプローブ・カード（１８）を備えた検査システム（１０）の準備を行う工程と、前記検査システム内において前記プローブ・カード（１８）の１回目の測定を行い、少なくとも１つのプローブ先端部（２０）の力に関連するパラメータを判定する工程（５０）と、前記基板ホルダ上において第１の複数の半導体素子（２６）を検査する工程（５６）を備える。
上記の検査システムの準備を行う工程は、フォース・ゲージ（３６）を有する検査システム（１０）を準備する工程であってもよい。
本発明のさらなる実施形態によると、半導体素子（２６）の検査方法であって、プロー
ブ先端部（２０）を有する第１プローブ・カード（１８）および基板ホルダ（２４）を備えた検査システム（１０）の準備を行う工程と、第１の複数の半導体素子（２６）を検査する工程（５６）と、前記検査システム（１０）内において前記プローブ・カード（１８）の１回目の測定を行い、前記第１プローブ・カード（１８）の少なくとも１つのプローブ先端部（２０）の力に関連するパラメータを判定する工程（５０）と、前記第１プローブ・カード（１８）の１回目の測定を行う工程の後に、第２の複数の半導体素子（２６）を検査する工程（５６）とから成る方法が提供される。この方法では、検査システム（１０）内において前記第１プローブ・カード（１８）の２度目の測定を行い、少なくとも１つのプローブ先端（２０）の力に関連するパラメータを判定する工程（６０）であって、第２の複数の半導体素子（２６）を検査する前記段階の後に行われる工程（６０）と、第１プローブ・カード（１８）の２度目の測定を行う工程の後に、第３の複数の半導体素子（２６）を検査する工程と、検査システム（１０）内において第１プローブ・カード（１８）の３度目の測定を行い、少なくとも１つのプローブ先端（２０）の力に関連するパラメータを判定する工程（６０）であって、第３の複数の半導体素子（２６）を検査する工程の後に行われる工程（６０）とをさらに備え、第１の複数の半導体素子（２６）は、第２の複数の半導体素子（２６）よりも多く、該第２の複数の半導体素子（２６）は第３の複数の半導体素子（２６）よりも多いことも可能である。或いは、第１の複数の半導体素子および前記第２の複数の半導体素子は、異なる素子数を有し、検査システム（１０）内において第１プローブ・カード（１８）の２回目の測定を行い、少なくとも１つのプローブ先端（２０）の力に関連するパラメータを判定する工程（５０）であって、第２の複数の半導体素子（２６）を検査する工程の後に行われる工程（５０）と、第１プローブ・カード（１８）の１回目および２回目の測定を行う工程から得られる力に関連するパラメータを比較する工程と、上記の力に関連するパラメータの差が指定された限度未満である場合、上記の比較工程の後に、第３の複数の半導体素子（２６）を検査する工程とをさらに備える方法であってもよい。
【０００７】
本発明のよりより理解は、添付図面に関連付けて以下の詳細な説明を検討することにより得ることができよう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、プローブ検査ステーション（「テスタ」）１０の断面図である。テスタ１０は、検査ヘッド１２およびプローバ１４を有する。検査ヘッド１２をプローブ・カード１８に接続するのは、プローブ・インターフェース１６である。プローブ・カード１８の底面上には、プローブ先端２０がある。プローブ先端２０のいくつかの例として、カンチレバー・プローブ，コブラ針プローブ(Cobra needle probe)，およびメンブレーン・バンプ，ならびにその他のコンプライアント・コンタクト(compliant contact) 技術があげられる。その他の技術にも考えられるものがある。
【０００９】
プローブ先端２０は、ウエハ２２内の被検査素子（ＤＵＴ：device under test ）を検査ヘッドに電気的に接続する。プローバ・チャック２４はウエハ２２およびウエハ２２内のダイ２６を、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動させ、プローブ先端２０の接触点を個々のダイ２６に接続する。
【００１０】
図２は、図１におけるテスタ１０のチャック上面の平面図である。複数のダイからなる半導体ウエハ２２を、チャック２４上に定着する。チャック２４自体には、プローブ先端パラメータの測定のために、３つの潜在的に可能な機構(occasion)が取り付けられている。典型的に、整合にはカメラ３２を用いる。しかしながら、これは、プローブ先端およびセンサの目標物の像(view)を同時に与えることができる。典型的に、プローブ先端清浄装置３４を用いてプローブ先端２０を定期的に清浄化する。これは、サンド・ペーパの場合のように、プローブ先端２０の底面に素早く接触させることによって行う。これは、「Ｎ」個のダイ毎に行われる。最後に、独立した力測定ステーション３６を設置し、１つ以上のプローブ先端２０に対するプローブ先端２０の力を同時に自動測定可能とする。プローブ・パラメータ・センサは、これら３カ所、即ち、カメラ３２，プローブ先端洗浄装置３４，および独立した力測定ステーション３６のいずれにも一体化が可能であることを注記しておく。プローブ先端清浄装置の場合、プローブ先端２０を清浄化する動作は、プローブ先端パラメータの測定に同時に統合することができる。
【００１１】
図３は、本発明の適用を示すフロー・チャートである。このフロー・チャートには、内側ループおよび外側ループが示されている。開始して外側ループに入ると、ステップ５０において、所与のプローブ・カードについてプローブ先端パラメータを測定する。まず、絶対項または相対項のいずれかにおいて、プローブ先端力を測定することができる。絶対力とは、センサに作用する１つ以上のプローブ先端の実際の力である。相対力とは、あるプローブ先端および他のプローブ先端間またはあるプローブ先端および標準値間のデルタ（差分）測定値である。プローブ先端圧力（力／単位面積）も検査可能である。最後に、プローブ先端のばね定数を測定することができる。
【００１２】
プローブ先端は、個々に検査することも、集団で検査することも可能である。集団は、２つからプローブ・カードに取り付けられているプローブ先端全てまでの範囲を取り得る。単一のプローブ先端を検査する場合の利点として、プローブ・カードに取り付けられているどのプローブ先端が不良を示しているのかを識別可能であることがあげられる。プローブ・カードに取り付けられているプローブ先端全てを測定する場合の利点の１つは、完全な接触を行うプローブ先端数で全プローブ先端力を除算することによる、個々の力を導出する時間の節約である。同様に、平均ばね定数は、プローブ先端の圧縮時の「Ｚ」方向高さで除算することによって得ることができる。
【００１３】
ステップ５０においてプローブ先端パラメータを測定した後、ステップ５２においてプローブ先端または先端群が仕様の範囲内に該当するか否かについて検査が行われる。ステップ５２において仕様の範囲内に該当しない場合、ステップ５４においてプローブ・カードの修理または交換を行うことができる。いずれの場合でも、基板即ちウエハ上のダイは、ステップ５６において、プローブ・カードによって検査が行われる。次に、ステップ５８において、検査すべきダイが他にあるか否かについて判定(measurement) を行う。ステップ５８において検査すべきダイが既に残っていない場合、プロセスは完了する。その他の場合、ステップ６０において、プローブ先端パラメータの測定を行うか否かについて判定を行う。プローブ先端パラメータの測定は、例えば、基板毎即ちウエハ毎，またはロット毎，あるいはある数のダイを試験(probe) 即ち検査した後に行うことができる。実際には、ステップ５０において測定した特性によって、プローブ先端パラメータを測定する検査頻度を動的に調節することも可能である。ステップ６０において、未だプローブ先端パラメータを測定する時点ではない場合、ステップ５６において、プローブ・カードを用いて次のダイを検査する。その他の場合、ステップ５０において、プローブ・カードのプローブ先端パラメータを測定し、内側ループに入る。
【００１４】
図４は、力センサ即ちゲージ７０の等幅図である。現在では、力センサ７０には、１グラムの１／１０の精度がある。これは、ここに記載する目的のためには十分な精度である。しかしながら、この精度は時の経過と共に改善されることが考えられる。力センサ７０は、アーム７２，およびプレート７６によってアーム７２に取り付けられたシム７４を有する。シム７４には隆起部分７８がある。シム７４には様々な幅が可能であり、同時に検査するプローブ先端２０の数によって、その幅が決定され選択される。また、プローブ・カード１８に取り付けられているプローブ先端２０全ての力を測定するための、全先端コンタクト・パッド(full tip contact pad)８４もある。尚、図示の力センサ７０の実施には、カメラ３２の使用が可能であることを注記しておく。しかしながら、一体化プローブ先端清浄装置３４の場合、アーム７２は不要であり、全先端コンタクト・パッド８４のみがあればよい。特に、一度にプローブ先端２０全てを測定する力センサ７０の場合、他の等価な構成および設計も可能である。
【００１５】
本願における力の測定は圧縮状態でのみ行われるので、単一方向力センサ７０即ちロード・セル(load cell) で十分である。好ましくは、力センサ７０は、加えられる負荷の方向がセンサの測定軸と同一軸内に入るように、正確に取り付ける。好ましくは、力センサ７０は、非線形，ヒステリシス，および＋／−．０２％の非再現性(nonrepeatability)を有する。典型的に、「４アーム・ストレイン・ゲージ・ブリッジ」を利用し、歪みを電圧に変換する力センサ７０は、これらの値を達成することができる。Futek Advanced Sensor Technology, Inc. (26052 Merit Circle, Suite 103, Laguna Hills, CA 92653)は、これらの動作仕様を満たすセンサを供給可能な会社である。更に、利用する力センサ７０は、−２０℃ないし９０℃の温度範囲でも動作可能であることが好ましい。
【００１６】
図５は、センサ７０，およびプローブ先端２０の接触端であるプローブ先端コンタクト８２のカメラで撮影した図である。力センサ７０において、アーム７２はシム７４を含む。シム７４の終端には、先端面即ち隆起面７８がある。シムの隆起面７８は、「Ｚ」軸方向即ち縦方向に移動させると、プローブ先端コンタクト８２と係合し、プローブ先端コンタクト８２を移動させる。こうして、この移動に対する抵抗を、力センサ７０によって測定する。
【００１７】
図６は、図４のプローブ先端コンタクト８２およびシム７４の接触状態の拡大図を示す。シム７４は、先端面(tipped surface)即ち隆起面７８を有する。これはアーム７２によって支持されている。センサ７０が縦方向即ち「Ｚ」軸方向に上昇すると、隆起面７８はプローブ先端コンタクト８２と係合し、これを押圧することによって、プローブ先端２０を上方向に撓ませる。プローブ先端コンタクト８２の、隆起面７８によって誘発される移動に対する相対抵抗の絶対値(absolute relative resistance)を測定し、その測定値を用いて負荷が加えられている場合のプローブ先端の挙動を測定するという目的を果たすことができる。
【００１８】
図７は、プローブ先端２０のばね力との関係の一例を示すグラフである。縦軸即ち次元は力を重量グラム単位で表し、横軸は「Ｚ」軸方向を、例えば、ミクロンで表す。破線の直線９２は理想的な線形力ばね挙動線である。これは、力を加えたときに新しいばねがどのように反応するかを示すものである。理論的には、横断する距離が長い程、加えられる力も大きくなる。図示のように、この関係は理論的には線形である。しかしながら、これは単なる近似に過ぎない。実線の曲線９４は、劣化した力／ばね挙動の一例である。例えば、ばねに過剰応力がかかったりあるいは疲労している場合、距離および力間の関係は非線形となり得る。即ち、原点は同一でありながら傾斜が変化する。
【００１９】
図７におけるデータをいかにして使用可能かを示す一例として、プローブ先端２０の寿命予測(trend) をあげる。例えば、周期的に、例えば、各ウエハ毎、各ロットの後、または「Ｎ」個のダイの後に、プローブ先端２０を検査することができる。プローブの高さ距離は、実線の曲線９４に示す減衰に基づいて調節可能である。また、１組のプローブ先端２０についての実データを、期待値と比較し、これからプローブ・カード１８の寿命を測定することも可能である。また、このデータは、プローブ先端２０の物理的接触によってボンド・パッドまたはバンプ上に発生する変形を減少させるためにも使用可能である。更に、このデータは、プローブ先端２０およびウエハ・メタルルジ(wafer metallurgy)間の接触抵抗のような電気的データと結合または統合することも可能である。
【００２０】
本発明の精神から逸脱することなく、変更および変様が可能であることを当業者は認めよう。したがって、本発明は、特許請求の範囲に該当するような変様および変更を全て含むことを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による検査ステーションの断面図。
【図２】図１のテスタにおけるチャックの上面の平面図。
【図３】本発明の適用を例示するフロー・チャート。
【図４】本発明のよる力センサ即ちゲージの等幅図。
【図５】本発明による力センサおよびプローブ先端の接触端のカメラによる撮影図。
【図６】図４のプローブ先端およびシムの接触状況を示す拡大図。
【図７】プローブ先端のばねとの関係の一例を示すグラフ。
【符号の説明】
１０    プローブ検査ステーション
１２    検査ヘッド
１４    プローバ
１６    プローブ・インターフェース
１８    プローブ・カード
２０    プローブ先端
２２    ウエハ
２４    プローバ・チャック
２６    ダイ
３２    カメラ
３４    プローブ先端洗浄装置
３６    力測定ステーション
７０    力センサ
７２    アーム
７４    シム
７６    プレート
８２    プローブ先端コンタクト
８４    全先端コンタクト・パッド
【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】
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