JP2000340620A

JP2000340620A - プローブ装置

Info

Publication number: JP2000340620A
Application number: JP11146705A
Authority: JP
Inventors: Nobutoshi Abe; 宣利安部; Hiromitsu Yoshimoto; 宏充吉元
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-05-26
Filing date: 1999-05-26
Publication date: 2000-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】プローブピンの多ピン化や高密度化または短
ピン化を図った場合でも、ウェーハ上の半導体チップに
形成されたパッドとプローブピンとの接触状態を均一に
保ち、もって半導体チップの電気的特性や回路機能など
の試験を確実に行うことができるプローブ装置を提供す
る。【解決手段】ウェーハ２０上の半導体チップ２１に形
成された複数のパッドに対し、複数のプローブピン３２
を接触させて、半導体チップ２１の電気的特性を試験す
るプローブ装置１０であって、ウェーハ２０が載置され
る載置手段１１，１２と、載置手段１１，１２を傾斜可
能に支持する支持手段１３と、載置手段１１，１２の傾
きを検出する傾き検出手段１７，１８，２７，２８と、
これによる検出結果に基づいて支持手段１３を駆動し、
載置手段１１，１２の傾きを所定の傾きに保つ制御を行
う傾き制御手段６０とを備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップの電
気的特性や回路機能などをウェーハ状態で試験するプロ
ーブ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、半導体チップは、各種ウ
ェーハ処理（トランジスタなどの素子形成や素子間の配
線など）を経てウェーハ上に多数形成される。そして、
これら多数の半導体チップに対しては、ダイシング作業
により分割される前のウェーハ状態で、電気的特性や回
路機能などの試験が行われる。因みに、試験結果の良好
な半導体チップは、分割されたのち良品として選別さ
れ、組み立て工程に回される。

【０００３】さて、半導体チップに対する試験を行うプ
ローブ装置７０は、図１６に示されるように、ウェーハ
７２を吸着保持するウェーハホルダ７３と、このウェー
ハホルダ７３が取り付けられる試料台７４と、この試料
台７４をＸＹ方向およびＺ方向に移動させるステージ７
５と、ウェーハホルダ７３の上方に装着されたプローブ
カード７６と、テスタ７７とで構成されている。

【０００４】また、プローブカード７６は、複数の配線
パターン（不図示）が形成されたカード基板８１と、配
線パターンの一端部に接続され、かつカード基板８１に
固定された複数のプローブピン８２，８２，…とで構成
されている。なお、カード基板８１に形成された配線パ
ターン（不図示）の他端部には、テスタ７７が電気的に
接続されている。

【０００５】このため、複数のプローブピン８２，８
２，…は、不図示の配線パターンを介してテスタ７７に
電気的に接続されることになる。また、図１６には２本
のプローブピン８２，８２のみを示したが、実際の本数
は数１００本〜数１０００本である。これら複数のプロ
ーブピン８２，８２，…の先端の配置は、ウェーハ７２
上の各半導体チップ７１に形成された複数のパッド８
３，８３，…の配置に対応している。

【０００６】ここで、各プローブピン８２は、細い金属
線を“くの字”状に曲げたものであり、その全長は２ｍ
ｍ〜３ｍｍである。このようなプローブ装置７０を用い
て半導体チップ７１に対する試験を行うには、まず、ス
テージ７５により試料台７４をＸＹ方向に移動させて、
試験対象の半導体チップ７１に形成された複数のパッド
８３，８３，…を、複数のプローブピン８２，８２，…
の先端に対向させる。

【０００７】次いで、ステージ７５により試料台７４を
Ｚ方向に所定量だけ上昇させて、図１７(ａ)に示される
ように、試験対象の半導体チップ７１（以下「試験チッ
プ７１ａ」と云う）に形成された複数のパッド８３，８
３，…を複数のプローブピン８２，８２，…各々の先端
に接触させる。そして、このプローブ装置７０では、パ
ッド８３とプローブピン８２の先端とが接触したとき
（図１７(ａ)の状態）からさらに１００μｍ程度（図１
７(ｂ)中のΔＺに相当する）、試料台７４を押し上げて
いる。

【０００８】その結果、各プローブピン８２は弾性変形
によって大きくたわみ、その先端がパッド８３に押し付
られた状態（図１７(ｂ)の状態）となる。このように、
パッド８３とプローブピン８２の先端との接触圧を上げ
ることで接触抵抗を低下させ、パッド８３およびプロー
ブピン８２を介して、試験チップ７１ａ内の回路とテス
タ７７（図１６）とを確実に電気的に接続させることが
できる。

【０００９】したがって、プローブピン８２の先端をパ
ッド８３に強く接触させた状態（図１７(ｂ)）を維持し
ながら、テスタ７７から試験チップ７１ａ内の回路に所
定の電気信号を与え、試験チップ７１ａからの応答を調
べることで、電気的特性や回路機能などの試験を精度良
く行うことができる。ところで、上記プローブ装置７０
において、プローブピン８２の先端がパッド８３に押し
付けられているとき（図１７(ｂ)）、この接触によって
加わる荷重Ｗは、１ピンあたり数ｇ〜１０ｇ程度、プロ
ーブピン８２，８２，…全体では数Ｋｇ〜５０Ｋｇ程度
である。

【００１０】また、プローブピン８２，８２，…の先端
とパッド８３，８３，…とが接触している領域全体の大
きさは、５×５ｍｍ〜２０×２０ｍｍ（試験チップ７１
ａの大きさ程度）であり、ウェーハ７２や試料台７４の
大きさに比べると非常に小さい。このため、プローブピ
ン８２の先端がパッド８３に押し付けられているとき
（図１７(ｂ)）、すなわち試料台７４を押し上げる過程
や試験チップ７１ａに対する試験時、ウェーハ７２や試
料台７４には、小さい一部領域に集中して接触による大
きな荷重Ｗが加わっていることになる。

【００１１】したがって、試験チップ７１ａがウェーハ
７２の周辺部に位置する場合、図１８(ａ)に示されるよ
うに、ウェーハ７２や試料台７４には最大１５μｍ程度
の傾きが生じてしまう。その結果、試験チップ７１ａに
も傾きが発生する。しかし、このプローブ装置７０で
は、試料台７４の押し上げ量を１００μｍ程度に設定し
てプローブピン８２を大きくたわませているので、図１
８(ｂ)に示されるように、このプローブピン８２のたわ
みによって試験チップ７１ａの傾きを吸収することがで
きる。その結果、全てのプローブピン８２，８２，…の
先端とパッド８３，８３，…との接触状態を良好に維持
できる。

【００１２】また、プローブ装置７０では、半導体チッ
プ７１の電気的特性や回路機能などの温度による変化を
調べるため、ウェーハ７２の温度を−５０℃〜１５０℃
の範囲の異なる値に設定して試験を行っている。高温試
験の際、ウェーハ７２が例えば１５０℃まで温められる
と、ウェーハ７２自体やウェーハホルダ７３が熱変形に
よって歪むことがある。そしてこのとき、図１９に示さ
れるように、ウェーハ７２の表面７２ａには、うねりが
発生してしまう。その結果、ウェーハ７２上の各半導体
チップ７１ごとに傾きが相違することになる。

【００１３】しかし、このプローブ装置７０では、試料
台７４の押し上げ量を１００μｍ程度に設定してプロー
ブピン８２を大きくたわませているので、図１８(ｂ)の
場合と同様に、プローブピン８２のたわみによって試験
チップ７１ａの傾きを吸収することができる。そして、
全てのプローブピン８２，８２，…の先端とパッド８
３，８３，…との接触状態を良好に維持できる。

【００１４】さらに、ウェーハ７２の表面７２ａがうね
っているとき（図１９）には、各半導体チップ７１によ
って高さがまちまちになっている。高さの差は、最大２
０μｍ程度である。しかし、プローブ装置７０では、試
料台７４の押し上げ量を１００μｍ程度に設定してプロ
ーブピン８２を大きくたわませているので、図２０(ａ)
に示される高さＨ１の試験チップ７１ａでも、図２０
(ｂ)に示される高さＨ２(＞Ｈ１)の試験チップ７１ａで
も同様に、全てのプローブピン８２，８２，…の先端と
パッド８３，８３，…との接触状態を良好に維持でき
る。

【００１５】したがって、プローブ装置７０によれば、
プローブピン８２のたわみを利用することで、ウェーハ
７２上の全ての半導体チップ７１，７１，…に対して精
度良く試験を行うことができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
プローブ装置７０では、プローブピン８２，８２，…の
取り付け本数を多くしたり（多ピン化）、取り付け密度
を高くしたり（高密度化）すると、プローブピン８２，
８２，…の先端とパッド８３，８３，…との接触によっ
て発生する試料台７４やウェーハ７２の傾きが増大し、
プローブピン８２のたわみによって試験チップ７１ａの
傾きを吸収できなくなってしまう。

【００１７】試験チップ７１ａの傾きをプローブピン８
２のたわみによって吸収できなければ、プローブピン８
２，８２，…の先端とパッド８３，８３，…との接触状
態を良好に維持することはできない。このとき、試験チ
ップ７１ａに対して試験を行うことはできない。また、
プローブピンの高密度化を図るためには、半導体チップ
７１に形成されたパッドの大きさを小さくしなければな
らない。したがって、プローブピンとパッドとの位置合
わせ精度をさらに高めることが要求される。

【００１８】さらに、従来のプローブ装置７０では、全
長が２ｍｍ〜３ｍｍの長いプローブピン８２を用いてい
るため、半導体チップ７１の高周波領域（およそ２００
ＭＨｚ以上）での試験を行うことができないという問題
があった。そして近年、半導体チップ７１の高周波領域
での試験を行いたいという要望が高まってきている。

【００１９】このためには、プローブピンの全長を１０
０μｍ程度に短くしなければならない（短ピン化）。さ
らに、プローブピンの短ピン化を図ると、その外形が垂
直状になるため、従来の“くの字”状のプローブピン８
２に比べて、プローブピンのたわみに対する許容量が極
端に小さくなってしまう。

【００２０】また、プローブピンの先端とパッドとの接
触後の押し上げ量は、１０μｍ程度に小さく設定しなけ
ればならない。ここで仮に、全長１００μｍ程度のプロ
ーブピン８６（図２１参照）を用い、押し上げ量を１０
μｍ程度に設定して半導体チップ７１の試験を行ったと
する。既に述べたように、試料台７４を押し上げる過程
や試験チップ７１ａに対する試験時、ウェーハ７２や試
料台７４には、小さい一部領域に集中して接触による大
きな荷重Ｗが加わるため、試験チップ７１ａに傾きが生
じることがある。

【００２１】試験チップ７１ａに例えば図１８と同様の
傾きが生じた場合、図２１に示されるように、プローブ
ピン８６，８６，…とパッド８３，８３，…との接触状
態が不均一になってしまう。これは、プローブピン８６
では試験チップ７１ａの傾きを吸収することができない
ためである。このとき、試験チップ７１ａに対する試験
を行うことはできない。

【００２２】さらに、前述のようにウェーハ７２自体や
ウェーハホルダ７３が熱変形によって歪み、ウェーハ７
２の表面７２ａにうねりが発生した場合（図１９参照）
でも同様である。すなわち、ウェーハ７２の表面７２ａ
のうねりによって各半導体チップ７１ごとに傾きが相違
すれば、プローブピン８６，８６，…とパッド８３，８
３，…との接触状態が不均一になり、試験チップ７１ａ
に対する試験を行うことはできない。

【００２３】また、ウェーハ７２の表面７２ａのうねり
によって各半導体チップ７１の高さがまちまちになって
いると、図２２(ｂ)に示される高さＨ２の試験チップ７
１ａではプローブピン８６とパッド８３との接触状態を
良好に維持できても、図２２(ａ)に示される高さＨ１
(＜Ｈ２)の試験チップ７１ａでは全てのプローブピン８
６，８６，…とパッド８３，８３，…とを接触させるこ
とができないという事態が起こり得る。なお、上記の高
さＨ１，Ｈ２は、試料台７４の上面を基準としたもので
ある。

【００２４】このように、プローブ装置７０において短
ピン化を図ると、ウェーハ７２上の全ての半導体チップ
７１，７１，…に対して良好に試験を行うことができな
い。本発明の目的は、プローブピンの多ピン化や高密度
化または短ピン化を図った場合でも、ウェーハ上の半導
体チップに形成されたパッドとプローブピンとの接触状
態を均一に保ち、もって半導体チップの電気的特性や回
路機能などの試験を確実に行うことができるプローブ装
置を提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、ウェーハ上の半導体チップに形成された複数のパッ
ドに対し、複数のプローブピンを接触させて、半導体チ
ップの電気的特性を試験するプローブ装置であって、ウ
ェーハが載置される載置手段と、載置手段を傾斜可能に
支持する支持手段と、載置手段の傾きを検出する傾き検
出手段と、傾き検出手段による検出結果に基づいて支持
手段を駆動し、載置手段の傾きを所定の傾きに保つ制御
を行う傾き制御手段とを備えたものである。

【００２６】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の傾き制御手段が、載置手段に載置されたウェー
ハの複数のパッドによって形成される面の傾きを、複数
のプローブピンの先端によって形成される面の傾きに一
致させる制御を行うように構成されたものである。ま
た、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２
に記載の傾き検出手段が、載置手段に設けられた反射鏡
面と、反射鏡面の倒れ角を測定するコリメータとを有す
るものである。

【００２７】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
または請求項２に記載の傾き検出手段が、載置手段に設
けられた反射鏡面と、反射鏡面の倒れ角を測定する干渉
計とを有するものである。また、請求項５に記載の発明
は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載のプロー
ブ装置において、載置手段をパッドとプローブピンとの
接離方向に移動させる移動手段と、パッドに対するプロ
ーブピンの接触によって加わる荷重を検出する荷重検出
手段と、荷重検出手段によって検出される荷重と所定の
荷重とのずれ量を算出し、該ずれ量に基づいて移動手段
を駆動することにより、前記接触によって加わる荷重を
補正する荷重補正手段とを備えたものである。

【００２８】また、請求項６に記載の発明は、請求項５
に記載の荷重検出手段を、載置手段の少なくとも３箇所
で荷重を検出するように構成したものである。また、請
求項７に記載の発明は、請求項６に記載の荷重補正手段
を、荷重検出手段が荷重を検出する位置と試験対象の半
導体チップの位置との相対位置に応じて、移動手段の駆
動量を制御するように構成したものである。

【００２９】また、請求項８に記載の発明は、請求項５
から請求項７の何れか１項に記載のプローブ装置におい
て、荷重検出手段が、複数の歪みゲージを有するもので
ある。また、請求項９に記載の発明は、ウェーハ上の半
導体チップに形成された複数のパッドに対し、複数のプ
ローブピンを接触させて、半導体チップの電気的特性を
試験するプローブ装置であって、ウェーハが載置される
載置手段と、載置手段をパッドとプローブピンとの接離
方向に直交する面内で移動させる面内移動手段と、ウェ
ーハの伸びに応じた半導体チップの位置ずれ量を算出
し、該位置ずれ量を加味して面内移動手段を駆動するこ
とにより、半導体チップを複数のプローブピンに対向す
る地点に位置決めする位置決め制御手段とを備えたもの
である。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を用い詳細に説明する。本実施形態は、請求項１〜
請求項９に対応する。本実施形態のプローブ装置１０
（図１）は、半導体チップの電気的特性や回路機能をウ
ェーハ状態で試験するための装置である。

【００３１】このプローブ装置１０について説明する前
に、試験対象である半導体チップの説明を行う。図２
(ａ)に示されるように、半導体チップ２１はウェーハ２
０上に複数配列されている。各半導体チップ２１は、所
定の回路（不図示）が形成されたものである。

【００３２】また、各半導体チップ２１には、図２(ｂ)
に示されるように、複数のパッド２２，２２，…が形成
されている。これら複数のパッド２２，２２，…は、半
導体チップ２１内の回路に接続された外部端子である。
このような半導体チップ２１に対する試験は、複数のパ
ッド２２，２２，…を介して回路に所定の電流を流し、
その応答を検知することで行われる。

【００３３】なお、図２(ｂ)には１６個のパッド２２，
２２，…が示されているが、実際の個数は数１０個〜数
１０００個である。さて、本実施形態のプローブ装置１
０には、図１に示されるように、半導体チップ２１が形
成されたウェーハ２０を真空吸着によって保持するウェ
ーハホルダ１１が設けられる。このウェーハホルダ１１
には、試験時にウェーハ２０の温度を高温（例えば１０
０℃）に保つためのヒータ（不図示）などが内蔵されて
いる。

【００３４】また、プローブ装置１０には、ウェーハホ
ルダ１１の上方に、カードホルダ３１が設けられる。こ
のカードホルダ３１には、プローブカード３０が装着さ
れている。プローブカード３０は、図３(ａ)に示される
ように、複数のプローブピン３２，３２，…をカード基
板３３に取り付けたものである。また、各プローブピン
３２は、半導体チップ２１の高周波領域での試験を行え
るように、その全長が１００μｍ程度に短くかつ略垂直
形状に成型されている。

【００３５】また、複数のプローブピン３２，３２，…
の配置は、図３(ｂ)に示されるように、上記半導体チッ
プ２１（図２(ｂ)）に形成された複数のパッド２２，２
２，…の配置に対応している。すなわち、半導体チップ
２１の試験時、プローブピン３２とパッド２２とを１対
１で接触させることができるようになっている。さら
に、プローブ装置１０（図１）には、テスタ３４が設け
られる。このテスタ３４は、プローブカード３０がカー
ドホルダ３１に装着されているとき、複数のプローブピ
ン３２，３２，…に電気的に接続される。

【００３６】また、テスタ３４は、予め記憶している試
験プログラムにしたがい、複数のプローブピン３２，３
２，…に対して所定の電気信号を出力するものである。
さらに、テスタ３４は、プローブピン３２を半導体チッ
プ２１のパッド２２に接触させた状態（詳細は後述す
る）で、半導体チップ２１内の回路と電気信号のやりと
りを行い、半導体チップ２１の良否および特性を判定す
るものである。

【００３７】さらに、このプローブ装置１０には、上記
のウェーハホルダ１１が取り付けられた試料台１２と、
この試料台１２をＺ方向および傾き方向（θｘ，θｙ）
に位置決めするＺレベリングステージ１３と、試料台１
２をＸ方向に位置決めするＸステージ１４と、試料台１
２をＹ方向に位置決めするＹステージ１５とが、ステー
ジベース１６上に設けられている。

【００３８】なお、ウェーハホルダ１１と試料台１２と
の間には、ウェーハホルダ１１を回転方向に位置決めす
るθｚステージ（不図示）が設けられる。上記θｘ方
向，θｙ方向，θｚ方向は各々、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸を中
心とした回転方向に相当する。上記したウェーハホルダ
１１および試料台１２は、請求項の「載置手段」に対応
する。

【００３９】ここで、Ｙステージ１５は、不図示のリニ
アモータによって駆動され、Ｙ軸方向に移動可能であ
る。Ｙステージ１５の位置、すなわち試料台１２のＹ位
置は、不図示のエンコーダを用いて検出される。Ｘステ
ージ１４は、不図示のリニアモータによって駆動され、
Ｘ軸方向に移動可能である。Ｘステージ１４の位置、す
なわち試料台１２のＸ位置は、不図示のエンコーダを用
いて検出される。

【００４０】また、Ｚレベリングステージ１３は、図４
(ａ)に示されるように、３つのＺ駆動部４１，４２，４
３にて構成される。これらＺ駆動部４１，４２，４３は
各々、試料台１２の下面１２ａの部位４１ａ，４２ａ，
４３ａにおいて、下方から試料台１２を支持する。Ｚ駆
動部４１は、図５(ａ)に示されるように、Ｘステージ１
４上に固定された下部傾斜部材４６と、この下部傾斜部
材４６の斜面４６ａ上に載置された上部傾斜部材４７
と、この上部傾斜部材４７を斜面４６ａに沿って摺動さ
せるサーボモータ４８と、上部傾斜部材４７の斜面４６
ａ上での摺動に応じて回転するローラ４９とで構成され
る。

【００４１】なお、ローラ４９の回転軸４９ａは、図５
(ｂ)に示されるように、試料台１２の下面１２ａの部位
４１ａに取り付けられている。このＺ駆動部４１では、
上部傾斜部材４７を斜面４６ａに沿って摺動させること
で、図５(ｂ)，(ｃ)に示されるように、上部傾斜部材４
７の上面４７ａの高さＨ１をΔＨ１だけ変化させること
ができる。そして、この上面４７ａの高さＨ１が変化す
る結果、試料台１２の部位４１ａにおけるＺ位置(Ｚ１)
も、ΔＨ１だけ変化することになる。

【００４２】すなわち、Ｚ駆動部４１によれば、試料台
１２の下面１２ａの部位４１ａにおいて試料台１２を支
持する際のＺ位置（Ｚ１）（図４(ｂ)も参照）を自在に
設定することができる。また、他のＺ駆動部４２，４３
（図４(ａ)）は、上記のＺ駆動部４１と同じ構成であ
る。

【００４３】したがって、Ｚ駆動部４２によれば、試料
台１２の部位４２ａにおいて試料台１２を支持する際の
Ｚ位置(Ｚ２)（図４(ｂ)参照）を自在に設定することが
できる。また、Ｚ駆動部４３（図４(ａ)）によれば、試
料台１２の部位４３ａにおいて試料台１２を支持する際
のＺ位置(Ｚ３)（図４(ｂ)参照）を自在に設定すること
ができる。

【００４４】これら試料台１２の部位４１ａにおけるＺ
位置(Ｚ１)，部位４２ａにおけるＺ位置(Ｚ２)，部位４
３ａにおけるＺ位置(Ｚ３)は各々、不図示のエンコーダ
を用いて検出される。このように構成されたＺレベリン
グステージ１３では、Ｚ駆動部４１〜４３を個別に駆動
し、部位４１ａ，４２ａ，４３ａにおけるＺ位置（Ｚ
１，Ｚ２，Ｚ３）の少なくとも１つを異ならせることに
より、試料台１２にθｙ方向やθｘ方向の傾きを発生さ
せたり、その傾きを自在に変えたりすることができる。

【００４５】また、Ｚレベリングステージ１３では、Ｚ
駆動部４１〜４３を同期させて駆動することにより、試
料台１２のθｙ方向およびθｘ方向の傾きを一定に保ち
ながら、試料台１２をＺ方向に移動させることができ
る。さらに、本実施形態のプローブ装置１０（図１）で
は、試料台１２のθｙ方向の傾きを検出するため、試料
台１２の側面にＸ軸移動鏡１７を取り付けると共に、こ
のＸ軸移動鏡１７に対向してＸ軸コリメータ２７を設け
ている。

【００４６】図６(ａ)に示されるように、Ｘ軸移動鏡１
７の反射面１７ａは、試料台１２の上面１２ｂに直交す
る。したがって、試料台１２の上面１２ｂがＸ軸に平行
なとき、Ｘ軸移動鏡１７の反射面１７ａはＹＺ面に対し
て平行に保たれる。そして、図６(ｂ)に示されるよう
に、試料台１２の上面１２ｂがθｙ方向に角度θｙｓだ
け傾くと、Ｘ軸移動鏡１７の反射面１７ａもＹＺ面に対
して角度θｙｓだけ傾くことになる。この角度θｙｓ
は、請求項の「倒れ角」に対応する。

【００４７】このＸ軸移動鏡１７に対向して設けられた
Ｘ軸コリメータ２７は、図６(ａ)に示されるように、Ｘ
軸に光軸を揃えて配置されたレンズ５１と、レンズ５１
の焦点位置に配置された光源５２と、光源５２とレンズ
５１との間に配置されたハーフミラー５３と、ハーフミ
ラー５３の反射光路上に配置されたディテクタ５４（例
えばＣＣＤラインセンサ）とで構成されている。

【００４８】このＸ軸コリメータ２７において、光源５
２からの光はレンズ５１を介して平行光となる。そし
て、この平行光がＸ軸移動鏡１７の反射面１７ａに入射
する。反射面１７ａからの反射光は、レンズ５１を通過
し、ハーフミラー５３で反射してディテクタ５４に入射
する。ここで、反射面１７ａがＹＺ面に対して平行に保
たれるとき（図６(ａ)の状態）、反射面１７ａからの反
射光はＸ軸に平行となる。そして、この反射光は、レン
ズ５１およびハーフミラー５３を介してディテクタ５４
に到達し、基準地点Ｘ０に結像する。

【００４９】一方、反射面１７ａがＹＺ面に対して角度
θｙｓだけ傾くと（図６(ｂ)の状態）、反射面１７ａか
らの反射光Ｌ１は、Ｘ軸に対して角度２・(θｙｓ)だけ
傾くことになる。そして、この反射光Ｌ１は、レンズ５
１およびハーフミラー５３を介して、ディテクタ５４の
地点Ｘ１に結像する。この地点Ｘ１と上記した基準地点
Ｘ０とのずれ量ΔＸは、レンズ５１の焦点距離をｆで表
すとき、ｆ・ｓｉｎ[２(θｙｓ)]に比例する。

【００５０】したがって、Ｘ軸コリメータ２７では、反
射光Ｌ１の結像地点Ｘ１と基準地点Ｘ０とのずれ量ΔＸ
をディテクタ５４によって検出することにより、Ｘ軸移
動鏡１７の反射面１７ａの傾き角θｙｓ、すなわち試料
台１２の上面１２ｂの傾き角θｙｓを検知することがで
きる。なお、試料台１２がＸ方向に移動すればＸ軸移動
鏡１７もＸ方向に移動し、Ｘ軸コリメータ２７からＸ軸
移動鏡１７までの距離Ｄが変わることになるが、Ｘ軸コ
リメータ２７のディテクタ５４にて検出されるずれ量Δ
Ｘは距離Ｄによって変化しない。このため、試料台１２
のＸ位置によらず、同じように試料台１２の傾き角θｙ
ｓを検知できる。

【００５１】また、プローブ装置１０（図１）では、試
料台１２のθｘ方向の傾きを検出するため、試料台１２
の側面にＹ軸移動鏡１８を取り付けると共に、このＹ軸
移動鏡１８に対向してＹ軸コリメータ２８を設けてい
る。Ｙ軸移動鏡１８は、上記したＸ軸移動鏡１７の反射
面１７ａと同様、試料台１２の上面１２ｂに直交する反
射面を有している。したがって、試料台１２の上面１２
ｂがＹ軸に平行なとき、Ｙ軸移動鏡１８の反射面はＸＺ
面に対して平行に保たれる。そして、試料台１２の上面
がθｘ方向にθｘｓだけ傾くと、Ｙ軸移動鏡１８の反射
面もＸＺ面に対してθｘｓだけ傾くことになる。

【００５２】また、Ｙ軸コリメータ２８は、上記のＸ軸
コリメータ２７と同じ構成のものをＸＹ面内で９０°回
転させて、レンズ５１の光軸をＹ軸に揃えて配置したも
のである。

【００５３】したがって、Ｙ軸コリメータ２８によれ
ば、Ｙ軸移動鏡１８の反射面に平行光を入射させ、その
反射光の結像地点のずれ量ΔＹ（∝ｆ・ｓｉｎ[２(θｘ
ｓ)]）を検出することにより、Ｙ軸移動鏡１８の反射面
の傾き角θｘｓ、すなわち試料台１２の上面１２ｂの傾
き角θｘｓを検知することができる。なお、試料台１２
がＹ方向に移動すればＹ軸移動鏡１８もＹ方向に移動
し、Ｙ軸コリメータ２８からＹ軸移動鏡１８までの距離
が変わるが、Ｙ軸コリメータ２８にて検出されるずれ量
ΔＹは変化しない。このため、試料台１２のＹ位置によ
らず、同じように試料台１２の傾き角θｘｓを検知でき
る。

【００５４】さらに、本実施形態のプローブ装置１０に
は、ウェーハ２０上のアライメントマーク（不図示）を
観察するための顕微鏡２５が、ステージベース１６上に
設けられている。この顕微鏡２５は、対物レンズ（不図
示）の視野内に位置するウェーハ２０のアライメントマ
ークを撮像し、得られたアライメントマーク画像のＸＹ
座標を検出するものである。

【００５５】また、この顕微鏡２５は、アライメントマ
ーク画像の取り込み時に、画像のコントラストが極大に
なるときのオートフォーカス駆動量に基づいて、アライ
メントマーク位置でのウェーハ２０のＺ座標を検出す
る。さらに、プローブ装置１０には、プローブカード３
０に取り付けられたプローブピン３２を観察するための
顕微鏡３５が、試料台１２の側面に取り付けられてい
る。この顕微鏡３５は、対物レンズ（不図示）の視野内
に位置するプローブピン３２を撮像し、得られたプロー
ブピン画像のＸＹ座標を検出するものである。

【００５６】また、この顕微鏡３５は、プローブピン画
像の取り込み時におけるオートフォーカス駆動量に基づ
いて、プローブピン３２の先端のＺ座標を検出する。さ
らに、プローブ装置１０の試料台１２の上面には、基準
マーク１９が取り付けられている。この基準マーク１９
と顕微鏡３５との位置関係は、装置定数として予め定め
られている。なお、その装置定数は、顕微鏡３５の光軸
を示す指標が予め顕微鏡３５の光学部材に付けられてお
り、顕微鏡２５でその指標と基準マーク１９との位置関
係を測定することにより、測定するようにしても良い。

【００５７】一方、基準マーク１９と顕微鏡２５との位
置関係は、Ｘステージ１４およびＹステージ１５の位
置、すなわち試料台１２のＸ位置およびＹ位置によって
変わる。しかし、顕微鏡２５により基準マーク１９を観
察し、そのときのＸステージ１４およびＹステージ１５
の位置を検出しておくことにより、顕微鏡２５の座標系
と顕微鏡３５の座標系とを一致させることができる。

【００５８】また、本実施形態のプローブ装置１０に
は、図７(ａ)に示されるように、試料台１２の下面１２
ａの部位４１ａとＺ駆動部４１のローラ４９との間に、
荷重センサ５５が設けられている。この荷重センサ５５
は、試料台１２の部位４１ａに取り付けられた保持枠５
８と、この保持枠５８の内側に貼り付けられた歪みゲー
ジ５９とで構成される。歪みゲージ５９は、半導体チッ
プ２１のパッド２２とプローブピン３２との接触によっ
て加わる荷重Ｗに応じて、その抵抗値が変化するもので
ある。

【００５９】したがって、荷重センサ５５では、歪みゲ
ージ５９の抵抗値変化を不図示のブリッジ回路にて検知
することにより、上記の接触によって加わる荷重Ｗを検
出することができる。また、プローブ装置１０には、図
７(ｂ)に示されるように、試料台１２の下面１２ａの部
位４２ａとＺ駆動部４２のローラ４９との間に、荷重セ
ンサ５６が設けられている。この荷重センサ５６は、上
記荷重センサ５５と構成が同じであり、上記の接触によ
って加わる荷重Ｗを検出することができる。

【００６０】さらに、プローブ装置１０には、図７(ｃ)
に示されるように、試料台１２の下面１２ａの部位４３
ａとＺ駆動部４３のローラ４９との間に、荷重センサ５
７が設けられている。この荷重センサ５７は、上記荷重
センサ５５と構成が同じであり、上記の接触によって加
わる荷重Ｗを検出することができる。

【００６１】このように、プローブ装置１０には３つの
荷重センサ５５〜５７が設けられているが、本実施形態
では、半導体チップ２１のパッド２２とプローブピン３
２との接触によって加わる荷重Ｗの検出に、３つの荷重
センサ５５〜５７のうちの１つを使用する（後述す
る）。また、本実施形態のプローブ装置１０（図１）に
は、上記のテスタ３４と、Ｘステージ１４と、Ｙステー
ジ１５と、Ｚレベリングステージ１３（Ｚ駆動部４１〜
４３）と、不図示のθｚステージと、Ｘ軸コリメータ２
７と、Ｙ軸コリメータ２８と、顕微鏡２５，３５と、荷
重センサ５５〜５７とに接続され、これら各構成要素を
制御する制御部６０が設けられている。

【００６２】なお、上記した実施形態のＺレベリングス
テージ１３（Ｚ駆動部４１〜４３）は、請求項の「支持
手段」および「移動手段」に対応する。また、実施形態
のＸステージ１４およびＹステージ１５は、請求項の
「面内移動手段」に対応する。また、実施形態のＸ軸移
動鏡１７、Ｙ軸移動鏡１８、Ｘ軸コリメータ２７および
Ｙ軸コリメータ２８は、請求項の「傾き検出手段」に対
応する。また、Ｘ軸移動鏡１７の反射面１７ａは、請求
項の「反射鏡面」に対応する。また、実施形態の荷重セ
ンサ５５〜５７は、請求項の「荷重検出手段」に対応す
る。また、制御部６０は、請求項の「傾き制御手段」、
「荷重補正手段」および「位置決め制御手段」に対応す
る。

【００６３】次に、上記のように構成されたプローブ装
置１０を用い、ウェーハ２０上の半導体チップ２１を試
験する際の動作について説明する。制御部６０は、実際
の試験に先立ち、プローブカード３０のカードホルダ３
１への取り付け状態や、ウェーハ２０のウェーハホルダ
１１への取り付け状態の観察、さらにはウェーハ２０自
体やウェーハホルダ１１の伸び，うねり，反り，たわみ
などに起因するウェーハ２０の表面状態の観察を行う。

【００６４】プローブカード３０の取り付け状態の観察
は、顕微鏡３５（図１）を用い、プローブピン３２自体
を３箇所以上で観察することにより行われる。顕微鏡３
５は、観察対象となったプローブピン３２のＸＹ座標
と、プローブピン３２の先端のＺ座標とを検出する。顕
微鏡３５による３箇所以上での検出結果は、ＸＹ座標情
報，Ｚ座標情報として制御部６０に入力される。

【００６５】制御部６０は、プローブピン３２のＸＹ座
標情報に基づいて、プローブカード３０のＸＹ方向の取
り付け位置と、θｚ方向の取り付け位置とを算出する。
また、制御部６０は、プローブピン３２のＺ座標情報に
基づいて、プローブピン３２，３２，…の先端によって
形成される面（以下「ピン先端面３２ａ」と云う。図８
参照）の水平に対する傾きθｘｐ，θｙｐを算出する。
なお、図８にはθｙ方向の傾きθｙｐのみが示されてい
る。

【００６６】このように算出されたプローブカード３０
の取り付け状態に関する情報は、制御部６０内のメモリ
に格納される。一方、ウェーハ２０の取り付け状態や表
面状態の観察は、顕微鏡２５（図１）を用い、ウェーハ
２０上のアライメントマーク（不図示）を３箇所以上で
観察することにより行われる。このとき、試料台１２の
上面１２ｂは水平（ＸＹ面に平行）に保っておく。

【００６７】顕微鏡２５は、観察対象となったアライメ
ントマークのＸＹ座標と、アライメントマーク位置での
ウェーハ２０のＺ座標とを検出する。顕微鏡２５による
３箇所以上での検出結果は、ＸＹ座標情報，Ｚ座標情報
として制御部６０に入力される。制御部６０は、アライ
メントマークのＸＹ座標情報と、上記プローブカード３
０のθｚ方向の取り付け位置とに基づいて、ウェーハ２
０全体のプローブカード３０に対するθｚ方向の回転ず
れ量を算出する。そして、この回転ずれ量に基づいてθ
ｚステージ（不図示）を駆動制御し、ウェーハ２０のθ
ｚ方向の取り付け位置を、プローブカード３０のθｚ方
向の取り付け位置に一致させる。

【００６８】また、制御部６０は、アライメントマーク
のＸＹ座標情報に基づいて、ウェーハ２０に形成された
各半導体チップ２１のＸＹ方向の位置ずれ量を算出す
る。各半導体チップ２１のＸＹ方向の位置ずれは、ウェ
ーハ２０全体のＸＹ方向の取り付け位置のずれや、ウェ
ーハ２０自体の伸びなどに起因するものである。因み
に、高温試験（ウェーハ２０の温度が例えば１００℃）
のとき、直径２００ｍｍのウェーハ２０には１５０μｍ
程度の伸びが生じる。

【００６９】さらに、制御部６０は、ウェーハ２０のＺ
座標情報に対してデータフィッティングや補間などの処
理を行うことにより、各半導体チップ２１の傾きθｘ
ｃ，θｙｃを算出する（図９参照。この図にはθｙ方向
の傾きθｙｃのみが示されている）。なお、算出された
各半導体チップ２１の傾きθｘｃ，θｙｃは、試料台１
２の上面１２ｂに対する傾きを表している。また、この
傾きθｘｃ，θｙｃは、各半導体チップ２１の複数のパ
ッド２２，２２，…によって形成される面の傾きに等し
い。

【００７０】各半導体チップ２１の傾きθｘｃ，θｙｃ
は、ウェーハ２０の取り付け状態に関係する全体的な傾
きや、ウェーハ２０自体とウェーハホルダ１１のうね
り，反り，たわみなどに起因するものである。このよう
に算出されたウェーハ２０の取り付け状態や表面状態に
関する情報も、制御部６０内のメモリに格納される。

【００７１】半導体チップ２１に対する実際の試験は、
制御部６０内のメモリに格納されたプローブカード３０
のＸＹ方向の取り付け位置を基準ＸＹ位置とし、またピ
ン先端面３２ａの水平に対する傾きθｘｐ，θｙｐ（図
８）を基準傾き角として、図１０〜図１２に示される手
順にしたがって行われる。図１０〜図１２は、ウェーハ
２０上に形成された複数の半導体チップ２１，２１，…
（図２）のうち１つを試験する際の手順を示すものであ
る。ウェーハ２０上の全ての半導体チップ２１，２１，
…に対して順次試験を行うには、図１０〜図１２の手順
を繰り返せばよい。ここでは、１つの半導体チップ２１
を試験する際の動作について説明する。

【００７２】まず初めに制御部６０は、図１０に示され
るように、試験対象となる半導体チップ２１（以下「試
験チップ２１ａ」と云う）のＸＹ方向の位置合わせを行
う（Ｓ１１）。このため制御部６０は、試験チップ２１
ａのＸＹ方向の位置ずれ量をメモリから読み出し、この
ＸＹ方向の位置ずれ量を加味してＸステージ１４および
Ｙステージ１５を駆動制御する。

【００７３】その結果、試験チップ２１ａは、プローブ
カード３０のＸＹ方向の取り付け位置（基準ＸＹ位置）
まで移動する。そしてこのとき、図１３に示されるよう
に、試験チップ２１ａの各パッド２２は、プローブカー
ド３０の各プローブピン３２の真下に位置して、その先
端に対向することになる。次いで制御部６０は、試験チ
ップ２１ａの傾きを補正する（図１０のＳ１２）。

【００７４】このため制御部６０は、試験チップ２１ａ
（図１３）の上面１２ｂに対する傾きθｘｃ，θｙｃを
メモリから読み出し、この傾きθｘｃ，θｙｃとピン先
端面３２ａの水平に対する傾きθｘｐ，θｙｐ（基準傾
き角）との差（θｘｃ−θｘｐ，θｙｃ−θｙｐ）、す
なわち、ピン先端面３２ａに対する試験チップ２１ａの
傾きずれ量を算出する。

【００７５】この試験チップ２１ａの傾きずれ量を補正
し、試験チップ２１ａの水平に対する傾きθｘａ，θｙ
ａ（図１３参照）を、ピン先端面３２ａの水平に対する
傾きθｘｐ，θｙｐに一致させるためには、試料台１２
の傾きθｘｓ，θｙｓを上記の差θｘｃ−θｘｐ，θｙ
ｃ−θｙｐに一致させればよい。したがって制御部６０
は、図１０のＳ１２に先立ち、上記の差θｘｃ−θｘ
ｐ，θｙｃ−θｙｐを、試料台１２の基準の傾きθｘｓ
ｏ，θｙｓｏとしてメモリに格納しておく。

【００７６】そして制御部６０は、図１０のＳ１２に示
される試験チップ２１ａの傾き補正処理を実行する。す
なわち、現時点での試料台１２の傾きθｘｓ，θｙｓを
Ｙ軸コリメータ２８，Ｘ軸コリメータ２７から取得し
（図１２(ａ)のＳ３１）、取得した傾きθｘｓ，θｙｓ
がメモリに格納された基準の傾きθｘｓｏ，θｙｓｏか
らずれている場合には（Ｓ３２）、そのずれ量に応じて
Ｚレベリングステージ１３（Ｚ駆動部４１〜４３）を駆
動制御し、試料台１２の傾きθｘｓ，θｙｓを基準の傾
きθｘｓｏ，θｙｓｏに一致させる（Ｓ３３）。

【００７７】その結果、図１３に示されるように、試験
チップ２１ａの水平に対する傾きθｘａ，θｙａがピン
先端面３２ａの水平に対する傾きθｘｐ，θｙｐに一致
し、試験チップ２１ａとピン先端面３２ａとが平行にな
る。制御部６０は、上記の位置合わせおよび傾き補正が
終了すると、試料台１２のＺ方向上昇を開始させる（図
１０のＳ１３）。

【００７８】このとき、Ｚレベリングステージ１３のＺ
駆動部４１〜４３を同期させながら駆動制御することに
より、試料台１２の傾きθｘｓ，θｙｓを基準の傾きθ
ｘｓｏ，θｙｓｏに保ったまま、試料台１２をＺ方向に
上昇させることができる。その結果、試験チップ２１ａ
はピン先端面３２ａとの平行を保ちながら、Ｚ方向に上
昇することになる。

【００７９】次いで制御部６０は、試料台１２をＺ方向
に上昇させながら、試験チップ２１ａのパッド２２がプ
ローブピン３２に接触したか否かを監視する（図１０の
Ｓ１４）。本実施形態において、上記接触したか否かの
監視には、試料台１２の下面１２ａに取り付けられた荷
重センサ５５〜５７（図７）のうち１つが基準荷重セン
サとして用いられる。

【００８０】この基準荷重センサを荷重センサ５５〜５
７の中から１つ選択するため、制御部６０は、図１４に
示されるように、ウェーハ２０上での試験チップ２１ａ
の位置と荷重センサ５５，５６，５７各々の取り付け位
置との相対位置Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を算出する。そして制
御部６０は、最も相対位置が小さい荷重センサを基準荷
重センサに決定する。図１４では荷重センサ５５の相対
位置Ｒ１が最も小さいため、以下、荷重センサ５５を基
準荷重センサ５５とする。

【００８１】このように決定された基準荷重センサ５５
の検出値は、試験チップ２１ａのパッド２２（図１３）
がプローブピン３２に接触すると、この接触によって加
わる荷重Ｗに応じて変化する。したがって制御部６０
は、図１０のＳ１４において、試料台１２をＺ方向に上
昇させながら、基準荷重センサ５５の検出値が変化した
か否かを監視し、基準荷重センサ５５の検出値が変化し
たときに、パッド２２がプローブピン３２に接触したと
判断する。

【００８２】このとき、図１５に示されるように、試験
チップ２１ａの全てのパッド２２が等しくプローブピン
３２の先端に接触する。そして、パッド２２とプローブ
ピン３２の先端との接触を確実なものとするため、制御
部６０は、試料台１２をさらに所定量（１０μｍ程
度）、Ｚ方向に押し上げる。

【００８３】このプローブピン３２とパッド２２とが接
触したのちの押し上げ量（上記の所定量）は、プローブ
ピン３２の先端とパッド２２との接触圧が最適な値とな
るように、厳密に管理する必要がある。このため制御部
６０は、プローブピン３２の先端とパッド２２とが接触
した直後、押し上げ量の計測を開始する（図１０のＳ１
５）。

【００８４】押し上げ量の計測は、上記の基準荷重セン
サ５５（図１４参照）が設けられている部位４１ａをＺ
方向に支持するＺ駆動部４１（以下「基準Ｚ駆動部４
１」と云う）のエンコーダ（不図示）を用いて行われ
る。

【００８５】また、試料台１２を押し上げているときに
は、押し上げ量に比例して急激に負荷が増大する。この
ため、試料台１２（図１５）の傾きθｘｓ，θｙｓが基
準の傾きθｘｓｏ，θｙｓｏから変化し、ピン先端面３
２ａと試験チップ２１ａの平行が保たれなくなってしま
う恐れがある。したがって制御部６０は、押し上げ量
（基準Ｚ駆動部４１によって計測される）が所定値（１
０μｍ程度）になる（図１０のＳ１７の判断がｙｅｓに
なる）までの間、試験チップ２１ａの傾き補正を行う
（図１０のＳ１６）。

【００８６】このＳ１６は、上記したＳ１２と同様であ
る。すなわち、試料台１２の傾きθｘｓ，θｙｓをＹ軸
コリメータ２８，Ｘ軸コリメータ２７から取得し、この
傾きθｘｓ，θｙｓが基準の傾きθｘｓｏ，θｙｓｏか
らずれている場合には、そのずれ量に応じてＺレベリン
グステージ１３を駆動制御し、試料台１２の傾きθｘ
ｓ，θｙｓを基準の傾きθｘｓｏ，θｙｓｏに一致させ
る。

【００８７】なお、このＳ１６の場合には、押し上げ量
の計測に基準Ｚ駆動部４１を使用しているため、それ以
外のＺ駆動部４２，４３を駆動制御して、試験チップ２
１ａの傾き補正を行うことが好ましい。このように、試
験チップ２１ａの傾き補正を行いながら、試料台１２を
Ｚ方向に押し上げるので、押し上げ量に比例して急激に
負荷が増大しても、試料台１２の傾きθｘｓ，θｙｓを
基準の傾きθｘｓｏ，θｙｓｏに保つことができる。そ
の結果、試験チップ２１ａは、ピン先端面３２ａとの平
行を常に維持しながらＺ方向に押し上げられることにな
る。

【００８８】したがって、試験チップ２１ａの全てのパ
ッド２２が等しくプローブピン３２の先端に押し付けら
れていく。そして、基準Ｚ駆動部４１によって計測され
る押し上げ量が所定値（１０μｍ程度）になると（図１
０のＳ１７の判定がｙｅｓ）、制御部６０は、試料台１
２のＺ方向の押し上げを停止する（Ｓ１８）。

【００８９】このときにも、ピン先端面３２ａと試験チ
ップ２１ａとの平行は保たれているため、試験チップ２
１ａの全てのパッド２２がプローブピン３２の先端に等
しく最適な接触圧で押し付けられた状態となる。この状
態において、プローブピン３２とパッド２２とが、それ
ぞれ最適な接触圧で押されているので、試験チップ２１
ａ内の回路は、パッド２２およびプローブピン３２を介
して、テスタ３４（図１）と確実に電気的に接続され
る。

【００９０】そこで制御部６０は、テスタ３４に制御信
号を出力し、試験チップ２１ａに対する試験を開始させ
る（図１１のＳ１９）。テスタ３４は、予め記憶してい
る試験プログラムにしたがって、試験チップ２１ａ内の
回路に所定の電気信号を与え、試験チップ２１ａからの
応答を調べることで、電気的特性や回路機能などの試験
を実行する。

【００９１】テスタ３４による試験の所要時間は、試験
の種類によって異なるが、数秒〜３０分程度である。こ
こで、テスタ３４による試験を最後まで確実にやり遂げ
るには、試験チップ２１ａの全てのパッド２２とプロー
ブピン３２とを等しく最適な接触圧で接触させた状態を
終始維持しなければならない。

【００９２】試験の途中でプローブピン３２とパッド２
２との接触具合が悪化して最適な接触圧を維持できない
と、プローブピン３２とパッド２２とが離れ始めて、接
触抵抗が増加するなどの問題が発生し、良好な試験を継
続できなくなってしまう。しかし、プローブピン３２と
パッド２２とは上記した１０μｍ程度の押し上げにより
強く押し付けられているため、試験中に、試料台１２や
ウェーハ２０が試験チップ２１ａの箇所で撓ってしまう
ことがある。また、プローブピン３２は全長が短く（１
００μｍ）、たわみに対する許容量が小さい。このた
め、最適な接触圧を維持できない可能性がある。

【００９３】したがって制御部６０は、試験が終了する
（図１１のＳ２２の判断がｙｅｓとなる）までの間、パ
ッド２２とプローブピン３２との接触圧を最適な値に保
つための補正を行う（図１１のＳ２０）。パッド２２と
プローブピン３２との接触圧の変化は、基準荷重センサ
５５の検出値の変化となって現れるので、制御部６０
は、試験を開始した直後における基準荷重センサ５５の
検出値を、基準値Ｗｏとしてメモリに格納しておく。

【００９４】そして制御部６０は、図１２(ｂ)に示され
るように、パッド２２とプローブピン３２との接触によ
って加わる荷重Ｗを基準荷重センサ５５から取得し（Ｓ
３４）、この検出値Ｗがメモリに格納された基準値Ｗｏ
から変化した場合には（Ｓ３５）、その変化量に応じて
基準Ｚ駆動部４１を駆動制御し、基準荷重センサ５５の
検出値Ｗを元の基準値Ｗｏに戻す（Ｓ３６）。

【００９５】これにより、試験中に試料台１２やウェー
ハ２０が試験チップ２１ａの箇所で撓ることがあって
も、短いプローブピン３２とパッド２２との接触圧を最
適な値に維持しながら試験を続けることができる。さら
に、試験中には、試料台１２の傾きθｘｓ，θｙｓが基
準の傾きθｘｓｏ，θｙｓｏから変化し、ピン先端面３
２ａと試験チップ２１ａの平行が崩れる可能性もある。

【００９６】したがって、試験終了（図１１のＳ２２が
ｙｅｓとなる）までの間、制御部６０は、試験チップ２
１ａの傾き補正を行う（図１１のＳ２１）。このＳ２１
は、上記した図１０のＳ１２やＳ１６と同様である。す
なわち、試料台１２の傾きθｘｓ，θｙｓをＹ軸コリメ
ータ２８，Ｘ軸コリメータ２７から取得し、この傾きθ
ｘｓ，θｙｓが基準の傾きθｘｓｏ，θｙｓｏからずれ
ている場合には、そのずれ量に基づいてＺレベリングス
テージ１３を駆動制御し、試料台１２の傾きθｘｓ，θ
ｙｓを基準の傾きθｘｓｏ，θｙｓｏに一致させる。

【００９７】なお、このＳ２１の場合には、プローブピ
ン３２とパッド２２との接触圧の補正（Ｓ２０）に基準
Ｚ駆動部４１を使用しているため、それ以外のＺ駆動部
４２，４３を駆動制御して、試験チップ２１ａの傾き補
正を行うことが好ましい。このように、試験チップ２１
ａに対する試験中（Ｓ１９〜Ｓ２２）、パッド２２とプ
ローブピン３２との接触圧を補正する（Ｓ２０）と共
に、試験チップ２１ａの傾きを補正する（Ｓ２１）の
で、短いプローブピン３２（全長１００μｍ程度）を用
いた場合でも、試験チップ２１ａの全てのパッド２２と
の接触圧を等しく最適な値に維持することができる。

【００９８】したがって、試験チップ２１ａの全てのパ
ッド２２とプローブピン３２とを安定した接触状態に保
ちながら、テスタ３４による試験チップ２１ａの試験
を、高周波領域においても精度良く行うことができる。
そして、テスタ３４から試験終了を知らせる信号が入力
されると（図１１のＳ２２）、制御部６０は試料台１２
をＺ方向に下降させる（図１１のＳ２３）。

【００９９】以上説明したように、本実施形態のプロー
ブ装置１０によれば、試料台１２の側面に取り付けたＸ
軸移動鏡１７，Ｙ軸移動鏡１８と、これらに対向して設
けたＸ軸コリメータ２７，Ｙ軸コリメータ２８とによ
り、常に試料台１２の傾きθｙｓ，θｘｓを検出し、基
準の傾きθｘｓｏ，θｙｓｏからずれないように補正す
ることができる。したがって、試験チップ２１ａの水平
に対する傾きθｘａ，θｙａを一定に保つことができ
る。

【０１００】さらに、試料台１２の基準の傾きθｘｓ
ｏ，θｙｓｏを、試験チップ２１ａの上面１２ｂに対す
る傾きθｘｃ，θｙｃと、ピン先端面３２ａの水平に対
する傾きθｘｐ，θｙｐとの差（θｘｃ−θｘｐ，θｙ
ｃ−θｙｐ）に基づいて定めているので、ウェーハ２０
の取り付け時に全体的な傾きが発生したり、ウェーハ２
０自体やウェーハホルダ１１のうねり，反り，たわみな
どが生じたりしている場合でも、試験チップ２１ａとピ
ン先端面３２ａとを平行に保つことができる。

【０１０１】また、プローブピン３２とパッド２２との
接触時に発生する試料台１２の傾きθｙｓ，θｘｓの変
化量は、プローブピン３２の本数や配置（パッド２２の
個数や配置）、試験チップ２１ａの位置（Ｘテーブル１
４やＹテーブル１５の位置）、接触後の押し上げ量、ま
たはウェーハ２０の温度などによって異なるが、本実施
形態のプローブ装置１０では、そのときの試料台１２の
傾きを直接検出し、リアルタイムで傾き補正値を取得す
るので、半導体チップ２１の種類や試験条件に関わら
ず、ウェーハ２０上の全ての半導体チップに対して正確
かつ確実に試験を行うことができる。

【０１０２】さらに、プローブ装置１０では、試験チッ
プ２１ａとピン先端面３２ａとの平行を維持しながら試
料台１２をＺ方向に上昇させるので、パッド２２とプロ
ーブピン３２の先端とを接触させたのちの押し上げ時、
プローブピン３２の先端がパッド２２の表面上で位置ず
れを起こしたり、プローブピン３２とパッド２２との接
触圧が部分的に強くなったりすることがない。したがっ
て、パッド２２の表面がプローブピン３２の先端によっ
て損傷することを防止できる。

【０１０３】また、プローブピン３２の先端がパッド２
２からはみ出すことはないため、ＬＳＩの微細化に伴
い、パッド２２サイズが小さくなったり、パッド２２相
互の間隔が狭くなっても、プローブピン３２の先端どう
しが接触して短絡する可能性はない。さらに、プローブ
装置１０では、実際の試験に先立って予め求めておいた
試験チップ２１ａのＸＹ方向の位置ずれ量を加味して、
Ｘステージ１４およびＹステージ１５を駆動制御するの
で、ウェーハ２０全体のＸＹ方向の取り付け位置のずれ
や、ウェーハ２０自体の伸びなどが生じている場合で
も、試験チップ２１ａの各パッド２２とプローブカード
３０の各プローブピン３２の先端とを確実に対向させて
位置合わせすることができる。

【０１０４】このため、将来プローブピンの取り付け密
度が高くなると共に、パッドの大きさが小さくなって
も、パッドとプローブピンとの位置関係を一定に保ち、
パッドとプローブピンとを確実に接触させることができ
る。

【０１０５】また、プローブ装置１０では、３つのＺ駆
動部４１〜４３のうち、試験チップ２１ａに最も近い箇
所に設けられたＺ駆動部を基準Ｚ駆動部として選択する
ので、ウェーハ２０上の何れの半導体チップ２１が試験
チップ２１ａとなっても、接触後の押し上げ量を厳密に
計測できると共に、プローブピンとパッドとの接触圧を
効率よく補正することができる。

【０１０６】さらに、プローブ装置１０では、３つの荷
重センサ５５〜５７のうち、試験チップ２１ａに最も近
い箇所に設けられた荷重センサを基準荷重センサとして
選択するので、ウェーハ２０上の何れの半導体チップ２
１が試験チップ２１ａとなっても、プローブピンとパッ
ドとが接触したときのＺ位置、および試験中における接
触圧の変化を正確に検出することができる。

【０１０７】また、プローブ装置１０では、試料台１２
をＺ方向に上昇させながら、プローブピン３２とパッド
２２とが接触するＺ位置を監視するので、ウェーハ２０
のうねりなどによって半導体チップ２１の高さ（Ｚ座
標）がまちまちでも、接触してからの押し上げ量をμｍ
オーダーで厳密に管理することができる。したがって、
ウェーハ２０上の何れの半導体チップ２１に対しても、
プローブピン３２とパッド２２との接触圧を最適な値に
統一させることができる。

【０１０８】その結果、ウェーハ２０上の全ての半導体
チップ２１，２１，…に対して、電気的特性や回路機能
の試験を高精度に行うことができる。さらに、プローブ
装置１０では、試料台の傾き補正や、パッドとプローブ
ピンとの接触圧補正などを常時行うので、Ｘステージ１
４やＹステージ１５として直進性が高精度なものを用い
る必要がなく、ステージ製作コストを低減できる。

【０１０９】なお、上述した実施形態では、半導体チッ
プ２１の高周波領域での試験を行えるように、全長１０
０μｍ程度の短いプローブピン３２を用いて試験する場
合（短ピン化）を例に挙げて説明したが、本発明は、全
長２ｍｍ〜３ｍｍ程度の長いプローブピンを用いる場合
に適用しても効果的である。

【０１１０】すなわち、長いプローブピン（全長２ｍｍ
〜３ｍｍ程度）を用いた場合でも、その取り付け本数を
多くしたり（多ピン化）、取り付け密度を高くしたり
（高密度化）すると、プローブピンとパッドとの接触に
よって発生する試料台の傾きが増大し、プローブピンの
たわみによって吸収できなくなるため、上述した試料台
の傾き補正や、パッドとプローブピンとの接触圧補正な
どを行うことで、プローブピンとパッドとの接触状態を
良好に維持しながら精度良く試験を行うことができる。

【０１１１】また、上述した実施形態では、試料台１２
の傾きθｙｓ，θｘｓをＸ軸移動鏡１７，Ｙ軸移動鏡１
８，Ｘ軸コリメータ２７，Ｙ軸コリメータ２８により検
出する例を説明したが、Ｘ軸コリメータ２７，Ｙ軸コリ
メータ２８に代えて、それぞれの移動鏡の傾きであるピ
ッチングを計測できるＸ軸干渉計，Ｙ軸干渉計を設けた
場合でも、同様に試料台１２の傾きθｙｓ，θｘｓを検
出することができる。

【０１１２】また、Ｘ軸移動鏡１７，Ｙ軸移動鏡１８，
Ｘ軸コリメータ２７，Ｙ軸コリメータ２８に代えて、複
数の非接触の近接センサを試料台１２の上方に配置し、
各近接センサにて試料台１２の上面１２ｂとの距離を計
測することにより、試料台１２の傾きθｙｓ，θｘｓを
検出してもよい。さらに、上述した実施形態では、各半
導体チップ２１の傾きθｘｃ，θｙｃを算出するに当た
り、顕微鏡２５を用いてウェーハ２０上のアライメント
マークを観察し、アライメントマーク位置でのウェーハ
２０のＺ座標を検出する例を説明したが、ウェーハ２０
をウェーハホルダ１１上に保持させる前に測定したウェ
ーハホルダ１１のうねりに基づいて各半導体チップ２１
の傾きθｘｃ，θｙｃを算出してもよい。

【０１１３】また、上述した実施形態では、試料台１２
の下面１２ａに取り付けた荷重センサ５５〜５７によっ
てプローブピンとパッドとの接触位置を検出する例を説
明したが、この接触位置は、Ｚ駆動部４１〜４３のサー
ボモータ４８の負荷状態をモニタリングすることにより
検出することもできる。さらに、上述した実施形態で
は、試験チップ２１ａに応じてＺ駆動部４１〜４３のう
ち１つを選択すると共に、荷重センサ５５〜５７のうち
１つを選択して制御に用いる例を説明したが、試験チッ
プ２１ａによらず基準Ｚ駆動部や基準荷重センサを固定
にしてもよい。

【０１１４】また、上述した実施形態では、半導体チッ
プごとに１つずつ試験を行う例を説明したが、本発明
は、複数の半導体チップを同時に試験する場合に適用で
きる。この場合、プローブカードとして、複数の半導体
チップに形成されたパッドに対応する配置でプローブピ
ンが形成されたマルチプローブをカードホルダに取り付
けて行うことになる。

【０１１５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜請求項
９に記載の発明によれば、プローブピンの多ピン化や高
密度化または短ピン化を図った場合でも、ウェーハ上の
半導体チップに形成されたパッドとプローブピンとの接
触状態を均一に保つことができるため、半導体チップの
電気的特性や回路機能などの試験をウェーハ状態で確実
に行うことができる。その結果、半導体チップに対する
試験の信頼性が向上する。また、試験効率の向上や生産
性の向上、さらには半導体チップの微細化にも寄与でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態のプローブ装置１０の構成を示す図
である。

【図２】ウェーハ２０および半導体チップ２１を説明す
る図である。

【図３】プローブカード３０を説明する図である。

【図４】Ｚレベリングステージ１３を説明する図であ
る。

【図５】Ｚ駆動部４１を説明する図である。

【図６】Ｘ軸コリメータ２７を説明する図である。

【図７】荷重センサ５５〜５７を説明する図である。

【図８】ピン先端面３２ａの傾きを示す図である。

【図９】半導体チップ２１の傾きを示す図である。

【図１０】プローブ装置１０を用いた試験動作を説明す
るフローチャートである。

【図１１】プローブ装置１０を用いた試験動作を説明す
るフローチャートである。

【図１２】プローブ装置１０を用いた試験動作を説明す
るフローチャートである。

【図１３】試験チップ２１ａのパッド２２とプローブピ
ン３２との位置関係および傾きを補正したあとの状態を
示す図である。

【図１４】試験チップ２１ａと荷重センサ５５〜５７と
の位置関係を示す図である。

【図１５】試験チップ２１ａのパッド２２とプローブピ
ン３２とが接触した状態を示す図である。

【図１６】従来のプローブ装置７０の構成を示す図であ
る。

【図１７】プローブピン８２とパッド８３とが接触した
後の押し上げを説明する図である。

【図１８】プローブピン８２とパッド８３との接触によ
り試料台７４が傾いた状態を説明する図である。

【図１９】ウェーハ７２の表面のうねり状態を示す図で
ある。

【図２０】半導体チップ７１ごとに高さが異なる状態を
説明する図である。

【図２１】短いプローブピン８６を用いた場合の問題点
を説明する図である。

【図２２】短いプローブピン８６を用いた場合の問題点
を説明する図である。

【符号の説明】

１０，７０プローブ装置１１，７３ウェーハホルダ１２，７４試料台１３Ｚレベリングステージ１４Ｘステージ１５Ｙステージ１６ステージベース１７Ｘ軸移動鏡１８Ｙ軸移動鏡１９基準マーク２０，７２ウェーハ２１，７１半導体チップ２２，８３パッド２５，３５顕微鏡２７Ｘ軸コリメータ２８Ｙ軸コリメータ３０，７６プローブカード３１カードホルダ３２，８２，８６プローブピン３３，８１カード基板３４，７７テスタ４１〜４３Ｚ駆動部４６下部傾斜部材４７上部傾斜部材４８サーボモータ４９ローラ５１レンズ５２光源５３ハーフミラー５４ディテクタ５５〜５７荷重センサ５８保持枠５９歪みゲージ６０制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G011 AA02 AA17 AC06 AC14 AE03 2G032 AA00 AE04 AF02 AL03 4M106 AA01 AA02 BA01 BA14 DD05 DD06 DD12 DD13 DJ01 DJ03 DJ04 DJ05 DJ07 9A001 GG01 HZ34 JZ45 KK37 KZ54 LL05 LZ05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウェーハ上の半導体チップに形成された
複数のパッドに対し、複数のプローブピンを接触させ
て、前記半導体チップの電気的特性を試験するプローブ
装置であって、前記ウェーハが載置される載置手段と、前記載置手段を傾斜可能に支持する支持手段と、前記載置手段の傾きを検出する傾き検出手段と、前記傾き検出手段による検出結果に基づいて前記支持手
段を駆動し、前記載置手段の傾きを所定の傾きに保つ制
御を行う傾き制御手段とを備えたことを特徴とするプロ
ーブ装置。
【請求項２】請求項１に記載のプローブ装置におい
て、前記傾き制御手段は、前記載置手段に載置されたウェー
ハの前記複数のパッドによって形成される面の傾きを、
前記複数のプローブピンの先端によって形成される面の
傾きに一致させる制御を行うことを特徴とするプローブ
装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載のプロー
ブ装置において、前記傾き検出手段は、前記載置手段に設けられた反射鏡
面と、前記反射鏡面の倒れ角を測定するコリメータとを
有することを特徴とするプローブ装置。
【請求項４】請求項１または請求項２に記載のプロー
ブ装置において、前記傾き検出手段は、前記載置手段に設けられた反射鏡
面と、前記反射鏡面の倒れ角を測定する干渉計とを有す
ることを特徴とするプローブ装置。
【請求項５】請求項１から請求項４の何れか１項に記
載のプローブ装置において、前記載置手段を前記パッドと前記プローブピンとの接離
方向に移動させる移動手段と、前記パッドに対する前記プローブピンの接触によって加
わる荷重を検出する荷重検出手段と、前記荷重検出手段によって検出される荷重と所定の荷重
とのずれ量を算出し、該ずれ量に基づいて前記移動手段
を駆動することにより、前記接触によって加わる荷重を
補正する荷重補正手段とを備えたことを特徴とするプロ
ーブ装置。
【請求項６】請求項５に記載のプローブ装置におい
て、前記荷重検出手段は、前記載置手段の少なくとも３箇所
で荷重を検出することを特徴とするプローブ装置。
【請求項７】請求項６に記載のプローブ装置におい
て、前記荷重補正手段は、前記荷重検出手段が荷重を検出す
る位置と試験対象の半導体チップの位置との相対位置に
応じて、前記移動手段の駆動量を制御することを特徴と
するプローブ装置。
【請求項８】請求項５から請求項７の何れか１項に記
載のプローブ装置において、前記荷重検出手段は、複数の歪みゲージを有することを
特徴とするプローブ装置。
【請求項９】ウェーハ上の半導体チップに形成された
複数のパッドに対し、複数のプローブピンを接触させ
て、前記半導体チップの電気的特性を試験するプローブ
装置であって、前記ウェーハが載置される載置手段と、前記載置手段を前記パッドと前記プローブピンとの接離
方向に直交する面内で移動させる面内移動手段と、前記ウェーハの伸びに応じた前記半導体チップの位置ず
れ量を算出し、該位置ずれ量を加味して前記面内移動手
段を駆動することにより、前記半導体チップを前記複数
のプローブピンに対向する地点に位置決めする位置決め
制御手段とを備えたことを特徴とするプローブ装置。