JP5886694B2 - カンチレバー型プローブとそれを備えるプローブカード又はプローブユニット - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の特性検査や液晶パネルの検査に用いられるカンチレバー型プローブと、それを備えるプローブカード又はプローブユニットに関する。

ウエハ上に形成された各種半導体素子の特性検査や液晶パネルの検査には、従来から、例えば特許文献１〜３に見られるように、カンチレバー型プローブを組み込んだプローブカードやプローブユニットが用いられており、近年では、検査対象素子における電極ピッチの狭小化に対応して、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いて、カンチレバー型プローブを製造する方法も種々提案されている（例えば、特許文献４、５参照）。

電極ピッチの狭小化に対応してカンチレバー型プローブを狭ピッチで配置するには、一つの方策として、個々のプローブの幅を狭くすることが考えられる。しかし、カンチレバー型プローブの幅を狭くして幅方向の厚みを薄くすると、針先部が片持ち梁状態で支持されている構造上、横方向からの力に対するプローブの抵抗力が弱くなってしまうという問題点がある。横方向からの力に対するカンチレバー型プローブの抵抗力が十分でない場合には、例えば、プローブへの電圧印加時に働くクーロン力や、コンタクト時に発生する横方向荷重によって、カンチレバー型プローブの針先部が変位し、場合によっては、隣接するプローブ同士が接触してショートしてしまうという不都合が発生する可能性がある。このため、従来は、カンチレバー型プローブの幅を狭くするには限界があり、狭ピッチ化にも限界があると考えられていた。

特開２０１２−１８１７６号公報 特開２０１１−１５３９９８号公報 特開２００８−１６４４２７号公報 特開２００７−２８５８０２号公報 特開２０１０−２８６３６０号公報

本発明は、上記従来のカンチレバー型プローブが有する欠点を解消するために為されたもので、横方向からの力に対する十分な抵抗力を有し、幅を狭くして、かつ狭ピッチで配置しても、クーロン力などによって隣接するプローブ同士が接触する恐れのないカンチレバー型プローブと、そのようなカンチレバー型プローブを複数配置してなるプローブ集合体、及び、そのようなカンチレバー型プローブ又はプローブ集合体を備えるプローブカード又はプローブユニットを提供することを課題とする。

上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明者らは、カンチレバー型プローブにおいて、針先部を片持ち梁状態に支持する連結部材を水平方向に膨らんだ経路をとおって針先部と本体部とを連結する形状の連結部材とし、その各経路における膨らみの方向を複数存在する連結部材間で互いに反対方向とすることによって、幅を狭くして幅方向の厚みを薄くしても横方向からの力に対する十分な抵抗力を有するカンチレバー型プローブが得られることを見出して、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、検査対象である半導体素子の電極と接触する接触針を有する針先部と、本体部と、前記針先部と前記本体部とを連結する少なくとも２本の連結部材とを有し、前記接触針の向きを下向きとしたときに、少なくとも２本の前記連結部材は上下方向に配置され、かつ、少なくとも２本の前記連結部材はそれぞれが水平方向に膨らんだ経路をとおって前記針先部と前記本体部とを連結しており、少なくとも２本の前記連結部材のうちの一方の前記経路における膨らみの方向と他方の前記経路における膨らみの方向とが反対方向であるカンチレバー型プローブを提供することによって、上記の課題を解決するものである。

本発明のカンチレバー型プローブは、針先部を片持ち梁状態に支持する少なくとも２本の連結部材のそれぞれが水平方向に膨らんだ経路をとおって針先部と本体部とを連結する形状を有しており、しかも、その経路における膨らみの方向が互いに反対方向であるので、同じ幅の直線状の連結部材で針先部を支持する場合に比べて横方向からの力に対する抵抗力が増し、カンチレバー型プローブの幅を狭くして狭ピッチで配置しても、クーロン力などによって隣接するプローブ同士が接触する可能性が著しく低減される。

なお、水平方向に膨らんだ経路をとおって針先部と本体部とを連結するとは、針先部と本体部とを最短距離の直線経路で連結するのではなく、前記直線経路を迂回する水平方向に膨らんだ経路をとおって、いわば弓なりに、前記針先部と本体部とを連結することをいう。斯かる水平方向に膨らんだ経路は、円弧や楕円弧などの曲線だけで構成されていても良いし、２本の直線を山形に組み合わせるなどした直線だけで構成されていても良く、さらには、曲線と直線の両方で構成されていても良い。また、前記水平方向に膨らんだ経路は、水平方向への膨らみを少なくとも１つ有していれば良く、１つの経路における膨らみの数は２以上であっても良い。

また、本発明は、上記本発明のカンチレバー型プローブを複数配置してなるプローブ集合体であって、前記接触針の向きを下向きとしたときに、各カンチレバー型プローブにおける前記連結部材の上下方向の位置が揃っており、かつ、上下方向の位置が同じである各前記連結部材においては前記経路の膨らみの方向が一致しているプローブ集合体を提供することによって、上記の課題を解決するものである。さらに本発明は、本発明のカンチレバー型プローブ、又は本発明のプローブ集合体を１又は複数個備えているプローブカード又はプローブユニットを提供することによって、上記課題を解決するものである。

本発明に係る上記のプローブ集合体、又はそれを備えるプローブカード若しくはプローブユニットにおいては、プローブ集合体を構成する各カンチレバー型プローブにおける連結部材の上下方向の位置と、膨らみの方向が一致しているので、水平方向に膨らんだ経路をとおって針先部と本体部とを連結する連結部材を有する本発明のカンチレバー型プローブを複数個、整列させて狭ピッチで配置することが可能である。

本発明によれば、カンチレバー型プローブの幅を狭くして幅方向の厚みを薄くしても、横方向荷重に対する抵抗力を確保することができるので、狭ピッチで配置しても、クーロン力などによって隣接するプローブ同士が接触する可能性が著しく低減されるという利点が得られる。また、本発明によれば、幅を狭くした複数のカンチレバー型プローブを、その連結部材における膨らみの位置と方向を一致させて狭ピッチで隣接配置することができるので、検査対象素子における電極の狭ピッチ化に対応したプローブ集合体、プローブカード、又はプローブユニットを実現することができるという利点が得られる。

本発明のカンチレバー型プローブの一例を示す正面図である。 図１のＸ−Ｘ’断面図である。 図１のＹ−Ｙ’断面図である。 図１の左側面図である。 横方向荷重と変位量との関係を表す図である。 本発明のカンチレバー型プローブを複数個配置してなるプローブカードの一例を示す側面図である。 図６のＸ−Ｘ’断面図である。 図６のＹ−Ｙ’断面図である。 本発明のカンチレバー型プローブの他の一例を示す正面図である。 図９のＸ−Ｘ’断面図である。 図９の左側面図である。 本発明のカンチレバー型プローブを複数個配置してなるプローブカードの他の一例を示す側面図である。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明が図示のものに限られないことは勿論である。

図１は、本発明のカンチレバー型プローブの一例を示す正面図である。図１において、１はカンチレバー型プローブ（以下、単に「プローブ」という。）、２はその針先部、３は本体部、４は針先部２と本体部３とを連結する連結部、５は針先部２に設けられた接触針である。プローブ１は、通常、本体部３においてプローブカード又はプローブユニットなどの基板６に取り付けられ、針先部２は、連結部４によって片持ち梁状態に支持されることになる。

本例において、連結部４は上下に間隔をあけて配置された３本の連結部材４ａ、４ｂ、４ｃで構成されている。なお、本明細書において上下とは、図１に示すように、接触針５が下向きになるようにプローブ１を配置したときの上下の方向をいい、水平方向とは前記上下の方向に対して水平の方向、すなわち、接触針５の向きと直交する方向をいうものとする。また、横方向とは、連結部材４ａ、４ｂ、４ｃの長手方向と直交する水平方向（図１においては紙面に垂直な方向）をいい、鉛直面とは水平方向と直交する面をいうものとする。

図２は図１のＸ−Ｘ’断面図、図３は図１のＹ−Ｙ’断面図である。図２及び図３において、４ａは上段の連結部材、４ｂは中段の連結部材、４ｃは下段の連結部材、Ａは針先部２と本体部３とを最短距離で結ぶ水平な直線を示している。通常、針先部２と本体部３とは同一直線上に位置しているので、直線Ａは、通常、針先部２の水平断面における長手方向の中心と、本体部３の水平断面における長手方向の中心とを結ぶ直線となり、直線Ａを含む鉛直面上には、接触針５の先端部と、符号Ｃで示す各連結部材４ａ、４ｂ、４ｃの支点が位置することになる。

図２及び図３に示すとおり、連結部材４ａ、４ｂ、４ｃは、いずれも針先部２と本体部３とを直線Ａに沿った最短距離の直線の経路で連結するのではなく、直線Ａを左右に迂回する水平方向に膨らんだ経路α、β、又はγをとおって、いわば弓なりに、針先部２と本体部３とを連結している。すなわち、連結部材４ａ、４ｂ、４ｃは、いずれも、針先部２から本体部３へと伸びる円弧状の曲線で構成されており、その中央部７ａ、７ｂ、７ｃにおいて連結部材４ａ、４ｂ、４ｃの長手方向と直交する水平方向に最も膨らんだ経路α、β、γをとおって針先部２と本体部３とを連結している。ただし、上段の連結部材４ａの経路αと下段の連結部材４ｃの経路γとは、その膨らみの方向が同じであるが、中段の連結部材４ｂの経路βは、その膨らみの方向が上段及び下段の連結部材４ａ、４ｃの経路α及びγにおける膨らみの方向とは反対である。

図４は図１の左側面図である。図４に示すとおり、上段及び下段の連結部材４ａ、４ｃは水平方向左向きに膨らんでいるが、中段の連結部材４ｂは、それとは反対の水平方向右向きに膨らんでいる。このように、本例のプローブ１においては、３本存在する連結部材４ａ、４ｂ、４ｃは、水平方向に膨らむ経路α、β、γをとおって針先部２と本体部３とを連結しており、そのうちの連結部材４ａ、４ｃの経路α及びγにおける膨らみの方向と連結部材４ｂの経路βにおける膨らみの方向とが反対方向であるので、プローブ１における力の作用点である接触針５の位置に横方向の力が作用しても、プローブ１はこれらの力に対してよく抵抗し、支点Ｃを中心とするプローブ１の左右方向への変位量は極めて小さい。

図５は、図１に示す形状の本発明のプローブ１に横方向荷重を掛けた場合の荷重と変位量との関係をコンピュータシュミレーションによって求めた図である。ただし、プローブ１の幅は１５μｍ、連結部材４ａ、４ｂ、４ｃの水平方向への膨らみ量はいずれも４０μｍとし、横方向荷重は針先部２における接触針５の上方で中段の連結部材４ｂの上下方向中央の位置と同じ高さとなる位置に作用させた。対照として、連結部材４ａ、４ｂ、４ｃをいずれも水平方向に膨らみをもたない直線状部材とした以外は上記本発明のプローブ１と同形、同大のプローブについて、同様に荷重と変位量の関係をコンピュータシュミレーションによって求め、結果を図５に併せて示した。

図５に示すとおり、連結部材４ａ〜４ｃが水平方向への膨らみを持たない従来のプローブにおいては、０．０２ｇの横方向荷重で、プローブの幅である１５μｍを超える約１８μｍの変位が生じた。これに対し、連結部材４ａ〜４ｃが水平方向への膨らみを有する本発明のプローブにおいては、０．０２ｇの横方向荷重では約９μｍしか変位せず、プローブ幅よりも遙かに小さな変位量であった。また、本発明においては、横方向荷重に対する変位量を従来のプローブの約１／２に抑えられた。このように本発明のプローブは、幅を狭くして幅方向の厚みを薄くした場合でも、横方向荷重に対する変位量が小さく、狭ピッチ化に適した優れたプローブである。

なお、本例のプローブ１においては、連結部材４ａ、４ｂ、４ｃは、それぞれの中央部７ａ、７ｂ、７ｃにおいて最も水平方向左右に膨らんでおり、かつ、連結部材４ａと連結部材４ｂ、及び連結部材４ｂと連結部材４ｃとは直線Ａを含む鉛直面に対して面対称であるが、場合によっては、連結部材４ａ、４ｂ、４ｃは中央部７ａ、７ｂ、７ｃ以外の箇所で最も水平方向左右に膨らんでいても良く、直線Ａを含む鉛直面に対して面対称でなくても良い。さらには、本例のプローブ１においては、連結部材４ａ、４ｂ、４ｃの上下方向の厚さは等しいが、連結部材４ａ、４ｂ、４ｃはその上下方向の厚さがそれぞれ異なっていても良い。

また、本例のプローブ１においては、連結部４を構成する連結部材が３本であり、そのうちの中段に位置する連結部材４ｂの水平方向への膨らみの向きがその上下に位置する他の２本の連結部材４ａ、４ｃと反対であるが、上段又は下段の連結部材４ａ又は４ｃの水平方向への膨らみの向きを他の２本の連結部材の水平方向への膨らみの向きと反対になるようにしても良い。ただし、中段に位置する連結部材４ｂの水平方向への膨らみの向きを上下に位置する他の２本の連結部材４ａ、４ｃの水平方向への膨らみの向きと反対にする場合には、針先部２の上部又は下部に横方向の力が作用した場合でも、プローブ１が水平軸のまわりに捻れることが少なく、好適である。

図６は、図１〜図４に示したプローブ１を複数個配置してなるプローブカードの一例を示す左側面図である。図６において、８はプローブカードであり、プローブカード８の基板６には、複数個のプローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・が取り付けられている。複数個のプローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・は互いに同形、同大であり、プローブ集合体９を形成している。なお、図６では、７個のプローブ１_ｋ〜１_ｑしか示していないけれども、プローブカード８に装着されるプローブ１の数が７個に限られないことはいうまでもない。

プローブ集合体９を構成する各プローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・は互いに同形、同大であるので、連結部材４ａ_ｋ、４ａ_ｌ、４ａ_ｍ・・・の上下方向位置はいずれも同じ高さに揃っており、連結部材４ｂ_ｋ、４ｂ_ｌ、４ｂ_ｍ・・・及び連結部材４ｃ_ｋ、４ｃ_ｌ、４ｃ_ｍ・・・についても同様である。また、連結部材４ａ_ｋ、４ａ_ｌ、４ａ_ｍ・・・の膨らみの方向は各プローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・において一致しており、連結部材４ｂ_ｋ、４ｂ_ｌ、４ｂ_ｍ・・・及び連結部材４ｃ_ｋ、４ｃ_ｌ、４ｃ_ｍ・・・についても、その膨らみの方向は一致している。したがって、複数個のプローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・を狭ピッチで隣接配置しても、連結部材４ａ_ｋ、４ａ_ｌ、４ａ_ｍ・・・、連結部材４ｂ_ｋ、４ｂ_ｌ、４ｂ_ｍ・・・、又は連結部材４ｃ_ｋ、４ｃ_ｌ、４ｃ_ｍ・・・の膨らみ部分が互いに接触することはなく、本例のプローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・は狭ピッチで隣接配置することが可能である。

図７は図６のＸ−Ｘ’断面図、図８は図６のＹ−Ｙ’断面図である。図７及び図８に示すように、プローブ集合体９を構成する複数個のプローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・において、連結部材４ａ_ｋ、４ａ_ｌ、４ａ_ｍ・・・の水平方向への膨らみの方向は同じであり、また、連結部材４ｂ_ｋ、４ｂ_ｌ、４ｂ_ｍ・・・の水平方向への膨らみの方向も同じである。同様に、図７及び図８には示されていないけれども、連結部材４ｃ_ｋ、４ｃ_ｌ、４ｃ_ｍ・・・の水平方向への膨らみの方向も同じである。このように本発明のプローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・は互いに隣接させて狭ピッチで配置することが可能であり、また、前述したとおり、横方向荷重に対しても十分な抵抗力を有している。したがって、本発明のプローブを複数個、隣接配置してなるプローブ集合体、プローブカード、又はプローブユニットは、検査対象素子における電極の狭ピッチ化に対応したプローブ集合体、プローブカード、又はプローブユニットとして好適である。

図９は、本発明のプローブの他の一例を示す正面図であり、図１０は図９におけるＸ−Ｘ’断面図である。図９に示すとおり、本例のプローブ１においては、連結部４は、上下に２段に間隔をあけて配置された２本の連結部材４ａ、４ｂで構成されている。２本の連結部材４ａ、４ｂは、図１０に示すとおり、いずれも針先部２と本体部３とを直線Ａに沿った最短距離の直線の経路で連結するのではなく、直線Ａを左右に迂回する水平方向に膨らんだ経路α又はβをとおって、いわば弓なりに、針先部２と本体部３とを連結している。

また、本例のプローブ１においては、連結部材４ａ、４ｂの経路α及びβは円弧ではなく２本の直線で構成されている。すなわち、連結部材４ａ、４ｂは、いずれも、針先部２から水平面内で斜めに伸びる直線部分４ａ_１、４ｂ_１と、同じく本体部３から水平面内で斜めに伸びる直線部分４ａ_２、４ｂ_２とが、それぞれ連結部材４ａ、４ｂの中央で繋がり、中央部７ａ、７ｂが図中矢印で示すように水平方向に膨らんだ形状をしている。つまり、連結部材４ａ、４ｂは、２本の直線から構成され、かつ、その中央部７ａ、７ｂにおいて連結部材４ａ、４ｂの長手方向と直交する水平方向に最も膨らんだ経路α又はβをとおって針先部２と本体部３とを連結している。ただし、上側の連結部材４ａの経路αと下側の連結部材４ｂの経路βとは、その膨らみの方向が反対である。

図１１は図９の左側面図である。図１１に示すとおり、上側の連結部材７ａは図中左側に向かって膨らんでいるのに対し、下側の連結部材７ｂは図中右側に向かって膨らんでおり、両者の水平方向の膨らみの向きは反対方向である。このため、プローブ１における力の作用点である接触針５の位置に横方向の力が作用しても、プローブ１はこれらの力に対してよく抵抗し、支点Ｃを中心とするプローブ１の左右方向への変位量は極めて小さい。

図１２は、図９〜図１１に示したプローブ１を複数個配置してなるプローブカードの一例を示す左側面図である。図６において、８はプローブカードであり、プローブカード８の基板６には、複数個のプローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・が取り付けられている。本例のプローブカード８においても、プローブ集合体９を構成する複数個のプローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・は互いに同形、同大であるので、各プローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・における連結部材４ａ_ｋ、４ａ_ｌ、４ａ_ｍ・・・の上下方向位置は同じ高さに揃っており、連結部材４ｂ_ｋ、４ｂ_ｌ、４ｂ_ｍ・・・の上下方向の位置も同じ高さに揃っている。また、各プローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・における連結部材４ａ_ｋ、４ａ_ｌ、４ａ_ｍ・・・及び連結部材４ｂ_ｋ、４ｂ_ｌ、４ｂ_ｍ・・・の膨らみの方向も、それぞれ一致している。したがって、複数個のプローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・を隣接配置しても、連結部材４ａ_ｋ、４ａ_ｌ、４ａ_ｍ・・・又は連結部材４ｂ_ｋ、４ｂ_ｌ、４ｂ_ｍ・・・の膨らみ部分が互いに接触することはなく、本例のプローブ１_ｋ、１_ｌ、１_ｍ・・・は狭ピッチで隣接配置することが可能である。

なお、以上説明した例においては、連結部材４ａ等の経路α、β、γにおける水平方向への膨らみの数は１つであるが、各経路における膨らみの数は１つに限られず、２つであっても良く、３つ以上であっても良い。また、膨らみの位置も、最も膨らんだ位置が連結部材４ａ等における中央部から外れた位置にあっても良い。さらに、以上説明した例においては、連結部材４ａ等の経路α、β、γは曲線又は直線で構成されているが、曲線と直線とを組み合わせて経路α、β、γを構成しても良い。また、以上説明した例においては、連結部材の本数は３本又は２本であるが、連結部材の本数を４本以上としても良いことは勿論である。

以上説明したような本発明のプローブ１は、適宜の方法で製造することができるが、好適には、例えば、特許文献４、５に見られるような、半導体製造技術を応用した微細加工技術によって製造することができる。

本発明のカンチレバー型プローブによれば、狭小ピッチ化に対応してプローブの幅を狭くした場合でも、横方向荷重に対する抵抗力を確保することができるので、複数のカンチレバー型プローブを互いに隣接させて狭ピッチで配置することが可能である。したがって、本発明のカンチレバー型プローブを用いることによって、検査対象素子における電極の狭ピッチ化に好適に対応したプローブ集合体、プローブカード、又はプローブユニットを実現することができる。本発明は、各種半導体素子の検査技術の分野において多大なる貢献を為すものであり、大いなる産業上の利用可能性を有するものである。

１ カンチレバー型プローブ
２ 針先部
３ 本体部
４ 連結部
４ａ、４ｂ、４ｃ 連結部材
５ 接触針
６ 基板
７ａ、７ｂ、７ｃ 中央部
８ プローブカード
９ プローブ集合体
α、β、γ 連結部材の経路

Claims (4)

1. 検査対象である半導体素子の電極と接触する接触針を有する針先部と、本体部と、前記針先部と前記本体部とを連結する少なくとも２本の連結部材とを有し、前記接触針の向きを下向きとしたときに、少なくとも２本の前記連結部材は上下方向に配置され、かつ、少なくとも２本の前記連結部材はそれぞれが水平方向に膨らんだ経路をとおって前記針先部と前記本体部とを連結しており、少なくとも２本の前記連結部材のうちの一方の前記経路における膨らみの方向と他方の前記経路における膨らみの方向とが反対方向であるカンチレバー型プローブ。
2. 前記経路が曲線及び／又は直線で構成されている請求項１記載のカンチレバー型プローブ。
3. 請求項１又は２に記載のカンチレバー型プローブを複数配置してなるプローブ集合体であって、前記接触針の向きを下向きとしたときに、各カンチレバー型プローブにおける前記連結部材の上下方向の位置が揃っており、かつ、上下方向の位置が同じである各前記連結部材においては前記経路の膨らみの方向が一致しているプローブ集合体。
4. 請求項１又は２に記載のカンチレバー型プローブ、又は請求項３に記載のプローブ集合体を１又は複数個備えているプローブカード又はプローブユニット。

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