프로브 카드 조립체 document_id A220623065460

반도체 칩의 웨이퍼를 테스트하기 위하여 사용되는 최신 프로브 카드 조립체는 일반적으로 인쇄 회로 기판[Printed Circuit Board(PCB)][또한 인쇄 배선 기판(printed wiring board) 또는 프로브 카드 배선 기판이라고도 함], 웨이퍼와 접촉하기 위한 프로브를 갖는 프로브 접촉기 기판(probe contactor substrate)(때때로 프로브 헤드라고 함), 그리고 PCB를 프로브 접촉기 기판에 연결하는 인터포저(interposer)로 구성된다. 프로브(또한 프로브 접촉기라고도 함)는 일반적으로 수직 방향("z" 방향)으로 약간 제한된 범위의 유연성을 갖는 적어도 한 개의 스프링을 포함하는 유연한 기구이다. 몇몇의 프로브는 최소한의 유연성을 갖거나 유연성이 없다. 사용시에, 테스트 중인 웨이퍼는 프로브의 팁과 접촉하기 위해 상방으로 가압된다. 실제로, 프로브 접촉기 기판의 표면에 비틀림 또는 휨에 의해 야기되는 시스템적 z 에러(systemic z errors) 뿐만 아니라 필름 응력, 식각 제어, 조립 제어 등에 의해 야기되는 몇몇의 제조 공정과 관련된 z 에러(프로브 팁의 비평탄도)가 있다. 프로브 접촉기 기판이 휘거나 비틀린다면, (프로브들이 균일한 높이라고 가정하면) 팁을 관통하는 가상 표면이 존재할 것이다. 따라서, 몇몇의 프로브 팁은 웨이퍼와 먼저 접촉할 것이고[최초 접촉 z 높이(the first touch z height)라 불림], 몇몇의 프로브 팁은 웨이퍼와 마지막에 접촉할 것이다[최종 접촉 z 높이(last touch z height)]. 프로브는 일반적으로 제한된 범위의 유연성[많은 미세 가공 기술(microfabricated technologies)에서 50 마이크로미터(㎛) 이하만큼 작음]을 갖기 때문에, 팁 z 높이에서 공정 관련 z 에러 및 시스템적 z 에러 모두를 최소화하는 것이 바람직하다. 몇몇의 에러는 프로브 카드 조립체 설계가 아니라, 프로브 접촉기 기판상의 프로브의 제조와 가장 직접적으로 관련되어 있다. 그러나 몇몇의 에러는 프로브 카드 조립체와, 프로브 접촉기 기판 또는 기판들과 함께 PCB가 장착되는 방법과 대개 직접적으로 관련되어 있다. 이런 상기의 에러를 최소화하는 것이 본 발명의 주제이다. 이전의 프로브 카드 용례에서, 프로버는 테스트 중에 웨이퍼를 운반하는 척(chuck)의 표면에 대해 평탄화된 표면을 갖는다. 프로브 카드 PCB는 일반적으로 프로버의 이런 평탄화된 표면에 장착된다. 따라서, 그러한 모든 프로브 카드 조립체는 프로브 팁의 면(프로브 팁과 면 사이의 전체적인 제곱 평균근 z 에러를 최소화하는 최적합면)과 PCB의 면[PCB는 "기준면(reference plane)"으로 생각될 수 있다 프로브 팁이 PCB와 동일 평면상에 있는 경우, 척과도 동일 평면상에 있고, 따라서 테스트 중인 웨이퍼와도 동일 평면상에 있다] 사이의 잘 제어된 평행 관계를 필요로 한다. 그러한 설계는 테스트 중인 웨이퍼에 프로브의 더 균일한 접촉(최초 접촉 z 거리와 최종 접촉 z 거리 사이의 거리가 더 작음)을 초래할 것이다. 새로운 프로브 카드에서, 프로브 팁들은 전형적으로 어떤 형태의 운동 마운트(kinematic mounts)[테스트 장비 내로 프로브 카드의 정확하고 반복 가능한 기계식 도킹을 제공하고, 웨이퍼 척의 면과 평행 관계를 달성하기 위해 필요한 적어도 3 자유도(three degress of freedom)에 제약(constraint)을 제공하는 마운트를 설명하기 위해 여기에 사용됨]인 프로브 카드 상의 마운팅 점들(mounting points)을 기준으로 한다. 어느 실시예에서나, 웨이퍼 척의 면에 그 자체로 평행한 기준 면에 평행하도록 프로브 접촉기의 팁들을 정렬할 필요가 있다. 프로브 접촉기 기판이 프로브 카드 조립체[PCB, 연계된 스티프너 링(stiffener ring) 및/또는 다른 기계식 소자를 포함함]에 평면 방식으로 장착될 수 있는 두 가지의 통상적인 방법이 있다: 고정식 프로브 카드 조립체[Fixed Probe Card Assemblies (FPCAs)]와 조정 가능한 프로브 카드 조립체[Adjustable Probe Card Assemblies (APCAs)]. FPCAs는 설계의 단순함(이동 또는 조정 가능한 부분이 없음)과 상대적으로 낮은 비용을 제공한다. 그러나, 평행 관계에 필요한 기계 가공 공차는, 특히 대면적 프로브 카드의 경우, 달성하기 어려울 수 있다. 그러므로 실제로, 조립 중에 어느 정도의 조정 가능성을 제공하기 위하여 심들(shims)이 종종 사용된다. 실제적인 대안임에도 불구하고, 시밍(shimming)은 제조 환경에서 요구되는 공차(약 수 마이크론)에 정확하게 수행되기가 어렵다. 도1A에 도시되고 "버클링 비임 프로브를 갖는 프로브 접촉기"라는 제목의 미국 특허번호 제 3,806,801호에 설명된 바와 같이 FPCAs는 전형적인 "버클링 비임(Buckling Beam)" 조립체를 포함한다. 버클링 비임 조립체는 수직 버클링 비임 프로브 헤드, PCB, 그리고 프로브 헤드와 PCB 사이에 위치된 인터포저를 갖는다. 이런 경우에 인터포저는 기판을 PCB에 전기적으로 연결(터미널에서 터미널로)하는 솔더 볼(solder balls)의 어레이(array)를 포함하지만 스프링-핀(spring-pins)에 의해 인터포저가 PCB에 기판을 연결하는 다른 예시들이 본 기술 분야에 주지되어 있다. 다른 형태의 버클링 비임 프로브 카드에는, 인터포저가 없고 버클링 비임이 직접적으로 PCB의 터미널에 연결된다. 어느 형태의 버클링 비임 조립체에서나 표면이 평행하도록 헤드를 먼저 기계 가공하고, 그 후, 헤드와 PCB사이의 시밍에 의해 프로브 헤드가 PCB 표면에 평행하게 된다. 프로브 카드를 장착하고 프로브 팁을 마운트에 평행하게 연마(lapping)하는 것 또한 본 기술 분야에서 일반적으로 실시되고 있으나, 이 기술은 프로브 팁에 원하지 않는 손상을 도입하고 코팅된 프로브(기부 스프링 재료와 다른 재료로 얇게 코팅된 프로브)에는 실용적이지 않다. APCA는 본 기술 분야에 주지되어 있고, 작은 그룹의 조정 가능한 핀을 제공하는 것에서부터 카드의 기준면에 대해 제 위치에 조정 가능한 전체 프로브-지지(probe-bearing) 기판 패널 또는 조립체까지의 범위에 이른다. 한결같은 특성은 프로브 그룹들이 그들 사이에 전기적 접촉을 유지하는 동안 프로브 카드 기준 면에 대해 이동하기 위한 기구가 제공된다는 것이다. 조정 가능성의 장점은 평행 관계가 이용 간 또는 이용 중인 분야에서도 쉽게 달성될 수 있다는 것이다. 그러나 조정 가능성 또한 시간의 경과와 열 싸이클링(thermal cycling)에 따른 조정의 표류(drift), 상대적으로 복잡한 정밀 기계식 조립체에 필요한 비용 및 조립의 어려움을 포함하여 현저한 많은 단점들이 있다. 게다가, 조정 기구는 현저한 공간을 점유하고, 프로브의 인접 블록의 밀도를 제한할 수 있다. 도1B에 도시된 바와 같이, "프로브 카드 조립체의 프로브 소자의 팁을 평탄화하는 방법"이라는 제목의 미국 특허 번호 제 5,974,662호는 그러한 APCA를 설명하고, 프로브 카드 조립체의 기준면에 대해 프로브 팁의 조정을 구비한 프로브 카드를 제조하는 방법을 개시한다. 조립체는 방위가 조정될 수 있는 방법으로 프로브 카드에 장착된 공간 변형 기판(space transformer substrate)을 통합한다. 프로브 접촉기 기판을 PCB에 전기적으로 상호 연결하기 위해 직각의 스프링 인터포저가 사용되고 기판에 지지하는 차동 나사(differential screws)는 조정 가능성을 제공한다. 이런 특정한 설계는 특히 비용이 많이 들고, 조립하기 어려우며, 복잡하다. 또한, 조정 가능성을 달성하기 위해 필요한 매우 많은 기계식 부품들이 본질적으로 설계를 열적으로 불안정하게 한다. 몇몇의 경우에, PCB에 부착된 프로브 카드 기판(각각 복수의 프로브를 구비)의 다중 "타일들(tiles)"을 갖는 것이 바람직하다. 더 넓은 조립체 위에 프로브 카드 기판의 조립은 다양한 방법으로 성취될 수 있다. 본 조립체들의 대부분은 두 종류 중 하나에 속한다: 추가 정렬 없이 캐리어(carrier)에 기판이 개별적으로 고정되는 고정식 조립체; 조정 가능한 레벨링 기구(leveling mechanism) 상의 카드에 기판이 장착되는 정렬식 조립체. 고정식 조립체는 다양한 소자의 공차와, 서로에 대해 다양한 기판 상의 접점의 전체적인 공차를 조정하기 위해 사용되는 툴링(tooling)에 의존한다. 참고를 위해, 모든 세 직교 방향에서 양호한 공차는 약 +/- 5 마이크로미터(㎛)이고, 이는 고정식 조립체를 통해 달성하기 매우 어려운 숫자이다. 폼 팩터 인터내셔널(Form Factor International)에 양도된 미국 특허 공개 번호 제 20040163252호는 도2A에 도시된 바와 같은 고정식 조립체의 예시이다. 조정 가능한 조립체는 서로에 대해 기판을 정렬하기 위하여 완전한 6 자유도(sixdegrees of freedom)를 구비한 어떤 형태의 거시적으로 조정 가능한 마운트를 전형적으로 필요로 한다. 본 방법의 문제점은 마운트가 상대적으로 매우 커서(그래서, 프로브 카드에 제공된 종래의 외형에 맞지 않음) 번거롭고, 비용이 많이 들며, 불안정하다는 것이다(즉, 특히 열 편위(thermal excursions)에 노출된 때, 시간 함수로서 위치가 표류함). "석영 프로브 장치(Quartz Probe Apparatus)"라는 제목의 미국 특허 번호 제 5,091,694호는 도2B에 도시된 바와 같은, 조정 가능한 조립체의 예시이다. 따라서, 개선된 프로브 카드 조립체와 PCB 또는 그러한 프로브 카드 조립체의 기준면에 프로브 헤드(들)을 평탄화하는 덜 비싸지만 안정한 방법이 필요하다.