ウェハテストの処理シーケンスを完全解説|プローバの扉の内側で1枚のウェハに起きていること
「工程シーケンス解説」では、工程から工程へ渡っていくウェハの旅(マクロの流れ)を全7回で追いました。今回から始まる新シリーズ「装置の中のシーケンス」は、視点をぐっと近づけます——1台の装置の扉の内側で、1枚のウェハに何が起きているのか。
第1回はウェハテスト。プローバという装置が、ウェハを受け取り、位置を合わせ、数千本の針を当てて全チップを試験するまでの一部始終です。プローバとテスタの役割分担は「プローバとテスタの違い」で解説済みなので、本記事は動きのシーケンスに徹します。
全体像 — 人間なら「置くだけ」、装置は数十の確認動作
ロード → 搬送 → プリアライメント → チャック固定・温度安定 →
アライメント(2つのカメラ) → コンタクト → テスト&インデックス送り → アンロード
(良品マップ完成)
人間がウェハを台に置くなら数秒です。しかしプローバは、その「置く」の前後に位置・向き・温度・針先の確認動作を何十も挟みます。ミクロン単位のパッドに針を当てる精度は、この地道な確認の積み重ねでしか出せないのです。
ステップ①: ロード — 扉の前の点呼
ウェハはFOUP(密閉搬送容器)やカセットに収まった状態でロードポートにセットされます。装置はまずマッピングセンサーで棚を走査し、「何段目に何枚、斜め挿しや2枚重ねはないか」を点呼。異常な収納状態のまま搬送を始めれば、ロボットがウェハを割る事故につながるからです。
ステップ②: 搬送 — ウェハの「持ち方」は3種類
搬送ロボットのアームがウェハを取り出します。実はこの「持ち方」が奥深いポイントです。
- 真空吸着: 裏面を吸い付ける最も基本の方式。確実だが、裏面に接触する
- ベルヌーイチャック: 気流を吹き出すと中央部が負圧になるベルヌーイの原理を使い、ほぼ非接触で浮かせて保持する方式。バックグラインドで紙より薄くなったウェハ(後工程シーケンスの記事参照)のように、吸着の力すら変形につながる相手に使われる
- エッジグリップ: 外周だけをつまみ、表裏どちらにも触れない方式
薄化・大口径化が進むほど、ウェハは「割れ物」から「濡れた紙」に近づいていきます。搬送方式の進化は、ウェハが繊細になっていく歴史そのものです。
ステップ③: プリアライメント — 向きと中心を整える
取り出されたウェハは、まずプリアライナーで回転させられます。外周のセンサーがノッチ(切り欠き)やオリエンテーションフラットを検出し、結晶方位の向きを揃えるとともに、中心のずれ(偏心)を測って補正。「だいたい合っている」状態を作ってから精密ステージに渡す、二段構えの前半です。
ステップ④: チャック固定と温度制御 — ステージは「動く恒温台」
ウェハは検査ステージの真空チャックに固定されます。ここで重要なのが温度。車載半導体などは-40℃の低温から150℃級の高温まで、実使用環境を模した温度で試験されるため、チャック自体が冷却・加熱機構を持つ恒温台になっています。
温度が変わればウェハもステージも熱膨張します。300mmウェハではミクロン単位の伸縮が起きるため、温度が安定するのを待ち、膨張分を補正してから次の位置合わせに進みます。焦って針を当てれば、パッドの隣を突くことになるのです。
ステップ⑤: アライメント — 「ウェハを見る目」と「針を見る目」
いよいよ本番の位置合わせです。プローバには2種類のカメラが載っています。
- 上から見る目: ウェハ上のパッドやアライメントマークをカメラで画像認識し、チップの並びの正確な座標と回転ずれを割り出す
- 下から見る目: ステージ側のカメラがプローブカードの針先そのものを見上げ、数千本の針の位置と高さを実測する
ウェハの座標系と針の座標系——2つの地図を重ね合わせることで、初めて「どのパッドに、どの針が、どれだけ動けば当たるか」が計算できます。針の集合体であるプローブカードの世界は「プローブカードとは?」で詳しく解説しています。
ステップ⑥: コンタクト — 当てて、少し押し込み、擦る
ステージが上昇し、パッドに針が触れます。ただし「触れて終わり」ではありません。接触後さらに数十μm押し込むオーバードライブをかけ、針をたわませて適正な針圧を確保。このとき針先がパッド表面をわずかに滑り(スクラブ)、表面の酸化膜を擦り破って確実な電気接触を作ります。押し込みが浅ければ接触不良で良品を不良と誤判定、深すぎればパッドや針を傷める——ミクロン単位のさじ加減です。
ステップ⑦: テストとインデックス送り — 数千回のタッチダウン
接触が取れたら、テスタ(アドバンテストらの領分)が信号を流してチップの動作を判定します。1回の接触(タッチダウン)で試験できるのはプローブカードが覆う範囲だけ。終わればステージが次の位置へインデックス送りし、再びコンタクト——これを繰り返して全チップを巡回します。
タッチダウン回数はそのまま検査時間とコストになるため、一度に何チップ同時に測れるか(同時測定数)が生産性の勝負どころ。メモリでは数百〜千個規模のチップを一括で測る大規模同時測定が当たり前になっています。
ステップ⑧: アンロード — 良品マップの誕生
全チップの判定が終わると、ウェハは搬送ロボットで元のFOUPへ戻ります。手元に残るのは、チップごとの合否を記録した良品マップ。これがダイボンダに引き継がれ、「良品だけを拾って載せる」後工程の大原則(後工程シーケンス)を支えます。プローバの扉の内側で起きていたのは、後工程全体の航海図づくりだったのです。
調べていて印象に残ったのは、「針を見るためのカメラ」の存在です。ウェハだけでなく、自分の指先まで実測してから仕事にかかる——この謙虚さというか、思い込みで動かない設計思想が、ミクロンの精度の正体なのだと思います。
人間なら数秒の「置いて、当てる」に、装置は数十の確認を挟む。新シリーズでは、この扉の内側の几帳面さを覗いていきます。
— semisouchi.com 編集室
よくある質問
Q. ベルヌーイチャックはなぜ非接触で持てるのですか?
A. ノズルから気流を吹き出すと、流速の速い部分の圧力が下がる「ベルヌーイの原理」で、ウェハとの隙間に負圧が生まれます。吹いているのに吸い寄せられる——気流の反発と釣り合って、触れずに浮いた状態で保持できるのです。薄化ウェハや高温のウェハに有効です。
Q. なぜ-40℃や150℃で試験するのですか?
A. 半導体は温度で特性が変わり、常温では現れない不良が高温・低温で顕在化するからです。特に車載用途は炎天下からの酷寒地まで動作保証が必要で、実使用環境を模した温度での選別が必須になります。
Q. 針を当てるとパッドに傷がつきませんか?
A. つきます。スクラブによる針跡(プローブマーク)は避けられないため、パッド面積に対する針跡の位置・大きさが管理され、検査で確認されます。針跡が深すぎればその後のワイヤボンディングの品質に影響するため、オーバードライブ量の管理は重要です。
Q. 1枚のウェハの試験にはどれくらい時間がかかるのですか?
A. チップ数・試験項目・同時測定数によって数分から数時間まで大きく変わります。だからこそ同時測定数の拡大やタッチダウン回数の削減が装置・プローブカード開発の主戦場になっています。
まとめ
- プローバの中はロード→搬送→プリアライメント→温度安定→アライメント→コンタクト→テスト→アンロードの確認だらけのシーケンス
- ウェハの持ち方は真空吸着・ベルヌーイ(非接触)・エッジグリップの3種。薄化が進むほど「触らない」方式が重要に
- 位置合わせはウェハを見るカメラと針を見るカメラの2つの地図合わせ。コンタクトはオーバードライブとスクラブのミクロンのさじ加減
- アウトプットは良品マップ——後工程の「良品だけにコストをかける」原則の起点がここで生まれる
装置の中のシーケンス: #1 ウェハテスト(本記事)／#2 コータデベロッパ／#3 ダイシング／#4 ワイヤボンダ／#5 モールド／#6 枚葉洗浄／#7 CMP／#8 イオン注入機／#9 スパッタ／#10 縦型炉／#11 ダイボンダ／#12 アッシング／#13 露光装置／#14 ドライエッチャー／#15 バッチ洗浄機／#16 ウェハ検査機／#17 CD-SEM／#18 搬送系／#19 めっき装置／#20 OCD／#21 ウェハソーター／#22 レーザーマーカー — まとめ読みは全集ガイドへ
関連記事: プローバとテスタの違い／プローブカードとは?／アドバンテスト解説／後工程の流れを完全解説／参考: 各社公開資料・技術文献
