半導体は、成膜・フォトリソグラフィ・エッチング・イオン注入・CMPなど、多くの工程を繰り返して作られます。
そして回路が完成すると、
「このチップは本当に正常に動くのか？」
を確認する必要があります。
そこで行われるのが、
ウェーハテスト
です。
ウェーハテストでは、まだチップを1個ずつ切り離す前のウェーハ状態で、それぞれのチップへ電気信号を送り、
- 正常に動くか
- 必要な性能を満たしているか
- 良品か不良品か
を確認します。
この工程で重要なのが、
プローバ
プローブカード
テスタ
の3つです。
名前だけを見ると少し難しく感じますが、役割を簡単にすると、
プローバ＝位置を合わせる
プローブカード＝チップとテスタをつなぐ
テスタ＝電気信号を送り、正常か調べる
という関係です。
この記事では、
- ウェーハテストとは何か
- なぜチップを切り離す前に検査するのか
- プローバ・プローブカード・テスタの違い
- 良品・不良品をどうやって判定するのか
- ウェーハマップとは何か
- 検査・計測工程との違い
- ファイナルテストとの違い
について、初心者向けに分かりやすく解説します。
ウェーハテストとは？
ウェーハテストとは、
ウェーハ上に作られた半導体チップへ電気信号を与え、正常に動作するか確認する工程
です。
半導体の前工程が終了したウェーハを見ると、表面には同じ回路が何百個、場合によってはそれ以上並んでいます。
この一つひとつが、最終的に半導体チップになります。
しかし、
「回路を作ることができた」
からといって、
「すべて正常に動く」
とは限りません。
製造途中に、
- 微細なパターン異常
- 異物
- 配線不良
- トランジスタ特性のばらつき
などが発生すると、一部のチップが正常に動かない可能性があります。
そこでウェーハをチップごとに切り離す前に、それぞれへ電気信号を送り、
正常に動くチップと不良チップを判定します。
検査・計測工程とは何が違う？
前の記事では、半導体の「検査・計測」について解説しました。
ここはウェーハテストと混同しやすいため、最初に違いを整理しておきましょう。
検査・計測工程では、
- 回路の線幅
- 膜厚
- パターンの位置ずれ
- パーティクル
- 傷
- パターン欠陥
などを確認します。
つまり、
「半導体が狙った通りの形に作られているか？」
を確認する工程です。
一方、ウェーハテストでは、
実際に電気信号を与えて、
「作った回路が正常に動くか？」
を確認します。
簡単にまとめると、
検査・計測
＝正しく作れているか確認
ウェーハテスト
＝正しく動くか確認
です。
どちらも半導体の品質を確認する重要な工程ですが、確認している内容が違います。
なぜダイシング前にウェーハテストをするの？
ここで、
「最終的に完成してから全部検査すればいいのでは？」
と思う方もいるかもしれません。
しかし、不良チップをそのまま後工程へ送ってしまうと、無駄な加工が増えてしまいます。
半導体の前工程が終わった後には、
ダイシング
↓
ダイボンディング
↓
ワイヤーボンディングなどの接続
↓
樹脂封止
↓
最終検査
といった後工程があります。
例えば、ウェーハ上に100個のチップがあり、
90個が良品
10個が不良
だったとします。
不良の10個を事前に判定せず、すべてパッケージまで組み立てると、
正常に動かないことが分かっているチップにも、後工程の材料・装置・時間を使うことになります。
そこでウェーハ状態で良品・不良品を確認します。
つまりウェーハテストには、
不良チップを早い段階で見つけ、後工程の無駄を減らす
という重要な役割があります。
ウェーハテストの流れ
ウェーハテストでは、大まかに次のような流れで検査を行います。
① ウェーハをプローバへ搬送
まず、前工程が終了したウェーハをウェーハプローバへ搬送します。
ウェーハには多数のチップが並んでいます。
↓
② ウェーハを固定する
ウェーハはプローバ内部のチャックと呼ばれる部分に固定されます。
ここで重要なのは、
ウェーハを正確な位置に保持すること
です。
↓
③ プローブカードとチップの位置を合わせる
チップには、外部から電気信号を入力・出力するための電極があります。
プローバがウェーハを動かし、
チップの電極とプローブカードの接触部が正確に合う位置
まで移動します。
↓
④ プローブを電極へ接触させる
位置合わせが完了すると、プローブカードのプローブをチップの電極へ接触させます。
これによって、
テスタと半導体チップが電気的につながります。
↓
⑤ テスタから電気信号を送る
次にテスタからプローブカードを通してチップへ電気信号を送ります。
↓
⑥ チップから返ってきた信号を測る
チップから返ってきた電気信号をテスタが測定します。
↓
⑦ 良品・不良品を判定
期待される動作をしていれば良品。
正常に動作しなければ不良品として判定します。
↓
⑧ 次のチップへ移動
プローバがウェーハを移動させ、次のチップを検査します。
この動作を繰り返して、ウェーハ上の多数のチップを確認していきます。
ウェーハテストで重要な3つの装置
ウェーハテストを理解するときに、最も重要なのが、
プローバ
プローブカード
テスタ
です。
この3つはそれぞれ役割が異なります。
① プローバとは？
プローバは、
ウェーハとプローブカードを正確に位置合わせする装置
です。
ウェーハ上には非常に小さなチップが大量に並んでいます。
そのため、
「だいたいこの位置」
ではテストできません。
プローブカードの接触部と、チップの電極を正確に合わせる必要があります。
プローバはウェーハを、
- X方向
- Y方向
- Z方向
などへ精密に動かしながら、接触位置を調整します。
そして1つのチップの検査が終了すると、
次のチップの位置へウェーハを移動
します。
つまりプローバは、
ウェーハを運ぶだけの装置ではなく、検査するチップを正確な位置へ動かす装置
と考えると分かりやすいです。
プローバの役割
簡単にまとめると、
プローバ＝位置合わせ担当
です。
② プローブカードとは？
プローブカードは、
半導体チップとテスタを電気的につなぐための部品
です。
チップには電気信号を入出力する電極があります。
しかし、テスタから直接ウェーハ上の微細な電極へ接続することはできません。
そこで間に入るのがプローブカードです。
プローブカードには非常に細かな接触部があり、それをチップの電極へ接触させます。
イメージとしては、
テスタ
↓
プローブカード
↓
チップの電極
↓
半導体回路
という順番です。
プローブカードは、
テスタとチップをつなぐコネクタ
のような存在と考えると分かりやすいでしょう。
プローブカードの役割
簡単にまとめると、
プローブカード＝つなぐ担当
です。
③ テスタとは？
テスタは、
半導体へ電気信号を送り、正常に動作するか測定・判定する装置
です。
ATE（Automated Test Equipment）と呼ばれることもあります。
テスタから、
「この電気信号を入力したら、このような信号が返ってくるはず」
という条件を半導体へ与えます。
そして実際に返ってきた信号を確認します。
例えば、
期待する信号
↓
実際の信号
を比較し、
正常なら、
PASS
異常なら、
FAIL
と判定します。
テスタの役割
簡単にまとめると、
テスタ＝電気的に調べる担当
です。
プローバ・プローブカード・テスタの違い
ここまでを整理すると次のようになります。
| 装置 | 主な役割 |
|---|---|
| プローバ | ウェーハを動かし、チップとプローブの位置を合わせる |
| プローブカード | チップとテスタを電気的につなぐ |
| テスタ | 電気信号を送り、チップの動作を確認する |
初心者の方は、
プローバ＝位置合わせ
プローブカード＝つなぐ
テスタ＝調べる
と覚えると理解しやすいです。
ウェーハテストでは何を測っている？
ウェーハテストでは、単純に電気が流れるかどうかだけを確認しているわけではありません。
製品によってテスト内容は異なりますが、例えば、
- 電圧
- 電流
- 信号
- 回路の機能
- 動作速度
- 電気的な特性
などを確認します。
例えばある入力信号を与えたときに、
正しい出力
→ 良品
間違った出力
→ 不良品
といった判定を行います。
ただし、すべての半導体で同じテストをするわけではありません。
CPUなどのロジック半導体とDRAMなどのメモリ半導体では、回路の役割が違うため、確認する内容も変わります。
良品・不良品はどうやって管理する？
ウェーハテストを行うと、
ウェーハ上の、
「どのチップが良品だったか」
「どのチップが不良品だったか」
が分かります。
この結果はデータとして管理されます。
例えばウェーハを上から見たとき、
🟩 良品
🟥 不良品
として考えると、
🟩🟩🟩🟥
🟩🟩🟥🟩
🟩🟩🟩🟩
🟥🟩🟩🟩
のように、チップごとの検査結果をウェーハ上の位置と対応させることができます。
このような情報を、
ウェーハマップ
として管理します。
ウェーハマップとは？
ウェーハマップとは、
ウェーハ上の各チップの位置とテスト結果を対応させたデータ
です。
ウェーハテストが終わった後は、この情報を利用して、
良品
→ 後工程へ
不良品
→ 良品として使用しない
という判断につなげます。
ウェーハマップは原因解析にも使える
ウェーハマップは良品・不良品を分けるだけではありません。
例えば、
ウェーハ中央に不良が集中している
ウェーハ外周に不良が多い
特定方向だけ不良が多い
といった偏りが見つかることがあります。
このような情報から、
「何か製造工程側に原因があるのでは？」
と考えることができます。
つまりウェーハテストの結果は、
良品・不良品判定
だけでなく、
製造工程の改善
にも利用されます。
ウェーハテストと歩留まりの関係
半導体製造で非常に重要な言葉に、
歩留まり（Yield）
があります。
例えば100個のチップを作って、
90個が良品なら、
歩留まりは90％です。
ウェーハテストによって各チップの良否を確認すると、
どれくらいの割合で良品が作れているか
が分かります。
もし突然、
歩留まり90％
↓
歩留まり70％
になったとすると、
何らかの製造異常が発生している可能性があります。
そこで、
ウェーハテスト
↓
不良分布を確認
↓
原因を調査
↓
製造条件を改善
という流れにつなげます。
このようにウェーハテストは、単なる製品検査ではなく、
半導体製造を安定させるための重要な情報源
でもあります。
ウェーハテストとファイナルテストの違い
半導体では、ウェーハテスト以外にも電気検査を行います。
代表的なのが、
ファイナルテスト
です。
両者の大きな違いは、
どの状態で検査するか
です。
ウェーハテスト
チップを切り離す前の、
ウェーハ状態
で検査します。
主に、
プローバ
＋
プローブカード
＋
テスタ
を使用します。
ファイナルテスト
ダイシングやパッケージングが終わった、
完成した半導体製品
を検査します。
つまり、
前工程終了
↓
ウェーハテスト
↓
ダイシング
↓
パッケージング
↓
ファイナルテスト
という流れです。
ウェーハテストで正常だったチップでも、その後の組立工程などで問題が発生する可能性があります。
そのため最終的な製品状態でも、再び電気的な確認を行います。
「ウェーハテスト」と「WAT」は同じ？
半導体業界では会社や工程によって用語の使い方が異なるため、少し注意が必要です。
ウェーハ上で行う電気的な検査には、
- Wafer Test
- Wafer Sort
- Wafer Probe
- Probe Test
など、さまざまな呼び方があります。
一方、
WAT（Wafer Acceptance Test）
という言葉は、ウェーハ上に形成したトランジスタや専用パターンなどの電気特性を測り、製造プロセスが正常だったか確認するテストを指す場合があります。
そのため、
「ウェーハテスト＝必ずWAT」
と単純に考えない方がよいでしょう。
この記事では、
ウェーハ上の各チップに電気信号を与え、良品・不良品を判定する工程
を「ウェーハテスト」として説明しています。
半導体の微細化でウェーハテストも難しくなる
半導体が高性能になるにつれて、ウェーハテストにも高い技術が必要になります。
例えば、
- チップの電極が細かくなる
- 接点の数が増える
- 高速な信号を扱う
- 同時に多数のチップを測定する
- 高温・低温などさまざまな条件で評価する
といった要求があります。
特に電極の間隔が狭くなれば、
プローブカードを正確に接触させること
そのものが難しくなります。
またAI向け半導体やHBMなどでは、扱う信号数やデータ量も増えているため、テスト技術の重要性も高まっています。
ウェーハテストを一言でまとめると？
ウェーハテストとは、
「ウェーハ上のチップへ電気信号を送り、正常に動くチップを見つける工程」
です。
そのために、
プローバ
↓
位置を合わせる
プローブカード
↓
チップとテスタをつなぐ
テスタ
↓
電気信号を送り、動作を確認する
という3つが協力します。
まとめ
今回は、半導体のウェーハテストについて解説しました。
重要なポイントを整理すると、
ウェーハテスト
→ ウェーハ上の各チップが正常に動くか電気的に確認する
プローバ
→ ウェーハを動かし、正確に位置合わせする
プローブカード
→ チップとテスタを電気的につなぐ
テスタ
→ 電気信号を送り、動作を確認する
という役割があります。
そして、
ウェーハ
↓
プローバで位置合わせ
↓
プローブカードを接触
↓
テスタから信号を送る
↓
チップの応答を測定
↓
良品・不良品を判定
↓
ウェーハマップへ記録
という流れで検査します。
ウェーハテストの目的は、単に不良品を見つけることだけではありません。
不良チップを後工程へ送る無駄を減らし、さらに検査結果を製造工程へフィードバックすることで、
歩留まりの改善
にもつながります。
前回解説した検査・計測が、
「正しく作れているか？」
を確認する工程だとすれば、
ウェーハテストは、
「正しく動くか？」
を確認する工程です。
ウェーハテストが終了すると、次はいよいよウェーハを1個ずつのチップへ切り分ける、
「ダイシング工程」
へ進みます。
コメント