CN100445750C - 简支梁型微电子机械系统探卡及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种简支梁型微电子机械系统探卡及其制备方法，采用UV-LIGA多次光刻、电镀工艺在基片上制备弹性金属探针，在探针结构上采用简支梁代替目前的悬臂梁，以承受和产生更大的刺穿氧化膜应力，并通过设计简支梁的厚度来调节探针的位移。本发明的探卡由按照芯片引脚分布而排布的简支梁阵列实现，探针在简支梁的中间，并保证针尖的位置与相应的芯片引脚位置一致。简支梁的底端为电镀的金属引线，引线从简支梁底端向探针外围四周延伸，通过点焊连接到对应的印刷电路板上，从而连通从探针到测试机台的信号电路。本发明工艺简单，成品率高，能很好的控制探针形状尺寸，套刻精度高，适于大规模生产。

Description

简支梁型微电子机械系统探卡及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统探卡及其制备方法，尤其涉及一种用于芯片测试的简支梁型微电子机械系统探卡及其制备方法，属于集成电路测试技术领域。

背景技术

半导体晶圆测试是通过在未切割状态下对晶圆以及晶圆上的集成电路进行包括短路、断路、AD/CD以及功能等电性测试，来检查晶圆以及晶圆上的集成电路理想工作状态，从而得以找出提高成品率、降低芯片制造成本以及提升芯片功能的方法。随着VLSI(超大规模集成电路)技术向更大级集成和更高速度发展，使得I/O的数量急剧增加，芯片引脚的尺寸和间距相应缩小。这样不仅制造技术非常重要，产品的检测手段也变得更加关键，传统手工制作的环氧树脂针型探卡越来越难以满足使用要求。随着MEMS(微电子机械系统)技术的发展，给探卡的制备带来了新的方法，并取得了很大进展。目前报道了多种采用不同方法实现的MEMS探卡，如Masoud Zargari等人在“A BiCOMS ActiveSubstrate Probe-Card Technology for Digital Testing”(IEEE Journal of Solid-StateCircuits，Vol.34，No.8，August 1999)文章中报道制作的薄膜探卡，它在聚酰亚胺薄膜加工出接触凸点并用光刻的微传输线进行连接，两个探针之间距离缩小到100μm，提高了平面度，减小了对焊垫的损害，同时可以缩短信号通路长度，降低传输信号受到的干扰。但是因为薄膜探卡上的所有探针必须在一个单一应力下同时接触到芯片，所以随着芯片复杂度和接触点数量的增加而成为严重问题。YounghakCho等人在“Si-based micro probe card with shape knife-edged tipscombined metal deposition”(The 12^th international conference on solid sensors andMicrosystems，Boston，June 8-12，2003)文章中报道了通过硅微加工技术制作的悬臂梁型探针结构，它采用感应耦合等离子体反应离子刻蚀的方法制作硅悬臂梁，然后在硅悬臂梁的末端上方采用氢氧化钾溶液刻蚀单晶硅来制作针尖，最后整体溅射金属铬、金和钨来导通电路。这类MEMS探卡的主要问题是探针的尺寸继续减小时不能承受和产生破坏金属引脚表面上自然氧化层或者污染层所需要的应力。

利用MEMS加工工艺，制备出探针数量多、间距小、能够承受更大应力的弹性探卡，并且能够连接现有外围设备成为探卡的发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种简支梁型微电子机械系统探卡及其制备方法，制备工艺简单，成品率高，制得的探卡能够承受和产生更大的应力，具有优越的性能。

为实现这一目的，本发明采用UV-LIGA(紫外光刻、微电铸、微复制的缩写)多次光刻、电镀工艺在玻璃或硅片基片上制备弹性金属探针，在探针结构上采用简支梁结构代替目前的悬臂梁结构，以承受和产生更大的刺穿氧化膜应力，并通过设计简支梁的厚度来调节探针的位移量。本发明的探卡是由按照芯片引脚分布而排布的简支梁阵列实现的，探针在简支梁的中间，并保证针尖的位置与相应的芯片引脚位置一致。简支梁的底端是电镀的金属引线，引线从简支梁底端连向探针外围四周，通过点焊连接到对应的印刷电路板上，印刷电路板插入测试机台接口，从而连通从探针到测试机台的信号电路。

本发明根据芯片引脚之间的间距来确定简支梁的长度，并相应设计简支梁的宽度和厚度，来提供大于刺穿铝引脚自然氧化层所需的20毫牛顿的力，同时具有合适的位移量。简支梁的尺寸设计如下：

根据材料力学，简支梁受到最大应力σ_max处在简支梁的中间，为：

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{3\mathrm{FL}}{2{\mathrm{bh}}^2}---\left(1\right)$

式中b为梁的宽度，h为梁的厚度，L为梁的长度，F表示探针针尖压芯片引脚时受的力。要保证探针正常工作，σ_max≤σ_s，代入(1)式，可得：

$\frac{3\mathrm{FL}}{2{\mathrm{bh}}^2}\≤{\mathrm{\σ}}_s---\left(2\right)$

由(2)式可得：

$h\≥\sqrt{\frac{3\mathrm{FL}}{2b{\mathrm{\σ}}_s}}---\left(3\right)$

在(3)式中可以得出当承受一定应力时的简支梁最小厚度，梁厚度超过这个值时为弹性变形。输入简支梁的形状尺寸和所需应力，即得到简支梁最小厚度。例如当梁长度220μm、宽度15μm、施加100毫牛顿应力时，厚度至少7μm。

简支梁的中间最大挠度ω_max由梁的厚度决定。根据材料力学，简支梁中间最大挠度为：

${\mathrm{\ω}}_{\max }=\frac{{\mathrm{FL}}^3}{4\mathrm{Eb}{h}^3}---\left(4\right)$

E为杨氏模量，由(4)式可得到简支梁的弹簧系数k为：

$k=\frac{F}{{\mathrm{\ω}}_{\max }}=\frac{{4\mathrm{Ebh}}^3}{L^3}---\left(5\right)$

通过式(5)可以得到不同尺寸时简支梁相应的变形量，从而可以根据变形量确定简支梁结构的厚度。

本发明制备简支梁型微电子机械系统探卡的方法通过如下步骤实现：

1、采用玻璃或者硅片为基片，用去离子水清洗、烘干；在基片背面溅射50-150nm钛或铬的金属层，在金属层上涂布光刻胶后光刻对准符号图形，然后采用酸性腐蚀液对金属层刻蚀，去除光刻胶得到用于对准的金属对准符号标记。

2、在基片正面溅射50-150nm的底端Cr/Cu种子层，然后涂胶、光刻、电镀金属铜，制作高度1-30μm、线宽5-100μm的金属引线。

3、在金属引线的上方继续涂胶、光刻、电镀金属，制作高度10-100μm、直径10-50μm的简支梁底柱；溅射50-150nm的中间Cr/Cu种子层；涂胶、光刻、电镀，制作厚度3-30μm、宽度10-50μm的金属横梁；简支梁底柱与金属横梁构成简支梁。在简支梁的横梁上涂胶、光刻、电镀，制作高度10-100μm、直径5-50μm的探针。

4、在简支梁与探针之外的空间，去除中间Cr/Cu种子层上方的光刻胶，去除中间Cr/Cu种子层，去除中间Cr/Cu种子层下方的光刻胶，去除底端Cr/Cu种子层；然后采用点焊的方法将金属引线与印刷电路板连接，完成简支梁型微电子机械系统探卡的制备。

利用本发明制造的简支梁型MEMS探卡优点在于：(1)工艺简单，成品率高，采用UV-LIGA工艺的多次套刻电镀方法可以很好的控制探针形状尺寸，具有很高的套刻精度，非常适于大规模生产；(2)相对于目前悬臂梁型MEMS探卡，本发明的探卡能够承受和产生更大的应力，为了刺穿铝引脚的氧化膜至少需要20毫牛顿的力，简支梁结构则能够通过设计梁的厚度，满足使用要求；(3)通过电镀金属引线的方法将信号从探针引向外围，并通过点焊连接到印刷电路板上，便于探针的维修和更换，相对于通孔引线方法，可以节约成本，扩大探卡制备的适应性；(4)玻璃基片及金属探针结构都耐高温，适用于芯片老化试验。

附图说明

图1为本发明提供的简支梁型微电子机械系统探卡结构示意图。

图1中，1为基片，2为金属引线，3为简支梁，4为探针，5为中间Cr/Cu种子层，6为底端Cr/Cu种子层，7为对准符号标记。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明制备的简支梁型微电子机械系统探卡结构如图1所示，包括基片1、金属引线2、简支梁3和探针4，在基片1的背面制作金属对准符号标记7，基片1的正面溅射底端Cr/Cu种子层6后，经涂胶、光刻制作金属引线2，在金属引线2的上方制作简支梁底柱，再在溅射的中间Cr/Cu种子层5上制作金属横梁，简支梁底柱与金属横梁构成简支梁3。简支梁3按照测试芯片引脚的分布位置而阵列排布，探针4位于简支梁3的横梁中间上端，探针4针尖的位置与相应的芯片引脚位置一致，简支梁3底端的金属引线2通过点焊连接到插在测试机台接口的印刷电路板，从而连通从测试机台到探针4的信号电路。

实施例1

简支梁结构参数：梁厚度15μm，探针直径30μm，探针高度25μm。

(1)背面对准符号制作

采用厚度为2mm的玻璃片为基片，首先进行基片处理：用丙酮、酒精和去离子水超声清洗干净，在180℃真空炉中烘干3小时。然后在基片背面溅射厚度为100nm的金属铬，在铬上方涂2μm厚的正胶AZ4620，光刻、显影后用8％盐酸刻蚀金属铬，用丙酮去除光刻胶，得到金属铬的背面对准符号标记。

(2)金属引线制作

在基片没有金属对准符号标记的正面用丙酮擦拭，去离子水超声清洗后放置真空烘箱中烘干。溅射100nm的底端Cr/Cu种子层，涂7μm厚的正胶AZ4620，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为50秒，显影60秒，电镀厚度7μm、宽度30μm的金属铜电路引线，电流强度200mA，电镀时间50分钟。

(3)金属简支梁结构制作

首先制作简支梁两端金属底柱(直径30μm，间距190μm，高度25μm)：在金属引线上方涂25μm厚的正胶AZ4903，曝光时间220秒，显影时间180秒，电镀25μm厚的金属镍，电流强度12mA，电镀时间60分钟；然后制作金属横梁(长度220μm，宽度30μm，厚度15μm)：溅射100nm的中间Cr/Cu种子层，在上方涂15μm厚的正胶AZ4903，曝光时间100秒，显影时间80秒，电镀15μm厚的金属镍横梁，电流强度18mA，电镀时间50分钟；简支梁底柱与金属横梁构成简支梁。最后制作顶端金属探针(直径30μm，高度25μm)：在简支梁的横梁上方涂25μm厚的正胶AZ4903，曝光时间220秒，显影时间180秒，电镀25μm厚的金属镍，电流强度10mA，电镀时间60分钟。

(4)光刻胶和种子层的去除

在简支梁与探针之外的空间，首先去除中间Cr/Cu种子层上方的光刻胶，在5.5mW/cm²曝光机下曝光5分钟，然后在显影液中显影10分钟。中间Cr/Cu种子层采用氩气等离子体刻蚀的方法，刻蚀功率20kW，气体流量40sccm，刻蚀时间15分钟。中间Cr/Cu种子层下方的光刻胶采用在兆声中丙酮清洗10分钟去除，底端Cr/Cu种子层同样采用氩气等离子体刻蚀的方法，刻蚀功率20kW，气体流量40sccm，刻蚀时间15分钟。

实施例2

简支梁结构参数：梁厚度10μm，探针针尖直径30μm，探针针尖高度25μm。

(1)背面对准符号制作

采用厚度为2mm的玻璃片为基片，首先进行基片处理：用丙酮、酒精和去离子水超声清洗干净，在180℃真空炉中烘干3小时。然后在基片背面溅射厚度为100nm的金属铬，在铬上方涂2μm厚的正胶AZ4620，光刻、显影后用8％盐酸刻蚀金属铬，用丙酮去除光刻胶，得到金属铬的背面对准符号标记。

(2)金属引线制作

在基片没有金属对准符号标记的正面用丙酮擦拭，去离子水超声清洗后放置真空烘箱中烘干。溅射100nm的底端Cr/Cu种子层，涂7μm厚的正胶AZ4620，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为50秒，显影60秒，电镀厚度7μm、宽度30μm的金属铜电路引线，电流强度200mA，电镀时间50分钟。

(3)金属简支梁结构制作

首先制作简支梁两端金属底柱(直径30μm，间距190μm，高度25μm)：在金属引线上方涂25μm厚的正胶AZ4903，曝光时间220秒，显影时间180秒，电镀25μm厚的金属镍，电流强度12mA，电镀时间60分钟；然后制作金属横梁(长度220μm，宽度30μm，厚度10μm)：溅射100nm的中间Cr/Cu种子层，在上方涂10μm厚的正胶AZ4903，曝光时间70秒，显影时间60秒，电镀10μm厚的金属镍横梁，电流强度15mA，电镀时间50分钟；简支梁底柱与金属横梁构成简支梁。最后制作顶端金属针尖(直径30μm，高度25μm)：在简支梁的横梁上方涂25μm厚的正胶AZ4903，曝光时间220秒，显影时间180秒，电镀25μm厚的金属镍，电流强度10mA，电镀时间60分钟。

(4)光刻胶和种子层的去除

在简支梁与探针之外的空间，首先去除中间Cr/Cu种子层上方的光刻胶，在5.5mW/cm²曝光机下曝光5分钟，然后在显影液中显影10分钟。中间Cr/Cu种子层采用氩气等离子体刻蚀的方法，刻蚀功率20kW，气体流量40sccm，刻蚀时间15分钟。中间Cr/Cu种子层下方的光刻胶采用在兆声中丙酮清洗10分钟去除，底端的Cr/Cu种子层同样采用氩气等离子体刻蚀的方法，刻蚀功率20kW，气体流量40sccm，刻蚀时间15分钟。

实施例3

简支梁结构参数：梁厚度15μm，探针针尖直径10μm，探针针尖高度50μm。

(1)背面对准符号制作

采用厚度为2mm的玻璃片为基片，首先进行基片处理：用丙酮、酒精和去离子水超声清洗干净，在180℃真空炉中烘干3小时。然后在基片背面溅射厚度为100nm的金属铬，在铬上方涂2μm厚的正胶AZ4620，光刻、显影后用8％盐酸刻蚀金属铬，用丙酮去除光刻胶，得到金属铬的背面对准符号标记。

(2)金属引线制作

在基片没有金属对准符号标记的正面用丙酮擦拭，去离子水超声清洗后放置真空烘箱中烘干。溅射100nm的底端Cr/Cu种子层，涂7μm厚的正胶AZ4620，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为50秒，显影60秒，电镀厚度7μm、宽度30μm的金属铜电路引线，电流强度200mA，电镀时间50分钟。

(3)金属简支梁结构制作

首先制作简支梁两端金属底柱(直径30μm，间距190μm，高度25μm)：在金属引线上方涂25μm厚的正胶AZ4903，曝光时间220秒，显影时间180秒，电镀25μm厚的金属镍，电流强度12mA，电镀时间60分钟；然后制作金属横梁(长度220μm，宽度30μm，厚度15μm)：溅射100nm的中间Cr/Cu种子层，在上方涂15μm厚的正胶AZ4903，曝光时间100秒，显影时间80秒，电镀15μm厚的金属镍横梁，电流强度18mA，电镀时间50分钟；简支梁底柱与金属横梁构成简支梁。最后制作顶端金属针尖(直径10μm，高度50μm)：在简支梁的横梁上方涂25μm厚的正胶AZ4903，曝光时间220秒，显影时间180秒，电镀25μm厚的金属镍，电流强度5mA，电镀时间60分钟，然后重复此步骤一次，制作总高度为50μm的针尖。

(4)光刻胶和种子层的去除

在简支梁与探针之外的空间，首先去除中间Cr/Cu种子层上方的光刻胶，在5.5mW/cm²曝光机下曝光7分钟，然后在显影液中显影13分钟。中间Cr/Cu种子层采用氩气等离子体刻蚀的方法，刻蚀功率20kW，气体流量40sccm，刻蚀时间15分钟。中间Cr/Cu种子层下方的光刻胶采用在兆声中丙酮清洗10分钟去除，底端的Cr/Cu种子层同样采用氩气等离子体刻蚀的方法，刻蚀功率20kW，气体流量40sccm，刻蚀时间15分钟。

Claims (1)

1、一种简支梁型微电子机械系统探卡的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)采用玻璃或者硅片为基片，用去离子水清洗、烘干；在基片背面溅射50-150nm钛或铬的金属层，在金属层上涂布光刻胶后光刻对准符号图形，然后采用酸性腐蚀液对金属层刻蚀，去除光刻胶得到用于对准的金属对准符号标记(7)；

2)在基片正面溅射50-150nm的底端Cr/Cu种子层(6)，然后涂胶、光刻、电镀金属铜，制作高度1-30μm、线宽5-100μm的金属引线(2)；

3)在金属引线(2)的上方继续涂胶、光刻、电镀金属，制作高度10-100μm、直径10-50μm的简支梁底柱；溅射50-150nm的中间Cr/Cu种子层(5)；涂胶、光刻、电镀，制作厚度3-30μm、宽度10-50μm的金属横梁；简支梁底柱与金属横梁构成简支梁(3)；在简支梁(3)的横梁上涂胶、光刻、电镀，制作高度10-100μm、直径5-50μm的探针(4)；

4)在简支梁(3)与探针(4)之外的空间，采用曝光后显影的方法去除中间Cr/Cu种子层(5)上方的光刻胶，采用氩气等离子体刻蚀方法去除中间Cr/Cu种子层(5)，采用在兆声中丙酮溶液清洗的方法去除中间Cr/Cu种子层(5)下方的光刻胶，用氩气等离子体刻蚀方法去除底端Cr/Cu种子层(6)；然后采用点焊的方法将金属引线(2)与印刷电路板连接，完成简支梁型微电子机械系统探卡的制备。

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