專利名稱：一種微探針陣列及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種是基于微機(jī)械加工方法實(shí)現(xiàn)的為晶圓級芯片測試服務(wù)的探針及其制作方法，尤其涉及基于硅各向異性刻蝕的MEMS微制造方法實(shí)現(xiàn)的為晶圓級芯片測試服務(wù)的微探針陣列及其制作方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，集成電路芯片制造產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展。集成電路芯片生產(chǎn)的過程中主要包括前端加工工藝與后端封裝測試工藝。其中，后端封裝測試工藝己經(jīng)占據(jù)了整個生產(chǎn)過程的大部分成本。所以，在前端加工工藝與后端封裝測試工藝之間加入晶圓級芯片測試，已經(jīng)成為降低芯片成本的一個必要手段。探針測試卡是晶圓級芯片測試的核心元件之一。然而，隨著芯片復(fù)雜程度越來越高，芯片上的管腳排布越來越密集，要求探針之間的間距越來越小。同時，芯片工作頻率不斷提高，測試信號速度越來越快。 傳統(tǒng)芯片探針測試卡由于自身局限，比如裝配精度低、制作成本高、制作周期長等原因，漸漸難以因應(yīng)這一發(fā)展趨勢，市場在尋找新一代的探針測試卡技術(shù)。從20世紀(jì)80年代起，隨著微機(jī)械加工(MEMQ技術(shù)的發(fā)展，人們開始研究用MEMS 微加工技術(shù)設(shè)計制造晶圓級芯片測試探針測試卡的方法。例如Smith等人在美國專利號5613861中公布了一種用具有應(yīng)力的薄膜來制造微探針的技術(shù)，這種探針巧妙地采用薄膜MEMS技術(shù)生產(chǎn)出三維的探針結(jié)構(gòu)，探針體的力學(xué)性能好，探針之間可以有很小的針間距，然而，這種探針有其先天不足這種探針的關(guān)鍵中心部分是由一組具有不同應(yīng)力的薄膜組成，以形成在垂直方向上的應(yīng)力梯度，但是卻要求在基板面內(nèi)凈應(yīng)力為零，這在具體制造工藝中很難；同時，其探針與基板的粘附力存在缺陷，當(dāng)在測試時，巨大的應(yīng)力會施加于探針的錨定在基板上的探針根部，從而導(dǎo)致探針與基板的脫離，導(dǎo)致嚴(yán)重的探針的耐力問題。另外一種探針制造方法Mathieu等人在美國專利號6沈8015及6184053中公布的用懸臂梁的方法制造的微探針。這種探針制造方法是先制造探針的各個組成元件，然后再組裝成探針。這種方法避免了高的內(nèi)應(yīng)力問題，但是這種探針具有另外一個先天不足，那就是各個組成部分的相交部分的機(jī)械強(qiáng)度不會很高，因而也具有易于斷裂或脫離的傾向。國內(nèi)李昕欣等人在中國專利號200710173680. 7公布了另外一種探針設(shè)計制造方法，這種方法在硅的各向異性刻蝕形成的兩個不同的面內(nèi)進(jìn)行加工，以形成探針結(jié)構(gòu)，然后將探針陣列倒裝焊到封裝基板上。這種探針由于其獨(dú)特的設(shè)計，在探針尺寸上有局限性；同時由于其倒裝焊組裝工藝，因而在產(chǎn)品良率以及探針基部與基板的粘附力方面存在問題，這些會局限其應(yīng)用。如何設(shè)計一種小尺寸的探針，讓探針具有良好的疲勞特性，特別是提高基部與基板之間的粘附力，是目前的市場需要的；同時新的技術(shù)必須具有能在面內(nèi)任何地方放置探針的能力。這兩點(diǎn)，正是本發(fā)明所要解決的關(guān)鍵技術(shù)
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微探針陣列及其制作方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種微探針陣列，包括設(shè)有深孔的基板、位于基板上方的金屬探針陣列以及位于基板下方的背面引線；基板上、下表層以及深孔的側(cè)壁設(shè)有絕緣介質(zhì)層，深孔內(nèi)設(shè)有連接所述背面引線的金屬連接件；所述金屬探針陣列包括一組金屬探針，所述金屬探針兩端與基板連接，中部為懸空的懸臂平臺，懸臂平臺上設(shè)有針尖，每根針尖在懸臂平臺上的位置可任意擺放。所述金屬探針的一端連接所述金屬連接件。 所述微探針陣列中微探針的數(shù)量至少2個以上，所有針尖位于同一水平面高度上，每個微探針都與所述的金屬連接件3以及背面引線點(diǎn)連接。本發(fā)明中微探針上的探針針尖位置不固定，可以在探針橫梁中心或偏離中心的任
意位置。本發(fā)明中所述懸臂平臺為一層以上的臺階，針尖可以放置在一層或多層臺階組成的懸臂平臺上。且在一組微探針陣列中，金屬探針的懸臂平臺可以各不相同，即可以一層懸臂平臺的和兩層懸臂平臺的金屬探針處于同一微探針陣列中，只要所有金屬探針頂部的針尖位于同一水平面高度上即可。本發(fā)明所述的微探針可以具有相同的形狀和相同的寬度、厚度，也可以具有不同的形狀和不同的寬度和厚度。本發(fā)明還公開了一種微探針陣列的制作方法，包括以下步驟
步驟1，將上下兩片硅片鍵合在一起形成SOI結(jié)構(gòu)，兩片硅片中間設(shè)有絕緣介質(zhì)層。步驟2，在下層硅片上刻蝕出直達(dá)中間絕緣介質(zhì)層的深孔，在上層硅片上刻蝕出和探針針尖高度相近的深槽。步驟3，在上層硅片上表面和下層硅片下表面制作絕緣介質(zhì)層，其中下層硅片的深孔的側(cè)壁上制作絕緣介質(zhì)，上層硅片的深槽內(nèi)填充滿絕緣介質(zhì)。開槽并填充絕緣介質(zhì)以阻止側(cè)邊刻蝕斜面的形成。步驟4，在下層硅片的深孔內(nèi)填充金屬形成金屬連接件。步驟5，根據(jù)所述深槽位置，對上層硅片表面進(jìn)行一次光刻并進(jìn)行第一次硅的各向異性刻蝕以形成針尖狀臺階；
步驟6，再進(jìn)行光刻及第二次的硅的各向異性刻蝕直到中間的絕緣介質(zhì)層，以形成梯形臺階。所述的臺階可以為多層，當(dāng)然一般優(yōu)選為兩層結(jié)構(gòu)，且梯形結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。步驟7，對上層硅片的表面濺射金屬，之后光刻掉多余部分金屬形成微探針結(jié)構(gòu)； 本步驟所述的多余部分金屬，根據(jù)微探針具體形狀而定，比如可以光刻掉微探針與中間絕緣介質(zhì)層連接處的多余金屬，以及微探針陣列中各個微探針之間的多余金屬。步驟8，對下層硅片的表面進(jìn)行金屬淀積并光刻掉多余部分金屬形成背面引線； 所述的多余部分的金屬指背面引線以外的多余金屬，所述背面引線的具體結(jié)構(gòu)可以任意設(shè)定。步驟9，刻蝕掉中間的絕緣介質(zhì)層以上的所有上層硅片以及深槽內(nèi)的絕緣介質(zhì)，從而釋放所有微探針結(jié)構(gòu)構(gòu)成微探針陣列。步驟10，對微探針陣列進(jìn)行退火處理。本發(fā)明方法中各個步驟中所涉及到的具體的工藝方法都可以采用本領(lǐng)域的公知技術(shù)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明中所述的微探針可以具有相同的形狀和相同的寬度、厚度，也可以具有不同的形狀和不同的寬度和厚度。有益效果本發(fā)明主要由制作在硅基片上的多根兩腳支撐的微探針構(gòu)成。每根微探針的中間或稍偏一點(diǎn)位置有凸起，作為探針針尖。探針針尖不需排成整齊的一列，可以在探針橫梁上的任意位置。這種微探針陣列排列結(jié)構(gòu)具有很好的適應(yīng)性、能夠滿足很多具有不規(guī)則引線焊盤的芯片測試需要。不僅如此，上述探針還具有很好的機(jī)械性能、電學(xué)性能， 及優(yōu)良的耐久性能；該微探針結(jié)構(gòu)具有微小的尺寸，且易于規(guī)?；谱?。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做更進(jìn)一步的具體說明，本發(fā)明的上述和 /或其他方面的優(yōu)點(diǎn)將會變得更加清楚。圖1為微探針的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2A 圖2J為微探針陣列的制作流程圖。 圖3為實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為實(shí)施例3結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明公開了一種微探針陣列，包括設(shè)有深孔的基板10、位于基板10 上方的金屬探針陣列以及位于基板下方的背面引線4 ；基板上、下表層以及深孔的側(cè)壁設(shè)有絕緣介質(zhì)層5，深孔內(nèi)設(shè)有連接所述背面引線4的金屬連接件3 ；所述金屬探針陣列包括一組金屬探針1，所述金屬探針兩端與基板連接形成錨點(diǎn)8，中部為懸空的懸臂平臺9，錨點(diǎn)與懸臂平臺11，所述懸臂平臺可以為一層以上臺階結(jié)構(gòu)，懸臂平臺9上設(shè)有針尖2，所有針尖位于同一水平面高度上，所述金屬探針1的一端的錨點(diǎn)8連接所述金屬連接件3。每個微探針都與所述的金屬連接件3以及背面引線點(diǎn)連接。如圖2中的圖2A 圖2J所示，本發(fā)明還公開了一種微探針陣列的制作方法，包括以下步驟
步驟1，將上下兩片硅片10鍵合在一起形成SOI結(jié)構(gòu)，兩片硅片中間設(shè)有絕緣介質(zhì)層5。步驟2，在下層硅片上刻蝕出直達(dá)中間絕緣介質(zhì)層的深孔7，在上層硅片上刻蝕出直達(dá)中間絕緣介質(zhì)層的作為刻蝕停止位置的深槽6a和6b，其深度與所要制作探針針尖高度相當(dāng)。。步驟3，在上層硅片上表面和下層硅片下表面制作絕緣介質(zhì)層，其中下層硅片的深孔的側(cè)壁上制作絕緣介質(zhì)，上層硅片的深槽內(nèi)填充滿絕緣介質(zhì)。步驟4，在下層硅片的深孔7內(nèi)填充金屬形成金屬連接件3。步驟5，根據(jù)所述深槽6的位置，對上層硅片表面進(jìn)行一次光刻并進(jìn)行第一次硅的各向異性刻蝕以形成針尖狀臺階h、2b ；
步驟6，再進(jìn)行光刻及第二次的硅的各向異性刻蝕直到中間的絕緣介質(zhì)層，以形成梯形臺階12。
步驟7，對上層硅片的表面濺射金屬，之后光刻掉多余部分金屬形成微探針結(jié)構(gòu)， 形成單個微探針1，微探針1包括針尖2、懸臂9、錨點(diǎn)8，懸臂9和錨點(diǎn)8之間的懸臂平臺 11。步驟8，對下層硅片的表面進(jìn)行金屬淀積并光刻掉多余部分金屬形成背面引線4， 由此構(gòu)成錨點(diǎn)8、金屬連接件3以及背面引線4三者電連接。步驟9，刻蝕掉中間的絕緣介質(zhì)層以上的所有上層硅片以及深槽內(nèi)的絕緣介質(zhì)，從而釋放所有微探針結(jié)構(gòu)1構(gòu)成所述微探針陣列。步驟10，對微探針陣列進(jìn)行退火處理。實(shí)施例1
如圖1所示，本實(shí)施例的微探針陣列包括帶有絕緣介質(zhì)層5的基板10以及一組微探針 1，基板10上排布了一列帶有針尖2的微探針1，每根微探針1上的針尖2的位置不需固定， 可以在微探針1的懸臂9上的任意位置，微探針下部兩端設(shè)有錨點(diǎn)8，錨點(diǎn)8與懸臂9之間為懸臂平臺11。因此這一列的微探針上的針尖可以適應(yīng)具有不規(guī)則引線焊盤的芯片的測試。基板10上具有金屬連接件3，這些金屬連接件3將背面引線4和正面的微探針連接在一起，方便以后的封裝。本實(shí)施例的微探針陣列，結(jié)構(gòu)簡單，牢固，有很好的機(jī)械性能和電學(xué)性能。本實(shí)施例的微探針陣列的制作方法包含如下步驟
a.將兩片硅片鍵合在一起形成SOI結(jié)構(gòu)(Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅)， 中間有一層氧化硅絕緣介質(zhì)層5。b.在下層硅片10中通過硅深刻蝕到達(dá)界面的氧化絕緣介質(zhì)層5以形成深孔7，上層硅片10上相鄰兩根具有不同中心位置針尖2的微探針1中間也通過干法刻蝕形成深度和針尖高度近似的深槽結(jié)構(gòu)6a和6b，統(tǒng)稱深槽6，如圖2A和圖2B。c.熱氧化使正面深槽6填滿氧化絕緣介質(zhì)5，背面深孔側(cè)壁形成氧化絕緣層，然后對背面深孔填充金屬形成導(dǎo)電金屬深孔3，如圖2C和圖2D。d.對上層的硅片表面進(jìn)行光刻并進(jìn)行硅的各向異性刻蝕以形成第一層臺階加和 2b，該臺階將是兩列不同位置探針針尖部分的支撐，如圖2E和圖2F，圖2B中所述深槽6及圖2D中所述深槽6中的絕緣介質(zhì)5就成為臺階加和2b之間的定位標(biāo)志，臺階加的兩端對應(yīng)兩個深槽6 兩個深槽6a之間的部分在本實(shí)施例中被刻蝕掉而構(gòu)成臺階加之間的平臺結(jié)構(gòu)；臺階2b的兩端對應(yīng)兩個深槽6b，深槽6b之間的部分在本實(shí)施例中保留，而6b之外的部分被刻蝕掉以構(gòu)成臺階2b結(jié)構(gòu)。當(dāng)然也可以根據(jù)具體的針尖位置設(shè)計更多的深槽 6。e.在新形成的臺階表面再進(jìn)行光刻，及新一次的硅的各向異性腐蝕，腐蝕停止在 SOI界面氧化介質(zhì)5上，以形成第二個臺階12。該臺階將是要形成的探針的支撐3，如圖2G 和圖2H。f.濺射金屬并光刻、電鍍形成圖1所示探針陣列結(jié)構(gòu)。g.背面金屬淀積并光刻形成背面引線4。h.進(jìn)行正面臺階硅的刻蝕以釋放帶針尖2的探針1陣列，如圖21和圖2J。i.進(jìn)行退火以使探針金屬的彈性增強(qiáng)。實(shí)施例2如圖3所示，本實(shí)施例中，所有金屬探針包括一個懸臂平臺11，即一層臺階直接連接錨點(diǎn)8和針尖2。本實(shí)施例的微探針陣列的制作方法與實(shí)施例1相同，只是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)刻劃時的圖案不同。實(shí)施例3
如圖4所示，本實(shí)施例中，所述微探針陣列中由上至下包括3個含有兩層臺階結(jié)構(gòu)懸臂平臺的金屬探針以及6個含有三層臺階結(jié)構(gòu)懸臂平臺的金屬探針，且所有9個金屬探針以3 個一組，針尖2分別位于金屬探針懸臂平臺11的兩側(cè)和中間，所有針尖位于同一水平面高度上，其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，金屬探針兩端為錨點(diǎn)。本實(shí)施例的微探針陣列的制作方法與實(shí)施例1相同，只是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)刻劃時的圖案不同。本發(fā)明提供了一種微探針陣列及其制作方法，具體實(shí)現(xiàn)該技術(shù)方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種微探針陣列，其特征在于，包括設(shè)有深孔的基板、位于基板上方的金屬探針陣列以及位于基板下方的背面引線；基板上、下表層以及深孔的側(cè)壁設(shè)有絕緣介質(zhì)層，深孔內(nèi)設(shè)有連接所述背面引線的金屬連接件；所述金屬探針陣列包括一組金屬探針，所述金屬探針兩端與基板連接，中部為懸空的懸臂平臺，懸臂平臺上設(shè)有針尖，所有針尖位于同一水平面高度上，所述金屬探針的一端連接所述金屬連接件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微探針陣列，其特征在于，所述懸臂平臺為一層以上的臺階。
3.—種如權(quán)利要求1所述微探針陣列的制作方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1，將上下兩片硅片鍵合在一起形成SOI結(jié)構(gòu)，兩片硅片中間設(shè)有絕緣介質(zhì)層； 步驟2，在下層硅片上刻蝕出直達(dá)中間絕緣介質(zhì)層的深孔，在上層硅片上刻蝕出與針尖高度相同深度的深槽；步驟3，在上層硅片上表面和下層硅片下表面制作絕緣介質(zhì)層，其中下層硅片的深孔的側(cè)壁上制作絕緣介質(zhì)，上層硅片的深槽內(nèi)填充滿絕緣介質(zhì)； 步驟4，在下層硅片的深孔內(nèi)填充金屬形成金屬連接件；步驟5，根據(jù)所述深槽位置，對上層硅片表面進(jìn)行第一次光刻并進(jìn)行第一次硅的各向異性刻蝕以形成針尖狀臺階；步驟6，進(jìn)行第二次光刻及第二次的硅的各向異性刻蝕直到中間的絕緣介質(zhì)層，以形成梯形臺階；步驟7，對上層硅片的表面濺射金屬，之后光刻掉多余部分金屬形成微探針結(jié)構(gòu)； 步驟8，對下層硅片的表面進(jìn)行金屬淀積并光刻掉多余部分金屬形成背面引線； 步驟9，刻蝕掉中間的絕緣介質(zhì)層以上的所有上層硅片以及深槽內(nèi)的絕緣介質(zhì)，從而釋放所有微探針結(jié)構(gòu)構(gòu)成微探針陣列；步驟10，對微探針陣列進(jìn)行退火處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微探針陣列，包括設(shè)有深孔的基板、位于基板上方的金屬探針陣列以及位于基板下方的背面引線；基板上、下表層以及深孔的側(cè)壁設(shè)有絕緣介質(zhì)層，深孔內(nèi)設(shè)有連接所述背面引線的金屬連接件；所述金屬探針陣列包括一組金屬探針，所述金屬探針兩端與基板連接，中部為懸空的懸臂平臺，懸臂平臺上設(shè)有針尖，所述金屬探針的一端連接所述金屬連接件。本發(fā)明還公開了所述微探針陣列的制作方法。本發(fā)明具有很好的適應(yīng)性、能夠滿足很多具有不規(guī)則引線焊盤的芯片測試需要。不僅如此，上述探針還具有很好的機(jī)械性能、電學(xué)性能，及優(yōu)良的耐久性能；該微探針結(jié)構(gòu)具有微小的尺寸，且易于規(guī)?；谱鳌?br> 文檔編號B81C1/00GK102539849SQ201210008610
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者秦明, 羅棋, 邰俊 申請人:南京瑞尼特微電子有限公司