專利名稱：微機械圓片級芯片測試探卡及制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于微機械方法實現(xiàn)的圓片級芯片測試探卡及制造方法，屬于微電子機械系統(tǒng)領域。
背景技術：
目前，半導體制造技術在我國迅速發(fā)展。集成電路復雜度不斷提高，芯片尺寸越來越小，器件功能越來越復雜。在整個芯片的制作成本中，芯片封裝成本占有很大的比例。圓片級芯片測試，就是在芯片封裝之前進行的初步測試，從而大大減少封裝成本。探卡是這一測試過程中的核心元件。然而，隨著芯片制作工藝的不斷進步，芯片上的管腳越來越多，管腳間的距離越來越小。與此同時，電路工作頻率越來越高，信號速度越來越快。傳統(tǒng)測試探卡由于自身設計的局限性，漸漸難以滿足測試的需要。傳統(tǒng)測試探卡主要依賴于人工裝配，這造成裝配精度有限，制作成本高，制作周期長等問題。此外，傳統(tǒng)測試探卡的寄生效應對測試結果影響較大，不適合未來高頻芯片的發(fā)展趨勢。
近年來，國內(nèi)外許多研究者開始利用微機械方法設計制造芯片測試探卡，但是存在著不同程度的不足。例如B.H.Kim等人曾在“Cantilever-typemicroelectromechanical systems probe card with through-wafer interconnects forfine pitch and high-speed testing”(Japanese Journal of Applied Physics，vol.43，no.6B，pp.3877-3881，Jun.2004.)中提到一種電鍍形成懸臂梁式測試探卡。這種方法電鍍的方法制作成功了懸臂梁陣列，以期達到探測芯片的作用。然而由于電鍍金屬層中存在應力梯度作用，使得探針陣列的平面度受到影響，從而大大限制了工作性能。另一方面，如果整個探卡結構全部采用單晶硅制作，雖然可以大大提高探針的平面度，但是很難將測試信號從探針針尖傳輸?shù)綔y試儀器設備進行分析(Dong-il Cho et.al，“Probe structure for testingsemiconductor devices and method for fabricating the same，”US Patent6,724,204，2004.)。
能否設計制造出一種既可以獲得高平面度，同時又方便傳輸測試信號的探卡結構，是探卡結構設計中的難點，這恰恰是本發(fā)明所要解決的關鍵技術。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種微機械圓片級芯片測試探卡。如附圖1與附圖2所示，所述的測試探卡采用了微機械的方法，利用單晶硅片制作成的懸臂梁陣列，利用電鍍金屬鎳形成探針針尖及過孔互聯(lián)。本發(fā)明的探卡中懸臂梁的位置排佈可以根據(jù)待測芯片管腳位置分佈進行安排調(diào)整，因而可以適應于各種不同管腳分布芯片的圓片級測試。本發(fā)明的探卡中所有懸臂梁的厚度一致，但是懸臂梁的長度、寬度可以根據(jù)芯片管腳之間的距離以及測試要求確定。本發(fā)明的探卡中由于采用了硅這種機械性能極佳的材料制作懸臂梁，因而可以實現(xiàn)高平面度的探針陣列。本發(fā)明的探卡中不同懸臂梁上的金屬布線之間有氧化絕緣層隔離，因而可以獲得較好地避免寄生效應，有利于測試信號地傳輸。
本發(fā)明的另一目的在于所述微機械圓片級芯片測試探卡制作方法，包括一、提供互聯(lián)孔與探針針尖同時制作的方法。本發(fā)明提供了兩種制作的方法，分別為自上而下電鍍形成以及自下而上電鍍形成。電鍍金屬鎳填充的互聯(lián)孔，下半部分作為探針針尖，上半部分與淀積的金屬層形成良好的電學連接，從而成功實現(xiàn)信號傳輸?shù)墓δ堋?br> 二、提供懸臂梁釋放與針尖形成同時實現(xiàn)的方法。本發(fā)明通過設定預先保留硅薄膜層的厚度為懸臂梁厚度與探針高度之和的方式，在釋放懸臂梁結構的同時，使嵌入在互聯(lián)孔中的探針針尖暴露出來，簡化了工藝流程。
本發(fā)明的目的通過以下制作工藝實現(xiàn)(1)在硅片正面利用1.5～2.5μm氧化層作為掩膜，各向異性腐蝕產(chǎn)生300μm左右深槽，保留硅薄膜厚度為懸臂梁厚度與探針針尖高度之和；(2)采用自下往上或者自上往下的方法刻蝕、電鍍互聯(lián)孔；(3)在硅片上表面淀積金屬種子層；(4)在硅片上表面利用30μm厚膠光刻焊點圖形，電鍍形成焊點；(5)光刻、腐蝕金屬信號線；(6)使用2.3μm光刻膠光刻出懸臂梁的圖形；(7)反應離子刻蝕出懸臂梁的形狀，刻蝕深度為懸臂梁厚度；(8)去除光刻膠，二次反應離子刻蝕，釋放懸臂梁結構，露出探針針尖。
在所述的制備工藝中腐蝕深槽時保留的硅薄膜厚度等于探針高度與懸臂梁厚度之和。這樣，當懸臂梁釋放刻蝕到所設計的厚度時，探針高度也同時達到預定設計值。
在所述的制備工藝中腐蝕深槽完成后，去掉氧化層掩膜，進行無掩膜的KOH腐蝕，得到一個較緩的(311)面，以便于后面光刻金屬信號線時光刻膠可以完全覆蓋深槽邊緣。
在所述的制備工藝中光刻金屬信號線時采用噴膠光刻的方法。噴膠厚度為5μm～10μm。光刻時深槽底部的信號線會由于衍射效應造成分辨率降低。如果曝光光線波長為λ，腐蝕深槽深度為g，lCD為深槽底部光刻的極限分辨率。則極限分辨率的可以由以下公式計算lCD=λg---(1)]]>這種衍射造成分辨率降低的現(xiàn)象在版圖設計時，應該被同時納入到信號線線寬之中。
在所述的制備工藝中自下往上刻蝕、電鍍互聯(lián)孔由以下制作方法實現(xiàn)(1)從硅片下表面自下往上反應離子刻蝕互聯(lián)孔；
(2)硅片表面淀積絕緣層；(3)硅片上表面淀積金屬種子層；(4)電鍍金屬鎳密封互聯(lián)孔上方開口；(5)自上往下電鍍金屬鎳填充互聯(lián)孔；(6)硅片下表面化學機械拋光。
在所述的制備工藝中自上往下刻蝕、電鍍互聯(lián)孔由以下制作方法實現(xiàn)(1)在硅片正面深槽各向異性腐蝕倒金字塔形淺坑，腐蝕至坑底尺寸達到設計探針針尖尺寸為止；(2)從硅片上表面自上往下反應離子刻蝕互聯(lián)孔；(3)硅片表面淀積絕緣層；(4)硅片下表面粘上一片黏附片，黏附片表面預先淀積好金屬種子層；(5)自下往上電鍍金屬鎳填充互聯(lián)孔；(6)分離黏附片。
在所述的制備工藝中，利用兩次反應離子刻蝕釋放懸臂梁。第一次刻出懸臂梁形狀，刻蝕深度為懸臂梁厚度。去除光刻膠掩膜后進行第二次反應離子刻蝕，在釋放懸臂梁的同時使嵌在互聯(lián)孔中的探針針尖暴露出來。
由此可見本發(fā)明提供的微機械圓片級芯片測試探卡，包括探針針尖、懸臂梁、信號線和封裝焊球，其特征在于①探針針尖制作在懸臂梁的末端，且嵌入在互聯(lián)孔中，懸臂梁的另一端與硅片連為一體；②探針針尖與封裝焊球位于硅片的上下兩邊；③信號線位于懸臂梁上表面及腐蝕槽斜面。
所述的探卡中的每個探針針尖大小相等或者不等，且直徑在5μm～35μm之間。
探針與懸臂梁之間的絕緣層為二氧化硅、氮化硅或二氧化硅與氮化硅的組合；絕緣層厚度為0.5～3μm之間。
信號線是由噴膠光刻鈦銅金屬層形成。
綜上所述，利用本發(fā)明的方法制作的微機械圓片級芯片測試探卡具有以下優(yōu)點(1)采用了硅懸臂梁和金屬探針針尖相結合的結構，可以獲得很高的探針平面度，保證應用過程中所有探針可以同時、均勻、有效地探測待測芯片；(2)采用將互聯(lián)孔設置在懸臂梁上的結構，避免了刻蝕穿整片硅片厚度，電鍍貫穿整片硅片的工藝困難，極大簡化了制作工藝；(3)采用將探針針尖與互聯(lián)孔同時制作的方法，與現(xiàn)有技術中探針針尖和互聯(lián)孔分離制作相比較，進一步簡化了制作工藝；(4)采用了獨特的信號引線方式，利用在深槽斜坡上光刻圖形的技術，為將信號從探針針尖連接到封裝焊點提供了方便；(5)采用釋放懸臂梁的同時暴露出探針針尖的方法，簡化了工藝步驟；(6)采用了電鍍封裝焊點的封裝方法，便于與后續(xù)PCB電路板封裝焊接，并最終與自動檢測設備連接。


下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明圖1是本發(fā)明提供的微機械圓片級芯片測試探卡的橫截面結構示意2是本發(fā)明提供的微機械圓片級芯片測試探卡的三維立體結構示意3是實施例1中KOH腐蝕形成深槽圖4是實施例1中從硅片背面自下往上刻蝕互聯(lián)孔圖5是實施例1中淀積絕緣層后濺射金屬層圖6是實施例1中利用光刻膠作掩膜電鍍鎳封口圖7是實施例1中利用光刻膠保護自上往下電鍍填充互聯(lián)孔圖8是實施例1中硅片背面化學機械拋光后，正面電鍍錫銀焊點圖9是實施例1中回流焊球，光刻形成金屬信號線，漂去暴露的SiO2圖10是實施例1中硅片背面利用光刻膠掩膜刻蝕懸臂梁形狀圖11是實施例1中刻蝕穿硅薄膜釋放懸臂梁，露出探針針尖圖12是實施例2中第二次KOH腐蝕形成倒金字塔形淺坑圖13是實施例2中反應離子刻蝕形成互聯(lián)孔，并在硅片表面淀積絕緣層圖14是實施例2中另取一片黏附片，并在表面濺射金屬種子層圖15是實施例2中用光刻膠把黏附片粘在硅片下表面，去除孔中光刻膠圖16是實施例2中自下往上電鍍鎳填充互聯(lián)孔，并在下表面化學機械拋光，上表面濺射金屬層圖17是實施例2中電鍍錫銀焊點，光刻金屬信號線，漂去暴露的SiO2圖18是實施例2中回流焊球，背面用光刻膠作掩膜刻蝕懸臂梁形狀圖19是實施例2中刻蝕穿硅薄膜釋放懸臂梁，露出探針針尖圖中數(shù)字分別表示1——硅懸臂梁；2——絕緣層；3——互聯(lián)孔；4——探針針尖；5——封裝焊球；6——信號線；7——硅片；8——氧化層；9——硅薄膜；10——互連孔；11——鈦銅金屬層；12——光刻膠掩膜；13——互連孔上部開口；14——光刻膠覆蓋層；15——電鍍鎳互連孔；16——封裝焊點；17——硅薄膜背面光刻膠；18——懸臂梁圖形；19——KOH腐蝕窗口；20——倒金字塔形狀；21——帶針尖形狀的互連孔；22——黏附片；23——鉻銅金屬層；24——厚光刻膠；25——帶針尖的鎳互連孔。
具體實施例方式
下面通過具體實施例進一步闡述本發(fā)明提供的微機械圓片級芯片測試探卡及其制造方法的實質(zhì)性特點和顯著進步。但本發(fā)明決非僅限于實施例。
實施例11、在(100)雙面拋光硅片7正反兩面淀積或氧化1.5～2.5μm厚氧化層8作腐蝕掩膜，光刻腐蝕窗口，利用50℃、40％KOH溶液進行腐蝕，腐蝕深度約300μm，保留硅薄膜9厚度為懸臂梁厚度與探針高度之和(圖3)；2、光刻硅片7背面的氧化層8作為掩膜，刻蝕穿硅薄膜9形成互聯(lián)孔10(圖4)；3、去除硅片7表面的氧化層8，在硅片及互聯(lián)孔表面氧化生成2.0μm厚SiO2絕緣層2，在硅片上表面濺射5000鈦銅金屬層11(圖5)；4、在硅片7正面噴膠光刻10μm厚光刻膠掩膜12，以鈦銅金屬層11為種子層電鍍鎳封住互聯(lián)孔上部開口13(圖6)；5、噴膠5μm左右光刻膠覆蓋層14保護硅片7正面，隨后自上而下電鍍鎳互聯(lián)孔15(圖7)；6、對硅片7下表面進行化學機械拋光，以硅片7上表面的鈦銅金屬層11為種子層，電鍍錫銀封裝焊點16(圖8)；7、噴膠光刻鈦銅金屬層11形成信號線6，回流錫銀封裝焊點16形成封裝焊球5，采用氫氟酸漂去硅片7表面暴露的SiO2層(圖9)；8、利用硅薄膜背面光刻膠17作為掩膜，采用反應離子各向異性刻蝕，在保留的硅薄膜9上形成懸臂梁圖形18，刻蝕深度為懸臂梁厚度(圖10)；9、去除光刻膠17，再次利用反應離子各向異性刻蝕穿硅薄膜9，最終釋放硅懸臂梁1，露出探針針尖4，并將針尖周圍SiO2層用氫氟酸漂去(圖11)。
實施例21、同實施例1，在(100)雙面拋光硅片7正反兩面淀積或氧化1.5～2.5μm厚氧化層8作為腐蝕掩膜，光刻腐蝕窗口，利用50℃、40％KOH溶液進行腐蝕，腐蝕深度約300μm，保留硅薄膜9厚度為懸臂梁厚度與探針高度之和(圖3)；2、在硅片7表面淀積或氧化5000氧化層，利用噴膠光刻形成腐蝕窗口19，進行第二次KOH腐蝕，在硅薄膜9上形成倒金字塔形狀20(圖12)；3、利用反應離子刻蝕自上往下刻穿硅薄膜9，形成帶針尖形狀的互聯(lián)孔21，隨后在硅片7表面氧化生成2μm厚SiO2絕緣層2(圖13)；4、另取一片硅片作為黏附片22，在其表面濺射2000鉻銅金屬層23(圖14)；5、采用4μm厚光刻膠24將黏附片22粘在硅片7下表面，利用光刻顯影去除互聯(lián)孔中的光刻膠24，露出黏附片22上表面的鉻銅金屬層23(圖15)；6、利用電鍍鎳自下往上填充互聯(lián)孔，形成帶針尖的鎳互連孔25，采用丙酮浸泡分離黏附片，并用化學機械拋光硅片7下表面，隨后在硅片7上表面濺射5000鈦銅金屬層11(圖16)；7、以硅片7上表面的鈦銅金屬層11為種子層，電鍍錫銀焊點16，噴膠光刻鈦銅金屬層11形成金屬信號線6，并采用氫氟酸漂去硅片7表面暴露的SiO2層(圖17)；8、回流錫銀封裝焊點16形成封裝焊球5，在硅薄膜9上利用光刻膠17反應離子刻蝕出懸臂梁圖形18，刻蝕深度為懸臂梁厚度(圖18)；9、去除光刻膠17，再次利用反應離子各向異性刻蝕穿硅薄膜9，最終釋放懸臂梁1，露出探針針尖4，并將針尖周圍SiO2層用氫氟酸漂去(圖19)。
權利要求
1.一種微機械圓片級芯片測試探卡，包括探針針尖、懸臂梁、信號線和封裝焊球，其特征在于①探針針尖制作在懸臂梁的末端，且嵌入在互聯(lián)孔中，懸臂梁的另一端與硅片連為一體；②探針針尖與封裝焊球位于硅片的上下兩邊；③信號線位于懸臂梁上表面及腐蝕槽斜面。
2.按權利要求1所述的微機械圓片級芯片測試探卡，其特征在于所述測試探卡中懸臂梁的位置排佈根據(jù)待測芯片管腳位置的分布進行安排。
3.按權利要求1或2所述的微機械圓片級芯片測試探卡，其特征在于探卡中所有懸臂梁的厚度一致。
4.按權利要求1所述的微機械圓片級芯片測試探卡，其特征在于所述的探卡中的每個探針針尖大小相等或者不等，且直徑在5μm～35μm之間。
5.按權利要求1或2所述的微機械圓片級芯片測試探卡，其特征在于探針與懸臂梁之間的絕緣層為二氧化硅、氮化硅或二氧化硅與氮化硅的組合；絕緣層厚度為0.5～3μm之間。
6.按權利要求1所述的微機械圓片級芯片測試探卡，其特征在于信號線是由噴膠光刻鈦銅金屬層形成。
7.按權利要求1所述的微機械圓片級芯片測試探卡，其特征在于封裝焊球是由回流錫/銀或鉛/錫封裝焊點而成的。
8.制作如權利要求1、2、4、5、6或7所述的微機械圓片級芯片測試探卡的方法，其特征在于在(100)硅片利用氧化層作掩膜，且各向異性腐蝕產(chǎn)生深槽后，采用自上往下或自下往上兩種不同的刻蝕、電鍍互聯(lián)孔方法，在制作正面與背面的信號互聯(lián)孔的同時制作出探針針尖，利用兩次反應離子刻蝕釋放懸臂梁的同時露出探針針尖，具體制作步驟是(A)自下往上刻蝕、電鍍互聯(lián)孔時的制作方法①在(100)雙面拋光硅片正反兩面淀積或氧化1.5～2.5μm厚度的氧化層作腐蝕掩膜，光刻腐蝕窗口，利用50℃、40％KOH溶液進行腐蝕，保留硅薄膜的厚度為懸臂梁厚度與探針高度之和；②光刻硅片背面的氧化層作為掩膜，刻蝕穿硅薄膜形成互聯(lián)孔；③去除硅片表面的氧化層，在硅片及互聯(lián)孔表面氧化絕緣層，在硅片上表面濺射鈦銅金屬層；④在硅片正面噴膠且光刻膠掩膜，以鈦銅金屬層為種子層電鍍鎳封住互聯(lián)孔上部的開口；⑤噴膠光刻膠覆蓋層保護硅片正面，隨后自上而下電鍍鎳互聯(lián)孔；⑥對硅片下表面進行化學機械拋光，以硅片上表面的鈦銅金屬層為種子層，電鍍錫銀封裝焊點；⑦噴膠光刻鈦銅金屬層形成信號線，回流錫銀或鉛錫封裝焊點形成封裝焊球，采用氫氟酸漂去硅片表面暴露的絕緣層；⑧利用硅薄膜背面光刻膠作為掩膜，采用反應離子各向異性刻蝕，在保留的硅薄膜上形成懸臂梁圖形，刻蝕深度為懸臂梁厚度；⑨去除光刻膠，再次利用反應離子各向異性刻蝕穿硅薄膜，最終釋放硅懸臂梁，且同時露出探針針尖，并將針尖周圍絕緣層用氫氟酸漂去；(B)自上往下刻蝕、電鍍互聯(lián)孔時的制作方法①在(100)雙面拋光硅片正反兩面淀積或氧化1.5～2.5μm厚度的氧化層作為腐蝕掩膜，光刻腐蝕窗口，利用50℃、40％KOH溶液進行腐蝕，保留硅薄膜厚度為懸臂梁厚度與探針高度之和；②在硅片表面淀積或氧化氧化層，利用噴膠光刻形成腐蝕窗口，進行第二次KOH腐蝕，在硅薄膜上形成倒金字塔形狀；③利用反應離子刻蝕自上往下刻穿硅薄膜，形成帶針尖形狀的互聯(lián)孔，隨后在硅片表面氧化生成絕緣層；④另取一片硅片作為黏附片，在其表面濺射鉻銅金屬層；⑤采用光刻膠將黏附片粘在硅片下表面，利用光刻顯影去除互聯(lián)孔中的光刻膠，露出黏附片上表面的鉻銅金屬層；⑥利用電鍍鎳自下往上填充互聯(lián)孔，形成帶針尖的鎳互連孔，采用丙酮浸泡分離黏附片，并用化學機械拋光硅片下表面，隨后在硅片上表面濺射鈦銅金屬層；⑦以硅片上表面的鈦銅金屬層為種子層，電鍍錫銀或鉛錫焊點，噴膠光刻鈦銅金屬層形成金屬信號線，并采用氫氟酸漂去硅片表面暴露的絕緣層；⑧回流錫銀或鉛錫封裝焊點形成封裝焊球，在硅薄膜上利用光刻膠反應離子刻蝕出懸臂梁圖形，刻蝕深度為懸臂梁厚度；⑨去除光刻膠，再次利用反應離子各向異性刻蝕穿硅薄膜，最終釋放懸臂梁，同時露出探針針尖，并將針尖周圍絕緣層用氫氟酸漂去。
9.按權利要求8所述的微機械圓片級芯片測試探卡的制作方法，其特征在于光刻信號線時采用噴膠光刻方法時，所設計深槽底部信號線線寬的增加lCD=λg]]>，式中λ為光刻時曝光光線波長，g為腐蝕深槽深度，lCD為深槽底部光刻的極限分辨率。
10.按權利要求8所述的微機械圓片級芯片測試探卡的制作方法，其特征在于光刻金屬信號線采用噴膠光刻方法的噴膠厚度為5～10μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機械圓片級芯片測試探卡及制作方法，所述的包括探針針尖、懸臂梁、信號線和封裝焊球，其特征在于①探針針尖制作在懸臂梁的末端，且嵌入在互聯(lián)孔中，懸臂梁的另一端與硅片連為一體；②探針針尖與封裝焊球位于硅片的上下兩邊；③信號線位于懸臂梁上表面及腐蝕槽斜面；所述測試探卡中懸臂梁的位置排佈根據(jù)待測芯片管腳位置的分布進行安排。制作方法是其特征在于采用自上往下或自下往上兩種不同的方法，在制作正面與背面的信號互聯(lián)孔的同時制作出探針針尖，利用兩次反應離子刻蝕釋放懸臂梁的同時露出探針針尖。所制作探卡可以獲得很高的探針平面度，且便于與后續(xù)PCB電路板封裝焊接。
文檔編號B81B7/00GK101030548SQ200710038538
公開日2007年9月5日 申請日期2007年3月27日 優(yōu)先權日2007年3月27日
發(fā)明者李昕欣, 汪飛 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所