專利名稱：微機械芯片測試探卡及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用微機械方法實現(xiàn)芯片測試探卡及制作方法，屬于微機械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，集成電路制造業(yè)在我國迅速發(fā)展，隨著工藝水平和設(shè)計水平的不斷提高，芯片面積越來越小，芯片的功能也越來越復(fù)雜；同時芯片封裝成本在芯片制造中所占的比重也越來越大，因此，在芯片封裝前對芯片的直流、交流等參數(shù)，以及芯片功能的測試變得越來越重要。然而隨著芯片面積的減小、芯片的管腳不斷增多、管腳之間的距離越來越小。探卡主要用于在集成電路芯片生產(chǎn)過程中，在封裝前對芯片功能和各種電學(xué)性質(zhì)進行測試，避免不必要的封裝代價。傳統(tǒng)的測試探針已經(jīng)難以滿足測試的需要。傳統(tǒng)的探針帶來的寄生電容、寄生電感等問題對測試結(jié)果也產(chǎn)生很大的影響。其次，由于不同的芯片管腳分布各不相同，因此，測試不同的芯片需要不同的探卡，這就使得使用傳統(tǒng)探卡進行測試的成本升高。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有一些相應(yīng)的探卡方面研究，但在不同程度和不同方面均存在一些問題，難以投入到生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中。例如Mr.Mark Beily曾在“A Micromachined Arary ProbeCard-Fabrication Process”(IEEE transactions on components，packaging，andmanufacturing technology-Part B，Vol.18，No.1.February(1995)中提到一種薄膜結(jié)構(gòu)的陣列式探卡(如圖1)，將針尖(probetip)做在由聚酰亞胺(polyimide)形成的薄膜當(dāng)中，并從中將針尖通過鋁引線(aluminum conductor)與測試電路(test circuitry)相連。這種結(jié)構(gòu)大大減小了針尖同測試電路之間的走線距離，很好的解決了寄生電感的影響，但是在芯片管腳較多的情況下，由于聚酰亞胺形成的薄膜難以提供足夠的壓力保證每個探針同芯片管腳之間形成良好的電學(xué)接觸，從而限制了應(yīng)用。
是否可采用懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)，同時利用玻璃背面引線技術(shù)，即能夠在解決寄生效應(yīng)影響的同時，利用外部壓力使懸臂梁產(chǎn)生一定程度彎曲，能夠保證探針同芯片管腳之間的接觸良好，從而引出本發(fā)明的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種微機械芯片測試探卡及制造方法，它是采用微機械的方法在硅片上實現(xiàn)探卡的制造，本發(fā)明的探卡是由按照芯片管腳分布而排布的懸臂梁陣列實現(xiàn)的，針尖在懸臂梁的末端，并且保證每個針尖的位置與相應(yīng)的芯片管腳的位置一致。懸臂梁一端是探針，另一端鍵合在玻璃上。玻璃同時用作背面引線，引線將探針上的信號傳輸?shù)綔y試電路。在一片硅片上通過改變探針的分布可以實現(xiàn)適用于不同芯片的探卡，從而降低了探卡的成本。根據(jù)芯片管腳之間的距離可以確定懸臂梁的寬度，在確定探卡同玻璃之間的距離(本發(fā)明為20μm)的情況下，由于探針針尖對芯片管腳要有一個大于2×10-2牛頓的力才能刺破鋁管腳的自然氧化層，因此可以確定懸臂梁的長度。同時，懸臂梁最大所能承受的斷裂應(yīng)力為5×108牛頓，結(jié)合工藝條件可以確定懸臂梁的高度。
本發(fā)明的目的是通過以下方法實現(xiàn)的，它的制備工藝包括以下各步驟(1)在一塊硅片上氧化生成4000～6000埃左右的氧化層，光刻刻出圖形區(qū)；(2)在硅片正面用KOH或四甲基氫氧化銨等腐蝕液各向異性腐蝕刻出60～70μm左右的深槽；(3)涂膠、光刻，采用剝離工藝在深槽上蒸一層鋁；(4)硅片正面雙層涂膠形成兩層不同圖形的掩膜，先涂1.8μm薄膠，后光刻，堅膜后再涂厚膠4μm進行光刻；(5)薄膠做掩膜進行反應(yīng)離子刻蝕，刻出梁的形狀和臺階結(jié)構(gòu)，去掉薄膠，進行第二次刻蝕，深度為梁和玻璃之間的距離；(6)準(zhǔn)備一塊pyrex7740玻璃片，將上述刻好需要圖形的硅片與玻璃片正面在350～400℃的溫度下進行鍵合；(7)玻璃片底面涂上黑蠟沾在石英玻璃板上；(8)泡掉黑蠟，將玻璃放入KOH或四甲基氫氧化銨溶液中將鍵合的硅片腐蝕掉，且用HF酸對玻璃進行腐蝕，產(chǎn)生引線所需的孔，同時再玻璃表面蒸鋁、光刻，濕法腐蝕出金屬引線；(9)將腐蝕好的玻璃底面與前面(1)-(5)的5個步驟完成的硅片正面進行鍵合；(10)鍵合后的硅片底面進行減薄，光刻出針尖的圖形；(11)各向同性反應(yīng)離子刻蝕刻出針尖；(12)使用(10)中的掩膜進行各向異性反應(yīng)離子刻蝕刻出針體，此時同時將懸臂梁的結(jié)構(gòu)釋放出來；(13)在針尖和懸臂梁上濺射鋁、鎢，背面引線使探針能夠?qū)С鲭娦盘枴?br> 在所述的制備工藝是先在SiO2掩膜下進行各向異性腐蝕，當(dāng)腐蝕到要求的深度時去掉SiO2掩膜，進行無掩膜的各向異性腐蝕液如KOH腐蝕，或四甲基氫氧化銨腐蝕腐蝕出一個較緩的(311)面的坡度以保證鋁能夠完全覆蓋深槽的邊緣。
在所述的制備工藝中蒸鋁采用了剝離工藝。硅片表面膠厚度為5μm左右，槽底部有大約20μm左右厚度的光刻膠，延長曝光時間可將深槽底部的光刻膠完全曝透。
在所述的制備工藝中采用了兩次涂膠作為反應(yīng)離子刻蝕的掩膜，先涂薄膠1.8μm，光刻后再涂厚膠(厚度4μm左右)進行光刻。第一次反應(yīng)離子刻蝕后去掉薄膠，然后進行第二次反應(yīng)離子刻蝕。兩次刻蝕刻出梁的臺階。且臺階在最后針尖和懸臂梁上濺射鋁、鎢時起自動隔斷作用，從而避免了光刻帶來的麻煩。
在所述的制備工藝中對玻璃腐蝕采用了硅片作為掩膜。首先將刻好圖形的硅片與玻璃正面鍵合保護正面，然后用黑蠟將玻璃粘在另一塊石英玻璃板上保護玻璃底面。
在所述的制備工藝中，兩次反應(yīng)離子刻蝕，第一次各向同性刻出針尖，第二次仍然使用第一次刻蝕的掩膜進行各向異性刻蝕刻出針體。針尖形貌和高度可通過改變刻蝕時間進行控制，在針尖形成的過程中同時也將梁的結(jié)構(gòu)釋放出來。
由本發(fā)明提供的制備工藝制作的探卡其結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成，分別是針體和玻璃提供的背面引線部分。針尖分布在梁的一端，在使用當(dāng)中針尖刺破待測芯片管腳的氧化鋁層，將信號引出。刺破氧化鋁層的力由懸臂梁彎曲提供。針尖引出的信號由金屬3、2導(dǎo)出到硅片背面。金屬2由導(dǎo)線1與玻璃上的金屬線路相連，從而導(dǎo)通到測試電路當(dāng)中去。在懸臂梁和玻璃之間有一個大約20μm的間隙6，該間隙限定了懸臂梁的最大撓度。當(dāng)懸臂梁到達最大撓度時，在針尖產(chǎn)生的壓力必須能夠大到能刺穿芯片管腳氧化層。由于芯片管腳分布在探卡設(shè)計時是一定的，因此在懸臂梁最大撓度、壓力以及寬度確定時，根據(jù)彈性力學(xué)知識，懸臂梁的長度、高度和懸臂梁最大撓度、壓力以及寬度之間有確定的相互關(guān)系，通過它們之間的關(guān)系可以得出懸臂梁的高度和長度。懸臂梁的具體尺寸設(shè)計如下如圖16所示，L是懸臂梁的長度，b是懸臂梁的寬度，h是懸臂梁的高度，w為懸臂梁與玻璃之間的間隙的高度，設(shè)E為楊氏模量.ωmax為梁末端的最大撓度，其值等于w，F(xiàn)是針尖壓芯片管腳時對梁的壓力。由彈性力學(xué)的知識可以得到ωmax=4FL3Ebh3---(1)]]>于是Lh=Ebωmax4F3---(2)]]>由于懸臂梁的最大應(yīng)力出現(xiàn)在梁的根部Tmax=6FLbh2---(3)]]>同時假設(shè)硅材料能承受的最大應(yīng)力為δr，則有6FLbh2≤δr---(4)]]>將(2)代入(4)得到6Fbh3Ebwmax4F≤δr]]>經(jīng)簡化后得到h≥6Fbδr3Ebωmax4F]]>h≥3.78δr3EF2ωmaxb2---(5)]]>考慮到工藝的可實施性，應(yīng)使梁的高度盡量小。由于懸臂梁的寬度b應(yīng)該盡量取大，由芯片管腳之間的距離限制，梁的寬度只能取到接近管腳距離，ωmax由間隙距離確定，F(xiàn)最小必須大于2×10-2N才能使針尖刺破管腳氧化層。由此我們可以得到符合要求的梁的高度值b。再根據(jù)公式(2)，我們可以得到懸臂梁的長度L。
同時，芯片管腳排布并不是完全規(guī)則的，所以每根懸臂梁的寬度相等或不相等，也即不一定相等，考慮工藝方面的可行性，我們對每根梁的高度h取定值，只需保證都能滿足公式(5)，因此梁的長度取值不盡相同。
利用本發(fā)明的方法制造芯片測試探針的優(yōu)點在于(1)懸臂梁的尺寸靈活，其高度、寬度和長度相互影響，在其中一個或兩個量受限制情況下(比如有的芯片管腳間距較小，從而懸臂梁的寬度受到限制)，可以改變剩下量的尺度而達到相應(yīng)的力學(xué)結(jié)構(gòu)要求，這樣就能夠適應(yīng)不同芯片的探測要求，降低了測試成本；(2)獨特的背面引線，為將信號引出到測試電路提供了方便；(3)懸臂梁采用了雙層膠做掩膜刻出懸臂梁的臺階結(jié)構(gòu)，同時避免了反應(yīng)離子刻蝕后難以光刻的困難；(4)梁的臺階結(jié)構(gòu)在蒸金屬時起到了自動隔斷作用，簡化了工藝步驟，同時不使探針相互接觸；(5)釋放梁結(jié)構(gòu)與針尖的形成是同時完成的，因而簡化了工藝流程，而且能夠較為精確地控制梁的尺寸；(6)因它具有低的寄生電感，從而可用于高頻電路測試。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明圖1是Mr.Mark Beily薄膜陣列式探卡示意圖。
圖2是本發(fā)明提供的微機械測試探卡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是硅片氧化后光刻出圖形的示意圖。
圖4是硅片進行KOH腐蝕后，再在腐蝕槽里蒸一層鋁。
圖5是涂薄膠光刻，做第一次反應(yīng)離子刻蝕的掩膜。
圖6是涂厚膠光刻，做第二次反應(yīng)離子刻蝕的掩膜。
圖7是兩次反應(yīng)離子刻蝕后刻出的臺階示意圖。
圖8是對pyrex7740玻璃進行HF酸腐蝕前的掩膜結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9是玻璃腐蝕完成以及在玻璃上表面刻出金屬布線的示意圖。
圖10是硅-玻璃鍵合后的示意圖。
圖11是硅片減薄，然后光刻出針尖圖形的示意圖。
圖12是對針尖進行第一次各向同性反應(yīng)離子刻蝕后的示意圖。
圖13是第二次各向異性反應(yīng)離子刻蝕后的示意圖。
圖14是對針尖和梁蒸金屬后的示意圖。
圖15是背面引線后的示意圖。
具體實施例方式
下面通過具體實施例進一步闡述本發(fā)明提供的微機械芯片測試探卡及其制造方法的實質(zhì)性特點和顯著的進步。但本發(fā)明決非僅局限于實施例。
實施例1本發(fā)明的微機械芯片測試探卡的制作工藝過程舉例如下1.對一塊硅材料進行氧化生成大約5000左右的氧化層7，然后對硅片正面進行光刻刻出KOH腐蝕窗口8，如圖3所示。
2.將硅片放入50℃、40％濃度的KOH溶液中進行各向異性腐蝕，腐蝕出大約65um左右的深槽，然后用剝離工藝在深槽上蒸一層鋁9(圖4)。
3.硅片上表面涂一層1.8um厚的薄膠9，然后光刻出第一次反應(yīng)離子刻蝕圖形(圖5)。
4.薄膠堅膜后立即涂厚膠10，光刻出第二次反應(yīng)離子刻蝕圖形(圖6)。
5.兩次反應(yīng)離子刻蝕刻出梁的形狀和臺階，如圖7所示。由于薄膠較薄，第一次反應(yīng)離子刻蝕后同時對膠進行刻蝕。當(dāng)薄膠刻完之后，后膠還有相當(dāng)一部分殘留，可作為第二次反應(yīng)離子刻蝕的掩膜(圖7)。
6.另外準(zhǔn)備一片pyrex7740玻璃片，正面與一片事先刻好圖形的硅片11鍵合，底面用黑蠟12與一塊石英玻璃板13粘在一起(圖8)。
7.用二甲苯泡掉黑蠟，然后將玻璃放入KOH或四甲基氫氧化銨溶液中將鍵合的硅片腐蝕掉，用HF酸對玻璃進行腐蝕，產(chǎn)生引線所需的孔腐蝕后的玻璃如圖9所示。玻璃正面蒸鋁，光刻刻出背面引線14。
8.帶有背面引線的玻璃15和刻出臺階的硅片16進行鍵合，如圖10所示。
9.用化學(xué)機械拋光方法對鍵合后的硅片進行減薄，然后光刻出針尖圖形17，如圖11所示。
10.各向同性反應(yīng)離子刻蝕刻出針尖，如圖12所示。
11.利用步驟9中的掩膜對硅片進行各向異性刻蝕，刻出針體，同時由于硅片整體被向下刻蝕，此時可以把梁的結(jié)構(gòu)釋放出來，如圖13所示。
12.對硅片蒸金屬，先蒸一層鋁19，此時硅片底部的鋁和原來深槽里的鋁已經(jīng)接觸，可將探針的信號引出。此時再蒸一層鎢20。此時在步驟5中刻出的臺階自動將不同探針互相隔斷，其中18即為蒸在空隙的金屬，如圖14所示。
13.背面引線1，完成探卡制作并具有圖2所示的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種微機械芯片測試探卡，包括針尖和引線，其特征在于按照芯片管腳分布而排布的懸臂梁陣列實現(xiàn)的，針尖在懸臂梁的末端，懸臂梁另一端鍵合在玻璃上，玻璃同時用作背面引線，引線將探針上的信號傳輸?shù)綔y試電路。
2.按權(quán)利要求1所述的微機械芯片測試探卡，其特征在于所述的每根懸臂梁的寬度相等或不相等；高度取定值，應(yīng)滿足關(guān)系式h≥3.7δδrEF2ωmaxb23,]]>式中h為懸臂梁的高度，E為楊氏模量，ωmax懸臂梁末端的最大撓度，其值等于懸臂梁與玻璃之間的距離，F(xiàn)是針尖壓芯片管腳時對梁的壓力，最小必須大于2×10-2牛頓，b為懸臂梁的寬度，δr為硅材料能承受的最大應(yīng)力。
3.按權(quán)利要求1所述微機械芯片測試探卡，其特征在于所述的懸臂梁的臺階結(jié)構(gòu)起自動隔斷作用，不使探針相互接觸。
4.按權(quán)利要求2所述微機械芯片測試探卡，其特征在于懸臂梁和玻璃之間距離為20μm。
5.制備如權(quán)利要求1所述的微機械芯片測試探卡的方法，其特征在于制備工藝包括以下工藝步驟(a)在硅片上氧化生成4000～6000埃的氧化層，光刻刻出圖形區(qū)；(b)在硅片正面用KOH或四甲基氫氧化銨等腐蝕液各向異性腐蝕刻出60～70μm左右的深槽；(c)涂膠、光刻，采用剝離工藝在深槽上蒸一層鋁；(d)硅片正面雙層涂膠形成兩層不同圖形的掩膜，先涂1.8μm薄膠，后光刻，堅膜后再涂厚膠4μm進行光刻；(e)薄膠做掩膜進行反應(yīng)離子刻蝕，刻出梁的形狀和臺階結(jié)構(gòu)，去掉薄膠，進行第二次刻蝕，深度為梁和玻璃之間的距離；(f)取一塊pyrex7740玻璃片，將步驟(a)刻好需要圖形的硅片與玻璃片正面在350～400℃的溫度下進行鍵合；(g)玻璃片底面涂上黑蠟沾在石英玻璃板上；(h)泡掉黑蠟，將玻璃放入KOH或四甲基氫氧化銨溶液中將鍵合的硅片腐蝕掉，且用HF酸對玻璃進行腐蝕，產(chǎn)生引線所需的孔，同時再在玻璃表面蒸鋁、光刻，濕法腐蝕出金屬引線；(i)將腐蝕好的玻璃底面與步驟(a)～(e)前面5個步驟完成的硅片正面進行鍵合；(j)鍵合后的硅片底面進行減薄，光刻出針尖的圖形；(k)各向同性反應(yīng)離子刻蝕刻出針尖；(1)使用步驟(j)中的掩膜進行各向異性反應(yīng)離子刻蝕刻出針體，同時將懸臂梁的結(jié)構(gòu)釋放出來；(m)在針尖和懸臂梁上濺射鋁、鎢，背面引線使探針導(dǎo)出電信號。
6.按權(quán)利要求5所述的微機械芯片測試探卡的制造方法，其特征在于梁結(jié)構(gòu)釋放與針尖的形成是同時完成的。
7.按權(quán)利要求5所述的微機械芯片測試探卡的制造方法，其特征在于先在SiO2掩膜下進行各向異性腐蝕，當(dāng)腐蝕到要求的深度時去掉SiO2掩膜，進行無掩膜的KOH腐蝕，腐蝕出一個較緩的(311)面的坡度，使鋁完全覆蓋深槽邊緣。
8.按權(quán)利要求5所述的微機械芯片測試探卡的制造方法，其特征在于黑蠟是用二甲苯泡掉。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機械芯片測試探卡及制造方法，它是采用微機械的方法在硅片上實現(xiàn)探卡的制造，所述的探卡是由按照芯片管腳分布而排布的懸臂梁陣列實現(xiàn)的，針尖在懸臂梁的末端，并且保證每個針尖的位置與相應(yīng)的芯片管腳的位置一致。懸臂梁一端是探針，另一端鍵合在玻璃上。玻璃同時用作背面引線，引線將探針上的信號傳輸?shù)綔y試電路。在一片硅片上通過改變探針的分布可以實現(xiàn)適用于不同芯片的探卡，從而降低了探卡的成本。釋放梁結(jié)構(gòu)與針尖的形成同時完成，梁的臺階結(jié)構(gòu)在蒸金屬時起了自動隔斷作用。
文檔編號B81B7/00GK1610087SQ20041006793
公開日2005年4月27日 申請日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月5日
發(fā)明者李昕欣, 郭南翔, 王躍林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所