專利名稱：晶片探測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及主要用于半導體行業(yè)的晶片探測器，尤其是涉及薄而輕且具有良好的熱響應動力學的晶片探測器。
背景技術：
半導體對各種行業(yè)來說是極其重要的產品，半導體芯片通過例如把硅單晶切成預定厚度來制備硅晶片并在晶片上構成各種電路而制造的。
生產這種半導體芯片的工藝必須包括用于在硅晶片階段檢查是否將按設計使各種電學特性具體化的探測步驟，所謂的探測器正是用于這一目的。
作為這種探測器，其中尤其是日本專利出版2587289、日本公告出版Hei-3-40947以及日本公開出版Hei-11-31724描述了晶片探測器，每一種都設有包括鋁合金、不銹鋼等金屬卡盤蓋(chuck top)[

圖13]。
如圖12所示，利用這種晶片探測器，例如把硅晶片W設定在晶片探測器501上，把具有測試引腳的探測卡601壓在硅晶片W上，然后，在加熱和冷卻時加上電壓，以進行電導率測試。
然而，已發(fā)行設有這種金屬卡盤蓋的任何晶片探測器有以下缺點。
首先，由于包括金屬，所以卡盤蓋必須厚達約15mm。這一厚度是卡盤蓋所需的，因為如果卡盤蓋是由薄的金屬片形成的，則由于探測器卡的測試器引腳的擠壓，該卡盤蓋將翹曲或應變，其結果是置于金屬片上的硅晶片將被損壞或傾斜。
因此，必須充分地增加卡盤蓋的厚度，但這樣增加了重量和體積。
此外，盡管使用導熱率高的金屬，但是熱響應動力學較差，即卡盤蓋片的溫度并沒有快速地跟隨電壓或電流的變化，從而幾乎不能控制溫度，當設在其上的硅晶片處于高溫時，完全不能控制該溫度。

發(fā)明內容
針對本領域的上述情況，本發(fā)明的目的在于提供一種晶片探測器，它重量輕、熱響應動力學極佳且在用探測卡按壓時沒有翹曲，因而能有效地防止對硅晶片的損壞和測量誤差。
為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的發(fā)明人在進行了深入的研究后發(fā)現(xiàn)，替代金屬卡盤蓋，當硬度高的陶瓷材料設有用作卡盤蓋導體層的導體層時，獲得了薄而沒有翹曲困擾的晶片探測器。
此外，發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，由于金屬片的厚度太大而使金屬片具有高的熱容量，所以盡管使用導熱率高的金屬，具有金屬卡盤蓋的晶片探測器的熱響應特性仍較弱，本發(fā)明獲得了與通常的看法完全相反的新的技術思想，那就是即使陶瓷材料的導熱率次于金屬，但使用陶瓷材料有助于通過減小其厚度而降低熱容量，繼而實現(xiàn)熱響應動力學的提高。本發(fā)明源自于以上發(fā)現(xiàn)。
因此，本發(fā)明旨在一種晶片探測器，它包括陶瓷基底和在其表面上形成的導體層(卡盤蓋導體層)。
在所述晶片探測器中，所述陶瓷基底最好設有溫控裝置。
在所述晶片探測器中，所述陶瓷基底最好是由從基本上由氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和氧化物陶瓷構成的組中選出的至少一個成分所構成。
此外，所述溫控裝置最好是Peltier(珀耳貼效應)器件或加熱元件。
此外，在所述晶片探測器中，在所述陶瓷基底中最好有至少一個或多個導體層，其表面最好形成有槽(channel)。
此外，最好在所述陶瓷基底的表面上形成設有吸氣孔的槽。
附圖概述圖1是示出依據(jù)本發(fā)明的晶片探測器的一個例子的示意剖面圖。
圖2是圖1所示晶片探測器的平面圖。
圖3是圖1所示晶片探測器的底視圖。
圖4是沿圖1的線A-A所取的剖面正視圖。
圖5是示出依據(jù)本發(fā)明的晶片探測器的另一個例子的示意剖面圖。
圖6是示出依據(jù)本發(fā)明的晶片探測器的再一個例子的示意剖面圖。
圖7是示出依據(jù)本發(fā)明的晶片探測器的又一個例子的示意剖面圖。
圖8是示出配有平臺的本發(fā)明的晶片探測器的示意剖面圖。
圖9(a)是配有另一個平臺的本發(fā)明的晶片探測器的示意縱向剖面圖，圖9(b)是沿(a)的線B-B所取的剖面圖。
圖10(a)到(d)是示出依據(jù)本發(fā)明制造晶片探測器的工藝的幾個階段的示意剖面圖。
圖11(e)到(g)是示出依據(jù)本發(fā)明制造晶片探測器的工藝的幾個階段的示意剖面圖。
圖12是示出本發(fā)明的晶片探測器所執(zhí)行的電導率測試的示意剖面圖。
圖13是示出常規(guī)晶片探測器的示意剖面圖。
標號說明101，201，301，401晶片探測器2卡盤蓋導體層3陶瓷基底5保護電極6接地電極7槽8吸氣孔10熱絕緣體11平臺12噴嘴(blow-out nozzle)13吸氣口14冷卻介質注入口15支柱(prop)16，17通孔180盲孔19，190，191外部端子引腳41，42加熱元件410保護層43金屬絲44 Peltier器件440熱電元件441陶瓷基底51導電層52非導體層形成區(qū)本發(fā)明的詳細描述現(xiàn)在詳細地描述本發(fā)明。
本發(fā)明的晶片探測器包括陶瓷基底及其表面上的導體層(卡盤蓋導體層)。以下，將把該導體層叫做“卡盤蓋導體層”。
由于在本發(fā)明中使用高硬度陶瓷基底，所以卡盤蓋不會在被探測卡的測試器引腳擠壓時翹曲，從而所述卡盤蓋的厚度可小于金屬卡盤蓋的厚度。
此外，由于與金屬卡盤蓋相比可如此減小所述卡盤蓋的厚度，所以盡管陶瓷與金屬相比其導熱率比較低，但在熱容量降低時仍可提高晶片探測器的熱響應動力學。
圖1是示出本發(fā)明的晶片探測器的一個例子的示意剖面圖；圖2是其平面圖；圖3是其底視圖；圖4是沿圖1的線A-A所取的剖面圖。
此晶片探測器包括在平面圖中為圓形且在其表面上形成有多個槽7的陶瓷基底3、戰(zhàn)略上(strategically)在所述槽7的一部分中形成的通過吸力來吸住硅晶片的多個吸氣孔8以及以環(huán)形的方式形成的在覆蓋包括所述槽7在內的所述陶瓷基底3的大部分時連到硅晶片的電極的卡盤蓋導體層2。
另一方面，如圖3所示，陶瓷基底3的底面設有平面圖中的同軸陣列的加熱元件的多個線圈41，加熱元件的所述線圈41的兩端固定于一外部端子引腳191。此外，保護電極5和接地登記6置于所述陶瓷基底3中，以避免寄生電容和噪聲。
本發(fā)明的晶片探測器可假設例如圖1到4所示的結構。以下，將依次詳細地描述本發(fā)明的所述晶片探測器和晶片探測器的其它例子的每個部件。
用于本發(fā)明的晶片探測器中的陶瓷基底最好是從主要由氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和氧化物陶瓷構成的組中選出的至少一個成分。
上述氮化物陶瓷其中包括諸如氮化鋁、氮化硅、氮化硼和氮化鈦陶瓷等金屬氮化物陶瓷。
上述碳化物陶瓷其中包括諸如碳化硅、碳化鋯、碳化鈦、碳化鉭和碳化鎢陶瓷等金屬氮化物陶瓷。
上述氧化物陶瓷其中包括諸如氧化鋁、氧化鋯、堇青石和多鋁紅柱石陶瓷等金屬氧化物陶瓷。
這些陶瓷都可單獨或組合地使用。
在這些陶瓷中，氮化物陶瓷和碳化物陶瓷優(yōu)于氧化物陶瓷，因為前兩種陶瓷的導熱率較佳。
此外，在氮化物陶瓷中，氮化鋁陶瓷是最佳的選擇，因為它具有180W/m·K的最高導熱率。
上述陶瓷材料最好包含200到1000ppm的碳。這部分是因為陶瓷基底的電極圖案可能被隱藏，部分因為可獲得高的輻射熱。碳可以是可通過X射線衍射分析檢測的結晶碳或不能這樣檢測的無定形碳。
本發(fā)明的卡盤蓋的陶瓷基底的厚度應大于卡盤蓋導體層的厚度，具體來說，最好在1到10mm的范圍內。
由于本發(fā)明中把硅晶片的背面用作電極，所以在陶瓷基底的表面上形成卡盤蓋導體層。
上述卡盤蓋導體層的厚度最好為1到20μm。如果導體層的厚度小于1μm，則其電阻太高，從而該層不能起到電極的作用。另一方面，如果厚度超過20μm，則該層因導體的應力而易剝落。
可使用從諸如銅、鈦、鉻、鎳、貴金屬(如，金、銀和鉑)、鎢和鉬等高熔點金屬中選出的至少一種金屬來構成卡盤蓋導體層。
卡盤蓋導體層可以是金屬或導體陶瓷的多孔層。在多孔層的情況下，如下所述不必設置用于通過吸力吸住的槽，這樣，可避免因存在這些槽而破壞晶片，且可實現(xiàn)在整個表面上通過吸力均勻地吸住。
作為這樣的多孔材料，可使用燒結金屬。
可使用的多孔材料的厚度為1到200μm?？赏ㄟ^焊接(solder)或銅焊(braze)把多孔材料固定于陶瓷基底。
卡盤蓋導體層最好包含鎳。這是因為這樣的層很堅固，從而不易因測試器引腳的擠壓力而變形。
卡盤蓋導體層的一個特定例子是通過濺射鎳然后在其上形成無電電鍍鎳層而構成的導體層，或者是通過依次濺射鈦、鉬和鎳并進一步通過無電電鍍或電鍍疊印(superimposition)地沉積鎳而構成的導體層。
導體層還可以是通過依次濺射鈦、鉬和鎳并進一步通過無電電鍍來依次沉積銅和鎳而構成的層。銅層的形成對減小卡盤蓋電極的電阻值有貢獻。
另一個導體層可以是通過依次濺射鈦和銅并進一步通過無電電鍍或電鍍在其上沉積鎳而形成的導體層。
此外，可通過依次濺射鉻和銅然后通過無電電鍍或電鍍疊印地沉積鎳來構成導體層。
如上所述，鈦和鉻對提高導體層對陶瓷的附著力有貢獻，而鉬保證了更好地附著到鎳。
鈦和鉻層的較佳厚度為0.1到0.5μm，鉬的較佳厚度為0.5到7.0μm，鎳的較佳厚度為0.4到2.5μm。
所述卡盤蓋導體層最好是由其表面上的貴金屬層(金、銀、鉑或鈀)形成的，這是因為貴金屬層防止基底金屬(base metal)的遷移而引起的沾污。所述貴金屬層的較佳厚度為0.01到15μm。
在本發(fā)明中，陶瓷基底最好設有溫控裝置，因為這樣可在加熱和冷卻時進行硅晶片的電導率測試。
溫控裝置不限于圖1所示的加熱元件41，而可以是Peltier器件。當使用加熱元件時，基底可設有諸如小孔(orifice)等用于鼓入諸如空氣等冷卻介質的冷卻裝置。
可在多層處設置加熱元件。在此情況下，一層處的圖案最好與另一層處的圖案互補，從而從加熱平面來看，圖案存在于一層處或另一層處。相互參差的排列是一適當?shù)睦印?br> 加熱元件可以是例如燒結金屬元件或導電陶瓷元件、金屬箔和金屬絲。較佳的燒結金屬為燒結的鎢和/或燒結的鉬。這些金屬相對難于被氧化，且具有發(fā)熱所需的足夠高的電阻值。
作為導電陶瓷，可使用鎢的碳化物和/或鉬。
當將在陶瓷基底的外部形成加熱元件時，較佳的燒結金屬是燒結的貴金屬(金、銀、鈀、鉑)或鎳。具體來說，可使用銀或銀-鈀。
用于所述燒結金屬的金屬粉末的形式可以是例如球狀、片狀或混合的球-片。
燒結金屬可包含所添加的金屬氧化物。金屬氧化物的內含物將保證提高金屬粉末對氮化物陶瓷或碳化物陶瓷的附著力。所述金屬氧化物增強金屬粉末對氮化物或碳化物陶瓷的附著力的原因不是非常清楚，但可能是通過待成為一體的金屬氧化物而使金屬粉末上形成的微小氧化膜與氮化物或碳化物陶瓷燒結在一起，從而可保證在金屬粉末與氮化物或碳化物陶瓷之間有良好的附著。
上述金屬氧化物最好是從氧化鉛、氧化鋅、二氧化硅、氧化硼(B2O3)、氧化鋁、氧化釔和氧化鈦構成的組中選出的至少一個成分。使用金屬氧化物的原因在于，這些氧化物改善了金屬粉末與氮化物或碳化物陶瓷之間的附著，而不增加加熱元件的電阻值。
以金屬粉末為基礎，上述金屬氧化物的比例最好不小于0.1個重量百分比且小于10個重量百分比。在此范圍內，可改善金屬粉末與氮化物或碳化物陶瓷之間的附著，而不引起電阻的過多增加。
把金屬氧化物的總量取作100個重量份(weight part)，則氧化鉛、氧化鋅、二氧化硅、氧化硼(B2O3)、氧化鋁、氧化釔和氧化鈦的較佳比例為，氧化鉛占1到10個重量份，二氧化硅占1到30個重量份，氧化硼占5到50個重量份，氧化鋅占20到70個重量份，氧化鋁占1到10個重量份，氧化釔占1到50個重量份，氧化鈦占1到50個重量份。然而，較佳的是它們的總量不超過100個重量份。這是因為這些范圍尤其有用于提高對氮化物陶瓷的附著力。
在把加熱元件置于陶瓷基底的表面時，加熱元件的表面最好覆蓋有金屬層410[圖11(e)]。加熱元件包括金屬粉末的燒結體，在暴露時，該加熱元件易于氧化，從而使電阻值發(fā)生變化?？赏ㄟ^給加熱元件的表面覆蓋一金屬層來防止這一氧化。
金屬層的厚度最好為0.1到10μm。在此范圍內，可避免加熱元件的氧化，而不改變加熱元件的電阻值。
用于所述涂層的金屬可以是任何不氧化的金屬。尤其是，可有利地使用從金、銀、鈀、鉑和鎳構成的組中選出的至少一種金屬。其中，鎳尤其較佳。這是因為，在必須給加熱元件設置連到電源的端子且這些端子焊接到加熱元件時，鎳防止了焊料的熱擴散。作為連接端子，可使用包括苯乙烯樹脂(copal)的端子引腳。
當在加熱板內形成加熱元件時，加熱元件的表面不氧化，從而它不需要覆蓋。當在加熱板內如此形成加熱元件時，可部分地暴露加熱元件的表面。
作為用作加熱元件的金屬箔，通過對鎳箔或不銹鋼箔進行圖案-蝕刻而形成的加熱元件是較佳的。
可把經構圖的金屬箔與樹脂膜等接合起來。
作為金屬絲，可以是上述的鎢絲、鉬絲等。
把Peltier器件用作所述溫控裝置的優(yōu)點在于，可通過改變電流的流動方向來實行加熱和冷卻。
如圖7所示，通過把p和n型熱電元件440串聯(lián)并把它們接合到例如陶瓷板441來形成Peltier器件。
作為Peltier器件，可以是上述的硅-鍺器件、鉍-銻器件以及鉛-碲器件。
在本發(fā)明中，最好至少一個電氣導電層夾在溫控裝置與卡盤蓋導體層之間。圖1所示的保護電極5和接地電極6對應于所述導電層。
保護電極5是用于消除測量電路中的寄生電容的電極，對保護電極5給出測量電路(即，圖1中的卡盤蓋導體層2)的地電位。設置接地電極6是為了消除來自溫控裝置的噪聲。
這些電極的較佳厚度為1到20μm。如果電極太薄，則電阻值增加。如果它們太厚，則陶瓷基底可能會翹曲或抗熱沖擊的能力將降低。
最好以圖4所示的網格的形式來設置所述保護電極5和接地電極6中的每一個。因而，在圓形導體層51中規(guī)則地布置有多個矩形的非導體層形成區(qū)52。此布局用于提高導體層上下的陶瓷之間的附著力。
依據(jù)本發(fā)明的晶片探測器的卡盤蓋層的表面最好設有圖2所示的槽7和吸氣孔8。設置多個吸氣孔8，以保證均勻的吸力。通過這一手段，在放置了硅晶片W后，可從吸氣孔8中吸取空氣，以吸住硅晶片W。
例如，依據(jù)本發(fā)明的晶片探測器包括晶片探測器101，如圖1所示，它包括陶瓷基底3、置于其底面上的加熱元件41、卡盤蓋導體層2和夾在加熱元件41與卡盤蓋導體層2之間的保護電極5層及接地電極6層；晶片探測器201，如圖5所示，它包括陶瓷基底3、置于所述陶瓷基底3內的平的加熱元件42、卡盤蓋導體層2和夾在所述加熱元件42與卡盤蓋導體層2之間的保護電極5及接地電極6；晶片探測器301，如圖6所示，它包括陶瓷基底3、嵌入所示陶瓷基底3的構成加熱元件的金屬絲43、卡盤蓋導體層2和夾在所述金屬絲43與卡盤蓋導體層2之間的保護電極5及接地電極6；以及晶片探測器401，如圖7所示，它包括陶瓷基底3、在所述陶瓷基底3的外部形成的Peltier器件44(包括熱電元件440和陶瓷基底441)、卡盤蓋導體層2和夾在所述Peltier器件44與卡盤蓋導體層2之間的保護電極5及接地電極6。上述所有的的晶片探測器都具有槽7和吸氣孔8作為必要的部件結構。
在本發(fā)明中，如圖1到7所示，加熱元件42和43在陶瓷基底3[圖5和6]內形成，保護電極5和接地電極6[圖1到7]也在陶瓷基底3內形成，從而需要用于把它們連到外部端子的連接部件(被鍍敷的通孔)16、17和18。通過填充諸如鎢膏或鉬膏等高熔點金屬膏或諸如碳化鎢或碳化鉬等導電陶瓷來形成被鍍敷的通孔16、17和18。
連接部件(被鍍敷的通孔)16、17和18的較佳直徑為0.1到10mm。這是因為可防止破裂和應變，同時可防止斷開。
把經鍍敷的通孔用作連接焊接區(qū)(pad)來連接外部引腳[圖11(g)]。
通過焊接或銅焊來形成連接。銅焊的材料中包括銅焊銀、銅焊鈀、銅焊鋁和銅焊金。較佳的銅焊金為Au-Ni合金。這是因為Au-Ni合金示出良好地附著于鎢。
Au/Ni比最好為[81.5到82.5(wt.％)]/[18.5到17.5(wt.％)]。
Au-Ni層的厚度最好為0.1到50μm。這是因為此范圍提供充分連接。在10-6帕到10-5帕的高真空中暴露于500到1000℃的高溫時，Au-Cu合金將經歷老化，但Au-Ni合金在此條件下不會老化。在把總的數(shù)量取作100個重量份時，Au-Ni合金中的雜質元素的數(shù)量最好小于1個重量份。
在本發(fā)明中，可在必要時把熱電偶嵌入陶瓷基底中。然后，可用這些熱電偶測量加熱元件的溫度，并依據(jù)該數(shù)據(jù)改變電壓或電流值來控制溫度。
熱電偶與金屬絲的結的尺寸最好不小于每個金屬絲的裸線直徑，但不超過0.5mm。通過滿足上述要求，可把結的熱容量保持得很小，結果，可精確而快速地把溫度轉換成電流值。結果，改進了溫控，也使晶片加熱表面上的溫度分布變窄。
如JIS C-1602(1980)中所列舉的，上述熱電偶包括K型、R型、B型、S型、E型、J型和T型熱電偶。
圖8是用于支撐具有上述結構的本發(fā)明的晶片探測器的平臺11的示意剖面圖。
此平臺11形成有用于冷卻介質的噴嘴12，從冷卻介質注入口14導入冷卻介質。這樣，推動從吸氣口13吸取的空氣經由吸氣孔8進入槽7，從而吸住設在晶片探測器上的硅晶片(未示出)。
圖9(a)是另一平臺的示意縱向剖面圖，(b)是沿(a)的線B-B所取的剖面圖。如圖9所示，此平臺設有用于防止晶片探測器在受到探測卡的測試器引腳的擠壓時發(fā)生翹曲的多個支柱15。
平臺可包括鋁合金或不銹鋼。
現(xiàn)在參考圖10和11的剖面圖來描述制造本發(fā)明的晶片探測器的典型工藝。
(1)首先，用粘合劑和溶劑混合注入氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷等陶瓷材料的粉末并進行鑄模，以制備生片(green sheet)30。
作為上述陶瓷粉末，可使用例如氮化鋁或碳化硅粉末。在必要時，可添加注入氧化釔等燒結輔助劑。
上述粘合劑最好是從丙烯酸粘合劑、乙烯纖維素粘合劑、丁基溶纖劑和聚乙烯醇構成的組中選出的至少一個成分。
作為溶劑，較佳的是使用從α-萜品醇和乙二醇構成的組中選出的至少一個成分。
用刮刀法把通過混合以上材料獲得的膏鑄模成片狀，以制備所述生片30。
在必要時，此生片30可設有用于接受晶片支撐的硅引腳的通孔以及用于嵌入熱電偶的空腔?？赏ㄟ^例如沖壓來形成通孔和空腔。
生片30的較佳厚度約0.1到5mm。
然后，給生片30印刷保護電極和接地電極。
考慮到生片30的收縮率，此印刷是如此進行的，從而保證預定的長寬比，從而提供保護電極印50和接地電極印60。
可通過使用包含導電陶瓷或金屬粉末的導電膏來提供這些印刷。
這種導電膏中的最佳導電陶瓷粉末是碳化鎢或碳化鉬的粉末。這是因為這些粉末難于氧化，因而最不易降低導熱率。
作為所述金屬粉末，可使用例如鎢、鉬、鉑或鎳的粉末。
所述導電陶瓷粉末或金屬粉末的較佳平均粒徑為0.1到5μm。這是因為，如果使用以上范圍以外的任何較大粒子或較小粒子，膏可能難于印刷。
最佳的膏是85到97重量份的金屬粉末或導電陶瓷粉末、1.5到10重量份的從丙烯酸粘合劑、乙烯纖維素粘合劑、丁基溶纖劑和聚乙烯醇中選出的至少一種粘合劑以及1.5到10重量份的從α-萜品醇、乙二醇、乙醇和丁醇中選出的至少一種溶劑構成的混合的混合物。
給通過例如沖壓形成的孔填充導電膏，以提供經鍍敷的通孔印160和170。
然后，如圖10(a)所示，把印刷有50、60、160和170的生片30與未印刷的生片30層疊起來。把未印刷的生片30層疊到加熱元件一側，因為經鍍敷的通孔的端面不暴露，繼而在形成加熱元件的燒結過程中不會氧化。如果在被鍍敷的通孔的端面暴露的狀態(tài)下來進行形成加熱元件的燒結操作，則必須濺射諸如鎳等難于氧化的金屬。更好，可覆蓋Au-Ni的銅焊金。
(2)然后，如圖10(b)所示，對層疊體進行熱壓，以燒結生片和導電膏。
較佳的燒結溫度為1000到2000℃，較佳的燒結壓強為100到200kg/cm2。在惰性氣體的氣氛中實行加熱和加壓?？捎糜诖四康牡亩栊詺怏w包括氬氣和氮氣。通過以上過程，構成了被鍍敷的通孔16和17、保護電極5和接地電極6。
(3)然后，如圖10(c)所示，在燒結的坯塊的表面上形成槽7。槽是利用例如鉆頭或通過噴砂形成的。
(4)然后，如圖10(d)所示，把導電膏印刷在燒結坯塊的底面上并進行燒制，以構成加熱元件41。
(5)然后，如圖11(e)所示，給其上待設定硅晶片的表面(形成有槽的表面)濺射鈦、鉬、鎳等，接著通過無電電鍍沉積鎳，以完成卡盤蓋導體層2。與后一操作同步，也通過鎳的無電電鍍在加熱元件41的表面上形成保護層410。
(6)然后，如圖11(f)所示，提供從槽7延伸到背面的吸氣孔8和用于連到外部端子的盲孔180。
最好使盲孔的內壁的至少部分導電，最好把導電內壁連到保護電極、接地電極等。
(7)最后，如圖11(g)所示，把焊膏印刷到加熱元件41的表面的連接區(qū)上，把外部引腳191設定就位，加熱回流。較佳的加熱溫度為200到500℃。
還通過銅焊金對盲孔180設置外部端子19和190。在必要時，可形成到達底部的孔，在其中嵌入熱電偶。
可使用的焊料包括銀-鉛、鉛-錫、鉍-錫和其它合金焊料。焊料層的厚度最好為0.1到50μm。在此厚度范圍內，可建立有效的焊點(solder joint)。
雖然在以上描述中把晶片探測器101[圖1]叫做目標產品，但可把所述加熱元件印刷在生片上，以提供晶片探測器201[圖5]。為了制造晶片探測器301[圖6]，可把用作所述保護電極和接地電極的金屬片和用作所述加熱元件的金屬絲嵌入陶瓷粉末中，并燒結粉末。
為了制造晶片探測器401[圖7]，可通過熱-噴涂的金屬層來附著Peltier器件。
本發(fā)明的較佳實施方式現(xiàn)在更詳細地描述本發(fā)明。
例1生產晶片探測器101[圖1](1)通過刮刀法對包括100重量份的氮化鋁粉末(Tokuyama Co.，平均粒徑1.1μm)、4重量份的氧化釔(平均粒徑0.4μm)、11.5重量份的丙烯酸粘合劑、0.5重量份的分散劑和53重量份的醇(卜丁醇和乙醇)的合成物進行鑄模，以提供0.47mm厚的生片。
(2)在80℃下把此生片干燥5小時后，通過沖壓鉆出用于把加熱元件連到外部端子引腳的鍍敷通孔用的通孔。
(3)通過把平均粒徑為1μm的100重量份的碳化鎢粉末、3.0重量份的丙烯酸粘合劑、3.5重量份的溶劑α-萜品醇和0.3重量份的分散劑混合來制備導電膏A。
還通過把平均粒徑為3μm的100重量份的鎢粉末、1.9重量份的丙烯酸粘合劑、3.7重量份的溶劑α-萜品醇和0.2重量份的分散劑混合來制備導電膏B。
然后，通過對以上導電膏A的絲網印刷在生片上形成保護電極網格圖案印50和接地電極網格圖案印60。
此外，給用于連到端子引腳的所述鍍敷通孔的通孔填充以上的導電膏B。
然后，交替放置50塊經印刷的生片和未經印刷的生片并在130℃和80kg/cm2下把它們粘合在一起，以提供一層疊體[圖10(a)]。
(4)然后，在氮氣中在600℃下對此層疊體進行5小時的脫脂，然后，在1890℃和150kg/cm2下熱壓3小時，以提供4mm厚的氮化鋁板。從該板切割出直徑為230mm的圓盤，以提供陶瓷板[圖10(b)]。每個鍍敷通孔16和17的尺寸是直徑3.0mm，深度3.0mm。
保護電極5和接地電極6中每一個的厚度為10μm，保護電極5的位置離開晶片安裝表面為1.2mm，接地電極6的位置離開晶片安裝表面為3.0mm。
(5)以金剛石砂輪對以上步驟(4)中獲得的板進行拋光，通過設定就位的掩模，進行SiC等噴砂，以提供具有容納熱電偶用的空腔(未示出)以及通過吸力吸住硅晶片的多個槽7(0.5mm寬×0.5mm深)的表面[圖10(c)]。
(6)然后，把加熱元件41印刷在與晶片安裝一側相對的一側。此印刷是使用導電膏來進行的。這里使用的導電膏是來自Tokuriki Chemical ResearchInstitute的Solbest PS603D，該導電膏一般用于在印刷電路板中形成經鍍敷的通孔。以100重量份的銀為基礎，此導電膏是包含7.5重量份的金屬氧化物合成物(包括重量比為5/55/10/25/5的氧化鉛、氧化鋅、二氧化硅、氧化硼和氧化鋁)的銀/鉛膏。
銀的平均粒徑為4.5μm，且為片狀(flaky)。
(7)在780℃下對印刷有上述導電膏的加熱器板進行加熱，以燒結導電膏中的銀和鉛，并把此膏印刷到導電基底3上。然后，把加熱器板浸入鎳無電電鍍池中，該池中包括硫酸鎳(30g/L)、硼酸(30g/L)、氯化銨(30g/L)和Rochelle鹽(60g/L)的水溶液，以在燒結的銀41的表面上沉積硼含量不大于1個重量百分比的1μm厚的鎳層410。然后，此加熱器板在120℃下經歷3小時的退火。
包括燒結的銀的加熱元件的厚度為5μm，寬度為2.4mm，且面電阻率為7.7mΩ/□[圖10(d)]。
(8)對形成有槽7的表面依次進行濺射，以沉積鈦層、鉬層和鎳層。作為濺射設備，使用Japan Vacuum Technology的SV-4540。濺射條件是；氣壓0.6帕、溫度100℃以及功率200瓦。在30秒到1分鐘的范圍內調節(jié)每個金屬種類的濺射時間。
所形成的膜的厚度是從熒光X射線分析儀的圖象輸出中確定的。因而，鈦層的厚度為0.3μm，鉬層的厚度為2μm，鎳層的厚度為1μm。
(9)使用包括硫酸鎳(30g/L)、硼酸(30g/L)、氯化銨(30g/L)和Rochelle鹽(60/L)的水溶液的鎳無電電鍍池以及包括硫酸鎳(250到350g/L)、氯化鎳(40到70g/L)和硼酸(30到50g/L)且以硫酸調節(jié)到pH為2.4到4.5的鎳電鍍池，浸入以上步驟(8)中獲得的的陶瓷板，以在上述被濺射的金屬層的表面上沉積硼含量不大于1個重量百分比的7μm厚的鎳層，在120℃下對如此形成的鎳層退火3小時。
加熱元件的表面不允許電流，因此，不能覆蓋經電鍍的鎳。
然后，在93℃下把把該板浸入金無電電鍍溶液中1分鐘，以在所鍍敷的鎳層15上形成1m厚的金層[圖11(e)]，該溶液包含氰化鉀金(2g/L)、氯化銨(75g/L)、檸檬酸鈉(50g/L)和次磷酸鈉(10g/L)。
(10)鉆出從槽7延伸到板的背側的吸氣孔8，并進一步提供用于暴露經鍍敷的通孔16和17的盲孔180[圖10(f)]。給盲孔180填充Ni-Au合金的銅焊金(Au81.5wt.％，Ni18.4wt.％，雜質0.1wt.％)，然后對其進行加熱并在970℃下產生回流，以連到包括苯乙烯樹脂的外部端子引腳19和190[圖11(g)]。此外，加熱元件設有經由一焊接層的外部引腳191(錫∶鉛＝9∶1)。
(11)然后，把用于溫控的多個熱電偶嵌入空腔中，以提供設有加熱器的完成的晶片探測器101。
(12)通過包括陶瓷纖維(Ibiden，IbiwoolTM)的熱絕緣體10，給此晶片探測器101裝配剖面結構如圖8所示的不銹鋼平臺。此平臺11設有用于調整晶片探測器101的溫度的冷卻氣體噴嘴12。此外，它設有用于吸取吸住硅晶片所需的空氣的吸氣孔13。
例2生產晶片探測器201[圖5]
(1)通過刮刀法對包括100重量份的氮化鋁粉末(Tokuyama Co.，平均粒徑1.1μm)、4重量份的氧化釔(平均粒徑0.4μm)、11.5重量份的丙烯酸粘合劑、0.5重量份的分散劑和53重量份的醇(1-丁醇和乙醇)的合成物進行鑄模，以提供0.47mm厚的生片。
(2)在80℃下把此生片干燥5小時后，通過沖壓鉆出用于把加熱元件連到外部端子引腳的鍍敷通孔用的通孔。
(3)通過把平均粒徑為1μm的100重量份的碳化鎢粉末、3.0重量份的丙烯酸粘合劑、3.5重量份的溶劑α-萜品醇和0.3重量份的分散劑混合來制備導電膏A。
還通過把平均粒徑為3μm的100重量份的鎢粉末、1.9重量份的丙烯酸粘合劑、3.7重量份的溶劑α-萜品醇和0.2重量份的分散劑混合來制備導電膏B。
然后，通過以上導電膏A的絲網印刷在生片上形成保護電極網格圖案印和接地電極網格圖案印。此外，印刷圖3所示同軸圖案的加熱元件。
此外，給用于連到端子引腳的所述鍍敷通孔的通孔填充以上的導電膏B。
然后，交替放置50塊經印刷的生片和未經印刷的生片并在130℃和80kg/cm2下把它們粘合在一起，以提供一層疊體。
(4)在氮氣中在600℃下對此層疊體進行5小時的脫脂，然后，在1890℃和150kg/cm2下熱壓3小時，以提供3mm厚的氮化鋁板。從該板切割出直徑為230mm的圓盤，以提供陶瓷板。每個鍍敷通孔16和17的尺寸是直徑2.0nm，深度3.0mm。
保護電極5和接地電極6中每一個的厚度為6μm，保護電極5的位置離開晶片安裝表面為0.7mm，接地電極6的位置離開晶片安裝表面為1.4mm，加熱元件的位置離開晶片安裝表面為2.8mm。
(5)以金剛石砂輪對以上步驟(4)中獲得的板進行拋光，通過設定就位的掩模，進行SiC等噴砂，以提供具有容納熱電偶用的空腔(未示出)以及通過吸力吸住硅晶片的多個槽7(0.5mm寬×0.5mm深)的表面。
(6)對形成有槽7的表面依次進行濺射，以沉積鈦層、鉬層和鎳層。作為濺射設備，使用Japan Vacuum Technology的SV-4540。濺射條件是；氣壓0.6帕、溫度100℃以及功率200瓦。在30秒到1分鐘的范圍內調節(jié)每個金屬種類的濺射時間。
如此獲得的膜的厚度是從熒光X射線分析儀的圖象輸出中確定的。因而，鈦層的厚度為0.5μm，鉬層的厚度為4μm，鎳層的厚度為1.5μm。
(7)把以上步驟(6)中獲得的陶瓷板3浸入包括硫酸鎳(30g/L)、硼酸(30g/L)、氯化銨(30g/L)和Rochelle鹽(60/L)的水溶液的鎳無電電鍍池中，以在所述被濺射的金屬層的表面上沉積硼含量不止1個重量百分比的7μm厚的鎳層，在120℃下對如此形成的鎳層退火3小時。
然后，在93℃下把把該板浸入金無電電鍍溶液中1分鐘，以在所鍍敷的鎳層上形成1m厚的鍍敷金層，該溶液包含氰化鉀金(2g/L)、氯化銨(75g/L)、檸檬酸鈉(50g/L)和次磷酸鈉(10g/L)。
(8)鉆出從槽7延伸到板的背側的吸氣孔8，并進一步提供用于暴露經鍍敷的通孔16和17的盲孔180。給盲孔180填充Ni-Au合金的銅焊金(Au81.5wt.％，Ni18.4wt.％，雜質0.1wt.％)，然后對其進行加熱并在970℃下產生回流，以連到包括苯乙烯樹脂的外部端子引腳19和190。外部端子可包括硅晶片W。
(9)然后，把用于溫控的多個熱電偶嵌入空腔中，以提供設有加熱器的晶片探測器201。
(10)通過包括陶瓷纖維(Ibiden，IbiwoolTM)的熱絕緣體10，給此晶片探測器201裝配剖面結構如圖9所示的不銹鋼平臺。此平臺11形成有用于防止晶片探測器翹曲的支柱15。此外，它還設有用于吸取吸住硅晶片所需的空氣的吸氣孔13。
例3生產晶片探測器301[圖6](1)對10μm厚的鎢箔進行沖孔，以形成網格狀電極。
把兩片網格電極(它們分別用作保護電極5和接地電極6)和鎢絲以及100重量份的氮化鋁粉末(Tokuyama Co.，平均粒徑1.1μm)和4個重量份的氧化釔(平均粒徑0.4μm)放入一模子中，在氮氣中在1890℃和150kg/cm2下進行3小時的熱壓，以制備3mm厚的氮化鋁板。從該板切割出直徑為230mm的圓盤，以提供一板。
(2)使該板經歷例2的步驟(5)到(10)，以提供晶片探測器301，把此晶片探測器301設置在例1中如圖8所示的平臺11上。
例4制造晶片探測器401[圖7]在重復了例1的步驟(1)到(5)和(8)到(10)后，在與晶片安裝表面相對的表面上進行鎳的熱噴涂。然后，附著鉛-碲系統(tǒng)的Peltier器件，以提供晶片探測器401。如同例1，把此晶片探測器安裝在圖8所示的平臺11上。
例5
使用碳化硅作為陶瓷基底來制造晶片探測器除了以下特點和條件以外，重復例3的過程來制造晶片探測器。
這樣，使用平均粒徑為1.0μm的100重量份的碳化硅粉末、兩個網格電極(它們分別用作保護電極5和接地電極6)以及涂敷有溶膠(包括10個重量百分比的四乙氧基甲硅烷、0.5重量百分比的鹽酸和89.5重量百分比的晶片)的鎢絲，在1900℃下進行燒結。上述溶膠在燒結時變?yōu)镾iO2，以形成絕緣層。
然后，把在例5中如此獲得的晶片探測器301安裝在例1中如圖8所示的平臺11上。
例6使用氧化鋁作為陶瓷基底來制造晶片探測器除了以下特點和條件以外，重復例1的過程來制造晶片探測器。
這樣，通過刮刀法對通過混合100重量份的氧化鋁粉末(Tokuyama Co.，平均粒徑1.5μm)、11.5重量份的丙烯酸粘合劑、0.5重量份的分散劑和53重量份的醇(1-丁醇和乙醇)而制備的合成物進行鑄模，以提供0.5mm厚的生片。燒結溫度為1000℃。
然后，把在例6中如此獲得的晶片探測器安裝在例1中如圖8所示的平臺11上。
例7(1)把平均粒徑為3μm的鎢粉末置于圓盤狀模子中，在氮氣中在1890℃和150kg/cm2下進行3小時的熱壓，以制備直徑為200mm且厚度為110μm的多孔卡盤蓋鎢導體層。
(2)然后，重復例1的步驟(1)到(4)和(5)到(7)，以提供設有保護電極、接地電極和加熱元件的陶瓷板。
(3)把以上步驟(1)中獲得的多孔卡盤蓋導體層通過銅焊金(與例1的步驟(10)中所使用的相同)安裝在陶瓷板上并在970℃下加熱以進行回流。
(4)然后，重復步驟(10)到(12)的序列，以提供晶片探測器。
把此例中獲得的晶片探測器均勻地吸住半導體晶片的卡盤蓋導體層。
比較例子1基本上依據(jù)日本公告公開平-3-40947中所述的方法來制造圖12所示結構的金屬晶片探測器。
因而，此晶片探測器包括直徑為230mm且厚度為15mm的不銹鋼圓盤、所述不銹鋼圓盤下的云母層3B以及置于所述云母層以下的直徑為230mm且厚度為20mm的銅圓盤100B。在銅圓盤100B以下，還經由云母層3B附著了鎳鉻合金絲加熱元件4B?？ūP蓋的表面形成槽7。
如同例1，把以上晶片探測器安裝在圖8所示的平臺11上。
比較例子2除了把1.5mm厚的不銹鋼片用作卡盤蓋1B且在其下依次放置云母層3B和1.5mm的銅片100B以外，依據(jù)與比較例子1的晶片探測器相同的方式來制造金屬晶片探測器。
把該晶片探測器安裝在例1中如圖8所示的平臺11上。
評估方法在以上每個例子和比較例子中所制造的晶片探測器上，設定圖12所示的硅晶片W，在溫度控制下通過按壓探測卡601來進行電導率測試。
測量溫度上升到150℃的時間。此外，確定15kg/cm2的壓強下晶片探測器在受到探測卡的擠壓時的翹曲量。以Kyocera外形計(form meter)NonowayTM來測量翹曲量。
在依據(jù)例2的晶片探測器的情況下，首先把它設定在設有抗翹曲支柱的平臺上并測量翹曲，然后把它設定在圖8所示沒有支柱的平臺上并測量翹曲。其結果如表1所示。
表1

注意*1有支柱*2沒有支柱工業(yè)應用性如上所述，本發(fā)明的晶片探測器不僅重量輕且熱響應動力學極佳，而且它在受到探測卡的擠壓時沒有翹曲，從而可有效地防止硅晶片的斷裂和測量誤差。
權利要求
1.一種晶片探測器，包括陶瓷基底及其表面上形成的導體層。
2.如權利要求1所述的晶片探測器，其特征在于所述導體層是卡盤蓋導體層。
3.如權利要求1或2所述的晶片探測器，其特征在于所述陶瓷基底設有溫控裝置。
4.如權利要求1到3中任一項所述的晶片探測器，其特征在于所述陶瓷基底由從主要由氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和氧化物陶瓷構成的組中選出的至少一個成分所構成。
5.如權利要求1到4中任一項所述的晶片探測器，其特征在于所述溫控裝置是珀耳貼效應器件。
6.如權利要求1到5中任一項所述的晶片探測器，其特征在于所述溫控裝置是加熱元件。
7.如權利要求1到6中任一項所述的晶片探測器，其特征在于在所述陶瓷基底中有至少一個導體層。
8.如權利要求1到7中任一項所述的晶片探測器，其特征在于所述陶瓷基底的表面上形成有槽。
9.如權利要求1到8中任一項所述的晶片探測器，其特征在于在所述陶瓷基底的表面上形成有槽，這些槽設有吸氣孔。
10.如權利要求1所述的晶片探測器，其特征在于所述導體層為多孔層。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種晶片探測器,它重量輕、熱響應動力學極佳且在受到探測卡的擠壓時沒有翹曲,因而能有效地保護它防止對硅晶片的損壞和測量誤差。本發(fā)明涉及一種陶瓷基底的表面上形成有導體層的晶片探測器。
文檔編號G01R3/00GK1329753SQ99814050
公開日2002年1月2日 申請日期1999年10月15日 優(yōu)先權日1999年7月15日
發(fā)明者伊藤淳, 平松靖二, 伊藤康隆, 古川正和 申請人:Ibiden股份有限公司