CN100479127C - 微机械圆片级芯片测试探卡及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械圆片级芯片测试探卡及制作方法，所述的包括探针针尖、悬臂梁、信号线和封装焊球，其特征在于：①探针针尖制作在悬臂梁的末端，且嵌入在互联孔中，悬臂梁的另一端与硅片连为一体；②探针针尖与封装焊球位于硅片的上下两边；③信号线位于悬臂梁上表面及腐蚀槽斜面；所述测试探卡中悬臂梁的位置排佈根据待测芯片管脚位置的分布进行安排。制作方法是其特征在于采用自上往下或自下往上两种不同的方法，在制作正面与背面的信号互联孔的同时制作出探针针尖，利用两次反应离子刻蚀释放悬臂梁的同时露出探针针尖。所制作探卡可以获得很高的探针平面度，且便于与后续PCB电路板封装焊接。

Description

微机械圆片级芯片测试探卡及制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于微机械方法实现的圆片级芯片测试探卡及制造方法，属于微电子机械系统领域。

背景技术

目前，半导体制造技术在我国迅速发展。集成电路复杂度不断提高，芯片尺寸越来越小，器件功能越来越复杂。在整个芯片的制作成本中，芯片封装成本占有很大的比例。圆片级芯片测试，就是在芯片封装之前进行的初步测试，从而大大减少封装成本。探卡是这一测试过程中的核心元件。然而，随着芯片制作工艺的不断进步，芯片上的管脚越来越多，管脚间的距离越来越小。与此同时，电路工作频率越来越高，信号速度越来越快。传统测试探卡由于自身设计的局限性，渐渐难以满足测试的需要。传统测试探卡主要依赖于人工装配，这造成装配精度有限，制作成本高，制作周期长等问题。此外，传统测试探卡的寄生效应对测试结果影响较大，不适合未来高频芯片的发展趋势。

近年来，国内外许多研究者开始利用微机械方法设计制造芯片测试探卡，但是存在着不同程度的不足。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.)中提到一种电镀形成悬臂梁式测试探卡。这种方法电镀的方法制作成功了悬臂梁阵列，以期达到探测芯片的作用。然而由于电镀金属层中存在应力梯度作用，使得探针阵列的平面度受到影响，从而大大限制了工作性能。另一方面，如果整个探卡结构全部采用单晶硅制作，虽然可以大大提高探针的平面度，但是很难将测试信号从探针针尖传输到测试仪器设备进行分析(Dong-il Cho et.al，“Probe structure for testingsemiconductor devices and method for fabricating the same，”US Patent6,724,204，2004.)。

能否设计制造出一种既可以获得高平面度，同时又方便传输测试信号的探卡结构，是探卡结构设计中的难点，这恰恰是本发明所要解决的关键技术。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种微机械圆片级芯片测试探卡。如附图1与附图2所示，所述的测试探卡采用了微机械的方法，利用单晶硅片制作成的悬臂梁阵列，利用电镀金属镍形成探针针尖及过孔互联。本发明的探卡中悬臂梁的位置排布可以根据待测芯片管脚位置分佈进行安排调整，因而可以适应于各种不同管脚分布芯片的圆片级测试。本发明的探卡中所有悬臂梁的厚度一致，但是悬臂梁的长度、宽度可以根据芯片管脚之间的距离以及测试要求确定。本发明的探卡中由于采用了硅这种机械性能极佳的材料制作悬臂梁，因而可以实现高平面度的探针阵列。本发明的探卡中不同悬臂梁上的金属布线之间有氧化绝缘层隔离，因而可以获得较好地避免寄生效应，有利于测试信号地传输。

本发明的另一目的在于所述微机械圆片级芯片测试探卡制作方法，包括：

一、提供互联孔与探针针尖同时制作的方法。本发明提供了两种制作的方法，分别为自上而下电镀形成以及自下而上电镀形成。电镀金属镍填充的互联孔，下半部分作为探针针尖，上半部分与淀积的金属层形成良好的电学连接，从而成功实现信号传输的功能。

二、提供悬臂梁释放与针尖形成同时实现的方法。本发明通过设定预先保留硅薄膜层的厚度为悬臂梁厚度与探针高度之和的方式，在释放悬臂梁结构的同时，使嵌入在互联孔中的探针针尖暴露出来，简化了工艺流程。

本发明的目的通过以下制作工艺实现：

(1)在硅片正面利用1.5～2.5μm氧化层作为掩膜，各向异性腐蚀产生300μm左右深槽，保留硅薄膜厚度为悬臂梁厚度与探针针尖高度之和；

(2)采用自下往上或者自上往下的方法刻蚀、电镀互联孔；

(3)在硅片上表面淀积金属种子层；

(4)在硅片上表面利用30μm厚胶光刻焊点图形，电镀形成焊点；

(5)光刻、腐蚀金属信号线；

(6)使用2.3μm光刻胶光刻出悬臂梁的图形；

(7)反应离子刻蚀出悬臂梁的形状，刻蚀深度为悬臂梁厚度；

(8)去除光刻胶，二次反应离子刻蚀，释放悬臂梁结构，露出探针针尖。

在所述的制备工艺中腐蚀深槽时保留的硅薄膜厚度等于探针高度与悬臂梁厚度之和。这样，当悬臂梁释放刻蚀到所设计的厚度时，探针高度也同时达到预定设计值。

在所述的制备工艺中腐蚀深槽完成后，去掉氧化层掩膜，进行无掩膜的KOH腐蚀，得到一个较缓的(311)面，以便于后面光刻金属信号线时光刻胶可以完全覆盖深槽边缘。

在所述的制备工艺中光刻金属信号线时采用喷胶光刻的方法。喷胶厚度为5μm～10μm。光刻时深槽底部的信号线会由于衍射效应造成分辨率降低。如果曝光光线波长为λ，腐蚀深槽深度为g，l_CD为深槽底部光刻的极限分辨率。则极限分辨率的可以由以下公式计算：

$l_{\mathrm{CD}}=\sqrt{\mathrm{\λg}}---\left(1\right)$

这种衍射造成分辨率降低的现象在版图设计时，应该被同时纳入到信号线线宽之中。

在所述的制备工艺中自下往上刻蚀、电镀互联孔由以下制作方法实现：

(1)从硅片下表面自下往上反应离子刻蚀互联孔；

(2)硅片表面淀积绝缘层；

(3)硅片上表面淀积金属种子层；

(4)电镀金属镍密封互联孔上方开口；

(5)自上往下电镀金属镍填充互联孔；

(6)硅片下表面化学机械抛光。

在所述的制备工艺中自上往下刻蚀、电镀互联孔由以下制作方法实现：

(1)在硅片正面深槽各向异性腐蚀倒金字塔形浅坑，腐蚀至坑底尺寸达到设计探针针尖尺寸为止；

(2)从硅片上表面自上往下反应离子刻蚀互联孔；

(3)硅片表面淀积绝缘层；

(4)硅片下表面粘上一片黏附片，黏附片表面预先淀积好金属种子层；

(5)自下往上电镀金属镍填充互联孔；

(6)分离黏附片。

在所述的制备工艺中，利用两次反应离子刻蚀释放悬臂梁。第一次刻出悬臂梁形状，刻蚀深度为悬臂梁厚度。去除光刻胶掩膜后进行第二次反应离子刻蚀，在释放悬臂梁的同时使嵌在互联孔中的探针针尖暴露出来。

由此可见本发明提供的微机械圆片级芯片测试探卡，包括探针针尖、悬臂梁、信号线和封装焊球，其特征在于：

①探针针尖制作在悬臂梁的末端，且嵌入在互联孔中，悬臂梁的另一端与硅片连为一体；

②探针针尖与封装焊球位于硅片的上下两边；

③信号线位于悬臂梁上表面及腐蚀槽斜面。

所述的探卡中的每个探针针尖大小相等或者不等，且直径在5μm～35μm之间。

探针与悬臂梁之间的绝缘层为二氧化硅、氮化硅或二氧化硅与氮化硅的组合；绝缘层厚度为0.5～3μm之间。

信号线是由喷胶光刻钛铜金属层形成。

综上所述，利用本发明的方法制作的微机械圆片级芯片测试探卡具有以下优点：

(1)采用了硅悬臂梁和金属探针针尖相结合的结构，可以获得很高的探针平面度，保证应用过程中所有探针可以同时、均匀、有效地探测待测芯片；

(2)采用将互联孔设置在悬臂梁上的结构，避免了刻蚀穿整片硅片厚度，电镀贯穿整片硅片的工艺困难，极大简化了制作工艺；

(3)采用将探针针尖与互联孔同时制作的方法，与现有技术中探针针尖和互联孔分离制作相比较，进一步简化了制作工艺；

(4)采用了独特的信号引线方式，利用在深槽斜坡上光刻图形的技术，为将信号从探针针尖连接到封装焊点提供了方便；

(5)采用释放悬臂梁的同时暴露出探针针尖的方法，简化了工艺步骤；

(6)采用了电镀封装焊点的封装方法，便于与后续PCB电路板封装焊接，并最终与自动检测设备连接。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明提供的微机械圆片级芯片测试探卡的横截面结构示意图

图2是本发明提供的微机械圆片级芯片测试探卡的三维立体结构示意图

图3是实施例1中KOH腐蚀形成深槽

图4是实施例1中从硅片背面自下往上刻蚀互联孔

图5是实施例1中淀积绝缘层后溅射金属层

图6是实施例1中利用光刻胶作掩膜电镀镍封口

图7是实施例1中利用光刻胶保护自上往下电镀填充互联孔

图8是实施例1中硅片背面化学机械抛光后，正面电镀锡银焊点

图9是实施例1中回流焊球，光刻形成金属信号线，漂去暴露的SiO₂

图10是实施例1中硅片背面利用光刻胶掩膜刻蚀悬臂梁形状

图11是实施例1中刻蚀穿硅薄膜释放悬臂梁，露出探针针尖

图12是实施例2中第二次KOH腐蚀形成倒金字塔形浅坑

图13是实施例2中反应离子刻蚀形成互联孔，并在硅片表面淀积绝缘层

图14是实施例2中另取一片黏附片，并在表面溅射金属种子层

图15是实施例2中用光刻胶把黏附片粘在硅片下表面，去除孔中光刻胶

图16是实施例2中自下往上电镀镍填充互联孔，并在下表面化学机械抛光，上表面溅射金属层

图17是实施例2中电镀锡银焊点，光刻金属信号线，漂去暴露的SiO₂

图18是实施例2中回流焊球，背面用光刻胶作掩膜刻蚀悬臂梁形状

图19是实施例2中刻蚀穿硅薄膜释放悬臂梁，露出探针针尖

图中数字分别表示：

1——硅悬臂梁；2——绝缘层；3——互联孔；4——探针针尖；5——封装焊球；6——信号线；7——硅片；8——氧化层；9——硅薄膜；10——互连孔；11——钛铜金属层；12——光刻胶掩膜；13——互连孔上部开口；14——光刻胶覆盖层；15——电镀镍互连孔；16——封装焊点；17——硅薄膜背面光刻胶；18——悬臂梁图形；19——KOH腐蚀窗口；20——倒金字塔形状；21——带针尖形状的互连孔；22——黏附片；23——铬铜金属层；24——厚光刻胶；25——带针尖的镍互连孔。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步阐述本发明提供的微机械圆片级芯片测试探卡及其制造方法的实质性特点和显著进步。但本发明决非仅限于实施例。

实施例1

1、在(100)双面抛光硅片7正反两面淀积或氧化1.5～2.5μm厚氧化层8作腐蚀掩膜，光刻腐蚀窗口，利用50℃、40％KOH溶液进行腐蚀，腐蚀深度约300μm，保留硅薄膜9厚度为悬臂梁厚度与探针高度之和(图3)；

2、光刻硅片7背面的氧化层8作为掩膜，刻蚀穿硅薄膜9形成互联孔10(图4)；

3、去除硅片7表面的氧化层8，在硅片及互联孔表面氧化生成2.0μm厚SiO₂绝缘层2，在硅片上表面溅射5000钛铜金属层11(图5)；

4、在硅片7正面喷胶光刻10μm厚光刻胶掩膜12，以钛铜金属层11为种子层电镀镍封住互联孔上部开口13(图6)；

5、喷胶5μm左右光刻胶覆盖层14保护硅片7正面，随后自上而下电镀镍互联孔15(图7)；

6、对硅片7下表面进行化学机械抛光，以硅片7上表面的钛铜金属层11为种子层，电镀锡银封装焊点16(图8)；

7、喷胶光刻钛铜金属层11形成信号线6，回流锡银封装焊点16形成封装焊球5，采用氢氟酸漂去硅片7表面暴露的SiO₂层(图9)；

8、利用硅薄膜背面光刻胶17作为掩膜，采用反应离子各向异性刻蚀，在保留的硅薄膜9上形成悬臂梁图形18，刻蚀深度为悬臂梁厚度(图10)；

9、去除光刻胶17，再次利用反应离子各向异性刻蚀穿硅薄膜9，最终释放硅悬臂梁1，露出探针针尖4，并将针尖周围SiO₂层用氢氟酸漂去(图11)。

实施例2

1、同实施例1，在(100)双面抛光硅片7正反两面淀积或氧化1.5～2.5μm厚氧化层8作为腐蚀掩膜，光刻腐蚀窗口，利用50℃、40％KOH溶液进行腐蚀，腐蚀深度约300μm，保留硅薄膜9厚度为悬臂梁厚度与探针高度之和(图3)；

2、在硅片7表面淀积或氧化5000

氧化层，利用喷胶光刻形成腐蚀窗口19，进行第二次KOH腐蚀，在硅薄膜9上形成倒金字塔形状20(图12)；

3、利用反应离子刻蚀自上往下刻穿硅薄膜9，形成带针尖形状的互联孔21，随后在硅片7表面氧化生成2μm厚SiO₂绝缘层2(图13)；

4、另取一片硅片作为黏附片22，在其表面溅射2000

铬铜金属层23(图14)；

5、采用4μm厚光刻胶24将黏附片22粘在硅片7下表面，利用光刻显影去除互联孔中的光刻胶24，露出黏附片22上表面的铬铜金属层23(图15)；

6、利用电镀镍自下往上填充互联孔，形成带针尖的镍互连孔25，采用丙酮浸泡分离黏附片，并用化学机械抛光硅片7下表面，随后在硅片7上表面溅射5000

钛铜金属层11(图16)；

7、以硅片7上表面的钛铜金属层11为种子层，电镀锡银焊点16，喷胶光刻钛铜金属层11形成金属信号线6，并采用氢氟酸漂去硅片7表面暴露的SiO₂层(图17)；

8、回流锡银封装焊点16形成封装焊球5，在硅薄膜9上利用光刻胶17反应离子刻蚀出悬臂梁图形18，刻蚀深度为悬臂梁厚度(图18)；

9、去除光刻胶17，再次利用反应离子各向异性刻蚀穿硅薄膜9，最终释放悬臂梁1，露出探针针尖4，并将针尖周围SiO₂层用氢氟酸漂去(图19)。

Claims (10)

1、一种微机械圆片级芯片测试探卡，包括探针针尖、悬臂梁、信号线和封装焊球，其特征在于：

①探针针尖制作在悬臂梁的末端，且嵌入在互联孔中，悬臂梁的另一端与硅片连为一体；

②探针针尖与封装焊球位于硅片的上下两边；

③信号线位于悬臂梁上表面及腐蚀槽斜面。

2、按权利要求1所述的微机械圆片级芯片测试探卡，其特征在于所述测试探卡中悬臂梁的位置排布根据待测芯片管脚位置的分布进行安排。

3、按权利要求1或2所述的微机械圆片级芯片测试探卡，其特征在于探卡中所有悬臂梁的厚度一致。

4、按权利要求1所述的微机械圆片级芯片测试探卡，其特征在于所述的探卡中的每个探针针尖大小相等或者不等，且直径在5μm～35μm之间。

5、按权利要求1或2所述的微机械圆片级芯片测试探卡，其特征在于探针与悬臂梁之间的绝缘层为二氧化硅、氮化硅或二氧化硅与氮化硅的组合；绝缘层厚度为0.5～3μm之间。

6、按权利要求1所述的微机械圆片级芯片测试探卡，其特征在于信号线是由喷胶光刻钛铜金属层形成。

7、按权利要求1所述的微机械圆片级芯片测试探卡，其特征在于封装焊球是由回流锡/银或铅/锡封装焊点而成的。

8、制作如权利要求1、2、4、5、6或7所述的微机械圆片级芯片测试探卡的方法，其特征在于在(100)硅片利用氧化层作掩膜，且各向异性腐蚀产生深槽后，采用自上往下或自下往上两种不同的刻蚀、电镀互联孔方法，在制作正面与背面的信号互联孔的同时制作出探针针尖，利用两次反应离子刻蚀释放悬臂梁的同时露出探针针尖，具体制作步骤是：

(A)自下往上刻蚀、电镀互联孔时的制作方法：

①在(100)双面抛光硅片正反两面淀积或氧化1.5～2.5μm厚度的氧化层作腐蚀掩膜，光刻腐蚀窗口，利用50℃、40％KOH溶液进行腐蚀，保留硅薄膜的厚度为悬臂梁厚度与探针高度之和；

②光刻硅片背面的氧化层作为掩膜，刻蚀穿硅薄膜形成互联孔；

③去除硅片表面的氧化层，在硅片及互联孔表面氧化绝缘层，在硅片上表面溅射钛铜金属层；

④在硅片正面喷胶且光刻胶掩膜，以钛铜金属层为种子层电镀镍封住互联孔上部的开口；

⑤喷胶光刻胶覆盖层保护硅片正面，随后自上而下电镀镍互联孔；

⑥对硅片下表面进行化学机械抛光，以硅片上表面的钛铜金属层为种子层，电镀锡银封装焊点；

⑦喷胶光刻钛铜金属层形成信号线，回流锡银或铅锡封装焊点形成封装焊球，采用氢氟酸漂去硅片表面暴露的绝缘层；

⑧利用硅薄膜背面光刻胶作为掩膜，采用反应离子各向异性刻蚀，在保留的硅薄膜上形成悬臂梁图形，刻蚀深度为悬臂梁厚度；

⑨去除光刻胶，再次利用反应离子各向异性刻蚀穿硅薄膜，最终释放硅悬臂梁，且同时露出探针针尖，并将针尖周围绝缘层用氢氟酸漂去；

(B)自上往下刻蚀、电镀互联孔时的制作方法：

①在(100)双面抛光硅片正反两面淀积或氧化1.5～2.5μm厚度的氧化层作为腐蚀掩膜，光刻腐蚀窗口，利用50℃、40％KOH溶液进行腐蚀，保留硅薄膜厚度为悬臂梁厚度与探针高度之和；

②在硅片表面淀积或氧化氧化层，利用喷胶光刻形成腐蚀窗口，进行第二次KOH腐蚀，在硅薄膜上形成倒金字塔形状；

③利用反应离子刻蚀自上往下刻穿硅薄膜，形成带针尖形状的互联孔，随后在硅片表面氧化生成绝缘层；

④另取一片硅片作为黏附片，在其表面溅射铬铜金属层；

⑤采用光刻胶将黏附片粘在硅片下表面，利用光刻显影去除互联孔中的光刻胶，露出黏附片上表面的铬铜金属层；

⑥利用电镀镍自下往上填充互联孔，形成带针尖的镍互连孔，采用丙酮浸泡分离黏附片，并用化学机械抛光硅片下表面，随后在硅片上表面溅射钛铜金属层；

⑦以硅片上表面的钛铜金属层为种子层，电镀锡银或铅锡焊点，喷胶光刻钛铜金属层形成金属信号线，并采用氢氟酸漂去硅片表面暴露的绝缘层；

⑧回流锡银或铅锡封装焊点形成封装焊球，在硅薄膜上利用光刻胶反应离子刻蚀出悬臂梁图形，刻蚀深度为悬臂梁厚度；

⑨去除光刻胶，再次利用反应离子各向异性刻蚀穿硅薄膜，最终释放悬臂梁，同时露出探针针尖，并将针尖周围绝缘层用氢氟酸漂去。

9、按权利要求8所述的微机械圆片级芯片测试探卡的制作方法，其特征在于光刻信号线时采用喷胶光刻方法时，所设计深槽底部信号线线宽的增加 $l_{\mathrm{CD}}=\sqrt{\mathrm{\λg}},$ 式中λ为光刻时曝光光线波长，g为腐蚀深槽深度，l_CD为深槽底部光刻的极限分辨率。

10、按权利要求8所述的微机械圆片级芯片测试探卡的制作方法，其特征在于光刻金属信号线采用喷胶光刻方法的喷胶厚度为5～10μm。

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