CN102539849B - 一种微探针阵列及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微探针阵列，包括设有深孔的基板、位于基板上方的金属探针阵列以及位于基板下方的背面引线；基板上、下表层以及深孔的侧壁设有绝缘介质层，深孔内设有连接所述背面引线的金属连接件；所述金属探针阵列包括一组金属探针，所述金属探针两端与基板连接，中部为悬空的悬臂平台，悬臂平台上设有针尖，所述金属探针的一端连接所述金属连接件。本发明还公开了所述微探针阵列的制作方法。本发明具有很好的适应性、能够满足很多具有不规则引线焊盘的芯片测试需要。不仅如此，上述探针还具有很好的机械性能、电学性能，及优良的耐久性能；该微探针结构具有微小的尺寸，且易于规模化制作。

Description

一种微探针阵列及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种是基于微机械加工方法实现的为晶圆级芯片测试服务的探针及其制作方法，尤其涉及基于硅各向异性刻蚀的MEMS微制造方法实现的为晶圆级芯片测试服务的微探针阵列及其制作方法。 

背景技术

近年来，随着微电子技术的不断进步，集成电路芯片制造产业得到迅猛发展。集成电路芯片生产的过程中主要包括前端加工工艺与后端封装测试工艺。其中，后端封装测试工艺己经占据了整个生产过程的大部分成本。所以，在前端加工工艺与后端封装测试工艺之间加入晶圆级芯片测试，已经成为降低芯片成本的一个必要手段。探针测试卡是晶圆级芯片测试的核心元件之一。然而，随着芯片复杂程度越来越高，芯片上的管脚排布越来越密集，要求探针之间的间距越来越小。同时，芯片工作频率不断提高，测试信号速度越来越快。传统芯片探针测试卡由于自身局限，比如装配精度低、制作成本高、制作周期长等原因，渐渐难以因应这一发展趋势，市场在寻找新一代的探针测试卡技术。 

从20世纪80年代起，随着微机械加工(MEMS)技术的发展，人们开始研究用MEMS微加工技术设计制造晶圆级芯片测试探针测试卡的方法。例如Smith等人在美国专利号:5613861中公布了一种用具有应力的薄膜来制造微探针的技术，这种探针巧妙地采用薄膜MEMS技术生产出三维的探针结构，探针体的力学性能好，探针之间可以有很小的针间距，然而，这种探针有其先天不足:这种探针的关键中心部分是由一组具有不同应力的薄膜组成，以形成在垂直方向上的应力梯度，但是却要求在基板面内净应力为零，这在具体制造工艺中很难；同时，其探针与基板的粘附力存在缺陷，当在测试时，巨大的应力会施加于探针的锚定在基板上的探针根部，从而导致探针与基板的脱离，导致严重的探针的耐力问题。另外一种探针制造方法Mathieu等人在美国专利号:6268015及6184053中公布的用悬臂梁的方法制造的微探针。这种探针制造方法是先制造探针的各个组成元件，然后再组装成探针。这种方法避免了高的内应力问题，但是这种探针具有另外一个先天不足，那就是各个组成部分的相交部分的机械强度不会很高，因而也具有易于断裂或脱离的倾向。国内李昕欣等人在中国专利号200710173680.7公布了另外一种探针设计制造方法，这种方法在硅的各向异性刻蚀形成的两个不同的面内进行加工，以形成探针结构，然后将探针阵列倒装焊到封装基板上。这种探针由于其独特的设计，在探针尺寸上有局限性；同时由于其倒装焊组装工艺，因而在产品良率以及探针基部与基板的粘附力方面存在问题，这些会局限其应用。 

如何设计一种小尺寸的探针，让探针具有良好的疲劳特性，特别是提高基部与基板之间的粘附力，是目前的市场需要的；同时新的技术必须具有能在面内任何地方放置探针的能力。这两点，正是本发明所要解决的关键技术。 

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种微探针阵列及其制作方法。 

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种微探针阵列，包括设有深孔的基板、位于基板上方的金属探针阵列以及位于基板下方的背面引线；基板上、下表层以及深孔的侧壁设有绝缘介质层，深孔内设有连接所述背面引线的金属连接件；所述金属探针阵列包括一组金属探针，所述金属探针两端与基板连接，中部为悬空的悬臂平台，悬臂平台上设有针尖，每根针尖在悬臂平台上的位置可任意摆放。所述金属探针的一端连接所述金属连接件。所述微探针阵列中微探针的数量至少2个以上，所有针尖位于同一水平面高度上，每个微探针都与所述的金属连接件3以及背面引线点连接。 

本发明中微探针上的探针针尖位置不固定，可以在探针横梁中心或偏离中心的任意位置。 

本发明中所述悬臂平台为一层以上的台阶，针尖可以放置在一层或多层台阶组成的悬臂平台上。且在一组微探针阵列中，金属探针的悬臂平台可以各不相同，即可以一层悬臂平台的和两层悬臂平台的金属探针处于同一微探针阵列中，只要所有金属探针顶部的针尖位于同一水平面高度上即可。 

本发明所述的微探针可以具有相同的形状和相同的宽度、厚度，也可以具有不同的形状和不同的宽度和厚度。 

本发明还公开了一种微探针阵列的制作方法，包括以下步骤： 

步骤1，将上下两片硅片键合在一起形成SOI结构，两片硅片中间设有绝缘介质层。

步骤2，在下层硅片上刻蚀出直达中间绝缘介质层的深孔，在上层硅片上刻蚀出和探针针尖高度相近的深槽。 

步骤3，在上层硅片上表面和下层硅片下表面制作绝缘介质层，其中下层硅片的深孔的侧壁上制作绝缘介质，上层硅片的深槽内填充满绝缘介质。开槽并填充绝缘介质以阻止侧边刻蚀斜面的形成。 

步骤4，在下层硅片的深孔内填充金属形成金属连接件。 

步骤5，根据所述深槽位置，对上层硅片表面进行一次光刻并进行第一次硅的各向异性刻蚀以形成针尖状台阶； 

步骤6，再进行光刻及第二次的硅的各向异性刻蚀直到中间的绝缘介质层，以形成梯形台阶。所述的台阶可以为多层，当然一般优选为两层结构，且梯形结构较为稳定。

步骤7，对上层硅片的表面溅射金属，之后光刻掉多余部分金属形成微探针结构；本步骤所述的多余部分金属，根据微探针具体形状而定，比如可以光刻掉微探针与中间绝缘介质层连接处的多余金属，以及微探针阵列中各个微探针之间的多余金属。 

步骤8，对下层硅片的表面进行金属淀积并光刻掉多余部分金属形成背面引线；所述的多余部分的金属指背面引线以外的多余金属，所述背面引线的具体结构可以任意设定。 

步骤9，刻蚀掉中间的绝缘介质层以上的所有上层硅片以及深槽内的绝缘介质，从而释放所有微探针结构构成微探针阵列。 

步骤10，对微探针阵列进行退火处理。 

本发明方法中各个步骤中所涉及到的具体的工艺方法都可以采用本领域的公知技术实现。 

本发明中所述的微探针可以具有相同的形状和相同的宽度、厚度，也可以具有不同的形状和不同的宽度和厚度。 

有益效果：本发明主要由制作在硅基片上的多根两脚支撑的微探针构成。每根微探针的中间或稍偏一点位置有凸起，作为探针针尖。探针针尖不需排成整齐的一列，可以在探针横梁上的任意位置。这种微探针阵列排列结构具有很好的适应性、能够满足很多具有不规则引线焊盘的芯片测试需要。不仅如此，上述探针还具有很好的机械性能、电学性能，及优良的耐久性能；该微探针结构具有微小的尺寸，且易于规模化制作。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。 

图1为微探针的结构示意图。 

图2A~图2J为微探针阵列的制作流程图。 

图3为实施例2结构示意图。 

图4为实施例3结构示意图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种微探针阵列，包括设有深孔的基板10、位于基板10上方的金属探针阵列以及位于基板下方的背面引线4；基板上、下表层以及深孔的侧壁设有绝缘介质层5，深孔内设有连接所述背面引线4的金属连接件3；所述金属探针阵列包括一组金属探针1，所述金属探针两端与基板连接形成锚点8，中部为悬空的悬臂平台9，锚点与悬臂平台11，所述悬臂平台可以为一层以上台阶结构，悬臂平台9上设有针尖2，所有针尖位于同一水平面高度上，所述金属探针1的一端的锚点8连接所述金属连接件3。每个微探针都与所述的金属连接件3以及背面引线点连接。 

如图2中的图2A~图2J所示，本发明还公开了一种微探针阵列的制作方法，包括以下步骤： 

步骤1，将上下两片硅片10键合在一起形成SOI结构，两片硅片中间设有绝缘介质层5。

步骤2，在下层硅片上刻蚀出直达中间绝缘介质层的深孔7，在上层硅片上刻蚀出直达中间绝缘介质层的作为刻蚀停止位置的深槽6a和6b，其深度与所要制作探针针尖高度相当。。 

步骤3，在上层硅片上表面和下层硅片下表面制作绝缘介质层，其中下层硅片的深孔的侧壁上制作绝缘介质，上层硅片的深槽内填充满绝缘介质。 

步骤4，在下层硅片的深孔7内填充金属形成金属连接件3。 

步骤5，根据所述深槽6的位置，对上层硅片表面进行一次光刻并进行第一次硅的各向异性刻蚀以形成针尖状台阶2a、2b； 

步骤6，再进行光刻及第二次的硅的各向异性刻蚀直到中间的绝缘介质层，以形成梯形台阶12。

步骤7，对上层硅片的表面溅射金属，之后光刻掉多余部分金属形成微探针结构，形成单个微探针1，微探针1包括针尖2、悬臂9、锚点8，悬臂9和锚点8之间的悬臂平台11。 

步骤8，对下层硅片的表面进行金属淀积并光刻掉多余部分金属形成背面引线4，由此构成锚点8、金属连接件3以及背面引线4三者电连接。 

步骤9，刻蚀掉中间的绝缘介质层以上的所有上层硅片以及深槽内的绝缘介质，从而释放所有微探针结构1构成所述微探针阵列。 

步骤10，对微探针阵列进行退火处理。 

实施例1

如图1所示，本实施例的微探针阵列包括带有绝缘介质层5的基板10以及一组微探针1，基板10上排布了一列带有针尖2的微探针1，每根微探针1上的针尖2的位置不需固定，可以在微探针1的悬臂9上的任意位置，微探针下部两端设有锚点8，锚点8与悬臂9之间为悬臂平台11。因此这一列的微探针上的针尖可以适应具有不规则引线焊盘的芯片的测试。基板10上具有金属连接件3，这些金属连接件3将背面引线4和正面的微探针连接在一起，方便以后的封装。

本实施例的微探针阵列，结构简单，牢固，有很好的机械性能和电学性能。 

本实施例的微探针阵列的制作方法包含如下步骤： 

a.       将两片硅片键合在一起形成SOI结构（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅），中间有一层氧化硅绝缘介质层5。

b.      在下层硅片10中通过硅深刻蚀到达界面的氧化绝缘介质层5以形成深孔7，上层硅片10上相邻两根具有不同中心位置针尖2的微探针1中间也通过干法刻蚀形成深度和针尖高度近似的深槽结构6a和6b，统称深槽6，如图2A和图2B。 

c.       热氧化使正面深槽6填满氧化绝缘介质5，背面深孔侧壁形成氧化绝缘层，然后对背面深孔填充金属形成导电金属深孔3，如图2C和图2D。 

d.      对上层的硅片表面进行光刻并进行硅的各向异性刻蚀以形成第一层台阶2a和2b，该台阶将是两列不同位置探针针尖部分的支撑，如图2E和图2F，图2B中所述深槽6及图2D中所述深槽6中的绝缘介质5就成为台阶2a和2b之间的定位标志，台阶2a的两端对应两个深槽6a,两个深槽6a之间的部分在本实施例中被刻蚀掉而构成台阶2a之间的平台结构；台阶2b的两端对应两个深槽6b,深槽6b之间的部分在本实施例中保留, 而6b之外的部分被刻蚀掉以构成台阶2b结构。当然也可以根据具体的针尖位置设计更多的深槽6。 

e.       在新形成的台阶表面再进行光刻，及新一次的硅的各向异性腐蚀，腐蚀停止在SOI界面氧化介质5上，以形成第二个台阶12。该台阶将是要形成的探针的支撑3，如图2G和图2H。 

f.       溅射金属并光刻、电镀形成图1所示探针阵列结构。 

g.      背面金属淀积并光刻形成背面引线4。 

h.      进行正面台阶硅的刻蚀以释放带针尖2的探针1阵列，如图2I和图2J。 

i.        进行退火以使探针金属的弹性增强。 

实施例2 

如图3所示，本实施例中，所有金属探针包括一个悬臂平台11，即一层台阶直接连接锚点8和针尖2。

本实施例的微探针阵列的制作方法与实施例1相同，只是在进行结构刻划时的图案不同。 

实施例3 

如图4所示，本实施例中，所述微探针阵列中由上至下包括3个含有两层台阶结构悬臂平台的金属探针以及6个含有三层台阶结构悬臂平台的金属探针，且所有9个金属探针以3个一组，针尖2分别位于金属探针悬臂平台11的两侧和中间，所有针尖位于同一水平面高度上，其余结构与实施例1相同，金属探针两端为锚点。

本实施例的微探针阵列的制作方法与实施例1相同，只是在进行结构刻划时的图案不同。 

本发明提供了一种微探针阵列及其制作方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。 

Claims (1)

1.一种微探针阵列的制作方法，其特征是该方法包括以下步骤:

步骤1，将上下两片硅片键合在一起形成SOI结构，两片硅片中间设有绝缘介质层；

步骤2，在下层硅片上刻蚀出直达中间绝缘介质层的深孔，在上层硅片上刻蚀出与针尖高度相同深度的深槽；

步骤3，在上层硅片上表面和下层硅片下表面制作绝缘介质层，其中下层硅片的深孔的侧壁上制作绝缘介质，上层硅片的深槽内填充满绝缘介质；

步骤4，在下层硅片的深孔内填充金属形成金属连接件；

步骤5，根据所述深槽位置，对上层硅片表面进行第一次光刻并进行第一次硅的各向异性刻蚀以形成针尖状台阶；

步骤6，进行第二次光刻及第二次的硅的各向异性刻蚀直到中间的绝缘介质层，以形成梯形台阶；

步骤7，对上层硅片的表面溅射金属，之后光刻掉多余部分金属形成微探针结构；

步骤8，对下层硅片的表面进行金属淀积并光刻掉多余部分金属形成背面引线；

步骤9，刻蚀掉中间的绝缘介质层以上的所有上层硅片以及深槽内的绝缘介质，从而释放所有微探针结构构成微探针阵列；

步骤10，对微探针阵列进行退火处理。