CN103675365B

CN103675365B - 一种微机械芯片测试探卡及其制作方法

Info

Publication number: CN103675365B
Application number: CN201210330880.XA
Authority: CN
Inventors: 杨恒; 顾杰斌; 叶挺; 李昕欣
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: CN103675365A; WO2014036770A1

Abstract

本发明提供一种微机械芯片测试探卡及其制作方法，在SOI衬底中定义悬臂梁图形，于悬臂梁的悬空端制作内壁绝缘的盲孔，于盲孔内制作探针，于悬臂梁表面制作金属引线，于悬臂梁的固定端制作焊球，正面刻蚀SOI形成悬臂梁结构，将焊球倒装于陶瓷基底，从底面刻蚀衬底硅以释放悬臂梁以完成制备。本发明具有加工精度高、加工工艺简单、制作的测试探卡的机械强度高、各探针可依据待测芯片管脚位置的分布进行排列等优点。本发明的制作工艺与传统的CMOS工艺及微机加工工艺兼容，适用于工业生产。

Description

一种微机械芯片测试探卡及其制作方法

技术领域

本发明属于微机械加工领域，特别是涉及一种微机械芯片测试探卡及其制作方法。

背景技术

集成电路圆片级测试探卡主要应用于分片封装前对集成电路芯片电学性能进行中测、确好芯片测试(KGD)等。集成电路芯片的测试是通过自动测试仪(AutomaticTestEquipment)来实现的。自动测试仪包括测试台，探卡，测试数据分析仪以及分析仪和探卡之间的接口装置等，其中探卡是其核心部件。传统的探卡包括环氧树脂型，刀片型，垂直式，阵列式，微弹簧式等多种类型，它们的制作过程多是采用人工装配的方式。随着集成电路的线宽不断缩小、压焊块尺寸和密度不断增加，人工装配的探卡已越来越不能满足应用的需求。近年来出现了垂直探卡、薄膜探卡等用于压焊块密度高的集成电路测试。

由于MEMS技术擅长于制造微型结构，所以非常适用于制造小尺寸，阵列化的探卡。基于MEMS技术的探卡包括过孔互连式悬臂梁探卡，烧结接触式探卡以及硅玻璃键合悬臂梁探卡等。

申请号为200710038538.1(微机械圆片级芯片测试探卡及制作方法)的专利中提出了一种硅悬臂梁探针，采用体微机械工艺制作硅悬臂梁作为探针结构，在硅悬臂梁顶端制作通孔，采用通孔电镀制作通孔互连和金属针尖。该结构的主要问题在于加工工艺复杂：①需要从硅片正反两面光刻和腐蚀来制作悬臂梁结构；②需要在深腔底部光刻制作金属引线，光刻难度高、精度低；③采用通孔电镀制作金属互连和针尖，针尖高度的均匀性难以保证，金属与孔侧壁间仅为机械接触、强度低；④将探卡单元倒装焊到陶瓷基板时，悬臂梁结构已释放，需要定制专用吸头或夹具，并且已释放的结构强度低、易变形、难以保证焊球的共面性，从而影响焊接质量。

申请号为200710173680.7(基于电镀工艺的微机械测试探卡及制作方法)的专利中提出了一种金属探卡，该发明采用先倒装焊、再释放探卡结构的工艺，可以保证焊球的共面性。但是该发明的问题在于：探卡中每个探针都是独立的，通过根部的焊球与陶瓷基板连接，任何一个焊球由于机械强度不足而失效均会造成整个探卡的失效。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微机械芯片测试探卡及其制作方法，用于解决现有技术中制作工艺复杂、光刻难度高、结构强度低而容易导致器件失效等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微机械芯片测试探卡的制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：

1)提供一SOI衬底，于该SOI衬底的顶层硅表面形成第一氧化层；

2)于所述SOI衬底中定义出至少具有一根悬臂梁的悬臂梁图形，且所述悬臂梁具有悬空端及固定端；

3)于所述悬臂梁的悬空端刻蚀所述SOI衬底形成贯穿第一氧化层、顶层硅及埋氧层的盲孔；

4)于所述该盲孔的内表面形成厚度小于第一氧化层的第二氧化层，并去除所述盲孔底部的第二氧化层；

5)刻蚀所述盲孔底部使其延伸至SOI衬底的衬底硅内一预设深度；

6)于所述盲孔内制作探针；

7)于悬臂梁结构表面形成连接探针及固定端的金属引线；

8)依据所述悬臂梁图形刻蚀所述SOI衬底至所述衬底硅，形成悬臂梁结构；

9)于上述结构的表面形成第三氧化层；

10)于所述固定端的金属引线上植球；

11)将所述植球倒装固定至一基底上；

12)刻蚀以去除所述SOI衬底的衬底硅，释放出悬臂梁及探针。

在本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法的步骤2)中，所述悬臂梁图形具有多根悬臂梁，且各该悬臂梁依据待测芯片管脚位置的分布进行排列。

在本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法的步骤3)中，先使用光刻胶制作掩膜，采用反应离子刻蚀法刻蚀穿所述顶层硅，然后使用同一掩膜采用反应离子刻蚀法刻蚀穿所述埋氧层以形成盲孔。

在本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法中，通过热氧化法形成所述第一氧化层及所述第二氧化层。

在本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法中，所述步骤4)中，采用反应离子刻蚀法刻蚀去除所述盲孔底部的第二氧化层。

在本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法中，步骤5)中的所述预设深度为10～30微米。

在本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法中，所述步骤6)包括以下步骤：6-1)通过溅射法于所述盲孔内表面制作种子层；6-2)通过电镀法制作金属探针。

优选地，所述种子层为TiW/Cu叠层或Cr/Cu叠层，所述金属探针为铜探针。

在本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法中，所述步骤10)包括以下步骤：10-1)刻蚀所述固定端上的第三氧化层形成引线窗口；10-2)于所述引线窗口表面制作凸点下金属层；10-3)于所述凸点下金属层表面制作焊球。

优选地，先于所述引线窗口表面溅射TiW/Cu种子层，然后采用电镀法加厚Cu层以形成所述凸点下金属层。

优选地，采用电镀法或激光植球工艺制作所述焊球。

在本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法中，采用所述步骤12)中采用各向同性干法腐蚀、XeF₂腐蚀或者从背面进行深反应离子刻蚀的方法去除衬底硅。

在本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法中，所述步骤12)还包括采用反应离子刻蚀法去除各悬臂梁之间的第三氧化层的步骤。

本发明还提供一种依据上述任意一项所述的微机械芯片测试探卡的制作方法所制作的微机械芯片测试探卡。

如上所述，本发明的微机械芯片测试探卡及其制作方法，在SOI衬底中定义悬臂梁图形，于悬臂梁的悬空端制作内壁绝缘的盲孔，于盲孔内制作探针，于悬臂梁表面制作金属引线，于悬臂梁的固定端制作植球，正面刻蚀SOI形成悬臂梁结构，将植球倒装于陶瓷基底，从底面刻蚀衬底硅以释放悬臂梁以完成制备。本发明具有以下有益效果：本发明不需要双面微机械加工，不需要在深腔内进行光刻，所有光刻均在同一平面内进行，除最后一步结构释放外，所有工艺均从上表面进行，工艺简单、光刻精度高；探针结构在完成倒装焊后释放，因此可以用常规的倒装焊机和夹具进行探卡单元的倒装焊，且倒装焊时未释放的探卡单元结构强度大，不易变形，可以保证焊球的共面性；顶层硅与探针针尖绝缘、不参与导电，因此所有硅探针与边框可以连接在一起，并且所有倒装焊焊球共同实现硅探卡与陶瓷基板的机械连接，避免了由于个别焊球机械强度低而造成的对应探针失效；采用盲孔TSV工艺制作探针针尖和TSV，盲孔电镀的金属结构与孔壁间有化学键连接，机械强度优于通孔电镀。

附图说明

图1显示为本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法步骤1)所呈现的结构示意图。

图2显示为本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法步骤2)所呈现的结构示意图。

图3显示为本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法步骤3)所呈现的结构示意图。

图4显示为本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法步骤4)所呈现的结构示意图。

图5显示为本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法步骤5)所呈现的结构示意图。

图6～图7显示为本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法步骤6)所呈现的结构示意图。

图8显示为本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法步骤7)所呈现的结构示意图。

图9显示为本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法步骤8)所呈现的结构示意图。

图10显示为本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法步骤9)所呈现的结构示意图。

图11～图13显示为本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法步骤10)所呈现的结构示意图。

图14显示为本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法步骤11)所呈现的结构示意图。

图15显示为本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法步骤12)所呈现的结构示意图。

图16显示为依据本发明的微机械芯片测试探卡的制作方法制作的微机械芯片测试探卡所呈现的结构示意图。

元件标号说明

101衬底硅

102埋氧层

103顶层硅

104第一氧化层

20悬臂梁图形

201悬空端

202固定端

105盲孔

113第二氧化层

106种子层

107探针

108金属引线

109第三氧化层

110引线窗口

111凸点下金属层

112焊球

114基底

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅1～图16。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图15所示，本实施例提供一种微机械芯片测试探卡的制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：

如图1所示，首先进行步骤1)，提供一SOI衬底，于该SOI衬底的顶层硅103表面形成第一氧化层104。在本实施例中，通过热氧化法形成所述第一氧化层104(SiO₂层)，且其厚度相对较厚。当然，在其它的实施例中，也可以采用化学气相沉积法等方法形成所述第一氧化层104。

如图2所示，然后进行步骤2)，于所述SOI衬底中定义出至少具有一根悬臂梁的悬臂梁图形20，且所述悬臂梁具有悬空端201及固定端202。

所述悬臂梁图形20具有多根悬臂梁，且各该悬臂梁依据待测芯片管脚位置的分布进行排列。在本实施例中，所述悬臂梁图形20具有至少两对平行排列的悬臂梁，且每对悬臂梁中的两根悬臂梁在同一直线上相对排列，所述悬臂梁图形20还包括一包围各该悬臂梁的矩形边框，且各该悬臂梁的固定端202连接于该矩形边框的相对两边。当然，在其它的实施例中，所示悬臂梁图形20可以作任意改变，使其与待测芯片管脚位置的分布相对应。

如图3所示，接着进行步骤3)，于所述悬臂梁的悬空端201刻蚀所述SOI衬底形成贯穿顶层硅103及埋氧层102的盲孔105。

在本实施例中，先使用光刻胶制作掩膜，采用反应离子刻蚀法刻蚀穿所述顶层硅103，然后使用同一掩膜采用反应离子刻蚀法刻蚀穿所述埋氧层102以形成盲孔105，最后去除所述光刻胶。本实施例中的盲孔105为圆孔。当然，在其它实施例中，所述盲孔105的制作手段可作任意的改变，所述盲孔105的形状也可以根据需求进行改变。

如图4所示，接着进行步骤4，于所述该盲孔105的内表面形成厚度小于第一氧化层104的第二氧化层113，并去除所述盲孔105底部的第二氧化层113。在本实施例中，采用热氧化法形成所述第二氧化层113(SiO₂层)，该第二氧化层113的厚度远小于所述第一氧化层104的厚度。当然，也可以采用其他预期的手段制备所述第二氧化层113。然后采用反应离子刻蚀法刻蚀去除所述盲孔105底部的第二氧化层113，由于反应离子刻蚀法的各向异性性质，所以刻蚀的时候对盲孔105内壁的第二氧化层113刻蚀较底部慢，因此可以将底部的第二氧化层113去除而内壁的保留下来。而且，由于所述第一氧化层104的厚度大于所述第二氧化层113的厚度，所以去除盲孔105底部的第二氧化层113后，所述第一氧化层104依然具有一定的厚度。当然也可以采用其它的各向异性刻蚀法去除所述盲孔105底部的第二氧化层113。

如图5所示，接着进行步骤5)，刻蚀所述盲孔105底部使其延伸至SOI衬底的衬底硅101内一预设深度。在本实施例中，采用反应离子刻蚀法或其它的各向异性刻蚀法刻蚀所述盲孔105的底部使其向所述衬底硅101延伸，所述预设深度为10～30微米，在一具体的实施过程中，所述预设深度为15微米。

如图6～图7所示，接着进行步骤6)，于所述盲孔105内制作探针107；

具体地，本步骤包括以下子步骤：

步骤6-1)，如图6所示，通过溅射法于所述盲孔105内表面制作种子层106；所述种子层106为TiW/Cu叠层或Cr/Cu叠层，在本实施例中，所述种子层106为TiW/Cu叠层。

步骤6-2)，如图7所示，通过电镀法制作金属探针107；由于电镀后的盲孔表面可能会有镀层凸起而影响后续工艺或测试探卡的性能，故在此步骤后需要对此表面进行抛光，本实施例选用机械化学抛光法CMP进行抛光。在本实施例中，所述金属探针107为铜探针。由于探针107与所述顶层硅103绝缘，因此，该探针107可以结合于所述第二氧化层上，大大地增加了其机械强度，降低了探针107失效的几率。

如图8所示，接着进行步骤7)，于悬臂梁结构表面形成连接探针107及固定端202的金属引线108；在本实施例中，所述金属引线108的材料为铜。

如图9所示，然后进行步骤8)，依据所述悬臂梁图形20刻蚀所述SOI衬底至所述衬底硅101，形成悬臂梁结构。

在本实施例中，刻蚀以去除各该悬臂梁及边框以外的顶层硅103及埋氧层102，以形成所述悬臂梁结构。

如图10所示，接着进行步骤9)，于上述结构的表面形成第三氧化层109；在本实施例中，采用化学气相沉积法形成所述第三氧化层109，所述第三氧化层109为SiO₂层。

如图11～图13所示，接着进行步骤10)，于所述固定端202的金属引线108上植球；

在本实施例中，本步骤包括以下子步骤：

步骤10-1)如图11所示，刻蚀所述固定端202上的第三氧化层109形成引线窗口110；

步骤10-2)如图12所示，于所述引线窗口110表面制作凸点下金属层111；具体地，先于所述引线窗口110表面溅射TiW/Cu种子层，然后采用电镀法加厚Cu层以形成所述凸点下金属层111。

步骤10-3)如图13所示，于所述凸点下金属层111表面制作焊球112；具体地，采用电镀法或激光植球工艺制作所述焊球112。所述电镀法为先于所述凸点下金属层111表面电镀锡银焊料，然后通过回流工艺形成焊球112；所述激光植球工艺是直接通过激光植球机将锡银焊球112植于所述凸点下金属表面。

当然，在本实施例中，本步骤还包括在所述矩形边框与悬臂梁对平行的两边的端点及两边的中部植球的子步骤，此步骤可在倒装至陶瓷基底后大大地增强探卡的机械强度。

如图14所示，接着进行步骤11)，将所述植球倒装固定至一基底114上；需要说明的是，由于一个晶片可制备出大量的测试探卡单元，故在此步骤前先对所述晶片进行切割形成多个测试探卡单元，然后再将测试探卡单元的各焊球112倒装固定至一基底114上，在本实施例中，所述基底114为陶瓷基底114。

如图15所示，最后进行步骤12)，刻蚀以去除所述SOI衬底的衬底硅101，释放出悬臂梁及探针107。

采用各向同性干法腐蚀、XeF₂腐蚀或者从背面进行深反应离子刻蚀的方法去除衬底硅101，在本实施例中，采用深反应离子刻蚀的方法去除衬底硅101，然后采用反应离子刻蚀法去除各悬臂梁之间的第三氧化层109，以释放出各该悬臂梁及探针107，以完成所述微机械芯片测试探卡的制作。

如图15及图16所示，本实施例还提供一种依据上述述的微机械芯片测试探卡的制作方法所制作的微机械芯片测试探卡。

综上所述，本发明提供一种微机械芯片测试探卡及其制作方法，在SOI衬底中定义悬臂梁图形，于悬臂梁的悬空端制作内壁绝缘的盲孔，于盲孔内制作探针，于悬臂梁表面制作金属引线，于悬臂梁的固定端制作植球，正面刻蚀SOI形成悬臂梁结构，将植球倒装于陶瓷基底，从底面刻蚀衬底硅以释放悬臂梁以完成制备。本发明具有以下有益效果：本发明不需要双面微机械加工，不需要在深腔内进行光刻，所有光刻均在同一平面内进行，除最后一步结构释放外，所有工艺均从上表面进行，工艺简单、光刻精度高；探针结构在完成倒装焊后释放，因此可以用常规的倒装焊机和夹具进行探卡单元的倒装焊，且倒装焊时未释放的探卡单元结构强度大，不易变形，可以保证焊球的共面性；顶层硅与探针针尖绝缘、不参与导电，因此所有硅探针与边框可以连接在一起，并且所有倒装焊焊球共同实现硅探卡与陶瓷基板的机械连接，避免了由于个别焊球机械强度低而造成的对应探针失效；采用盲孔TSV工艺制作探针针尖和TSV，盲孔电镀的金属结构与孔壁间有化学键连接，机械强度优于通孔电镀。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括以下步骤：

4)于所述盲孔的内表面形成厚度小于第一氧化层的第二氧化层，并去除所述盲孔底部的第二氧化层；

6)于所述盲孔内制作探针；

7)于悬臂梁结构表面形成连接探针及固定端的金属引线；

9)于上述结构的表面形成第三氧化层；

10)于所述固定端的金属引线上植球；

11)将所述植球倒装固定至一基底上；

12)刻蚀以去除所述SOI衬底的衬底硅，释放出悬臂梁及探针。

2.根据权利要求1所述的微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于：步骤2)中，所述悬臂梁图形具有多根悬臂梁，且各悬臂梁依据待测芯片管脚位置的分布进行排列。

3.根据权利要求1或2所述的微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于：所述步骤3)中，先使用光刻胶制作掩膜，采用反应离子刻蚀法刻蚀穿所述顶层硅，然后使用同一掩膜采用反应离子刻蚀法刻蚀穿所述埋氧层以形成盲孔。

4.根据权利要求1或2所述的微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于：通过热氧化法形成所述第一氧化层及所述第二氧化层。

5.根据权利要求1或2所述的微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于：所述步骤4)中，采用反应离子刻蚀法刻蚀去除所述盲孔底部的第二氧化层。

6.根据权利要求1或2所述的微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于：步骤5)中的所述预设深度为10～30微米。

7.根据权利要求1或2所述的微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于：所述步骤6)包括以下步骤：6-1)通过溅射法于所述盲孔内表面制作种子层；6-2)通过电镀法制作金属探针。

8.根据权利要求7所述的微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于：所述种子层为TiW/Cu叠层或Cr/Cu叠层，所述金属探针为铜探针。

9.根据权利要求1或2所述的微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于：所述步骤10)包括以下步骤：10-1)刻蚀所述固定端上的第三氧化层形成引线窗口；10-2)于所述引线窗口表面制作凸点下金属层；10-3)于所述凸点下金属层表面制作焊球。

10.根据权利要求9所述的微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于：先于所述引线窗口表面溅射TiW/Cu种子层，然后采用电镀法加厚Cu层以形成所述凸点下金属层。

11.根据权利要求9所述的微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于：采用电镀法或激光植球工艺制作所述焊球。

12.根据权利要求1或2所述的微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于：所述步骤12)中采用各向同性干法腐蚀、XeF₂腐蚀或者从背面进行深反应离子刻蚀的方法去除衬底硅。

13.根据权利要求1或2所述的微机械芯片测试探卡的制作方法，其特征在于：所述步骤12)还包括采用反应离子刻蚀法去除各悬臂梁之间的第三氧化层的步骤。