CN111766418A - Mems探针卡 - Google Patents
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Abstract
本发明MEMS探针卡属于IC制作业技术领域，具体涉及微机电系统制造、半导体裸芯测试及相关关键技术；该探针卡从上到下依次包括加强件、PCB板、转接层、导引板和MEMS探针；本发明不仅公开了一种MEMS探针卡，而且公开了一种MEMS探针卡的全新制作工艺，从MEMS探针卡的结构，到导引板MEMS探针结构模板烧刻设备与方法，面向导引板MEMS探针结构模板烧刻的探针定位方法，再到导引板MEMS探针结构制作方法，最后到导引板MEMS探针结构与转接层的对接装置与方法，最终实现亚微米级MEMS探针卡的制造。
Description
技术领域
本发明MEMS探针卡属于IC制作业技术领域，具体涉及微机电系统制造、半导体裸芯测试及相关关键技术。
背景技术
探针卡是芯片制造过程中非常重要的一项技术，芯片在封装前，通过探针卡上的探针直接与芯片上的焊垫或凸块接触，引出芯片讯号，再配合周边测试仪器与软件控制实现自动化量测，进而筛选出不良品，保证产品良率。
随着微机电系统（MEMS）技术的发展，芯片的体积越来越小，达到了毫米量级，而芯片内部的集成度越来越高，达到了微米量级，甚至亚微米量级，这就要求探针卡的体积随探针同步缩小，进而使得探针制造面临新的挑战。
关于探针卡制造方面，已经公开了很多现有技术，按照时间先后顺序，依次出现的技术包括：
02100980.5晶圆级探针卡及其制造方法
03802632.5探针卡及探针卡的制造方法
200580041495.1包括检测探针的探针卡制造方法
200580049139.4探针卡及其制造方法
200680009115.0探针卡及其制造方法
200680027726.8制造探针卡的方法及装置
200680031627.7探针卡及其制造方法
200610103270.0探针卡的制造方法
200710110928.5测试用探针卡及其制造方法
200710162691.5一种导电膜的制造方法、结构及具有该导电膜的探针卡
200710306120.4探针卡的制造方法
200810088590.2探针卡的制造方法及其装置
200810099307.6探针卡及其制造方法
200910207279.X包括检测探针的探针卡制造方法和探针卡、探针卡检查系统
201010000429.2一种微探针结构及其制造方法
201010551930.8探针卡及其制作方法以及测试半导体元件的方法
201010602334.8探针卡结构体及其组装方法
201110229503.2探针卡及其制作方法
201220520534.3探针卡安装台及探针测量装置
201310303035.8探针卡及其制造方法
201410262345.4探针卡及其制造方法
201410328012.7用于探针卡的板及其制造方法和探针卡
201510543596.4集成电路探针卡及制造方法、检测探针卡装置及方法
201510929670.6探针卡及其制造方法
201710242941.X用于探针卡的导板和制造用于探针卡的导板的方法
201711042258.8用于探针卡的探针及其制造方法
201810863816.5探针卡、包括该探针卡的测试装置以及相关的制造方法
201810871834.8一种垂直探针卡及硅基板结构的制造方法
201880030578.8用于电子器件的测试设备的探针卡多层结构的制造方法
201910435481.1空间转换器、探针卡及其制造方法
201910781444.6用于探针卡制造、检测及维修的设备及其使用方法
201911021188.7探针卡用导板及其制造方法、以及具备其的探针卡
可见，从新世纪开始到目前，各国学者各大企业都在探针卡制作上进行大胆尝试和创新，力求探针卡能够跟随半导体技术的发展，满足半导体器件的测试要求。
在这些技术当中，有的是用于制造更大尺寸的探针卡，有的是为了避免测试过程中烧针，虽然也有用于制造集成度更高的探针卡的技术出现，但是仍然无法实现探针尺寸在亚微米量级的探针卡的制作。其原因在于，对于尺寸在亚微米量级的探针，制造过程中无法有效避免探针弯曲，一旦探针有轻微弯曲，就会接触仅有亚微米量级距离的另外一根探针，造成制作失败。
发明内容
针对亚微米量级探针卡的制造需求，本发明公开了一种MEMS探针卡，更包含了MEMS探针卡的全新制作工艺，从MEMS探针卡的结构，到导引板MEMS探针结构模板烧刻设备与方法，面向导引板MEMS探针结构模板烧刻的探针定位方法，再到导引板MEMS探针结构制作方法，最后到导引板MEMS探针结构与转接层的对接装置与方法，最终实现亚微米级MEMS探针卡的制造。
本发明的目的是这样实现的：
MEMS探针卡，从上到下依次包括加强件、PCB板、转接层、导引板和MEMS探针；所述加强件用于增加MEMS探针卡强度，所述PCB板用于连接测试机和信号走线，所述转接层为PCB板与MEMS探针的媒介，用于实现信号的固定转接，所述导引板用于容纳MEMS探针，所述MEMS探针用于连接被测晶圆，实现对晶圆电性能的测试；
所述导引板和MEMS探针共同组成导引板MEMS探针结构，所述导引板MEMS探针结构利用导引板MEMS探针结构模板制作而成；所述导引板MEMS探针结构模板能够溶解在导引板和MEMS探针不能溶解的溶液中，所述导引板MEMS探针结构模板上具有标志位，所述导引板上具有镀膜凸起。
上述MEMS探针卡，所述导引板MEMS探针结构模板利用导引板MEMS探针结构模板烧刻设备烧刻而成，所述导引板MEMS探针结构模板烧刻设备沿光线传播方向依次设置有光源、针孔、准直镜、x向狭缝展开板、y向狭缝展开板、第一棱镜、平面反射镜、第二棱镜、第一图像传感器、控制器和激光阵列。
导引板MEMS探针结构模板利用导引板MEMS探针结构模板烧刻设备烧刻而成，包括三个步骤：
步骤a、x向定位；
步骤b、y向定位；
步骤c、二维定位。
有益效果：
第一、本发明公开了一种MEMS探针卡，更包含了MEMS探针卡的全新制作工艺，从MEMS探针卡的结构，到导引板MEMS探针结构模板烧刻设备与方法，面向导引板MEMS探针结构模板烧刻的探针定位方法，再到导引板MEMS探针结构制作方法，最后到导引板MEMS探针结构与转接层的对接装置与方法，这些关键技术相互协调工作，缺一不可，它们作为一个整体，最终能够实现亚微米级MEMS探针卡的制造。
第二、本发明公开了一种导引板MEMS探针结构模板烧刻设备与烧刻方法，能够制作出亚微米级导引板MEMS探针结构模板，进而为提供一种新的导引板MEMS探针结构制作方法奠定设备及方法基础；这里需要说明的是，在该设备中，还可以在平面反射镜和第一图像传感器之间增加起放大作用的透镜，实现亚微米级别的图像在微米像素级别成像器件中的成像；在激光阵列和准导引板MEMS探针结构模板之间增加起缩小作用的透镜，实现非亚微米级别激光阵列实现亚微米级别烧刻的作用。
第三、本发明公开了一种面向导引板MEMS探针结构模板烧刻的探针定位方法，采用该方法，能够给探针坐标进行定位，进而为导引板MEMS探针结构与转接层的对接奠定技术基础。
第四、本发明公开了一种利用导引板MEMS探针结构模板来制作导引板MEMS探针结构的方法，由于在模板中，MEMS探针的尺寸和位置被限定了，因此制作过程中不会出现探针弯曲接触另外一根探针，进而造成制造失败的问题，有利于实现MEMS探针卡的制造。
第五、本发明还针对本申请特有的工艺，设计了一种导引板MEMS探针结构与转接层的对接技术，将探针卡分成上下两部分，其中，加强件、PCB板和转接层构成上部，导引板MEMS探针结构为下部，通过本发明公开的导引板MEMS探针结构与转接层的对接装置与方法，实现两部分的对接，最终完成MEMS探针卡的制造。
附图说明
图1是MEMS探针卡的结构示意图。
图2是导引板MEMS探针结构模板烧刻设备的结构示意图。
图3是狭缝展开板的结构示意图。
图4是导引板MEMS探针结构模板烧刻方法的流程图。
图5是面向导引板MEMS探针结构模板烧刻的探针定位方法的流程图。
图6是导引板MEMS探针结构制作方法的流程图。
图7是导引板MEMS探针结构与转接层的对接装置的结构示意图。
图8是导引板MEMS探针结构与转接层的对接方法的流程图。
图中：1加强件、2PCB板、3转接层、4导引板、5MEMS探针、6准导引板MEMS探针结构模板、7-1光源、7-2针孔、7-3准直镜、7-4x向狭缝展开板、7-5y向狭缝展开板、7-45-1同轴阶梯滚、7-45-2拉线、7-45-3狭缝板、7-6第一棱镜、7-7平面反射镜、7-8第二棱镜、7-9第一图像传感器、7-10控制器、7-11激光阵列、8-1第三棱镜、8-2成像物镜、8-3第二图像传感器、8-4升降台、8-5支架、8-6气缸、8-7支撑板、8-8二维平移台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
具体实施方式一
以下是MEMS探针卡的实施方式。
本实施方式下的MEMS探针卡，结构示意图如图1所示，该MEMS探针卡从上到下依次包括加强件1、PCB板2、转接层3、导引板4和MEMS探针5；所述加强件1用于增加MEMS探针卡强度，所述PCB板2用于连接测试机和信号走线，所述转接层3为PCB板2与MEMS探针5的媒介，用于实现信号的固定转接，所述导引板4用于容纳MEMS探针5，所述MEMS探针5用于连接被测晶圆，实现对晶圆电性能的测试；
所述导引板4和MEMS探针5共同组成导引板MEMS探针结构，所述导引板MEMS探针结构利用导引板MEMS探针结构模板制作而成；所述导引板MEMS探针结构模板能够溶解在导引板4和MEMS探针5不能溶解的溶液中，所述导引板MEMS探针结构模板上具有标志位，所述导引板4上具有镀膜凸起。
具体实施方式二
以下是导引板MEMS探针结构模板烧刻设备的实施方式。
本实施方式下的导引板MEMS探针结构模板烧刻设备，结构示意图如图2所示，该导引板MEMS探针结构模板烧刻设备沿光线传播方向依次设置有光源7-1、针孔7-2、准直镜7-3、x向狭缝展开板7-4、y向狭缝展开板7-5、第一棱镜7-6、平面反射镜7-7、第二棱镜7-8、第一图像传感器7-9、控制器7-10和激光阵列7-11；
所述光源7-1发出的光束，经过针孔7-2形成点光源，所述针孔7-2位于准直镜7-3焦点处，点光源经过准直镜7-3形成平行光，所述平行光经过x向狭缝展开板7-4形成x向条纹阵列，所述x向条纹阵列经过y向狭缝展开板7-5形成点阵列，所述点阵列分别经过第一棱镜7-6透射，平面反射镜7-7反射，第一棱镜7-6反射，第二棱镜7-8透射，入射到第一图像传感器7-9，所述第一图像传感器7-9与控制器7-10电连，所述控制器7-10控制激光阵列7-11发出激光束，所述激光束分别经过第二棱镜7-8反射，第一棱镜7-6反射，在没有平面反射镜7-7的情况下，入射到导引板MEMS探针结构模板6。
具体实施方式三
以下是导引板MEMS探针结构模板烧刻设备的实施方式。
本实施方式下的导引板MEMS探针结构模板烧刻设备，结构示意图如图2所示，该导引板MEMS探针结构模板烧刻设备在具体实施例二的基础上，进一步限定：
所述x向狭缝展开板7-4和y向狭缝展开板7-5垂直放置，x向狭缝展开板7-4和y向狭缝展开板7-5均包括同轴阶梯滚7-45-1、拉线7-45-2和狭缝板7-45-3，所述同轴阶梯滚7-45-1，如图3所示；
所述同轴阶梯滚7-45-1包括同轴设置的具有不同直径的滚筒，所述滚筒直径从小到大排列，为等差数列，且首项为公差的2倍，每个滚筒的两端均伸出有拉线7-45-2，所述拉线7-45-2连接狭缝板7-45-3，所述同轴阶梯滚7-45-1设置有初始位，在同轴阶梯滚7-45-1位于初始位时，狭缝板7-45-3在光线传播方向重合，此时，狭缝板7-45-3的边缘对准导引板MEMS探针结构模板6的标志位；在同轴阶梯滚7-45-1转动后，狭缝板7-45-3以不同速度散开，所述不同速度从小到大排列，为等差数列，且首项与公差相同，散开后，相邻两个狭缝板7-45-3之间的距离相同。
具体实施方式四
以下是导引板MEMS探针结构模板烧刻方法的实施方式。
本实施方式下的导引板MEMS探针结构模板烧刻方法，流程图如图4所示，该导引板MEMS探针结构模板烧刻方法在具体实施例二或具体实施例三所述的导引板MEMS探针结构模板烧刻设备上实现，该方法包括以下步骤：
步骤a、放置导引板MEMS探针结构模板6，所述导引板MEMS探针结构模板6的标志位位于同轴阶梯滚7-45-1位于初始位时狭缝板7-45-3的边缘；
步骤b、调整x向狭缝展开板7-4和y向狭缝展开板7-5，根据x方向相邻两个MEMS探针之间的距离，转动x向狭缝展开板7-4中同轴阶梯滚7-45-1，确保线速度与转动时间的乘积为x方向相邻两个MEMS探针之间的距离；根据y方向相邻两个MEMS探针之间的距离，转动y向狭缝展开板7-5中同轴阶梯滚7-45-1，确保线速度与转动时间的乘积为y方向相邻两个MEMS探针之间的距离；
步骤c、采集烧刻图像
安装平面反射镜7-7，点亮光源7-1，所述光源7-1发出的光束，经过针孔7-2形成点光源，所述针孔7-2位于准直镜7-3焦点处，点光源经过准直镜7-3形成平行光，所述平行光经过x向狭缝展开板7-4形成x向条纹阵列，所述x向条纹阵列经过y向狭缝展开板7-5形成点阵列，所述点阵列分别经过第一棱镜7-6透射，平面反射镜7-7反射，第一棱镜7-6反射，第二棱镜7-8透射，入射到第一图像传感器7-9；
步骤d、导引板MEMS探针结构模板烧刻
拆除平面反射镜7-7，第一图像传感器7-9根据步骤c所采集的图像，控制激光阵列7-11发出激光束，所述激光束分别经过第二棱镜7-8反射，第一棱镜7-6反射，在没有平面反射镜7-7的情况下，入射到导引板MEMS探针结构模板6表面，实现烧刻。
具体实施方式五
以下是面向导引板MEMS探针结构模板烧刻的探针定位方法的实施方式。
本实施方式下的面向导引板MEMS探针结构模板烧刻的探针定位方法，流程图如图5所示，该面向导引板MEMS探针结构模板烧刻的探针定位方法为具体实施例四所述的导引板MEMS探针结构模板烧刻方法执行前的关键步骤，该方法包括以下步骤：
步骤a、x向定位
对于x向狭缝展开板7-4，设狭缝板7-45-3的宽度为d1，同轴阶梯滚7-45-1的转动角速度为w1，转动时间为t1，同轴阶梯滚7-45-1中直径最小滚筒的半径为r1，则相邻两个MEMS探针之间的距离为w1r1t1；
距离准导引板MEMS探针结构模板6标志位最近的狭缝与所述标志位之间的距离为d1/2+w1r1t1；
步骤b、y向定位
对于y向狭缝展开板7-5，设狭缝板7-45-3的宽度为d2，同轴阶梯滚7-45-1的转动角速度为w2，转动时间为t2，同轴阶梯滚7-45-1中直径最小滚筒的半径为r2，则相邻两个MEMS探针之间的距离为w2r2t2；
距离准导引板MEMS探针结构模板6标志位最近的狭缝与所述标志位之间的距离为d2/2+w2r2t2；
步骤c、二维定位
通过定位x方向相邻两个MEMS探针之间的距离，x方向距离准导引板MEMS探针结构模板6标志位最近的狭缝与所述标志位之间的距离，y方向相邻两个MEMS探针之间的距离，y方向距离准导引板MEMS探针结构模板6标志位最近的狭缝与所述标志位之间的距离，实现MEMS探针定位。
具体实施方式六
以下是导引板MEMS探针结构制作方法的实施方式。
在导引板MEMS探针结构模板烧刻完成后，就需要进行导引板MEMS探针结构的制作工作。本实施方式下的导引板MEMS探针结构制作方法，流程图如图6所示，该导引板MEMS探针结构制作方法，包括以下步骤：
步骤a、准备烧刻完成的导引板MEMS探针结构模板6；
步骤b、向导引板MEMS探针结构模板6填充MEMS探针5材料，并固化；
步骤c、用溶液将导引板MEMS探针结构模板6溶解，保留MEMS探针5材料；
步骤d、将步骤c得到的MEMS探针5材料上下翻转；
步骤e、向MEMS探针5材料的缝隙中填充导引板4材料，并固化；
步骤f、将步骤e得到的结构上下翻转；
步骤g、磨掉导引板4材料上方的MEMS探针5材料，使得导引板4材料和MEMS探针5材料同时裸露在上方，得到导引板MEMS探针结构；
步骤h、将导引板4材料中与导引板MEMS探针结构模板6标志位相对应的凸起镀膜。
具体实施方式七
以下是导引板MEMS探针结构与转接层的对接装置的实施方式。
在导引板MEMS探针结构制作完成后，需要将导引板MEMS探针结构与转接层进行对接，形成MEMS探针卡。本实施方式下的导引板MEMS探针结构与转接层的对接装置，结构示意图如图7所示，该导引板MEMS探针结构与转接层的对接装置包括第三棱镜8-1、成像物镜8-2、第二图像传感器8-3、升降台8-4、支架8-5、气缸8-6、支撑板8-7和二维平移台8-8；
所述第三棱镜8-1、成像物镜8-2和第二图像传感器8-3位于升降台8-4上，随升降台一起上下运动，平行光水平入射，经过第三棱镜8-1反射，照射到导引板4上的镀膜凸起，激发荧光，再经过第三棱镜8-1透射，成像物镜8-2会聚，成像到第二图像传感器8-3上；
所述支架8-5用于支撑导引板MEMS探针结构，支架8-5上还对称设置有同步运动的气缸8-6，所述气缸8-6顶部安装有支撑板8-7，所述支撑板8-7下方设置有二维平移台8-8，所述二维平移台8-8能够在水平面内二维平动，二维平移台8-8还具有加热功能，能够通过加热，使二维平移台8-8下方粘贴的加强件1、PCB板2和转接层3组成的结构从二维平移台8-8上脱落。
具体实施方式八
以下是导引板MEMS探针结构与转接层的对接方法的实施方式。
本实施方式下的导引板MEMS探针结构与转接层的对接方法，流程图如图8所示，该导引板MEMS探针结构与转接层的对接方法在具体实施例七所述的导引板MEMS探针结构与转接层的对接装置上实现，该方法包括以下步骤：
步骤a、将导引板MEMS探针结构放置在支撑板8-7上；
步骤b、将加强件1、PCB板2和转接层3组成的结构粘贴到二维平移台8-8的下方；
步骤c、平行光水平入射，根据第二图像传感器8-3上的光斑大小调整升降台8-4，使得导引板4上的镀膜凸起与第二图像传感器8-3的像面共轭，此时第二图像传感器8-3上的光斑最小；
步骤d、根据光斑在第二图像传感器8-3上的位置，计算导引板MEMS探针结构中各MEMS探针5在水平面内的坐标；
步骤e、根据步骤d中各MEMS探针5在水平面内的坐标，调整二维平移台8-8位置，使得加强件1、PCB板2、转接层3、导引板4和MEMS探针5位置对应；
步骤f、调整气缸8-6，使得转接层3与导引板MEMS探针结构粘贴；
步骤g、二维平移台8-8给加强件1加热，使得加强件1、PCB板2和转接层3组成的结构从二维平移台8-8上脱落。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案，都能够进行排列组合，由于本领域的技术人员能够根据高中阶段所学习的排列组合数学知识，穷尽所有排列组合后的结果，因此这些结果在本申请中不再一一罗列，但应理解为每一种排列组合结果都被本申请所记载。
还需要说明的是，以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (3)
1.MEMS探针卡，从上到下依次包括加强件（1）、PCB板（2）、转接层（3）、导引板（4）和MEMS探针（5）；所述加强件（1）用于增加MEMS探针卡强度，所述PCB板（2）用于连接测试机和信号走线，所述转接层（3）为PCB板（2）与MEMS探针（5）的媒介，用于实现信号的固定转接，所述导引板（4）用于容纳MEMS探针（5），所述MEMS探针（5）用于连接被测晶圆，实现对晶圆电性能的测试；
其特征在于，
所述导引板（4）和MEMS探针（5）共同组成导引板MEMS探针结构，所述导引板MEMS探针结构利用导引板MEMS探针结构模板制作而成；所述导引板MEMS探针结构模板能够溶解在导引板（4）和MEMS探针（5）不能溶解的溶液中，所述导引板MEMS探针结构模板上具有标志位，所述导引板（4）上具有镀膜凸起。
2.根据权利要求1所述的MEMS探针卡，其特征在于，所述导引板MEMS探针结构模板利用导引板MEMS探针结构模板烧刻设备烧刻而成，所述导引板MEMS探针结构模板烧刻设备沿光线传播方向依次设置有光源（7-1）、针孔（7-2）、准直镜（7-3）、x向狭缝展开板（7-4）、y向狭缝展开板（7-5）、第一棱镜（7-6）、平面反射镜（7-7）、第二棱镜（7-8）、第一图像传感器（7-9）、控制器（7-10）和激光阵列（7-11）。
3.根据权利要求2所述的MEMS探针卡，其特征在于，导引板MEMS探针结构模板利用导引板MEMS探针结构模板烧刻设备烧刻而成，包括三个步骤：
步骤a、x向定位；
步骤b、y向定位；
步骤c、二维定位。
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