CN114514428A - 同轴晶圆探针及对应的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于半导体装置的晶圆上测试的测量探针(6)，该测量探针包括位于远端端部处的用于接触晶圆的着陆焊盘的多个接触指状部。测量探针(6)包括：中央导电导线，中央导电导线连接至测量探针(6)的第一接触指状部；在中央导电导线的纵向部分上的渐缩玻璃层；以及覆盖玻璃层的导电外层，导电外层连接至测量探针的至少一个第二接触指状部。为了制造这种测量探针，对中央导电导线上的玻璃毛细管进行加热和牵拉。本发明还涉及一种包括这种测量探针(6)的探针保持件(3)。
Description
技术领域
本发明涉及用于半导体装置的晶圆上测试(on-wafer testing)的测量探针。
背景技术
US6078184公开了一种用于接触平面微波电路的测量探针并且包括壳体中的具有共面线的基板，在该壳体中构造有同轴线端子并且至少两个接触指状部从该壳体延伸。共面线的一个端部与同轴线端子连接并且另一端部与接触指状部连接。接触指状部构造为由弹簧钢材料制成的彼此并排布置的细针。
在US20030132759、US20020163349和US6118287中还公开了其他形式的测量探针。
这种测量探针将从用于探针的机械紧固和标准化电接触的近端端部至构造成用于接触晶圆的着陆焊盘的远端端部的距离桥接。远端端部包括多个接触指状部，例如以用于接触晶圆的被测RF电路的接地-信号-接地焊盘。
接触指状部的尺寸以及接触指状部的间隔应当与被测装置的着陆焊盘的尺寸和间隔(间距)相对应。由于可制造性的原因，在已知的测量探针中，接触指状部的尺寸大于25微米并且接触指状部的间隔大于25微米至100微米。
为了匹配半导体特征的尺寸减小并且提供改进的RF性能(更少的电容效应)，布置具有下述接触指状部的测量探针总体上将是有利的：所述接触指状部的尺寸和间隔相比于现有技术的尺寸和间隔得以减小。
有利地，这种测量探针应当容易地制造以使得可以以合理的成本提供这种测量探针。
发明目的
本发明旨在至少部分地解决这些问题。更具体地，本发明旨在提出一种测量探针以及一种包括这种测量探针的探针保持件，这种测量探针易于制造，但可以具有非常小的尺寸和间隔——每一者降至25微米以下——的接触指状部。
发明内容
为此，本发明的一个方面涉及一种用于半导体装置的晶圆上测试的测量探针，测量探针具有用于连接至探针保持件的近端端部和位于远端端部处的用于接触晶圆的着陆焊盘的多个接触指状部。
根据本发明，测量探针包括：
-中央导电导线，中央导电导线在测量探针的近端端部与远端端部之间延伸并且包括纵向部分，中央导电导线在远端端部处电连接至测量探针的第一接触指状部；
-渐缩玻璃护套，渐缩玻璃护套在中央导电导线的纵向部分上；
-导电外层，导电外层覆盖渐缩玻璃护套，导电外层在远端端部处电连接至测量探针的至少一个第二接触指状部。
根据本发明的其他非限制性特征，单独采用或以任何技术上可行的组合采用：
-中央导电导线由铂铱合金材料制成；
-导电外层由铂制成；
-测量探针包括近端端部与远端端部之间的弯曲部分以便于接触指状部与着陆焊盘的接触；
-第一接触指状部与第二接触指状部相隔25微米或更小的距离，优选地相隔5微米或更小的距离；
-第一接触指状部和第二接触指状部通过中央导电导线中的切口、导电外层中的切口以及玻璃护套中的切口形成；
-第一接触指状部和第二接触指状部的横向长度小于20微米，并且优选地小于5微米；
-中央导电导线在近端端部处具有50微米或更小的直径，并且优选地具有30微米或更小的直径；
-中央导电导线在远端端部处具有1微米或更小的直径；
-渐缩玻璃护套呈现400微米或更小的最大直径；
-导电外层呈现包括在20nm与1000nm之间、优选地在100nm与200nm之间的厚度；
-接触指状部分别包括接触梢部。
本发明还涉及一种包括这种测量探针的测量探针保持件。探针保持件可以包括音叉，该音叉与测量探针接触以用于提供力信号。
本发明的另一方面涉及一种制造用于半导体装置的晶圆上测试的测量探针的方法，该方法包括：
-将导电导线插入到玻璃毛细管的中央孔中，导电导线延伸超出玻璃毛细管的两个端部；
-对导电导线上的玻璃毛细管进行加热和牵拉，通过将两个端部拉开以在导电导线上形成渐缩玻璃护套；
-使导电导线和玻璃层在分离区域处分离以提供两个分离部分，渐缩玻璃护套覆盖每个分离部分的中央导电导线的纵向部分；
-使导电外层形成在分离部分中的至少一个分离部分上以形成测量探针。
根据本发明的其他非限制性特征，单独采用或以任何技术上可行的组合采用：
-加热和牵拉步骤还包括对导电导线进行加热和牵拉，通过将两个端部拉开以形成渐缩导电导线；
-该方法还包括对至少一个分离部分的远端端部进行处理以切除中央导电导线的一部分、导电外层的一部分以及玻璃护套的一部分从而分别限定第一接触指状部和至少一个第二接触指状部；
-该方法还包括在给定位置处对测量探针进行加热以通过重力使探针弯曲。
附图说明
在结合附图考虑时，本发明的许多其他特征和优点将从阅读以下详细描述中变得明显，在附图中：
-图1表示可以从根据本发明的测量探针和探针保持件受益的测试系统；
-图2表示根据本发明的探针保持件的详细视图；
-图3表示根据本发明的测量探针；
-图4表示根据本发明的测量探针的远端端部6b的放大图；
-图5a至图5d表示根据本发明的测量探针的制造方法。
具体实施方式
图1表示可以从根据本发明的测量探针和探针保持件受益的测试系统1。
在该图上，晶圆W布置在可移动工作台2上。工作台2可以在平面中沿着x方向和y方向移动以将晶圆W的选定的着陆焊盘定位成紧邻测量探针的接触指状部。通常，工作台2可以以大约1微米至5微米的精度进行移动。
在图1的示例中，测试系统1为双端口系统并且包括紧固在两个可移动臂(图1上未示出)的末端处的两个探针保持件3、3’。每个探针保持件3、3’可以沿着x、y、z方向移动，通常在大约100微米至数百微米的距离上以小于一微米直至10nm的高精度进行移动。每个可移动臂可以包括一个或多个压电致动器以用于每个探针保持件3、3’的非常精确的移位。
每个探针保持件3、3’例如通过同轴线缆5电连接至至少一个测试单元4、比如矢量网络分析仪。
图2表示根据本发明的探针保持件3、3’的详细视图。该探针保持件包括用于连接同轴线缆5的电连接件3a并且具有将保持件3、3’紧固至可移动臂的机械部分。
测量探针6呈现了导电地紧固至探针保持件的近端端部6a。探针保持件使探针6与连接件3a之间进行电连接，使得在探针6的远端端部6b处测得的电信号经由同轴线缆5有效地传输至测试单元4。
如将在本说明书的其他段落中更详细地描述的，有利的是，在测量探针6的远端端部处有利地设置有多个接触指状部，以至少用于将信号线和接地线传导至测试单元4。优选地，测量探针6设置有三个接触指状部以连接至布置在晶圆W上的被测RF装置的接地-信号-接地着陆焊盘。
有利地，探针保持件3、3’包括音叉7，音叉7用于提供力信号以允许对探针的高度位置进行控制。如图2上描绘的，测量探针6在接触模式AFM构型(例如在US6240771中描述的)中与音叉7的一个叉状部接触，使得当测量探针6的远端端部与晶圆表面接触时，接触力被传递至叉状部中的一个叉状部并且改变音叉7的谐振频率。可以测量和监测谐振频率的这种改变并且因此可以测量和监测施加的力和接触力。
该布置结构允许通过对探针保持件的高度位置进行控制来控制并限制测量探针6在晶圆上的接触力。
另外，该布置结构可以用于在接触焊盘所位于的晶圆区域上扫描布置在测量探针6的远端端部处的接触指状部。在扫描时，通过利用测试单元4、例如矢量网络分析仪进行电测量，可以识别晶圆表面的电特性和接触焊盘的下述位置：与利用光学技术的大约1微米相比，所述位置具有优于10nm的精度。
为了进行晶圆上的测量，测试系统1通过控制回路进行操作，该控制回路包括可移动臂的压电致动器和作为力传感器的音叉7。首先，使晶圆工作台2和可移动臂就位成使得测量探针6的接触指状部靠近晶圆W的着陆焊盘。然后，通过使探针在晶圆上不断下降，建立物理接触。在着陆期间，控制回路将进行高度调节。正确的x-y位置可以通过对大的着陆焊盘的光学控制或者通过音叉7辅助的扫描过程进行设置。在测试晶圆W过程中，这些着陆焊盘可以对应于半导体装置的任何输入/输出。
一旦测量探针6接触晶圆W的着陆焊盘，则可以运行测试单元4以向被测装置提供信号并从被测装置捕获信号以有效地对测试单元4的运行和性能进行测试。
参照图3，根据本发明的测量探针6具有用于连接至探针保持件3、3’的近端端部6a以及用于接触晶圆W的远端端部6b。在测量探针6的远端端部6b处设置有多个接触指状部。测量探针6的从测量探针的近端端部6a至测量探针的远端端部6b的长度可以包括在100微米至10cm之间，通常在2cm至6cm之间。
测量探针6包括例如由铂铱合金制成的中央导电导线8。导线8在近端端部6a与远端端部6b之间延伸以将电信号从晶圆W的着陆焊盘传导至连接件3a。导线8的远端端部6b处的末端可以形成测量探针6的第一接触指状部。中央导电导线8可以是渐缩的，即呈现通常从测量探针的近端端部至远端端部逐渐减小的直径。中央导电导线8通常可以在近端端部处或靠近近端端部呈现50微米或更小的直径，并且优选小于30微米的直径。中央导电导线8通常可以在远端端部处或靠近远端端部呈现1微米或更小的直径。中央导电导线8封装或“涂覆”有渐缩玻璃护套9。在本说明书中，“涂覆”是指玻璃材料与中央导线8直接接触，并且在导线8的纵向部分上将导线8完全封装。护套9是渐缩的，使得玻璃护套9的外径在测量探针的近端端部处大于测量探针的远端端部处。
因此，并且一般来说，测量探针6具有渐缩形状，测量探针6的截面的尺寸从测量探针的近端端部6a至测量探针的远端端部6b逐渐减小。这是由于围绕导线8的渐缩玻璃护套9的厚度以及导线8本身的厚度沿着纵向部分改变所致。这些厚度通常沿着纵向部分从近端端部6a侧至远端端部6b侧逐渐减小。测量探针6的近端端部6a侧的渐缩玻璃护套9的典型厚度可以约为400微米。在测量探针6的靠近接触指状部的远端端部侧，渐缩玻璃护套9的厚度可以小于100微米或50微米，或者甚至小于10微米。
最后，根据本发明的测量探针6还包括导电外层10。该外层10覆盖渐缩玻璃护套9。渐缩玻璃护套9将中央导电导线8与导电外层10电隔离。中央导电导线8、玻璃护套9和导电外层10的组合形成电传输线。导电外层10位于测量探针6的远端端部6b处，与至少一个第二接触指状部电接触，并且优选地与两个接触指状部电接触。导电外层10可以由铂或其他金属制成。导电外层10的厚度一般包括在20nm至1000nm之间，并且优选地在100nm与200nm之间。
如在图3上非常明显的是，测量探针6包括在该示例中定位成靠近远端端部6b的至少一个弯曲部分6c。如在图1上可以看出，这允许使得接触指状部与晶圆W的着陆焊盘易于接触。
图4表示测量探针6的远端端部6b的放大示意图。在该图上，为了更好的可见性，与导电外层10和玻璃护套9的优选厚度值相比，已经增大了导电外层10的厚度并且减小了玻璃护套9的厚度。中央导线8被延长成使得通过中央导线8的纵向切口形成第一接触指状部11。该切口限定第一接触指状部11的第一接触边缘11a。导电外层10和玻璃层9中的多个其他切口13也限定各自表示第二接触边缘12a的多个第二接触指状部12。在运行中，接触边缘11a、12a与晶圆的着陆焊盘相接触。
为了提高这些接触部的质量，接触指状部11、12可以包括接触梢部，即，在(或靠近)接触边缘11a、12a处由导电材料的附着或沉积而形成的突起。
接触指状部的表面尺寸和间距可以非常小。例如，第二接触指状部12和第一接触指状部11(如从第二接触指状部12和第一接触指状部11的中心测量)可以相隔25微米或更小的距离，并且优选地相隔5微米或更小的距离。该距离基本上对应于测量探针6的远端端部处的玻璃护套9的外径尺寸。类似地，边缘12a、11a可以呈现小于20微米并且优选地小于5微米的横向尺寸。该长度基本上分别对应于测量探针的远端端部处的中央导电导线8的直径和外层10的厚度。
远小于现有技术中的测量探针的这些尺寸呈现出能够接触间距和横向尺寸非常小的着陆焊盘的优点。由于尺寸小，因此可以测量来自测试单元4的非常高频率信号。小尺寸的另一优点是小电容，并且因此能够精确测量高阻抗装置、例如纳米导线。
图5a至图5d表示根据本发明的测量探针6的制造方法。在图5a上所示的第一步骤中，将导电导线8插入到玻璃毛细管9’的中央孔中。玻璃毛细管9’具有两个端部，并且在将导线8插入到孔中之后，导线8延伸超出毛细管9’的两个端部。
在图5b上所示的第二步骤中，例如通过激光对玻璃毛细管9’进行加热，并且毛细管9’的两个端部被彼此拉开。在该步骤期间，毛细管9’的玻璃材料变得更软并且毛细管9’被牵拉超过导电导线8。中央孔的尺寸减小使得玻璃材料至少在毛细管9’的渐缩区域中与导电导线8接触以形成渐缩玻璃护套。
可以中断加热以使封装导电导线8的玻璃材料固化并且完善导电导线8和玻璃材料的接触。然后可以增加旨在使导电导线8渐缩的其他加热和牵拉步骤。在该其他步骤期间，玻璃护套和导电导线在玻璃护套和导电导线的两个端部处被拉开以在渐缩导电导线上形成渐缩玻璃护套。
在加热和牵拉步骤期间，两个端部被拉开，直到渐缩区域断裂为止。图5c表示在玻璃层和导线8于渐缩/断裂区域处断裂的断裂步骤之后的两个分离部分9a、9b。在该阶段，每个部分9a、9b包括中央导电导线8，中央导电导线8具有纵向部分，该纵向部分涂覆有渐缩玻璃护套9而形成测量探针6的基础。
在图5d中所示的接下来的步骤中，导电材料的外层10通过沉积到分离部分9a、9b上而形成以提供测量探针6的总体结构。
为了形成接触指状部，对分离部分的远端端部、即渐缩区域侧进行处理以形成接触指状部和接触表面。接触指状部通常由FIB(聚焦离子束)通过切除过量的材料形成。可选择地，梢部可以通过FIB或其他技术在边缘11a、12a上或靠近边缘11a、12a生成。另一技术是使梢部附接至边缘11a、12a。在所有情况下，接触边缘11a、12a分别电连接至中央导电导线8和导电外层10。
为了获得弯曲部分6c，在外层的沉积步骤之后或仅在该沉积步骤之前，对探针6进行水平定位和加热，例如在弯曲区域的水平处通过激光进行加热。通过重力和玻璃材料软化的组合效应，探针弯曲并且弯曲区域形成。
所公开的实施方式的其他变型可以由本领域技术人员在通过对附图、公开内容和所附权利要求的学习来实践所要求保护的本发明时理解和实现。
Claims (18)
1.一种用于半导体装置的晶圆上测试的测量探针(6)，所述测量探针(6)具有用于连接至探针保持件(3、3’)的近端端部(6a)以及位于远端端部(6b)处的用于接触所述晶圆(W)的着陆焊盘的多个接触指状部(11、12)，所述测量探针(6)的特征在于所述测量探针(6)包括：
-中央导电导线(8)，所述中央导电导线(8)在所述测量探针(6)的所述近端端部(6a)与所述远端端部(6b)之间延伸，并且所述中央导电导线(8)包括纵向部分，所述中央导电导线(8)在所述远端端部(6b)处电连接至所述测量探针(6)的第一接触指状部(11)；
-渐缩玻璃护套(9)，所述渐缩玻璃护套(9)在所述中央导电导线(8)的所述纵向部分上；
-导电外层(10)，所述导电外层(10)覆盖所述渐缩玻璃护套(9)，所述导电外层(10)在所述远端端部(6b)处电连接至所述测量探针(6)的至少一个第二接触指状部(12)。
2.根据权利要求1所述的测量探针(6)，其中，所述中央导电导线(8)由铂铱合金材料制成。
3.根据任一前述权利要求所述的测量探针(6)，其中，所述导电外层(10)由铂制成。
4.根据任一前述权利要求所述的测量探针(6)，还包括位于所述近端端部(6a)与所述远端端部(6b)之间的弯曲部分(6c)，以便于所述接触指状部(11、12)与所述着陆焊盘的接触。
5.根据任一前述权利要求所述的测量探针(6)，其中，所述第一接触指状部(11)与所述第二接触指状部(12)相隔25微米或更小的距离，优选地相隔5微米或更小的距离。
6.根据任一前述权利要求所述的测量探针(6)，其中，所述第一接触指状部(11)和所述第二接触指状部(12)通过所述中央导电导线(8)中的切口、所述导电外层(10)中的切口和所述玻璃护套(9)中的切口形成。
7.根据任一前述权利要求所述的测量探针(6)，其中，所述第一接触指状部和所述第二接触指状部的横向长度小于20微米，并且优选地小于5微米。
8.根据任一前述权利要求所述的测量探针(6)，其中，所述中央导电导线(8)在所述近端端部处具有50微米或更小的直径，并且优选地具有30微米或更小的直径。
9.根据任一前述权利要求所述的测量探针(6)，其中，所述中央导电导线(8)在所述远端端部处具有1微米或更小的直径。
10.根据任一前述权利要求所述的测量探针(6)，其中，所述渐缩玻璃护套具有400微米或更小的最大直径。
11.根据任一前述权利要求所述的测量探针(6)，其中，所述接触指状部(11、12)分别包括接触梢部。
12.根据任一前述权利要求所述的测量探针(6)，其中，所述导电外层(10)具有包括在20nm与1000nm之间、优选地在100nm与200nm之间的厚度。
13.一种制造用于半导体装置的晶圆上测试的测量探针(6)的方法，所述方法包括：
-将导电导线(8)插入到玻璃毛细管(9’)的中央孔中，所述导电导线(8)延伸超出所述玻璃毛细管(9’)的两个端部；
-对所述导电导线(8)上的所述玻璃毛细管(9’)进行加热和牵拉，通过将所述两个端部拉开以在所述导电导线(8)上形成渐缩玻璃护套(9)；
-使所述导电导线(8)和所述玻璃层(9)在分离区域处分离以提供两个分离部分(9a、9b)，所述渐缩玻璃护套(9)覆盖每个分离部分(9a、9b)的中央导电导线(8)的纵向部分；
-在所述分离部分(9a、9b)中的至少一个分离部分上形成导电外层(10)以形成所述测量探针(6)。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，加热和牵拉步骤还包括：对所述导电导线(8)进行加热和牵拉，通过将所述两个端部拉开以形成渐缩导电导线。
15.根据权利要求12或13所述的方法，还包括：对所述至少一个分离部分(9a、9b)的远端端部进行处理以切除所述中央导电导线(8)的一部分、所述导电外层(10)的一部分和所述玻璃护套(9)的一部分，从而分别限定第一接触指状部(11)和至少一个第二接触指状部(12)。
16.根据权利要求12至14中的一项所述的方法，还包括：在给定位置处对所述测量探针(6)进行加热，以通过重力使所述探针(6)弯曲。
17.一种用于半导体装置的晶圆上测试的测量探针保持件(3、3’)，所述测量探针保持件(3、3’)包括根据权利要求1至11中的任一项所述的测量探针(6)。
18.根据前一权利要求所述的测量探针保持件(3、3’)，其中，所述探针保持件包括音叉(7)，所述音叉(7)与所述测量探针(6)接触以用于提供力信号。
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