CN116430088B - 探针及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种探针及其制备方法，制备方法包括：在牺牲层的一侧表面形成至少一个支撑掩膜层，支撑掩膜层用于在刻蚀过程中作为掩膜形成支撑结构，支撑结构用于支撑探针；在牺牲层靠近支撑掩膜层的一侧采用具有至少一个探针图案的掩膜版进行光刻，并制备形成探针，探针的一端位于支撑掩膜层上；对具有探针的牺牲层进行各向异性刻蚀，刻蚀去除探针对应位置的牺牲层，并在牺牲层对应于支撑掩膜层的位置形成支撑结构；将支撑结构与探针分离得到探针。本申请利用刻蚀剂对牺牲层的各向异性刻蚀，将形成的探针下方掏空并形成支撑结构，便于激光切割剥离。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种探针及其制备方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，用于圆片级测试的探针需求也在不断提升，传统探针已经难以满足目前的测试精度需求，因此使用MEMS工艺制作的高精度探针已经成为市场的主流，MEMS工艺是以光刻、外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工技术。目前的MEMS探针在制作完成之后往往依附于衬底之上，导致制作完成后难以剥离，影响制备效率和成品率。
因此，如何快速高效地制备探针，成为目前迫切需要解决的技术问题。
发明内容
基于此，本申请提供一种探针及其制备方法，利用各向异性刻蚀，将形成的探针下方牺牲层掏空并形成支撑结构，便于激光切割剥离。
本申请解决上述技术问题的具体方案如下：
第一方面，本申请提供一种探针的制备方法，所述制备方法包括：
在牺牲层的一侧表面形成至少一个支撑掩膜层，所述支撑掩膜层用于在刻蚀过程中作为掩膜形成支撑结构，所述支撑结构用于支撑形成的探针；
在所述牺牲层靠近所述支撑掩膜层的一侧，采用具有至少一个探针图案的掩膜版进行光刻，并制备形成探针，所述探针的一端位于所述支撑掩膜层上；
对具有所述探针的牺牲层进行各向异性刻蚀，刻蚀去除所述探针对应位置的牺牲层，并在所述牺牲层对应于所述支撑掩膜层的位置形成支撑结构；
将所述支撑结构与所述探针分离得到所述的探针。
在一些实施方式中，在所述牺牲层的一侧表面形成至少一个支撑掩膜层的步骤包括：
在所述牺牲层的表面形成掩膜层，并采用具有至少一个支撑结构图案的掩膜版在所述掩膜层上进行光刻，并刻蚀得到至少一个支撑掩膜层。
在一些实施方式中，所述探针的形成方法包括：
在所述牺牲层具有所述支撑掩膜层的一侧设置种子层；
采用具有至少一个探针图案的掩膜版在种子层上进行光刻，得到含有至少一个探针结构的光刻胶，在探针结构中制备金属层，形成至少一个所述探针。
在一些实施方式中，所述具有至少一个探针图案的掩膜版中，所述探针图案的两侧设置有连接图案，所述连接图案凸出于所述探针图案的边缘，所述连接图案分别位于所述探针两侧与所述支撑结构连接的位置。
在一些实施方式中，所述牺牲层包括<100>晶向硅片；制备所述支撑掩膜层采用的材料包括二氧化硅；所述刻蚀过程采用的刻蚀剂碱性刻蚀剂，可选地，所述碱性刻蚀剂包括氢氧化钾溶液和四甲基氢氧化铵中的至少一种。
在一些实施方式中，所述氢氧化钾溶液的质量浓度为25%~70%。
在一些实施方式中，所述具有至少一个支撑结构图案的掩膜版中，所述支撑结构图案的边缘还包括补偿图案，所述补偿图案凸出设置于所述支撑结构图案的边缘。
在一些实施方式中，所述支撑结构图案呈矩形。
第二方面，本申请提供一种探针，所述探针采用如第一方面所述探针的制备方法制备得到。
本申请具有以下有益效果：
本申请基于MEMS工艺，在探针制备过程中利用掩膜刻蚀形成支撑掩膜层，在对牺牲层进行各向异性刻蚀的过程中，支撑掩膜层能够作为支撑结构的掩膜使用，避免支撑掩膜层下方的牺牲层被刻蚀，而将探针下方的牺牲层去除，最终形成用于支撑探针的支撑结构，仅通过分割的方式即可将探针轻易分离。
附图说明
图1为本申请一个实施方式中提供的探针的制备方法工艺流程示意图，其中a代表的是沿牺牲层宽度方向视角图；b代表的是沿牺牲层长度方向视角图；
图2为本申请一个实施方式中提供的探针各向异性刻蚀后的结构示意图；
图3为本申请一个实施方式中提供的具有多个探针图案掩膜版的结构示意图；
图4为本申请一个实施方式中提供的具有多个支撑结构图案的掩膜版的结构示意图；
图5为本申请一个实施方式中提供的具有多个支撑结构图案的掩膜版与具有多个探针图案掩膜版的位置放置示意图。
1-牺牲层；2-掩膜层；3-支撑掩膜层；4-种子层；5-金属层；6-支撑结构；7-探针；8-光刻胶；9-支撑结构图案；10-探针图案；11-补偿图案；12-连接图案；13-连接层。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
传统技术中采用MEMS工艺制备探针，制备后的探针贴附于衬底上，难以将探针剥离，传统技术中直接将探针从衬底上剥离，从而在剥离的过程中容易造成探针弯折，甚至探针断裂，进而影响生产效率和生产成品率。为解决探针难以从衬底剥离的问题，本申请探针在制备过程，在探针的两侧设置支撑结构掩膜，利用各向异性刻蚀原理，将探针下方的衬底掏空，并形成支撑结构，进而仅将支撑结构与探针分割，即完成探针的释放获取，提高生产效率以及成品率。
本申请第一方面提供一种探针的制备方法，所述制备方法包括：
在牺牲层的一侧表面间隔形成至少一个支撑掩膜层，所述支撑掩膜层用于在刻蚀过程中作为掩膜形成支撑结构，所述支撑结构用于支撑形成的探针。
在所述牺牲层靠近所述支撑掩膜层的一侧采用具有至少一个探针图案的掩膜版进行光刻，并制备形成探针，所述探针的一端位于所述支撑掩膜层上。
对具有所述探针的牺牲层进行各向异性刻蚀，刻蚀去除所述探针对应位置的牺牲层，并在所述牺牲层靠近所述支撑掩膜层的位置形成支撑结构。
将所述支撑结构与所述探针分离得到所述的探针。
本申请中利用各向异性刻蚀原理，在探针制备过程中，先在牺牲层上形成支撑掩膜层，支撑掩膜层能够作为支撑结构的掩膜，进而在刻蚀过程中，由于刻蚀速度的不同，探针下方的牺牲层被去除，在支撑掩膜层对应位置的牺牲层保留形成支撑结构，最终得到探针与牺牲层通过支撑结构支撑的连接结构，仅采用分割的方式将探针和支撑结构分离，即可得到完整探针，避免探针大面积与牺牲层接触难以剥离的问题，具有制备效率高和成品率高等特点。
需要说明的是，本申请中支撑结构的位置和形状不做具体要求和特殊限定，支撑结构最终形成于探针的一端，或相邻两个探针之间，并能够对形成的探针进行支撑即可，具体设置位置和形状可根据探针的形貌合理选取。
需要说明的是，掩膜指的是在刻蚀过程中能够对掩膜图案下方的材料层进行保护，避免刻蚀去除。牺牲层指的是在刻蚀过程中能够利用刻蚀液去除的部分，进一步地，若牺牲层被掩膜保护，则在刻蚀的过程中位于掩膜下方的牺牲层则不会被去除。
在一些实施例中，所述探针的材质包括镍、铜、钴或镍钴合金。需要说明的是，本申请对于探针的材质以及形状不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据实际需要合理选择探针的材质和形状，本申请适用于各种类型的探针制备。
在一些实施例中，在所述牺牲层的一侧表面形成至少一个支撑掩膜层的步骤包括：
在所述牺牲层的表面形成掩膜层，并采用具有至少一个支撑结构图案的掩膜版在所述掩膜层上进行光刻，刻蚀得到至少一个所述支撑掩膜层。
需要说明的是，本申请中光刻得到支撑掩膜层的过程中，通过先在牺牲层的表面设置掩膜层，进而在掩膜层上采用具有至少一个支撑结构图案的掩膜版在所述掩膜层上进行光刻，保留具有支撑结构图案部分的掩膜层，其余部分去除并暴露出牺牲层，保留部分即为支撑掩膜层。
在一些实施例中，所述探针的形成方法包括：
在所述牺牲层具有所述支撑掩膜层的一侧设置种子层。
采用具有至少一个探针图案的掩膜版在所述种子层上进行光刻，得到含有至少一个探针结构的光刻胶，在所述探针结构中制备金属层，形成至少一个所述探针。
需要说明的是，本申请中对于种子层的设置方式不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据实际需要合理选择设置方式，例如，种子层的设置方式可以是蒸镀。进一步地种子层的材质可以是钛镍合金、铬镍合金、钛铜合金和铬铜合金中的至少一种。本申请中种子层用于作为探针电镀的电极。
在一些实施例中，所述种子层的厚度为70nm~150nm，优选为110nm。本申请中种子层作为电镀探针的电极。其中种子层靠近牺牲层的表面还设置有粘附层，粘附层的材料包括钛、镍或其他金属粘附材料中的任一种，粘附层的厚度为5nm~50nm，例如为5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm或50nm，优选为10nm，粘附层的厚度包括于种子层的厚度内。需要说明的是，本申请中种子层的作用是在基材表面形成一层规则、致密、光滑的晶谷结构层，较好地光亮度和级别分布，促进了沉积物的表面均匀性。
在一些实施例中，如图3所示，所述具有至少一个探针图案的掩膜版中，所述探针图案10的两侧设置有连接图案12，所述连接图案12凸出于所述探针图案10的边缘，所述连接图案12分别位于所述探针两侧与所述支撑结构连接的位置。
需要说明的是，本申请中在探针的制备过程中，如图2所示，连接图案12的位置处形成与支撑结构连接的连接层13，通过连接层13将探针7与支撑结构6连接，从而在分割过程中，分割探针7与连接层13，实现探针的完整获取。进一步地，连接图案能够实现支撑结构与探针连接即可，其形状不做具体要求和特殊限定，例如可以是长方形的连接图案。
在一些实施例中，所述牺牲层包括<100>晶向硅片。可选地，制备所述支撑掩膜层采用的材料包括二氧化硅。可选地，所述刻蚀过程采用的刻蚀剂包括碱性刻蚀剂，可选地，所述碱性刻蚀剂包括氢氧化钾溶液和四甲基氢氧化铵中的至少一种。其中，<100>晶向硅片指的是硅片的晶向为<100>。
本申请中牺牲层采用<100>晶向硅片，碱性刻蚀剂能够对<100>晶向的硅片刻蚀速度更快，但是难以刻蚀<111>晶向。因此，在能够将探针下方硅片掏空释放的情况下，本申请采用支撑掩膜层作为支撑结构的掩膜，在刻蚀过程中由于支撑掩膜层的存在，导致刻蚀速度不同，进而在支撑掩膜层下方形成侧面具有<111>晶向的表面，避免对支撑掩膜层下方的硅片进一步刻蚀，从而形成支撑结构。
在一些实施例中，所述氢氧化钾溶液质量的浓度为25%~70%，例如为25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%或70%。
在一些实施例中，所述支撑掩膜层的厚度为200nm~2μm。例如为200nm、400nm、600nm、800nm、1.0μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm或2.0μm。
在一些实施例中，如图4所示，所述具有至少一个支撑结构图案的掩膜版中，所述支撑结构图案9的边缘还包括补偿图案11，所述补偿图案11凸出设置于所述支撑结构图案9的边缘。对于具有多个支撑结构图案的掩膜版中，所述支撑结构图案间隔设置。
如图5所示，具有支撑结构图案的掩膜版与具有探针图案的掩膜版按照探针位于两个支撑结构图案之间的位置对应设置。
本申请中进一步地在支撑结构图案上设置补偿图案，利用补偿图案使形成的支撑掩膜层的边缘形成具有补偿图案的外凸结构，进而在各向异性刻蚀过程中，避免支撑结构部分被刻蚀，保证支撑结构的结构完整性，即在刻蚀的过程中，补偿图案的设置使支撑掩膜层下方的牺牲层在刻蚀过程中使形成的支撑结构更加稳定，避免支撑结构部分刻蚀，影响支撑结构的支撑功能。
在一些实施例中，相邻所述支撑结构图案的间隔距离为1000μm~2000μm，例如为1000μm、1100μm、1200μm、1300μm、1400μm、1500μm、1600μm、1700μm、1800μm、1900μm或2000μm，优选为1450μm。
在一些实施例中，所述支撑结构图案呈矩形。可选地，所述支撑结构图案的长度为400μm~600μm，例如为400μm、420μm、440μm、460μm、480μm、500μm、520μm、540μm、560μm、580μm或600μm，优选为500μm；所述支撑结构图案的宽度为200μm~300μm，例如为200μm、210μm、220μm、230μm、240μm、250μm、260μm、270μm、280μm、290μm或300μm，优选为230μm。
在一些实施例中，所述补偿图案包括间隔设置的至少两个矩形条，优选地，所述矩形条包括四个，四个所述矩形条分别均匀间隔设置于所述支撑结构图案的边缘，例如，支撑结构图案呈矩形，其矩形的四个角处分别设置补偿图案的矩形条。
可选地，所述矩形条的长度为300μm~400μm，例如为300μm、310μm、320μm、330μm、340μm、350μm、360μm、370μm、380μm、390μm或400μm，优选为330μm；所述矩形条的宽度为40μm~60μm，例如为40μm、42μm、44μm、46μm、48μm、50μm、52μm、54μm、56μm、58μm或60μm，优选为50μm。本申请通过控制矩形条的尺寸，从而能够使刻蚀得到的支撑结构呈长方体形状，避免刻蚀过程中形成的支撑结构具有圆角，导致支撑结构的尺寸较小，影响支撑效果。
示例性地，提供一种上述探针的制备方法，如图1所示，包括：
S100、在牺牲层1的表面形成掩膜层2。
S200、在掩膜层2上利用光刻胶8在具有至少一个支撑结构图案9的掩膜版上进行光刻，如图4所示，支撑结构图案9设置有补偿图案11。
S300、刻蚀得到至少一个支撑掩膜层3，所述支撑掩膜层3用于在刻蚀过程中作为掩膜形成支撑结构6，所述支撑结构6用于支撑形成的探针7。
S400、在所述牺牲层靠近所述支撑掩膜层3的一侧设置种子层4。
S500、在种子层4上采用具有至少一个探针图案10的掩膜版进行光刻，如图3所示，探针图案10的两侧设置有连接图案12，得到含有至少一个探针结构的光刻胶8，探针结构的两侧形成有连接层的结构；在探针结构中采用金属电镀制备金属层5，形成至少一个所述探针7，所述探针7的两端均通过连接层与所述支撑掩膜层3连接。
S600、采用刻蚀剂对具有所述探针7的牺牲层进行各向异性刻蚀，去除探针对应位置的牺牲层1，如图2所示，并在所述牺牲层1位于所述支撑掩膜层3的位置形成支撑结构6。
S700、将所述支撑结构6与所述探针7分离得到所述的探针7。
本申请第二方面提供一种探针，所述探针采用如第一方面所述探针的制备方法制备得到。
需要说明的是，本申请对探针的形貌不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据实际制备要求的探针形貌合理选择。
以下实施例和对比例中未做特别说明的原料均采用市售产品。
实施例1
采用具有三个支撑结构图案的掩膜版在具有二氧化硅层的<100>晶向硅片的表面上进行光刻，二氧化硅层的厚度为500nm，支撑结构图案设置有呈矩形条的补偿图案，采用BOE溶液（BOE溶液指的是缓冲氧化物刻蚀液，由氢氟酸（49%）与水或氟化铵与水混合而成）刻蚀得到三个间隔设置的支撑掩膜层；其中，支撑结构图案呈矩形，长度为500μm，宽度为230μm，相邻两个支撑结构之间的距离为1450μm，进一步地，支撑结构图案的两侧均设置有两个矩形条，矩形条的长度为330μm，宽度为50μm。
在硅片具有支撑掩膜层的一侧先蒸镀形成厚度为10nm的铬粘附层，再在钛粘附层上蒸镀形成厚度为110nm的钛镍合金种子层。
在种子层上采用具有两个探针图案的掩膜版进行光刻，探针图案位于相邻两个支撑掩膜层之间，并且探针图案设置有连接图案，连接图案与支撑掩膜层连接，得到含有两个探针结构的光刻胶，在探针结构中采用金属电镀制备金属层，形成两个探针，每个探针的两侧形成有与支撑结构连接的连接层，探针的材质为镍。
在65℃下，采用质量浓度为40%的氢氧化钾溶液对具有探针的牺牲层进行各向异性刻蚀，将探针对应位置的牺牲层掏空，并在掩膜支撑层下方形成支撑结构。
将连接层与所述探针分离，得到所述的探针。
实施例2
采用具有五个支撑结构图案的掩膜版在表面具有二氧化硅层的<100>晶向硅片的表面上进行光刻，二氧化硅层的厚度为600nm，支撑结构图案设置有呈矩形条的补偿图案，采用BOE溶液刻蚀得到五个间隔设置的支撑掩膜层；其中，支撑结构图案呈矩形，长度为400μm，宽度为200μm，相邻两个支撑结构之间的距离为1350μm，进一步地，支撑结构图案的两侧均设置有两个矩形条，矩形条的长度为300μm，宽度为45μm。
在硅片具有支撑掩膜层的一侧先蒸镀形成厚度为10nm的铬粘附层，再在钛粘附层上蒸镀形成厚度为110nm的钛镍合金种子层。
在种子层上采用具有两个探针图案的掩膜版进行光刻，探针图案位于相邻两个支撑掩膜层之间，并且探针图案设置有连接图案，连接图案与支撑掩膜层连接，得到含有四个探针结构的光刻胶，在探针结构中采用金属电镀制备金属层，形成四个探针，每个探针的两侧形成有与支撑结构连接的连接层，探针的材质为镍钴合金。
在65℃下，采用四甲基氢氧化铵（TMAH）对具有探针的牺牲层进行各向异性刻蚀，将探针对应位置的牺牲层掏空，并在掩膜支撑层下方形成支撑结构；
将所述连接层与所述探针分离得到所述的探针。
综上，本申请中利用各向异性刻蚀原理，在探针制备过程中，先在牺牲层上形成支撑掩膜层，支撑掩膜层能够作为支撑结构的掩膜，进而在刻蚀过程中，由于刻蚀速度的不同，探针下方的牺牲层被去除，在支撑掩膜层对应位置的牺牲层保留形成支撑结构，最终得到探针与牺牲层通过支撑结构支撑的连接结构，仅采用分割的方式即可得到完整探针，避免探针大面积与牺牲层接触难以剥离的问题，具有制备效率高和成品率高等特点。
通过以上实施例和对比例可以看出，本申请基于MEMS工艺，在探针制备过程中利用掩膜刻蚀形成支撑掩膜层，在对牺牲层进行各向异性刻蚀的过程中，支撑掩膜层能够作为支撑结构的掩膜使用，避免支撑掩膜层下方的牺牲层被刻蚀，而将探针下方的牺牲层去除，最终形成用于支撑探针的支撑结构，仅通过分割支撑结构和探针，即可将探针轻易分离。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种探针的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在牺牲层的一侧表面形成至少一个支撑掩膜层，所述支撑掩膜层用于在刻蚀过程中作为掩膜形成支撑结构，所述支撑结构用于支撑探针，所述牺牲层包括<100>晶向硅片；
在所述牺牲层靠近所述支撑掩膜层的一侧，采用具有至少一个探针图案的掩膜版进行光刻，并制备形成探针，所述探针的一端位于所述支撑掩膜层上；
对具有所述探针的牺牲层进行各向异性刻蚀，刻蚀去除所述探针对应位置的牺牲层，并在所述牺牲层对应于所述支撑掩膜层的位置形成所述支撑结构；
将所述支撑结构与所述探针分离得到所述的探针；
其中，在所述牺牲层的一侧表面形成至少一个支撑掩膜层的步骤包括：
在所述牺牲层的表面形成掩膜层，并采用具有至少一个支撑结构图案的掩膜版在所述掩膜层上进行光刻，刻蚀得到至少一个所述支撑掩膜层，所述具有至少一个支撑结构图案的掩膜版中，所述支撑结构图案的边缘还包括补偿图案，所述补偿图案凸出设置于所述支撑结构图案的边缘。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述探针的形成方法包括：
在所述牺牲层具有所述支撑掩膜层的一侧设置种子层；
采用具有至少一个探针图案的掩膜版在所述种子层上进行光刻，得到含有至少一个探针结构的光刻胶，在所述探针结构中制备金属层，形成至少一个所述探针。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述具有至少一个探针图案的掩膜版中，所述探针图案的两侧设置有连接图案，所述连接图案凸出于所述探针图案的边缘，所述连接图案分别位于所述探针两侧与所述支撑结构连接的位置。
4.如权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，制备所述支撑掩膜层采用的材料包括二氧化硅；所述刻蚀过程采用的刻蚀剂包括碱性刻蚀剂。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碱性刻蚀剂包括氢氧化钾溶液和四甲基氢氧化铵中的至少一种。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碱性刻蚀剂为氢氧化钾溶液，所述氢氧化钾溶液的质量浓度为25%~70%。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述支撑结构图案呈矩形。
8.一种探针，其特征在于，所述探针采用权利要求1-7任一项所述的探针的制备方法制备得到。
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