CN1208624C - 用于制造互连元件的方法 - Google Patents

Abstract

接触端头结构被制备在牺牲衬底上，以便以后连接至互连元件，互连元件包括复合互连元件、单体互连元件、探针板的钨针、膜板探针的接触凸台以及类似元件。端头结构之间的空间关系可按照平版印刷方式以很高精度公差界定。端头结构的冶金术与要通过铜焊、镀敷或类似方法连接的互连元件的冶金术无关。接触端头结构可以容易地形成拓扑(小的、精确的、凸出的、非平面的)接触结构，例如呈截棱锥形，以便此后更好地压接式电连接至电子元件的端子。本申请描述了细长的接触端头结构，其在使用时起到弹性接触元件的作用，因此不需要连接至弹性接触元件。总体上讲，本发明的目的是制造(预制备)较‘精确’的接触端头结构(“端头”)并且将它们连接至较‘不精确’的互连元件，以改进最终形成的“带端头的”互连元件的总体能力。

Description

用于制造互连元件的方法

相关申请的相互引用

本专利申请是共有未决的美国专利申请08/452255(下称“母(申请)案”)和其对应的PCT专利申请号PCT/US95/14909的部分继续申请，美国专利申请08/452255是1995年5月26日申请的，PCT专利申请号PCT/US95/14909是1995年11月13日受理的，美国专利申请08/452255和PCT专利申请号PCT/US95/14909是共有未决的美国专利申请08/340144和其对应的PCT专利申请号PCT/US94/13373的部分继续申请，美国专利申请08/340144是1994年11月15日申请的，PCT专利申请号PCT/US94/13373是1994年11月16日申请的，美国专利申请08/340144和PCT专利申请号PCT/US94/13373是共有未决的美国专利申请08/152812的部分继续申请，美国专利申请08/152812是1993年11月16日受理的(现在是美国专利5476211，1995年12月19日授权)，所有这些申请在此引作参考。

本专利申请还是下列共有的审理中的美国专利申请的部分继续申请：

08/526246，1995年9月21日受理(PCT/US95/14843，1995年11月13日受理)；

08/554902，1995年11月9日受理(PCT/US95/14844，1995年11月13日受理)；

08/558332，1995年11月15日受理(PCT/US95/14885，1995年11月15日受理)；

08/602179，1996年2月15日受理(PCT/US96/08328，1996年5月28日受理)；

60/012027，1996年2月21日受理(PCT/US96/08117，1996年5月24日受理)；

60/012878，1996年3月5日受理(PCT/US96/08274，1996年5月28日受理)；

60/013247，1996年3月11日受理(PCT/US96/08276，1996年5月28日受理)；和

60/005189，1996年5月17日受理(PCT/US96/08107，1996年5月24日受理)，

所有这些申请(除了所列的临时专利申请外)是前面提及的母案的部分继续申请，并且所有这些申请在此引作参考。

本专利申请也是下列共有的审理中的美国专利申请的部分继续申请：

60/020869，1996年6月27日受理；

60/024405，1996年8月22日受理；

60/024555，1996年8月26日受理；

60/030697，1996年11月13日受理；

60/034053，1996年12月31日受理；和

08/802504，1997年2月18日受理，此申请是由Eldridge、Grube、Khandros和Mathieu申请的，在此引作参考。

技术领域

本发明涉及用于微电子应用的互连(接触)元件，尤其是涉及这样的接触元件，即它们是弹性(弹力)接触元件，适合在电子元件之间实现压力连接。

背景技术

总体上讲，电子元件之间的互连可以分为两个主要类别：“较永久的”和“容易分离的”。

“较永久的”连接的一个例子是焊接连接。一旦两个电子元件被相互焊接，为了分离这两个元件就必须采用拆焊工艺。诸如一个半导体芯片与一个半导体封装外壳的内引线(或者引线框架指形接头的内端)之间的引线压焊是“较永久的”连接的另一个例子。

“容易分离的”连接的一个例子是一个电子元件的刚性插脚被收纳于另一电子元件的弹性插口元件中。

另一种容易分离的连接是这样的互连元件实现的，即，互连元件本身为弹性的或弹力的，或者被安装在一个弹性媒介之中或之上。这种弹性接触元件的一个例子是探针板(probe card)元件的钨针。这种弹性接触元件通常是用于在其安装的元件与另一元件的端子之间实现暂时的压接，另一元件为例如半导体被测元件(DUT)。与钨针相关的问题包括难以研磨其端头使其具有合适的形状，它们不能持久工作，并且它们需要频繁的再加工。

通常，为实现与电子元件(例如电子元件上的端子)的可靠压力接触，需要一定的最小接触力。例如，为保证实现与一个电子元件的一个端子的可靠的压接式电连接，而所述电子元件可能受到其端子表面上的薄膜的污染或者在其表面上具有腐蚀或氧化产物，那么可能需要约15克(包括小至2克或更小和大到150克或更大，按每个接(触端)头计量)的接触(负荷)力。

除了形成和维持合适的最小接触力外，另一个重要因素是用于实现与电子元件的端子的压接的弹性接触元件的端部的形状(包括表面结构)和冶金方式。回到作为探针元件的钨针的例子，随着这些钨针的直径变得越来越小，接触端部的冶金术明显受到互连元件(即钨针)的冶金术的限制，从而使得控制或形成其接触端部的所需形状相应变得更加困难。

在特定情况下，接触元件本身是没有弹性的，而是由一个弹性部件支撑。膜板探针(membrane probe)是这种情况的例子，其中在一个弹性膜板上设置有多个微凸台。再者，制造这种互连元件所需的技术限制了这种互连元件的接触部分的形状和冶金术的设计选择。

细长的弹性接触元件的一个例子公开于母案(PCT/US95/14909)中，该母案描述了作为“复合”互连元件的弹性接触结构(弹性元件)的制备，即：在一个电子元件的一个端子上安装一个独立式的线杆(wire stem)(细长元件)，对线杆进行整形，切割线杆使之成为独立式的，并且涂刷独立式的线杆，以使最终形成的独立式的弹性元件具有所需的弹性。涂刷材料还连续地延伸至线杆要安装的端子的相邻表面之上，以将最终形成的复合互连元件牢固地固定至端子。虽然这些细长的复合弹性互连元件将得益于本发明，但本发明不限于此。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种改进的技术，该技术用于制造互连元件，尤其是用于互连微电子元件。

本发明的另一目的是要提供适合与电子元件的端子实现压接的弹性接触结构(互连元件)。

本发明的再一目的是要提供一种技术，该技术用于将预制备的接触端头结构连接至已有的接触元件。

本发明的又一目的是要提供可以独立地制备的接触端头结构，所述的独立制备是指不受要连接的互连元件的影响。

根据本发明，接触端头结构被预制备在牺牲衬底上，随后被连接至其它(已有的)互连元件，然后牺牲衬底被去除(与最终形成的“带端头的”互连元件分离)。

所述互连元件可以是细长的，或者可以不是细长的，并且可以是或者不是弹性的(弹力的)接触元件。所述互连元件可以是“复合的”或者“单体的”，并且包括探针板的钨针和膜板探针的凸台元件。

根据本发明的一个特征，接触端头结构通过铜焊或者通过电镀固定至互连元件。或者，接触端头结构可以采用导电粘结剂(例如填充银的环氧树脂)或类似材料连接至互连元件。

根据本发明的一个特征，这里描述了用于接触端头结构的各种冶金方法和拓扑结构(topology)(接触结构)。

根据本发明的一个方面，采用常规的半导体加工技术(例如光刻、淀积)，包括微细加工技术以及“机械”技术，可以容易地将多个接触端头结构按照极高精度公差制备于一个牺牲衬底上，使它们相互间具有预定的空间关系。只要接触端头结构维持处于牺牲衬底上，这些公差和空间关系就很好地保持。在接触端头结构与互连元件连接后，这些公差将由互连元件保持。

总体上讲，本发明通过将多个具有较精确的相互位置关系的接触端头结构连接至相应的多个可以按较粗略(不精确)的相互关系设置的互连元件，使电接触结构的构成变得容易。优选方案是，每一接触端头结构在其基体部分上具有一个拓扑接触结构部分，此接触结构部分相对于与其它的拓扑接触结构以较精确的关系设置，于是端头结构的基体部分相互间不需要精确定位。采用常规的半导体制造工艺包括微细加工技术，通过蚀刻其上将预制备的接触端头结构的牺牲衬底，可以容易地以高的位置精度形成这些拓扑接触结构，它们可以采取棱锥形、截棱锥形和类似形状。

根据本发明的一个特征，这里描述了各种牺牲衬底以及用于将预制备的端头结构与其所处的牺牲衬底分离的方法。

例如，牺牲衬底可以是一个硅晶片，它采用微细加工技术处理而具有凹口其包含结构(feature)，其中本发明的接触端头结构通过将一个或多个导电金属层淀积至凹口和结构中制备。

本发明允许预制备接触端头结构，这些接触端头结构具有表面结构(粗糙度和形状；几何形状，拓扑结构)和冶金方式，并且其尺寸不受与制造要连接的互连元件相关的材料和条件的限制。对于需要将这些接触端头结构连接至其互连元件的人们来说，其上已预制备有多个接触端头结构的一个牺牲衬底适于本身作为一个成品出售。

本发明的一个重要特征是，可以容易地在一个牺牲衬底上以极高精度公差制备多个接触端头结构，例如，通过采用公知的半导体制造工艺诸如掩模、平版印刷和淀积来控制其尺寸和间距。

根据本发明的一个方面，可制备这样的细长接触端头结构，即它们本身适合用于起到弹性接触元件的作用，而不需要连接至已有的互连元件。

这些起到弹性接触元件作用的细长接触端头结构可以是平面形的，并且在其基座端连接至一个电子元件的一个表面上的导电支柱，于是在细长接触端头结构与电子元件的表面之间就留出一个空间，细长接触端头结构的接触端可以在此空间内偏移。

这些起到弹性接触元件作用的细长接触端头结构还可以是三维的，即其基座端在一个方向上从其中心基体部分偏移，而其接触端在一个相反的方向上从其中心基体部分偏移。

本发明的细长接触端头结构可以具有交替变化的取向(例如左-右-左-右)，从而在其基座端之间形成比在其接触端处大的间距。

本发明的细长接触端头结构可以具有交替变化的长度(例如短-长-短-长)，从而在其基座端之间形成比在其接触端处大的间距。

本发明公开了这样的技术特征：在其基座端与其接触端之间，细长接触端头结构的宽度和/或厚度呈锥形渐缩。

本发明公开了用于修正(调整)力的技术，所述力是细长接触端头结构响应于施加至其接触端的接触力而产生的。

本发明提供了一种技术，该技术用于制造较′精确的′(极均匀的和能以高精度公差再现的)接触端头结构，并且将它们′配接′至较′不精确的′互连元件。由于与制造互连元件相关的一些限制，常常需要在端头几何形状和冶金方式以及互连元件的整体空间均匀性之间采取一定的折衷。并且，如果它们不能被再加工，它们就必须被替换。本发明通过使端头冶金术、几何形状和拓扑结构不受要连接的互连元件的相关条件的影响，使端头具有光刻工艺达到的精确均匀性，解决了这种限制问题。

借助于以下的说明，本发明的其它目的、特征和优点将变得清楚。

附图说明

现在对本发明的优选实施例进行详细论述，这些实施例的例子展示于附图中。虽然本发明将借助于这些优选实施例进行描述，但应当理解，这并非要将本发明的精神和范围局限于这些特定的实施例。

为描绘清楚起见，在这里展示的侧视图中，常常是只有侧视图的部分是以剖面图示出，而其它部分可能以透视图形式示出。

为描绘清楚起见，在这里展示的图中，特定元件的尺寸常常是放大的(相对于图中的其它元件不是按比例画出的)。

图1A是本发明的一个概括性实施例的局部分解透视图，它示出根据本发明的预制备的接触端头结构(102)和将要连接的互连元件(106)。

图1B是侧视剖面图，它示出，根据本发明，图1A的接触端头结构(102)通过铜焊连接至图1A的互连元件(106)。

图1C是侧视剖面图，其中局部是以透视图表示的，它示出，根据本发明，图1A的接触端头结构(102)通过镀敷连接至图1A的互连元件(106)。

图1D是侧视剖面图，它示出，根据本发明，在牺牲衬底(104)被去除后，图1A的接触端头结构(102)通过铜焊(与图1B相当)连接至图1A的互连元件(106)。

图2A是剖面图，它示出根据本发明的用于制备互连元件的接触端头结构的技术。

图2B是剖面图，它示出根据本发明的图2A的技术中的进一步的步骤。

图2C是局部以剖面图表示的侧视图，它示出，根据本发明，图2B的接触端头结构(220)连接至已有的互连元件(252)。

图2D是局部以剖面图表示的侧视图，它示出根据本发明的下一(最后)步骤，其中：在牺牲衬底(202)去除后，将图2C的互连元件(252)与图2B的接触端头结构(220)连接。

图3A是根据本发明的一个实施例的侧视剖面图，其中本发明的接触端头结构被固定至一种细长的互连元件。

图3B是根据本发明的另一个实施例的侧视剖面图，其中本发明的接触端头结构被固定至一种细长的互连元件。

图3C是根据本发明的再一个实施例的侧视剖面图，其中本发明的接触端头结构被固定至一种互连元件。

图4A是侧视剖面图，它示出根据本发明的用于制备多层的接触端头结构的技术。

图4B是侧视剖面图，它示出根据本发明的用于在一个牺牲衬底(424)上形成一个接触端头结构(440)的技术和分离牺牲衬底的技术。

图5A是透视图，它示出根据本发明在一个牺牲衬底上制备多个接触端头结构的第一步骤。

图5B是沿贯穿图5A的线5B-5B截取的侧视剖面图，它示出根据本发明在一个牺牲衬底上制备接触端头结构的另一步骤。

图5C是侧视剖面图，它示出根据本发明在一个牺牲衬底上制备接触端头结构的再一步骤。

图5D是侧视剖面图，它示出根据本发明已经制备于一个牺牲衬底上的一个接触端头结构。

图5E是透视图，它示出根据本发明已经连接至一个互连元件的一个接触端头结构。

图5F是侧视剖面图，它示出根据本发明已经连接至另一互连元件的一个接触端头结构。

图6A是透视图，它示出根据本发明的制备用于制造接触端头结构的一个牺牲衬底的技术。

图6B是透视图，它示出根据本发明的连接至一个互连元件(以虚线表示)的一端的一个接触端头结构(620)。

图7A-7C是剖面图，它们示出根据本发明的在一个牺牲衬底上制造细长的接触端头结构的工艺步骤。

图7D是透视图，它示出根据本发明在一个牺牲衬底上形成的一个细长的接触端头结构。

图7E是透视图，它示出根据本发明在一个牺牲衬底上形成的多个细长的接触端头结构。

图7F是侧视剖面图，它示出根据本发明的用于将细长的接触端头结构(720)安装至一个电子元件(734)的技术。

图8是根据本发明的一个实施例的透视图，它示出具有交替变化的长度的多个细长接触端头结构的制备方式。

图9A是剖面图，它示出根据本发明的适于用作弹性互连元件(弹性接触元件)的一种细长接触端头结构。

图9B是图9A所示的根据本发明的弹性接触元件的平面图。

图9C是根据本发明的弹性接触元件的另一实施例的剖面图。

图9D是图9C所示的弹性接触元件的一部分的放大剖面图。

图9E是根据本发明的弹性接触元件的再一实施例的剖面图。

图10A-10D是侧视剖面图，它们示出根据本发明的用于修正细长接触端头结构(弹性接触元件)的机械特性的技术。

图11A和11B是根据本发明的变化的弹性接触元件的透视图。

具体实施方式

本发明总体上讲是为了制备接触端头结构并且随后将它们连接至已有的互连元件，以获得下列的一种或多种好处：

(a)本发明的接触端头结构可以容易地形成不同的表面结构、粗糙度和形状(几何形状，拓扑结构)，这特别适宜于要连接的互连元件的端头最终将接触的电子元件的端子冶金术，而与要连接的互连元件的表面结构无关，使得对于不同应用均可实现“带端头的”互连元件与电子元件的特定端子的最佳压接；

(b)本发明的接触端头结构可以容易地采用任何合适的冶金术制备，所述冶金术包括与要连接的互连元件的冶金术完全无关的和不相似的冶金术；和

(c)本发明的接触端头结构可以容易地按照极精确的公差制备，这是相对于多个接触端头结构的平面度(planarity)和相对于多个接触端头结构的各个之间的间距而言的，实质上不受与要连接的互连元件相关的公差限制的影响；和

(d)本发明的接触端头结构可以容易地制备成具有重要的尺寸(例如直径)，该尺寸与要连接的互连元件的相应尺寸(例如断面直径)无关并且大于这个相应尺寸。

已有的互连元件诸如细长的和/或弹性的互连元件将得益于本发明的接触端头结构连接至其上。

一个“概括性”实施例

图1A示出本发明的一个概括性的实施例100，其中，多个(图中示出其中的四个)接触端头结构102已经按照下面所描述的方式，预制备于一个支撑(牺牲)衬底104上。图中还示出对应的多个(示出了其中的四个)互连元件106(仅画出了这些细长的互连元件的末端和端头)，它们准备将其自由端106a连接至接触端头结构102(或者反之)。细长互连元件106的自由端106a相对于细长互连元件106的另一端(未示出)是远距离的(末端)，后者通常是从电子元件(未示出)的一个表面延伸出的，所述元件诸如半导体器件、多层衬底、半导体封装外壳等。

其上带有预制备的接触端头结构102的支撑(牺牲)衬底104是以与细长的互连元件106完全不同的工艺预先单独制备的。

图1B以侧视图的形式示出了通过铜(硬)焊将接触端头结构102连接至细长的互连元件106的下一步骤。图中画出了最后形成的角焊缝108。接触端头结构102仍然按照预定的相互间的空间关系处于牺牲衬底104上。图1B也作为采用导电粘结剂(例如填充银的环氧树脂)或类似材料连接至细长的互连元件的接触端头结构102的示意图。

图1C以侧视图的形式示出了将接触端头结构102连接至细长的互连元件106的另一种方式的下一步骤，这种连接方式是采用金属材料110，例如镍，至少涂刷接触端头结构102的结合处以及相邻的细长互连元件106的端部，比如通过镀敷。虽然没有特别示出，但应当理解，涂刷材料可以沿(覆盖)细长互连元件106的整个长度延伸。

图1D以侧视图的形式示出了在图1B或图1C中示出的步骤之后的一个步骤，其中，在将接触端头结构102连接至细长互连元件106之后，支撑(牺牲)衬底104被除去。用于除去牺牲衬底的技术将在下面描述。图中示出了最后形成的“带端头的”互连元件106(作为这里所使用的术语，一个“带端头的”互连元件是一个已经将一个分离的接触端头结构连接至其上的互连元件)，其上已经以参照图1B所描述的方式铜焊(108)连接有一个接触端头结构1012。

按照这种方式，接触端头结构102可以具有与互连元件106不同的(更精确的)容许间距，可以具有与互连元件106不同的冶金术，并且可以具有一种拓扑结构(将在下面描述)，这种拓扑结构对于互连元件106而言是别的方法无法得到的。

用于接触端头结构(102)和牺牲衬底(104)的材料，以及用于预制备接触端头结构(102)的和用于在将接触端头结构(102)连接至互连元件(106)后除去牺牲衬底的合适技术，将在下面更详细地描述。

一种示例性的综合方法和最后形成的“带端头的”互连元件

正如上面所描述的，预先(在牺牲衬底上)制备接触端头结构，并随后将接触端头结构连接至已经与接触端头结构分开制备的互连元件，带来了许多优点。

图2A-2D示出了一种技术，用于预先在牺牲衬底上制备接触端头结构、将接触端头结构连接至示例性的细长互连元件以及除去牺牲衬底，这些图总体上对应于前面提到的PCT/US95/14844的图8A-8E。

图2A示出一种技术200，用于在一个牺牲衬底202上制备接触端头结构。在这个例子中，一个具有顶表面(正如图中所看到的)的硅衬底(晶片)202用作牺牲衬底。一层钛膜204淀积(例如，通过溅射)至硅衬底202的顶表面上，并且适合具有约250(1＝0.1nm＝10^-10m)的厚度。一层铝膜206淀积(例如，通过溅射)在钛膜204上，并且适合具有约20000的厚度。钛膜204是随意选择的并且起到铝膜206的粘结层的作用。一层铜膜208淀积(例如，通过溅射)在铝膜206上，并且适合具有约5000的厚度。

一层掩模材料210(例如光致抗蚀剂)淀积在铜膜208上，并且具有约2密耳(mil)的厚度。掩模层210可以按任一种合适的方法进行处理，从而形成多个(示出了其中的三个)孔(开口)212，这些孔穿过光致抗蚀剂层210延伸至下面的铜膜208。例如，每个孔212可具有6密耳的直径，并且这些孔212可以按照10密耳的间距(中心-中心)排列。在这种情况下，牺牲衬底202已经准备好用于制备多个接触端头结构，接触端头结构制备在孔212内牺牲衬底202上的“按平版印刷方式界定的”位置处。示例性的接触端头结构可以按以下方式形成：

一层镍膜214淀积(例如，通过镀敷)在孔212内铜膜208之上，并且适合具有约1.0-1.5密耳的厚度。在淀积镍膜之前，可以选择在铜膜208上淀积一层薄的贵金属膜(未示出)，例如铑膜。下一步，一层金膜216淀积(例如，通过镀敷)在镍膜214上。镍和金(以及可选择的铑)的多层结构将用作预制备的接触端头结构(220，如图2B所示)。

下面，如图2B所示，光致抗蚀剂210被除去(采用任何合适的溶剂)，留下多个预制备的端头结构220，这些端头结构220位于铜膜208上。接着，铜膜208的暴露部分(即未被接触端头结构220覆盖的部分)经受一个快腐蚀工艺处理，由此暴露出铝膜206。正如将能清楚理解的，铝在以后的步骤中是有用的，因为对于大多数软焊和硬焊材料而言，铝基本上是不可润湿的(non-wettable)。

值得提出的是，最好在用于制备实际的接触端头结构220的相同工艺步骤中，使光致抗蚀剂构图形成附加的孔(未示出，与212差不多)，在这些附加孔中可制备“暂时的”接触端头结构222。这些暂时的接触端头结构222将用于按照一种公知的和理解的方式使前面提到的镀敷步骤(214，216)均匀化，这是通过减小沿要镀敷的表面显现出的陡变梯度(不均匀度)实现的。这种结构(222)在镀敷技术领域中通常被称为“限流结构(robbers)”。

按这种方式，多个接触端头结构220就已经成功地预制备在一个牺牲衬底202上，等待随后连接至相应的多个互连元件。作为预制备接触端头结构工艺的部分(或者，紧接在将接触端头结构连接至互连元件的步骤之前)，可以选择在端头结构220的顶表面(如图中所看到的)上淀积锡(软)焊膏或铜(硬)焊膏(“结合材料”)224。(不需要在暂时的端头结构222的顶表面上淀积这种焊膏)。这可以按照任何合适的方式实现，例如采用不锈钢丝网或镂空模板或者通过焊膏的自动分送，正如本领域中公知的那样。一种典型的焊膏(结合材料)224包含金-锡合金(在一种焊膏基质中)，它呈例如1密耳的球面状(圆球状)。

接触端头结构220现在已准备好连接至(例如，铜焊至)互连元件的端部(端头)，所述互连元件例如为(但不局限于)前面提到的母案(PCT/US95/14909)的复合互连元件。

当被制备并定位于一个牺牲衬底(202)上时，接触端头结构(220)本身构成一种产品，并且正如下面将详细描述的那样，可以随后连接至各种已有的互连元件。

其上带有接触端头结构的牺牲衬底现在要被支撑在示例性的细长互连元件252的端头(自由端)上，互连元件252从一个示例性的衬底254上延伸出，此衬底可以是一个电子元件。如图2C所示，接触端头结构220(为显示清楚起见，在图2D的示意图中仅示出两个接触端头结构)采用标准的倒焊技术(例如，分离棱镜)与互连元件252的端头(末端)对准，并且该组件通过一个铜焊炉(未示出)而使结合材料224回流，由此使预制备的接触端头结构220永久地连接至(例如，铜焊至)互连元件232的端部。

在回流焊接过程中，不可润湿的暴露的铝膜(206)防止焊料(即锌铜合金焊料)从接触端头结构220之间流动，即，防止在相邻的接触端头结构之间形成焊料桥。

除了铝膜206的这种防润湿功能之外，铝膜206还用于提供一个分离机构。采用合适的蚀刻剂，铝优先地(相对于该组件的其它材料)被蚀刻掉，于是硅牺牲衬底202简单地“断然分离”，最后得到一个具有“带端头的”互连元件252的衬底或电子元件254，每一互连元件252具有一个预制备的端头结构220，如图2D所示。(注意：结合材料224已经在互连元件252的端部回流形成“角焊缝”225)。

在该工艺的最后一个步骤中，余下的铜(208)被蚀刻掉，留下带暴露的镍(或者铑，如前面所论述的)的接触端头结构220，暴露面用于可靠地压接式电连接至其它电子元件(未示出)的端子(未示出)。

在本发明的范围内，可以省去铜焊(锡焊)膏(224)，取而代之的是，在将接触端头结构(220)安装至其上之前，在互连元件(252)上镀敷低共熔比(eutectic ratio)的金和锡交替膜层。按照相似的方式，在与互连元件(252)连接之前，可以在接触端头结构(220)上镀敷易熔的结合膜层。

由于多个接触端头结构(220)便于制成共面的和制成均匀的厚度，因此，最后得到的“带端头的”互连元件(图2D)将具有实质上共面的端头(即，接触端头结构的暴露的表面)。

其上安装互连元件(例如252)的电子元件(例如254)可以是ASIC(专用集成电路)、微处理器、探针板装置的元件(例如空间变量器(space transformer)元件)、以及类似元件。

                         例子

在本发明的范围内，这里所公开的技术可以用于将预制备的接触端头结构连接至(例如，铜焊至)互连元件和类似元件，而所述的互连元件或者是弹性的或者是非弹性的，或者是细长形的或者不是细长形的，或者是复合互连元件(诸如母案PCT/US95/14909中所公开的)或者是单体式互连元件。接触端头结构连接的互连元件可以安装至(延伸自)一个衬底，例如一个电子元件(诸如(但不局限于)探针板装置的空间变量器，例如前面提到的PCT/US95/14844中公开的)，或者可以是多个互连元件，这些互连元件不是安装至一个衬底，而是通过某种其它手段维持相互间的预定空间关系。

图3A、3B和3C示出几种示例性的应用，其中本发明的预制备的接触端头结构(例如220)连接至不同类型的“已有”(独立制备的)互连元件。在这些图中，为显示清楚起见，省去了铜焊(焊缝的显示)。

例1

不是通过其端部安装至一个衬底的多个细长互连元件的一个例子是IBM(tm)Cobra(tm)探针，如图3A中(模仿)示出的，该探针具有多个(示出了其中四个)细长的互连元件302，这些互连元件基本上相互平行地在两个刚性的固定的平面结构304和306之间延伸，每一互连元件302的两个相对端部穿过两个刚性的固定的平面结构中的相应的一个，以便在一个电子元件(未示出)的一个端子(未示出)与另一电子元件(未示出)的一个端子(未示出)之间实现压接。图3A实质上是一个原理示意图，而不是机械装配图。细长的互连元件302可以是弯曲的，并且总体上起到弯曲梁的作用。

预制备的接触端头结构，例如前面的图2B中所示的端头结构220，可以容易地连接至(例如通过上面论述的铜焊或镀敷方式，未示出)互连元件302的一端(未示出)或者两端(如图中所示)，如图3A中所示的那样，此后，牺牲衬底(例如202)被除去(未示出)。例如，如果端头结构220仅连接至互连元件的一端，它们最好连接至互连元件的一个共同端(例如，从此图中看到的顶端)。

这描绘出本发明的重要优点。接触端头结构(220)的冶金术、尺寸和拓扑结构与要连接的细长互连元件(302)的物理特性完全无关，并且与多个这种互连元件装配至一个使用设备所附带的任何工艺限制无关。

本发明克服了与Cobra型互连元件相关的问题，Cobra型互连元件需要精细的端头整形来实现其预期效果。

例2

图3B示出多个接触端头结构220中的一个，这些接触端头结构连接至(例如通过前面论述的铜焊或镀敷方式，未示出)一个细长的钨针312的一端，钨针312是现有的探针板(未示出)的一个典型元件。

这以示例性方式描绘出本发明的一个重要优点。通常，提供具有要求的端头形状的现有探针板钨针是困难的，尤其是随着这些针的尺寸越来越小(例如，具有1密耳的直径)。通过将预制备的接触端头结构(220)连接至钨针(312)的端部，这些问题可以避免，由此方便了越来越小(例如，在直径方面)的钨针的使用，同时提供了(在直径方面，或者“足迹”)比钨针大的接触表面(即接触端头结构的表面)。本发明还克服了例如控制钨针的端头(端部)的形状和精确位置的困难。

本发明克服了与钨针探针元件相关的多种问题，包括研磨其端头使其具有合适的形状和寿命的难题。

在特定的互连元件的情况下，为将接触端头结构连接至其上，可能需要准备互连元件的表面，例如通过合适的镀敷工艺，使互连元件的表面易于接受铜焊(或镀敷)。例如，在将接触端头结构(例如220)连接至其上之前，采用金、镍、镍-钯等镀敷探针板插接件的钨针(例如312)。

例3

接触端头结构要连接的互连元件常常是细长的，并且可能是具有固有弹性的，正如在前面的两个例子中所描述的。但是，在本发明的范围内，接触端头结构要连接的互连元件可以既不是细长的也不是具有固有弹性的。

图3C示出了现有技术中的公知类型的膜板探针的一部分，其中多个(示出其中两个)无弹性的凸台互连元件(接触凸台)322位于一个柔性膜板324的一个表面上。正如图中所示，本发明的接触端头结构，例如端头结构220，连接至(例如通过前面论述的铜焊或镀敷，未示出)互连元件322。为了这种论述的目的，圆形的凸台322被视为在其顶部(从此图观看是其顶边缘)具有“端头”或“端部”。

将接触端头结构(220)连接至这种膜板探针的互连元件的能力允许在制备接触端头结构和凸台接触头本身时采用完全不同的工艺和冶金术。

本发明克服了与这种通常不能被再加工的膜板探针的半球形接触凸台相关的问题。

正如下面将更详细地论述的，本发明还允许在带端头的互连元件的压力接触表面中实现一种实际上无约束的所需表面结构。

                 接触端头结构的冶金术

用于本发明的接触端头结构的各种冶金术(金属配方)已在前面作了描述。在本发明的范围内，可以采用任何适于形成的“带端头的”互连元件的最后应用的冶金术。

如图4A所示，用于一个互连元件的一个实用的(例如优选的)接触端头结构可以按以下方式形成在一个牺牲衬底之中(或之上)，其中采用一层薄的铝(箔)作为牺牲衬底400：

·为铝箔400提供一个临时的衬背402，例如一个塑料片，以增强铝箔的结构完整性(这个衬背层402还可以起到镀敷隔板/掩模的作用)；

·采用一层薄的(约3密耳)光致抗蚀剂膜404或类似材料对铝箔400的表面(从图中看为顶表面)进行构图，在希望形成接触端头结构的位置处(与图2A中的212相当)留出(或形成)开口；

·在光致抗蚀剂404的开口内，在铝箔400上淀积(例如通过镀敷)一层薄的(约100微英寸(μ”))硬质金膜406；

·在硬质金膜上淀积(例如通过镀敷)一层很薄的(约5-10μ”)铜膜(“触击快速电镀膜(strike)”)408(应当理解，这种铜(触击快速电镀)膜是有些任意选择性的，并且主要用于辅助在先的硬质金膜406的以后的镀敷)；

·在铜(触击快速电镀)膜上淀积(例如通过镀敷)一层较厚的(约2密耳)镍膜410；并且

·在镍膜上淀积(例如通过镀敷)一层薄的(约100μ”)软质金膜412。

这就最终形成了一个多层的接触端头结构420(与220相当)，它可以容易地连接至一个互连元件(未示出)的一端。接触端头结构420具有作为其主要膜层的一个用于接触(例如压接至)电子元件(未示出)的硬质金表面(406)、一个提供强度的镍膜(410)、以及一个容易结合至(可连接至)一个互连元件的软质金膜(412)。

关于在牺牲衬底上的掩模材料的开口中淀积用于形成接触端头结构的材料(例如214，216；406，408，410，412)，应当指出的是，牺牲衬底本身(例如400)或者一个或多个淀积在其上的敷层(例如206、208)起到将开口相互电连接的作用，由此便于采用电镀工艺。

分离牺牲衬底

如前面所述的，一个“单纯的”(即其上没有有源器件)硅晶片可以用作牺牲衬底，在其上可以制备本发明的接触端头结构。一种示例性的冶金术在前面作了说明，其中采用了一种合适的选择性化学蚀刻工艺，将接触端头结构与牺牲衬底分离。

在本发明的范围内，除了化学蚀刻剂之外，为分离牺牲衬底，还可以采用一种合适的与热(处理)相结合的冶金术。例如，如图4B所示：

步骤1.在希望具有接触端头结构的拓扑结构的位置(图中示出多个位置中的一个)处，将硅(牺牲)衬底424蚀刻形成凹口422(一个或多个，图中示出一个)。正如下面论述的，硅的蚀刻可以是自限性的。

步骤2.在硅(牺牲)衬底424的表面上涂敷形成一个构图的掩模层426(例如光致抗蚀剂)。掩模层中的开口428设在将要制备接触端头结构的位置处。

步骤3.在掩模层426的开口428内，在衬底上淀积(诸如通过溅射)一个薄的材料(将会清楚是不可润湿的材料)层430，例如钨(或者钛-钨)层。

步骤4.在掩模层426的开口428内，在薄的钨层上淀积(诸如通过溅射)一个不润湿材料的薄层432，例如可镀敷的铅(或铟)的薄层。

步骤5.按照前面所述的方式(例如参照图4A)，在掩模的开口内，制备具有一个或多个膜层的接触端头结构440(与220，420相当)。

步骤6.按照前面所述的方式，使接触端头结构440回流(采用加热)焊接至互连元件(未示出)。在回流焊接过程中，铅(材料432)将熔化并成球状，因为钨(430)对于铅(432)是不可润湿的。这将导致接触端头结构440与牺牲衬底424分离。

作为随意选择的方案，可以在层432上涂敷第二层不可润湿的材料(例如钨)。所述材料将变成最后形成的接触端头结构的一部分，除非它被去除(例如通过蚀刻)。在有些情况下，铅将不会成球状(例如，铅易于润湿镍)，在这种情况下可能需要设置附加的层，例如铅，然后是钨，再后是铅，以保证接触端头结构与牺牲衬底的适当分离。

作为随意选择的方案，可以在第二层不可润湿的材料(例如钨)上涂敷另一种材料，所说的另一种材料(例如铅、铟)将在被加热时成球状。最后形成的接触端头结构的表面上的任何剩余的铅能容易地除去，或者可以留在原位。另外，可以在将成球状的第二层材料与制备的接触端头结构1420的第一层(例如铑)之间，淀积一层“阻挡”材料。这种“阻挡”材料可以是钨、氮化硅、钼或者类似材料。

端头拓扑结构(表面布局结构)

在以上的主要内容中，已经论述了具有一个平的接触表面的接触端头结构(例如102，220，420)。对于许多压力接触应用，一个球面的或者非常小的表面积的接触端头是优选的，这种接触端头触压一个电子元件的标称平表面的端子。在其它的应用中，接触端头结构的表面将优选具有棱锥形的、截棱锥形的、圆锥形的、楔形的、或者类似形状的凸台。

图5A示出了用于形成细长的接触端头结构的一种技术500的第一步骤，这种接触端头结构具有棱锥形或截棱锥形的接触结构，其形成在一个牺牲衬底502上，此衬底是一个硅晶片。一层掩模材料504，例如先致抗蚀剂，涂敷在硅衬底502的表面上，并构图为具有多个(示出了其中的两个)开口506，这些开口延伸至硅衬底502的表面。开口506最好呈方形，尺寸约1-4密耳，例如边长为2.5密耳。但是，开口可以是矩形、或者可以具有其它几何形状。

下一步，如图5B所示，硅衬底502被蚀刻而在硅中形成同样多的多个(示出了其中的一个)棱锥形的凹口508。硅的这种蚀刻将具有自限性的倾向，因为蚀刻是沿(100)硅的54.74°的晶面进行的。换句话说，凹口将延伸一定的深度，此深度是由开口(506)的尺寸和硅衬底(502)的特性限定(决定)的。例如，对于边长2.5密耳的方形开口，凹口的深度将大约是2密耳。最后，这些凹口508将变成接触结构整体地形成在要在硅衬底上最终形成的接触端头结构上。这最好是一个光刻工艺，以便开口(506)和结构(凹口)(508)的尺寸和间距将是非常精确的，精确至容差为微米(10^-6m)量级。

下一步，如图5C所示，掩模材料504被去除，在硅衬底502的表面上涂敷一个新的掩模层514(与504相当)，例如光致抗蚀剂，并且使其构图成具有多个(示出了其中的一个)开口516(与506相当)，这些开口516延伸至硅衬底502的表面。开口516比开口506大，并且相互对准。(每一开口516位于一个凹口508上方)。一个示例性的开口516是矩形的，合适的尺寸约为7密耳(在示图的页面方向上)×8-30密耳(垂直于示图的页面方向)。最后，这些凹入开口516将被导电材料填充，这些导电材料形成要在牺牲衬底502上预制备的接触端头结构的基体。这最好也是一个光刻工艺，但这些开口516的尺寸和间距不必象在先的开口506那样精确，高达1密耳(0.001英寸)量级的容差一般是可以接受的。

接下去，如图5C所示，多个(示出了其中的一个)多层的接触端头结构520(与220，420相当)形成在开口516内，每一个具有一个从其表面延伸的棱锥形结构530。在这个例子中，多层结构是按以下的合适方式形成的：

·首先，正如前面已经描述的那样，淀积(涂敷)一个分离机构522(例如，铅/钨/铅组成的一个多层机构)；

·此后，淀积一层较薄的铑或钨膜524(或者钌、铱、硬质镍或钴或其合金、或碳化钨)，例如0.1-1.0密耳厚；

·然后，淀积一层较厚的镍、钴或其合金的膜526；

·最后，淀积一层较薄的便于铜焊的软质金膜528。

按这种方式，(形成了)多个细长的接触端头结构520，每一个具有一个从其表面凸出的棱锥形接触结构530。正是这个凸出的接触结构用于与一个电子元件(未示出)的一个端子(未示出)进行实际的接触。

如图5D、5E和5F所示，棱锥形的接触结构530沿线524被适当地抛光(研磨)，这将使棱锥形的结构变成截棱锥形的结构。这种较小的平端头形状(例如边长为十分之几密耳的方形)，而不是真正的尖端头形状，对于与电子元件(未示出)的端子(未示出)形成可靠的压接而言，将是足够“尖锐的”，并且对于重复进行的(例如几千次)压接至大量的电子元件的过程，诸如在本发明的带端头的互连元件的探测(例如硅器件晶片)应用中将经历的，(这种平端头形状)将比真正尖的形状更耐磨，。

抛光接触结构530的尖头的另一个优点是，多层结构中的第二层可以暴露出来，以与一个电子元件(未示出)的一个端子(未示出)接触。例如，这一层可以是具有优异的电特性的材料，例如铑。或者，它可以是具有优异的耐磨特性的材料，例如钛-钨。

图5E示出本发明的细长的接触端头结构520，此接触端头结构连接至一个细长的互连元件540(与302相当)的一端。图5F示出本发明的细长的接触端头结构520，此接触端头结构连接至一个膜板探针324的一个接触凸台322(与图3C相当)。在这些示例性的应用中，具有凸出的拓扑接触结构530的接触端头结构520提供了：

·不同的冶金术；

·不同的接触(端头)拓扑术(拓扑结构)；

·严格控制的位置容差；和

·一定程度的间距扩展(pitch spreading)，如果需要的话。

关于有效的间距扩展，可以从图5F中看出，接触端头结构可以这样布置：接触结构530之间的间距可以大于(如图所示)或者小于(未示出)接触球322的间距。

通常，在使用时，“带端头的”互连元件安装至第一电子元件，而棱锥的尖头(在图5E和5F中看是顶部)部分与第二电子元件(未示出)的一个端子(未示出)电连接。

如上所述，通过预制备其一个表面上带有拓扑接触结构(例如530)的接触端头结构(例如530)，可以为要形成的压接实现极高的位置精度，而在接触端头结构的基体部分或者要连接的互连元件中不需要类似的精度。以类推方法，(在你的头脑中)设想一个高尔夫球场。一个杯子(孔洞)精确地定位于绿地上。一个比赛者站在绿地上的某个地方(任意地方)。这个被精确定位的并且具有极其精确的尺寸(即十分之几英寸)的杯子类似于拓扑接触结构(例如530)。围绕杯子延伸至大的容差范围(即几英尺或几码)的绿地类似于接触端头结构(例如520)的基体部分。站在绿地上的某个地方(即任意地方)的比赛者类似于接触端头结构要连接的互连元件(例如540)，(比赛者的脚为互连元件的端头)。换句话说，这种拓扑接触结构为可以很粗略的定位的互连元件的端头提供了极高的精度。因此，可以看出，通过使多个大致定位的接触端头结构的每一个带有一个接触结构，此接触结构相对于这多个接触端头结构中的其它接触端头结构上的拓扑接触结构精确定位，可以实现与电子元件的端子的精确定位连接。

一种变化的端头拓扑结构

图6A和6B示出了带有拓扑接触结构的接触端头结构的一个实施例。在这个例子中，一个牺牲衬底602具有带多个(示出其中的一个)开口606的一个掩模层604。此牺牲衬底的表面(在这个例子中，牺牲衬底为铝)被“准备”用于接触端头的制备，这种“准备”是通过用力将一个尖头的工具向下(从此图看是伸入页面方向)压迫衬底的表面，最后在牺牲衬底602的表面中形成一个或多个(包括三个或更多)最好是四个(如图所示)陷窝(凹口)608。

在随后的制备接触端头结构的工艺步骤中(正如前面已经描述的)，这些凹口608本身将“镜象变换”为一个或多个(示出了四个)“陷窝”接触结构618，这些接触结构618从最后形成的接触端头结构620(与102，220，420相当)的主体部分凸出。正如所知道的，三条腿的椅子比四条腿的椅子更稳当。因此，虽然似乎具有正好三个凸出部分(618)将是最好的，但事实上可以确信，若具有四个优选按均匀间隔(好象一个方形的四个角)布置的凸出部分618，当接触端头结构620触压一个电子元件(未示出)的一个相应的平表面的端子(未示出)时，接触端头结构620将被允许前后“摇摆(rock)”(即在两个沿对角线相对置的结构618上)，从而刺入端子上的氧化物层和类似层，由此在“带端头的”互连元件与端子之间实现可靠的压接式电连接。这是在特定的应用中为实现压接所希望的。

另一种端头冶金术

前面已经论述了制备多层端头结构的客观需要和多种端头冶金术。

在本发明的范围内，端头冶金术如下：从一个硅牺牲衬底开始：

步骤1.首先淀积一层铝膜；

步骤2.接着淀积一层铬膜；

步骤3.然后淀积一层铜膜；和

步骤4.最后淀积一层金膜。

最后形成的接触端头结构将具有一个铝接触表面(步骤1)和一个金表面(步骤4)，以便于铜焊(或类似方式连接)至一个互连元件。为了实现与LCD面板的压接，最好是采用外部手段(例如弹簧夹)的可插入连接，铝接触表面是理想的，所说的外部手段用于保持具有互连元件的电子元件和上述的端头结构与LCD面板的连接。

为便于直观地理解这个或这里描述的任何其它实施例的多层接触端头结构，可参照图2A和4A。

细长的接触端头结构

上面已经描述了牺牲衬底怎样可以用于：

(a)预制备接触端头结构，所述接触端头结构用于以后附装(连接)至细长的互连元件(诸如(但不限于)复合互连元件)的端头(端部)以及其它类型的互连元件(诸如膜板探针的凸台元件)；和

(b)预制备接触端头结构，在所述接触端头结构上可以直接制备互连元件，以便以后作为“带端头的”互连元件安装至电子元件的端子。

下面将描述接触端头结构本身如何可以起到互连元件的作用，而不需要被连接至其它已有的互连元件。正如下面将要详细描述的，这些本身可以起到弹性接触元件的作用的接触端头结构整体是细长的，并且将仍然被称为“接触端头结构”。

图7A-7F示出一种用于制备接触端头结构并且将其安装至电子元件的端子的技术700，这种接触端头结构是细长的，并且在使用时将起到悬臂(镀敷的悬臂式梁)弹性接触元件的作用。这种技术能够很好地适于最终将弹性接触元件安装至这样的电子元件，例如半导体器件、探针板装置的空间变量器衬底、以及类似元件。

图7A示出一个牺牲衬底702，例如一个硅晶片，在其一个表面上蚀刻形成多个(示出了其中的一个)沟槽704。沟槽704代表任何一种表面结构‘造型’，它用于(形成)将在牺牲衬底702上制备的接触端头结构。(与前面所述的拓扑接触结构相当)。沟槽704的布局(间距和排列方式)可以从一个半导体芯片(die)(未示出)的焊盘布局导出(复制；即“镜象变换”)，这个半导体芯片最终(在使用时)要被接触(例如被探测)。例如，沟槽704可以朝向牺牲衬底的中心呈单排布置。比如，许多存储器芯片制备有一排中心焊盘。

图7B示出：在牺牲衬底702的表面上，包括沟槽704内，已经淀积了一个硬质的“草本(field)”层(面层)706。如果此草本层是由不适于镀敷的材料例如硅化钨、钨或金刚石构成的，可以选择在此草本层706上淀积另一(例如)可镀敷的材料层708。(正如从下面的论述中将清楚理解的，如果层706难以去除，它可以通过选择性淀积(例如通过一个掩模构图)涂敷，以避免这种去除)。

在由图7C所示的下一步骤中，涂敷一层掩模材料710，例如光致抗蚀剂，以界定用于制备镀敷的悬臂端头结构的多个开口。掩模层710中的开口延伸至沟槽704上方。接着，可以选择淀积(例如通过镀敷)一层较厚的(例如1-3密耳)弹性(spring)合金材料(例如镍及其合金)712，在这种弹性合金不容易结合、锡焊或铜焊的情况下，在弹性合金材料层712上淀积一层适于铜焊或锡焊的材料714。弹性合金材料712可由任何合适的方法淀积，例如镀敷、溅射或CVD(化学汽相淀积)。

下一步，如图7D和7E所示，沿层(706和708)的位于掩模材料710下面的部分，掩模材料710被剥离(去除)，结果是，多个(示出了其中的一个)细长的接触端头结构720已经制备在牺牲衬底702上。每一细长的接触端头结构720具有一个内端部分722(正位于相应的一个沟槽704上方)、一个外端部分724和一个中间部分726，中间部分726处于内端部分722与外端部分724之间。

正如在图7E中清楚地看到的，悬臂端头结构720可以是交错排列的(按左-右-左-右取向)，于是，尽管它们的内端部分722全部呈一排对准(对应于例如一个半导体器件上的一排中心焊盘)，但它们的外端部分724是相互反向取向的。按这种方式，接触端头结构720的外端部分724之间的间距要比内端部分722之间的间距大。

本发明的悬臂端头结构720的另一特征是，中间部分726可以是锥形的，即正如在图7E中清楚地看到的，从内(接触)端部分722上的最窄处逐渐变宽至外(基座)端部分724上的最宽处。当外端部分724刚性地安装至一个电子元件的一个端子，例如探针板装置的空间变量器或者半导体器件的焊盘时，这种特征为内端部分722提供了可控的预定偏移量。通常，偏移将局限于或靠近接触端头结构的内(接触)端处。

图7F示出，根据图7A-7E的技术700制备的悬臂端头结构720安装至刚性“支柱”730，支柱730从一个电子元件734的相应端子(示出了多个端子中的一个)732延伸出(例如独立式延伸)。通常，支柱730的功能仅仅是在元件734的表面上方将接触端头结构720在z轴方向抬高，于是为接触端722留出空间，以便其在与一个电子元件(未示出)的一个端子(未示出)进行压接时偏移(从此图上看是向下)。在本发明的范围内，支柱(730)本身可以是弹性的，在这种情况下，根据特定应用(使用)的要求，细长的接触端头结构(720)可以是弹性的或者也可以不是弹性的。

如图所示，预制备的细长的接触端头结构720通过它们的外(基座)端部分724安装至支柱730的端部(图中示出的是顶部)，安装方法可以是任何合适的方法，例如铜焊或锡焊。这里，作为悬臂端头结构720的最宽部分的外端部分的另一优点是明显的，细长的接触端头结构的大的外端部分为进行这种锡焊或铜焊提供了较大的表面积，这是通过焊缝结构736示出的，由此提供了将细长接触端头结构的外(基座)端固定连接至支柱的可能性。

在本发明的范围内，支柱730可以是任何独立式的互连元件，包括(但不限于)复合互连元件，并且特别是包括探针膜板的接触凸台(在这种情况下，电子元件734将是一个探针膜板)以及常规的探针板的钨针。

正如在图7F中清楚地看到的，细长的接触端头结构(720)的接触端部分(722)带有一个突起的结构740，在使用时，这个突起的结构与电子元件(未示出)的端子(未示出)产生实际的压接。这个结构740的形状和尺寸是由沟槽704(参见图7A)的形状和尺寸控制的。

在任何悬臂梁结构中，优选方式是，悬臂的一端是“固定的”，而另一端是“可移动的”。按这种方式，弯矩是容易计算的。因此，显然，支柱(730)最好是尽可能刚性的。在细长接触端头结构(720)连接至一个膜板探针上的一个接触凸台的情况下，大的弹性和/或顺从性将由膜板(734)本身提供。在特定的应用中，要求支柱(730)为“复合互连元件”(参照前面提及的PCT/US95/14909)，这将有助于细长接触端头结构的接触端随压接产生的总体偏移。

通过接触端头结构实现间距扩展

在前面的例子中(参见图7E)，接触端头结构(720)布局为具有交替的取向(左-右-左-右)，于是它们的内(接触)端呈第一间距，而它们的外(基座)端呈第二间距，第二间距大于第一间距。通过制备接触端头结构使其具有交替变化的长度，可以实现一种“间距扩展”效果。

图8示出了另一种通过接触端头结构实现间距扩展的技术800(这与可由安装接触端头结构的空间变量器实现的间距扩展相反或者是另外的方式)。

在这个例子800中，多个(示出了其中的五个)细长的接触端头结构820a...820e(统称为“820”，与720相当)已经形成在一个牺牲衬底802(与702相当)上。每一接触端头结构820具有一个内(接触)端822(822a...822e)和一个外(基座)端824(824a...824e)。在这个图中可以看出，内端822沿一条标示为“R”的线对准，并且接触端头结构820全部设置(取向，延伸)于相同的方向上(从这个图中看是向右)。

根据本发明，细长的接触端头结构820相互间具有不同的长度，并且按交替的方式例如长-短-长-短-长方式排列，于是，它们的外(基座)端824a...824e具有比它们的内(接触)端822a...822e大的间距。

在使用时，细长的接触端头结构820通过它们的基座端824可以容易地安装至一个电子元件的端子，安装方式可以是前面所述的任何合适的方式。

另一种细长的接触端头结构

前面已经描述了如何可以采用常规的半导体制造工艺(包括微细加工)，例如掩模、蚀刻和镀敷，在牺牲衬底上制备细长的悬臂式接触端头结构(例如720，820)，以及如何可以使最终形成的细长的悬臂式接触端头结构带有非平面(从平面中凸出)的“突起”结构(例如740)。换句话说，正如将能清楚理解的，最终形成的细长的悬臂式接触端头结构的形状可以容易地在全部三个(x，y，z)轴线方向上得到控制。

图9A-9E示出细长的悬臂式接触端头结构的其它实施例，这些图对应于前面提及的1996年12月31日受理的美国临时专利申请60/034053的图1A-1E。

图9A和9B示出一种细长的接触端头结构(弹性接触元件)900，此元件适于作为独立的结构安装至一个电子元件，所述电子元件包括(但不限于)前面提及的PCT/US95/14844中的空间变量器。

结构900是细长的，它具有两个端部902和904，并且两个端部之间的总的纵向长度为“L”。作为一个例子，长度“L”在10-1000密耳范围内，例如40-500密耳或者40-250密耳，最好为60-100密耳。正如从下面的论述中将能清楚地理解的，在使用时，此结构的“有效”长度为“L1”，它小于“L”，这个有效长度是结构900可以响应于所施加的力弯曲的长度。

端部902是一个“基座”，接触元件900将在此处被安装至一个电子元件(未示出)。端部904是一个“自由端”(端头)，它将与另一电子元件(例如一个被测器件，未示出)压接。

结构900的总高度为“H”。例如，高度“H”在4-40密耳范围内，最好是5-12密耳。(1密耳＝0.001英寸)

正如从图9A中清楚地看到的，结构900是“台阶形的”。基座部分902处于第一高度上，端头904处于另一(第二)高度上，一个中间(中心)部分906处于第三高度上，第三高度介于第一和第二高度之间。因此，结构900具有两个“变位(standoff)”高度，它们在图中被标示为“d1”和“d2”。换句话说，弹性接触元件900具有两个“台阶”，一个台阶是从接触端904向上至中心基体部分906，另一台阶是从中心基体部分906向上至基座端902。

在使用时，作为接触端904与中心部分906之间的“垂直”(如从图9A中看到的)距离的变位高度“d1”起到如下作用：当此结构随着与一个电子元件(未示出)的一个端子(未示出)压接而偏移时，防止此结构与电子元件(未示出)的表面碰撞。

在使用时，作为基座端902与中心部分906之间的“垂直”(如从图9A中看到的)距离的变位高度“d2”起到如下作用：允许此梁(式结构)弯曲通过所需的超行程，而且不接触此细长接触结构要安装的衬底(包括一个电子元件)的表面。

作为例子，变位高度“d1”和“d2”的尺寸为：

·“d1”在3-15密耳范围内，最好约为7±1密耳；

·“d2”在0-15密耳范围内，最好约为7±1密耳。在“d2”为0密耳的情况下，此结构在中心部分906与基座部分902之间将是平的(没有所示的台阶)。

正如在图9B中清楚地看到的，此结构900可以在其基座端902处设有一个不同的“结合结构”910。此结合结构可以是一个接头片或者可选择一个接线柱，采用此结合结构是便于在装配过程中将探针结构铜焊至一个衬底(例如一个空间变量器或一个半导体器件)。或者，结构900要安装的元件或衬底可以设有一个接线柱(支柱，与730相当)或类似部分，基座部分902安装至这个接线柱或类似部分。

在使用时，结构900要起到悬臂梁的作用，并且最好具有至少一个锥角，此角在图9B中标示为“α”。例如，结构900在其基座端902处的宽度“w1”为3-20密耳，最好为8-12密耳，而结构900在其端头端904处的宽度“w2”为1-10密耳，最好为2-8密耳，锥角“α”最好为2-6度。(锥形)结构900从其基座902至其端头904变窄，允许当其基座902被固定(不能移动)并且在其端头904上施加一个力时，实现结构900的受控弯曲和更均匀的应力分布(相对于集中而言)。采用公知的光刻技术，此结构的宽度(因此即锥角“α”)是容易控制的。

结构900的端头端904最好设有一个拓扑结构908，例如具有棱锥形的几何形状，以辅助实施与一个电子元件(未示出)的一个端子的压接。

如图9A和9B所示，弹性接触元件900是三维的，它在x、y和z轴方向延伸。其长度“L”是沿y轴的，其宽度(“w1”和“w2”)是沿x轴的，其厚度(“t1”和“t2”)和高度(“H”)是沿z轴的。当此弹性接触元件900安装至一个电子元件时，它将被如此安装，即，此弹性接触元件的长度和宽度平行于电子元件的表面，而其高度垂直于电子元件的表面。

图9C示出一种弹性接触结构950，它在大多数方面都与图9A和9B中的结构900相同。此结构是细长的，具有一个基座端952(与902相当)和一个接触端954(与904相当)以及一个位于接触端954上的拓扑结构958(与908相当)。图9C中显示出的主要差别是，结构950可以具有z轴方向的第二锥角“β”。

例如，正如在图9C中清楚地看到的，结构950在其基座端952处的厚度“t1”为1-10密耳，最好为2-5密耳，而结构950在其接触端954处的厚度“t2”为1-10密耳，最好为1-5密耳，锥角“β”最好为2-6度。

角度“β”(图9C)可以采用各种用于控制厚度分布的方法形成。例如，如果结构950是通过镀敷形成的，可以在镀液中加入一个合适的镀敷屏蔽。如果结构950不是镀敷形成的，可采用适当的公知工艺来控制最终形成的结构的厚度的空间分布。例如，对结构950进行喷沙磨蚀处理或者放电加工(EDM)。

因此，可以形成这样一个细长的接触结构，它具有从其基座端(902，952)至其接触端(904，954)的复合(双)锥度。它可以具有一个锥角“α”，这个角度将平行于此细长接触结构要安装的衬底或元件的x-y平面。并且它可以具有一个锥角“β”，这个角度代表此结构的厚度(z轴方向)变窄。两个锥度代表此结构(900，950)的截面从其大的基座端(902，950)至其小的接触端(904，954)逐渐变小。

在本发明的范围内，结构在宽度方向可以不是锥形的，在这种情况下，锥角“α”将是0。在本发明的范围内，锥角“α”也可以大于2-6度，例如大到30度。在本发明的范围内，结构在厚度方向可以不是锥形的，在这种情况下，锥角“β”将是0。在本发明的范围内，锥角“β”也可以大于2-6度，例如大到30度。在本发明的范围内，结构可以仅仅在厚度方向是锥形的，而在宽度方向不是锥形的；或者仅仅在宽度方向是锥形的，而在厚度方向不是锥形的。

接触结构900和950主要并且最好完全是金属的，它可以象前面已经描述的那样形成(制备成)多层结构。

图9D为接触结构950的接触端954的放大示意图(此图可以等同地适用于这里显示的其它接触结构的接触端)。在这个放大示意图中可以看到，接触部分954相应地从此弹性接触元件的底(从此图中看)表面明显突起，凸出的距离“d3”为0.25-5密耳，优选3密耳，并且其合适的几何形状为棱锥形、楔形、半球形或类似形状。

最后形成的弹性接触元件的总高度“H”为“d1”、“d2”(和“d3”)以及中心基体部分的厚度之和。

至此已经描述了一个示例性的弹性接触元件，该接触元件适于实现两个电子元件之间的连接，典型情况是其基座端安装至两个电子元件之一，而其接触端与两个电子元件中的另一个压接，该接触元件具有如下的尺寸(单位为密耳，另有规定的除外)：

尺寸           范围             优选值

L               10-1000           60-100

H               4-40              5-12

d1              3-15              7±1

d2              0-15              7±1

d3              0.25-5            3

w1              3-20              8-12

w2              1-10              2-8

t1              1-10              2-5

t2              1-10              1-5

α                               0-30°                          2-6°

β                               0-30°                          2-6°

由此可以清楚地得出以下总的关系：

“L”大约至少是“H”的5倍；

“d1”是“H”的一小部分，例如介于尺寸“H”的1/5-1/2之间；

“w2”大约是尺寸“w1”的一半，并且是“H”的一小部分，例如介于尺寸“H”的1/10-1/2之间；

“t2”大约是尺寸“t1”的一半。

图9E示出本发明的一个变换的实施例，其中分立的接触端头结构972(与220相当)可以连接至细长的接触端头结构970(与900，950相当)的接触端974，以代替整体形成有突起的接触结构(908，958)的接触端。这提供了接触端头结构968具有与细长的接触端头结构(弹性接触元件)970不同的冶金术的可能性。例如，弹性接触元件970的冶金术的合适目的是其机械特性(例如弹性)并且其总的能力是导电，而安装至接触元件970的接触端头结构972的冶金术的合适目的是与要接触的一个电子元件(未示出)的一个端子(未示出)实现良好的电连接并且(如果需要的话)可以具有良好的耐磨特性。

                          材料和工艺

用于这里描述的接触端头结构的一个或多个膜层的合适材料包括(但不限于)：

镍以及其合金；

铜、钴、铁、以及它们的合金；

金(尤其是硬质金)和银，它们均呈现出优异的载流能力和良好的接触电阻特性；

铂族元素；

贵金属；

半贵(semi-noble)金属以及它们的合金，尤其是钯族元素以及它们的合金；和

钨、钼和其它高熔点金属以及它们的合金。

在需要以软焊接方式结束制备工艺的情况下，也可以采用锡、铅、铋、铟以及它们的合金。

用于淀积这些材料(例如淀积至一个牺牲衬底的一个掩模层的开口中)的合适工艺包括(但不限于)：包含从水溶液中淀积材料的各种工艺；电解镀；无电镀；化学汽相淀积(CVD)；物理汽相淀积(PVD)；通过液体或固体母体的诱导分解蜕变引起材料淀积的工艺；以及类似工艺，所有这些用于淀积材料的技术总体上讲是公知的。电镀是一种常规优选的技术。

                    修正(均匀化)“K”

具有不同长度的(所有其它参数例如材料和截面是相同的)多个细长接触端头结构将对在其自由(接触)端施加的接触力呈现不同的抵抗特性。通常，希望安装至一个给定的电子元件的所有细长接触端头结构的弹性常数“K”是一致的。

图10A-10D示出分别安装至电子元件(1010，1030，1050，1070)的细长接触端头结构(1000，1020，1040，1060)以及用于将多个不一致的细长接触端头结构的抵抗特性“K”修正为一致的技术，这些图对应于前面提及的1996年12月31日受理的美国临时专利申请60/034053的图7A-7D。

细长接触端头结构(1000，1020，1040，1060)与前面描述的任一细长接触端头结构是相似的，并且具有一个基座端(1002，1022，1042，1062)和一个端头部分(1004，1024，1044，1064)，基座端和端头部分分别在相反的方向上从一个中心基体部分(1006，1026，1046，1066)偏移。它们与图9A和9C中相应的细长接触端头结构900和950相当。

图10A示出用于修正弹性常数的第一种技术。在这个例子中，一个弹性接触元件1000(与前面描述的任一细长接触端头结构相当)通过其基座端1002安装至一个电子元件1010的一个端子。一个沟槽1012形成于电子元件1010的表面中，并且从弹性接触结构1000的接触端1004下面，沿基体部分1006，朝向弹性接触元件1000的基座端1002延伸至一个位置(点)“P”，此位置(点)“P”设在距接触端1004预定的固定距离处，例如60密耳。当一个力向下施加至接触端1004时，弹性接触元件1000将弯曲(偏移)，直到基体部分1006在点“P”处接触沟槽1012的边缘(即元件1010的表面)，此时，只有弹性接触元件1000的最外部分(从点“P”至端部804)允许进一步偏移。弹性接触元件的最外部分具有一个‘有效’的控制长度“L1”，对于任何数量的弹性接触元件(1000)，只要它们具有大于“L1”的总长度“L”，就可以容易地形成相同情况(有效长度)。按这种方式，在各种长度的弹性接触元件之间(只要点“P”落入弹性接触元件的中心基体部分内的某处)，可以使得对施加的接触力的反作用(“K”)一致。

图10B示出用于修正弹性常数的另一种技术。在这个例子中，一个弹性接触元件1020通过其基座端1022安装至一个电子元件1030(与1010相当)。一个结构1032(与1012相当)形成于电子元件1030的表面上，其位置处于弹性接触元件1020的基座端1022、电子元件1030的表面以及弹性接触元件1020的中心基体部分1026(与1006相当)之间，并且沿基体部分1026(与1006相当)，朝向弹性接触元件1020的接触端1024(与1004相当)延伸至一个位置(点)“P”，此位置(点)“P”设在距接触端1024预定的固定距离处，例如前述的预定距离(参照图10A)。结构1032适合为一个任何硬质材料的珠，例如玻璃或预切的陶瓷环，它被设置在电子元件1030的表面上。当一个力向下施加至接触端1024时，只有弹性接触元件1020的最外部分(从点“P”至端部1024)允许偏移。正如在前面的实施例(1000)中那样，按这种方式，可以使各种长度的弹性接触元件中对施加的接触力的反作用一致。

图10C示出用于修正弹性常数的又一种技术。在这个例子中，一个弹性接触元件1040(与1000和1020相当)通过其基座端1042安装至一个电子元件1050。一个封装结构1052以与前面的实施例的结构1032相似的方式形成在电子元件1050的表面上。不过，在这种情况下，结构1052完全包封弹性接触结构1040的基座端1042，并且沿基体部分1046，朝向接触端1044延伸至一个位置(点)“P”，此位置(点)“P”设在距接触端1044预定的固定距离处，例如前述(参照图10B)的预定距离。弹性接触元件1040的最外部分具有一个‘有效’的长度“L1”。正如前面的实施例中那样，当一个力向下施加至接触端1044时，只有弹性接触元件1044的最外部分(从点“P”至端部1044)允许偏移。就象前面的实施例中那样，可以使各种长度的弹性接触元件中对施加的接触力的反作用一致。

图10D示出用于修正弹性常数的再一种技术。在这个例子中，一个弹性接触元件1060(与1000，1020，1040相当)通过其基座端1062安装至一个电子元件1080(与1050相当)。在这个例子中，基体部分1066在一个位置(点)“P”处形成有一个“弯折部分”1072，此位置(点)“P”设在距接触端1064预定的固定距离处，例如前述(参照图8C)的预定距离。弹性接触元件1060的最外部分因此具有一个‘有效’的长度“L1”。正如在前面的实施例中那样，当一个力向下施加至接触端1064时，只有弹性接触元件1060的最外部分(从点“P”至端部1064)允许偏移。(可以这样选择弯折部分1072的尺寸和形状：在弯折部分1072接触元件1070的表面之前，整个接触结构1060稍微偏移，此后，只有弹性元件1060的最外部分将继续偏移。)就象前面的实施例中那样，可以使各种长度的弹性接触元件中对施加的接触力的反作用一致。

在本发明的范围内，为使具有不同总长度(“L”)的接触元件中弹性常数一致，可以采用其它技术。例如，为实现这种所要求的结果，可以将它们的宽度和/或锥角“α”制成相互不同的。

                   三维的细长接触端头结构

前面已经描述了多种细长的接触端头结构，这些结构适于被直接安装至或形成于电子元件的端子上，并且能够从电子元件“三维”延伸，以便其接触端定位于可与另一电子元件的端子压接。

图11A和11B示出细长接触端头结构的另一实施例，这种结构适于本身起到弹性接触元件的作用。图11A和11B与前面提及的1996年12月31日受理的美国临时专利申请60/034053的图8A和8B相当。

图11A示出一种弹性接触元件1100，它已经根据前面描述的技术制备而成，其中的区别(显著的差异)在于，接触元件的中心基体部分1106(与906相当)不是笔直的，虽然它仍可处在一个平面中(例如x-y平面)，如图所示，它沿x轴方向“错位”同时横切y轴，在这种情况下，基座端1012(与902相当)将具有与接触端1104(与904相当)或设置在接触端1104上的接触结构1108(与908相当)不同的x坐标。

图11B示出另一种弹性接触元件1150，它在许多方面与图11A中的弹性接触元件1100是相似的，其区别在于，除了中心部分1156与接触端部分1154(与1104相当)之间的台阶之外，在中心基体部分1156(与1106相当)与基座部分1152(与1102相当)之间还有一个z轴方向的台阶。所示的弹性接触元件1150在其接触端1154上设有一个接触结构1158(与1108相当)。

虽然在附图和前面的说明中已经对本发明作了详细的展示和描述，但这些图和说明应被视为是描绘性的而不是限制性的，应当理解为，仅仅是已对优选实施例作了展示和描述，而进入本发明的精神范围内的所有变换和修改也是希望得到保护的。毫无疑问，对于本发明最相关的技术领域的普通技术人员而言，在上述的“主题”基础上将会产生许多其它“变化”，这种变化也属于这里公开的本发明的范围之内。

例如，最终形成的细长接触端头结构和弹性接触元件可以被热处理，以增强它们的机械特性，这种热处理可以在它们处在牺牲衬底上时进行，也可以在它们安装至另一衬底或一个电子元件之后进行。另外，伴随接触端头结构连接至互连元件或者弹性接触元件安装至(例如铜焊至)一个元件产生的任何热都可以有益地被利用，以分别“热处理”互连元件的材料或弹性接触元件的材料。

Claims (30)

1.一种制造互连元件的方法，所述互连元件具有用于与一个电子元件的端子进行连接的端部，该方法包括以下步骤：

在一个牺牲衬底上预制备接触端头结构；

将接触端头结构连接至互连元件的端部；和

在将该接触端头结构连接至互连元件的端部之后，去除牺牲衬底，最终形成在其端部已连接有预制备的接触端头结构的带端头的互连元件。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：该互连元件是细长的。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于：该互连元件包括一个细长元件和一个涂层。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于：该互连元件是单体互连元件。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于：该互连元件是钨针。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于：该互连元件是一个膜板探针的接触凸台。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于还包括：

使该接触端头结构的一个表面形成有一个拓扑接触结构，在使用时，此接触结构增强由接触端头结构与一个电子元件的相应端子形成的压接式电连接。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于：该拓扑接触结构为棱锥形。

9.根据权利要求7的方法，其特征在于：该拓扑接触结构为截棱锥形。

10.根据权利要求7的方法，其特征在于：该拓扑接触结构为一个或多个陷窝形。

11.根据权利要求1的方法，其特征在于：该接触端头结构通过铜焊固定至该互连元件。

12.根据权利要求1的方法，其特征在于：该接触端头结构通过镀敷固定至该互连元件。

13.根据权利要求1的方法，其特征在于：该接触端头结构采用导电粘结剂固定至该互连元件。

14.根据权利要求1的方法，其特征在于：该接触端头结构是采用平版印刷工艺形成于该牺牲衬底上的。

15.根据权利要求1的方法，其特征在于：该互连元件是从一个电子元件的一个表面延伸出的导电支柱。

16.根据权利要求15的方法，其特征在于：该接触端头结构为细长的。

17.根据权利要求1的方法，其特征在于还包括：

按细长的接触端头结构，在牺牲衬底上制备该接触端头结构，每一细长接触端头结构具有一个端部和另一个端部。

18.根据权利要求17的方法，其特征在于还包括：

如此制备该细长的接触端头结构，即，它们的一个端部是共线的。

19.根据权利要求17的方法，其特征在于：该细长的接触端头结构是交替取向的。

20.根据权利要求17的方法，其特征在于：该细长的接触端头结构的长度是交替变化的。

21.根据权利要求1的方法，其特征在于：该接触端头结构通过蚀刻从所述牺牲衬底释放。

22.根据权利要求1的方法，其特征在于：该接触端头结构通过加热从所述牺牲衬底释放。

23.根据权利要求1的方法，其特征在于：该接触端头结构是通过以下步骤形成的：在该牺牲衬底上形成一个掩模层；在该掩模层中形成开口；在开口中淀积至少一层金属材料。

24.根据权利要求23的方法，其特征在于：该金属材料是从由下列材料组成的组中选出的：

镍以及其合金；

铜、钴、铁、以及它们的合金；

金和银；

铂族元素；

贵金属；

半贵金属以及它们的合金，尤其是钯族元素以及它们的合金；

钨、钼和其它高熔点金属以及它们的合金；和

锡、铅、铋、铟以及它们的合金。

25.根据权利要求1的方法，其特征在于：该接触端头结构是细长的，并且在第一方向上从一个端部至一个相对的端部锥形渐缩。

26.根据权利要求25的方法，其特征在于：该接触端头结构在与第一方向正交的另一方向上从所述的一个端部至一个相对的端部锥形渐缩。

27.根据权利要求1的方法，其特征在于：该接触端头结构是细长的，并且从一个端部至另一个端部三维延伸，所述的一个端部靠近该牺牲衬底的一个表面，所述的另一个端部远离该牺牲衬底的所述表面。

28.根据权利要求1的方法，其特征在于：该互连元件是细长的互连元件，它们在两个刚性的固定的平面结构之间基本上相互平行地延伸，每一细长的互连元件的两个端部中的每一个端部延伸穿过两个刚性的固定的平面结构中的相应的一个；并且，该接触端头结构连接至该细长互连元件的至少一个共同的端部。

29.根据权利要求7的方法，其特征在于还包括：

所述多个接触端头结构的每一个设有一个接触结构，此接触结构相对于这多个接触端头结构中的其它接触端头结构上的拓扑接触结构精确定位。

30.制造互连元件的方法，包括：

在第一衬底上制备接触端头结构；

提供包括多个互连元件的第二衬底，所述互连元件中的每一个的第一端连接到所述第二衬底，并且所述互连元件中的每一个的第二端的位置远离所述第二衬底；

将所述接触端头结构中的每一个固定到所述互联元件的所述第二端之一；以及

从所述第一衬底释放接触端头结构。

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