CN1326225C - 微机械芯片测试探卡及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械芯片测试探卡及制造方法，它是采用微机械的方法在硅片上实现探卡的制造，所述的探卡是由按照芯片管脚分布而排布的悬臂梁阵列实现的，针尖在悬臂梁的末端，并且保证每个针尖的位置与相应的芯片管脚的位置一致。悬臂梁一端是探针，另一端键合在玻璃上。玻璃同时用作背面引线，引线将探针上的信号传输到测试电路。在一片硅片上通过改变探针的分布可以实现适用于不同芯片的探卡，从而降低了探卡的成本。释放梁结构与针尖的形成同时完成，梁的台阶结构在蒸金属时起了自动隔断作用。

Description

微机械芯片测试探卡及制造方法

技术领域

本发明涉及用微机械方法实现芯片测试探卡及制作方法，属于微机械领域。

背景技术

目前，集成电路制造业在我国迅速发展，随着工艺水平和设计水平的不断提高，芯片面积越来越小，芯片的功能也越来越复杂；同时芯片封装成本在芯片制造中所占的比重也越来越大，因此，在芯片封装前对芯片的直流、交流等参数，以及芯片功能的测试变得越来越重要。然而随着芯片面积的减小、芯片的管脚不断增多、管脚之间的距离越来越小。探卡主要用于在集成电路芯片生产过程中，在封装前对芯片功能和各种电学性质进行测试，避免不必要的封装代价。传统的测试探针已经难以满足测试的需要。传统的探针带来的寄生电容、寄生电感等问题对测试结果也产生很大的影响。其次，由于不同的芯片管脚分布各不相同，因此，测试不同的芯片需要不同的探卡，这就使得使用传统探卡进行测试的成本升高。目前，国内外已经有一些相应的探卡方面研究，但在不同程度和不同方面均存在一些问题，难以投入到生产应用当中。例如：Mr.Mark Beily曾在“A Micromachined Arary ProbeCard-Fabrication Process”(IEEE transactions on components，packaging，andmanufacturing technology-Part B，Vol.18，No.1.February(1995)中提到一种薄膜结构的阵列式探卡(如图1)，将针尖(probetip)做在由聚酰亚胺(polyimide)形成的薄膜当中，并从中将针尖通过铝引线(aluminum conductor)与测试电路(test circuitry)相连.这种结构大大减小了针尖同测试电路之间的走线距离，很好的解决了寄生电感的影响，但是在芯片管脚较多的情况下，由于聚酰亚胺形成的薄膜难以提供足够的压力保证每个探针同芯片管脚之间形成良好的电学接触，从而限制了应用。

是否可采用悬臂梁阵列结构，同时利用玻璃背面引线技术，即能够在解决寄生效应影响的同时，利用外部压力使悬臂梁产生一定程度弯曲，能够保证探针同芯片管脚之间的接触良好，从而引出本发明的目的。

发明内容

本发明目的在于提供一种微机械芯片测试探卡及制造方法，它是采用微机械的方法在硅片上实现探卡的制造，本发明的探卡是由按照芯片管脚分布而排布的悬臂梁阵列实现的，针尖在悬臂梁的末端，并且保证每个针尖的位置与相应的芯片管脚的位置一致。悬臂梁一端是探针，另一端键合在玻璃上。玻璃同时用作背面引线，引线将探针上的信号传输到测试电路。在一片硅片上通过改变探针的分布可以实现适用于不同芯片的探卡，从而降低了探卡的成本。根据芯片管脚之间的距离可以确定悬臂梁的宽度，在确定探卡同玻璃之间的距离(本发明为20μm)的情况下，由于探针针尖对芯片管脚要有一个大于2×10^-2牛顿的力才能刺破铝管脚的自然氧化层，因此可以确定悬臂梁的长度。同时，悬臂梁最大所能承受的断裂应力为5×10⁸牛顿，结合工艺条件可以确定悬臂梁的高度。

本发明的目的是通过以下方法实现的，它的制备工艺包括以下各步骤：(1)在一块硅片上氧化生成4000～6000埃左右的氧化层，光刻刻出图形区；(2)在硅片正面用KOH或四甲基氢氧化铵等腐蚀液各向异性腐蚀刻出60～70μm左右的深槽；(3)涂胶、光刻，采用剥离工艺在深槽上蒸一层铝；(4)硅片正面双层涂胶形成两层不同图形的掩膜，先涂1.8μm薄胶，后光刻，坚膜后再涂厚胶4μm进行光刻；(5)薄胶做掩膜进行反应离子刻蚀，刻出梁的形状和台阶结构，去掉薄胶，进行第二次刻蚀，深度为梁和玻璃之间的距离；(6)准备一块pyrex7740玻璃片，将上述刻好需要图形的硅片与玻璃片正面在350～400℃的温度下进行键合；(7)玻璃片底面涂上黑蜡沾在石英玻璃板上；(8)泡掉黑蜡，将玻璃放入KOH或四甲基氢氧化铵溶液中将键合的硅片腐蚀掉，且用HF酸对玻璃进行腐蚀，产生引线所需的孔，同时再玻璃表面蒸铝、光刻，湿法腐蚀出金属引线；(9)将腐蚀好的玻璃底面与前面(1)-(5)的5个步骤完成的硅片正面进行键合；(10)键合后的硅片底面进行减薄，光刻出针尖的图形；(11)各向同性反应离子刻蚀刻出针尖；(12)使用(10)中的掩膜进行各向异性反应离子刻蚀刻出针体，此时同时将悬臂梁的结构释放出来；(13)在针尖和悬臂梁上溅射铝、钨，背面引线使探针能够导出电信号。

在所述的制备工艺是先在SiO₂掩膜下进行各向异性腐蚀，当腐蚀到要求的深度时去掉SiO₂掩膜，进行无掩膜的各向异性腐蚀液如KOH腐蚀，或四甲基氢氧化铵腐蚀腐蚀出一个较缓的(311)面的坡度以保证铝能够完全覆盖深槽的边缘。

在所述的制备工艺中蒸铝采用了剥离工艺。硅片表面胶厚度为5μm左右，槽底部有大约20μm左右厚度的光刻胶，延长曝光时间可将深槽底部的光刻胶完全曝透。

在所述的制备工艺中采用了两次涂胶作为反应离子刻蚀的掩膜，先涂薄胶1.8μm，光刻后再涂厚胶(厚度4μm左右)进行光刻。第一次反应离子刻蚀后去掉薄胶，然后进行第二次反应离子刻蚀。两次刻蚀刻出梁的台阶。且台阶在最后针尖和悬臂梁上溅射铝、钨时起自动隔断作用，从而避免了光刻带来的麻烦。

在所述的制备工艺中对玻璃腐蚀采用了硅片作为掩膜。首先将刻好图形的硅片与玻璃正面键合保护正面，然后用黑蜡将玻璃粘在另一块石英玻璃板上保护玻璃底面。

在所述的制备工艺中，两次反应离子刻蚀，第一次各向同性刻出针尖，第二次仍然使用第一次刻蚀的掩膜进行各向异性刻蚀刻出针体。针尖形貌和高度可通过改变刻蚀时间进行控制，在针尖形成的过程中同时也将梁的结构释放出来。

由本发明提供的制备工艺制作的探卡其结构由两部分构成，分别是针体和玻璃提供的背面引线部分。针尖分布在梁的一端，在使用当中针尖刺破待测芯片管脚的氧化铝层，将信号引出。刺破氧化铝层的力由悬臂梁弯曲提供。针尖引出的信号由金属3、2导出到硅片背面。金属2由导线1与玻璃上的金属线路相连，从而导通到测试电路当中去。在悬臂梁和玻璃之间有一个大约20μm的间隙6，该间隙限定了悬臂梁的最大挠度。当悬臂梁到达最大挠度时，在针尖产生的压力必须能够大到能刺穿芯片管脚氧化层。由于芯片管脚分布在探卡设计时是一定的，因此在悬臂梁最大挠度、压力以及宽度确定时，根据弹性力学知识，悬臂梁的长度、高度和悬臂梁最大挠度、压力以及宽度之间有确定的相互关系，通过它们之间的关系可以得出悬臂梁的高度和长度。悬臂梁的具体尺寸设计如下：

设L是悬臂梁的长度，b是悬臂梁的宽度，h是悬臂梁的高度，w为悬臂梁与玻璃之间的间隙的高度，设E为杨氏模量·ω_max为梁末端的最大挠度，其值等于w，F是针尖压芯片管脚时对梁的压力。由弹性力学的知识可以得到：

${\mathrm{\ω}}_{\max }=\frac{{4\mathrm{FL}}^3}{{\mathrm{Ebh}}^3}---\left(1\right)$

于是： $\frac{L}{h}=\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{Eb\ω}}_{\max }}{4F}}---\left(2\right)$

由于悬臂梁的最大应力出现在梁的根部： $T_{\max }=\frac{6\mathrm{FL}}{{\mathrm{bh}}^2}---\left(3\right)$

同时假设硅材料能承受的最大应力为δ_r，则有：

$\frac{6\mathrm{FL}}{{\mathrm{bh}}^2}\≤{\mathrm{\δ}}_r---\left(4\right)$

将(2)代入(4)得到 $\frac{6F}{\mathrm{bh}}\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{Ebw}}_{\max }}{4F}}\≤{\mathrm{\δ}}_r$

经简化后得到 $h\≥\frac{6F}{{\mathrm{b\δ}}_r}\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{Eb\ω}}_{\max }}{4F}}$

$h\≥\frac{3.78}{{\mathrm{\δ}}_r}\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{EF}}^2{\mathrm{\ω}}_{\max }}{b^2}}---\left(5\right)$

考虑到工艺的可实施性，应使梁的高度尽量小。由于悬臂梁的宽度b应该尽量取大，由芯片管脚之间的距离限制，梁的宽度只能取到接近管脚距离，ω_max由间隙距离确定，F最小必须大于2×10^-2N才能使针尖刺破管脚氧化层。由此我们可以得到符合要求的梁的高度值b。再根据公式(2)，我们可以得到悬臂梁的长度L。

同时，芯片管脚排布并不是完全规则的，所以每根悬臂梁的宽度相等或不相等，也即不一定相等，考虑工艺方面的可行性，我们对每根梁的高度h取定值，只需保证都能满足公式(5)，因此梁的长度取值不尽相同。

利用本发明的方法制造芯片测试探针的优点在于：(1)悬臂梁的尺寸灵活，其高度、宽度和长度相互影响，在其中一个或两个量受限制情况下(比如有的芯片管脚间距较小，从而悬臂梁的宽度受到限制)，可以改变剩下量的尺度而达到相应的力学结构要求，这样就能够适应不同芯片的探测要求，降低了测试成本；(2)独特的背面引线，为将信号引出到测试电路提供了方便；(3)悬臂梁采用了双层胶做掩膜刻出悬臂梁的台阶结构，同时避免了反应离子刻蚀后难以光刻的困难；(4)梁的台阶结构在蒸金属时起到了自动隔断作用，简化了工艺步骤，同时不使探针相互接触；(5)释放梁结构与针尖的形成是同时完成的，因而简化了工艺流程，而且能够较为精确地控制梁的尺寸；(6)因它具有低的寄生电感，从而可用于高频电路测试。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是Mr.Mark Beily薄膜阵列式探卡示意图。

图2是本发明提供的微机械测试探卡结构示意图。

图3是硅片氧化后光刻出图形的示意图。

图4是硅片进行KOH腐蚀后，再在腐蚀槽里蒸一层铝。

图5是涂薄胶光刻，做第一次反应离子刻蚀的掩膜。

图6是涂厚胶光刻，做第二次反应离子刻蚀的掩膜。

图7是两次反应离子刻蚀后刻出的台阶示意图。

图8是对pyrex7740玻璃进行HF酸腐蚀前的掩膜结构示意图。

图9是玻璃腐蚀完成以及在玻璃上表面刻出金属布线的示意图。

图10是硅-玻璃键合后的示意图。

图11是硅片减薄，然后光刻出针尖图形的示意图。

图12是对针尖进行第一次各向同性反应离子刻蚀后的示意图。

图13是第二次各向异性反应离子刻蚀后的示意图。

图14是对针尖和梁蒸金属后的示意图。

图15是背面引线后的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步阐述本发明提供的微机械芯片测试探卡及其制造方法的实质性特点和显著的进步。但本发明决非仪局限于实施例。

实施例1

本发明的微机械芯片测试探卡的制作工艺过程举例如下：

1.对一块硅材料进行氧化生成大约5000左右的氧化层7，然后对硅片正面进行光刻刻出KOH腐蚀窗口8，如图3所示。

2.将硅片放入50℃、40％浓度的KOH溶液中进行各向异性腐蚀，腐蚀出大约65um左右的深槽，然后用剥离工艺在深槽上蒸一层铝2(图4)。

3.硅片上表面涂一层1.8um厚的薄胶9，然后光刻出第一次反应离子刻蚀图形(图5)。

4.薄胶坚膜后立即涂厚胶10，光刻出第二次反应离子刻蚀图形(图6)。

5.两次反应离子刻蚀刻出梁的形状和台阶，如图7所示。由于薄胶较薄，第一次反应离子刻蚀后同时对胶进行刻蚀。当薄胶刻完之后，后胶还有相当一部分残留，可作为第二次反应离子刻蚀的掩膜(图7)。

6.另外准备一片pyrex7740玻璃片，正面与一片事先刻好图形的硅片11键合，底面用黑蜡12与一块石英玻璃板13粘在一起(图8)。

7.用二甲苯泡掉黑蜡，然后将玻璃放入KOH或四甲基氢氧化铵溶液中将键合的硅片腐蚀掉，用HF酸对玻璃进行腐蚀，产生引线所需的孔腐蚀后的玻璃如图9所示。玻璃正面蒸铝，光刻刻出背面引线14。

8.带有背面引线的玻璃15和刻出台阶的硅片16进行键合，如图10所不。

9.用化学机械抛光方法对键合后的硅片进行减薄，然后光刻出针尖图形17，如图11所示。

10.各向同性反应离子刻蚀刻出针尖，如图12所示。

11.利用步骤9中的掩膜对硅片进行各向异性刻蚀，刻出针体，同时由于硅片整体被向下刻蚀，此时可以把梁的结构释放出来，如图13所示。

12.对硅片蒸金属，先蒸一层铝19，此时硅片底部的铝和原来深槽里的铝已经接触，可将探针的信号引出。此时再蒸一层钨20。此时在步骤5中刻出的台阶自动将不同探针互相隔断，其中18即为蒸在空隙的金属，如图14所示。

13.背面引线1，完成探卡制作并具有图2所示的结构。

Claims (8)

1、一种微机械芯片测试探卡，包括针尖和引线，其特征在于按照芯片管脚分布而排布的悬臂梁阵列实现的，针尖在悬臂梁的末端，悬臂梁另一端键合在玻璃上，引线将探针上的信号传输到测试电路。

2、按权利要求1所述的微机械芯片测试探卡，其特征在于所述的每根悬臂梁的宽度相等或不相等；高度取定值，应满足关系式 $h\≥\frac{3.78}{{\mathrm{\δ}}_r}\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{EF}}^2{\mathrm{\ω}}_{\max }}{b^2}},$ 式中h为悬臂梁的高度，E为杨氏模量，ω_max悬臂梁末端的最大挠度，其值等于悬臂梁与玻璃之间的距离，F是针尖压芯片管脚时对梁的压力，最小必须大于2×10^-2牛顿，b为悬臂梁的宽度，δ_r为硅材料能承受的最大应力。

3、按权利要求1所述微机械芯片测试探卡，其特征在于所述的悬臂梁具有台阶结构，该台阶结构起自动隔断作用，不使探针相互接触。

4、按权利要求2所述微机械芯片测试探卡，其特征在于悬臂梁和玻璃之间距离为20μm。

5、一种制备如权利要求1所述的微机械芯片测试探卡的方法，其特征在于制备工艺包括以下工艺步骤：

(a)在硅片上氧化生成4000～6000埃的氧化层，光刻刻出图形区；(b)在硅片正面用KOH或四甲基氢氧化铵腐蚀液各向异性腐蚀刻出60～70μm左右的深槽；(c)涂胶、光刻，采用剥离工艺在深槽上蒸一层铝；(d)硅片正面双层涂胶形成两层不同图形的掩膜，先涂1.8μm薄胶，后光刻，坚膜后再涂厚胶4μm进行光刻；(e)两次反应离子刻蚀刻出悬臂梁的形状和台阶结构，去掉薄胶，进行第二次刻蚀，深度为悬臂梁和玻璃之间的距离；(f)取一块pyrex7740玻璃片，将步骤(a)刻好需要图形的硅片与玻璃片正面在350～400℃的温度下进行键合；(g)玻璃片底面涂上黑蜡沾在石英玻璃板上；(h)泡掉黑蜡，将玻璃片放入KOH或四甲基氢氧化铵溶液中将键合的硅片腐蚀掉，且用HF酸对玻璃片进行腐蚀，产生引线所需的孔，同时再在玻璃片表面蒸铝、光刻，湿法腐蚀出金属引线；(i)将腐蚀好的玻璃底面与步骤(a)～(e)前面5个步骤完成的硅片正面进行键合；(j)键合后的硅片底面进行减薄，光刻出针尖的图形；(k)各向同性反应离子刻蚀刻出针尖；(l)使用步骤(j)中的掩膜进行各向异性反应离子刻蚀刻出针体，同时将悬臂梁的结构释放出来；(m)在针尖和悬臂梁上溅射铝、钨，背面引线使探针导出电信号。

6、按权利要求5所述的微机械芯片测试探卡的制造方法，其特征在于悬臂梁结构释放与针体的形成是同时完成的。

7、按权利要求5所述的微机械芯片测试探卡的制造方法，其特征在于先在SiO₂掩膜下进行各向异性腐蚀，当腐蚀到要求的深度时去掉SiO₂掩膜，进行无掩膜的KOH腐蚀，腐蚀出一个较缓的(311)面的坡度，使铝完全覆盖深槽边缘。

8、按权利要求5所述的微机械芯片测试探卡的制造方法，其特征在于黑蜡是用二甲苯泡掉。

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