CN1350325A - 接触构件及其生产方法以及采用该接触构件的探针接触组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于与接触目标建立电连接的接触构件。该接触构件由一个接触基片和数个接触器构成,该接触器具有:一个接触部,在垂直方向伸出,以形成一个接触点;一个中部,插入接触基片上的通孔中;一个基部,其末端起接触垫的作用;和弹簧部,处于基部端点与中部之间,当接触器顶压到接触目标上时,它将生产一个弹性接触力。

Description

接触构件及其生产方法以及采用该接触构件的探针接触组件
                   发明领域
本发明涉及一种接触构件及其生产方法以及采用该接触构件的探针接触组件。更具体地说，本发明涉及一种在垂直方向具有大量接触器的接触构件。本发明进一步涉及一种方法，该方法用于在水平方向的半导体晶片上生产大量的接触器，并且沿垂直方向从晶片上去除安装在基片上的接触器，以形成一种接触构件，例如，接触探针组件，探针卡，IC芯片，或者其它的接触机构。
                 发明的背景
在测试高密度和高速电子器件如LSI(大规模集成电路)和VLSI(超大规模集成电路)时，必须用高性能的接触构件，如具有大量接触器的探针卡。在其它的应用中，接触构件可以用于IC封装，作IC引线。本发明涉及这类接触构件和这类接触构件的制造方法，这类接触构件用于测试LSI和VLSI芯片，半导体晶片，半导体晶片和芯片的老化，封装的半导体器件，印刷电路板等的测试和老化。本发明还有其它用途，例如IC芯片的导线或者引线头，IC封装或者其它的电子器件。然而，为了便于说明，本发明主要参照半导体晶片的测试而进行说明。
在被测半导体器件是半导体晶片形式的情况下，半导体测试系统如IC测试仪通常连接到基片处理器，如自动晶片探测器，以自动地测试半导体晶片。图1中给出了这样一个例子，其中，半导体测试系统有一个测试头100，它通常处于一个单独的箱体中，并通过一束电缆110电连接到测试系统。测试头100和基片处理器400通过马达510驱动的操纵器500互相机械连接和电连接在一起。被测半导体晶片由基片处理器400自动地提供到测试头100的测试位置。
在测试头100上，由半导体测试系统产生的测试信号提供给被测半导体晶片。由被测半导体晶片(形成在本晶片上的IC电路)产生的最终输出信号传送到半导体测试系统。在半导体测试系统中，输出信号与所期望的数据相比较，以确定半导体晶片上的IC电路是否正常地工作。
在图1中，测试头100和基片处理器400通过一接口元件140连接，接口元件140(如图2所示)由操作板120、同轴电缆、弹簧针和连接器组成。在图2中，测试头100包括一组与半导体测试系统的测试槽(测试针)的数目相应的印刷电路板150。每一印刷电路板150都有一个连接器160，以接受操作板120的相应接触端子121。“蛙状”环130装在操作板120上，以精确地确定对应于基片处理器400的接触位置。蛙状环130有大量的接触针141，如ZIF连接器或弹簧针，通过同轴电缆124连接到接触端子121。
如图2所示，测试头100放在基片处理器400的上面，并通过接口元件140连接到基片处理器上。在基片处理器400中，被测半导体晶片300装在卡盘180上。在本例中，探针卡170装在被测半导体晶片300的上面，探针卡170具有大量的探针接触器(如悬臂或针)190与接触目标如被测半导体晶片300上的IC电路的电路端子或接触垫接触。
探针卡170的电端子与蛙状环130上的接触针141电连接。接触针141还通过同轴电缆124与操作板120的接触端子121连接，每一接触端子121连接到测试头100的印刷电路板150。而且，印刷电路板150通过电缆110与半导体测试系统连接，电缆110具有大量的内部电缆。
在这种结构下，探针接触器190接触卡盘180上的半导体晶片300的表面(接触目标)，施加测试信号到半导体晶片300，并接收来自晶片300的最终输出信号。将来自被测半导体晶片300的最终输出信号与由半导体测试系统产生的期望数据进行比较，从而确定半导体晶片300上的IC电路是否正常工作。
图3是图2中探针卡170的底视图。在本例中，探针卡170有一环氧树脂环，上面装有多个探针接触器(针或悬臂)190。当图2中装有半导体晶片300的卡盘180向上移动时，悬臂190的尖端接触晶片300上的垫或突起(接触目标)。悬壁190的端部与导线194连接，导线194再与形成在探针卡170中的传输线(未示出)连接，传输线与多个电极(接触垫)197连接，这些电极与图2中的弹簧针141连通。
通常，探针卡170由多层聚酰亚胺基片构成，基片具有接地层、电源层、在许多层上的信号传输线。如本技术领域所公知的那样，每一信号传输线设计成具有一特征阻抗如50欧姆，实现这一设计的方法为：在探针卡170中平衡分布参数，即聚酰亚胺的介电常数和磁导率、信号通路的电感和电容。这样，信号线就是建立高频传输带的阻抗匹配线路，以提供稳态电流给晶片300，以及由器件的输出切换产生瞬态高电流峰值。为了消除噪音，电源层和接地层之间的探针卡上设置了电容器193和195。
图4中给出了探针卡170的等效电路，以说明传统探针卡技术中高频性能的局限性。如图4A和4B所示，探针卡170上的信号传输线从电极197、阻抗匹配的条状线196、导线194和接触器190上伸出。由于导线194和针190不是阻抗匹配的，因此，这些部分在图4C中所示的高频带上起电感L的作用。因为导线194和针190的总长度约为20-30毫米，所以，在测试被测器件的高频性能时，该电感将导致明显的局限性。
其它限制探针卡170中的频率带宽的因素存在于图4D和4E所示的电源和接地针中。因为用于供电的串联连接的导线194和针190(图4D)、以及用于把电源和信号接地的串联连接导线194和针190(图4E)与上面提到的电感器是等效的，所以，高频电流受到严重限制。
而且，为了滤除电源线中的噪音或冲击脉冲，以保证被测器件的适当性能，在电源线和接地线之间安装了电容器193和195。电容器193具有相当大的值，比如10μF，并且如果需要，能利用开关从电源线上断开。电容器195具有相当小的电容值，比如0.01μF，并且靠近被测器件(DUT)固定地连接。这些电容器在电源线上起高频去耦作用。换言之，电容器限制了探针接触器的高频性能。
因此，上面提到的、应用最广泛的探针卡限于大约200MHz的频率带宽，对测试现在的半导体器件来说这是不够的。在工业上，一般认为在不久的将来需要1GHz或更高数量级的频率带宽。而且，工业上期待探针卡能够以平行的方式处理大量的半导体器件，尤其是存储器，比如32个或更多，以提高测试数量。
在传统技术中，探针卡，如图3所示，是手工制作的，导致质量不一致。这种不一致的质量包括尺寸、频率带宽、接触力和电阻等方面的波动。在传统的探针接触器中，另一个使接触性能不可靠的因素是温度变化，因为探针接触器和被测半导体晶片具有不同的温度膨胀系数。这样，在温度变化时，它们之间的接触位置变化了，这反过来影响接触力、接触电阻和带宽。因此，就需要一种新概念的接触构件，它能够满足下一代半导体测试技术的要求。
                    发明的概述
因此，本发明的目的是提供一种接触构件，它具有大量的接触器，用于与接触目标电接触，具有高频带宽、高引脚数和高接触性能以及有高可靠性。
本发明的另一个目的是提供一种接触构件，比如探针卡，以甚高频带宽与半导体器件建立电连接。
本发明的又一个目的是提供一种接触构件，为同时平行地测试大量的半导体器件而建立电连接。
本发明的再一个目的是提供一种接触构件及其组件机构，以组装多个接触构件，形成期望尺寸的探针接触组件，具有期望数量的接触器安装在探针接触组件上。
本发明还有一个目的是提供一种方法，该方法在硅基片上以二维方式生产大量接触器，从基片上去除接触器，将接触器以三维方式安装在一个接触基片上，以形成一个接触构件。
本发明再有一个目的是提供一种方法，该方法在硅基片上以二维方式生产大量接触器，再将接触器转移到粘合剂带上，并从粘合剂带上取下接触器，并将该接触器垂直安装在接触基片上，以形成接触构件。
在本发明中，一种用于测试(包括老化)半导体晶片、封装的LSI芯片或者印刷电路板(被测器件)的接触构件是大量接触器构成的，这些接触器是在硅基片的平面上利用半导体制造工艺中使用的光刻方法制成的。本发明的接触构件还能够用作电子器件的某一部分，比如IC引线和引脚。
本发明的第一方面是，接触构件与接触目标建立电连接。接触构件是由接触基片和多个接触器构成的，基片上的每个接触器实质上是直线形状的。接触器包括：一个接触部分，该接触部分是在垂直方向伸出的，以形成接触点；一个中部，该中部插入接触基片上的通孔中；一个基部，该基部的一端起接触垫的作用；以及一个在基部端点和中部之间的弹簧部，它在接触器顶压到接触目标上时产生一个弹性接触力。
本发明的另一个方面是一种方法，该方法在硅基片上以二维方式生产接触器，从基片上去除接触器，从而形成接触构件。该生产方法包括下列步骤：
(a)在硅基片的表面上形成一个牺牲层；
(b)在牺牲层上形成一个光致抗蚀剂层；
(c)对齐在光致抗蚀剂层上的光掩模，并通过光掩模用紫外光使光致抗蚀剂层曝光，光掩模具有接触器的图形；
(d)显影，在光致抗蚀剂的表面上形成接触器的图形；
(e)通过淀积导电材料，在光致抗蚀剂层的图形内形成由导电材料组成的接触器，每个接触器在基部端点和中部之间都有一个弹簧部；
(f)剥掉光致抗蚀剂层；
(g)利用蚀刻工艺去除牺牲层，使接触器与硅基片分离；和
(h)将接触器安装在一个具有通孔的接触基片上，所述的通孔用来接受接触器的端部，这样每个接触器的至少一端为电连接起接触垫的作用。
本发明的再一个方面是另一种生产方法，该方法在硅基片上以二维方式生产接触器，再将接触器转移到粘合剂带上，并从粘合剂带上取下接触器，从而形成接触构件。该生产方法包括下列步骤：
(a)在基片的表面上形成一个牺牲层；
(b)在基片上的牺牲层上形成一个光致抗蚀剂层；
(c)对齐光致抗蚀剂层上的光掩模，并通过光掩模用紫外光使光致抗蚀剂层曝光，光掩模具有接触器的图形；
(d)显影，在光致抗蚀剂层的表面上形成接触器的图形；
(e)利用电镀工艺，在光致抗蚀剂层的图形内，形成由导电材料组成的接触器，并且每个接触器在基部端点和中部之间都有一个弹簧部；
(f)剥掉光致抗蚀剂层；
(g)将粘合剂带放置在接触器上，以致于使接触器的上表面附着在粘合剂带上；
(h)通过蚀刻工艺去除牺牲层，以致于使粘合剂带上的接触器与硅基片分离；和
(j)将接触器安装在一个具有通孔的接触基片上，所述的通孔接受接触器的端部，其中，每个接触器的至少一端为电连接起接触垫的作用。
本发明的又一方面是又一种生产方法，该方法在硅基片上以二维方式生产接触器，将接触器转移到粘合剂带上。该生产方法包括下列步骤：
(a)在介电基片上形成一个导电基片，该导电基片由导电材料制成；
(b)在导电基片上形成一个光致抗蚀剂层；
(c)对齐在光致抗蚀剂层上的光掩摸，并通过光掩模用紫外光使光致抗蚀剂层曝光，光掩模具有接触器的图形；
(d)显影，在光致抗蚀剂层的表面上形成接触器的图形；
(e)利用电镀工艺，在光致抗蚀剂层的图形内，形成由导电材料组成的接触器，并且每个接触器在基部端点和中部之间都有一个弹簧部；
(f)剥掉光致抗蚀剂层；
(g)将粘合剂带放置在导电基片上的接触器上，以致于使接触器的上表面附着在粘合剂带上，其中，接触器与粘合剂带之间的粘结强度大于接触器与导电基片之间的粘结强度；
(h)剥去导电基片，以致于使粘合剂带上的接触器与导电基片分离；和
(i)将接触器安装在一个具有通孔的接触基片上，使接触器的一端从接触基片的相对表面上伸出来。
本发明再有一个方面是一个包括本发明接触构件的探针接触组件。该探针接触组件这样构成：一个接触基片，在该接触基片上安装有多个接触器；一个探针卡，用于安装接触基片，并且在接触器与探针卡上的电极之间建立电连接；和一个引脚块，其上具有多个接触引脚，当引脚块固定到探针卡时，作为探针卡和半导体测试系统之间的接口。
接触器垂直安装在一个接触基片的水平表面上，每个接触器实质上为直线形状。每个接触器包括：一个尖部，该尖部是在垂直方向伸出的，以形成接触点；一个中部，该中部插入接触基片上的通孔中；一个基部，该基部的一端起接触垫的作用；以及一个在基部端点和中部之间的弹簧部，它在接触器顶压到接触目标上时产生一个弹性接触力。
根据本发明，接触构件具有一个甚高频带宽，以满足一下代半导体技术的测试要求。由于大量的接触器不用手工处理，而同时产生在基片上，因此，有可能实现在接触性能方面一致的质量、高可靠性和长寿命以及低成本。而且，因为接触器组装在与被测器件的基片相同的基片材料上，所以能够补偿温度变化引起的位置误差。
再有，根据本发明，生产工艺能够通过采用相当简单的技术在硅基片的水平方向上生产大量的接触器。这样的接触器能从基片上取下，并以垂直方向安装在一个接触基片上。按本发明生产的接触构件成本低、效率高，并且有高的机械强度和可靠性。
                  附图的简要说明
图1是示意图，表示基片处理器和带有测试头的半导体测试系统之间的结构关系。
图2是一个示意图，表示通过接口元件把半导体测试系统的测试头连接到基片处理器的详细结构的一个例子。
图3是探针卡的一个例子的底视图，该探针有一环氧树脂环，用于多个传统技术的探针接触器(针或悬臂)。
图4A-4E是图3中探针卡的等效电路的电路图。
图5是示意图，表示采用在硅基片上以水平方向产生的接触器并将该接触器垂直安装在接触基片上的本发明接触构件的一个例子。
图6是示意图，表示采用在硅基片上以水平方向产生的接触器并将该接触器垂直安装在接触基片上的本发明接触构件的另一个例子。
图7是示意图，表示采用在硅基片上以水平方向产生的接触器并将该接触器垂直安装在接触基片上的本发明接触构件的又一个例子。
图8A和8B是示意图，表示本发明的生产方法的基本构思，其中，大量的接触器形成在一个硅基片的平面上，并由后续工艺从其上去除。
图9A-9F是示意图，表示在本发明的生产工艺中所生产的和用在本发明的接触构件中的接触器的形状的例子。
图10A和10B是示意图，表示本发明的接触器的具体例子，其中，图10A是接触器的正视图，图10B是接触器的侧视图。
图11A-11L是示意图，表示本发明中接触器生产工艺的一个例子。
图12A-12D是示意图，表示本发明中接触器生产工艺的另一个例子。
图13A-13N是示意图，表示在基片的水平表面上生产接触构件并将接触器转移到中间板上的工艺的一个例子。
图14A-14B是示意图，表示在一个基片比如多层硅基片上拾起和放置接触器以生产本发明的接触构件的拾起和放置机构及其工艺的一个例子。
图15是一个剖面图，表示探针接触组件的一个例子，其中采用本发明的接触构件作为被测半导体器件和半导体测试系统的测试头之间的接口。
图16是一个剖面图，表示探针接触组件的另一个例子，其中采用本发明的接触构件作为被测半导体器件和半导体测试系统的测试头之间的接口。
图17是一个剖面图，表示探针接触组件的再一个例子，其中采用本发明的接触构件作为被测半导体器件和半导体测试系统的测试头之间的接口。
图18是一个示意图，表示具有多层标准硅基片的本发明的接触构件和通过本发明的生产工艺生产的接触器的一个例子。
图19是一个透视图，表示本发明的多个接触构件，每个具有多个接触器，他们相互组装在一起，以构成一个期望尺寸的探针接触组件。
图20是本发明的接触构件的透视图，其中，数个接触基片相互连接，以建立一个具有期望尺寸、形状和接触器数目的探针接触组件。
                   优选实施例的详细描述
图5-7表示本发明的接触构件的例子。请注意，对本发明的描述将会用包括“水平的”、“垂直的”等术语来注释。发明者使用这些术语来描述与本发明相关的元件的相对位置关系。因此，像“水平的”和“垂直的”这样的术语不应该仅仅狭义地理解为“地面水平的”的或“重力垂直的”。
接触构件由一个接触基片20和接触器30所构成。在图5的例子中，每个接触器301实质上在垂直方向延伸，并形成：一个中部，该中部连接到接触基片20；一个接触部，在图5中其下端最好成尖形；第一弹簧部分，位于中部和接触部之间，起接触弹簧的作用；一个基部，其顶端顶具有一个接触点；和第二弹簧部分，位于基部端点和中部之间，起接触弹簧作用。
在图6的例子中，每一接触器302实质上在垂直方向延伸，并形成：一个中部，该中部与接触基片20连接；一个直形的接触部，它的一个端部最好位于图6的低端；一个基部，该基部的顶端有一个接触点；和一个在基部端点和中部之间的弹簧部。
在图7的例子中，每个接触器303实质上在垂直方向延伸，并形成：一个中部，该中部与接触基片20连接；一个接触部，在图7中其下端最好成尖形；第一弹簧部分，位于中部和接触部之间，起接触弹簧的作用；一个基部，其顶端具有一个接触点，和第二弹簧部分，位于基部端点和中部之间，起接触弹簧作用。
当接触构件顶压到半导体晶片或印刷电路板300上的接触垫320时，图5-7中的每个接触器30通过一个弹簧力产生弹性接触力，该弹簧力主要来自于弹簧部分，即接触器的水平折弯部分，Z字形部分或折弯部分。接触压力还在顶着接触垫320表面的接触器(接触点)端部(接触点)产生一种摩擦效果。在图5-7的例子中，在连接的表面上，基部的顶端也可以产生摩擦效果。当接触点摩擦接触垫的氧化物表面时，这样一种摩擦效果可促进接触性能的改善。从而，与氧化物表面下的接触垫320的导电材料电接触。
应当注意到：尽管接触构件及其生产方法将只是对一种或者两种接触器进行描述，但是，接触器301、302和303能根据本发明而相互变换地使用和生产。而且，本发明的接触器的其它不同类型还将参考图9-10在下面描述，尽管将只对接触器的有限类型作出详细的描述。由于表示在图5-10中的本发明的接触器是以垂直地、而不是倾斜的方式安装在接触基片的水平表面上，所以大量的接触器能被安装在接触基片的有限空间内。
图8A和8B表示根据本发明生产这种接触器的基本思想。在本发明中，如图8A所示，接触器30在水平方向，即以一种两维方式产生在一个基片40的平面上，该基片是一个硅基片或其它介电基片。然后，接触器30从该基片40上去除，并以垂直方向，即以三维方式安装在图5-7的接触基片20上，比如一种印刷电路板、IC芯片、或其它接触机构上。
在图8的例子中，以水平方向在一个硅或其它介电基片的平面上产生的接触器30从基片40转移到一个粘合剂构件90，比如一种粘合剂带，粘合剂膜或粘合剂板(以下通称“粘合剂带”或“中间板”)。在粘合剂带的接触器30从其上去除，并以垂直方向，即以一种三维方式，采用拾起和放置机构安装在图5-7中的一个接触基片上，以比如一种印刷电路板、IC芯片、或其它接触机构。
图9A-9F表示本发明的接触器的各种形状的例子，这些接触器用于以图5-7所示的方式安装在接触基片上。在图9A-9C的例子中，一端为锥形的基部(图9A-9C的上部)，而另一端为接触尖端(图9A-9C的下部)，所述的基部从图5-7的接触基片20的上表面伸出。图9A-9C的接触端具有各种的形状，以便与接触目标的表面实现接触电阻地接触。
在图9D-9F所示的例子中，在基部具有一个弯曲的薄端(图9D-9F的上部)，该薄端从图5-7所示的接触基片20的上表面伸出。与图9A-9C的例子相似，图9D-9F的接触端具有各种的形状，以便与接触目标的表面实现接触电阻地接触。由于接触器在基部具有弹性，因此，在形成一个探针组件时，导电弹性体不必在垂直方向产生一个有弹力或弹性，这将参考图15来描述。
图10A和10B表示本发明的接触器的具体例子，其中，图10A是正视图，图10B是侧视图。图10的接触器具有：一个基部，该基部与例如图15所示的探针卡和居中部的具有Z字形的弹簧部分接触；一个在下端的接触部，该下端具有一个接触点，以与接触目标的表面接触。当安装时，基部端点和弹簧部分从图5-7中的接触基片20的上表面伸出，在这个例子中，接触部本质上是无弹性的直线形。
在图10A的正视图中，接触部在其顶部，靠近弹簧部底端的上表面有一个凸缘，其作用是在接触器口插入接触基片的通孔时起制制动器的作用。在图10B的侧视图中，弹簧部比接触部或基部更细，以容易变形，因而，当压着接触目标时产生弹性弹簧力。因为两者厚度不同，即弹性部较薄，接触部和基部较厚，所以导电材料被沉积两次或两次以上，以便在生产接触器的过程中形成两层或两层以上。在图10的接触器中，例如尺寸为：a＝760μm，b＝820μm，c＝50μm，d＝200μm，e＝1200μm，f＝50μm，g＝20μm，和h＝50μm。
图11A-11L是示意图，表示用于生产本发明的接触器30(例如，图6的接触器302)的生产工艺的一个例子。在图11A中，牺牲层42形成在一个基片40上，该基片通常是一个硅基片。也可以用其它的介电基片，比如玻璃基片和陶瓷基片。牺牲层42，比如由二氧化硅(SiO2)通过沉积工艺，比如化学气相沉积(CVD)而制成。牺牲层42是为了在生产工艺的后续步骤中将接触器30与硅基片分离。
粘附促进层44通过比如一种蒸发工艺形成在牺牲层42上，如图11B所示。粘附促进层44的材料的例子包括铬(Cr)和钛(Ti)，其厚度比如大约是200-1,000埃。粘附促进层44用来促使图11C的导电层46粘附在硅基片40上。导电层是46由比如厚度大约为例如1,000-5,000埃的铜(Cu)或镍(Ni)形成的。导电层46是为后续步骤的电镀工艺建立电传导性。
在下一个步骤中，在导电层46上形成光致抗蚀剂层48，在该导电层46的上面，一个光掩模50精确地被对准，以在紫外光(UV)下曝光，如图11D所示。光掩模50上具有接触器30的二维图形，该图形将被显影在光致抗蚀剂层48上。正如本领域所公知的那样，正和负的光致抗蚀剂都能用于这种目的。如果使用正片抗蚀剂，则由掩模50的不透明部分覆盖的光致抗蚀剂在曝光后将变硬(固化)。光致抗蚀剂材料例如包括酚醛树脂(M-甲酚-甲醛)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、SU-8和光敏聚酰亚胺。在显影工艺中，抗蚀剂的曝光部分能溶解和洗掉，留下图11E所示的光致抗蚀剂层48，其上具有开口或图形“A”。这样，图11F的顶视图表示在光致抗蚀剂层48上的图形或开口“A”，该抗蚀剂层48上具有接触器30的图形(形状)。
在前面的光刻工艺中，正如本领域所公知的那样，可用电子束或X射线替代UV光使光致抗蚀剂层48曝光。而且，还可用直接写的电子束、X射线或光源(激光)使光致抗蚀剂层48曝光，由此将接触构件的图形直接写在光致抗蚀剂层48上。
接触器材料比如铜(Cu)、镍(Ni)、铝(Al)、铑(Rh)、钯(Pd)、钨(W)或其它金属，镍—钴(NiCo)或其它合金组合物被沉积(电镀)在光致抗蚀剂层48的图形“A”中，以形成接触器30，如图11G所示。最好是，接触材料不同于导电层46的材料，应该用接触材料来区分各自的蚀刻特性，这将在后面描述。在图11G中的接触器30的多镀的部分在图11H的磨削(平面化)工艺中被去除。
重复上面所述的步骤，形成两层或两层以上的导电层，而且这两层具有不同的厚度，以便生产出例如图10A-10B所示的接触器。换句话说，在形成接触器(导电材料)的第一层之后，如果必要，重复图11D-11H的工艺，以在接触器的第一层上形成第二层或更多层。
在下一个步骤中，光致抗蚀剂层48在抗蚀剂剥离工艺中被去除，如图11I所示。通常，用湿式化学工艺将该抗蚀剂层48除去。剥离的其它例子是丙酮基剥离和等离子体O2剥离。在图11J中，牺牲层42被蚀刻掉，这样接触器30与硅基片40分离。进行另一种蚀刻工艺，以致于粘附促进层44和导电层46从接触器30上去除，如图11K所示。
可以选择蚀刻条件，以致于只蚀刻促进层和导电层44和46，而不会蚀刻接触器30。换言之，只蚀刻导电材料46，而不会蚀刻接触器30，如上所述，用于接触器30的导电材料必须不同于导电层46的材料。最后，接触器30与任何其它材料分离，如图11L的透视图所示。尽管在图11A-11L中生产工艺表示只有一个接触器30，但在实际生产工艺中，如图8A和8B中所示，可以同时生产大量的接触器。
图12A-12D是示意图，表示生产本发明的接触器的生产工艺的一个例子。在这个例子中，粘合剂带(中间板)90被用于生产工艺中，以便将接触器30从硅基片转移到粘合剂带90上。图12A-12D只表示出生产工艺的后面的部分，其中，包含了粘合剂带90。
图12A表示一种与图11I中的工艺等效的工艺，其中，光致抗蚀剂层48在抗蚀剂剥离工艺中被去除。然后，还是在图12A的工艺中，粘合剂带(中间板)90被放置在接触器30的上表面上，这样，接触器30粘附到粘合剂带90上。如上参考图8B所述的那样，在本发明的范围内，粘合剂带(中间板)90包括其它类型的粘合剂元件，比如粘合剂膜和粘合剂板等。粘合剂带90还包括任何吸附接触器30的元件，比如磁铁板或带，带电板或带等。
在图12B所示的工艺中，牺牲层42被蚀刻掉，这样在粘合剂带90上的接触器30与硅基片40分离。另一种蚀刻工艺被进行，这样粘附促进层44和导电层46就从接触器30上去除，如图12C所示。
如上所述，为了蚀剂导电层46，而不蚀刻接触器30，接触器30所用的导电材料必须与导电层的材料不同。尽管在图12A-12C中的生产工艺只示出了一个接触器，但在实际生产工艺中，大量的接触器同时被生产。这样，大量的接触器30被转移到粘合剂带90上，并与硅基片和其它材料分离，如图12D的顶视图所示。
图13A-13N是示意图，表示生产接触器30的生产工艺的另一个例子，其中，接触器被转移到粘合剂带或中间板上。在图13A中，电镀种子(seed)(导体)层342形成在一个基片340上，该基片通常是硅或玻璃基片。种子层342由比如铜(Cu)或(Ni)制成，厚度比如大约是1,000-5,000埃。铬一铬镍铁合金层344比如通过溅射工艺形成在种子层342上，如图13B所示。
在图13C所示的下一步工艺中，导电基片346形成在铬-铬镍铁合金层344上。导电基片346由比如镍—钴(NiCo)制成，厚度大约是100-130μm。在钝化导电基片346之后，厚度大约是100-120μm的光致抗蚀剂层348形成在图13D中的导电基片346上，并且一个光掩模350被精确地对准，这样，用紫外(UV)光使光致抗蚀剂层348曝光，如图13E所示。光掩模350上具有接触器30的二维图形，该图形将被显影在光致抗蚀剂层348的表面上。
在显影工艺中，该抗蚀剂的曝光部分能被溶解并洗掉，留下图13F所示的光致抗蚀剂层348，具有从光掩模350转移的电镀图形，该光掩模具有接触器30(比如图6的接触器302)的图形(形状)。在图13G的步骤中，接触器材料被电镀在光致抗蚀剂层348的电镀图形中，其厚度大约是50-60μm。导电材料的一个例子是镍—钴(NiCo)。该镍—钴接触器材料将不会牢固地粘附到镍—钴制成的导电基片346上。
可以重复上述工艺，通过形成两层或两层以上的导电层，而生产如图10A-10B所示的具有不同厚度的接触器。换句话说，在形成接触器的第一层之后，如果必要，重复图13D-13G的步骤，以在接触器的第一层上形成第二层或更多层。
在下一个步骤中，光致抗蚀剂层348在抗蚀剂剥离工艺中被去除，如图13H所示。在图13I中，导电基片346从基片340上的铬-铬镍铁合金层344上剥去。导电基片346是一个薄的基片，在它的上面，以相当的弱的粘结强度安装的接触器30。具有接触器30的导电基片346的顶部表示在图13J中。
图13K表示一种工艺，其中，一种粘合剂带(中间板)90被放置在接触器30的上表面上。粘合剂带90和接触器30之间的粘结强度大于接触器30和导电基片346之间的粘结强度。因此，当从柔性导电基片346上去除粘合剂带90时，接触器30从导电基片346上转移到粘合剂带90上，如图13L所示。图13M表示粘合剂带90的顶视图，其上具有接触器30，而图13N是一个粘合剂带90的截面视图，其上具有接触器30。
图14A和14B是示意图，表示从一个粘合剂带(中间板)90拾起接触器30并将接触器放置在接触基片20上的工艺的一个例子。图14A和14B的拾起和放置机构有利于应用到本发明的生产工艺所生产的接触器，这些接触器已参考图12A-12D和图13A-13N进行了描述，其中包括粘合剂带。图14A是拾起和放置机构80的主视图，表示拾起和放置操作的前一半工艺过程。图14B是拾起和放置机构80的主视图，表示拾起和放置操作的后一半工艺过程。
在这个例子中，该拾起和放置机构80包括：一个转移机构84，用于拾起和放置接触器30；活动臂86和87，用于使转移机构能够在X、Y和Z方向运动；台面81和82，其位置在X、Y和Z方向是可调的；以及一个监视摄像机78，其中，具有比如一个CCD图形传感器。转移机构84包括一个吸入臂85，它完成对接触器30的吸入(拾起)操作和吸入释放(放置)操作。其吸入力比如通过如真空来产生。吸入臂85按一个预定的角度比如90度旋转。
在操作中，具有接触器30的粘合剂带90和具有粘接位置32(或通孔)的接触基片20被定位在该拾起和放置机构80的各个台面81和82上。如图14A所示，该转移机构80通过吸入臂85的吸入力从粘合剂带90拾起接触器30。在拾起接触器30之后，该吸入臂85，比如旋转90度，如图14B所示。这样，接触器30的方向就从水平方向变化到垂直方向。这种方向变化机构只是一个例子，并且对于本领域的普通技术人员来说，可以有多种其它的方法来改变接触器的方向。然后，该转移机构80将接触器30放置在基片20的粘接位置32(或通孔)上。该接触器30通过粘接到该表面或插入该通孔而固定到接触基片20上。
图15是一个截面视图，表示采用本发明的接触构件形成一个探针接触组件的总的组合结构的一个例子。该探针接触组件用作一个被测器件(DUT)和测试头之间的接口，如图2所示。在这个例子中，该探针接触组件包括：一个路由板(探针卡)260和一个弹簧针块(蛙状环)130，它们依次设置在接触构件的上面，如图15所示。
该接触构件由数个安装在接触基片20上的接触器30所构成。每个接触器的基部35从接触基片20的上表面伸出。在本发明中，基部35具有弹性，一般是弯曲的或“Z”形。接触器30松散地插入接触基片20的通孔中，以便当顶压到半导体晶片300和探针卡260上时，可以在垂直方向有稍微的移动。
探针卡260、弹簧块130和接触构件相互机械地和电子地连接在一起，因而形成一探针接触组件。这样，从接触器30的接触点到测试头100，通过电缆124和操作板120(图2)形电通路。因此，当半导体晶片300和探针接触组件相互有压力时，在被测器件(在晶片300上的接触垫320)和测试系统之间将建立电连接。
弹簧针块(蛙状环)130与图2所示的是相同的，具有大量弹簧针，作为探针卡260和操作板120之间的接口。在弹簧针上端，用电缆124，比如同轴电缆进行连接，以通过操作板120将信号传输到测试头100中的印刷电路板(针电子卡)150，见图2。该探针卡260在其上、下表面具有大量的电极262和265。当组装时，接触器30的基部35接触电极262。电极262和265通过内连接线263连接，扩开接触构件的间距，以适应弹簧针块130中的弹簧针的间距。因为接触器30被松散地插入接触基片20的通孔中，所以，当顶压到半导体晶片300上的时侯，位于接触器基部的弹性部分就会产生弹力作用在电极263和接触垫320上。
图16是一个截面视图，表示采用本发明的接触构件的探针接触组件的另一个例子。该探针接触组件用作被测器件(DUT)和测试头之间的接口，如图2所示。在这个例子中，探针接触组件包括：一个导电弹性体250，一个探针卡260，以及一个弹簧针块(蛙状环)130，它们设置在接触构件的上面。由于接触器30的基部根据上面所述具有弹性，因此，导电弹性体并不是必需的。但是，导电弹性体仍然是有用的，可以用来补偿探针260和接触构件之间不均匀的间隙。
导电弹性体250位于接触构件和探针卡260之间。当组装时，接触器30的基部35接触导电弹性体250。导电弹性体250是一个在垂直方向具有大量导电线的弹性板。例如，导电弹性体250包括：一个硅橡胶板和多排金属丝。该金属丝(导线)被设置在图16的垂直方向，即与该导电弹性体250的水平板垂直。金属丝之间的间距的一个例子是0.05毫米或更小，硅橡胶板的厚度大约是0.2毫米。这样的导电弹性体由日本的Shin-Etsu Polymer Co.，Ltd公司生产，能在市场上买到。
图17是一个截面视图，表示采用本发明的接触构件的探针接触组件的另一个例子。在这个实施例中，接触构件由数个接触构件(基片)块形成。而且，该接触基片块由数个标准基片组合在一起而形成。比如，图17的接触构件由两个接触构件(基片)块201和202构成，每个接触构件(基片)块由三层硅标准基片221，222，223构成。
尽管只示出了其中一个，但数个接触器30读都以从基片22的上表面伸出的方式固定到接触基片20上。通常，接触基片22由硅晶片制成，但是，也可以用其它的介电材料比如陶瓷，玻璃，聚酰亚胺等。在优选的实施例中，接触基片22是一种具有多个标准硅晶片比如三层晶片221，222，和223的多层基片，它们相互组合和粘接在一起。采用多层硅晶片的主要原因是使接触构件具有充足的厚度，而不会增加机械尺寸的公差。这样，硅晶片的数目就能被自由地被选择，例如，根据设计的具体要求选择一层或多层硅晶片。标准硅晶片具有相同的厚度，但是外部形状不同，以构成啮合机构，比如齿和凹槽，如图20所示。
图18是一个截面视图，表示本发明的接触构件与图15的探针接触组件结合在一起的细节。具有Z字形的接触器30以其带有接触尖端的直线端部插入到通孔25中的方式固定到接触基片20上。在这个例子中，接触基片20是一种具有三层标准硅晶片221，222，223的多层基片，这些晶片相互组合并熔结在一起。硅晶片221-223中的每个的厚度的例子是大约0.5毫米。接触器30的具有弹性的基部35从接触基片20的上表面伸出。接触器30具有一个凸缘状的部分34，以与通孔25中的一个台阶相配合。在接触器30的尖部的接触点最好是变尖的，以提高在接触目标的表面上的清洁效果。
下面简单地说明形成三层基片20并且在其上形成通孔的工艺，如图18所示，首先，第二晶片222和第三晶片223比如通过硅熔结被直接地粘接。然后，晶片222和223的前面和后面都被抛光，并且利用蚀刻工艺来产生穿过晶片222和223的通孔。这样的深沟蚀刻，比如利用反应气体等离子体，通过反应离子蚀刻来实现。如图18所示，在第二和第三晶片222和223上通孔的大小必须比接触器30的凸缘状部分34小，以在通孔中形成台阶。
然后，第一晶片221的前面和后面被抛光，并且利用上面所述的深沟蚀刻而形成穿过第一晶片的通孔25。第一晶片221的通孔的尺寸比第二和第三晶片222和223的通孔大，以接受上面所述的接触器30的凸缘状部分34。第一晶片221被对齐并熔结到第二和第三晶片222和223上。为了绝缘，比如，至少1微米的硅氧化物层最好生长在以这种方式生产的接触基片的整个暴露的表面上。
图19是一个透视图，表示本发明的接触构件(基片)块的一个例子，每个接触构件(基片)块具有大量的通过图8A和8B所示的工艺生产的接触器30。这个例子表示数个接触构件块20相互组装在一起而构成一个期望大小和期望数目接触器的接触构件。在图19中，尽管每个接触构件块包括组装在一行中的接触器，但本发明的接触构件块可以包括两行或两行以上对齐的接触器，即，以矩阵方式排列的接触器。
如上所述，本发明的特征之一是能够组合数个接触构件块20而形成整个接触器的尺寸大和数目多的接触构件(探针接触组件)。在图19的例子中，四个接触构件块20被制备并相互连接起来。尽管在图19的例子中未示出，但每个接触基片22都具有连接或啮合机构，比如，在其外缘的齿。
图20是一个由本发明的数个接触构件块构成的接触构件的透视图。在这个例子中，五个接触基片相互结合在一起，形成一个接触构件，它的整个尺寸是接触构件块大小的整数倍。为说明简单起见，接触器在接触基片22上未示出。通过以这样的方式结合接触基片22，所构成的接触组件的大小可以是所期望的，比如与12英寸半导体晶片的大小相当。
在这个例子中，接触基片的左和右边缘设有啮合齿55和凹槽65。齿55和凹槽65的大小与左、右边缘的相同，但是，齿55和凹槽65的位置位移一个单位。这样，接触基片22的左边缘与另一个接触基片22的右边缘相配合。尽管在图20中未示出，但一个突起被设置在接触基片22的远端，以插入另一个接触基片22的近端的沟槽70中。也可以不用突起和沟槽，而采用比如上面描述的在左边缘和右边缘上的齿和凹槽。接触器30将以图19所示的方式安装在基片22上的通孔25中。
根据本发明，接触构件具有甚高频带宽，以满足下一代半导体技术的测试要求。因为大量的接触器同时产生在基片上，而不用手工处理，所以可以在接触性能方面取得一致的质量、高可靠性和长寿命。而且，因为接触器组装在与被测器件的材料相同的基片材料上，所以可以补偿温度变化引起的位置误差。还有，可以通过采用相当简单的技术在硅基片上的水平方向生产大量的接触器，通过本发明生产的接触构件成本低度、效率高，并且机械强度高以及可靠性高。用本发明的方法生产的接触构件有利于应用于半导体晶片、封装LSI、多芯片模块的测试以及其它包括老化在内的测试等。
尽管只是具体地说明和描述了优选实施例，但是可以理解，根据上述教导，以及在后面所附的权利要求的范围内，对本发明可以作出多种改变和变化，而不会脱离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于与接触目标建立电连接的接触构件，包括：
一个接触基片，具有穿过上、下表面的通孔：和
数个接触器，由导电材料制成，并垂直安装在接触基片的水平表面上，每个接触器实质上为直线形状并包括：一个接触部，在垂直方向伸出，以形成一个接触点；一个中部，插入接触基片上的一个对应的通孔中；一个基部，其末端起接触垫的作用；和处于基部端点与中部之间的弹簧部；
其中，弹簧部为弯曲的、倾斜的、弯折的或为Z字形，当所述的接触器顶压到接触目标上时产生弹性接触力，基部的末端从接触基片的表面伸出，起接触点的作用，以便与外部元件电连接，以及当接触构件顶压到接触目标上时接触部的一端与接触目标接触。
2.根据权利要求1所述的用于与接触目标建立电连接的接触构件，其中，接触基片由单个或数个相互粘接的介电基片构成，接触基片上的通孔是通过蚀刻工艺形成的。
3.根据权利要求1所述的用于与接触目标建立电连接的接触构件，其中，每个接触器在其中部都设有一个凸缘，以便与接触基片上的通孔相配合。
4.根据权利要求1所述的用于与接触目标建立电连接的接触构件，其中，接触基片由粘结在一起的第一和第二半导体晶片构成，晶片上有通孔，用于安装穿过其中的接触器。
5.根据权利要求1所述的用于与接触目标建立电连接的接触构件，其中，接触基片由三层粘接在一起的半导体晶片构成，晶片上有通孔，用于安装穿过其中的接触器。
6.根据权利要求1所述的用于与接触目标建立电连接的接触构件，其中，接触器以水平方向产生在一个扁平基片的平面上，并从扁平基片的平面上去除，再以垂直方向安装在接触基片上。
7.根据权利要求1所述的用于与接触目标建立电连接的接触构件，其中，接触基片的外缘具有啮合机构，用于在任何所期望的边缘与其它接触基片联接，以形成一种任意尺寸的接触器组件。
8.根据权利要求7所述的用于与接触目标建立电连接的接触构件，其中，啮合机构包括齿和凹槽，这些齿和凹槽以这样的方式设置在接触基片的外边缘上，以致于一个边缘上的啮合齿和凹槽与其它接触基片的对应边缘上的啮合齿和凹槽相结合，从而将数个接触基片组装成具有所期望的尺寸、形状和所期望的数目接触器的接触器组件。
9.根据权利要求1所述的用于与接触目标建立电连接的接触构件，其中，接触基片由硅制成。
10.根据权利要求1所述的用于与接触目标建立电连接的接触构件，其中，接触基片由包括聚酰亚胺、陶瓷和玻璃在内的介电材料制成。
11.一种生产接触构件的方法，包括下列步骤：
(a)在一个基片的表面上形成的一个牺牲层；
(b)在牺牲层上形成一个光致抗蚀剂层；
(c)在光致抗蚀层上对齐光掩模，并通过光掩模用紫外光使光致抗蚀剂层曝光，光掩模具有接触器的图形；
(d)显影，在光致抗蚀剂层的表面上形成接触器的图形；
(e)淀积导电材料，在光致抗蚀剂层的图形内，形成由导电材料组成的接触器，每个接触器都有处于基部端点和中部之间的弹簧部；
(f)剥掉光致抗蚀剂层；
(g)利用蚀刻工艺去除牺牲层，这样接触器与硅基片分离；和
(h)将接触器安装在一个具有通孔的接触基片上，所述的通孔用来接受接触器的端部，这样每个接触器的至少一端为电连接起接触垫的作用。
12.一种生产接触构件的方法，包括下列步骤：
(a)在硅基片的表面上形成一个牺牲层；
(b)在基片上的牺牲层上形成一个光致抗蚀剂层；
(c)对齐光致抗蚀剂层上的光掩模，并通过掩模用紫外光使光致抗蚀剂层曝光，光掩模具有接触器的图形；
(d)显影，在光致抗蚀剂的表面上形成接触器的图形；
(e)利用电镀工艺，在光致抗蚀剂层的图形内，形成由导电材料组成的接触器，并且每个接触器在基部端点和中部之间都有一个弹簧部；
(f)剥掉光致抗蚀剂层；
(g)将粘合剂带放置在接触器上，以致于使接触器的上表面附着到粘合剂带上；
(h)通过蚀刻工艺去除牺牲层，以致于使粘合剂带上的接触器与硅基片分离；和
(i)将接触器安装在一个具有通孔的接触基片上，所述的通孔接受接触器的端部，其中，每个接触器的至少一端为电连接起接触垫的作用。
13.一种生产接触构件的方法，包括下列步骤：
(a)在介电基片上形成一个导电基片，该导电基片由导电材料形成；
(b)在导电基片上形成一个光致抗蚀剂层；
(c)对齐在光致抗蚀剂层上的光掩模，并通过光掩模用紫外光使光致抗蚀剂层曝光，光掩模具有接触器的图形；
(d)显影，在光致抗蚀剂层的表面上形成接触器的图形；
(e)利用电镀工艺，在光致抗蚀剂层的图形内，形成由导电材料组成的接触器，并且每个接触器在基部端点和中部之间都有一个弹簧部；
(f)剥掉光致抗蚀剂层；
(g)将粘合剂带放置在导电基片上的接触器上，以致于使接触器的上表面附着到粘合剂带上，其中，接触器和粘合剂带之间的粘结强度大于接触器和导电基片之间的粘结强度；
(h)剥去导电基片，以致于粘合剂带上的接触器与导电基片分离；以及
(i)将接触器安装在一个具有通孔的接触基片上，以致于接触器的一端从与接触基片的相对表面伸出来。
14.一种用于与接触目标建立电连接的探针接触组件，包括：
一个接触基片，在它的一个表面上安装有数个接触器；
一个探针卡，用于安装接触基片，并且在接触器和探针卡上的电极之间建立电连接；以及
一个针块，具有数个接触针，当它固定到探针卡时，作探针卡和半导体测试系统之间的接口；
其中，接触器垂直地安装在接触表面的水平表面上，在那里，每个接触器实质上为直线形状，并且包括：一个接触部，从垂直方向伸出，以形成一个接触点；一个中部，插入接触基片上的通孔中；一个基部，其末端起接触垫的作用；和弹簧部，处于基部端点与中部之间；以及
其中，弹簧部具有弯曲的、倾斜的Z字形，以便当接触器顶压到接触目标上时产生弹性接触力，而且基部的一端从接触基片的表面伸出，在与外部元件电连接时，起接触点的作用。
15.根据权利要求14所述的用于与接触目标建立电连接的探针接触组件，其中，接触基片由单个或数个相互粘接在一起的半导体晶片构成，接触基片上的通孔是通过蚀刻工艺而形成的。
16.根据权利要求14所述的用于与接触目标建立电连接的探针接触组件，其中，每个接触器的中部设有一个凸缘，以便与接触基片上的通孔相配合。
17.根据权利要求14所述的用于与接触目标建立电连接的探针接触组件，其中，接触基片由粘结在一起的三层半导体晶片构成，晶片上产生有通孔，以安装穿过其中的接触器。
18.根据权利要求14所述的用于与接触目标建立电连接的探针接触组件，其中，接触器以水平方向产生在一个扁平基片的平面上，并从扁平基片上除去，再以垂直方向安装在接触基片上。
19.根据权利要求14所述的用于与接触目标建立电连接的探针接触组件，其中，接触基片的外缘具有啮合机构，用于在任何所期望的连缘与其它接触基片联结，以形成一种任意尺寸的接触器组件。
20.根据权利要求19所述的用于与接触目标建立电连接的探针接触组件，其中，啮合机构包括齿和凹槽，这些齿和凹槽以这样的方式设置在接触基片的外边缘上，以致于一个边缘上的啮合齿和凹槽与其它接触基片的对应边缘上的啮合齿和凹槽相结合，从而将数个接触基片组装成具有所期望的尺寸、形状和所期望的数目接触器的接触器组件。
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