CN1398448A - 触点结构及其制造方法以及使用该触点结构的探针接触装置 - Google Patents

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周豫
余大江
罗伯特·爱德华·阿尔达斯
西奥多·A·库利
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Advantest America Research and Development Center Inc
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Abstract

一种用于建立和接触目标电连接的触点结构。该触点结构由触点基片和多个接触器组成。所述每个接触器包括在垂直方向上插入设置在触点基片上的通孔内的中间部分、和所述中间部分相连并位于所述接触器一端的接触部分、被设置在接触器另一端的基本部分、以及一个具有相对于触点基片向上倾斜的悬臂形状的弹簧部分，该接触部分作为一个触点和接触目标电连接，该弹簧部分被设置在所述基本部分和中间部分之间。

Description

触点结构及其制造方法以及使用该触点结构的探针接触装置
发明领域
本发明涉及一种触点结构和制造该种触点结构的方法以及使用这种触点结构的探针接触装置，更具体地说，本发明涉及一种在垂直方向上具有大量接触器的触点结构，并涉及一种方法，用于在水平方向上的半导体晶片上制造大量这样的接触器然后将所述接触器从该晶片上拆卸下，并将它们在垂直方向上安装在基片上以形成触点结构，例如接触探针装置、探针板、IC芯片或其它的接触机构。
背景技术
在测试诸如LSI和VLSI电路等高密度和高速电子设备时，必须使用诸如具有大量接触器的探针板等高性能的触点结构。在其它的应用领域，触点结构必须作为IC导线被用于IC组件。本发明涉及一种触点结构的生产工艺，这种触点结构被用于测试LSI和VLSI芯片、半导体晶片、半导体晶片和模子的烧烙、组装后半导体设备的测试和烧烙、印刷电路板等。本发明也可被用于其它用途例如形成IC芯片、IC组件或其它电子设备的引线或引线插头。然而为了便于介绍，主要结合半导体晶片测试而介绍本发明。
当要被测试的半导体设备是半导体晶片时，一种诸如IC测试器的半导体测试系统经常被连接到诸如自动晶片检测器等基片处理器上，以便自动地测试半导体晶片。图1显示了这样一种示例，其中半导体测试系统具有测试头100，该测试头通常被设置在单独的外壳内并通过电缆束110与测试系统电连接。利用被电动机510所驱动的控制器500，该测试头100和基片处理器400彼此机械和电连接。利用基片处理器400，要被测试的半导体晶片被自动地设置在测试头100的测试位置上。
在测试头100上，向要被测试的半导体晶片提供由半导体测试系统所产生的测试信号。处于测试状态下的半导体晶片的合成输出信号(在半导体晶片上所形成的IC电路)被传送给半导体测试系统。在半导体测试系统中，该输出信号和期望值相比较，从而确定形成在半导体晶片上的IC电路是否正确地工作。
在图1中，通过包含性能板120(在图2中显示)的接口元件140，将测试头100和基片处理器400连接在一起，所述性能板120是一个具有仅适用于测试头的电轨迹、同轴电缆、转换通信波道触针(pogo-pin)和接头的电路连接的印刷电路板。在图2中，测试头100包括大量的印刷电路板150，其数量对应于半导体测试系统的测试信道(测试引线)的数量。每个印刷电路板150具有一个接头160，用于接收性能板120的相应的接触端点121。一“辙叉”环130被安装在性能板120上，以准确地确定相对于基片处理器400的接触位置。该辙叉环130具有大量通过同轴电缆124而与接触端点121相连接的触针141，例如ZIF接头或转换通信波道触针(pogo-pins)。
如图2所示，测试头100被设置在基片处理器400的上方并通过接口元件140而与基片处理器400机械和电子连接。在基片处理器400上，要被测试的半导体晶片300被安装在卡盘180上。在这个示例中，探针板170被设置在要被测试的半导体晶片300的上方。探针板170具有大量的探针接触器(例如悬臂或针)190，用于和测试状态下的半导体晶片300上的IC电路内的诸如电路终端或接触垫等接触目标相接触。
探针板170上的电端子或接触插孔(接触垫)和设置在辙叉环130上的触针141电相连。触针141也通过同轴电缆124和性能板120上的接触端子121相连，此时，每个接触端子121和测试头100上的印刷电路板150相连。此外，印刷电路板150通过例如具有几百个内电缆的电缆110和半导体测试系统相连。
在这种构造下，探针接触器190和卡盘180上的半导体晶片300的表面(接触目标)接触，以便将测试信号施加到半导体晶片300上，同时接收来自半导体晶片300的合成输出信号。将处于测试状态下的半导体晶片300的合成输出信号和由半导体测试系统所产生的所希望的信号相比较，以确定半导体晶片300上的IC电路是否在正确地工作。
图3是图2所示探针板170的一个仰视图。在这个示例中，探针板170具有一环氧树脂环，在其上安装多个被称作探针或悬臂梁的探针接触器190。当在图2中安装半导体晶片300的卡盘180向上运动时，探针接触器190的末端接触晶片300上的垫或凸起(接触目标)。探针接触器190的端部和电线194相连，该电线194又和形成在探针板170上的传输线(未示)相连。该传输线和多个与图2中的转换通信波道触针141相连的电极(接触垫)197相连。
通常，探针板170由多层聚酰亚胺基片构成，该基片在许多层上具有地线层、电源层和信号传输线。众所周知，通过平衡所分配的参数，也就是聚酰亚胺的电介质常数和磁导率、探针板170内的信号路径的感应系数和电容，每个信号传输线被设计的具有例如50欧姆的阻抗。因此，信号线是为晶片300建立了高频传输带宽的阻抗匹配线，以适应于晶片300在稳定状态下提供电流以及在瞬时状态下通过IC电路的输出产生高电流峰值。为了清除噪音，电容器193和195被设置在探针板上，位于地线层和电源层之间。
图4显示了等同于探针板170的电路，用于解释在普通探针板技术中高频性能的局限性。如图4A和4B所示，探针板170上的信号传输线从电极197、带状传输线(阻抗匹配)196、电线194和探针或悬臂(触点结构)190延伸。由于电线194和探针190是非阻抗匹配的，在图4C所示的高频带中，这些部分的功能等同于一电感器L。由于电线194和探针190的整体长度大约是20～30毫米，当测试处于测试下的设备的高频性能时，该电感器产生显著的局限性。
限制探针板170频带宽的其它因素在于如图4D和4E所示的能量探针和接地探针上。如果电源线能够提供足够大的电流给处于测试状态下的设备，那么将不严重地限制测试下的设备的操作带宽。然而由于用于提供电能的串联的电线194和探针190(图4D)以及用于使电能和信号接地的串联的电线194和探针190(图4E)等同于电感器，所以严重地限制了高速电流的流动。
此外，在电源线和地线之间设置有电容器193和195，以便通过过滤掉电源线上的噪音或电涌脉冲而确保测试下的设备的合适的性能。电容器193具有相对大的值例如10μF，如果需要可以通过开关断开它和电源线的连接。电容器195具有相对小的值例如0.01μF并被固定连接地靠近DUT。这些电容器的功能是作为电源线上的高频去耦元件。换句话说，电容器限制探针板的高频性能。
因此，如上所述，最广泛使用的探针接触器被限制在大约200MHz的频宽，而该频宽对于测试目前的半导体设备是不足的。在工业生产中认为，在不久的未来需要可以和测试者的能力相当的频宽，即1GHz量级或更高。此外在工业生产中希望，探针板能够以平行的方式处理大量半导体设备，特别是诸如32位或更高的存储器，以增加测试通过量。
在常规技术中，例如图3所示的探针板和探针接触器是手工制造的，导致质量不稳定。这种质量不稳定包括尺寸、频宽、接触力和电阻等的波动。在普通探针接触器中，使接触性能不可靠的另一种因素是温度变化，在不同的温度下探针接触器和测试下的半导体晶片具有不同的热膨胀系数。因此，在变化的温度下，接触位置的变化将严重地影响接触力、接触电阻和频宽。从而需要一种具有新的理念的触点结构，它能满足未来半导体测试技术的需要。
发明概述
因此本发明的一个目的是提供一种具有大量接触器的触点结构，用于在高频带宽、高插头数量、高接触性能以及高可靠性下与接触目标电连接。
本发明的另一个目的是提供一种诸如探针板的触点结构，以建立用于测试半导体设备等的电连接，其具有非常高的频宽，以满足将来的半导体测试技术的需求。
本发明的另一个目的是提供一种在诸如测试半导体设备的应用中建立电连接的触点结构，它适用于同时测试大量的半导体设备。
本发明的另一个目的是提供一种触点结构和它的组装机构，用于组装多个触点结构，以形成具有所希望尺寸的探针接触装置，该装置具有所希望数量的安装在探针接触装置上的接触器。
本发明的另一个目的是提供一种方法，采用二维方式在硅基片上制造大量接触器，然后将所述接触器从硅基片上拆卸下并用三维方式将其安装在触点基片上，以形成触点结构。
本发明的另一个目的是提供一种方法，采用二维方式在硅基片上制造大量接触器，然后将所述接触器转移到胶带上，并从硅基片上拆卸下接触器，将其垂直地安装在触点基片上，以形成触点结构。
在本发明中，用于测试或烧烙半导体晶片、组装好的LSI或印刷电路板(测试状态下的设备)的触点结构由大量在诸如硅基片的基片平面上采用半导体生产工序中所使用的蚀刻技术所制造的接触器组成。本发明的触点结构可以被用于诸如IC引线和插头的电子设备的元件。
本发明的第一方面是一种建立和目标触点电连接的触点结构。该触点结构由触点基片和多个接触器组成。所述接触器包括在垂直方向上插入设置在触点基片上的通孔的中间部分、和所述中间部分相连并位于所述接触器一端的接触部分、被设置在接触器另一端的基本部分、以及一个具有相对于触点基片向上倾斜的悬臂形状的弹簧部分，所述接触部分的功能是作为一个触点和接触目标电连接，所述弹簧部分被设置在所述基本部分和中间部分之间，当接触器被压靠在接触目标上时，所述弹簧部分产生弹性接触力。
本发明的另一个方面是一种采用二维方式在硅基片上制造接触器并将所述接触器从硅基片上拆卸以建立触点结构的方法。所述制造方法包括如下步骤：
(a)在硅基片的表面上形成牺牲层；
(b)在所述牺牲层上形成光致抗蚀剂层；
(c)使一个光掩膜在光致抗蚀剂层上准确定位，利用紫外线通过所述光掩膜对光致抗蚀剂层进行曝光，该光掩膜包含接触器的图象；
(d)对光致抗蚀剂层表面上的接触器的图象的图案进行显影；
(e)通过沉积导电材料，在光致抗蚀剂层上形成由导电材料组成的接触器，每个接触器具有位于基本部分和中间部分之间的悬臂式的弹簧部分；
(f)剥离所述光致抗蚀剂层；
(g)利用蚀刻工艺将所述牺牲层清除掉，从而接触器和所述硅基片分开；
(h)将该接触器安装在具有通孔的触点基片上，所述通孔用于容纳接触器的端部，因而每个接触器的至少一端被用作电连接的接触垫。
根据本发明的另一方面，通过沉积导电材料形成接触器之后，本发明的制造方法还包括在接触器上设置一胶带的步骤，从而接触器的上表面被粘结在胶带上。
根据本发明的另一方面，在通过沉积导电材料形成接触器之后，本发明的制造方法还包括在导电基片的接触器上设置一胶带的步骤，从而接触器的上表面被粘结在胶带上。接触器和胶带之间的粘结强度比接触器和接触器形成在其上的导电基片之间的粘结强度大，还包括剥离导电基片的步骤，从而胶带上的接触器与导电基片相分离。
本发明的第二方面是一种包含本发明的触点结构的探针接触装置。所述探针接触装置由具有多个被安装在其表面上的接触器的触点基片、用于安装触点基片并在所述接触器和设置在该探针板上的电极之间建立电连接的探针板以及具有多个接触销的插接板组成，当该插接板被连接到所述探针板上时，所述接触销充当探针板和半导体测试系统之间的接口。
在所述探针接触装置中，接触器被垂直地安装在接触表面的水平表面上，每个接触器具有一在垂直方向上被插入设置在触点基片上的通孔内的中间部分、和所述中间部分相连并位于接触器一端的接触部分、被设置在接触器另一端的基本部分、具有相对于触点基片的表面向上倾斜的悬臂形状的弹簧部分，所述弹簧部分被设置在基本部分和中间部分之间，所述接触部分的功能是作为一个和接触目标电连接的接触点，当接触器被压靠在接触目标上时，所述弹簧部分施加弹性接触力。
根据本发明，该触点结构具有非常高的频宽，能够满足下一代半导体技术的需求。由于同时在基片上制造大量的接触器而不用人工处理，所以能够以低成本获得稳定的质量、高的可靠性和长寿命的接触性能。此外，由于接触器在和被测试的设备的材料相同的基片材料上被组装，所以能够补偿由于温度变化而导致的位置误差。
此外，根据本发明，利用相对简单的工艺，该生产工序能够在硅基片上沿水平方向制造大量的接触器。将这些接触器从硅基片上拆卸下并将它们沿垂直方向安装在触点基片上。本发明所制造的触点结构成本低、效率高并具有高的机械强度和高的可靠性。
附图简介
图1是一个示意性视图，显示了基片处理器和具有测试头的半导体测试系统之间的结构关系；
图2是一个视图，详尽地显示了通过接口元件将半导体测试系统的测试头和基片处理器相连的结构的示例；
图3是一个仰视图，显示了常规技术中具有环氧树脂环的用于安装多个探针接触器(针或悬臂)的探针板的示例；
图4A～4E是显示等同于图3所示探针板的电路的电路图；
图5是示意性视图，显示了本发明的触点结构的示例，本发明使用在半导体基片上沿水平方向上制造的接触器并将所述接触器垂直地安装在触点基片上；
图6A和6B是示意性视图，显示了本发明制造方法的基本概念，其中在基片的平面上制造大量的接触器，然后将所述接触器从基片上拆卸下用于后续工序；
图7A～7C显示了本发明接触器的一种具体示例，其中图7A是接触器的前视图，图7B是接触器的侧视图，图7C是接触器的仰视图；
图8A～8L是示意性显示了用于制造本发明的接触器的制造工序的示例的视图；
图9A～9D是示意性显示了用于制造本发明的接触器的另一种制造工序的示例的视图；
图10A～10N是示意性视图，显示了在基片的水平面上制造本发明的接触器并将所述接触器转移到一中间板上的示例；
图11A和11B示意性显示了拾取和放置机构以及该机械的用于拾取接触器并将接触器放置在诸如多层硅基片上以制造本发明的触点结构的工序；
图12是一个横截面视图，显示了使用本发明的触点结构作为测试下的半导体设备和半导体测试系统的测试头之间的接口的探针接触装置的一个示例；
图13是一个横截面视图，显示了使用本发明的触点结构作为测试下的半导体设备和半导体测试系统的测试头之间的接口的探针接触装置的另一种例；
图14是示意性视图，显示了本发明的具有多层标准硅基片和使用本发明的制造工序所制造的接触器的触点结构；
图15是显示了本发明多种触点结构的透视图，其中每一种触点结构具有大量的接触器，用于彼此组装，以构成具有所希望尺寸的探针接触装置；
图16是显示了本发明的触点结构的透视图，其中多个触点基片彼此相连，以建立具有所希望尺寸、形状和接触器数量的探针接触装置。
优选实施例
图5显示了本发明的触点结构的示例。所述触点结构由触点基片20和接触器30组成。在半导体测试应用中，该触点结构例如被设置在半导体设备的上方，诸如要被测试的半导体晶片300。当向上移动半导体晶片300时，接触器30的下端和半导体晶片300上的接触垫320接触并在两者之间建立电连接。利用中间部位上的通孔(图中未示)，将接触器30安装在触点基片20上，从而接触器30的上、下部分从触点基片20上突出。接触器30的中间部位可以被松散地连接到触点基片20上，从而当触点结构被压向接触目标也就是半导体晶片300上时，接触器30可以移动。
在图5所示示例中，在触点基片20的上方，每个接触器30具有沿对角线方向向上延伸到上端33的悬臂形。触点的下端笔直地向下延伸到下端35。在半导体测试期间，上端33是接触器30的基本部分，用于和测试系统的探针板接触，下端35是接触器30的接触点，用于和半导体晶片300上的接触垫320接触。
当接触器30的上端被固定在探针板上，下端被压靠在接触目标上时，接触器30的悬臂部分(弹簧)的功能是作为一个弹簧产生弹性力。接触器30的下端35(接触点)最好是锐利的，以便能够擦洗接触垫320的表面。所述弹力促进下端(触点)35相对于接触垫320表面的这种擦洗效果。当触点擦洗接触垫320的氧化表面以便和氧化物表面下方的接触垫320的导电材料电接触时，这种擦洗效果促成了改善的接触性能。
图6A和6B显示了用于制造这种接触器的本发明的基本概念。如图6A所示，在本发明中，在基片40的平表面沿水平方向也就是采用二维方式制造接触器30，所述基片40是硅基片或其它不导电基片。然后，将接触器30从基片40上拆卸下来，并将其沿垂直方向也就是采用三维方式安装在图5所示的触点基片20上，例如陶瓷基片、印刷电路板、IC芯片或其它接触机构。
在图6B所示示例中，采用图6所示方式，在硅或其它不导电基片40的平面上沿水平方向制造接触器30。然后将接触器30从基片40上取出，并粘贴到一粘性元件90上，例如一胶带、粘膜或粘板(总称为“胶带”或“中间板”)。将粘性元件90上的接触器30拆下，利用拾取和放置机构，沿垂直方向也就是采用三维方式将其安装在图5所示的触点基片20上。
图7A～7C显示了本发明接触器的一种具体示例，其中图7A是前视图，图7B是侧视图，图7C是仰视图。图7所示的接触器30具有上端(基本部分)33、具有爪(凸缘)34的中点、具有在上端和中点之间延伸的对角线梁的弹簧部分(悬臂)、笔直部分36和具有触点的下端35。
在测试时，上端33和探针板接触，例如如图12所示，下端35和诸如半导体晶片的接触目标接触。当被安装在图5或图12～14所示的触点基片20上时，上端33和弹簧部分(悬臂)从触点基片20的上表面突出，下端35从触点基片20的下表面突出。笔直部分36插入触点基片上的通孔内，爪(凸缘)34所起的作用是一种止动器，如图14所示，爪34抵靠着触点基片20的上表面。
在前视图7A中，笔直部分36最好具有缩小的宽度，这有助于弹簧部分和中间部分发挥弹性作用。在这个示例中，如侧视图7B和仰视图7C所示，接触器30各个部分的厚度相同。因此，当在图6A所示的硅基片40的平面上制造接触器30时，仅仅需要一种沉积工序，用于利用导电材料形成接触器。在此情况下，即接触器30具有两种或更多的不同厚度，可以沉积两次或多次导电材料，以便在制造工序中形成两层或多层导电材料。在图7所示的接触器的示例中，a＝400μm，b＝50μm，c＝50μm，d＝50μm，e＝140μm，f＝900μm，g＝1600μm，h＝100μm，i＝50μm，j＝3100μm，k＝1900μm。
图8A～8L示意性显示了用于制造本发明的接触器30的制造过程。在图8A中，在通常是硅基片的基片40上形成牺牲层42。也可以使用其他的不导电基片，例如玻璃基片和陶瓷基片。利用诸如化学蒸气沉积法(CVD)的沉积工序，例如使用二氧化硅(SiO2)制造所述牺牲层42。在后续制造工序中，该牺牲层42被用于使接触器30和硅基片分开。
如图8B所示，例如通过蒸发工序，在牺牲层42上形成促进粘结层44。组成所述粘结促进层44的材料例如包括铬(Cr)和钛(Ti)，厚度大约是200～1,000埃。该粘结促进层44有利于将图8C所示的导电层46粘结到硅基片40上。组成导电层46的材料例如包括铜(Cu)或镍(Ni)，厚度大约是1,000～5,000埃。在后续步骤中，该导电层46建立了用于电镀工序的导电性。
在随后的工序中，在导电层46上形成光致抗蚀剂层48，在光致抗蚀剂层48的上方，一光掩模50被准确地定位，以便如图8D所示用紫外线(UV)光曝光。所述光掩模50显示了接触器30将在光致抗蚀剂层48上被显影的二维图象。众所周知，可以使用正或负光致抗蚀剂。如果使用正光致抗蚀剂，曝光后，被光掩模50的不透光部分所覆盖的光致抗蚀剂硬化(硫化)。所述光致抗蚀剂材料包括酚醛清漆(M-甲酚—甲醛)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、SU-8和光敏聚酰亚胺。在显影工序中，被曝光的抗蚀剂部分可以被溶解并被冲洗掉，图8E所示的剩余的光致抗蚀剂层48具有一开口或“A”图案。因此俯视图8F显示了光致抗蚀剂层48上具有接触器30的图象(形状)的图案或开口“A”。
在上述光刻法工序中，代替使用紫外线光，也能够利用本领域所公知的电子束或X射线对光致抗蚀剂层48进行曝光。此外，通过利用直接写电子束、X射线或光源(激光)对光致抗蚀剂层48曝光，也能够直接在光致抗蚀剂层48上写触点结构的图象。
将诸如铜(Cu)、镍(Ni)、铝(Al)、铑(Rh)、钯(Pd)、钨(W)或其它金属、镍钴(NiCo)或其它合金的导电材料沉淀(电镀)在光致抗蚀剂层48的“A”型图案中，以形成图8G所示的接触器30。最好使用和导电层46材料不同的接触材料，以使蚀刻特性彼此不同，这将在下文介绍。图8G中接触器30的突起部分在图8H所示的研磨(平面化)工序中被磨削掉。
通过形成两个或多个导电层，重复上述过程，用于制造具有不同厚度的接触器。换句话说，当形成接触器的第一层(导电材料)后，如果需要，重复执行图8D-8H所示工序，以便在接触器的第一层上形成第二层或更多的层。在随后的工序中，在图8I所示的抗蚀剂层剥离工序中，将光致抗蚀剂层48清除掉。通常利用湿式化学加工清除光致抗蚀剂层48。其它的剥离方法是丙酮基剥离和等离子区氧剥离。在图8J中，清除牺牲层42，从而接触器30和硅基片40分离。进行另一种蚀刻工序，从而如图8K所示，使粘结促进层44和导电层46与接触器30分开。
可以选择蚀刻条件，以便蚀刻层44和46但是不蚀刻接触器30。换句话说，如上所述，蚀刻导电层46，但是不蚀刻接触器30，接触器30所使用的导电材料必须和导电层46所使用的导电材料不同。最后，如透视图8L所示，接触器30和其它材料分离。虽然图8A～8L所示工序仅仅显示了一个接触器30，在实际的生产过程中，如图6A和6B所示，可以同时制造大量的接触器。
图9A～9D示意性显示了用于制造本发明接触器的制造过程的示例。在这个示例中，在制造过程中使用胶带(中间板)90，以便将接触器30从硅基片40传送到胶带上。图9A～9D仅仅显示了所述制造过程的后部分，即使用胶带90的制造过程。
图9A显示了一种等同于图8I所示工序的工序，其中在抗蚀剂层剥离工序中，将光致抗蚀剂层48清除掉。然后在图9A所示的工序中，将胶带(中间板)90设置在接触器30的上表面上，从而接触器30被粘附在胶带90上。如上结合图6B所述那样，在本发明的范围内，胶带(中间板)90包括其它类型粘结元件，例如粘膜和粘板等。胶带90也可以包括任何吸引接触器30的元件，例如磁板或磁带、充电板或带等。
在图9B所示工序中，蚀刻牺牲层42，从而胶带90上的接触器30和硅基片40分开。进行另一种蚀刻工序，从而如图9C所示，将粘结促进层44和导电层46从接触器30上清除掉。
如上所述，为了蚀刻导电层46同时不蚀刻接触器30，接触器30所使用的导电材料必须和导电层所使用的材料不同。虽然图9A～9C所示工序仅仅显示了一个接触器30，在实际的生产过程中，可以同时制造大量的接触器。因此将大量的接触器30传送到胶带90上，如俯视图9D所示，并使它们和硅基以及其它材料分开。
图10A～10N示意性显示了另一种制造接触器30的制造工序的示例，其中接触器被传送到胶带或中间板上。在图10A中，在基片340上形成电镀籽晶(导电)层342，其通常是硅或玻璃基片。所述籽晶层342例如由铜或镍组成，其厚度大约是1,000～5,000埃。如图10B所示，例如通过喷镀工序，在所述籽晶层342上形成铬镍铁合金层344。
在图10C所示的后续工序中，在铬镍铁合金层344上形成导电基片346。导电基片346例如由镍钴(NiCo)组成，厚度是100～130μm。对导电基片346钝化之后，如图10D所示，在导电基片346上形成厚度大约为100～120μm的光致抗蚀剂层348，将光掩膜350准确地定位，从而如图10E所示，利用紫外线对光致抗蚀剂层348进行曝光。光掩膜350显示了接触器30的二维图象，它将在光致抗蚀剂层348的表面上进行显影。
在显影过程中，光致抗蚀剂被曝光后的部分可以被溶解并冲洗掉，留下图10F所示的具有从光掩膜350转移来的电镀图案的光致抗蚀剂层348，所述光掩膜具有接触器30的图象(形状)。在图10G所示工序中，接触器材料被电镀在光致抗蚀剂层348上的电镀图案内，厚度为50～60μm。这样一种导电材料可以是镍钴(NiCo)。镍钴接触器材料不能强固地粘附在由镍钴材料组成的导电基片346上。
在接触器具有两种或多种不同厚度的情况下，通过形成两个或多个导电层，重复上述的制造接触器的工序。换句话说，在形成第一层接触器后，如果需要，重复执行图10D～10G所示工序，以便在第一层接触器上形成第二层或更多的层。
在后续工序中，在图10H所示的抗蚀剂剥离工序中，清除光致抗蚀剂层348。在图10I中，从基片340上的铬镍铁合金层344上剥离导电基片346。导电基片346是薄基片，利用相对较弱的粘结强度，将接触器30安装在其上。图10J是具有接触器30的导电基片346的俯视图。
图10K显示了一种工序，其中将胶带(中间板)90设置在接触器30的上表面上。胶带90和接触器30之间的粘结强度比导电基片346和接触器30之间的粘结强度大。因此，当将胶带90从导电基片346上拆卸下时，如图10L所示，接触器30从导电基片346上转移到胶带90上。图10M是具有接触器30的胶带90的俯视图，图10N是具有接触器30的胶带90的横截面视图。
图11A和11B示意性显示了将接触器30从胶带(中间板)90上取下并放置在触点基片20上的工序。图11A和11B所示的拾取和放置机构最好被应用于结合图9A～9D和图10A～10N所述的本发明的涉及胶带的制造工序所制造的接触器。图11A是拾取和放置机构80的前视图，显示了拾取和放置操作的前半部分，图11B是一个拾取和放置机构80的前视图，显示了拾取和放置操作的第二部分。
在这个示例中，拾取和放置机构80包括用于拾取和放置接触器30的传送机械84、允许该传送机械84在X、Y和Z方向运动的可移动臂86和87、在X、Y和Z方向上可以调整其位置的桌面81和82、以及具有例如CCD图象探测器的摄像机78。所述传送机械84包括抽吸臂85，用于执行对接触器30的吸取(拾取操作)和吸收释放(放置操作)。通过负压例如真空产生吸收力。抽吸臂85在预定角度例如90°内转动。
在操作中，具有接触器30的胶带90和具有结合部位32(或通孔)的触点基片20被设置在拾取和放置机构80上各自的桌面上。如图11A所示，拾取机构80利用抽吸臂85的吸收力从胶带90拾取接触器30。拾取了接触器30之后，例如如图11B所示，抽吸臂85转动90°。因此，接触器30的朝向从水平方向变成垂直方向。这种朝向改变机械仅是一个示例，本领域普通技术人员，能够有多种方式改变接触器的朝向。然后传送机械80将接触器30放置在基片20上的结合部位32(或通孔)上。通过结合在表面上或插入通孔中，将接触器30结合在触点基片20上。
图12是一个横截面视图，显示了一种用于形成使用本发明的触点结构的探针接触装置的整体层叠结构。该探针接触装置被用作测试状态下(DUT)的半导体晶片300和例如图2所示的测试头之间的接口。在这个示例中，该探针接触装置包括选定路线板(探针板)260和按照图12所示顺序被设置在触点结构上方的转换通信波道销座(辙叉环)130。
该触点结构由多个被安装在触点基片20上的接触器30构成。每个接触器30的基本部分33在触点基片20的上表面突出。接触部分35从触点基片20的下表面突出。在本发明中，所述基本部分33和中间部分之间的弹簧部分具有从触点基片向上倾斜的悬臂形状，所述中间部分和触点基片20结合。可以采用这种方式将接触器30稍微宽松地插入触点基片20上的通孔内，即当被压靠在半导体晶片300和探针板260上时允许在垂直方向上小量运动。
探针板260、转换通信波道销座(辙叉环)130和触点结构彼此机械和电连接，因此形成了探针接触装置。从而创造了从接触器30的触点通过电缆124和性能板120(图2)而到达测试头100的电路径。因此，当半导体晶片300和探针接触装置彼此压靠时，在晶片300的接触垫320和测试系统之间建立起电连通。
所述转换通信波道销座(辙叉环)130等同于图2所示的具有多个转换通信波道销探针的转换通信波道销座130，用于在探针板260和性能板120之间连接。在转换通信波道探针的上端，通过性能板120，诸如同轴电缆的电缆124被连接以将信号传送到图2所示的测试头100内的印刷电路板(销式电子板)150上。在探针板260的上、下表面具有大量的电极262和265。当组装后，接触器30的基本部分33接触电极262。电极262和265通过内连的轨迹迹线263而被连接，使触点结构的节距成扇形展开，以便满足转换通信波道销座130上的转换通信波道销探针的节距。由于接触器30被宽松地插入触点基片20上的通孔内，当被压靠在半导体晶片300上时，接触器30的弹簧(悬臂)产生施加到电极262和接触垫320上的弹性接触力。
图13是一个横截面视图，显示了使用本发明的触点结构的探针接触装置的另一种示例。该探针接触装置被用作测试下设备(DUT)和例如图2所示的测试头之间的接口。在这个示例中，探针接触装置包括导电弹性体250、探针板260和设置在触点结构上方的转换通信波道销座(辙叉环)130。如上所述，由于接触器30具有位于基本部分33和中间部分之间的弹簧(悬臂)，这种导电弹性体并不总是必需的。然而该导电弹性体仍然可以是有用的，可以补偿探针板260和触点结构之间的间隙的不均匀性(平面度)。
导电弹性体250被设置在触点结构和探针板260之间。当装配后，接触器30的基本部分33接触该导电弹性体250。该导电弹性体250是一个在垂直方向具有大量导线的弹性板。例如导电弹性体250包括硅橡胶板和多行金属细丝。所述金属细丝(导线)被设置在图13所示的垂直方向上，也就是垂直于导电弹性体250的水平板的方向。金属细丝之间的间距例如是0.05毫米或更少，硅橡胶板的厚度大约是0.2毫米。日本Shin-EtsuPolymer公司制造这种导电弹性体，可以在市场上购买到这种导电弹性体。
图14是横截面视图，示意性显示了被结合进图12和13所示探针接触装置的本发明的触点结构。用此方式将具有悬臂弹簧的接触器30连接在触点基片20上，即接触器30的中间部分被插入通孔25内。笔直的中间部分下端的接触部分35被插入通孔25内。在这个示例中，触点基片20是具有三个标准硅晶片221、222和223的多层基片，这三个硅晶片彼此层叠和熔接在一起。这三个硅晶片中的每个晶片的厚度大约是0.5毫米。具有悬臂形状弹簧的接触器30的基本部分33从触点基片20的上表面突出。接触器30具有靠近通孔25而被装配在触点基片20的上表面上的凸缘形状部分(爪)34。接触器30末端的触点35最好是削尖的，以促进在接触目标的表面上的擦洗效果。
下文简单地介绍形成图14所示的三层基片20并在该基片上形成通孔的方法。首先例如通过硅熔焊，将第二晶片222和第三晶片223直接结合在一起。然后抛光第二和第三晶片的前、后面，利用蚀刻工序形成通孔。例如利用使用活性气体等离子的活性蚀刻，实现这种深沟的蚀刻。当为了安装接触器30而有必要在通孔内形成台阶时，第二和第三晶片222和223上的通孔的尺寸可以比接触器30上的凸缘形状部分小。
然后抛光第一晶片221的前、后表面，利用上述的深沟蚀刻工序在第一晶片221上制造通孔25。使第一晶片221和第二及第三晶片222和223对齐，然后将它们熔焊在一起。为了绝缘，在用此方式制造的触点基片的所有暴露的表面上设置例如至少1微米厚的氧化硅层。
图15是显示了本发明的触点结构块(触点结构)的透视图，其中每一触点结构块具有大量的利用图6A和6B所示工序制造的接触器30。这个示例显示了多个触点基片或触点结构块20，它们被彼此组装在一起，以形成具有所希望尺寸和数量的接触器的触点结构。在图15中，虽然每个触点结构块包括组装在一条直线上的接触器30，本发明的触点结构块也可以包括采用两条或多条线也就是矩阵方式排列的接触器。
如上所述，本发明的一个特征是结合多个触点结构块20以形成整体尺寸增大以及接触器数量增加的触点结构(探针接触装置)。在图15所示示例中，四个触点结构块20被彼此连接在一起。虽然图15所示的示例没有显示，但是在图16中，每个触点结构块20具有诸如在外边缘上的齿和凹槽的连接(啮合)机构。
图16是一个透视图，显示了由本发明多个触点结构块20组成的触点结构。在这个示例中，5个触点基片被彼此连接在一起，以产生一种触点结构，其整体尺寸是单个触点结构块的尺寸的整数倍。为了便于说明，在触点基片(晶片)22上没有显示接触器。通过用此方式结合触点基片22，可以制造具有所希望尺寸例如12英寸半导体晶片的接触装置。
在这个示例中，触点基片的右和左边缘上具有结合齿55和结合槽65。左、右边缘上的齿55和槽65的尺寸是相同的，然而齿55和槽65的位置偏移一个单位。因此，一个触点基片22的左边缘和另一个触点基片22的右边缘配合。虽然图16中没有显示，在触点基片22的末端设置一个突起以便被装配在另一个触点基片22的近端的凹槽70内。代替使用突起和凹槽，也可以使用诸如上述在左、右边缘的齿和槽。采用图16所示方式，利用通孔25，将接触器30安装在触点基片22上。
根据本发明，该触点结构具有非常高的频宽，能够满足下一代半导体技术的需求。由于同时在基片上制造大量的接触器而不用人工处理，所以能够以低成本获得稳定的质量、高的可靠性和长寿命的接触性能。此外，由于接触器在和被测试的设备的材料相同的基片材料上被组装，所以能够补偿由于温度变化而导致的位置误差。此外，利用相对简单的工艺，能够在硅基片上在水平方向制造大量接触器。本发明所制造的触点结构成本低、效率高并具有高的机械强度和高的可靠性。采用本发明的方法所制造的触点结构优先被应用于测试半导体晶片、组装后的LSI、多芯片组件和类似产品，包括烧烙测试。
以上已对本发明作了十分详细的描述，所以阅读和理解了本说明书后，对本领域技术人员来说，本发明的各种改变和修改将变得明显。所以一切如此改动和修正也包括在此发明中，因此它们在权利要求书的保护范围内。

Claims (19)

1、一种用于建立与接触目标的电连接的触点结构，包括：
一具有从上表面到下表面的通孔的触点基片；
多个由导电材料组成的接触器，所述接触器被垂直地安装在触点基片的水平表面上，所述每个接触器包括沿垂直方向插入设置在触点基片上的通孔中的中间部分、和所述中间部分相连并位于所述接触器一端的接触部分、被设置在接触器另一端的基本部分、以及一个具有相对于触点基片向上倾斜的悬臂形状的弹簧部分，该弹簧部分被设置在所述基本部分和中间部分之间，该接触部分作为一个触点和接触目标电连接，其特征在于：
当接触器被压靠在接触目标上时，所述弹簧部分施加弹性接触力。
2、一种根据权利要求1所述用于建立与接触目标的电连接的触点结构，其特征在于：所述触点基片由一个不导电基片组成或由多个不导电基片彼此连接在一起而组成，通过蚀刻工艺在所述触点基片上产生所述通孔。
3、一种根据权利要求1所述用于建立与接触目标的电连接的触点结构，其特征在于：所述每个接触器在中间部分具有凸缘形状，以便装配在触点基片上。
4、一种根据权利要求1所述用于建立与接触目标的电连接的触点结构，其特征在于：所述触点基片由三层彼此结合在一起的半导体晶片组成，在所述半导体晶片上具有通孔，利用所述通孔安装接触器。
5、一种根据权利要求1所述用于建立与接触目标的电连接的触点结构，其特征在于：在一个基片的平表面上的水平方向上制造所述接触器，然后将所述接触器从该平基片上拆卸下并沿垂直方向将其安装在触点基片上。
6、一种根据权利要求1所述用于建立与接触目标的电连接的触点结构，其特征在于：在所述触点基片的外边缘上具有结合机构，用于将其它触点基片连接到外边缘上，以便产生一个具有任意尺寸和数量的接触器的接触器装置。
7、一种根据权利要求6所述用于建立与接触目标的电连接的触点结构，其特征在于：所述结合机构包括用下述方式设置在触点基片外边缘上的齿和凹槽，即一个边缘上的结合齿和凹槽与其它触点基片相反边缘上的结合齿和凹槽结合，因此组装多个触点基片以形成具有所希望尺寸、形状和接触器数量的接触器装置。
8、一种根据权利要求1所述用于建立与接触目标的电连接的触点结构，其特征在于：所述触点基片由硅制成。
9、一种根据权利要求1所述用于建立与接触目标的电连接的触点结构，其特征在于：所述触点基片由不导电材料制成，所述不导电材料包括聚酰亚胺、陶瓷或玻璃。
10、一种用于制造触点结构的方法，包括如下步骤：
(a)在硅基片的表面上形成牺牲层；
(b)在所述牺牲层上形成光致抗蚀剂层；
(c)使一个光掩膜在光致抗蚀剂层上准确定位，利用通过所述光掩膜的紫外线对光致抗蚀剂层进行曝光，该光掩膜包含接触器的图象；
(d)对光致抗蚀剂层表面上的接触器的图象的图案进行显影；
(e)通过在光致抗蚀剂层上的所述图案内沉积导电材料，形成由导电材料组成的接触器，每个接触器具有中间部分、位于接触器下端并从所述中间部分延伸的接触部分、在接触器上端的基本部分、以及向上倾斜并形成在所述基本部分和中间部分之间的弹簧部分；
(f)剥离所述光致抗蚀剂层；
(g)利用蚀刻工艺将所述牺牲层清除掉，从而接触器和所述硅基片分开；
(h)将该接触器安装在具有通孔的触点基片上，所述通孔用于容纳接触器的端部，因而每个接触器的至少一端被用作用于电连接的接触垫。
11、一种根据权利要求10所述的用于制造触点结构的方法，其特征在于：通过沉积导电材料形成接触器之后，该方法还包括在接触器上设置一胶带，从而接触器的上表面被粘结在胶带上。
12、一种用于制造触点结构的方法，包括如下步骤：
(a)在不导电基片上形成由导电材料组成的导电基片；
(b)在所述导电基片上形成光致抗蚀剂层；
(c)使一个光掩膜在光致抗蚀剂层上准确定位，利用通过所述光掩膜的紫外线对光致抗蚀剂层进行曝光，该光掩膜包含接触器的图象；
(d)对光致抗蚀剂层表面上的接触器的图象的图案进行显影；
(e)通过在光致抗蚀剂层上的所述图案内沉积导电材料，形成由导电材料组成的接触器，每个接触器具有中间部分、位于接触器下端并从所述中间部分延伸的接触部分、在接触器上端的基本部分、以及向上倾斜并形成在所述基本部分和中间部分之间的弹簧部分；
(f)剥离所述光致抗蚀剂层；
(g)从不导电基片上剥离具有接触器的导电基片；
(h)将胶带设置在导电基片上的接触器上，从而接触器的上表面粘结在该胶带上，接触器和胶带之间的粘结强度比接触器和导电基片之间的粘结强度大；
(i)剥离导电基片，从而胶带上的接触器和导电基片相分离；
(j)通过将接触器插入设置在触点基片上的通孔内，将接触器安装在触点基片上。
13、一种用于和接触目标建立电连接的探针接触装置，它包括：
具有多个被安装在其表面上的接触器的触点基片；
用于安装触点基片的探针板，并在所述接触器和设置在该探针板上的电极之间建立电连接；
具有多个接触探针的插接板，当该插接板被连接到所述探针板上时，它充当探针板和半导体测试系统之间的接口；
接触器被垂直地安装在接触表面的水平表面上，每个接触器具有一在垂直方向上被插入设置在触点基片上的通孔内的中间部分、和所述中间部分相连并位于接触器一端的接触部分、被设置在接触器另一端的基本部分、具有相对于触点基片的表面向上倾斜的悬臂形状的弹簧部分，所述弹簧部分被设置在基本部分和中间部分之间，所述接触部分作为一个和接触目标接触的接触点；其特征在于：
当接触器被压靠在接触目标上时，所述弹簧部分施加弹性接触力。
14、一种根据权利要求13所述用于建立与接触目标的电连接的探针接触装置，其特征在于：所述触点基片由一个半导体晶片组成或由多个半导体晶片彼此连接在一起而组成，通过蚀刻工艺在触点基片上产生所述通孔。
15、一种根据权利要求13所述用于建立与接触目标的电连接的探针接触装置，其特征在于：所述每个接触器在中间部分具有凸缘形状，以便装配在触点基片上。
16、一种根据权利要求13所述用于建立与接触目标的电连接的探针接触装置，其特征在于：所述触点基片由三层彼此结合在一起的半导体晶片组成，在所述半导体晶片上都具有通孔，利用所述通孔安装接触器。
17、一种根据权利要求13所述用于建立与接触目标的电连接的探针接触装置，其特征在于：在一个扁平基片的平表面上的水平方向上制造所述接触器，然后将所述接触器从该平基片上拆卸下并在垂直方向上将其安装在触点基片上。
18、一种根据权利要求13所述用于建立与接触目标的电连接的探针接触装置，其特征在于：在所述触点基片的外边缘上具有结合机构，用于将其它触点基片在任何所希望的边缘连接到外边缘上，以便产生一个具有任意尺寸的接触器装置。
19、一种根据权利要求13所述用于建立与接触目标的电连接的探针接触装置，其特征在于：所述结合机构包括用下述方式设置在触点基片外边缘上的齿和凹槽，即一个边缘上的结合齿和凹槽与其它触点基片相反边缘上的结合齿和凹槽相配合，从而组装多个触点基片以装配成具有所希望尺寸、形状和接触器数量的接触器装置。
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