JP2005300501A

JP2005300501A - マルチプローブの製造方法

Info

Publication number: JP2005300501A
Application number: JP2004121348A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Isono; 吉正磯野
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】複数のプローブを対象物に十分に接触させることができ、製造が比較的容易であるマルチプローブの製造方法を提供すること。
【解決手段】支持基板の一方の表面と略平行に、支持基板の少なくとも一部と一体に、且つ加熱によって塑性変形する材料で形成される複数のカンチレバー（４）を備えたマルチプローブ（１）に対して、複数のカンチレバー（４）の配置に対応して２次元平面上に配置された複数のピン（１８）を備えたマイクロピラーアレイ（１９）を使用し、ピン（１８）によってカンチレバー（４）の基板層側の面に力を加え、カンチレバー（４）を支持基板の表面に対して傾斜させ、加熱させてカンチレバー（４）を塑性変形させることを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、微小領域での対象物との接触が可能な複数のカンチレバーを備えたマルチプローブの製造方法に関する。

ナノメートル程度の形状の観測や、ナノメートル程度の微小領域での接触（以下、ナノコンタクトと記す）を実現するために、種々の分野において微小プローブが使用されている。例えば、原子間力顕微鏡やＩＣ検査用プローブカードにおいて、カンチレバー型や、ピン型のプローブが使用されており、種々のタイプのものが知られている。

下記特許文献１〜３には、ピン型プローブが開示されており、下記特許文献４〜１０には、カンチレバー型プローブが開示されている。これらのうち、特許文献４〜６には、半導体製造プロセスを使用してカンチレバーを製造する方法が開示されている。また、特許文献７〜１０には、検査対象との接触を保証するために、階段形状に形成されたカンチレバーや、傾斜したカンチレバーが開示されている。

一方、下記特許文献１１及び非特許文献１には、アレイ状にカンチレバーを配置した構造が開示されている。さらに、非特許文献１には、アレイ状に配置されたカンチレバーを使用したメモリ装置が開示されている。
特開２０００−２９２４３９号公報特開平１１−３４４５１０号公報特開平１１−１４２４３８号公報特開平６−２１３９３０号公報特開２００３−３５７２３号公報特開２００３−１２１４６９号公報特開２００２−１５１５５７号公報特開２００２−７１７１９号公報特開２００１−１５９６４２号公報特開２０００−２４９７２２号公報特開２０００−２４１４５５号公報Ｐ.ベティガー、Ｇ.ビニッヒ、"ナノマシンで実現する超高密度メモリー"、日経サイエンス、２００３年４月号、ｐ.２２−３１

上記特許文献１〜３に開示されているようなピン型プローブを使用したＩＣ検査用プローブカードでは、ピンの先端と目標点との接触を確保するために、ピンに対してバネなどによって力を加える手段を備えており、構造が複雑である。従って、製造工程が複雑で、高価になる上に、微細化も困難である問題がある。

また、特許文献４、特許文献１１及び非特許文献１では、カンチレバーが支持板と平行になっており、カンチレバーの先端部に形成された突起部の高さしか接触部の変位可能な範囲（以下、ストロークと記す）が稼げず、接触面の凹凸の程度によっては、複数のカンチレバー全体の接触を保証できないという問題がある。

また、特許文献５〜８に開示されたプローブは、各々のカンチレバーを個別に製造した後に、支持基板に取り付けることが必要であり、製造工程が複雑である。特許文献７、８に開示されたプローブは、カンチレバーの形状が複雑であり、製造工程がさらに複雑である。

特許文献９、１０に開示されたプローブは、複数のカンチレバーが一列に配列した形状を半導体プロセスで製造した後、導電部を傾斜させて支持基板に取り付けるために、支持基板に溝を形成して接着固定することが必要であり、製造工程が複雑である。また、支持基板に溝を形成せずに取り付けるには、プローブの支持部に新たな傾斜面を設けることが必要であり、この場合にも製造工程が複雑になるという問題がある。

本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、複数のプローブを対象物に十分に接触させることができ、製造が比較的容易であるマルチプローブの製造方法を提供することにある。

本発明の目的は、以下の手段によって達成される。

即ち、本発明に係るマルチプローブの製造方法（１）は、支持基板の一方の表面と略平行に、前記支持基板の少なくとも一部と一体に、且つ加熱によって塑性変形する材料で形成される複数のカンチレバーを備えたマルチプローブに対して、前記カンチレバーの一方の面に力を加え、前記カンチレバーを前記支持基板の表面に対して傾斜させ、加熱させて前記カンチレバーを塑性変形させることを特徴としている。

本発明に係るマルチプローブの製造方法（２）は、活性層及び基板層が積層された基板を加工し、前記活性層の前記基板層側の表面が露出した複数のカンチレバーを形成する第１ステップと、前記カンチレバーの前記基板層側の表面に力を加え、前記カンチレバーを前記活性層の表面に対して傾斜させ、加熱して前記カンチレバーを塑性変形させる第２ステップとを含むことを特徴としている。

本発明に係るマルチプローブの製造方法（３）は、上記のマルチプローブの製造方法（２）において、前記第１ステップの前に、前記カンチレバーの自由端部が形成される位置に対応する、前記活性層の表面上の位置に、所定の大きさの複数のエッチングマスクを形成し、該エッチングマスクを利用して、異方性エッチングを行う第３ステップをさらに含むことを特徴としている。

本発明に係るマルチプローブの製造方法（４）は、上記のマルチプローブの製造方法（２）又は（３）において、前記第２ステップの後に、前記カンチレバーの表面に導電膜を形成する第４ステップをさらに含むことを特徴としている。

本発明に係るマルチプローブの製造方法（５）は、上記のマルチプローブの製造方法（２）〜（４）の何れかにおいて、前記第２ステップにおいて、複数の前記カンチレバーの配置に対応して２次元平面上に配置された複数のピンを備えたマイクロピラーアレイを使用し、前記ピンによって前記カンチレバーの前記基板層側の面に力を加え、前記マイクロピラーアレイが、少なくとも前記ピンの先端部分の表面に、前記第２ステップでの加熱によって前記カンチレバーと結合しない絶縁膜を備えていることを特徴としている。

本発明に係るマルチプローブの製造方法（６）は、上記のマルチプローブの製造方法（２）〜（４）の何れかにおいて、前記第１ステップの後、前記第２ステップの前に、前記カンチレバーの前記基板層側の面に絶縁膜を形成する第５ステップを含み、前記第２ステップにおいて、複数の前記カンチレバーの配置に対応して２次元平面上に配置された複数のピンを備えたマイクロピラーアレイを使用し、前記ピンによって前記カンチレバーの前記基板層側の面に力を加え、前記絶縁膜が、前記第２ステップでの加熱によって前記マイクロピラーアレイと結合しないことを特徴としている。

また、本発明に係るマルチプローブ（１）は、支持基板と、該支持基板に形成された複数の開口部の各々に対応するカンチレバーとを備えたマルチプローブであって、前記カンチレバーは、前記支持基板の一方の表面と所定の角度を成して前記開口部の側壁から突出し、前記カンチレバーと前記支持基板の少なくとも一部とが、弾性材料で一体に形成されていることを特徴としている。

本発明に係るマルチプローブ（２）は、上記のマルチプローブ（１）において、前記カンチレバーの自由端付近の、前記所定の角度が増大する方向に位置する前記カンチレバーの表面上に、凸部を備え、前記カンチレバー及び前記支持基板が一体を成しており、前記カンチレバーが、略直方体であり、格子状に配列していることを特徴としている。

本発明に係るマルチプローブ（３）は、上記のマルチプローブ（２）において、前記凸部の表面上、及び前記所定の角度が増大する方向に位置する前記カンチレバーの表面上に、導電膜を備えていることを特徴としている。

本発明に係るマルチプローブ（４）は、上記のマルチプローブ（１）〜（３）の何れかにおいて、前記所定の角度が減少する方向に位置する前記カンチレバーの表面上と、前記カンチレバーが突出している前記開口部の前記側壁とに跨って、又は、前記所定の角度が増大する方向に位置する前記カンチレバーの表面上と、前記支持基板の前記一方の表面とに跨って、通電によって形状が変化するアクチュエータを備え、前記カンチレバーの自由端の位置が、前記アクチュエータへの通電によって、前記所定の角度が増加又は減少する方向に変化することを特徴としている。

本発明に係るマルチプローブの製造方法によれば、接触部のストロークが比較的大きいマルチプローブを容易に製造することができる。

また、カンチレバーの大きさ、塑性変形工程での加熱温度、及び加熱時のカンチレバーの押し出し量を調節することによって、カンチレバーの傾斜角度を調節することができ、種々の用途に応じたストロークを有するマルチプローブを容易に製造することができる。

また、既存の半導体プロセスを使用した比較的簡単な製造方法であるので、マルチプローブを比較的安価に製造することができる。また、微細化にも容易に対応することができる。

また、本発明に係るマルチプローブによれば、接触部のストロークが比較的大きいので、ＩＣチップ表面などの対象物の表面に微小な凹凸がある場合にも、比較的広範囲にわたって、複数の点で対象物と十分な接触を実現することができる。従って、ＩＣ検査用プローブ、ナノ加工用プローブなどのナノコンタクトを必要とする種々の分野に適用することができる。

また、プローブに例えばアクチュエータを備えることによって、マルチプローブの所望のプローブのみを対象物と接触させることができる。従って、汎用性の高いマルチプローブを実現することができ、１つのマルチプローブを種々の対象物に使用することや、記録装置などに適用することができる。

以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。図１は、マルチプローブ１の概略を示す斜視図である。図１に示したように、本マルチプローブ１は、支持基板２に複数のプローブ３が２次元配列されて形成されている。

図２は、図１に示したマルチプローブ１の１つのプローブ３を拡大して示す斜視図であり、図３は、図２に示したプローブ３の垂直断面図である。図２、３に示したように、各々のプローブ３は、カンチレバー４と、カンチレバー４の自由端付近に形成された先鋭に突出したチップ５と、カンチレバー４及びチップ５の上に形成された導電膜６とを備えている。各々のカンチレバー４は、厚さが支持基板２全体の厚さよりも薄く、所定の角度θ（以下、傾斜角度と記す）で支持基板２の表面に対して傾斜し、支持基板２に形成された開口部の側壁から突出して、支持基板２の一部と一体に形成されている。

カンチレバー４は、例えばＩＣ検査用プローブカードに用いる場合には、長さＬ、幅Ｗ及び厚さｔがそれぞれ１０ｍｍ以下の微小寸法である。好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは、長さＬが約１０〜５００μｍ、幅Ｗが約５〜２０μｍ、厚さが約１〜２０μｍである。チップ５の高さＨは、例えば約２〜２０μｍである。また、傾斜角度θは、０度より大きく４５度以下、より望ましくは、約１０〜２０度の範囲である。

マルチプローブ１は、後述するように、単結晶シリコンを半導体リソグラフィ技術にて加工し、さらに塑性成形加工を施して形成することができる。その場合、図３に示したように、支持基板２は複数の層構造に形成され、カンチレバー４、支持基板２の最上位層２１及びベース層２３は、例えば単結晶シリコンで形成され、中間層２２は酸化物、例えばＳｉＯ₂で形成される。

導電膜６は、金などの金属から形成されており、チップ５の先端が対象物に接触した状態で、電気信号を測定装置に伝送することを可能とする。

本マルチプローブ１をＩＣ検査用プローブカードに適用する場合、各々のプローブ３上に形成された導電膜６の一端を電気配線を介してＩＣ検査装置に接続し、対象面を上向きにして配置した検査対象のＩＣチップの上に、本マルチプローブ１を、チップ５が検査対象のＩＣチップ表面と接触するようにチップ５を下向きにして載置する。尚、本マルチプローブ１を、チップ５を上向きにして配置し、その上に検査対象のＩＣチップを、対象面を下向きにして載置してもよい。ここで、実際の検査においてどのプローブ３を使用するかは、検査対象のＩＣの配線パターン及び検査する部位に応じて決定される。各々のカンチレバー４が、弾性材料（例えば、単結晶シリコン）で形成され、支持基板２の表面に対して所定の角度θを成しているので、検査用ＩＣチップ表面と接触したカンチレバー４は、支持基板２自体による力、若しくは僅かな外力を付加することによって、傾斜角度θが小さくなるように変形する。材料としては、シリコン系、金属系又は複合材料系の何れをも使い得るが、単結晶シリコンが最も好ましい。何故ならば、塑性変形させるための力の方向に対する結晶の滑り方向が限定されるため、塑性変形（歪み）量を制御し易くなるためである。従って、検査用ＩＣチップの表面が十分に平坦でなく、僅かに凹凸があり、対象のＩＣチップ表面とマルチプローブ１の各々のチップ５との距離が一定でない場合にも、略全てのチップ５を、検査用ＩＣチップの表面に容易に接触させることが可能となる。

カンチレバー４の形状、寸法及び傾斜角度θは、上記の値に限定されず、用途や、カンチレバーの材質に応じて適切に設計すればよい。また、カンチレバー４周囲の開口部の形状も、上記のように角のある略Ｕ字形状に限定されず、カンチレバー４が、一方の端部が自由端であり、他方の端部が固定端である片持梁として機能する形状であればよい。

また、カンチレバー４にチップ５が形成されていなくてもよい。例えば、傾斜角度θが十分に大きい場合、カンチレバー４の自由端を対象物と接触させればよい。

また、以上では、カンチレバー４が単結晶シリコンで形成された場合を説明したが、これに限定されず、弾性を有する材料であればよい。例えば、多結晶シリコン、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄などのシリコン系材料や金属薄膜材料であってもよい。

また、支持基板２の中間層２２は、後述する半導体プロセスによって本実施の形態に係るマルチプローブ１を製造する場合に、エッチングストップ層として必要なものであるが、その他の製造方法で本発明に係るマルチプローブ１を製造する場合には、なくてもよい。同様に、支持基板２は図３に示した３層構造である必要はなく、例えば、支持基板２全体がカンチレバー４と同じ材質で、１層に形成されていてもよい。

また、マルチプローブ１中の各プローブ３の配置は、図１に示したように、直交する格子状の配置に限定されない。例えば、偶数列及び奇数列の位置、又は偶数行及び奇数行の位置が所定の距離だけずれた斜格子状の配置や、その他の配置であってもよい。

また、用途によっては、カンチレバー４表面の導電膜６はなくてもよく、代わりに強度を増大させるための保護膜などを形成してもよい。

また、各々のカンチレバー４にＰＺＴなどの圧電材料や形状記憶合金を備えて、各々のカンチレバー４の使用の有無に応じて、接触しているチップ５を対象から離すことができる。例えば、図４に示したように、チップ５が形成されていない側のカンチレバー４の表面上の、支持基板２の近傍領域と、支持基板２に形成された開口部の側壁とに跨るように、圧電材料からなるアクチュエータ７を備えて、各々のプローブを構成する。アクチュエータ７が、両端に接続された配線（図示せず）を介して通電されて長さが短くなるようにひずむ場合、カンチレバー４は傾斜角度θが減少する方向に変形し、チップ５が、接触していた対象物から離れる。従って、例えば、ＩＣ検査用プローブカードに適用する場合、ＩＣチップの配線パターン及び検査対象部位に応じて、不要なチップ５を接触させないようにすることができ、汎用性の高いプローブカードを実現することができる。ここで、圧電材料の代わりに、形状記憶合金を用いたアクチュエータを使用してもよい。

また、用途によっては、図４のアクチュエータと反対の位置、即ち、チップ５が形成されている側のカンチレバー４表面の支持基板２の近傍領域と、支持基板２の表面とに跨るように、アクチュエータを形成し、傾斜角度θが増大する方向にカンチレバーを変形させてもよい。

次に、本実施の形態に係るマルチプローブの製造方法を図５に従って説明する。図５の（ａ）〜（ｇ）は、マルチプローブ製造工程における断面図であり、１つのプローブのみを代表的に示している。

第１ステップにおいて、（ａ）に示したように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の活性層１２及び基板層１０の表面を酸化し、フォトリソグラフィによってカンチレバー４のチップ５を形成する領域にシリコン酸化膜の正方形のマスク１３を形成し、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）などのアルカリ系エッチング液に浸漬し、活性層１２を異方性エッチングする。ＳＯＩ基板は、単結晶シリコンの基板層１０の上に、酸化膜（ＳｉＯ₂）のボックス層１１及び単結晶シリコンの活性層１２が形成されている。例えば、ボックス層１１の厚さは約１μｍ、活性層１２の厚さは約１〜１００μｍである。ここで、基板層１０及び活性層１２の単結晶シリコンの結晶方位は、それぞれの表面に平行な面が（１００）結晶面であり、図５の左右方向に垂直な面が（１１０）結晶面であるとする。結晶方位が上記のように設定されていることから、活性層１２のシリコンは異方性エッチングされ、活性層１２の表面に垂直な方向に侵食が速く進み、マスク１３の下部では、（１１１）結晶面が露出するように水平方向にも侵食が進む。これによって、（ｂ）に示したように、先鋭な凸形状にシリコンが残り、チップ５が形成される。

第２ステップにおいて、（ｃ）に示したように、活性層１２の表面のマスク１３を除去し、金属膜を形成し、これをカンチレバーとする領域及びそれを支持する領域を残すようにパターニングして所定のマスク１５を形成し、再び第１ステップと同様にエッチングを行う。これによって、（ｄ）に示したように、一部の活性層１２が除去される。図６は、活性層１２が略Ｕ字形状に除去されて、ボックス層１１が露出している状態を示す平面図である。

第３ステップにおいて、マスク１５を除去した後、（ｅ）に示したように、活性層１２にシリコン酸化膜１６を形成し、裏面にエッチングの保護マスク１７を形成し、フォトリソグラフィによって基板層１０を薄膜化する領域（上記のＵ字形状領域及びカンチレバー領域に対応する略凸形状領域）の保護マスク１７を除去し、ボックス層１１をエッチングストップ層として異方性ウエットエッチングを行う。これによって、基板層１０が除去された部分のボックス層１１が露出する。

第４ステップにおいて、第３ステップの処理によって露出したボックス層１１の所定部分（上記のＵ字形状領域及びカンチレバー領域に対応する略凸形状領域）を、フッ酸で除去する。これによって、（ｆ）に示したように、カンチレバー４が形成される。ここで、カンチレバー４の周囲は、略Ｕ字形状に貫通されている。

第５ステップにおいて、（ｇ）に示したように、複数の微小ピン１８を備えた押し込み治具（以下、マイクロピラーアレイと記す）１９を使用し、各々のカンチレバー４に、チップ５が形成されていない側から力を加えて変形させた状態で、所定の時間、高温槽に投入する。これによって、外力により弾性変形していたシリコンが塑性変形し、マイクロピラーアレイ１９を取り外した後も、カンチレバー４が所定の角度だけ傾いた状態になる。ここで、高温槽での加熱は、窒素ガスなどの不活性ガス中で行うことが望ましい。また、マイクロピラーアレイ１９は、図７に示したように、各々のカンチレバー４に対応する位置に微小ピン１８が配置されている。図７では、カンチレバー４と微小ピン１８の位置合わせが容易となるように、マルチプローブ１及びマイクロピラーアレイ１９の四隅に、それぞれガイド孔及びガイドピンが形成されている。

第６ステップにおいて、チップ５及びカンチレバー４の表面の所定領域に金属をコーティングする。

以上によって、図１に示したようなマルチプローブを形成することができる。

第５ステップにおいて、カンチレバー４をマイクロピラーアレイ１９で押し出す量、及び処理温度は、カンチレバーの寸法及び所望の傾斜角度θに応じて、適切に設定すればよい。例えば、シリコンでは、寸法が小さいほど破壊強度が増大し、蓄えられるひずみエネルギーが増大し、僅かの熱を加えることによって転移が発生する。従って、カンチレバーの寸法によっては、例えば１０００℃以上の加熱が必要である場合もあるが、カンチレバーの寸法が比較的小さければ、比較的低い温度（例えば約１００℃）でも塑性加工が可能となる。

第５ステップで使用するマイクロピラーアレイ１９は、公知の半導体プロセスを用いて、例えば、ＣＶＤを用いたシリコンの深堀エッチングによって製造できる。

また、カンチレバー４及びマイクロピラーアレイ１９がシリコンを使用して形成されており、接触したシリコンが結合するほどの高温で塑性形成加工する場合には、微小ピン１８とカンチレバー４との接触部での結合を避けるために、少なくとも微小ピン１８の先端部分、又はカンチレバー４の裏面に、例えば窒化膜が形成されていることが望ましい。また、窒化膜に限定されず、塑性形成加工の加熱によって結合が生じなければ、カンチレバー４及びマイクロピラーアレイ１９の材質に応じて、酸化膜やそれ以外の絶縁膜であってもよい。

また、第６ステップにおいて、十分な傾斜角度θを生成する場合、チップ５を形成する第２ステップはなくとも、カンチレバーの自由端で接触を保証することができる。

また、上記の第１〜第４ステップ以外の方法で、シリコン系材料を使用して支持基板の表面と平行にカンチレバーを形成し、これに対して上記の第５ステップを実行し、カンチレバーを傾斜させてもよい。

本発明の実施の形態に係るマルチプローブの概略を示す斜視図である。図１に示したマルチプローブの１つのプローブを示す斜視図である。図２に示したプローブの垂直断面図である。本発明の実施の形態に係る可動なプローブを示す断面図である。本発明の実施の形態に係るマルチプローブの製造方法を示す断面図である。活性層が略Ｕ字形状に除去された状態を示す平面図である。マイクロピラーアレイによる押し出し工程を示す斜視図である。

符号の説明

１マルチプローブ
２支持基板
３プローブ
４カンチレバー
５チップ
６導電膜

Claims

支持基板の一方の表面と略平行に、前記支持基板の少なくとも一部と一体に、且つ加熱によって塑性変形する材料で形成される複数のカンチレバーを備えたマルチプローブに対して、
前記カンチレバーの一方の面に力を加え、前記カンチレバーを前記支持基板の表面に対して傾斜させ、加熱させて前記カンチレバーを塑性変形させることを特徴とするマルチプローブの製造方法。
活性層及び基板層が積層された基板を加工し、前記活性層の前記基板層側の表面が露出した複数のカンチレバーを形成する第１ステップと、
前記カンチレバーの前記基板層側の表面に力を加え、前記カンチレバーを前記活性層の表面に対して傾斜させ、加熱して前記カンチレバーを塑性変形させる第２ステップとを含むことを特徴とするマルチプローブの製造方法。
前記第１ステップの前に、前記カンチレバーの自由端部が形成される位置に対応する、前記活性層の表面上の位置に、所定の大きさの複数のエッチングマスクを形成し、該エッチングマスクを利用して、異方性エッチングを行う第３ステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のマルチプローブの製造方法。
前記第２ステップの後に、前記カンチレバーの表面に導電膜を形成する第４ステップをさらに含むことを特徴とする請求項２又は３に記載のマルチプローブの製造方法。
前記第２ステップにおいて、複数の前記カンチレバーの配置に対応して２次元平面上に配置された複数のピンを備えたマイクロピラーアレイを使用し、前記ピンによって前記カンチレバーの前記基板層側の面に力を加え、
前記マイクロピラーアレイが、少なくとも前記ピンの先端部分の表面に、前記第２ステップでの加熱によって前記カンチレバーと結合しない絶縁膜を備えていることを特徴とする請求項２〜４の何れかの項に記載のマルチプローブの製造方法。
前記第１ステップの後、前記第２ステップの前に、前記カンチレバーの前記基板層側の面に絶縁膜を形成する第５ステップを含み、
前記第２ステップにおいて、複数の前記カンチレバーの配置に対応して２次元平面上に配置された複数のピンを備えたマイクロピラーアレイを使用し、前記ピンによって前記カンチレバーの前記基板層側の面に力を加え、
前記絶縁膜が、前記第２ステップでの加熱によって前記マイクロピラーアレイと結合しないことを特徴とする請求項２〜４の何れかの項に記載のマルチプローブの製造方法。