JP2006119024A

JP2006119024A - プローブおよびその製造方法

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Publication number: JP2006119024A
Application number: JP2004308132A
Authority: JP
Inventors: Tomohisa Hoshino; 智久星野; Yoshiki Yamanishi; 良樹山西; Hiroyuki Hashimoto; 浩幸橋本
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2006-05-11
Also published as: WO2006043645A1; US20080001102A1; US7692434B2; TW200628801A; CN101023363A; KR20070050991A; KR100903842B1; TWI280369B; CN100580457C

Abstract

【課題】狭いピッチで配列された電極パッドに確実に接触できるプローブおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】プローブ針２０は、カンチレバー２１と、柱状部２２と、頂部２３とを含み、柱状部２２はカンチレバー２１の一端に、片持ち支持されるように形成されており、柱状部２２の先端に頂部２３が形成されている。柱状部２２の高さが頂部２３の高さよりも高く形成され、柱状部２２と頂部２３との高さが、幅に比べて２倍以上となるように選ばれている。
【選択図】図１

Description

この発明はプローブおよびその製造方法に関し、例えば、半導体ウエハの電気的特性検査を行う際に用いられるプローブおよびその製造方法に関する。

例えば、半導体ウエハに多数形成されたメモリ回路やロジック回路などのＩＣチップの電気的特性検査を行うために、コンタクタとして例えば、特開２０００−０５５９３６号公報に記載されているようなプローブカードが用いられている。このプローブカードは、検査時にウエハの電極パッドと接触したときに、試験装置であるテスタとＩＣチップ間で検査信号の授受を中継する役割を果たしている。

このプローブカードは、例えばＩＣチップ上に形成された複数の電極パッドに対応した複数のプローブ針を有し、各プローブ針と各電極パッドとをそれぞれ電気的に接触させてＩＣチップの検査を行うようにしている。プローブ針は、電極パッドに接触する頂部と、弾性部材とからなるカンチレバーを含む。

図６はプローブ針の製造プロセスを示す図であり、図７は図６の製造プロセスで形成されたプローブ針の外観斜視図である。図６および図７を参照して、従来のプローブ針について説明する。

図６（Ａ）に示すシリコン基板１の表面に、図６（Ｂ）に示すようにシリコン酸化膜２を形成した後、その表面にレジスト膜３を形成する。図示しないフォトマスクを介して露光した後、レジスト膜３を現像処理し、レジスト膜３に四角形の開口溝４を形成する。開口４の部分のシリコン酸化膜２を除去した後、シリコン基板１に異方性ウェットエッチングを施し、図６（Ｃ）に示すように逆四角錐台状の溝５を形成した後、図６（Ｄ）に示すようにレジスト膜３とシリコン酸化膜２を除去する。

さらに、図６（Ｅ）に示すようにシリコン基板１の表面全体にメッキの種となるチタン膜６を形成する。次に、フォトリソグラフィ技術によって、カンチレバー８に相当する部分および溝５に相当する部分を除いて図６（Ｆ）に示す犠牲層７を形成し、図６（Ｇ）に示すように犠牲層７部分を除いてカンチレバー８に相当する部分と溝５に例えばニッケル合金をメッキすることで堆積し、図６（Ｈ）に示すように犠牲層７を除去して、プローブ針の頂部である逆四角錐台９とカンチレバー８とを形成する。

図６（Ａ）〜（Ｈ）に示す製造工程で形成されたプローブは、図７に示すようにカンチレバー８部分は直方体の形状であり、長さＬが２００〜５００μｍ、幅Ｗが６０〜１５０μｍ、厚さＴが１０〜２０μｍの大きさであり、逆四角錐台９である頂部は高さＨが５０〜１００μｍであり、先端の平面部分の幅Ｗｔは１０±２μｍほどの大きさとなる。
特開２０００−０５５９３６号公報

ところで、最近ではＩＣチップの集積度が高まってきており、電極パッドの数も増加するとともに電極パッドの配列ピッチも益々狭くなってきている。このため、プローブ針も幅を狭くしなければ、隣接する電極パッドに接触してしまい、電極パッドのピッチに対応しなくなってきている。しかしながら、図７に示したプローブ針の頂部となる逆四角錐台９は、その幅を小さくしようとすると、その高さが低くなってしまう。

すなわち、逆四角錐台９は、図６（Ｃ）に示すように溝５を異方性ウェットエッチングで形成されるために、溝５の径を小さくすれば、溝５の深さが浅くなってしまい、溝５の深さを深くした場合には、径を大きくせざるを得ず、頂部の径が大きくなってしまい、電極パッドのピッチが狭くなってきているのに対応することができない。
このように逆四角錐台９の高さが低い場合には、カンチレバー８が電極パッドや他の素子に接触したり、逆四角錐台９が電極パッドに適切に接触できなくなるなどの問題を生じる。さらに、逆四角錐台９が低ければカンチレバー８が撓んで電極パッドに接触してしまうおそれも生じる。

そこで、この発明の目的は、狭いピッチで配列された電極パッドに確実に接触できるプローブおよびその製造方法を提供することである。

この発明は、プローブ基板に片持ち支持される梁部と、この梁部の先端部から立ち上がって延びる接触子とを備えたプローブにおいて、梁部への接続箇所となる接触子の基部の幅寸法をＷとし、基部から頂点までの接触子高さ寸法をＨとしたとき、Ｈ／Ｗ≧２の寸法関係が成立することを特徴とする。

接触子の基部から頂点までの高さを基部の幅よりも２倍以上にすることで、接触子が他の素子に接触したりすることなく、狭いピッチで配列された電極パッドに確実に接触できる。

好ましくは、接触子は、基部から立ち上がって延びる柱状部と、柱状部の先端から錐状に延びる頂部とを含み、柱状部の高さは、錐状頂部の高さよりも大きい。

好ましくは、柱状部は、その全体高さに亘って同じ大きさの横断面形状を有している。同じ横断面形状にすることで、同じエッチング工程で柱状部を形成できるので、製造工程を簡略化できる。

好ましくは、柱状部は、基部側に位置して相対的に大きな幅寸法を有する大径部と、先端側に位置して相対的に小さな幅寸法を有する小径部とを含む。小径部の先端に頂部を形成できるので、頂部の径をより小さくできる。

好ましくは、柱状部の先端部と、錐状頂部の基部とは、同じ大きさの横断面形状を有している。同じ横断面形状とすることで製造が容易になる。

好ましくは、接触子の基部の幅寸法Ｗは、１００μｍ以下である。

この発明の他の局面は、基板の主表面に対して異方性ドライエッチングを行なって柱状の溝を形成する工程と、柱状の溝の底部に対して異方性ウェットエッチングを行なって錐状の溝を形成する工程と、錐状の溝および柱状の溝に金属を埋め込んでプローブの接触子を形成する工程とを備える。

このような製造工程を採用することで、プローブの製造が容易になる。

好ましくは、基板は、第１の基板材料の層と第２の基板材料の層とをエッチングレートの異なる境界層を介して積層した構造を有しており、柱状の溝は、第１の基板材料の層に形成され、錐状の溝は、第２の基板材料の層に形成される。エッチングレートの異なる境界層を使用することで、第１の基板材料に異方性ドライエッチングを行ったときに第２の基板材料に同じ異方性ドライエッチングがされてしまうのを阻止できる。

好ましくは、境界層は、柱状の溝を形成する際にエッチングストッパとして機能する。

好ましくは、接触子を形成する工程は、柱状の溝の側壁と錐状の溝の底部にメッキ用の種を形成し、その後この種の上に金属を堆積することを含む。

好ましくは、柱状の溝を形成する工程は、基板の主表面に対して異方性ドライエッチングを行って相対的に径の大きな大径柱状溝を形成することと、大径柱状溝の底部に対して異方性ドライエッチングを行って相対的に径の小さな小径柱状溝を形成することを含む。

好ましくは、小径柱状溝の側壁と、大径柱状溝の側壁とを接続する部分に対して、異方性ウェットエッチングを行って錐状の斜面を形成する工程をさらに備える。

この発明では、接触子の基部から頂点までの高さを基部の幅よりも２倍以上にすることで、接触子が他の素子に接触したりすることなく、狭いピッチで配列された電極パッドに確実に接触できる。しかも、電極パッドが狭いピッチで複数列配列されていても、その配列に対応してプローブをプローブカードに配列することができ、配列の自由度を高くできる。さらに、梁部が撓んでも接触子の高さを高くしているので、梁部が電極パッドなどに接触してしまうのも防止できる。

図１はこの発明の一実施形態におけるプローブ針の外観斜視図であり、図２は図１に示したプローブ針を拡大して示す図であり、特に（Ａ）は柱状部と頂部の正面図であり、図（Ｂ）は頂部を下から見た図である。

図１において、プローブ針２０は、梁部としてのカンチレバー２１と、カンチレバー２１の先端部から立上がって延びる接触子としての柱状部２２および頂部２３を含む。柱状部２２はプローブ基板に肩持ち支持されたカンチレバー２１の一端に形成されており、柱状部２２の先端に頂部２３が形成されている。柱状部２２は図２（Ａ）に示すように高さｈ１が数十〜数百μｍ、より好ましくはおよそ５０〜２００μｍに形成され、カンチレバー２１への接続箇所となる柱状部２２の基部の幅Ｗが数十μｍ、より好ましくはおよそ５０μｍの四角柱形状に形成されている。

頂部２３はその高さｈ２がおよそ３０μｍの逆四角錐台となるように形成されている。すなわち、柱状部２２の高さｈ１が頂部２３の高さｈ２よりも高く形成され、柱状部２２と頂部２３との高さｈ１＋ｈ２＝Ｈが、幅Ｗに比べてＨ／Ｗ≧２の寸法関係が成立するように選ばれている。さらに、柱状部２２の横断面積と、頂部２３の柱状部２２との接続部分の横断面積がほぼ等しく形成されている。

頂部２３は、錐状に形成されており、その先端部は図２（Ｂ）に示すように一辺がおよそ１０μｍの四角形状の平坦面を有している。この平坦面は、頂部２３が電極パッドに接触したときに接触面積を大きくして、抵抗成分を減らして電流が流れ易くするために形成されている。

このように頂部２３の径を細くすることで、電極パッドのピッチが狭くなっても、頂部２３が隣接するパッドに接触することがない。しかも、頂部２３を柱状部２２によりカンチレバー２１から嵩上げすることで、頂部２３である逆四角錐台の径を細くして、頂部２３の高さｈ２が低くても、カンチレバー２１が撓んで電極パッドに接触するおそれを解消できる。

したがって、この実施形態によるプローブは、比較的構造が簡単であって、接触子の幅Ｗを狭くしながら高さｈ１＋ｈ２を高くできるので、電極パッドが狭いピッチで複数列配列されていても、その配列に対応してプローブカードに配列することができ、配列の自由度を高くできる。

なお、図１に示した柱状部２２は四角柱形状に形成し、頂部２３は逆四角錐台となるように形成したが、これに限ることなく、柱状部２２は円柱状，三角柱状，多角柱状に形成してもよい。また、頂部２３も柱状部２２の形状に対応して逆円錐台，逆三角錐台，逆多角錐台の形状に形成してもよい。

図３は柱状部の各種例を示す横断面図である。図３（Ａ）は柱状部２２を四角柱に形成した例であり、幅Ｗは最長となる対角線の長さであり、図３（Ｂ）は柱状部２２を三角柱に形成したものであり、幅Ｗは最長となる１辺の長さである。図３（Ｃ）は柱状部２２を多角柱で形成したものであり、幅Ｗは最長となる対角線の長さである。図３（Ｄ）は柱状部２２を断面が長方形の四角柱で形成したものであり、幅Ｗは最長となる対角線の長さである。図３（Ｅ）は柱状部２２を円柱で形成したものであり、幅Ｗは直径である。

図４は図１に示したプローブ針２０の製造プロセスを示す図である。この発明の実施形態として、エッチングレートの異なる境界層を介して積層された２層構造を持つ基板材料が用いられる。第１層目の基板材料の主表面を異方性でドライエッチングすることにより、柱状部２２に相当する四角柱の溝が形成され、第２層目の基板材料を異方性でウェットエッチングすることにより、逆四角錐台の頂部２３に相当する溝が形成される。このようにして形成された溝にメッキを施すことで柱状部２２と頂部２３とが形成される。基板としては、予めシリコン層の上下にシリコン酸化膜が形成された基板材料と、シリコン層の上面にのみシリコン酸化膜が形成された基板材料とを張り合わせて用いられる。

より具体的に説明すると、図４（Ａ）に示すように、第１層目の基板材料となるシリコン基板３１上にＮＳＧ（ノンドープシリコン酸化膜）膜３２が形成されており、このシリコン基板３１と、第２層目の基板材料となるシリコン基板３３との間に、エッチングレートの異なる境界層として、埋め込み絶縁層３４がＣＶＤ法により形成されている。埋め込み絶縁層３４は、シリコン基板３１を異方性ドライエッチングしたときにストッパとしての機能を果たすものであり、典型的にはシリコン酸化膜が用いられるが、酸化膜に代えてシリコン窒化膜を用いてもよい。ＮＳＧ膜３２上にはレジスト膜３５が形成され、フォトマスクを介して露光した後、レジスト膜３５を現像処理し、ＮＳＧ膜３２に四角形の開口部３６を開ける。

続いて、図４（Ｂ）に示すように異方性ドライエッチングを施して、ＮＳＧ膜３２に形成した開口部３６を形成し、開口部３６の下側に延びるようにシリコン基板３１に深い柱状溝３６ａを形成して、埋め込み絶縁層３４の表面を露出させる。さらに、図４（Ｃ）に示すように、柱状溝３６ａの下側の埋め込み絶縁層３４をドライエッチングしてシリコン基板３３の表面を露出させ、レジスト膜３５を除去した後、図４（Ｄ）に示すように柱状溝３６ａの開口部周辺と柱状溝３６ａの側壁および底部の全体に酸化膜３７を形成する。このとき、図４（Ｃ）に示したＮＳＧ膜３２は酸化膜３７に含まれてしまうので、柱状溝３６ａの側壁に比べて柱状溝３６ａの開口部周辺の酸化膜３７の厚みが厚くなる。

図４（Ｅ）に示すように、シリコン基板３１上の酸化膜３７上に比較的厚みが厚く、柱状溝３６ａの底部における厚みが薄くなるようにＮＳＧ膜３８をＣＶＤ法により形成する。そして、図４（Ｆ）に示すように異方性ドライエッチングすると、柱状溝３６ａの側壁の酸化膜３７は薄くなるが、底部上の酸化膜３７が除去されてシリコン基板３３が露出する。さらに、図４（Ｇ）に示すようにＫＯＨ水溶液を用いてシリコン基板３３を異方性ウェットエッチングすることにより、柱状溝３６ａの底部のシリコン基板３３に逆四角錐台の錐状溝３６ｂを形成する。

図４（Ｈ）に示すように、ＣＶＤ法を用いて酸化膜３７上と柱状溝３６ａの側壁と逆四角錐台の錐状溝３６ｂの底部に酸化チタンまたは酸化銅をメッキの種３９として形成する。さらに、図４（Ｉ）に示すようにカンチレバー２１に相当する部分を除いてメッキの種３９上にリソグラフィ技術を用いてレジスト４０を形成し、図４（Ｊ）に示すように、レジスト４０で囲まれた領域と柱状溝３６ａと錐状溝３６ｂに例えばニッケル合金４１を堆積し、シリコン基板３１，３３などから取り外すことで図４（Ｋ）に示すように、カンチレバー２１と、柱状部２２と、頂部２３とを有するプローブ針２０を形成できる。

上述のごとく、この実施形態によれば、異方性ドライエッチングにより柱状部２２に相当する柱状溝３６ａを形成し、異方性ウェットエッチングにより頂部２３に相当する錐状溝３６ｂを形成し、これらの柱状溝３６ａと錐状溝３６ｂに金属を埋め込むことで比較的簡単な構造のプローブ針２０を形成できる。

なお、図４に示した実施形態では、柱状部２２と頂部２３とを同一のプロセスで形成するようにしたが、頂部２３のみを別の犠牲基板で形成し、柱状部２２に接着するようにしてもよい。

図５はこの発明の他の実施形態におけるプローブ針の製造プロセスを示す図である。この実施形態は、柱状部２２が大径柱状溝と小径柱状溝とを有するように段差部を形成したものである。

図５（Ａ）において、シリコン基板３１とシリコン基板３３との間には、埋め込み絶縁層３４が形成されており、図５（Ｂ）に示すように、シリコン基板３１上にＣＶＤ法によりＮＳＧ膜３２を形成する。ＮＳＧ膜３２上にレジスト膜３５を形成した後、フォトマスクを介して露光してレジスト膜３５を現像処理し、図５（Ｃ）に示すようにレジスト膜３５とＮＳＧ膜３２とに四角形の開口部３６を開ける。図５（Ｄ）に示すように開口部３６上に、開口部３６の幅よりも狭い小径部の錐状溝３６ｃに相当する部分を除いて、レジスト膜３５を形成し、シリコン基板３１を異方性ドライエッチングして、シリコン基板３１のほぼ半分程度の深さを有する錐状溝３６ｃを形成する。

次に、レジスト膜３５を除去し、図５（Ｅ）に示すようにＮＳＧ膜３２を介して異方性ドライエッチングを行い錐状溝３６ｃの幅と深さとを広げる。その結果、大径部の柱状溝３６ｄとその下部に小径部の錐状溝３６ｅとの２段の溝が形成される。図５（Ｆ）に示すように、錐状溝３６ｅの下部の埋め込み絶縁層３４を異方性ドライエッチングにより除去し、図５（Ｇ）に示すように、シリコン基板３１の柱状溝３６ｄの開口部周囲と側壁と底部の全体に酸化膜３７を形成する。このとき、図５（Ｆ）に示すＮＳＧ膜３２は酸化膜３７に含まれてしまう結果、柱状溝３６ｄの開口部周囲における酸化膜３７の厚みが厚くなる。さらに、図５（Ｈ）に示すように、ＣＶＤ法により酸化膜３７上にＮＳＧ膜３８を形成する。このとき、ＮＳＧ膜３８は大径部の柱状溝３６ｄの開口部周囲の厚みが厚く、小径部の錐状溝３６ｅの底部が薄くなるように形成される。

図５（Ｉ）に示すように、異方性ドライエッチングを行うと、ＮＳＧ膜３８が除去されるとともに酸化膜３７のうちの柱状溝３６ｄの底の部分と錐状溝３６ｅの底の部分とが除去される。図５（Ｊ）に示すように、ＫＯＨ水溶液を用いてシリコン基板３１，３３を異方性でウェットエッチングを行って、シリコン基板３１の柱状溝３６ｄの側壁に上部が柱状溝３６ｄの幅に等しく、下部が錐状溝３６ｅの幅となる斜面４２を形成するとともにシリコン基板３３に逆四角錐台の錐状溝３６ｆを形成する。大径部の柱上溝３６ｄとその下部の斜面４２は横断面積の異なる柱状部２２ａに相当し、錐状溝３６ｆは頂部２３ａに対応する。

以下、図４（Ｈ）〜（Ｋ）と同様のプロセスにより、例えばニッケル合金を柱状溝３６ｄ，錐状３６ｆに堆積することで、図５（Ｋ）に示すようにカンチレバー２１と、柱状部２２ａと、柱状部２２ａに連なる頂部２３ａとを形成することができる。

この実施形態では、柱状部２２ａに横断面積が異なる段差部を形成し、段差部から連なるように頂部２３ａを形成することにより、頂部２３ａの先端部をより先細り形状にできるので、頂部２３ａを正確かつ確実に電極パッドに接触させることができる。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明のプローブは柱部の先端に頂部を形成することにより、ＩＣチップ上に形成された複数の電極パッドに対応して複数のプローブ針を有するプローブカードに利用できる。

この発明の一実施形態におけるプローブ針の外観斜視図である。図１に示したプローブ針を拡大して示す図であり、特に（Ａ）は柱状部と頂部の正面図であり、図（Ｂ）は頂部を下から見た図である。柱状部の各種例を示す横断面図である。図１に示したプローブ針の製造プロセスを示す図である。この発明の他の実施形態におけるプローブ針の製造プロセスを示す図である。従来のプローブ針の製造プロセスを示す図である。図６に示した製造プロセスで形成されたプローブ針の外観斜視図である。

符号の説明

２０プローブ針、２１カンチレバー、２２，２２ａ柱部、２３，２３ａ頂部、３１，３３シリコン基板、３２，３８ＮＳＧ膜，３４埋め込み絶縁層、３５，４０レジスト、３７酸化膜、３６開口部、３６ａ，３６ｃ，３６ｄ柱状溝、３６ｂ，３６ｅ，３６ｆ錐状溝、３９種、４１ニッケル合金、４２斜面。

Claims

プローブ基板に片持ち支持される梁部と、この梁部の先端部から立ち上がって延びる接触子とを備えたプローブにおいて、
前記梁部への接続箇所となる前記接触子の基部の幅寸法をＷとし、前記基部から頂点までの接触子高さ寸法をＨとしたとき、Ｈ／Ｗ≧２の寸法関係が成立することを特徴とする、プローブ。
前記接触子は、前記基部から立ち上がって延びる柱状部と、前記柱状部の先端から錐状に延びる頂部とを含み、
前記柱状部の高さは、前記錐状頂部の高さよりも大きい、請求項１に記載のプローブ。
前記柱状部は、その全体高さに亘って同じ大きさの横断面形状を有している、請求項２に記載のプローブ。
前記柱状部は、基部側に位置して相対的に大きな幅寸法を有する大径部と、先端側に位置して相対的に小さな幅寸法を有する小径部とを含む、請求項２に記載のプローブ。
前記柱状部の先端部と、前記錐状頂部の基部とは、同じ大きさの横断面形状を有している、請求項３または４に記載のプローブ。
前記接触子の基部の幅寸法Ｗは、１００μｍ以下である、請求項１から５のいずれかに記載のプローブ。
基板の主表面に対して異方性ドライエッチングを行なって柱状の溝を形成する工程と、
前記柱状の溝の底部に対して異方性ウェットエッチングを行なって錐状の溝を形成する工程と、
前記錐状の溝および前記柱状の溝に金属を埋め込んでプローブの接触子を形成する工程とを備えた、プローブの製造方法。
前記基板は、第１の基板材料の層と第２の基板材料の層とをエッチングレートの異なる境界層を介して積層した構造を有しており、
前記柱状の溝は、前記第１の基板材料の層に形成され、
前記錐状の溝は、前記第２の基板材料の層に形成される、請求項７に記載のプローブの製造方法。
前記境界層は、前記柱状の溝を形成する際にエッチングストッパとして機能する、請求項８に記載のプローブの製造方法。
前記接触子を形成する工程は、前記柱状の溝の側壁と前記錐状の溝の底部にメッキ用の種を形成し、その後この種の上に金属を堆積することを含む、請求項７から９のいずれかに記載のプローブの製造方法。
前記柱状の溝を形成する工程は、前記基板の主表面に対して異方性ドライエッチングを行って相対的に径の大きな大径柱状溝を形成することと、前記大径柱状溝の底部に対して異方性ドライエッチングを行って相対的に径の小さな小径柱状溝を形成することを含む、請求項７から１０のいずれかに記載のプローブの製造方法。
前記小径柱状溝の側壁と、前記大径柱状溝の側壁とを接続する部分に対して、異方性ウエットエッチングを行って錐状の斜面を形成する工程をさらに備える、請求項１１に記載のプローブの製造方法。