JP3599485B2 - コンタクター及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路の電気特性測定用コンタクター、微小真空デバイスや電子銃、或いは走査型トンネル顕微鏡や原子力間顕微鏡をはじめとする走査型プローブ顕微鏡のプローブ等に適用可能な、座屈する力を加えられた時に接触探子が大きく変形するので大きなオーバードライブ量が得られ、また高さ及び平面位置精度が良好な針状単結晶を接触探子とするコンタクターの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路は、不良品の除去を主目的に、その製造過程の中で電気的特性評価が何度も行われている。例えば、ＬＳＩの場合、ウエハ内に回路素子を形成した段階で各チップを構成する回路素子の動作をテストするべく電気的特性評価が行われ、更に、この後、ウエハから切りとられたチップをパッケージに収容した後、或いはＴＡＢテープに実装した状態下で、再度動作テストをするために電気的特性評価が行われる。これらの電気的特性評価では、通常タングステン等の金属を接触探子とするプローブカードや、アウターリードが挿入されたソケットを用いられることが多く、特に、ＴＡＢテープに実装した状態下での電気的特性評価には、プローブカードが用いられている。
【０００３】
プローブカードに用いられるコンタクターについては、近年のＬＳＩの高密度化に伴い、電気的特性評価に要する端（パッド）部の数の増加し、単位面積当たりの数がより多いものが要求されている。従来のタングステン等の金属を接触探子とするコンタクターでは、接触探子部の太さが約５０μｍと太く、上述の要求を満足できなくなっている。この問題の解決のために、基板上にＶＬＳ成長法にて針状単結晶体を形成し、アスペクト比が１〜５００の針状単結晶体の少なくとも側面を導電膜で被覆したコンタクターの製造方法が提案されている（特開平７−３３５９８号公報参照）。この方法により、接触探子先端部が±５μｍの平面位置精度と±１μｍの高さ精度とを有するコンタクターが得られる。
【０００４】
更に、接触探子が検査対象物に接触してから、接触探子の押しつけ量となるオーバードライブ量を大きくする目的で、導電性針状単結晶加工体の寸法や導電膜の膜厚を規定することが提案されている（特願平７−１１３１０５号明細書参照）。しかし、この方法による場合、得られるコンタクターは、導電膜形成の前処理等の製造工程において、接触探子となる針状単結晶がダメージを受け、座屈変形時の破壊強度が低下してしまい、この結果実使用において数万〜数十万回におよぶプロービングに際して接触探子自体が破壊してしまうという問題がある。
【０００５】
コンタクターを用いる場合、接触探子を複数個同時に検査対象物に接触させる必要があるが、それらの平面精度や高さ精度が幾分かのばらつきを有するがために、ある程度以上大きなオーバードライブ量を確保しないと、複数の接触探子を同時に検査対象物に接触させるのが困難になる。接触探子が弱く、小さなオーバードライブ量でも破損してしまう場合、接触探子のプローバーへの取り付け精度やプローバーの動作精度としても非常に高い精度が要求され、半導体回路の電気的特性の測定がより一層煩雑で、困難なものとなる。
【０００６】
接触探子の破壊強度は、接触探子に垂直方向のオーバードライブを印加することで接触探子が座屈変形して破壊したとき、その最大変位部時における最大主応力と同一値であり、数１式により求められる。
【０００７】
【数１】
σｍａｘ＝４．４９×Ｅ×ｄ×ＯＤｍａｘ^０．５×Ｌ^−１．５ （Ｐａ）
ここで、Ｅ ：接触探子のヤング率（Ｐａ）
ｄ ：接触探子の直径（μｍ）
Ｌ ：接触探子の長さ（μｍ）
ＯＤｍａｘ：破壊時のオーバードライブ量（μｍ）
【０００８】
数１式を変形すれば、数２式を得る。
【０００９】
【数２】
ＯＤｍａｘ＝（σｍａｘ／Ｅ）^２／４．４９^２×（Ｌ^３／ｄ^２）
【００１０】
数２式から、接触探子の長さを大きくするか接触探子の直径を小さくすることでオーバードライブ量を大きくとることができ、例えば、特願平７−１１３１０５号公報で開示されるとおり、接触探子の長さＬ（μｍ）及び直径ｄ（μｍ）について１０≦Ｌ≦３０００、０．１≦ｄ≦６００、しかも０．５×１０^４ ≦ｄ^−２．４×Ｌ^２．８という範囲に接触探子の寸法を特定することにより、電気測定用コンタクターに適した十分なオーバードライブ量を得ることができることが提案がされている。
【００１１】
しかし、実際に適用される検査対象デバイスのデザイン（ピッチなど）から接触探子の直径は限定されるし、接触探子表面に金属からなる導電膜を形成すると、座屈変形を伴うプロービングの際に金属膜が塑性変形するので、その変形を維持しようとする耐力が接触探子の反力（もどろうとする力）を上回るときには接触探子先端部の位置ずれが発生する。前記反力は接触探子長さが小さく、接触探子直径が大きいほど大きくなり、オーバードライブ量増加に対してトレードオフの関係になる。また金属からなる導電膜をめっき法により形成する場合や、プロービング時のコンタクター同士の接触による短絡を防止するために絶縁物質を接触探子表面に塗布する際、接触探子長が大きく、接触探子直径が小さくなるほど、ピンブリッジ（コンタクター先端部で隣り合うコンタクターが接合される現象）が発生しやすくなる。上記したとおり、接触探子の寸法は実質的に限定されてしまうので、オーバードライブ量を大きくするためにはコンタクターそのものの強度σｍａｘを高くする必要がある。
【００１２】
更に、電気特性測定用コンタクターとして用いる場合、導電膜が接触探子とそれと接続するように基板上にパターニングされた配線上にも形成される。接触探子とそれと接続する基板回路部のみに一括で導電膜を形成する場合、ＳＯＩ基板等の絶縁膜を有する基板を用いることが前提になる。その形成方法に関しては、特開平０７−９４５５８号公報等に開示されている。即ち、図１で示すように絶縁膜１上にエッチング等により形成されたシリコン層２とＶＬＳ成長により形成された針状シリコン単結晶３上に、導電膜４を選択性を有する無電解めっき法によりＮｉＰなどを形成する。その後、配線抵抗を小さくするために電気めっきにより金などを形成する。通常シリコン上にＮｉＰを無電解めっきする場合、酸化膜除去のために希フッ酸による前処理を施し、その後密着性を向上するために表面を粗らすべく、フッ酸／硝酸混合水溶液などにより数秒処理し、塩化錫や塩化パラジウムなどを含む活性化液により表面を活性化処理する。
【００１３】
ところが、前記処理により、成長直後においてはほとんど結晶欠陥がなく、機械的強度が強く、弾性変形範囲が広い針状単結晶がダメージを受け、本来の強度が低下してしまい、その結果コンタクターとして用いると小さなオーバードライブ量で針状単結晶が破壊してしまうという問題がある。
【００１４】
尚、本発明のコンタクター製造方法に関連する公知技術として、微細構造を有するシリコン基板上の酸化膜のウエットエッチングを均一に行う方法としてバッファードフッ酸に界面活性剤を添加したエッチャントを用いる方法が提案されている（特公昭６２−１９５０９、特開昭６１−２０７５８６、特開平７−２１１７０７）。また電気通信学会技報ＳＭＤ９３−２で、バッファードフッ酸中でのシリコンウエハ表面のマイクロラフネスの発生を数十ｐｐｍオーダの界面活性剤の添加により防止できることを開示している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、半導体集積回路の電気特性測定用コンタクター等に用いて、オーバードライブ量が大きくとれ、しかも繰り返しの座屈変形に耐える、しかも高さ及び平面位置精度が良好な針状結晶を接触探子とするコンタクターの製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、針状単結晶の表面に導電膜を施して接触探子とするコンタクターの製造方法であって、界面活性剤を含有するフッ化アンモニウムとフッ酸との混合水溶液、その後硝酸とフッ酸との混合水溶液で前処理し、その後に導電膜を施すことを特徴とするコンタクターの製造方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明における針状単結晶としては、以下説明するＶＬＳ成長機構やＢｒｅｎｎｅｒ法により形成できるＳｉ、Ｗ、Ｂ、Ｃｕ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢｅＯ、ＷＯ、ＡｌＮなどが用いることができるが、このうちＷ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＴｉＣなどが高強度が得られるという理由で好ましく、とりわけＳｉが既存の半導体プロセスに適用しやすいという理由で好ましい。
【００１９】
本発明で得られるコンタクターの好ましい実施態様において、針状単結晶の座屈変形時の破壊強度が３．５ＧＰａ以上２１ＧＰａ以下である。コンタクターで電気特性測定を行う場合、３０〜５０μｍ程度のオーバードライブが一般的に印加され、しかも２０万回以上の耐久性（コンタクターの破壊がない）が実用上要求される。本発明者らは、接触探子の座屈変形時の破壊強度とオーバードライブ量に関して実験的に検討した結果、接触探子の寸法は上述したとおり限定されるものであり、一般的に接触探子の長さ１６００μｍで直径２０μｍであるが、この場合、接触探子即ち針状単結晶の座屈変形時の破壊強度が３．５ＧＰａ以上あれば２０万回のプロービングに耐えることを見いだし、本発明に至ったものである。
【００２０】
針状単結晶の座屈変形時の破壊強度は、上述したとおり、強いほどよいわけであるが、針状単結晶の物性値（降伏強度）からおのずと上限が限定される。上述したとおり、前記針状単結晶としてＳｉ、Ｗ、Ｂ、Ｃｕ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢｅＯ、ＷＯ、ＡｌＮなどが用いることができるが、このうちＳｉＣは最も降伏強度の高い材料で２１ＧＰａにも達する。尚、針状単結晶として最も好適なＳｉは、７．０ＧＰａの降伏強度を有する。
【００２１】
本発明の導電膜としては、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒなどを用いることができる。また、これらの導電膜の製造方法に関しては、下地となる針状結晶は通常絶縁体もしくは半導体であるため、蒸着・スパッタ法及び無電解めっきなどの方法で被覆するが、接触探子として用いられる際に接触探子となる針状結晶体が座屈変形するので、前記導電膜の形成方法としては、密着強度が得られる無電解めっきにより形成することが好ましい。
【００２２】
以下、ＶＬＳ成長法にて形成された針状単結晶を用いたコンタクターについて更に詳しく説明する。
本発明の針状結晶体は、例えば、Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ（以下ＶＬＳという）成長法にて形成される。この方法は（Ｒ．Ｓ．Ｗａｇｎｅｒ ａｎｄ Ｗ．Ｃ．Ｅｌｌｉｓ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，４（１９６４）８９）に開示されているものである。図１は針状結晶の形成方法を説明する図である。また、図２に示すように、表面が（１１１）面であるシリコン単結晶基板５の所定の位置に金粒子６を載置する。次に、これをＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_４などのシリコンを含むガスの雰囲気の中でＳｉ−Ａｕ合金の共晶温度以上に加熱する。共晶温度以上になると金粒子が載置された部分にＳｉ−Ａｕ合金の液滴ができる。シリコン系ガスの水素還元や、熱分解によりシリコンが合金液滴中に取り込まれ、過飽和になったシリコンがシリコン単結晶基板５上に＜１１１＞方向に頂部にＳｉ−Ａｕ合金液滴７を有しつつ針状単結晶体３が成長する。
【００２３】
上記の方法において、金粒子を載置する方法としてフォトリソグラフィー、めっき、蒸着、エッチングなどを単独若しくは組み合わせて用いることで、シリコン基板上に金を島状にパターン化することができる。そして、これをＶＬＳ成長させることで、基板上の所望の位置に針状単結晶体を形成することが可能であり、また電気特性測定用プローブピン等に使用することもできる。
【００２４】
ＶＬＳ成長法にて形成された前記針状結晶体は、必然的に先端合金部を有するが、半導体集積回路の電気特性測定用プローブピン等に用いる場合には、接触探子の先端の高さを揃えるために前記針状単結晶の先端部を研磨し、合金部を除去する。
【００２５】
導電膜は針状単結晶体上とそれと接続するように基板上にパターニングされた配線上に形成される。図１で配線層２とＶＬＳ成長により形成された針状シリコン単結晶３上に、導電膜４を選択性を有する無電解めっき法によりＮｉＰなどを形成する。その前処理として、シリコン上の酸化膜を除去するために界面活性剤を含有したバッファードフッ酸（フッ酸とフッ化アンモニウムの混合水溶液）で処理し、水洗後、更にフッ酸と硝酸の混合水溶液で処理し、つづいて活性化処理として塩化パラジウムを含む活性化液で処理する。この前処理操作は、本発明者らが実験的にいろいろ検討した結果得た知見であり、この前処理操作によってのみ、針状単結晶を加工・形成して接触探子とする過程で、針状単結晶従って接触探子の破壊強度を低下することなく、導電膜を積層することができる。
【００２６】
添加する界面活性剤の種類としては、水溶性界面活性剤であれば、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、ノニオン界面活性剤及び両性界面活性剤のいずれでもよい。添加量はミセル臨界濃度以上添加すればよく、０．０００１〜１ｗｔ％の範囲が好ましい。また、バッファードフッ酸としては、フッ酸＝６ｗｔ％、フッ化アンモニウム＝３０ｗｔ％水溶液や、フッ酸＝４ｗｔ％、フッ化アンモニウム＝２０ｗｔ％水溶液が一般的に用いられる。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例及び比較例をもって、本発明を更に詳しく説明する。
〔実施例１〕
ＳＯＩ基板を用い、絶縁膜上に蒸着、フォトリソグラフィー、ウエットエッチング、めっきによりシリコン配線層とＡｕバンプを形成した。Ａｕバンプは６０μｍピッチで２００個直線状に配置した。この基板を反応管内に入れ、９５０℃に加熱し、四塩化ケイ素と水素の混合ガスを流してＡｕバンプ位置に針状シリコン単結晶体をＶＬＳ成長により形成した。得られた針状シリコン単結晶体の直径は２０μｍ、長さは約２０００μｍであった。次に針状単結晶体の長さを揃えるため、軟化点が７０℃であるワックスで包埋し、湿式研磨を行い、最終的に１６００μｍにした。この時点での２００本の針状単結晶体の長さ公差は±１μｍであった。その後、加熱したアセトン−トルエン混合液によりワックスを溶解・除去した。
【００２８】
導電膜としてＮｉＰを無電解めっきする前処理として、酸化膜除去工程としてバッファードフッ酸（フッ酸：６ｗｔ％／フッ化アンモニウム：３０ｗｔ％）に界面活性剤として２−ヘキシルオキシエタノールを１５０ｐｐｍ添加したもので、室温下で撹拌しながら３０秒間処理した。その後の純水にて洗浄後、シリコンエッチング工程としてフッ酸：硝酸＝１：７０の混合液で、室温下で撹拌しながら１０秒間処理した。
【００２９】
更に純粋で洗浄後に、活性化工程として塩化パラジウムが含有した活性化液（アクチベーター：奥野製薬工業製）で２．５分処理し、純水洗浄後、めっき工程として下記組成で構成された無電解Ｎｉめっき浴を用い、針状単結晶体５及びシリコン配線層２上のみにＮｉＰを０．１μｍ選択的に形成した。
【００３０】
＜無電解Ｎｉめっき浴の組成＞
Ｈ_２Ｏ １Ｌ
ＮｉＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ ３０ｇ
ＮａＨ_２ＰＯ_２・Ｈ_２Ｏ １５ｇ
（ＮＨ_４）_２ＨＣ_６Ｈ_５０_７ ６５ｇ
ＮＨ_４Ｃｌ ５０ｇ
ＮＨ_４ＯＨ ｐＨ＝８．０〜８．５に調整
液温 ９０℃
【００３１】
その後、電気めっきによりＮｉＰ上に金を１．６μｍ形成し、導電性針状単結晶を作製し接触探子とした。配線部分にも同様に金めっきして、出入力端子をＴＡＢ接続することにより、電気特性測定用コンタクターとした。
【００３２】
上記した手順にて作成したコンタクターについて、以下の要領で、導電膜めっき性、コンタクター強度測定、耐久性テストの評価を行い、その結果を表１に示した。
【００３３】
【表１】

【００３４】
＜導電膜めっき性＞
金めっき後、実体顕微鏡及びＳＥＭにより均一にめっきされているかどうかを観察した。
【００３５】
＜コンタクター強度測定＞
本実施例における電気特性測定用コンタクターにおいて図３のようにコンタクターに対し垂直方向に荷重を印加し、最初に接触した（コンタクターに負荷がかからない）時点から、座屈変形して破壊するまでの押し込み量を測定し、その値をオーバードライブ量とした。オーバードライブ量はデジタル変位計１０（精度±１μｍ）を用いて測定した。接触探子の破壊強度は、数１式で算出した。但し、針状シリコン単結晶のヤング率を１９６ＧＰａとした。
【００３６】
＜耐久性テスト＞
本実施例における電気特性測定用コンタクターを図４に示すような装置に固定して行った。本装置はコンタクターを下向きにして位置がマイクロメータにより可変できる固定部にとりつけられ、上下に同一ストロークで駆動する部分にコンタクターとコンタクトするウエハが設置される。パソコン制御により、コンタクト回数が設定でき、平行だし及びオーバードライブ量はマイクロメータにより設定できる。本実施例ではオーバードライブ量を４０μｍ、コンタクト回数を２０万回として行った。
【００３７】
〔実施例２〕
実施例１と同一の方法で同一寸法の針状シリコン単結晶体を作製し、導電膜としてＮｉＰを無電解めっきする前処理として、酸化膜除去工程としてバッファードフッ酸（フッ酸：４ｗｔ％／フッ化アンモニウム：２０ｗｔ％）に界面活性剤として２−ヘキシルオキシエタノールを１５０ｐｐｍ添加したもので、室温下で撹拌しながら４０秒間処理した。シリコンエッチング工程以降は実施例１と全く同一の方法により、導電性針状単結晶体を作製し、コンタクターとした。この評価結果を表１に示した。
【００３８】
〔実施例３〕
実施例１と同一な方法で同一寸法の針状シリコン単結晶体を作製し、導電膜としてＮｉＰを無電解めっきする前処理として、酸化膜除去工程としてバッファードフッ酸（フッ酸：６ｗｔ％／フッ化アンモニウム：３０ｗｔ％）に界面活性剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを１５０ｐｐｍ添加したもので、室温下で撹拌しながら３０秒間処理した。シリコンエッチング工程以降は実施例１と同一な方法により、導電性針状単結晶体を作製し、コンタクターとした。このコンタクターについての評価結果を表１に示す。
【００３９】
〔比較例１〕
実施例１と同一の方法で同一寸法の針状シリコン単結晶体を作製し、導電膜としてＮｉＰを無電解めっきする前処理として、酸化膜除去を行わず、シリコンエッチング工程としてフッ酸：硝酸＝１：７０の混合液で、室温下で撹拌しながら１０秒処理したが、極度に不均一なＮｉめっきしかできず、実質的にＮｉめっきできなかった。
【００４０】
〔比較例２〕
実施例１と同一の方法で同一寸法の針状シリコン単結晶体を作製し、導電膜としてＮｉＰを無電解めっきする前処理として、酸化膜除去工程として希フッ酸（フッ酸：１０ｗｔ％）で室温下で撹拌しながら６０秒間処理した。シリコンエッチング工程以降は実施例１と同一の方法により、導電性針状単結晶体を作製し、コンタクターを得た。このコンタクターの評価結果を表１に示す。
【００４１】
〔比較例３〕
実施例１と同一の方法で同一寸法の針状シリコン単結晶体を作製し、導電膜としてＮｉＰを無電解めっきする前処理として、酸化膜除去工程として希フッ酸（フッ酸：１０ｗｔ％）に界面活性剤として２−ヘキシルオキシエタノールを１５０ｐｐｍ添加したもので、室温下で撹拌しながら６０秒処理した。シリコンエッチング工程以降は実施例１と同一の方法により、導電性針状単結晶体を作製し、コンタクターとした。このコンタクターの評価結果を表１に示す。
【００４２】
〔比較例４〕
実施例１と同一の方法で同一寸法の針状シリコン単結晶体を作製し、導電膜としてＮｉＰを無電解めっきする前処理として、酸化膜除去工程としてフッ酸（フッ酸：１０ｗｔ％）に界面活性剤として２−ヘキシルオキシエタノールを１５０ｐｐｍ添加したもので、室温下で撹拌しながら６０秒処理した。純水洗浄後、シリコンエッチング工程としてフッ酸：硝酸＝１：７０の混合液で、室温下で撹拌しながら５秒間処理した。活性化工程以降は実施例１と同一の方法により、導電性針状単結晶体を作製し、コンタクターとした。このコンタクターについての評価結果を表１に示す。
【００４３】
【発明の効果】
実施例から明かなように、本発明のコンタクターの製造方法で得たコンタクターは座屈変形時の破壊強度が大きいので、耐久試験後にピン折れもないし、Ｎｉめっき性も良好であり、オーバードライブ量の大きい、高さ及び平面位置精度が良好な半導体集積回路の電気特性測定用コンタクターとして好適である。また、本発明のコンタクターの製造方法によれば、前記のオーバードライブ量が大きく、また高さ及び平面位置精度が良好で半導体集積回路の電気特性測定用コンタクターとして好適なコンタクターが再現性よく、容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の針状結晶を用いたコンタクターの模式図。
【図２】針状結晶体の形成方法を示す図。
【図３】コンタクターのオーバードライブ量を測定する装置図。
【図４】コンタクター強度測定装置図。
【符号の説明】
１ 絶縁層
２ 配線層
３ 針状シリコン単結晶
４ 導電膜
５ 単結晶基板
６ 金粒子
７ Ｓｉ−Ａｕ合金液滴
１０ ロードセル
１１ 針状単結晶体
１２ 単結晶基板
１３ デジタル変位計
１４ 試料台
１５ 位置可変ステージ
１６ 測定器支持基板
２０ マイクロメータ（オーバードライブ調整用）
２１ マイクロメータ（平行だし用）
２２ 固定ネジ
２３ コンタクター
２４ ウエハ
２６ パソコン
２７ 抵抗測定器
２８ プローバー本体

Claims (1)

1. 針状単結晶の表面に導電膜を施し接触端子とするコンタクターの製造方法であって、界面活性剤を含有するフッ化アンモニウムとフッ酸との混合水溶液、その後硝酸とフッ酸との混合水溶液で前処理し、その後に導電膜を施すことを特徴とするコンタクターの製造方法。

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