JP5455610B2 - プローブカード用セラミック配線基板およびこれを用いたプローブカード - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハの電気特性を測定するための微細な配線を備えたプローブカード用セラミック配線基板およびこれを用いたプローブカードに関するものである。

Ｓｉウェハ等の半導体ウエハに多数個同時に形成される大規模集積回路を有する半導体素子には、異物の付着などに起因する電気不良等によって、ほぼ一定の割合で電気的接続および電気特性の不良品が含まれている。

上記半導体素子の不良品を検出するものとして、半導体ウエハの状態のまま同時に多数の半導体素子の電気特性を一括して検査することができるプローブカードが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

このプローブカードは、配線基板と、この配線基板の表面に精度よく配置された複数のプローブピンと呼ばれる測定端子とを含んでおり、このプローブピンを多数の半導体素子の端子にあてて、電圧をかけたときの出力を測定して期待値と比較することで、多数の半導体素子の良否を一括して判定するものである。

近年、半導体素子に形成された集積回路の配線微細化に伴って、プローブカードの単位面積当たりのプローブピン数を多くすることが求められ、またプローブカード用セラミック配線基板に形成される配線もより微細化することが求められている。

ところが、配線の微細化、すなわち線幅を狭くすることにより、配線抵抗が増大して電気信号の遅延が生じ、集積回路の動作状態について正しく判断できず、検査ミスにつながるという問題があった。

そこで、配線としてＣｕ、Ａｇ、Ａｕなどの低抵抗金属を用いることが考えられるが、これらの低抵抗金属は融点が低いため、低抵抗金属のみではアルミナ質焼結体との同時焼成ができない。

これに対し、本出願人は、アルミナ質焼結体からなる絶縁基体の内部にＣｕ、Ａｇ、Ａｕなどの低抵抗金属とＭｏ、Ｗなどの高融点金属との複合金属を主成分とする配線を形成したプローブカード用セラミック配線基板を提案した（例えば、特許文献２を参照）。

このプローブカード用セラミック配線基板は、具体的には、ＭｎおよびＳｉを焼結助剤として含有させることにより、従来のアルミナ質焼結体からなる絶縁基体を有する配線基板よりも２００℃以上低い１５００℃以下の温度で焼成できるようにしたことから、上記低抵抗金属および高融点金属の複合金属を主成分として含む配線を同時焼成により形成することを可能にしたものである。

特開平１１−１６０３５６号 特開２００９−１８０５１８号

しかしながら、絶縁基体を特許文献２に記載のアルミナ質焼結体で形成したプローブカード用セラミック配線基板は、絶縁基体の熱膨張係数が、従来のアルミナ質焼結体の熱膨張係数（６〜７×１０^−６／℃）に近いことから、検査対象であるＳｉウエハの熱膨張係数（３〜４×１０^−６／℃）との差が大きく、そのため、半導体素子の電気特性の測定前に行う熱負荷試験（バーンイン試験）時において、プローブカード用セラミック配線基板に設けられたプローブピンがＳｉウエハの表面に形成された測定パッドの位置からずれて接触しなくなり、電気特性の検査を行えないという問題がった。

従って、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、配線抵抗が低く、熱負荷試験時において、プローブカード用セラミック配線基板に設けられた測定端子とＳｉウエハの表面に形成された測定パッドとの位置ずれが小さく、電気特性の検査に好適に使用できるプローブカード用セラミック配線基板とこれを用いたプローブカードを提供することを目的とする。

本発明のプローブカード用セラミック配線基板は、Ｘ線回折のデータを用いたリートベルト解析により求められる結晶相の割合で、ムライトを４８〜８１質量％、ディオプサイトを１〜２８質量％、ジルコンを２〜２３質量％およびアルミナを０〜４４質量％含有するとともに、前記ムライト、前記ディオプサイト、前記ジルコンおよび前記アルミナの総和が９８質量％以上であり、吸水率が１％以下のセラミック焼結体からなるセラミック絶縁基体と、該絶縁基体内に設けられた銅が４０〜６０体積％、タングステンが４０〜６０体積％である組成を有する銅とタングステンとの複合導体とを具備することを特徴とする。

また、上記プローブカード用セラミック配線基板では、前記アルミナの含有量が９〜２５質量％であることが望ましい。

本発明のプローブカードは、上記のプローブカード用セラミック配線基板の表面に表面配線層が設けられ、該表面配線層に半導体素子の電気特性を測定するための測定端子が接続されてなることを特徴とする。

本発明によれば、配線抵抗が低く、熱負荷試験時において、プローブカード用セラミック配線基板に設けられた測定端子とＳｉウエハの表面に形成された測定パッドとの位置ずれが小さく、電気特性の検査に好適に使用できるプローブカード用セラミック配線基板とこれを用いたプローブカードを得ることができる。

本発明のプローブカード用セラミック配線基板の一実施形態の概略断面図である。 本発明のプローブカードの一実施形態を用いた半導体素子の評価装置の説明図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明のプローブカード用セラミック配線基板の一実施形態の概略断面図である。図１に示すプローブカード用セラミック配線基板１は、セラミック焼結体からなる絶縁基体１１と、絶縁基体１１の内部に形成された低抵抗金属および高融点金属を主成分として含む複合導体からなる内部配線層１２と、絶縁基体１１の表面に形成された表面配線層１３とを備えており、その絶縁基体１１の内部における内部配線層１２同士または内部配線層１２と表面配線層１３とを電気的に接続するビアホール導体１４とを有している。

絶縁基体１１は複数のセラミック絶縁層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄからなるもので、それぞれのセラミック絶縁層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、ムライトが４８〜８１質量％であり、残部に、アルミナ、ディオプサイトおよびジルコンから選ばれる結晶相を含有するとともに、吸水率が１％以下のセラミック焼結体により形成されている。以下、上記のようにムライトを４８〜８１質量％含有するセラミック焼結体のことをムライト質焼結体と記す。

セラミック絶縁層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄであるセラミック焼結体がムライト質焼結体であると、セラミック絶縁層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの熱膨張係数（室温〜３００℃）を３．５〜５．０×１０^−６／℃の範囲にできる。これにより、本実施形態のプローブカード用セラミック配線基板１は、熱負荷試験時において、プローブカード用セラミック配線基板１に設けられた測定端子とＳｉウエハの表面に形成された測定パッドとの位置ずれが無く、電気特性の検査に好適に使用できるものとなる。

これに対して、セラミック焼結体中のムライトの割合が、リートベルト解析で求めた結晶相の割合で４８質量％よりも少ない場合には、セラミック絶縁層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの熱膨張係数（室温〜３００℃）が５．０×１０^−６／℃よりも大きく、Ｓｉウエハに比べて大きいために、熱負荷試験時において、プローブカード用セラミック配線基板１に設けられた測定端子とＳｉウエハの表面に形成された測定パッドとの位置ずれが生じて測定端子とＳｉウエハとが接触できなくなり電気特性の検査を行うことができない。

一方、セラミック焼結体中のムライトの割合が、Ｘ線回折のデータを用いたリートベルト解析により求められる結晶相の割合で、８１質量％よりも多い場合には、セラミック絶縁層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの熱膨張係数（室温〜３００℃）が３．５×１０^−６／℃よりも小さくなる。通常、Ｓｉウエハの熱負荷試験においては、Ｓｉウエハは約９０℃に加熱する条件に設定されるが、この場合、プローブカード用セラミック配線基板１は、Ｓｉウエハの温度よりも約１０℃低い状態となるため、Ｓｉウエハの熱膨張量がプローブカード用セラミック配線基板１の熱膨張量よりも大きくなり、この場合にもプローブカード用セラミック配線基板１に設けられた測定端子とＳｉウエハの表面に形成された測定パッドとの位置ずれが生じて測定端子とＳｉウエハとが接触できなくなり電気特性の検査を行うことができない。

また、Ｘ線回折のデータを用いたリートベルト解析により求めた結晶相の割合で、ムライトが４８〜８１質量％であり、残部に、アルミナ、ディオプサイトおよびジルコンから選ばれる結晶相を含有する本実施形態におけるセラミック焼結体の吸水率が１％よりも大きい場合には、セラミック焼結体の抗折強度（３点曲げ強度：ＪＩＳ Ｒ７２２２法）が２５０ＭＰａよりも低くなり、大型の基板サイズで高い剛性が必要とされるプローブカードに使用することが困難となる。

セラミック絶縁層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを構成するセラミック焼結体の主成分であるムライトは粒子状または柱状の結晶として存在している。本発明においてムライトの平均粒径は特に限定されるものではないが、結晶粒径が大きくなるに従い熱伝導性が向上し、結晶粒径が小さくなるに従い強度が向上することから、高熱伝導性および高強度の両立という点から、好適なムライトの平均粒径の範囲が選ばれる。この場合、ムライトの平均粒径は１．０〜５．０μｍ、特に１．７〜２．５μｍであることが望ましい。

なお、ムライトの平均粒径は配線基板から切り出したセラミック焼結体の部分を研磨し、研磨した試料について走査型電子顕微鏡を用いて内部組織の写真を撮り、その写真上に約５０個入る円を描き、円内および円周にかかった結晶粒子を選択し、次いで、各結晶粒子の輪郭を画像処理して、各結晶粒子の面積を求め、同じ面積をもつ円に置き換えたときの直径を算出し、その平均値より求める。

また、本実施形態のプローブカード用セラミック配線基板１において、セラミック絶縁層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄであるセラミック焼結体は、Ｘ線回折のデータを用いたリートベルト解析により求められる結晶相の割合で、ムライトを４８〜８１質量％、ディオプサイトを１〜２８質量％、ジルコンを２〜２３質量％およびアルミナを０〜４４質量％含有するとともに、これらムライト、ディオプサイト、ジルコンおよびアルミナの総和が９８質量％以上、１００質量％以下である。これにより耐薬品性試験での重量変化率を小さくすることができる。

一方、ムライト質焼結体が焼結助剤としてＳｉを主成分とするガラスを用いて形成され、そのセラミック焼結体の粒界にＳｉを主成分とするガラス（非晶質部）が多く存在し、結晶相の比率が９８質量％よりも低いような場合には耐薬品性の低いものとなる。このため本発明ではムライト質焼結体の耐薬品性を高めるために、粒界に耐薬品性に優れた結晶相を多く析出させている。

例えば、粒界にＳｉを主成分とするガラスが存在し、結晶相の比率が９７質量％であるようなムライト質焼結体を、水酸化カリウムを４０質量％含む水溶液に５時間浸漬したときには、ガラス成分の溶出が起こるのに対して、粒界に、アルミナ、ディオプサイトおよびジルコンから選ばれる少なくとも１種の結晶相が所定量以上析出したムライト質焼結体では、水酸化カリウム水溶液に対して殆ど溶出しない。

そこで、ムライトの粒子間の粒界にアルミナ、ディオプサイトおよびジルコンから選ば
れる結晶相を有することが耐薬品性の向上のために重要となり、リートベルト解析で求めた結晶相の割合でムライトを４８〜８１質量％、ディオプサイトを１〜２８質量％、ジルコンを２〜２３質量％およびアルミナを０〜４４質量％含有するとともに、前記ムライト、ディオプサイト、ジルコンおよびアルミナの総和が９８質量％以上となることで、プローブカード用配線基板１として十分な耐薬品性を得ることができるのである。

ここで、Ｘ線回折のデータを用いたリートベルト解析により求めた結晶相の割合で、ムライトを４８〜８１質量％、ディオプサイトを１〜２８質量％、ジルコンを２〜２３質量％およびアルミナを０〜４４質量％含有するとともに、前記ムライト、ディオプサイト、ジルコンおよびアルミナの総和が９８質量％以上、１００質量％以下とするためには、ムライトに、結晶性のホウケイ酸ガラスとジルコニアとを所定量含ませて、後述する所定の焼成条件下で焼成することが必要となる。なお、本実施形態のプローブカード用セラミック配線基板１では、本発明の目的を達成できる範囲で、セラミック焼結体中に、結晶相として、ムライト、ディオプサイト、ジルコンおよびアルミナの他に、エンスタタイト、アノーサイト、コージエライト、スピネルおよびフォルステライトから選ばれる少なくとも１種の複合酸化物を含んでいても良い。

また、本実施形態のプローブカード用セラミック配線基板１では、絶縁基体１１を構成するムライト質焼結体であるセラミック焼結体は、アルミナの含有量が９〜２５質量％であることが望ましい。セラミック焼結体に含まれるアルミナが９〜２５質量％であると、絶縁基体１１の抗折強度を３００ＭＰａ以上にできる。絶縁基体１１の抗折強度が３００ＭＰａ以上であると、プローブカード用セラミック配線基板１の剛性がさらに高まるため、プローブカードとして使用する場合の変形をさらに小さくできる。これによりプローブカード用セラミック配線基板１に設けられた測定端子の先端の位置の水平度が高まることから、測定端子とＳｉウエハとの接触が安定したものとなり、Ｓｉウエハ全体にわたって安定した電気特性の値を得ることができるとともに、測定端子による局部的な損傷を防止することができる。

なお、本実施形態におけるムライト質焼結体では、アルミナ、ディオプサイトおよびジルコンの他に、ＴｉをＴｉＯ_２などの酸化物として微量含んでいてもよい。ムライト質焼結体がＴｉ成分を含有すると、ムライト質焼結体の色彩を緑色系にでき、これにより、後述する薄膜法により絶縁基体１１の表面に形成される表面配線層の色とのコントラストが高まるため、測定端子となるＳｉ製のプローブピンを形成する際の位置決めが容易にできるようになり、プローブカードの製造工程の効率を高めることができるようになる。

本実施形態のプローブカード用セラミック配線基板１を構成する内部配線層１２はＣｕが４０〜６０体積％、Ｗが４０〜６０体積％である組成を有するＣｕおよびＷの複合導体で構成されていることが重要である。

ムライト質焼結体と同時焼成可能な内部配線層１２の形成材料として、高融点金属であるタングステン（Ｗ）が挙げられるが、タングステン（Ｗ）からなる内部配線層１２は電気抵抗値が高い。一方、銅（Ｃｕ）はムライト質焼結体の焼成温度よりもかなり融点が低いため、低抵抗金属である銅のみをムライト質焼結体と同時焼成することはできない。そこで、内部配線層１２を銅およびタングステンの複合導体とすることで、銅単体に比べると電気抵抗値は多少上がってしまうものの、後述する１４００℃〜１５００℃の焼成温度でムライト質焼結体との同時焼成が可能となる。

ただし、同時焼成可能といえども、銅の融点を超える温度での焼成となるため、銅の熔融を抑制して内部配線層１２の形状を保つことが必要となる。そこで、内部配線層１２の低抵抗化と保形性をともに達成するうえで、銅が４０〜６０体積％、タングステンが４０〜６０体積％の割合にする。

ここで、内部配線層１２の銅およびタングステンの組成は、プローブカード用配線基板１から内部配線層１２が形成された部位を切り出し、これを酸に溶解させた溶液をＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）分析を用いて導体材料である銅およびタングステンの含有量を質量で求める。次に、質量として求めた銅およびタングステンの量をそれぞれの密度で除して各々の体積を求め、次いで、銅およびタングステンの合計の体積を１００％としたときの銅およびタングステンの割合を求める。

本実施形態のプローブカード用セラミック配線基板１は、内部配線層１２として、低抵抗金属である銅を多く含有するものであるために、内部配線層１２の配線抵抗をシート抵抗で４．５ｍΩ／□以下と低くすることができ、プローブカードとして電気信号の遅延が無く、これにより集積回路の動作状態について正しく判断できることから、検査ミスを低減することができる。なお、シート抵抗（Ｒ）とは、長さがＬ_０、幅がＷ_０の配線の抵抗をＲ_０としたときに、Ｒ＝Ｒ_０×Ｗ_０／Ｌ_０で求められる値である。

また、表面配線層１３は、内部配線層１３と同様の組成であっても異なっても良く、高融点金属であるタングステンのみで形成されていても良い。

また、ビアホール導体１４は、表面配線層１２と同様の組成からなることが焼成時にビアホール導体１４からの導体成分の脱落を防止する上で望ましい。

以上のように、本実施形態のプローブカード用セラミック配線基板１は、配線抵抗が低く、かつ熱負荷試験時において、プローブカード用セラミック配線基板１に設けられた測定端子（プローブピン）とＳｉウエハの表面に形成された測定パッドとの位置ずれを抑制でき、電気特性の検査に好適に使用できる。また、ムライト質焼結体を特定の組成としたときには、耐薬品性の優れたものになる。

また、図１に示す絶縁基体１１の主面には、焼成直後においては、元々、表面配線層１３の代わりにビアホール導体１４に接続されたランドパターン（図示せず）が形成されている。このランドパターンは焼成後にこのプローブカード用セラミック配線基板１の内部配線層１２およびビアホール導体１４の電気的接続のショートまたはオープンの検査を行うために設けられたものである。そして、プローブカード用セラミック配線基板１の内部配線層１２およびビアホール導体１４の電気的接続のショートまたはオープンの検査を行った後、ランドパターンは研磨により取り除かれ、ビアホール導体１４を露出させたうえで、スパッタ法または蒸着法などの薄膜法により表面配線層１３が形成され、さらに、この表面配線層１３の表面上にプローブピンが形成され、後述のプローブカード２が作製される。

図２は、本発明のプローブカードの一実施形態を用いた半導体素子の評価装置の説明図である。上記したプローブカード用セラミック配線基板１は、例えば、図２に示すようなプローブカードとして用いることができる。

図２に示すプローブカード２は、プローブカード用セラミック配線基板１の一方の主面に、内部配線層１２と接続される表面配線層（図示せず）が形成され、この表面配線層に半導体素子の電気特性を測定するための測定端子２１が接続されたものである。

また、プローブカード用セラミック配線基板１の他方の主面に接続端子（図示せず）が形成され、この接続端子が半田３を介して外部回路基板４に接合され、さらに、外部回路基板４は、テスタ５に接続されている。そして、ステージ６の上に載置された半導体ウェハ７の上面にプローブカード２の測定端子２１を接触させて半導体素子の電気特性を測定することができる。

なお、プローブカード２および外部回路基板４は、昇降装置８によって上下に駆動させることができ、プローブカード２の測定端子２１を半導体ウェハ７の上面に接触させたり離したりするようになっている。

このプローブカード２の配線基板として、本実施形態のプローブカード用セラミック配線基板１を適用すると、まず、配線抵抗が低く、熱負荷試験時において、プローブカード用セラミック配線基板１に設けられた測定端子２１とＳｉウエハ７の表面に形成された測定パッドとの位置ずれが無く、電気特性の検査に好適に使用できるものとなる。

また、プローブカード用セラミック配線基板１を構成する絶縁基体１１を、ムライトを４８〜８１質量％、ディオプサイトを１〜２８質量％、ジルコンを２〜２３質量％およびアルミナを０〜４４質量％含有するとともに、前記ムライト、ディオプサイト、ジルコンおよびアルミナの総和が９８質量％以上であるセラミック焼結体により形成した場合には、優れた耐薬品性を持つプローブカード２を得ることができる。

次に、上記のプローブカード用セラミック配線基板１の製造方法について説明する。

まず、絶縁基体１１を形成するために、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）粉末として、純度が９９％以上、平均粒径が０．５〜４．０μｍのものを用いる。ムライト粉末の平均粒径を０．５μｍ以上とすることでシート成形性を良好なものとし、４．０μｍ以下とすることで１５００℃以下の温度での焼成によっても緻密化を促進させることが可能となる。

次に、ムライト粉末に対して、アルミナ粉末、結晶化ガラス粉末およびジルコニア粉末の各粉末を混合した混合粉末を調製する。このときの混合粉末の組成は、低熱膨張性でありかつ吸水率が低く緻密なムライト質焼結体を得るという理由から、ムライト粉末を４９〜８５質量％、アルミナ粉末を０〜４５質量％、結晶化ガラス粉末を１〜３０質量％およびジルコニア粉末を１〜１０質量％の割合で配合することが望ましい。

また、添加剤として用いる結晶化ガラス粉末の組成は、ムライト粉末の焼結助剤としての役割を果たすとともに、ディオプサイト等の高結晶性の複合酸化物を生成しやすいという理由から、ＳｉＯ_２が４０〜６０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３が１〜１０質量％、ＭｇＯが１０〜１８質量％、ＣａＯが１５〜３０質量％およびＢ_２Ｏ_３が０．５〜５質量％であるものが良い。

また、アルミナ粉末およびジルコニア粉末の各粉末の純度はともに９９質量％以上であるものがよい。これにより各粉末の反応性を向上させ、１４００℃〜１５００℃の温度での焼結性を高めることができるとともに、ムライト粉末、アルミナ粉末、結晶化ガラス粉末およびジルコニア粉末から生成するディオプサイト、ジルコン等の複合酸化物を高結晶化することができる。

ここで、ムライト質焼結体の緻密化と内部配線層１２を形成する複合導体との同時焼結性を高めるという理由から、ムライト粉末１００質量％に対して、ＭｎおよびＣｒから選ばれる１種以上の酸化物粉末（Ｍｎ_２Ｏ_３粉末、Ｃｒ_２Ｏ_３粉末）または焼成によって酸化物を形成しうる炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩からなる粉末を、本実施形態のプローブカード用セラミック配線基板１の特性を劣化させない程度の割合で添加してもよい。

次に、この混合粉末に対して有機バインダ、溶媒を添加してスラリーを調整した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法などの成形方法によってグリーンシートを作製する。あるいは、混合粉末に有機バインダを添加し、プレス成形、圧延成形等の方法により所定の厚みのグリーンシートを作製する。なお、グリーンシートの厚みはたとえば５０〜３００μｍとすることができるが、特に限定されない。

そして、適宜、このグリーンシートに対して、マイクロドリル、レーザー等により直径５０〜２５０μｍの貫通孔を形成する。

このようにして作製されたグリーンシートに対して、銅（Ｃｕ）粉末とタングステン（Ｗ）粉末とを前述した比率（Ｃｕが４０〜６０体積％、Ｗが４０〜６０体積％）となるように混合して導体ペーストを調製し、この導体ペーストを各グリーンシートの貫通孔内に充填し、またスクリーン印刷、グラビア印刷などの方法により配線パターン状に印刷塗布する。なお、銅およびタングステンを体積％で混合する場合には、銅およびタングステンの密度（銅：８．９ｇ／ｃｍ^３、タングステン：１９．３ｇ／ｃｍ^３）換算を行って秤量を行う。

また、この導体ペースト中には、絶縁基体１１との密着性を高めるために、上記の金属粉末以外にアルミナ粉末あるいは絶縁基体１１と同一組成物の混合粉末を添加してもよく、さらにはＮｉ等の活性金属あるいはそれらの酸化物を導体ペースト全体に対して０．０５〜２体積％の割合で添加してもよい。

その後、導体ペーストを印刷塗布したグリーンシートを位置合わせして積層圧着した後、この積層体を非酸化性雰囲気（窒素雰囲気あるいは窒素と水素との混合雰囲気）中で焼成する。

ここで、この焼成中の最高温度を１４００℃〜１５００℃とするのが重要である。最高温度が１４００℃より低い場合には、最高温度での保持時間を長くしたり昇温速度を遅くしたりしてかける熱量を多くしても、ムライトの結晶相の粒界部において、ディオプサイトおよびジルコンの各結晶相の核生成が進まない状態で緻密化が終了してしまう傾向があり、最高温度が１５００℃を超える場合には、内部配線層１２の変形や細りが生じて配線抵抗が増加してしまうおそれがある。

そして、粒界部において、ディオプサイトおよびジルコンの各結晶相を多く析出させるためには、焼成中の最高温度（１４００℃〜１５００℃）で１時間以上保持することが重要であり、このように最高温度での保持時間を長くすることで、ディオプサイトおよびジルコンの各結晶相の核生成を促すことができ、析出する結晶の量を増大させることができる。

また、本実施形態のプローブカード用セラミック配線基板１を構成する絶縁基体１１であるムライト質焼結体では、粒界相を結晶化させるため、ムライトの結晶粒子のネック成長が抑えられることからムライトの異常粒成長を抑制でき、抗折強度の高いムライト質焼結体を得ることができる。

また、本実施形態のプローブカード用セラミック配線基板１を作製する場合、１０００℃から焼成最高温度までの昇温速度は４０℃/ｈｒ〜１５０℃/ｈｒ、特に、４５℃/ｈｒ〜６０℃/ｈｒにすることが望ましい。昇温速度が４０℃/ｈｒよりも遅い場合には、焼成時間が長く生産性が低下につながり、昇温速度が１５０℃/ｈｒよりも速い場合には、焼成中の熱膨張により発生する応力により、基板にクラックが発生する原因になりやすい。

さらに、焼成最高温度から１０００℃までの降温速度は、４０℃/ｈｒ〜３００℃/ｈｒ、特に、４５℃/ｈｒ〜１００℃/ｈｒにすることが望ましい。降温速度が３００℃/ｈｒよりも速い場合には、ディオプサイトおよびジルコンの各結晶相が十分な量だけ析出できない。また降温速度が４０℃/ｈｒよりも遅い場合には、焼成時間が長く生産性が低下してしまう。

またさらに、焼成時の雰囲気は、内部配線層１２中のＣｕの拡散を抑制するという理由から、水素および窒素を含み、その露点が＋３０℃以下、特に＋２５℃以下の非酸化性雰囲気であることが望ましい。焼成時の露点が＋３０℃より高いと、焼成中に酸化物セラミックスと雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、この酸化膜と銅とが反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、Ｃｕの拡散を助長してしまうためである。なお、この雰囲気には所望によりアルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。

以上述べた方法により作製されたプローブカード用セラミック配線基板１は、ＣｕおよびＷを主成分として含む内部配線層１２を有し、熱膨張係数が検査対象であるＳｉウエハの熱膨張係数に近く、かつ耐薬品性に優れたものとなる。

純度が９９質量％で平均粒径が２．０μｍのムライト粉末、純度が９９％で平均粒径が１μｍのアルミナ粉末、純度が９９質量％で組成が質量比でＳｉＯ_２：Ａｌ_２Ｏ_３：ＭｇＯ：ＣａＯ：Ｂ_２Ｏ_３＝５０：５：１８：２６：１の結晶化ガラス粉末および純度が９９質量％で平均粒径が０．７μｍのジルコニア粉末を表１に示すような割合で混合し、これに成形用の有機樹脂（有機バインダ）としてアクリル系バインダと、有機溶媒としてトルエンを混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法を用いて厚み２００μｍのグリーンシートを作製した。

次に、得られたグリーンシートを１５層積層し、室温から６００℃の温度において、露点を＋２５℃とした窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行なった後、引き続き焼成を行った。焼成は、１０００℃から最高温度までを表１に示す昇温速度で昇温し、最高温度にて露点を＋２５℃とした窒素水素混合雰囲気に、１時間保持した後、最高温度から１０００℃までを表１に示す降温速度で冷却して、ムライト質焼結体を得た。

また、ムライト質焼結体に存在する結晶相の割合は、当該ムライト質焼結体を粉砕したものと、ＺｎＯ粉末（内部標準試料）とを１：１の割合で混合し、Ｘ線回折を用いたリートベルト解析により求めた。この場合、Ｘ線回折には、管球にＣｕｋα線を用い、ムライト、ディオプサイト、ジルコンおよびアルミナの各結晶相のメインピーク位置をＪＣＰＤＳに照らして同定した。その結果を表２に示す。

また、耐薬品性の指標として、ムライト質焼結体の初期の質量及び１００℃の水酸化カリウム４０質量％水溶液に５時間浸漬させた後のアルミナ質焼結体の質量を測定し、重量減少率（「ムライト質焼結体の初期質量」−「１００℃の水酸化カリウム４０質量％水溶液に５時間浸漬させた後のムライト質焼結体の質量」）／「ムライト質焼結体の初期質量」×１００［％］を算出した。

また、得られたグリーンシートを３０層積層して作製した成形体を、上記と同様の脱脂および焼成の条件にて作製したムライト質焼結体を、平面研磨機を用いて、幅３ｍｍ、厚み２ｍｍ、長さ１ｍｍの形状のサンプルに加工して、ＴＭＡ分析（熱機械分析）用の試料を作製し、熱膨張係数を測定した。

さらに、熱膨張係数を測定した試料を切り出したムライト質焼結体から抗折強度測定用の試料を作製して、ＪＩＳ Ｒ７２２２法に則り、抗折強度（３点曲げ強度）を測定した。

また、作製したグリーンシートに対して、銅粉末とタングステン粉末とを銅粉末が４５体積％、タングステン粉末が５５体積％となるように調製した導体ペーストを各グリーンシートの表面に印刷するとともに貫通孔内に充填して導体ペーストを印刷塗布したグリーンシートを作製した。

次に、この導体ペーストを印刷塗布したグリーンシートを３４層位置合わせして積層圧着した後、この積層体を上記と同様の脱脂および焼成の条件にて焼成してプローブカード用セラミック配線基板を作製した。基板サイズは３４０ｍｍ×３４０ｍｍ、厚みが約６ｍｍであった。

次に、作製したプローブカード用セラミック配線基板の表面を研磨し、ランドパターンを取り除いた後、スパッタ法を用いて、プローブカード用セラミック配線基板の表面の全面にチタンおよび銅の導電性薄膜を順にトータル厚みが２μｍとなるように形成した。

次に、フォトリソグラフィーによりチタンおよび銅の導電性薄膜をパターン加工して、銅の表面にニッケルおよび金の電解めっき膜を順に形成して、プローブカード用セラミック配線基板の表面のビアホール導体上に表面配線層を形成した。

次に、このプローブカード用セラミック配線基板の表面に形成した表面配線層の表面にＳｉ製のプローブピンを接合してプローブカードを作製した。

次に、ステージ上に載置したＳｉウエハの上面にプローブカードの測定端子であるプローブピンを接触させて９０℃の温度に加熱した状態に保持し、プローブカードの側面から実体顕微鏡を用いて、プローブピンとＳｉウエハの表面に形成された測定パッドとの位置ずれを観察した。この場合、プローブカードおよびＳｉウエハの最外周に形成した測定端子（プローブピン）と測定パッドを観察したときに、測定端子（プローブピン）の先端が測定パッド上から横に位置ずれして、測定端子（プローブピン）の先端と測定パッドとが接触していない状態を位置ずれ有りとした。

また、内部配線層の銅およびタングステンの組成は、まず、プローブカード用配線基板から内部配線層が形成された部位を切り出し、これを酸に溶解させた溶液をＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）分析を用いて導体材料である銅およびタングステンの含有量を質量で求めた。次に、質量として求めた銅およびタングステンの量をそれぞれの密度で除して各々の体積を求め、次いで、銅およびタングステンの合計の体積を１００％としたときの銅およびタングステンの割合を求めた。なお、作製したプローブカード用配線基板に形成された内部配線層は銅が４５体積％、タングステンが５５体積％であることを確認した。これらの結果を表１〜３に示す。

表１〜３の結果から明らかなように、プローブカード用セラミック配線基板を構成する絶縁基体をムライト質焼結体で形成した試料（試料Ｎｏ．１〜１０，１２，１４〜３４）は、内部配線層のシート抵抗が４．５Ω／□以下で、セラミック絶縁層の熱膨張係数（室温〜３００℃）が３．５〜５．０×１０^−６／℃であり、熱負荷試験時において、プローブカード用セラミック配線基板に設けられた測定端子とＳｉウエハの表面に形成された測定パッドとの位置ずれが無く、電気特性の検査に好適に使用できるものであった。

また、プローブカード用セラミック配線基板を構成する絶縁基体を、ムライトを４８〜８１質量％、前記ディオプサイトを１〜２８質量％、前記ジルコンを２〜２３質量％および前記アルミナを０〜４４質量％含有するとともに、前記ムライト、前記ディオプサイト、前記ジルコンおよび前記アルミナの総和が９８質量％以上含有するムライト質焼結体で形成した試料（試料Ｎｏ．１〜１０，１６〜２０，２２〜２４，２６，２９〜３１および３３）では、耐薬品性試験での重量変化率を０．３質量％以下にすることができた。

さらに、プローブカード用セラミック配線基板を構成する絶縁基体を、アルミナの含有量が９〜２５質量％とした試料（試料Ｎｏ．１，３，５，６，１０，１６〜２０および２２〜２７）では、抗折強度（３点曲げ強度）が３００ＭＰａ以上であった。

これに対して、試料Ｎｏ．１１，１３は、絶縁基体の熱膨張係数が３．５〜５×１０^−６／℃の範囲ではなかったために、熱負荷試験時において、プローブカードおよびＳｉウエハの最外周に形成したプローブピンと測定パッドを観察したときに、プローブピンの先端が測定パッド上に触れていない状態となり、プローブカード用セラミック配線基板に設けられた測定端子とＳｉウエハの表面に形成された測定パッドとの位置ずれが生じていた。

１：プローブカード用セラミック配線基板
１１：絶縁基体
１２：内部配線層
１３：表面配線層
１４：ビアホール導体
２：プローブカード
２１：測定端子

Claims (3)

1. Ｘ線回折のデータを用いたリートベルト解析により求められる結晶相の割合で、ムライトを４８〜８１質量％、ディオプサイトを１〜２８質量％、ジルコンを２〜２３質量％およびアルミナを０〜４４質量％含有するとともに、前記ムライト、前記ディオプサイト、前記ジルコンおよび前記アルミナの総和が９８質量％以上であり、吸水率が１％以下のセラミック焼結体からなるセラミック絶縁基体と、該絶縁基体内に設けられた銅が４０〜６０体積％、タングステンが４０〜６０体積％である組成を有する銅とタングステンとの複合導体とを具備することを特徴とするプローブカード用セラミック配線基板。
2. 前記アルミナの含有量が９〜２５質量％であることを特徴とする請求項１に記載のプローブカード用配線基板。
3. 請求項１または２に記載のプローブカード用セラミック配線基板の表面に表面配線層が設けられ、該表面配線層に半導体素子の電気特性を測定するための測定端子が接続されてなることを特徴とするプローブカード。

Images