TWI629485B - 用於探針卡之探針及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本揭示提供一種用於探針卡之探針及其製造方法。該探針包含：一探針主體；以及一石墨烯層，形成在該探針主體之外表面。藉由在探針表面形成石墨烯層，以達到提升探針整體的散熱能力、耐電流量與機械特性之效果。

Description

用於探針卡之探針及其製造方法

本揭示是關於一種探針及其製造方法，特別是關於一種用於晶圓測試的探針卡之探針及其製造方法。

目前用於量測晶圓之探針卡的探針會因為材質、環境溫度、使用次數、和承受的電流大小等因素而影響到探針的使用壽命以及傳遞電流的效率。具體來說，現行的探針具有以下缺點：

其一、目前的探針主要是採用具有優異導電性的金屬或合金製成，例如銅金屬或其合金。該類型的金屬及合金通常具有機械特性不足的問題，例如材料本身的硬度偏低。然而，在進行晶圓測試時，必須提供足夠的下壓力道，使得探針卡之探針可劃破與其電性接觸之錫球表面的氧化層以達到測試之目的。在承受多次且連續地機械作動之下，倘若探針本身的硬度不足很容易造成探針產生機械疲乏，使得探針在彈性彎曲後無法回復到原本的針型，進而導致歪針的問題。

其二、在藉由探針卡進行晶圓測試時，電流會流通過每個探針，使得探針在通電流後會產生焦耳熱，以及探針在每次劃破與其電性接觸之錫球表面的氧化層時亦會產生摩擦熱。然而，探針卡上通常設置有上百根甚至上萬根的探針。因此，以陣列的形式密集地排布在探針卡上之探 針，當經過多次的量測作動之後，由於探針本身散熱性不足的問題，產生的熱能無法被順利地排出，進而導致燒針的問題。

其三、在藉由探針卡進行晶圓測試時，每根探針會依照量測需求而被施加不同大小的電流。然而，現行採用機械加工或採用微機電(Microelectromechanical Systems，MEMS)加工製成的金屬探針均有耐電流不佳的問題。當施加的電流超過金屬探針本身的耐電流值時，會造成金屬探針損壞，進而導致測試的數值產生誤差。

有鑑於此，有必要提供一種用於探針卡之探針及其製造方法，以解決習知技術所存在的問題。

為解決上述技術問題，本揭示之目的在於提供一種用於探針卡之探針及其製造方法，其藉由在習知的探針之外表面形成具有高散熱速率、高耐電流量、以及高機械強度的結構，以改善習知用於晶圓探針卡的測試探針會受到環境溫度、機械作動與承受的外加電流的影響而降低使用壽命，並且發生量測誤差之問題。

為達成上述目的，本揭示提供一種用於探針卡之探針，包含：一探針主體；以及一石墨烯層，形成在該探針主體之外表面。

於本揭示其中之一較佳實施例中，該石墨烯層之厚度小於100奈米。

於本揭示其中之一較佳實施例中，該石墨烯層之厚度介於0.3奈米至4奈米之間。

於本揭示其中之一較佳實施例中，該探針還包含一金屬保護 層，形成在該石墨烯層之外。

於本揭示其中之一較佳實施例中，該金屬保護層之材料包含金。

於本揭示其中之一較佳實施例中，該金屬保護層之厚度介於0.1微米至1微米之間。

於本揭示其中之一較佳實施例中，該探針包含一針頭段、一針尾段、以及一中間段，其中該針頭段和該針尾段分別位在該中間段之相對的兩側，以及其中該石墨烯層形成在該探針主體之對應該針頭段、該針尾段和該中間段之全部的外表面。

於本揭示其中之一較佳實施例中，該探針還包含一絕緣層，形成在對應於該中間段之該石墨烯層的外表面。

於本揭示其中之一較佳實施例中，該絕緣層之厚度介於1微米至10微米之間。

於本揭示其中之一較佳實施例中，該探針的外形包含圓柱形、橢圓柱狀、三角柱形、方柱狀、或多角柱形，以及其中該探針的之針頭或針尾的構型包含圓頭狀、尖頭狀、或多爪狀。

本揭示還提供一種用於探針卡之探針的製造方法，包含：提供一探針主體；以及在該探針主體之外表面形成一石墨烯層。

於本揭示其中之一較佳實施例中，在形成該石墨烯層之後還包含：在該石墨烯層之外形成一金屬保護層。

於本揭示其中之一較佳實施例中，在形成該金屬保護層之後還包含：在該金屬保護層之外形成一絕緣層。

於本揭示其中之一較佳實施例中，該探針包含一針頭段、一針尾段、以及一中間段，其中該針頭段和該針尾段分別位在該中間段之相對的兩側，以及其中該絕緣層形成在對應於該中間段之該金屬保護層的外表面。

相較於習知技術，本揭示利用石墨烯本身的特性在探針表面形成石墨烯層，進而達到提升探針整體的散熱能力、耐電流量與機械特性之效果。

10、20、30、40、41、42、43、50、51、52‧‧‧探針

11‧‧‧針頭段

12‧‧‧針尾段

13‧‧‧中間段

110、210、310‧‧‧探針主體

120、220、320‧‧‧石墨烯層

230‧‧‧金屬保護層

340‧‧‧絕緣層

A-A、B-B‧‧‧截線

第1圖顯示一種根據本揭示第一較佳實施例之探針之立體示意圖；第2圖顯示沿著第1圖之截線A-A之剖面圖；第3圖顯示一種根據本揭示第二較佳實施例之探針之剖面圖；第4圖顯示一種根據本揭示第三較佳實施例之探針之示意圖；第5圖顯示沿著第4圖之截線B-B之剖面圖；第6圖顯示一種根據本揭示第四較佳實施例之探針之製造方法流程圖；第7A圖至第7D圖分別顯示在不同實施例中之探針沿著相似於第4圖之截線B-B的截面示意圖；以及第8A圖至第8C圖分別顯示在不同實施例中之探針之局部示意圖。

為了讓本揭示之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本揭示較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照第1圖和第2圖，第1圖顯示一種根據本揭示第一較佳實施例之探針10之立體示意圖，以及第2圖顯示沿著第1圖之截線A-A之剖面圖。在本揭示中，探針10是用於組裝在用於晶圓測試的探針卡上。探針10包含探針主體110和石墨烯層120，其中石墨烯層120形成在探針主體110之外表面。探針主體110係採用機械加工或採用微機電(Microelectromechanical Systems，MEMS)加工製成，並且係採用具有優異導電性的金屬或合金之材料，例如銅金屬或其合金。

如第2圖所示，探針10包含針頭段11、針尾段12、以及中間段13，其中針頭段11和針尾段12分別位在中間段13之相對的兩側。針頭段11是用於與待測物之表面形成電性接觸，以及針尾段12是用於組裝在探針卡上。應當注意的是，石墨烯層120會形成在探針主體110之對應針頭段11、針尾段12、和中間段13之全部的外表面。

在本揭示中，利用石墨烯本身的特性在探針10表面形成石墨烯層120，可有效地達到提升探針10整體的散熱能力、耐電流量與機械特性之效果。具體來說，石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成之具有六角型蜂巢狀晶格的平面薄膜，並且是一種可以一個碳原子厚度存在的二維材料，擁有多種優越的物理性質。舉例來說，石墨烯的熱傳導係數高達5300W/m‧K，藉此特點，將石墨烯層120披覆於探針主體110上可提供探針10具有極佳的散熱效果，有效地降低各種熱效應對於探針10的損耗。詳言之， 當使用探針卡進行晶圓測試時，電流會流通過每個探針10，使得探針10在通電流後會產生焦耳熱，以及探針10在每次劃破與其電性接觸之錫球表面的氧化層時亦會產生摩擦熱。在本揭示中，由於在探針主體110之外表面披覆有具有高熱傳導係數的石墨烯層120，故能有效地提升探針10整體的散熱能力，使得即使是以陣列形式密集地排布在探針卡上之探針10，經過多次的量測作動之後，產生的熱能皆可被順利地排出，進而避免因熱量累積導致周圍環境溫度升高，造成探針10燒針的問題。

再者，石墨烯是一種堅硬的奈米材料，具有極高的楊氏係數(約1100GPa)，並且其機械強度遠高於鋼鐵等金屬材料，藉此特點，可有效地彌補探針主體110硬度不足的問題，並且提升探針10整體的機械強度。因此，即使探針10在承受多次且連續地機械作動之後，不易產生機械疲乏而無法回復到原本之針型的問題。另一方面，隨著測試端晶圓的尺寸和線距持續縮小，探針尺寸勢必隨之縮小。但在探針尺寸縮小的同時，本身具有的機械特性相對減弱。倘若探針之機械特性無法跟進則會造成無法順利地刮破待測端之表面氧化物以達到有效量測。因此，在本揭示中，利用將具有高硬度的石墨烯層120包覆於極細的探針主體110之表面提升探針10整體的機械強度。應當理解的是，由於石墨烯本身材料厚度極薄，即使與探針主體110結合也不會影響探針10整體尺寸，故可在達到將探針10尺寸縮小的同時，還可將探針10維持具有足夠的機械強度。在本揭示中，石墨烯層120之厚度小於100奈米。較佳地，在探針主體110之表面上披覆1至10層的石墨烯，以形成厚度介於0.3奈米至4奈米之間的石墨烯層120。

又，石墨烯在電學性質方面，其電阻率僅約10^-6Ω‧cm， 比銅或銀更低，為目前已知材料中於室溫下電阻最低的材料。在晶圓測試時，每根探針10會依照量測需求施加不同大小的電流。因此藉由採用披覆有低電阻率的石墨烯層120之探針10，可有效地強化探針10整體的耐電流特性，進而達到提升量測效率值與延長探針卡使用壽命之功效。

請參照第3圖，其顯示一種根據本揭示第二較佳實施例之探針20之剖面圖。探針20包含探針主體210、石墨烯層220、和金屬保護層230，其中石墨烯層220形成在探針主體210之外表面，以及金屬保護層230形成在石墨烯層220之外表面。在第二較佳實施例中，探針主體210與石墨烯層220之特徵相同於第一較佳實施例之探針主體110與石墨烯層120，在此不加以贅述。

如第3圖所示，在批覆有石墨烯層220之探針20的外表面還包覆有厚度介於0.1微米至1微米之間的金屬保護層230。藉由金屬保護層230的設置，可避免石墨烯層220發生膜剝離(peeling)的問題。較佳地，金屬保護層230之材料包含金，進而可強化探針20的電性並且避免氧化的問題。

請參照第4圖和第5圖。第4圖顯示一種根據本揭示第三較佳實施例之探針30之示意圖，以及第5圖顯示沿著第4圖之截線B-B之剖面圖。探針30包含探針主體310、石墨烯層320、和絕緣層340，其中石墨烯層320形成在探針主體310之外表面，以及絕緣層340形成在石墨烯層320之外表面。在第三較佳實施例中，探針主體310與石墨烯層320之特徵相同於第一較佳實施例之探針主體110與石墨烯層120，在此不加以贅述。

如第4圖和第5圖所示，批覆有石墨烯層320之探針30的外表面還包覆有厚度介於1微米至10微米的絕緣層340做為外層絕緣披覆，藉 此，可有效地防止量測時探針30彼此接觸而發生短路的問題。可以理解的是，在另一實施例中，可將本揭示之第二較佳實施例之探針20進一步包覆第三較佳實施例之絕緣層340，以達到避免量測時探針彼此接觸而發生短路的問題。

應當注意的是，雖然在本揭示之第1圖至第5圖中的針形是採用圓柱形且形成有平頭狀的針尖和針尾。然而，參照第7A圖至第7D圖，其分別顯示在不同實施例中之探針沿著相似於第4圖之截線B-B的截面示意圖。在其他實施例中，探針的外形可為橢圓柱狀(如第7A圖所示之探針40)、三角柱形(如第7B圖所示之探針41)、方柱狀(如第7C圖所示之探針42)、多角柱形(如第7D圖所示之探針43)等，不局限於此。再者，參照第8A圖至第8C圖，其分別顯示在不同實施例中之探針之局部示意圖。在其他實施例中，探針之針頭和/或針尾的構型可採用為圓頭狀(如第8A圖所示之探針50)、尖頭狀(如第8B圖所示之探針51)、或多爪狀(如第8C圖所示之探針52)等，不局限於此。

本揭示還提供一種用於探針卡之探針的製造方法。請參照第6圖，其顯示一種根據本揭示第四較佳實施例之探針之製造方法流程圖。首先，進行步驟S11，提供探針主體。探針主體的外型可為採用機械加工而形成的圓柱形，或者是採用微機電加工製成的方柱形或多角柱形，並且係採用具有優異導電性的金屬或合金之材料，例如銅金屬或其合金。接著，進行步驟S12，在探針主體之外表面形成石墨烯層，其中石墨烯層之厚度小於100奈米，較佳地，石墨烯層之厚度介於0.3奈米至4奈米之間。石墨烯層的特徵與產生的優異特點皆如同上述，在此不加以贅述。

在本揭示中，探針包含針頭段、針尾段、以及中間段，其中針頭段和針尾段分別位在中間段之相對的兩側。針頭段是用於與待測物之表面形成電性接觸，以及針尾段是用於組裝在探針卡上。應當注意的是，石墨烯層會形成在探針主體之對應針頭段、針尾段、和中間段之全部的外表面，藉此，當進行晶圓量測時，藉由披覆有高機械強度之石墨烯層的針頭段與待測物接觸，不但可有效地劃破待測物之錫球表面的氧化層，還可避免因探針強度不足而導致歪針的問題。

當形成石墨烯層之後，接著進行步驟S13，在石墨烯層之外形成金屬保護層。藉由金屬保護層的設置可避免石墨烯層發生膜剝離(peeling)的問題。較佳地，金屬保護層之材料包含金，進而可強化探針的電性並且避免氧化的問題。

當形成金屬保護層之後，接著進行步驟S14，在金屬保護層之外形成絕緣層。更明確地說，絕緣層係形成在對應於探針之中間段之金屬保護層的外表面。較佳地，絕緣層的厚度介於1微米至10微米。藉由絕緣層的設置，可有效地防止量測時探針彼此接觸而發生短路的問題。可選地，在其他實施例中(例如製造第三實施例之探針30)亦可將步驟S13省略，並且將絕緣層直接設置在石墨烯層之外。

綜上所述，本揭示利用石墨烯本身的特性在探針表面形成石墨烯層，進而達到提升探針整體的散熱能力、耐電流量與機械特性之效果。

雖然本揭示已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭示，本揭示所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭示之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示之保護範圍當視後附之申 請專利範圍所界定者為準。

Claims (12)

1. 一種用於探針卡之探針，包含：一探針主體；一石墨烯層，形成在該探針主體之外表面；以及一金屬保護層，形成在該石墨烯層之外。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於探針卡之探針，其中該石墨烯層之厚度小於100奈米。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於探針卡之探針，其中該石墨烯層之厚度介於0.3奈米至4奈米之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於探針卡之探針，其中該金屬保護層之材料包含金。
5. 如申請專利範圍第1項所述之用於探針卡之探針，其中該金屬保護層之厚度介於0.1微米至1微米之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之用於探針卡之探針，其中該探針包含一針頭段、一針尾段、以及一中間段，其中該針頭段和該針尾段分別位在該中間段之相對的兩側，以及其中該石墨烯層形成在該探針主體之對應該針頭段、該針尾段和該中間段之全部的外表面。
7. 如申請專利範圍第6項所述之用於探針卡之探針，其中該探針還包含一絕緣層，形成在對應於該中間段之該石墨烯層的外表面。
8. 如申請專利範圍第7項所述之用於探針卡之探針，其中該絕緣層之厚度介於1微米至10微米之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之用於探針卡之探針，其中該探針的外形包含圓柱形、橢圓柱狀、三角柱形、方柱狀、或多角柱形，以及其中該探針的之針頭或針尾的構型包含圓頭狀、尖頭狀、或多爪狀。
10. 一種用於探針卡之探針的製造方法，包含：提供一探針主體；以及在該探針主體之外表面形成一石墨烯層；以及在該石墨烯層之外形成一金屬保護層。
11. 如申請專利範圍第10項所述之用於探針卡之探針的製造方法，其中在形成該金屬保護層之後還包含：在該金屬保護層之外形成一絕緣層。
12. 如申請專利範圍第11項所述之用於探針卡之探針的製造方法，其中該探針包含一針頭段、一針尾段、以及一中間段，其中該針頭段和該針尾段分別位在該中間段之相對的兩側，以及其中該絕緣層形成在對應於該中間段之該金屬保護層的外表面。