立式探针以及制造和联接该立式探针的方法

专利名称：立式探针以及制造和联接该立式探针的方法
技术领域：
本发明涉及电子器件检测系统的探针，具体地说，涉及用于通过接 触微电子器件的焊盘来检测电特性的探针，以及制造和联接这种探针的 方法。
背景技术：
探针是用于测量微电子器件(例如，半导体器件)的电特性的机械 工具。众所周知，半导体器件具有多个用于与外部电子系统进行信号通信的焊盘(pad)。半导体器件使用通过焊盘输入的电信号进行处理操作， 然后通过焊盘将处理结果传输到外部系统。在此期间，探针布置在探针 板的印刷电路板上并与上述焊盘物理接触，因此它们形成与外部设备或 系统进行信号传输的电通道。同时，随着半导体器件中的集成密度越高，则焊盘的间距就会越窄， 且尺寸就会越小。由于探针应当形成得与焊盘物理接触，因此，集成密 度增大所要求的焊盘结构变化引发了与探针结构和布置相关的技术难 题。例如，探针必须布置得能保证最小间距，从而防止它们之间的电干 扰和短路。为了减小焊盘与探针之间的接触电阻，应当使用过驱动接触方案来 连接探针和焊盘。(这里，过驱动接触方案是一种连接方法，其中，将 超过所需大小的压力施加到探针上。)然而，由于过驱动接触方案中的接触压力依赖于探针的变形和由此 产生的恢复力，因此重复的过驱动接触可能会导致探针形状的永久性变 形。探针的这种变形可能会减小探针的恢复力或者导致探针布置的改变。 为了减轻这些问题，探针就需要有足够大的恢复力。根据现有技术，为了增强探针的恢复力，已经提出了一种悬臂式探 针板。在悬臂式探针板卯(见图1)中，布置在基座91上的突起部92 联接到支撑梁93的一支撑梁93的另一端。同时，尖端94在压力下与焊盘接触，并且支撑梁 93需要具有弹性恢复力。此时，为了获得所需的恢复力，支撑梁93的长 度应当足够长。如果支撑梁的长度不足，那么支撑梁93的弹性太弱而不 能提供足够的恢复力。因此，用于悬臂式探针板的支撑梁应当具有足够的长度，并且应当 增大联接在支撑梁上的各突起部之间的距离，从而满足有关支撑梁长度 的需要。另外，为了检测现今高度集成的半导体器件，需要使探针板的各探 针之间的间距最小。发明内容[技术问题〗然而，要使悬臂式探针之间的间距最小存在着困难，这是因为为了 保证所需的恢复力，它们的支撑梁应当具有足够的长度。另外，由于悬 臂式探针板是采用将尖端94联接到支撑梁93上的方式制造的，因此很 难精确地保持整体水平性并使探针的长度统一。另外，根据半导体器件集成密度的增长，焊盘的布置方式正在从一 维布置(例如，线条式)改变到二维布置(例如，矩阵式)。然而，因 为支撑梁所占的面积和它们之间的间距太大，因此悬臂式探针板不适合 于上述二维布置。[技术方案]本发明的目的是提供一种所占面积较小从而适用于较高集成密度的 半导体器件的探针。本发明还提供一种具有足够恢复力的探针。 本发明进一步提供一种容易保持整体水平性的探针。 本发明进一步提供一种制造具有统一长度的探针的方法。 为了实现上述技术目的，本发明提供了一种包括两个分开的尖端的探针。这种探针包括触头，它包括两个与测量目标接触的尖端；与测 量目标终端电连接的接头；以及隆起部，用于连接触头和接头并且缓冲作用在触头上的物理应力。此处，触头、接头和隆起部可以一体形成。从尖端到隆起部中轴线 的距离可以是恒定的，或者从隆起部开始越接近测量目标该距离就越大。 为了提供相对于与测量目标接触时的外力的恢复力，两个尖端从隆起部 处分开，形成"U"形的形状。根据本发明的实施例，触头、接头和隆起部具有相同的厚度。触头 和隆起部的宽度可以小于触头和隆起部的厚度。接头可以包括待插入测 量目标终端中的插头。此处，插头可以是空心式的，以便提供恢复力从 而固定地插入测量目标终端中。并且，接头可以包括至少一个与尖端隔 开的引导支撑部。另外，隆起部可以构造成交错式结构或空心式结构，从而缓冲对触 头的物理应力。为了实现另一技术目的，本发明提供了一种通过使用包括光刻和蚀 刻步骤的图案形成过程来制造探针的方法。这种方法包括在基底上依 次形成消耗性膜和成型膜；使成型膜形成图案，从而形成成型图案，该 成型图案限定探针的形状并且具有让消耗性膜的顶面露出的开口；形成 填充开口的导电膜；通过蚀刻导电膜直到成型膜的顶面露出，形成填充 开口的探针；以及依次去除成型图案和消耗性膜，从而将探针剥离。在 此期间，每个开口限定探针的形状，并且该探针包括接头、隆起部和两 个从隆起部分开的尖端。[有益效果]通过提供具有一对从隆起部分开的尖端的探针，该探针能够稳定有 效地接触测量目标。另外，探针中所包括的隆起部有助于减小作用在尖 端上的物理应力。另外，与传统的悬臂式探针板相反，本发明的探针垂 直地与突起部联接，因此探针的重心位于穿过上述突起部的垂直线上。 因而，本发明的探针在探针板中占据了较小的面积，这有利于检测高度 集成的半导体器件(例如，具有像矩阵一样二维布置的焊盘的半导体)。


图1是局部地示出了传统探针板的剖视图。图2是描述本发明实施例的立式探针的平面图。图3~图8是描述本发明实施例的探针的触头的平面图。 图9~图11是描述本发明实施例的探针的隆起部的平面图。 图12~图16是描述本发明实施例的探针的接头的平面图。 图17~图21描述了本发明实施例的立式探针的联接特征。 图22是描述本发明另一个实施例的立式探针的立体图。 图23~图25是描述本发明立式探针的制造工艺步骤的平面图。 图26~图29是描述本发明立式探针的制造工艺步骤的剖面图。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细描述，在附图中显示了这些优 选实施例的例子。但是，本发明并不被本文随后描述的实施例所限制， 并且对这些实施例的描述是为了更容易和完整地理解本发明的范围和精 神。应当理解，当一个层被称为在其他层或基底"上"时，它可以直接在该 其他层或基底上，或者也可以存在中间层。同样，在附图中，为清楚起见而 扩大了各区域和各层的厚度。还应当理解，虽然术语"第一"、"第二"、 "第三"等可以用在这里以便描述各元件、组成、区域、层和/或段，但这 些元件、组成、区域、层和/或段应当不限于这些术语。这些术语只用于将 一个元件、组成、区域、层或段与另一个元件、组成、区域、层或段区分开。 因此，可以将第一元件、组成、区域、层或段称为第二元件、组成、区域、 层或段，而不背离本发明的指导。此处说明和描述的每个实施例也包括它的 补充实施例。图2是描述本发明实施例的立式探针的平面图。参照图2，本发明实施例的探针100包括触头10、隆起部20和接头30。 触头IO具有与待测目标(例如，半导体器件的焊盘)进行物理接触的尖端 15。隆起部20用于缓冲对与测量目标接触的尖端15的物理应力，防止尖端15变形超过弹性极限。接头30借助于形成在探针板中的交互连接而与外部 测量设备的测量终端连接。[实施例]根据本发明，触头IO、隆起部20和接头30的形状可以根据场合的需 要而变化。图3~图8是描述本发明实施例的不同形状的触头10的平面图。 图9~图11是描述本发明实施例的不同形状的隆起部20的平面图。图12~ 图16是描述本发明实施例的不同形状的接头30的平面图。参照图3 图8，触头10包括两个从隆起部20分开的尖端15。这种分 开方式使两个尖端15呈"U"形。根据本发明的一些实施例，尖端15的延 伸方向1与隆起部20的中轴线2平行。换句话说，尖端15与隆起部20的 中轴线2之间的间距是恒定的。另外，两个尖端15关于中轴线2对称设置。根据本发明的其他实施例，随着尖端15离开隆起部20的距离越远， 尖端15与中轴线2的间距越大。也就是说，如图4和图7所示，尖端15 的延长方向l'可以与中轴线2形成预设锐角。因此，触头10和隆起部20 可以构造为大致呈"Y"形的形状。具体地，如图7所示，本发明的尖端 可以构造为不同于"U"形的"V"形形状。此外，尖端15的末端(即，与测量目标接触的部分)可以构造为有 一定角度的角部(corner)。具体地，尖端15的末端可以具有与尖端15 的延长方向1或l'成锐角和钝角的角部。每个角部的曲率半径比尖端15 的宽度w足够小，为尖端15宽度的1/10 1/10000。根据本发明的实施例， 锐角角部之间的间距大于钝角角部之间的间距。因此，当尖端15接触具 有统一高度的表面的测量目标时，锐角角部比钝角角部更早地接触到测 量目标的表面。如果接触角部的角度是锐角，则测量过程所带来的压力 就会集中在那里。因此，就能在测量目标的表面上形成可以降低接触电 阻的刮擦。另一方面，在这样的过驱动接触操作期间，尖端15可能会在超过弹 性极限的过压下变形。为了防止变形，尖端15的角部可以具有不同的角 度和曲率半径。例如，如图5所示，尖端15可以具有圆形的末端。根据本发明，尖端15可以在过驱动接触操作期间具有恢复力。恢复力可以由尖端15的不同结构形状产生。例如，在接触测量目标时，尖端15可能在垂直于测量目标的方向(即，中轴线2)上变形。在这种情况 下，尖端15的末端在接触测量目标时将会逐渐地远离中轴线2。更详细 地，如图8所示，如果尖端15接触焊盘55，那么尖端15对焊盘55的作 用力力就会导致焊盘55对尖端15的反作用力/2，并导致使尖端15的末 端偏离中轴线2的变形力/3。因此，在焊盘55上形成刮痕。然后，如果 尖端15与焊盘55分离，那么恢复力/4就作用在向外伸出的尖端15上。 因此，尖端15就恢复到它们在接触操作之前的初始形状。根据本发明， 由于探针100通过一对尖端15与焊盘55接触，因此能够保证在与测量 目标接触方面的物理稳定性。尤其是，由于相反的变形力/3作用在两个 尖端15中的每一个上，因此就能够减小施加在探针100上的横向(即， 沿变形力的方向)应力。但是，尖端15和焊盘55的重复接触可能会导致尖端15的恢复特性 变差。为了防止这个问题，尖端15与隆起部20的连接位置处的宽度巧 可以与尖端15的宽度w不同。如图6所示，宽度w和v^可以满足关系式W!〉W。参照图9~图11，隆起部20减小了如上所述的对尖端15的物理接触 应力。为达到此效果，隆起部20还可以构造得能够具有恢复力。例如， 隆起部20可以构造成如图2和图9所示的杆状。由于不具有大的恢复力， 因此这种杆式隆起部20适合于在不需要有过驱动深度时与测量目标(例 如，无氧化膜的金属焊盘)接触。根据本发明的其他实施例，隆起部20可以构造成如图IO所示的弹 簧形状(即，交错式)。众所周知，由于弹簧具有比杆更高的弹性极限， 因此弹簧式隆起部20'为探针提供了足够大的恢复力。因此，弹簧式隆起 部20'能够使得对尖端15的物理应力最小。另外，杆式隆起部因其内的 恢复力可以伴随有垂直于中轴线2的变形，但是，弹簧式隆起部20'在操 作时其恢复力沿着中轴线2，因为弹簧式隆起部是沿着中轴线2变形的。 与此类似，当隆起部20的变形朝着与中轴线2平行的方向时，就能在设 置探针15的位置处使得由于过驱动操作而导致的变化率最小。根据本发明的其他实施例，隆起部20可以构造成具有如图11所示的空心部。由于空心式隆起部20〃的恢复力与弹簧式隆起部20'—样沿着中轴线作用，因此这种空心式隆起部也有利于使探针的布置变化最小。另外，由于空心式隆起部20〃以较宽的区域与触头10或接头30连接，因 此空心式隆起部20〃具有比弹簧式隆起部20'更小的针对于外部横向(即， 垂直于中轴线2)力的布置变化。空心部的数量可以根据需要而变化。参照图12~图16，本发明的接头30包括图12所示的杆式、图13~ 图16所示的引导支撑部32和/或34或者图15和图16所示的插头36。引导支撑部32或34对于将探针100联接到基座上是有益的。更详 细地，如图6A和6B所示，通过将接头30焊接至基座200的突起部210 而将探针100联接在那里。在这种联接过程中，为了使从基座200到尖 端15末端的距离规则，必须使探针IOO的长度统一。由于能够将引导支 撑部32或34用作调节探针100长度的参考，因此就能容易地使从基座 200到尖端15末端的距离统一。如图5C所示，引导支撑部32和34可以构造成彼此分开预设间距的 两层。引导支撑部32与34之间的间距可以与用于焊接过程的顶部支撑 板220的厚度对应。另外，为了长度的统一和联接的方便，本发明可以 提供具有对准凹槽235的底部支撑板230，触头10可插入对准凹槽235 中。插头36插入在基座200的突起部210中，有助于稳定探针100的联 接状态。为此，如图19所示，每个突起部210需要具有与探针IOO的插 头36对应的连接凹槽215。从图16可以看出，被构造成空心式的插头 36与其他类型相比能够容易地插入连接凹槽215中并且稳定地固定在那 里。更详细地，通过将插头36插入连接凹槽215中并将突起部210瑢融 /淬火，使得包括插头36的探针100与基座200联接(参照图17、图20 和图21)。突起部210的熔融可以通过如图20所示将整个基座200加热 至超过突起部210的熔点来实现，或者通过如图21所示借助于激光束加 热突起部210来实现。在这种情况下，突起部210可以由金、锡、铅或 者包含它们的合金形成。并且，基座200可以由即使将基座200加热到 突起部210的熔点时也能够保持其物理性质的材料(例如，陶瓷)形成。此外，突起部210的形成步骤包括在基座200上沉积突起部膜、然 后借助于光刻和蚀刻过程使突起部膜形成图案的步骤。因此，突起部210 以线形或二维的形式布置在基座200上。另外，连接凹槽215的形成步 骤包括借助于光刻和蚀刻过程使基座200上的突起部210形成图案的步 骤。在此期间，优选对应于插头36的宽度来调节连接凹槽215的宽度， 从而使连接凹槽215与插头36的间隙最小。图22是示出与本发明实施例的探针测量有关的特征的立体图。参照图 22，本发明的探针可以一体形成得包括触头10、隆起部20和接头30。触头 10、隆起部20和接头30可以具有相同的厚度/z。本发明的这种特征将通过 稍后所述的处理方法获得。此外，考虑到由于物理变形而产生恢复力，必须控制探针100的物 理变形的模式以便提供较大的弹性极限和最大的恢复力。为此，探针100 的厚度力优选大于触头10和隆起部20的宽度>v，满足关系式W<;k20w。 在这种情况下，在过驱动操作期间，尖端15的变形限制性地朝着宽度方 向，而不是厚度方向。因此，对变形的这种方向限制有助于将探针由于 偶然地朝着不能保证足够恢复力的方向变形而导致的损坏减到最小。图23 图25和图26 图29是描述本发明立式探针的制造工艺步骤的 平面图和剖面图。此处，图26~图29示出了沿图23~图25中的虚线I-I' 所获得的剖面。参照图23和图26，消耗性膜310和成型膜依次形成在基底300上。 消耗性膜310可以由诸如铜等金属材料制成，而成型膜作为一种对消耗 性膜310具有蚀刻选择性的材料，可以由光刻胶、氧化硅、氮化硅、氮 氧化硅或SOG制成。接着，使成型膜形成图案，从而形成限定探针形状 的开口 325。因此，完成了在制造探针时用作模子的成型图案320。在此期间，形成每一个包括触头、隆起部和接头的探针，其中使触头 的图案具有几乎呈"U"形的两个尖端。探针的具体图案就是如图2~图22 中示出的那些实施例，因此不再对此作详细描述。成型图案320的形成步骤 包括借助于使用刻有探针100形状的光掩模的光刻和蚀刻过程，使成型膜形 成图案的步骤。另外，根据本发明的实施例，成型图案320可以是通过光刻和蚀刻(即，显影)过程形成的光刻胶图案。在此期间，成型图案320使位于它下面的消耗性膜310的顶面露出。参照图24 图27，在消耗性膜310的露出的表面上形成导电膜，填 充开口 325。接着，选择性地蚀刻导电膜，从而使成型图案320的顶面露 出，由此在开口 325中形成探针100。导电膜由金属材料形成，所述金属 材料对消耗性膜310具有蚀刻选择性，以便分离成随后的探针100。导电 膜的蚀刻步骤可以包括借助于对成型图案320具有蚀刻选择性的蚀刻配 方而使导电膜平整的步骤。参照图25~图28,将露出的成型图案320去除直到位于它下方的消 耗性膜310露出。然后，如图29所示，借助于对探针IOO有选择性的湿 法蚀刻过程，将露出的消耗性膜310去除。因此，布置在消耗性膜310 上的探针IOO就与基底300分离。[工业应用]本发明适用于检测具有多个焊盘的微电子器件。
权利要求
1.一种探针，包括触头，所述触头包括两个与测量目标端接触并且相互分开的尖端；固定在探针板基座上的接头；以及隆起部，用于将所述触头和所述接头连接起来，并且缓冲作用在所述触头上的物理应力。
2. 根据权利要求l所述的探针，其中所述触头、所述接头和所述隆 起部一体形成。
3. 根据权利要求1所述的探针，其中所述尖端的末端是有角度的。
4. 根据权利要求1所述的探针，其中所述尖端的末端为圆形。
5. 根据权利要求l所述的探针，其中从所述尖端到所述隆起部的中 轴线的距离是恒定的，或者是沿着从所述隆起部到测量目标的方向变宽。
6. 根据权利要求1所述的探针，其中所述两个尖端从所述隆起部分 叉，形成"U"形的形状。
7. 根据权利要求l所述的探针，其中所述触头的宽度小于所述触头 的厚度，并且所述隆起部的宽度小于所述隆起部的厚度。
8. 据权利要求l所述的探针，其中在所述触头与所述隆起部相接处 的宽度大于所述尖端的宽度。
9. 根据权利要求1所述的探针，其中所述接头包括杆式结构、交叉 式结构、空心式结构以及具有两个支撑部的结构中的至少一种结构。
10. 根据权利要求1所述的探针，其中所述隆起部包括弹簧式结构和空心式结构中的至少一种结构。
11. 一种制造探针的方法，包括 在基底上依次形成消耗性膜和成型膜；使所述成型膜形成图案，从而形成成型图案，所述成型图案限定所述探针的形状并且具有让所述消耗性膜的顶面露出的开口；形成导电探针，所述导电探针布置在所述成型图案中并填充所述开口；以及依次去除所述成型图案和所述消耗性膜，从而将所述探针从所述基 底上剥离，其中，每个所述开口限定所述探针的形状，并且所述探针包括接头、 隆起部和具有两个从所述隆起部分叉的尖端的触头。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述消耗性膜由包括铜的金 属材料形成，所述成型膜由选自光刻胶、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和SOG中的 至少一种材料形成，并且，所述导电探针由对所述消耗性膜具有蚀刻选择性的金属材料形成。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中所述隆起部包括弹簧状部分 和空心状部分中的一种，并且所述接头包括插头状部分。
14. 一种将立式探针联接至形成在基座上的终端的方法，包括在基座上形成具有连接凹槽的突起部；形成探针，所述探针包括触头、隆起部和具有插头的接头； 将所述探针的插头插入所述连接凹槽中；以及 使所述插头和所述突起部成型。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述突起部由选自如下材料中的至少一种材料形成镍、钴、金以及包括镍、钴和金中至少一种的会全口血o
16. 根据权利要求14所述的方法，其中所述突起部的形成包括 在基座上形成突起部膜；使所述突起部膜形成图案，从而形成布置在所述基座上的突起部；以及使所述突起部形成图案，从而在所述突起部中形成连接凹槽， 其中，所述突起部膜的形成包括执行至少一种选自电镀、溅射和化 学气相沉积的方法，并且，使所述突起部膜和所述突起部形成图案包括执行光刻过程和蚀刻过程。
17. 根据权利要求14所述的方法，其中将所述插头成型在所述突 起部中包括将由预设引导板固定的所述探针联接至所述基座，其中，所述探针和所述基座的联接包括通过使用加热所述基座或向 所述基座发射激光束中的一种方法来熔融所述突起部。
18. 根据权利要求14所述的方法，其中将所述探针的插头插入所述 连接凹槽中包括将所述探针的触头插入底部支撑板中，从而临时固定所述探针；以及使用具有凹槽的引导支撑板来对准所述探针，其中，所述探针的对准包括将所述插头的引导支撑部插入所述引导 支撑板的凹槽中；并且将经过对准的所述探针的插头插入所述连接凹槽 中。
全文摘要
本发明公开了一种立式探针以及制造和联接这种立式探针的方法。所述探针包括具有两个尖端的触头，与测量系统的测量终端电连接的接头，以及用于将所述触头和所述接头连接起来并缓冲对所述触头的物理应力的隆起部。
文档编号G01R1/067GK101233416SQ200680028284
公开日2008年7月30日 申请日期2006年7月19日 优先权日2005年8月3日
发明者李亿基 申请人:飞而康公司;李亿基