CN113391101A - 一种壳核微探针及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种壳核微探针及其制备方法，包括探针核，所述探针核包括自上至下依次同轴连接的安装部、主体和针尖，所述安装部和主体外包覆有探针壳，所述探针壳具有导电性。探针核的主要作用是保证探针强度、耐磨性等机械特性满足测试要求，探针壳主要作用是改善探针导电性能，满足高导电性的测试要求，不同部分材料不同，结合两部分材料各自的优点可以将探针尺寸做得很小。

Description

一种壳核微探针及其制备方法

技术领域

本发明属于晶圆测试探针技术领域，具体涉及一种壳核微探针及其制备方法。

背景技术

随着近几年来半导体行业的快速发展，集成电路制作精度越来越高，线宽越来越小，相应的测试焊垫尺寸和间距也越来越小。为此，需要使用含有精度更高尺寸更小的探针阵列来进行测试，要求探针的强度、电阻和能承载的电流强度达到相应的要求并且测试可靠。当测试焊垫直径小于80微米，焊垫间距小于30微米且呈阵列排布时，传统的悬臂梁探针的使用因受几何形状影响而受到限制。传统垂直探针由于受到拉丝制造工艺限制，其尺寸和误差都较大，产品一致性差，因而制做新的探针势在必行。

发明内容

本发明提供了一种壳核微探针及其制备方法，可应用于小尺寸小间距阵列测试焊垫的情况。

为达到上述目的，本发明所述一种壳核微探针，包括探针核，所述探针核包括自上至下依次同轴连接的安装部、主体和针尖，所述安装部和主体外包覆有探针壳，所述探针壳具有导电性。

进一步的，探针核材料为钯铜银合金。

进一步的，主体的横截面为矩形。

进一步的，主体上设置有向外延伸的凸起。

进一步的，针尖为楔形。

上述的一种壳核微探针的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、根据探针核的形状绘制掩膜版；在基底上上端面沉积一层种子层；在种子层上旋涂光刻胶；

步骤2、将步骤1制备的掩膜版覆盖于光刻胶的上方；

步骤3、用平行光通过掩膜版对光刻胶进行区域性曝光；

步骤4、显影溶解曝光部分的光刻胶，露出部分种子层；

步骤5、在露出的种子层上表面沉积钯铜银合金，形成探针核；

步骤6、去除光刻胶、单晶硅片基底及其上的种子层，释放探针核；

步骤7、在探针核外表面电镀金属铜，形成探针壳。

进一步的，步骤1中，旋涂光刻胶厚度大于等于探针核的厚度。

进一步的，步骤1中，旋涂光刻胶的速度为700r/min～1000r/min。

进一步的，步骤3中，曝光前和曝光后对光刻胶进行烘干。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明制作的探针具有两层结构，探针核的主要作用是保证探针强度、耐磨性等机械特性满足测试要求，探针壳主要作用是改善探针导电性能，满足高导电性的测试要求，不同部分材料不同，结合两部分材料各自的优点可以将探针尺寸做得很小。

本发明制作的探针呈直线型，测试时受到上下两个引导板约束，与传统探针相比，结构更稳定，同时可减小测试时针尖的滑动，产生更稳定的针痕，减小针尖滑动对焊垫的伤害。

进一步的，主体的横截面为矩形，方便制作。

进一步的，主体上设置有向外延伸的凸起，用以确定下引导板的位置。

进一步的，针尖为楔形，在施加相同作用力时，楔形针尖可以产生更大的接触力和相对小的针痕，减小对焊垫的伤害。

本发明的一种小尺寸、高强度的壳核结构微探针的制备方法，采用光刻、电铸、电镀的方式制作，与传统垂直探针拉丝加工方法相比，基于光刻方法制作的探针精度高、批量生产时一致性好，可满足测试焊垫尺寸小、间距小、呈阵列排布的测试需求。

进一步的，在曝光前存在前烘过程，以保持基底表面干燥、曝光后存在后烘来提高图形稳定性和改善后续沉积过程中基底的附着力。

附图说明

图1为本发明的探针结构示意图；

图2为探针核结构示意图；

图3为探针针尖示意图；

图4为探针与引导板位置关系示意图；

图5为探针制作方法流程图。

附图中：1、探针核，2、探针壳，3、安装部，4、主体，5、凸起，6、针尖，7、上引导板，8、下引导板。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种壳核微探针，为一字型，具有探针核1和探针壳2内外两层结构。

如图2所示，探针核1为整体结构，包括自上至下依次同轴连接的安装部3、主体4和针尖6，制作时一次电铸成型，主体4下部设置有向外延伸的凸起5。探针壳2包覆在主体4和安装部3外。

探针核1材料选择硬度超过铍铜，电阻率小于金属钨的材料，例如钯铜银合金，钯铜银合金具有一定的导电性，主要作用是使探针具有一定的强度，以便在测试时能刺破焊垫表面的氧化层，顺利进行有效测试。

安装部3位于探针上端部，直径稍小于主体4的直径，用于将探针安装在PCB板上；

主体4碍于目前光刻工艺能达到的深度有限，电铸堆叠方向只能选择垂直于图示长轴方向，垂直于图示长轴方向轴线的截面为矩形；安装部3的截面为矩形。

凸起5位于靠近针尖部位的位置，凸起5在与电铸堆叠方向垂直的两个相对的侧面上，用以确定下引导板8的位置。

如图3所示，针尖6为楔形，在施加相同力的基础上，楔形针尖可以产生相对更大的接触力和相对小的针痕，可以减小对焊垫的伤害。针尖表面不电镀金属铜。

探针核1的横截面的长和宽范围为25μm－80μm，长度为大于2500μm本实施例中，探针核1的尺寸为：宽×厚×长＝50μm×50μm×7000μm。

探针壳的厚度为5μm-15μm，本实施例中，探针壳的厚度7μm。

探针壳的材料选用导电性高于铜钯银合金导电性的纯铜材料。

如图4所示，探针测试时受上引导板7和下引导板8的限制，其测试原理为两端固定的屈曲柱原理。

为了达到设计目的，参照图5，一种壳核微探针的制作方法，包括以下步骤：

步骤1、根据探针的形状绘制掩膜并进行参数设定；

步骤2、在单晶硅片基底上上端面蒸发淀积一层种子层；

步骤3、在种子层上厚旋涂负性光刻胶(以下简称PR胶)；

步骤4、将掩膜版覆盖于上一步所涂PR胶的上方；

步骤5、使用平行光通过掩膜版对PR胶进行区域性曝光；

步骤6、显影溶解曝光部分的PR胶，露出该部分种子层，完成探针形状转移；

步骤7、在露出的种子层上表面电铸沉积钯铜银合金，形成探针核1；

步骤8、去除PR胶、单晶硅片基底及其上的种子层，释放形成的探针核1；

步骤9、在形成的探针核1外表面电镀金属铜，形成探针壳2。

在上述步骤1中，掩膜版的绘制和参数设定根据探针的形状决定，当用本发明方法进行不同形状的探针制作时，对每一种探针需要绘制与之相对应的掩膜版。

在上述步骤2中，种子层的形成也被称作基底金属化，种子层材料可以选择Al，Cu或Cr等金属，形成种子层的方式可以选择蒸发淀积，但不限于蒸发淀积，也可以选择溅射等其他方式。

在上述步骤3中，厚旋涂PR胶，PR胶的厚度大于等于探针核1的厚度。MEMS加工工艺中微结构尺寸一般都在几十到几百微米，远远大于一般IC工艺中光学曝光厚度，因而选择厚胶光刻。厚胶光刻使用的光刻胶在光敏化合物的浓度和功能指数，吸收光的能力和聚合物含量方面与薄的光刻胶有着较大差别，且具有更高的粘度，在旋涂时需仔细优化旋转时间和速度，才能达到旋涂均匀的效果，旋涂速度为700r/min～-1000r/min，时间为保持35分钟。

在上述步骤5中，曝光选择的光源为普通紫外光，便可实现深宽比要求，在曝光前存在前烘过程，以保持基底表面干燥、曝光后存在后烘来提高图形稳定性和改善后续沉积过程中基底的附着力。

在上述步骤7中，电沉积形成探针核1，核部分是探针的主体部分，材料为钯铜银合金，主要作用是保证探针在测试中的机械性能，且具有一定的导电性，核部分的尺寸，根据探针设计过程中的理论计算结构和测试要求确定，图2所示图探针核1尺寸为：长×宽×高＝50μm×50μm×7000μm，探针针尖6只由核部分材料构成，外形为楔形。

在上述步骤9中，电镀形成探针壳2，壳部分的主要作用是降低探针的测试电阻，增强其导电性，探针针尖6部分不予电镀。

如图4所示，探针测试时受上引导板7和下引导板8的限制，其测试原理为两端固定的屈曲柱原理。

实施例1

一种壳核微探针的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、根据实施例1中的探针的形状绘制掩膜并进行参数设定，本实施例中，长×宽×高＝50μm×50μm×7000μm；

步骤2、在单晶硅片基底上上端面蒸发淀积一层种子层，种子层材料可以选择Al；

步骤3、在种子层上先以800r/min的速度进行第一步涂胶，保持15秒，再将转速提高到1000r/min进行第二步涂胶，保持20秒，旋涂PR胶的厚度为50μm；

步骤4、将掩膜版覆盖于步骤3所涂PR胶的上方；

步骤5、使用普通紫外光通过掩膜版对PR胶进行区域性曝光；

步骤6、显影溶解曝光部分的PR胶，露出该部分种子层，完成探针形状转移；

步骤7、在露出的种子层上表面电铸沉积钯铜银合金，形成探针核1；

步骤8、去除PR胶、单晶硅片基底及其上的种子层，释放形成的探针核1；

步骤9、在形成的探针核1外表面电镀7μm的金属铜，形成探针壳2，壳部分的主要作用是降低探针的测试电阻，增强其导电性，探针针尖6部分不予电镀。

实施例2

一种壳核微探针的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、根据探针的形状绘制掩膜并进行参数设定，本实施例中，长×宽×高＝80μm×80μm×6000μm；

步骤2、在单晶硅片基底上上端面蒸发淀积一层种子层，种子层材料为Cu；

步骤3、在种子层上先以750r/min的速度进行第一步涂胶，保持15秒，再以950r/min的速度进行第二步涂胶，保持20秒，旋涂PR胶的厚度大于等于探针的厚度；

步骤4、将掩膜版覆盖于步骤3所涂PR胶的上方；

步骤5、使用普通紫外光通过掩膜版对PR胶进行区域性曝光；

步骤6、显影溶解曝光部分的PR胶，露出该部分种子层，完成探针形状转移；

步骤7、在露出的种子层上表面电铸沉积钯铜银合金，形成探针核1；

步骤8、去除PR胶、单晶硅片基底及其上的种子层，释放形成的探针核1；

步骤9、在形成的探针核1外表面电镀15μm的金属铜，形成探针壳2，壳部分的主要作用是降低探针的测试电阻，增强其导电性，探针针尖6部分不予电镀。

实施例3

一种壳核微探针的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、根据探针的形状绘制掩膜并进行参数设定，本实施例中，长×宽×高＝25μm×25μm×2500μm；

步骤2、在单晶硅片基底上上端面蒸发淀积一层种子层，种子层材料为Cu；

步骤3、在种子层上先以700r/min的速度进行第一步涂胶，保持10秒，再以1000r/min的速度进行第二步涂胶，保持25秒，旋涂PR胶的厚度大于等于探针的厚度；

步骤4、将掩膜版覆盖于步骤3所涂PR胶的上方；

步骤5、使用普通紫外光通过掩膜版对PR胶进行区域性曝光；

步骤6、显影溶解曝光部分的PR胶，露出该部分种子层，完成探针形状转移；

步骤7、在露出的种子层上表面电铸沉积钯铜银合金，形成探针核1；

步骤8、去除PR胶、单晶硅片基底及其上的种子层，释放形成的探针核1；

步骤9、在形成的探针核1外表面电镀5μm的金属铜，形成探针壳2，壳部分的主要作用是降低探针的测试电阻，增强其导电性，探针针尖6部分不予电镀。

根据本发明的内容，利用本领域的一般技术知识和技术，在不脱离本发明上诉方案思想的基础上，本发明可以做出诸如变换不重要工序顺序等多种形式修改，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种壳核微探针，其特征在于，包括探针核(1)，所述探针核(1)包括自上至下依次同轴连接的安装部(3)、主体(4)和针尖(6)，所述安装部(3)和主体(4)外包覆有探针壳(2)，所述探针壳(2)具有导电性。

2.根据权利要求1所述的一种壳核微探针，其特征在于，所述探针核(1)材料为钯铜银合金。

3.根据权利要求1所述的一种壳核微探针，其特征在于，所述主体(4)的横截面为矩形。

4.根据权利要求1所述的一种壳核微探针，其特征在于，所述主体(4)上设置有向外延伸的凸起(5)。

5.根据权利要求1所述的一种壳核微探针，其特征在于，所述针尖(6)为楔形。

6.权利要求1所述的一种壳核微探针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据探针核(1)的形状绘制掩膜版；在基底上上端面沉积一层种子层；在种子层上旋涂光刻胶；

步骤2、将步骤1制备的掩膜版覆盖于光刻胶的上方；

步骤3、用平行光通过掩膜版对光刻胶进行区域性曝光；

步骤4、显影溶解曝光部分的光刻胶，露出部分种子层；

步骤5、在露出的种子层上表面沉积钯铜银合金，形成探针核(1)；

步骤6、去除光刻胶、单晶硅片基底及其上的种子层，释放探针核(1)；

步骤7、在探针核(1)外表面电镀金属铜，形成探针壳(2)。

7.根据权利要求6所述的一种壳核微探针的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，旋涂光刻胶厚度大于等于探针核(1)的厚度。

8.根据权利要求6所述的一种壳核微探针的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，旋涂光刻胶的速度为700r/min～1000r/min。

9.根据权利要求6所述的一种壳核微探针的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，曝光前和曝光后对光刻胶进行烘干。

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