（微电子学与固体电子学专业论文）悬臂梁式mems探卡的设计和制造技术.pdf

摘要 悬臂梁式m e m s 探卡的设计和制造技术 郭南翔( 微电子学与固体电子学) 指导老师：李昕欣 摘要 集成电路圆片级测试探卡主要应用于分片封装前对芯片电学性能进行初测。随着 集成电路的发展，焊盘密度日益增加和电路工作速度不断提高，由此产生的寄生电容 和寄生电感会对传统测试探卡的正常工作造成影响，难以得到正确的测试结果，从而 难以对高密度、高速度电路芯片进行测试。结合先进的m e m s 技术，本论文提出了一 种采用铝通孔导电、金属自隔离结构的m e m s 探卡，探卡由台阶结构的悬臂梁探针阵 列构成。本论文主要论述了一种悬臂梁式圆片级m e m s 测试探卡的设计、制作流程和 导通电阻测试，探针的具体排列依据待测芯片( d u t ) 的管脚分布，同时测试结果显示 探针电学导通电阻小于1 q 。 本文第一章主要概述了m e m s 技术的发展历史、m e m s 器件的分类以及部分常用的 m e m s 典型器件，同时介绍了m e m s 探卡的发展状况和各种方式实现的m e m s 探卡的优 缺点。 第二章推导了探卡悬臂梁结构需要满足的力学方程，从中得到探卡悬臂梁的尺寸 数值，同时结合a n s y s 模拟结果验证设计的可行性。 第三章对探卡工艺流程中的关键步骤进行了工艺试验，得到关键工艺参数，也同 时验证了整个探卡工艺的可行性。 第四章给出了具体的探卡整个工艺流程、实验结果以及探卡局部的s e m 照片，最 后给出探卡的导通电阻测试结果，符合预期目标。 第五章对所做的工作进行了总结。 廷键嗣：m e m $ 探卡悬臂梁自隔离 a b s t r a c t a b s t r a c t o f t h ed e s i g na n df a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo f m e m sc a n t i l e v e rp r o b ec a r d b yg u on a n x i a n g d i r e c t e db y ：p r o f e s s o rl ix i n x i n w a f e r - l e v e li ct e s tp r o b ec a r di sm a i n l yu s e di nt h et e s to fc h i p se l e c t r i cc h a r a c t e r s b e f o r ep a c k a g i n g w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec h i pc o m p l e x i t y , a n dt h eg r e a ti m p r o v e m e n to f o p e r a t i o ns p e e d ，t r a d i t i o n a lp r o b ec a r dc a n tw o r kp r o p e r l yb e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo ft h e p a r a s i t i cc a p a c i t ya n di n d u c t a n c e ，w h a t sm o r e ，t h ed e n s i t yo f t i p so f t r a d i t i o n a lp r o b ec a r d i sl i m i t e d s o ，i nt h i sp a p e r , an o v e lm i c r om e c h a n i c a lp r o b ec a r dw i t ha l u m i n u m v i aa n d s e l f - a l i g n m e n tt e c h n o l o g yw a si n 订o d u c e d t h i sk i n do fp r o b ec a r dc o n s i s t so fa l la r r a yo f t i p sw h i c ha r ea tt h eb o t t o mo fs p e c i a ld e s i g n e dc a n t i l e v e r s i no u rp a p e 5t h ed e s i g n m e t h o do ft h ep r o b ec a r ds t r u c t u r ei sd i s c u s s e di nd e t a i l sa n dt h es p e c i a lf a b r i c a t i o n p r o c e s si sp r o v i d e d ，t h ea r r a n g e m e n to ft h et i p so ft h ep r o b ec a r di sb a s e do nt h ea c t u a l p o s i t i o n so f t h ep a d so f t h ed u t t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h er e s i s t a n c eo f t h ep r o b ec a r d i s b e l o w lq t h eh i s t o r yo fm e m st e c h n o l o g y 、c a t e g o r i e so fm e m sd e v i c e sa n ds o m et y p i c a l m e m sd e v i c e sa r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n to f m e m s p r o b ec a r di sa l s o i n t r o d u c e d ，w h a t sm o r e ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f v a r i o u sk i n d so f p r o b ec a r d s a r ed i s c u s s e d i nc h a p t e r 2 ，t h em e c h a n i c a le q u a t i o n st h a tt h ec a n t i l e v e ro f p r o b ec a r dm u s ta b b e ya r e c o n d u c t e d f r o mt h o s ee q u a t i o n s ，t h ed i m e n s i o n so ft h ec a n t i l e v e r sa r e g o t t e n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ha n s y sa r eg i v e nt o o i n c h a p t e r 3 ，s o m ee x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e dt og e tt h ek e yp a r a m e t e r so ft h e f a b r i c a t i o np r o c e s s ，a tt h es a m et i m e ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o c e s si sp r o v e d ， i nc h a p t e r 4 ，t h ew h o l ef a b r i c a t i o np r o c e s s 、e x p e r i m e n tr e s u l t sa n ds o n l es e m p h o t o s a r eg i v e n a tl a s t ，t h er e s i s t a n c eo ft h ep r o b ec a r di sm e a s u r e d ，a n dt h er e s u l t sm e e to u r r e q u e s tw e l l c h a p t e r 5c o n c l u d e sa l lt h ej o b sih a v ed o n e k e y w o r d s ：m e m sp r o b ec a r dc a n t i l e v e rs e l f _ a l i g n m e n t 悬臂梁，l = i = m e m s 探卡的发计和制造技术 11 微电子机械系统概述 第一章绪论 微型电子机械系统( l i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，简称m e m s ) ，是指可以集 微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的 完整微型机电系统 1 。m e m s 技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新 原理、新功能的元件和系统。按照不同的功能，m e m s 器件包括：用于电子通讯的射 频m e 惦( r f - f e 幅) ；对光信号进行传输、反射、放大等处理的微光学器件；微流体系 统、生物芯片以及片上实验室( l a b o n c h i p ) 等。 表1 19 0 年代前微机械发展简要历程 y o a rc o n t e n t s i l i c o na n i s o t r o p i ce t c h i n g s h a d o wm a s kf o rc r ：r p i e z o r e s i s t i v ee f f e c ti ns i l i c o n s e m i c o n d u c t o rs t r a i ng a u g e s c r y s t a l l i n eo r i e n t e da n i s o t r o p i ce t c h i n g p o s t 1 9 6 0s i l i c o np r e s s u r es e n s o r s p o s t 一1 9 7 0s o l i ds t a t et r a n s d u c e r s p o s t 一1 9 8 0m i e r o a c t u a t o r s 19 8 7 _ 8 9 m e c h a n i s m sa n dm o t o r s p o s t 1 9 8 8m i c o r e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s 表1 1 是9 0 年代前微机械技术的发展历程。微机械技术最早起源于美国，最早 可追溯到1 9 5 4 年硅和锗的压阻效应的发现 2 。1 9 5 9 ，r i c h a r d p f e y n m a n ( i 9 6 5 年 诺贝尔物理奖获得者) 在加州理工大学发表了著名的演说“t h e r e sp l e n t yo fr o o m a tt h eb o t t o m ” 3 ，提出了微型机械的设想。1 9 6 2 年，第一个硅微型压力传感器 问世。其后开发出尺寸为5 0 5 0 0 um 的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微型机 械。1 9 6 5 年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传 感器方面取得成功。尽管如此，2 0 【：i 纪8 0 年代之前，微机械技术的发展却非常缓慢。 甑到硅材判被广泛运用到微机械器件制造当中，微机械技术才得到蓬勃的发展。1 9 8 8 年，荚围加州大学们克利分校利用微f 乜了技术制成多晶硅静电马达，转子囱：径为 一斛脚舱 p 第一章绪论 1 2 0 u m ，开创了微型电子机械系统( m e m s ) 的历史，显示出利用硅微加工工艺制造小的 可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力，标志着微电子机械系统雏形的出 现。微马达的出现引起了各国科学家的广泛兴趣，受到许多国家的政府部门、企业界、 高等学校与研究机构等的高度重视。美国、日本以及欧洲一些国家相继制定出各自的 研究计划，投入巨额资金开展m e m s 技术的研究。在此期间，德国首创了l i g a 技术， 为m e m s 的发展提供了新的技术手段。图1 1 示意了m e m s 典型工艺流程。 黼s e c t i o n i n g 嘲d d i v i e i d 峪。i 嚣誉i 嚣 矗e9 簧紧饪锉臀 图1 1m e m s 典型工艺流程示意图 1 2 主要微机械加工技术介绍 微机械加工技术大体可分为体微机械加工( b u l km i c r o m a c h i n i n g ) 和表面微机械 加工技术( s u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ) 、l i g a 工艺、准l i g a 工艺、超微细加工、微细 电火花加工( e d m ) 、等离子束加工、电子束加工、快速原型制造( r p m ) 以及键合技术等 4 。其中使用的较多的是体微机械加工技术和表面微机械加工技术。 2 1 表面微机械加工技术 表面微机械加工技术主要来源于i c 制造工艺技术，一般是在硅衬底上淀积或生 长薄膜材料，如多品硅，氮化硅等。通过对这些薄膜材料进行平面加工，难叠出所需 的微结f 结构。包括氧化、扩散、光刻、薄膜淀积、牺牲层技术和剥离( 1 i f t o f f ) 等。 表面微机械加工技术加工深度为几个微米，它的优点是与i c 工艺兼容性好；缺点是 纵向尺寸小，无法满足高深宽比的要求，而且受薄膜应力等的影响较大。 2 悬臂梁式m e m s 揲卡的设计和制造技术 趟趟糊盎圈鲻 百i 忑瓦磊：了一赢帚鬲蔬；葡i i 丽x ， 图1 2 一种m e m s 陀螺的工艺流程 图1 2 是一种利用表面微机械工艺技术加工的陀螺的工艺流程示意图 5 。首先在 硅衬底上生长一层2 u m 厚的s i 0 2 层，主要工艺步骤包括：( a ) ：在氧化层上分别利用低 压化学气相淀积( l i c v d ) 各o 2 u m 厚的氮化硅和多晶硅：( b ) ：利用l p c v d 生长磷硅 玻璃( p s g ) 作为牺牲层：( c ) ：光刻，定义图形；( d ) ：采用l p c v d 淀积第二层多晶 硅，在它上面生长第二层p s g ；( e ) ：干法刻蚀；( f ) ：牺牲层技术：利用h f 酸将作为 牺牲层的p s g 去除，释放可动结构。 122 体微机械加工技术 体微机械技术加工对象以体硅单晶为主，加工厚度几十至数百微米，关键技术是 各种腐蚀技术和键合技术，优点是设备和工艺简单，但可靠性差。 腐蚀技术按照腐蚀方式可分为湿法腐蚀和干法腐蚀，按照腐蚀图形形貌可分为各 向同性和各向异性腐蚀。如图1 3 ( b ) ，在( 1 0 0 ) 硅片上沿晶向方向开方f l ，然后进 行k o h 腐蚀。由于k o h 溶液在硅片( 1 0 0 ) 晶向的腐蚀速率远大于在( 1 1 1 ) 晶向的腐 蚀速率，因此会形成和方孔底面呈5 4 7 。的( 1 1 1 ) 面的斜坡 6 。这种各个方向速 率不同的腐蚀就是各向异性腐蚀。在微机械的加工过程中大量的运用了i ( 0 h 的各向异 性腐蚀，图1 3 ( b ) 显示各向异性腐蚀形状。 在微机械加工技术中，体硅工艺被大量地采用，包括加： 各种沟槽、孔洞、结构 释放以及一面挖窄形成薄膜或腔体等。除此之外，周相键合技术也越来越多地被采用 f 7 。使用较多的是s 卜( m l s sf j j 极键合( 电称静电键合) 和s 卜s j 自2 接键合。阳极键 蓄善 第一章绪论 r 产芝与代武| 。“ p 气1 厂己啊 s o t r o p i cw f le l c h i n g ：n 0a g i t x f | o , 雕：呵 l 一一j “抽l 图i 3 各向同性和各向异性腐蚀图样 合是将抛光的硅片和玻璃片紧密接触，大约在温度4 0 0 、电压1 0 0 0 v 条件下，硅片 和玻璃将紧密结合在一起。阳极键合温度较低，不会造成杂质扩散，也不会对铝布线 造成破坏，因此可在完成金属布线之后进行，有利于芯片封装。s i s i 真接键合则是 对两片硅片进行高温处理，最终形成氧键而键合在一起。它对硅片平整和光洁度要求 非常高，同时处理温度要求在8 0 0 以上。 随着体硅工艺的发展以及高深宽比图形的制作需求，反应离子刻蚀( r i e ) 以及深 反应离子刻蚀( d r i e ) 技术越来越多地运用到工艺制作当中。反应离子刻蚀是一个复杂 的辉光放电等离子体物理一化学作用过程，等离子体是由正离子、负离子、自由电子 等带电粒子，以及不带电的中性粒子如激发态分子，自由基等组成的气体。反应离子 刻蚀过程实际上是由刻蚀和保护过程共同构成的，通过调整刻蚀气体和保护气体的流 量和通气时间可以实现各向异性、各向同性干法刻蚀，同时在各向异性刻蚀中可以调 整侧壁形貌。例如常用的0 2 、s f 6 和c f 4 的组合气体，如果仅通入s f 6 ，可以对硅进行 各向同性刻蚀。 l i g a ( 德文l i t h o g r a p h i e ，g a l v a n o f o r m u n g ，a b f o r m u n g ) 是光刻电铸成型的意思 4 ，它是1 9 8 6 年由德国科学家丌发出来的。l i c , a 工艺需要使用由功率强大的同步 辐射加速器所产生的软x 射线源。d g a 技术能制作高深宽比的高精度的微结构，加 丁宽度可小至i l ，深度可达1 0 0 0 l i m ，不仅可以加工多种会属材料，还能够对塑料、 陶瓷等材判进行加工。然而，由于同步辐射源很难提供，限制了这项技术的应用范围。 4 第一章绪论 i 哺 图1 3 各向同性和各向异性腐蚀图样 合是将抛光的硅片和玻璃片紧密接触，大约在温度4 0 0 、电压1 0 0 0 v 条件下，硅片 和玻璃将紧密结合在一起。阳极键合温度较低，不会造成杂质扩敖，也不会对铝布线 造成破坏，因此可在完成金属布线之后进行，有利予芯片封装。s i s i 直接键台则是 对两片硅片进行高温处理，最终形成氧键丽键合在一起。它对硅片平整和光洁度要求 非常高，同时处理温度要求在8 0 0 以上。 随着体硅工艺的发展以及高深宽比图形的制作需求，反应离子刻蚀( r i e ) 以及深 反应离子刻蚀( d r i e ) 技术越来越多地运用到工艺制作当中。反应离子刻蚀是一个复杂 的辉光放电等离子体物理一化学作用过程，等离子体是由正离子、负离子、自由电子 等带电粒子，以及不带电的中- 生粒子如激发态分子，自由基等组成的气体。反应离子 刻蚀过程实际上是由刻蚀和保护过程共同构成的，通过调整刻蚀气体和保护气体的流 量和通气时间可以实现各向异性、各向同性于法刻蚀，同时在各向异性刻蚀中可以调 整侧壁形貌。例如常用的0 2 、s f 6 和c f 4 的组合气体，如果仅通入s f 6 可以对硅进行 各向同性刻蚀。 l i g a ( 德文5 i t h o g r a p h i e ，g a l v a n o f o r m u n g ，a b f o r m u n g ) 是光刻电铸成型的意思 一1 1 ，它是1 9 8 6 年由德国科学家开发出柬的。l i g a 工艺需要使用由功率强人的同步 辐射加速器所产生的软x 射线源。l l g a 技术能制作高深宽比的高精度的微结构，加 二f 宽度可小卒lu 哪，深度可达l ( t o o u m ，不仅可以加工多利金属捌料，还能够对塑料、 陶瓷等材判进行加，i i 。然而，由于同步辐射源很难提供，限制j 这项技术的鹿刷范围。 陶瓷等材制进行加，i i 。然而，由于同步辐射源很难提供，限制了这项技术的鹿用范围。 d 悬臂梁式m e m $ 探卡的设汁和制造技术 图1 4 是l i g a 工艺的简单示意图 8 。其工艺过程一般是：利用同步辐射x 光对厚光 刻胶曝光，然后显影得到光刻胶的三维结构，电镀填满光刻胶模子得到金属结构，利 用金属结构作为模具形成塑料的结构等。 1 9 9 1 年美国学者首先发表了一篇研究论文，叙述了利用普通紫外光源曝光并进行 电铸制成静电马达的工艺，这种工艺现在被称为准l i g a 工艺，准l i g a 工艺不使用同 步辐射光源而大大降低了成本，是一种简便易行的加工工艺，除了曝光时采用普通紫 外光源外，其他工艺过程与l i g a 工艺基本相同。 13 典型m e m s 器件介绍 = 。* 盛 喇- 岫i 焉f “” 蝴j - i b 燃 毛a - 帕嘲栅t 椭 慵蝌一- 裂。讲出一 鬻埘洲j l j r 鬲黼 3 。m o l t o 撕 粕咖 。”气元冗产勰瓣 图l _ 4l i g a 工艺流程示意图 1 9 8 5 年至今，m e m s 技术得到了飞速的发展，各种结构新颖、加工方法巧妙的m e m s 器件不断出现，使得h e m s 器件的性能不断提高、应用范围也不断扩大。经过几十年 的发展，m e m s 已经在很多方面取得了应用，以下是对一一些比较典型的m e m s 器件进行 简单的介绍。 1 31 惯性传感器 加速度引和陀螺是馈主要的惯性传感器，以，r 顿二二大运动定傅为理沦犟甜 。，雠悱 笫一章绪论 传感器的主要用途包括：1 ) 、惯性导航和惯性制导；2 ) 、惯性测量：如利用传统转子 陀螺仪的定轴性和摆的重力线敏感能力来建立方向基准( 陀螺罗经、测斜仪、地磁稳 定器、陀螺经纬仪等) ；3 ) 、在航空、航天、航海、兵器、钻井勘探、机器人、生物 医学、消费电子、汽车等领域内，惯性敏感器可以用于各种运动参数的测量和稳定。 、占i 品二赫l c 旷聃i c i ) ( c ) 图1 5 电容式加速度计：( a ) 加速度计结构，( b ) 加速度计芯片s e m 照片( c ) 测试 原理示意图 图1 6 振动式环形陀螺 加速度传感器是非常重要和常用的一类m e m s 器件，它在很多方面都有着非常广 泛的应用，例如，汽车、空问技术、。愤m - 性制导武器等。同时，对加速度计得到的信号 进行处理还可以得到速度和位移。由f 加速度计发展较早，结构、原理以及制造方法 6 悬臂梁式m e m s 搽卡的设计和制造技术 相对简单，已经开发出来了很多成熟的加速度计产品。按照实现方式，加速度计可分 为压阻压电式、隧道式、热流式、谐振式和电容式加速度计等种类。图1 5 是一种电 容式加速度计示意图，该加速度计采用s d b - s o i ( s i l i c o nd i r e c tb o n d i n g s i l i c o no n i n s u l a t o r ) 结构，通过c v 转换芯片( t 1 2 8 8 2 d ) 检测质量块运动引起的电容变化， 从而得到加速度 9 。 陀螺主要用来检测物体运动角速度，可用于车辆的翻车保护系统、车辆的动态平 衡控制系统、导航系统、机器人技术和航空电子学等。按照不同的工作原理陀螺种类 有：旋转式陀螺、振动式陀螺、光学陀螺等。如图1 6 所示是一种特殊结构的振动式 环形陀螺 1 0 。 1 3 2m e m s 在光学中的应用 m e m s j p 常适合应用于光学领域：m e m s 器件的尺寸和作用距离可以达到光的波长量 级，并且绝缘体、半导体、金属可以平滑的构成一体；光子几乎没有质量，即使是单 薄的m e m s 器件也可以轻松的控制它；m e m s 执行器微小的力输出与位移变化能适合 很多光学应用；m e m s 构造的三维结构可以使集成光学由平面走向立体；m e m s 器 件的精确定位特性大大减少了光电器件耦合与封装的难度。 基于m e m s 的光学器件m o e m s ( m i c r o o p t i c e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ) 已经得 到了广泛的发展和运用，作为利用光学原理并应用于光学领域的m e m s ，在许多领域已 经得到了应用，例如光通信、微小卫星、工控系统、家电以及大型投影设备等消费类 电子产品等。大量基于m o e m s 技术的微光学器件被开发出来，一些技术成熟的器 件诸如数字微镜器件( d m d ：d i g i t a lm i c r o m i r r o r sd e v i c e ) 、光开关( o p t i c a ls w i t c h ) 、 可调光衰减器( o p t i c a la t t e n u a t o r ) 等已经在商品化的投影显示、光通信设备中得到 重要应用。另外一些如可调谐滤波器( t u n a b l ef i l t e r ) 、可调谐激光器( t u n a b l el a s e r ) 、 微光学平台( m i c r oo p t i c a lb e n c h ) 、微透镜阵列( m i c r o 1 e n sa r r a y ) 等器件。 l3 3 射频m e m s 器件 m e l s 技术与射频技术的结合产生了射频m e m s ( r f m e m s ) 这一新概念。r f m e m s 是指 存射频系统中用m e m s 技术实现的，用于低频、中频、普通无线电波直到微波、毫米波 频段信号的产生与处瑚的元器件或f 电路。r i = 一刚s 器件主要包括：压棒振荡器 第一章绪论 ( v o l t a g ec o n t r o ll e dv c o ) 、可调电容( v a r i a b l ec a p a c i t o r ) 和r f 开关等。图1 6 是几种典型r f m e m s 器件图片 1 l 、1 2 、1 3 。 图1 6 几种典型的r f m e m s 器件：( a ) r f - m e m s 开关：( b ) 由两个可调电容、差分电感 和核心电路构成的v c o 的s e m 照片；( c ) r f m e m s 电容 1 3 4 芯片实验室( l a b o n c h i p ) 近年来，随着m e m s 技术的不断发展，其在生物医学上的用途越来越广泛。“芯 片实验室”通过微细加工工艺制作微滤器、微反应器、微泵、微阀门、微电极等器件 以实现对生物样品从制备、生化反应到检测和分析的全过程，从而极大地缩短的检测 图1 7l a d o n c h i p 示意图：( a ) 结构分层示意图；( b ) 工作方式示意 悬臂梁式m e m s 探卡的设计和制造技术 和分析的时闻，节省实验材料。芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。它将样 品的制备、生化反应到检测分析的整个过程集约化形成微型分析系统。现在，已经有 由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、微电极、电子化学和电子发光探测器等组成 的芯片实验室问世 1 4 】。图1 7 是一个用于临床诊断的l a b o n c h i p 示意图 1 5 】： 1 4m e m s 集成电路圆片级测试探卡 1 4 1i c 测试介绍 集成电路( i c ) 测试指的是按照电路设计要求，对芯片进行电性能参数测试和外 形引脚尺寸参数以及标志符的检测。主要分为封装前的测试，即中测；封装后的成品 测试，即成测和外形检测。i c 测试是整个微电子行业生产的一个过程，目的是保证 芯片能够正常工作，生产中主要的测试有： ( 1 ) 芯片测试( w a f e rt e s t ) ：指在晶圆片上对每个芯片进行初步电性能测试； ( 2 ) 成品测试( f i n a lt e s t ) ：指芯片经过后工序的封装后，对成品进行全面电性 能测试； ( 3 ) 老化测试( b u r n i nt e s t ) ：分静态和动态两种方式，静态老化测试指通常在 高温和加载电源条件下，对成品进行寿命性检测；动态老化通常在静态老化的基础上 再加载电信号，对成品进行寿命性检测； ( 4 ) 质量控制测试( q u a l i t yc o n t r o lt e s t ) ：为确保产品质量，对准备入库的 合格产品进行电性能抽样测试。 主要的i c 测试设备是测试机，它提供测试器件所需要的各种信号，根据器件的 输出信号来判断器件是否失效。此外，分选机进行自动或手动装卸器件和测试，并根 据测试机的测试结果对器件进行正确的分类。探针台进行自动或手动装卸晶片和测 试，并根据测试机的结果对器件进行正确的分类。检a t l 编带机则进行自动或手动装 卸器件和测试，并根据需要进行编带。常用的测试机类型包括数字信号测试机、模拟 信号测试机、混合信号测试机、l 水射频信号测试机和分离器件测试机等。 1 4 2 圆片级i c 测试探卡 到片级i c 测试探p 用于芯片中删，中测f w a f e rt e s t ) 是半导体j i _ 1 道封装测试的 9 第一章绪论 第一站，中测也称针测、晶圆测试、c p ( c i r c u i t p r o b i n g ) 、w a f e rs o r t 、w a f e rp r o b i n g 等。中测的目的是将硅片中不良的芯片挑选出来，所用到的设备有测试机( i c t e s t e r ) 、 探针卡( p r o b ec a r d ) 、探针台( p r o b e r ) 以及测试机与探卡之间的接口( m e e h a n i c a l i n t e r f a c e ) 。其中探卡和接口这两部分是中测的关键所在，也是制约国内中测水平的难 点所在。 传统探卡主要有三种，如图1 8 所示，不同类型的探针卡分别有不同的应用：刀 形卡( b l a d et y p e ) ：通常用于7 0 针以下，频率低于2 5 m h z ，制作周期卜2 天：环氧树脂 卡( e p o x y 1 i n gt y p e ) ：用于1 0 0 0 针以下，频率低于5 0 m h z ，制作周期短；垂直探针卡 ( v e r t i c a lt y p e ) ：用于1 0 0 0 针咀上或者高频的情况，制作成本高，周期长。 针卡探针的使用维护对测试成品率非常重要，针与针之间一致性做不好会引起接 触不良，造成虚假测试，将好产品测成不良品。并且，这一错误在后续的工艺中无法 复查。所以，在中测过程中需要涉及到测试机、接口、探针卡以及探针台几个环节， 其中任意一个环节有问题，都会使测试结果出错。特别是高性能i c ，往往很难判断 是那个环节的问题，这时候需要的是整体解决方案( t u r n k e ys o l u t i o n ) 。 ( c ) 图i 8 传统探卡示意图：( a ) 刀形卡：( b ) 环氧树腊卡；( c ) 垂直探针卡 悬臂粱式m e m s 探卡的设计和制造投术 1 4 3m e m s 测试探卡 随着微电子技术的不断发展，芯片面积越来越小，而电路复杂度不断上升，因此 芯片管脚数目不断增加、密度不断提高。这给测试带来很大的麻烦。为了对相应的芯 片进行测试，探卡探针的数量和密度也要相应的增加。在这种情况下，传统探卡难以 做到高密度；同时由于传统探卡金属探针的平行排布，还存在寄生电感和寄生电容的 问题。寄生电感和电容会破坏测试信号，特别是当前i c 的工作频率越来越高，任何 寄生效应给电路造成的延迟都可能使电路工作不正常。m e m s 技术的引入给这一问题 带来了解决的途径。m e m s 器件特有的小尺寸很容易做到高密度，同时克服寄生电感 和寄生电容大的问题。 1 4 g ! 簿膜式探卡 1 9 8 8 年，b r i a nl e s l i e 和f a r i dm a t t a 采用m e m s 技术制造了一种薄膜式探卡 1 6 ， 采用柔软的绝缘介质制作薄膜，在薄膜的一面利用薄的金属层作为传输引线，而薄膜 m i e 张礴t 剐p t 散n s m l 8 8 瓣 图1 9 薄膜探卡结构示意图 的另一面制作探头，利用通孔与金属引线相连( 如图l 一9 所示) 。和传统探p 相比，薄 膜式蛳m s 探卡的优点在于：1 ) 、低串拢、可靠性高，可用于高频；2 ) 、可：恪器件做 到薄膜当中从而缩短与待测芯片( d e v i c eu n d e rt e s t ，d u t ) 之l 训的距离，提高高速 测试性能；3 ) 、能够做到5 0 0 根探针以h ，探针之间距离小于1 0 0 u r n ；4 ) 、增强r 探 卡可靠性，减少了维护费用；j ) 、对待测芯片的损伤小；6 ) 、二 艺相对简单，节省了 制造费用，如图【9 所示是薄膜探卡的结构。1 9 9 2 年，m a r kab ejj 。y 提出了阵列结 第一章绪论 构的薄膜式探卡 1 7 ，如图1 1 0 所示，该探卡采用聚酰亚胺作为薄膜，并将探针做 到薄膜当中，而外围则是测试电路，这样探针同测试电路之间的距离显著缩短。该种 探卡的缺点是在自动测试机( a t e ) 上装压力设施以提供薄膜位移的动力。另外由于在 一个膜上各处的位移是不同的( 如膜中央处位移大) ，所以不同位置的探针接触力不 同。 图1 1 0 阵列薄膜式探卡：( a ) 薄膜上方俯视图；( b ) 侧厩图；( c ) 总体工作结构图 1 4 3 2 双压电晶片热驱动式探卡 图1 “双压电晶片热驱动式探卡结构 1 9 9 7 年，y z h a n g 将双压电晶片引入到探针粱当中 1 s ，制作了热驱动式探卡， 如图1 1 l 所示。图中，s i 0 2 和盒属构成双晶片，中间是加热层，利用s i 0 2 和会属 热膨胀系数的差异从而使梁产生形变，驱动探针针尖与待测芯片管脚接触。然而正是 悬臀粱式m e m s 探卡的哎计和制造投术 由于这种驱动方式，探针能提供的对管脚的压力有限，最高只能达到1 3 0 u n 。这个力 量很难刺破焊盘表面铝的自然氧化层，限制了这种探卡的使用。 1 4 3 3 烧结接触探卡 金属电极上的氧化层被电学击穿就会产生烧结接触。当探针与待测芯片管脚之间 旌加力l m n 、电压5 v ，烧结接触就会形成。随着施加的电压增大，电流也会相应增加， 此时接触电阻会很快下降 1 9 。资料显示，当电流增加到5 0 0 m a 时，接触电阻将下降 到lq 以下。 2 0 0 2 年，东京大学的科学家们结合热驱动探卡优点，同时探针头与管脚采用烧结 接触，制造出了烧结接触( f r i t t i n gc o n t a c t ) 式探卡。k k a t a o k a 从2 0 0 2 年起不断 对探卡悬臂梁结构进行改善，同时结合烧结接触，使得探卡性能不断提高、制作工艺 日趋简单 2 0 。图1 1 2 所示分别为k k a t a o k a 从2 0 0 2 年到2 0 0 4 年采用烧结接触技 术制作的探卡 2 l 、2 2 。图卜1 2 ( c ) 中探卡的粱采用了弹簧结构，通过直接在p c b 板 上多次电镀金属和光刻制成，工艺过程相当简便。探针利用烧结方式与管脚接触，随 着梁蜿蜒的层数增加，接触电阻会上升，最高可达到4 q 。在探针施加力2 m n 、电压 2 v 时，接触电阻会产生很大的变化，这表明稳定的低隰烧结接触很难形成。 1 4 3 4 悬臂梁阵列式探卡 ( b )( c ) 图1 1 2k k a t a o k a 制作的探卡 悬管梁阵列式探卡探针由悬臂梁阵列构成，悬臂梁的一端为接触针尖 2 3 。悬臂 梁结构尺寸按照待测j 吝片管脚排布进行设计，同时保证在一定的挠度下能够提供足够 的压应力，使针尖能够刺破铝的自然氧化层。一般来讲，悬臂梁阵列式探卡需要将悬 觜粱做到祭硬的衬底上，同时在悬臂梁i 衬底之问需要有定的距离，这样既能够在 第一章绪论 衬底形变较小情况下保证对针尖提供足够的压力，又能够对探针和悬臂梁起到保护作 用。图1 1 3 是1 9 9 9 年k s o e j i m a 制造的一种悬臂梁式探卡 2 4 。 j 、p d y i m ；o t m 柏l f i l m 村啪l l g h m e i 焉嚣_ 3 s u 抽挝曩l e 图1 1 3 悬臂梁式探卡 悬臂梁阵列式探卡需要面临的主要问题是：1 ) 、悬臂梁的弯曲要能够给针尖提供 至少2 0 m n 的压力，以便于刺破管脚处铝的自然氧化层；2 ) 、能够提供一定的挠度裕 量，保证所有的探针都能够与金属铝管脚接触；3 ) 、衬底要求足够坚硬，在探针数量 总数较大，从而总的压力很大情况下产生的形变较小；4 ) 、探针有足够的耐久度，能 够多次测量。 1 5 本文的工作介绍 本文主要介绍了一种悬臂梁式圆片级集成电路测试探卡的结构设计、制造方法和 探针电阻测试结果，采用双层涂胶光刻技术实现了悬臂梁的台阶结构，在后面的金属 化过程中台阶结构起到了自动隔离作用，同时还利用铝薄膜过孔连接技术将探针与玻 璃背面引线连接。 第二章主要介绍了探卡的悬臂粱阵列的尺寸设计以及设计的力学原理，同时将计 算结果与a n s y s 模拟结果比较，得出设计的可行性。 第三章详细介绍了探卡的几个关键工艺试验，得到了具体的工艺参数，验征了整 个探卡工艺设计的可行性。 第四章给出了探卡的整个工艺流程，同时得到探针导通电阻测试结果。 第五章总结所做的工作。 4 悬臂粱式m e m s 探卡的设计和制造技术 参考文献 【1 w a l r a v e n ，j ai n t r g d u c t i o n t o a p p l i c a t i o n sa n di n d u s t r i e s f o rm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ( m e m s ) ，t e s tc o n f e r e n c e ，p r o c e e d i n g s i t c2 0 0 3 i n t e r n a t i o n a l ，s e p t 3 0 一o c t 2 2 0 0 3 ，6 7 4 6 8 0 【2 2c ，s s m i t h ，p i e z o r e s i s t i v ee f f e c ti ng e r m a n i u ma n ds i l i c o n ，p h y s i c s ，r e v , 9 4 ( 1 ) ( a p r i l ) ( 1 9 5 4 ) 3 r f e y n t r u a n ，t h e r e sp l e n t y o fr o o ma tt h eb o t t o m ，j o u r n a lo fm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ，v o l1 , n o 1 ，6 0 6 6 【4 j 胡一贯，微细加工技术，第一舨，合肥：中国科技大学出版社，全书 f 5 5 k i b a n gl e e ，j u n b oy o o n ，m ”n g s e o kk a n g e t a l ，as u r f a c e m i c r o m a c h i n e d t u n a b l e m i c r o g y r o s c o p e ，e m e r g i n gt e c h n o l o g i e sa n df a c t o r y a u t o m a t i o n ，1 9 9 6 ：4 9 8 5 0 2 【6 g t a k o a v a c s ，n i m a l u f , ke p e t e r s o n ，b u i kt m c r o n m c h i n i n go fs i l i c o n ，p r o c e e d i n g so ft h e i e e e ，1 9 9 8 ，v 0 1 8 6 , n o 8 ，1 5 3 6 - 1 5 5 1 7 黄庆安，硅微机械加工技术，第一版，北京：科学出版社，2 0 7 2 2 7 8 】tk a t o h ，n n i s h i ，m f u k a g a w a ，h u e n oe ta l ，d i r e c tw r i t i n gf o r t t w e e d i m e n s i o n a l m i c r o f a b r i c a t i o nt t s i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o ne t c h i n g ，m e m s 2 0 0 0 ，5 5 6 5 6 1 9 】y o s h i n o r im a t s u m o t o ，m o r i t a k a1 w a k i r i ，h i d e k a z ut a n a k ae ta l ，ac a p a c i t i v ea c c e l e r o m e t e ru s i n g s d b - s o is t r u c t u r e ，s e n s o r sa n da c t u a t o r s ，1 9 9 6 ，2 6 7 2 7 2 【1 0 】f a r r o k ha y a z i ，k h a l i ln a j a f i ，ah a r p sp o l y s i l i c o nv i b r a t i