专利名称：具有硅指状接触器的接触结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于建立与接触目标，例如电子电路或器件的焊点、电极、或引线电接触的接触结构，更具体地讲，本发明涉及一种与探针卡一起使用的用于测试半导体晶片、封装的半导体器件、IC芯片、印刷电路板等的接触结构，这种接触结构具有高速、大频率范围、高密度、以及高接触特性。
背景技术：
在测试高密度和高速度电器件，例如LSI和VLSI电路的过程中，必须使用高性能的接触结构，例如探针接触器。本发明的接触结构不局限于半导体晶片和小片的测试和老化应用，而且还包括对封装的半导体器件、印刷电路板等的测试和老化。然而，为了便于解释，将主要针对半导体晶片测试描述本发明。
在待测的半导体器件呈半导体晶片形式的情况下，通常，半导体测试系统，例如IC测试仪附带一个衬底处理器，例如随一个自动晶片探针仪一起自动地测试半导体晶片。图1中描述了这样的一个例子，其中，半导体测试系统具有一个测试头100，通常测试头100处于一个独立的壳体中，并且可通过一束电缆110电气地连接于测试系统的主框架。在由马达510驱动的一个操纵器500的辅助下，测试头100和一个衬底处理器400机械地和电气地互相作用。衬底处理器400自动地把待测半导体晶片提供给测试头100的一个测试位置。
在测试头100上，把半导体测试系统所生成的测试信号提供给待测半导体晶片。把来自被测半导体晶片上的IC电路的结果输出信号传输给半导体测试系统，在半导体测试系统中，将该结果输出信号与所希望的数据进行比较，以判断半导体晶片上的IC电路是否正常运作。
如图2中所示，把测试头100和衬底处理器400与一个接口部件140相连。接口部件140包括一个工作(performance)板120，工作板120是一个印刷电路板，具有专门对测试头电足迹(foot print)、同轴电缆、须腕引脚(pogo-pins)、以及连接器的电路连接。测试头100包括多个印刷电路板150，印刷电路板150对应于同样数量的测试通道或测试引脚。每一个印刷电路板具有一个连接器160，以接收工作板120的一个相应的接触端子121。把一个“岔心(frog)”环130安装在工作板120上，以精确确定相对衬底处理器400的接触位置。岔心环130具有多个接触引脚141，例如ZIF连接器或须腕引脚，通过同轴电缆124连接于接触端子121。
在衬底处理器400中，把一个待测半导体晶片300安装在一个卡盘180上。把一个探针卡170设置在待测半导体晶片300之上。探针卡170具有多个探针接触器或接触结构(例如悬臂或针)190，以与被测半导体晶片300的IC电路中的电路端子或接触目标相接触。
把探针卡170的电端子或接触插座电气地连接于设置在岔心环130上的接触引脚141。也使用同轴电缆124把接触引脚141连接于工作板120的接触端子121，其中，把每一接触端子121连接于测试头100的印刷电路板150。另外，还通过具有数百条内部电缆的电缆110，把印刷电路板150连接于半导体测试系统。
在这一配置下，接触器190接触卡盘180上的半导体晶片300的表面，以把测试信号施加于半导体晶片300，并且从晶片300接收结果输出信号。把来自被测半导体晶片300的结果输出信号与半导体测试系统所生成的所希望的数据进行比较，以判断半导体晶片300是否正常工作。
图3是图2的探针卡170的一个底视图。在这一例子中，探针卡170具有一个环氧环，在环氧环上安装了多个称为针或悬臂的接触器190。在图2中，当安装半导体晶片300的卡盘180向上移动时，悬臂接触器190的尖端接触晶片300上的焊点或隆起。把接触器190的端点与导线194相连，并进一步把导线194连接于形成在探针卡170中的传输线(未在图加以显示)。把传输线连接于多个接触图2的须腕引脚141的电极197。
通常，由多层聚酰亚胺衬底构造探针卡170，其中该多层聚酰亚胺衬底在许多层上具有接地面、电源平面(power plane)、信号传输线。如这一技术领域人们所熟悉的，对每一信号传输线进行设计，以通过平衡分布的参数，即探针卡170中的聚酰亚胺的介电常数、信号的电感和电容，使其具有例如50欧姆的特性阻抗。因此，信号线为实现针对晶片300的高频传输带宽的阻抗匹配线，从而可在稳定状态期间提供电流以及通过器件的输出转换所生成的高电流峰值。为了去除噪音，把电容器193和195设置在电源和接地面之间的探针卡上。
图4中描述了探针卡170的一个等效电路，以解释传统探针卡技术中的带宽限制。如图4A和4B中所示，探针卡170上的信号传输线从电极197、带状(阻抗匹配的)线196、导线194、以及接触器(针)190延伸。由于导线194和接触器190为非阻抗匹配的，所以这些部分用作高频带中的电感器L，如图4C中所示。由于导线194和接触器190的总长度约为20～30mm，所以在测试被测器件的高频特性的过程中导致了明显的频率限制。
在探针卡170中，限制频率带宽的其它因素在于图4D和4E中所示的电源和接地针。如果电源线可以向被测器件提供足够大的电流，则它将不会严重限制测试器件过程中的操作带宽。然而，由于用于设置电源的串联的导线194和接触器190(图4D)以及用于把电源和信号接地的串联的导线194和接触器190(图4E)等效于电感器，所以严重限制了高速电流。
而且，把电容器193和195设置在电源线和地线之间，以通过滤掉电源线上的噪音或波动脉冲来确保被测器件的适当的性能。电容器193具有相对大的值，例如10μF，而且如果需要的话，可以通过转换器将其与电源线断开。电容器195具有相当小的电容值，例如0.01μF，并固定地连接靠近DUT。这些电容起到电源线上的高频退耦的作用。
因此，如以上所提到的，最广泛使用的探针接触器被限制在大约200MHz的频率带宽范围，这一频率带宽范围不足以测试最近的半导体器件。在这一产业中，人们认为频率带宽至少应与测试仪的能力相称，目前测试仪的能力在1GHz或更高的量级上，这将是近期内所必需的。另外，这一产业所希望的是，探针卡能够并行地处理(并行测试)多个，例如32或32个以上半导体器件，特别是存储器，以提高测试的吞吐能力。
在传统的技术中，探针卡和探针接触器，如图3中所示，是手工制作的，因此质量参差不齐。这种质量上的参差不齐包括尺寸、频率带宽、接触力以及电阻等方面的波动。在传统的探针接触器中，使接触性能不可靠的另一个因素是，探针接触器和被测半导体晶片具有不同的温度膨胀率。因此，在变化的温度下，探针接触器和被测半导体晶片之间的接触位置也在变化，这不利地影响了接触力、接触阻抗以及带宽。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于与例如半导体晶片、封装的LSI等接触目标电接触的具有高操作频率的接触结构。
本发明的另一个目的是提供一种用于与例如半导体晶片、封装的LSI等接触目标建立电连通的接触结构，这种接触结构适合于以并行的方式同时测试多个半导体器件。
本发明的又一个目的是提供一种用于测试半导体晶片、封装的LSI等的接触结构，这种接触结构是通过一种半导体制造过程制造的，不涉及手工装配或处理，因此，质量均匀一致。
本发明的又一个目的是提供一种与探针卡相组合使用的用于测试半导体晶片、封装的LSI等的接触结构，这种接触结构能够补偿被测半导体晶片的温度膨胀系数。
在本发明的一个方面中，该接触结构由多个杆状接触器以及一个安装这些接触器的接触衬底形成。通常，通过光刻技术形成接触器。由一个在每一端具有一个倾斜边的硅基底；设置在硅基底上并从硅基底伸出且并在每一端具有一个对角线边的硅杆；以及一个沿硅杆的顶表面形成的一个导电层构成该接触器。
本发明的另一个方面是由多个指状接触器和安装这些接触器的一接触衬底形成的一接触结构，每一个指状接触器上具有一个结合台阶。通常，通过光刻过程制造接触器。由一个在每一端具有一个倾斜边的硅基底；一个设置在硅基底上并从硅基底伸出且在每一端具有一个对角线边的硅杆；以及一个沿硅杆的顶表面形成的一个导电层；以及一个形成在导电层的表面上的结合台阶构成该接触器。
本发明的另一个方面是一个用于制造接触结构的方法。该制造接触结构的方法包括下列步骤提供在一个(100)晶面中切割的硅衬底；在硅衬底的上表面上形成一个掩模图案；把一个蚀刻过程施用于硅衬底的上表面，以形成一个硅杆；在硅衬底的底表面上形成一个掩模图案；把一个蚀刻过程施加于硅衬底的底表面，以形成一个硅基底；以及在硅杆的顶表面上沉淀导电材料。
根据本发明，为了满足下一代半导体技术中的要求，该接触结构具有极高的频率带宽。由于通过一个半导体制造过程生产这些接触器，所以能够在一个小空间内校列(align)多个接触器，这适合于同时测试多个半导体器件。
由于使用半导体微制造技术在衬底上同时生产多个接触器，而且没有涉及手工处理，所以就接触性能而言，实现质量的一致性、高可靠性、以及长寿命，是可能的。另外，由于能够在与被测设备的衬底材料相同的衬底材料上制造探针接触器，所以能够补偿被测器件的温度膨胀系数，从而避免了位置上的误差。
图1是一个示意图，描述了一个衬底处理器和一个具有一个测试头的半导体测试系统之间的结构关系。
图2是一个示意图，描述了用于把半导体测试系统的测试头连接至衬底处理器的详细结构的一个例子。
图3是一个底视图，描述了探针卡的一个例子，这一探针卡具有一个用于安装多个作为探针接触器的悬臂的环氧环。
图4A～4E为电路图，描述了图3的探针卡的等效电路。
图5是一个截面图，描述了本发明的一个接触结构，这一接触结构由安装在一个接触衬底上的接触器形成。
图6是一个示意图，描述了图5的接触衬底的底视图，这一接触衬底具有本发明的接触器。
图7是一个示意图，描述了本发明的接触器的一个更详细的截面图。
图8是一个示意图，描述了图7的接触器的一个顶视图。
图9A和图9C～9J为示意性截面图，描述了用于制造本发明的接触器的一个过程。图9B是相应于图9A的截面图的衬底的一个顶视图。
图10A～10C为截面图，描述了用于制造本发明的接触器的另一个过程。
图11A～11C为一个用于同时制造多个本发明的接触器的硅晶片及其切口的顶视图。
图12A和12B为示意性截面图，描述了用于把本发明的接触器装配在接触衬底上的方法的例子。
图13A～13D为示意性截面图，描述了用于制造本发明的接触器的过程的又一个例子。
图14是一个截面图，描述了接触结构的另一个例子，这一接触结构由通过图13A～13D的过程制造的接触器和一个安装接触器的接触衬底，以及一个具有接触目标的半导体晶片形成。
图15是一个示意图，描述了图14的接触结构的一个底视图，这一接触结构具有安装在接触衬底上的本发明的接触器。
图16A～16B为示意性截面图，描述了本发明的接触结构的又一些例子以及一种用于在接触衬底上装配本发明的接触器的方法。
图17为一个示意性截面图，描述了本发明的接触结构的又一个例子以及一种用于在接触衬底上装配本发明的接触器的方法。
图18为一个示意性截面图，描述了使用本发明的图17的装配方法、定位在半导体晶片上的接触结构的一个例子。
图19A～19F为示意性截面图，描述了用于制造图16A和16B中所示的本发明的接触器的过程的一个例子。
图20A～20H为示意图，描述了用于制造图17和18中所示的本发明的接触器的过程的一个例子。
具体实施例方式
以下将参照图5～20描述本发明的接触结构。图5描述了本发明的一个接触结构的一个例子，这一接触结构由接触器30和一个安装接触器30的接触衬底20形成。通过一个光刻过程制造接触器30。把接触结构如此地定位在待测半导体晶片300上的例如接触焊点320的接触目标上方，以致于当接触器30和半导体晶片300互相压挤时，接触器30能够建立与半导体晶片300的电接触。尽管图5中仅描述了两个接触器30，但在实际的半导体晶片测试中，在接触衬底20上校列多个接触器30。
通过同样的光刻过程，在一个硅衬底上制造如此多个接触器，以下将对此加以说明。当被测半导体晶片300向前移动时，接触器30与半导体晶片300上的相应的接触目标(接触焊点、电极)320相接触。接触焊点320之间的间距可以小至50μm或更�。渲校梢院苋菀椎匕赐募渚嘈Ａ薪哟テ�30，因为它们是按与半导体晶片330的半导体制造过程相同的过程制造的。
可以把基片20上的接触器30直接地，如图3中所示，或者通过一个空间变换器，安装在一个探针卡上。作为选择，也可以把接触器模制在一个封装中，例如模制在一个具有引线的传统的IC封装中，以致于可以把该封装安装在一个探针卡上；或者与其它衬底互连。由于能够以极小的尺寸制造接触器30，所以可以很容易地把安装本发明的接触结构的探针卡的可操作频率范围增加到2GHz或更高。由于具有小的尺寸，所以能够增加探针卡上的接触器的个数，例如增加到2000个或更多，从而能够同时最多并行测试32个或更多的半导体器件。
另外，由于在接触衬底20上形成本发明的接触器30，接触衬底20通常为硅衬底，所以环境变化，例如硅衬底的温度膨胀率，与被测半导体晶片300的环境变化相同。因此，在整个测试或其它应用期间可以维持接触器30和接触目标320之间的精确定位。
在图5中，接触器30具有一个呈指(杆)状的导电层35。接触器30还具有一个附接于接触衬底20的基底40。在接触衬底20的底表面，把一个互连迹线24连接于导电层35。例如，通过一个焊球(未在图中加以显示)，制造互连迹线24和导电层35之间的这样的一个连接。接触衬底20还包括一个通孔23和一个电极22。电极22将通过导线或引线把接触衬底20互连于一个外部结构，例如互连于一个探针卡或IC封装。
因此，当半导体晶片300向前移动时，接触衬底20上的接触器30和半导体晶片300上的接触目标320互相机械地和电气地接触。从而，将在接触衬底20上建立从接触目标320到电极22的信号路径。互连迹线24、通孔23以及电极22也可用于把接触器30的小间距展开(fanout)为一个较大的间距，以适应探针卡或IC封装。
当朝接触结构挤压半导体晶片300时，由于接触衬底20上沿对角线方向所安装的接触器30的杆状形状的弹簧力，导电层35的端点产生了一个弹性接触力。较佳的做法是，削尖导电层35的端点，以当朝接触焊点320挤压时，通过穿透焊点320表面上的一个金属氧化层，实现洗涤效果(scrubbing effect)。
例如，如果半导体晶片300上的接触焊点320在其表面上具有一个氧化铝层，则对于通过打破氧化铝层建立具有低接触电阻的电接触来说，洗涤效果是必须的。从接触器30的杆状形状所获得的弹性弹簧力，实现了与接触目标320的一个可靠的接触性能。由接触结构的弹簧力所产生的弹力也用于补偿衬底20、接触目标320、晶片300、以及接触器30中所涉及的尺寸的不同或平面度的波动。
导电层35材料的例子包括镍、铝、铜、镍钯、铑、镍金、铱或多种其它可沉淀的材料。旨在测试探针应用的接触器30的尺寸的一个例子是，对于接触目标320之间50μm或更大的间距，总高度为100～500μm，水平长度为100～600μm，宽度约为30～50μm。
图6是图5的接触结构的一个底视图，这一接触结构在接触衬底20上具有多个接触器30。在一个实际的系统中，将按与图6中所示的方式相类似的方式，校列较大数量的接触器30，例如数百个。每一组互连迹线24、通孔23以及电极22从导电层35的顶端建立了一个信号路径，并用于把接触器30的小间距展开成一个较大的间距，以适应探针卡或IC封装。
图7和8更详细地描述了本发明的接触器30。在图7的横截面前视图中，接触器30包括一个硅基底40、一个硼掺杂层48、一个绝缘层52、以及一个导电层35。硅基底40具有一个成角度(angled)支杆62，以支持接触器30的指状部分。如以下将加以解释的，通过一种特殊晶体中的一个各向异性蚀刻过程，制造成角度支杆62。在制造过程期间，硼掺杂层48将起到一个蚀刻阻止器的作用。硼掺杂层48并非至关重要，但是在接触器30的制造过程期间其便于控制蚀刻过程。通常，绝缘层52是一个二氧化硅层，以把导电层35与接触器30的其它部分电绝缘。
图8是图7的接触结构的一个顶视图，其中，把多个导电层35示为指状形状。在两个相邻的导电层35之间，存在一个自由空间36，因此接触器的每一个指(杆)部分互相独立，并且可互相独立地加以移动。通过以上所提到的蚀刻过程，即通过蚀刻掉不具有硼掺杂层的硅衬底的预先确定的部分，创建这样的自由空间36，以下将对此进一步加以解释。
图9A～9J描述了通过光刻技术制造本发明的接触器30的过程的一个例子。在这一例子中，在一个硅衬底上形成多对接触器，在下一阶段，把每一对接触器互相分隔。
在图9A中，把一个光致抗蚀剂层42设置在硅衬底40上。光致抗蚀剂层42将在硅衬底40上创建一个硼掺杂层。尽管未在图中加以显示，但应在硅衬底之上校列一个光掩模，以致于能够使用光能，例如使用紫外光，对光致抗蚀剂层42进行曝光。于是，创建了例如图9B中所示的一个图案，图9B是图9A的硅衬底的一个顶视图，其中，指定部分43描述了因暴露于紫外光而产生的凝固的光致抗蚀剂。可以溶解光致抗蚀剂层42的未曝光部分，并将其冲洗掉，而留下硅衬底40上的指定部分43。
把一种蚀刻阻止剂，例如硼，掺杂在指定部分43处具有凝固的光致抗蚀剂的硅衬底的上表面中。由于存在光致抗蚀剂，所以不使用硼对硅衬底的指定部分43进行掺杂。因此，在去除了部分43中的光致抗蚀剂之后，创建一个硼掺杂层48，如图9C中所示，其中，把硼掺杂在除指定区域43之外的硅衬底上方的一薄层中。在一个各向异性蚀刻过程中，将把不具硼的指定区域43中的硅衬底蚀刻掉，以下将对此加以描述。
在图9D中，在硅衬底40的上表面和底表面制造二氧化硅(SiO2)层52和54。当创建了一个导电层35(如图7中所示的)时，二氧化硅层52将用作为一绝缘体。也可以把其它绝缘材料用于这一层。在硅衬底40的底表面的二氧化硅层54将用作为一个蚀刻掩膜，如图9E中所示。然后，通过一个光刻过程去除一部分二氧化硅层54，以确定一个蚀刻区域56。在这一例子中，大约在硅衬底40的底表面的中心附近形成蚀刻区域56。
在图9F中，对硅衬底40执行各向异性蚀刻过程。如这一技术领域中所熟悉的，在于一个(100)晶面中切割硅衬底40的情况下，当在蚀刻区域56中提供蚀刻剂时，通过各向异性蚀刻形成一个V形凹槽。相对硅衬底40的底表面凹槽的角度为54.7°。该凹槽角度与硅衬底40的一个(111)晶面相同。为此，蚀刻剂的例子包括EDP(乙二胺邻苯二酚)、TMAH(氢氧化四钾铵)以及KOH(氢氧化钾)。
作为各向异性蚀刻过程的一个结果，如图9F中所示，创建了转角支杆62，其尺寸取决于蚀刻区域(蚀刻窗口)56的尺寸，以及蚀刻过程的时间长度。由于存在硼掺杂层48，所以在硼掺杂层48处阻止了蚀刻，同时蚀刻掉不具硼的指定区域43，从而当把杆部分刻入一半时，产生了图8所示的空间36，以下将对此加以描述。由于存在空间36，所以物理上把每一个接触结构30互相分隔。如这一技术领域中人们所熟悉的，也可以在不使用蚀刻阻止器的情况下实现这样的一个蚀刻阻止控制，而不是控制蚀刻时间。
在图9G中，把一个喷镀晶种层(未在图中加以显示)形成在二氧化硅层52上。在硅衬底40上执行另一个光刻过程，以创建一个用于形成导电层35的光致抗蚀剂图案。图9G中描述了因这一光刻过程所产生的凝固的光致抗蚀剂。执行一个喷镀过程，以产生导电层35，如图9H中所示。
导电层35中的材料的例子包括镍、铝以及铜。作为选择，在制造导电层35的过程中，也可以使用多个其它沉积技术，包括真空蒸发、阴极溅射、汽相淀积。图9I中，去除了光致抗蚀剂58。最终，在硅衬底40的中心处，把硅衬底40刻入一半(杆部分部分)，如图9J中所示。将在硅衬底40的两端的不希望的部分切除。
图10A～10C共同描述了使用光刻技术制造本发明的接触器30的过程的另一个例子。与图9A～9J的例子不同，其中整体地创建了多个成对的接触结构，并且在最后阶段将它们互相分隔，把多个独立的接触结构形成在硅衬底的边。
在图10A中，把一个硼掺杂层148形成在硅衬底140上，其中，把特定(蚀刻出来的)区域143确定成不掺杂硼的区域。把一个介电层152，例如二氧化硅SiO2层，设置在硼掺杂层148上，以建立作为一个绝缘体。而且还把一个二氧化硅SiO2层154设置在硅衬底140的底表面上作为一个蚀刻掩模。通过一个光刻过程(未在图中加以显示)确定一个蚀刻窗口56，以允许一个各向异性蚀刻贯穿其中，如以上所提到的。
在硅衬底140上实施各向异性蚀刻过程，这一蚀刻创建了一个倾斜的部分以及硅衬底140的(111)晶面，如图10B中所示。如以上所提到的，相对硅衬底140的底表面，这一角度为54.7°。由于指定部分143没有掺杂硼，所以蚀刻掉这些区域中的硅衬底，留下了在图10B的右端的平面视图中所示的指(梳)状结构。如以上参照图9F所提到的，也可以在不使用蚀刻阻止器而是控制蚀刻时间的情况下，实现这样的一个蚀刻阻止控制。
在图10C中，实施一个进一步的光刻过程，以形成一个光致抗蚀剂层(未在图加以显示)，并且通过一个喷镀过程，创建一个导电层135。把作为最终结果的接触器30切成一个适当的形状，如图7中所示。
图11A～11C为示意图，描述了用于在一个硅衬底(硅晶片)40上制造多个接触器的过程的一个例子。图9A～9J中所示的光刻过程在图11A中的所示硅衬底40上创建了多个由导电杆35所示的接触器。例如按一个切割或蚀刻过程，沿线A-A、B-B以及C-C切断硅衬底40。如果在期望的应用中需要导电杆35的数量变得较少，如图11C中所示，则如果需要的话，还可以沿线D-D和E-E把图11B中所示的作为结果的接触器切成更小的单元。
图12A和12B为示意性截面图，描述了通过把接触器30安装在接触衬底20上，装配本发明的接触结构的方法的例子。接触衬底20的材料的例子包括硅和陶瓷。在衬底由硅制造的情况下，可以在接触衬底20的表面上，通过各向异性蚀刻或其它过程，形成用于安装接触器30的凹槽271或272。
当接触衬底由硅制造时，其优点在于，接触衬底的温度膨胀能够补偿被测半导体晶片的温度膨胀。陶瓷衬底具有优于硅衬底的机械强度和物理上的稳定性。把接触结构的基基底40插入设置在接触衬底20上的凹槽271和272中，并例如使用一种粘合剂或环氧树脂将其固定在其中。
图13A～13D为示意性截面图，描述了用于制造本发明的接触器的过程的又一个例子。在这一例子中，图13D中所示的一个接触器在其基底上具有两个倾斜的部分2621和2622。当把接触器安装在接触衬底的平表面上时，可以把倾斜的部分2622用于确定杆相对接触衬底的角度，如图14中所示，以下将对此加以解释。
在图13A中，在硅衬底240上形成一个硼掺杂层248，其中，把特定(蚀刻出来的)区域243确定成不掺杂硼的区域。把一个介电层252，例如二氧化硅SiO2层，设置在硼掺杂层248上，以建立一个绝缘层。而且还把一个二氧化硅SiO2层254作为一个蚀刻掩膜设置在硅衬底140的底表面上。通过一个光刻过程(未在图中加以显示)确定一个蚀刻窗口256，以允许一个各向异性蚀刻贯穿其中，如以上所提到的。
在硅衬底240上执行各向异性蚀刻过程，其创建了倾斜的部分2621和2622及硅衬底240的(111)晶面，如图13B中所描述的。如以上所描述的，相对于硅衬底240的底表面，这一角度为54.7°。作为选择，可以通过切割硅衬底240，而不是以上所提到的蚀刻过程，制造倾斜的部分262。由于特定部分243未掺杂硼，所以把这些区域中的硅衬底蚀刻掉，在图13B的平面图中留下指(梳)状结构。
在图13C中，执行一个进一步的光刻过程，以形成一个光致抗蚀剂层(未在图中加以显示)，以致于可以通过一个沉淀过程，例如喷镀，创建一个导电层235。把得到的接触器30切成一个适当的形状，如图13D中所示。
图14是一个截面图，描述了本发明的接触结构，这一接触结构由接触器30和一个其上安装接触器30的接触衬底20形成。通过图13A～1D的光刻过程，制造接触器30。把接触结构定位在一个具有接触目标320的半导体晶片300的上方。与图5和12的例子不同，在这一例子中，把接触器30安装在接触衬底20的一个平表面上。即，把图13D中所示的硅衬底(基底)240上的倾斜的部分2622放置在接触衬底20的平表面上。使用粘合剂330，例如高温粘合剂，把接触器30固定在接触衬底20底部的平表面上。
在图14的例子中，类似于图5，把一个互连迹线24连接于接触衬底20的底表面的导电层235。例如通过一个焊球28，在互连迹线24和导电层235之间进行这样的连接。接触衬底20还将包括一个通孔23和电极22。电极22将通过导线或引线把接触衬底20互连于一个外部结构，例如一个探针卡或一个IC封装。
因此，当半导体晶片300向上移动时，半导体晶片300上的接触器30和接触目标320机械地和电气地互相接触。从而，在衬底20上，建立了一条从接触目标320至电极22的信号路径。互连迹线24、通孔23以及电极22还用于把接触器30的小间距展开成一个较大的间距，以适应探针卡或IC封装。
图15是一个示意图，描述了图14的接触结构的一个底视图，这一接触结构具有安装在接触衬底20的平表面上的接触器。在这一例子中，粘合剂330用于把接触器30接合至在一组接触器30的侧面以及在由硅基底240和接触衬底20所形成的角的位置上的接触衬底20的表面，如图14中所示。
图16A～16B为示意性截面图，描述了本发明的接触结构的又一些例子以及一种用于在接触衬底上装配本发明的接触器的方法。在图16A和16B中，使用一个硅杆532、一个硅基底540以及一个导电层535构成接触器530。通过使用一种粘合剂560把硅基底540附接于接触衬底的表面，把接触器530安装在接触衬底520上。接触衬底520具有电极522、524以及通孔523。
图16A和图16B之间的接触结构之间的差别在于，把接触器530的导电层535与接触衬底520上的电极524相连接的连接方式。在图16A中，一个接合导线572连接电极524和导电层535。在图16B中，一个焊球580连接电极524和导电层535。通常，由焊球580所进行的连接要求把电极524和导电层535靠得足够近，以回流焊料，即在生产和装配过程中，具有较高的精度。另外，余留在焊接区域中的粘合剂可能会影响焊球580的充分连接。因此，在实际的实现中，较佳的做法是通过如图16A中所示的导线接合进行连接。
图16A和16B的例子中的接触器530，在硅杆532的近端和远端，均具有通过各向异性蚀刻过程制造的倾斜的边。以类似于图13和14中的硅基底240的方式，硅基底540也在两侧倾斜，这两侧是通过各向异性蚀刻过程制造的。在图16A和16B的例子中，把硅杆532的近端和硅基底540附接于接触衬底的表面。把接触器530和接触衬底520的表面之间所创建的空间被利用用于施加粘合剂560，从而可以把接触器530牢固地附接于接触衬底520。
图17是本发明的接触结构的又一个例子的示意性截面图。在图17中的一个接触器630具有一个硅杆632，硅杆632配备有一个靠近其近端的台阶650。台阶650也是通过各向异性蚀刻过程加以创建的，以下将对此加以描述。在台阶650上延伸一个导电层635，因此导电层635也形成一个台阶形状。当把接触器630安装在接触衬底520上时，台阶650上的导电层635创建了一个便于导线接合的水平表面。
使用一种粘合剂660，把硅杆632的近端和硅基底640附接于接触衬底520的表面。把粘合剂敷于因接触器630的倾斜的锯齿形缺口由接触器630和接触衬底所创建的空间。当把接触器630安装在接触衬底520上时，按一个预先确定的方向确定接触器630的方向，这一预先确定的方向是根据硅基底640的维度(dimension)和硅杆632的近端加以确定的。一条接合导线672连接接触衬底520上的电极524和接触器630的导电层635。
图18为一个示意性截面图，描述了使用本发明的图17的接触器630和装配方法的接触结构的一个例子。通过把硅基底640和硅杆632的近端附接于接触衬底520的表面，把接触器630安装在接触衬底520上。接合导线672连接接触衬底520上的电极524和形成在接触器630的导电层635上的台阶。把接触结构定位在具有接触焊点320的半导体晶片300的上方。当互相挤压接触结构和半导体晶片300时，将建立接触器630和接触焊点320之间的电连通。因此，例如实现通过半导体测试系统对半导体晶片300进行测试。
图19A～19F为示意性截面图，描述了用于制造图16A和16B中所示的本发明的接触器530的过程的一个例子。在图19A的顶视图中，例如，通过一个光刻过程，把掩模图案520形成在硅衬底540的顶表面上，该硅衬底540在(100)晶面中被切割。例如，掩模图案552由二氧化硅(SiO2)制造。当进行各向异性蚀刻时，把二氧化硅层(掩模图案)552用作一个蚀刻掩膜，并用作导电层535和硅杆532之间的绝缘体。尽管在实际的实现中将会同时制造多个接触器，但为了便于说明，本例仅描述了4个用于制造4个接触器的图案。
通过把一个各向异性蚀刻过程施加于硅衬底540的顶表面，同时控制蚀刻进程，例如通过蚀刻的时间长度控制这一进程，在硅衬底上创建硅杆532，如图19B的截面图中所示。因为通过各向异性蚀刻在一(100)中切割硅衬底540，所以在硅杆532的每一端创建了一个对角线边。相对硅衬底40的表面，这一对角线边的角度为54.7°。这一边角与硅衬底40的(111)晶面相同。
相类似，在硅衬底540的底表面，形成掩模图案554，如图19C中所示。在针对形成硅基底540的各向异性蚀刻期间，掩模图案554用作一个蚀刻掩膜。因此，通过把各向异性蚀刻过程施用于硅衬底540的底表面，同时通过时间长度控制其进程，在硅衬底上创建硅基底540，如图19D的截面图中所示。硅基底540在两侧具有对角线边，相对硅衬底540的表面，其角度为54.7°。接触器530的横截面图具有硅基底540和硅杆532。
图19E是本发明的接触器530的一个顶视图。由于进行了各向异性蚀刻，所以蚀刻掉了除硅杆532和硅基底540以外的硅衬底，从而在两个相邻的硅杆532之间建立了一个自由空间536。在图19F的一个横截面图中，把导电材料，例如通过喷镀，沉淀在硅杆532的顶表面。因此，在硅杆532的两个端点之间创建了导电层535，从而完成了接触器530的制造。尽管未在图中加以显示，但如以上所提到的，把绝缘层，例如二氧化硅(SiO2)设置在硅杆532和导电层535之间，以在它们之间形成电绝缘。
图20A～20H描述了用于制造图17和18中所示的本发明的接触器630的过程的一个例子。在图20A中，图20A是硅衬底640的一个顶视图，把掩模图案652形成在(100)晶面中切割的硅衬底640的顶表面上。通常，掩模图案652由二氧化硅(SiO2)层制造。如以上所描述的，当进行各向异性蚀刻时，掩模图案652用作为一个蚀刻掩膜，并且用作为接触器630的导电层635和硅杆632之间的一个绝缘体。尽管在实际的实现中，将同时制造多个接触器，但只是为了便于说明，本例仅描述了4个用于制造4个接触器630的图案。
通过把一个各向异性蚀刻过程施加于硅衬底640的顶表面，同时控制蚀刻进程，例如通过蚀刻的时间长度控制这一进程，在硅衬底640上创建台阶650，如图20B的截面图中所示。因为通过各向异性蚀刻使硅衬底640在(100)晶面中被切割，所以每一个台阶650具有一个平表面以及两端的倾斜的边。
在图20C的过程中，把掩模图案654形成在硅衬底640的顶表面上。每一个掩模图案654覆盖相应的台阶650，并且沿硅衬底640的水平表面延伸。在图20D中，通过把一个各向异性蚀刻过程施用于硅衬底640的顶表面，同时控制蚀刻时间，在硅衬底640上创建硅杆632。每一个硅杆上具有台阶650，用作一个接合台阶，如图17和18中所示。通过进行各向异性蚀刻，在硅杆632的每一端上创建一个对角线边。
相类似，在硅衬底640的底表面，形成掩模图案656，如图20E中所示。在用于形成硅基底640的各向异性蚀刻期间，每一掩模图案656用作为一个蚀刻掩膜。因此，通过把各向异性蚀刻过程施用于硅衬底640的底表面，同时通过时间长度控制其进程，在硅衬底640上创建硅基底640，如图20F的截面图中所示。硅基底640两侧具有对角线边，相对硅衬底640的表面，其角度为54.7°。接触器630的横截面图描述了硅基底640和硅杆632上的台阶650。
图20G是本发明的接触器630的一个顶视图。由于进行了各向异性蚀刻，所以蚀刻掉了除硅杆632、台阶650以及硅基底640以外的硅衬底，从而在两个相邻的硅杆632之间建立了一个自由空间636。在图20H的一个横截面图中，把导电材料，例如通过喷镀，沉积在硅杆632的顶表面。因此，在硅杆632的两个端点之间创建了导电层635，从而完成了接触器630的制造。尽管未在图中加以显示，但如以上所提到的，把绝缘层，例如二氧化硅(SiO2)设置在硅杆632和导电层635之间，以在它们之间形成电绝缘。
根据本发明，为了满足下一代半导体技术的需求，接触结构具有极高的频率带宽。由于通过用于半导体制造过程的现代微型化技术形成探针接触器，所以能够把多个接触器校列在一个小空间中，这适合于同时测量多个半导体器件。
由于使用了微制造技术，而且不涉及人工处理，在衬底上同时制造多个接触结构，所以能够实现接触性能的一致的质量、高可靠性和长寿命。另外，由于能够在与被测器件的衬底材料相同的衬底材料上制造接触结构，所以能够补偿被测器件的温度膨胀系数，从而可避免潜在的误差。
尽管此处仅具体地说明和描述了本发明的一个优选实施例，但将应意识到在以上讲述的启示下、在所附权利要求的范围内、以及在不背离本发明的构思的情况下，可以对本发明进行多方面的变动与修改。
权利要求
1.一种用于建立与接触目标的电连接的接触结构，包括多个接触器，每一个所述接触器包括一个硅基底，在每一端具有一个倾斜的边，其角度依赖于硅衬底的一个晶面；一个硅杆，形成在所述硅基底上，并且具有一个支持端和一个接触端，所述接触端明显从硅基底伸出；以及一个导电层，形成在硅杆的顶表面上；一个接触衬底，用于在其一个表面上安装所述多个接触器；其中，把每一所述接触器安装在接触衬底上以使通过一种粘合剂，把所述硅基底和所述硅杆的所述支持端连接于所述接触衬底的表面，从而沿一个预先确定的对角线方向定向所述硅杆。
2.根据权利要求1中所述的接触结构，其中，每一所述支持端和所述接触端具有一个对角线边，其角度依赖于该晶面，而且所述支持端从硅基底略微伸出，以当把所述支持端安装在接触衬底上时，与接触衬底的表面相接触。
3.根据权利要求1中所述的接触结构，其中，所述接触结构由硅制造。
4.根据权利要求1中所述的接触结构，其中，所述接触结构由陶瓷制造。
5.根据权利要求1中所述的接触结构，还包括多个设置在所述接触衬底的表面上的接触迹线，并且这些接触迹线在一端分别连接于所述接触器的导电层。
6.根据权利要求5中所述的接触结构，其中，通过一条接合导线连接所述接触衬底上的所述接触迹线和所述接触器的所述导电层。
7.根据权利要求5中所述的接触结构，其中，通过一个焊球连接所述接触衬底上的所述接触迹线和所述接触器的所述导电层。
8.根据权利要求5中所述的接触结构，还包括多个通孔，贯通所述接触衬底的顶表面和底表面之间，并连接至所述接触迹线的其它端点；以及多个电极，连接至用于电连接外部部件的所述多个通孔。
9.一种用于建立与接触目标的电连接的接触结构，包括多个接触器，每一个所述接触器包括一个硅基底，在每一端具有一个倾斜的边，其角度依赖于硅衬底的一个晶面；一个硅杆，形成在所述硅基底上，并且具有一个支持端和一个接触端，所述接触端明显从硅基底伸出；以及一个导电层，形成在硅杆的顶表面上，所述导电层具有一个台阶，这一台阶由一个沿预先确定的晶面倾斜的边形成；一个接触衬底，用于在其一个表面上安装所述多个接触器；其中，把每一所述接触器安装在接触衬底上以使通过一种粘合剂，把所述硅基底和所述硅杆的所述支持端连接于所述接触衬底的表面，从而沿一个预先确定的对角线方向定向所述硅杆。
10.根据权利要求9中所述的接触结构，其中，每一所述支持端和所述接触端具有一个对角线边，其角度依赖于该晶面，而且所述支持端从硅基底略微伸出，以当把所述支持端安装在接触衬底上时，与接触衬底的表面相接触。
11.根据权利要求9中所述的接触结构，其中，所述接触衬底由硅制造。
12.根据权利要求9中所述的接触结构，其中，所述接触衬底由陶瓷制造。
13.根据权利要求9中所述的接触结构，还包括多个设置在所述接触衬底的表面上的接触迹线，并且这些接触迹线在其一端分别连接于所述接触器的导电层。
14.根据权利要求9中所述的接触结构，其中，通过一条接合导线连接所述接触衬底上的所述接触迹线和所述接触器的所述导电层，其中，把所述接合导线的一端接合至所述导电层上的所述台阶。
15.根据权利要求13中所述的接触结构，还包括多个通孔，贯通在所述接触衬底的顶表面和底表面之间，并连接于所述接触迹线的其它端点；以及多个电极，连接至用于电连接外部部件的所述多个通孔。
16.一种制造用于与一个接触目标电连通的接触结构的方法，包括下列步骤设置一个在(100)晶面中切割的硅衬底；在所述硅衬底的顶表面上形成一个第一蚀刻掩模图案；把一个第一蚀刻过程施加于所述硅衬底的所述顶表面，从而形成一个接触器的一个硅杆；在所述硅衬底的底表面上形成一个第二掩模图案；把一个第二蚀刻过程施加于所述硅衬底的所述顶表面，从而形成所述接触器的一个硅基底；在所述硅杆的顶表面上沉积导电材料，从而创建一个导电层；以及沿预先确定的对角线方向把先前步骤中所制造的多个接触器安装在一个接触衬底上。
17.根据权利要求16中所述的方法，其中，在所述第二蚀刻过程之后，所述硅基底在其每一端具有一个倾斜的边，当所述第二蚀刻过程并入各向异性蚀刻时，该倾斜的边的角度依赖于所述硅衬底的一个晶面。
18.根据权利要求16中所述的方法，其中，在所述第一蚀刻过程之后，所述硅杆具有一个支持端和一个接触端，所述支持端和所述接触端中的每一个均具有一个对角线边，当所述第一蚀刻过程并入各向异性蚀刻时，该对角线边的角度依赖于所述硅衬底的一个晶面。
19.根据权利要求18中所述的方法，其中，把所述接触器安装在所述接触衬底上的所述步骤，包括通过一种粘合剂，把所述硅基底和所述硅杆的所述支持端连接至所述接触衬底的一个表面，从而沿所述预先确定的对角线方向定向所述硅杆的步骤。
20.根据权利要求16中所述的方法，其中，在形成所述第一掩模图案的所述步骤之前，还包括下列步骤在所述硅衬底的所述顶表面上形成一个蚀刻掩模图案；把一个蚀刻过程施加于所述硅衬底的所述顶表面，从而形成所述硅杆上的所述导电层的一个台阶；
21.根据权利要求20中所述的方法，其中，把所述接触器安装在所述接触衬底上的所述步骤，包括通过一种粘合剂，把所述硅基底和所述硅杆的所述支持端连接于所述接触衬底的一个表面，从而沿所述预先确定的对角线方向定向所述硅杆的步骤，以及把设置在所述接触衬底上的一个接触迹线与所述接触器相连的步骤。
22.根据权利要求21中所述的方法，其中，把所述接触迹线与所述接触器相连的步骤包括在所述接触迹线和所述导电层的所述台阶之间接合一条导线的步骤。
全文摘要
一种用于与接触目标进行电连接的接触结构。这一接触结构由一个安装有多个接触器的接触衬底形成。每一个所述接触器由一个具有倾斜的端的硅基底、一个形成在所述硅基底上并且具有一个支持端和一个接触端的硅杆、以及一个形成在硅杆的顶表面上的导电层形成。接触端明显从硅基底伸出。把接触器安装在接触衬底上，以使可以通过一种粘合剂，把硅基底和支持端连接于接触衬底的表面，从而沿一个预先确定的对角线方向定向所述硅杆。
文档编号G01R3/00GK1633600SQ0380417
公开日2005年6月29日 申请日期2003年2月19日 优先权日2002年2月19日
发明者罗伯特·爱德华·阿尔达斯, 西奥多·A·库利 申请人:株式会社爱德万测试
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
