TW201634928A - 測試機台的探針組件及其製作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一新穎的方法，用以製作一測試機台的探針組件，以及其安裝、拆卸的方法，其中包含一主體、一連接部分、一基座部分，以及一探針針尖，自該基座部分相對於該連接部分的一端延伸出，其中該探針針尖與該基座部分由相同材料一體成形構成，並與該連接部分為不同材料。

Description

測試機台的探針組件及其製作方法
本發明概括而言係關於一測試機台的探針組件及其製作方法，特別是一種低成本且易替換針尖的探針組件及其製作方法。
掃描式探針顯微鏡(SPMs)由於可提供多種表面性質的高解析度影像，常被用來量測表面形貌及相對應的電性分析，例如導電性、電壓、電容、電阻、電流和其他電性質。當量測不同電性時，會用到不同的SPM技術，例如可同步提供相對應表面型貌影像的電子訊號的SPM技術包含有掃描式電容顯微鏡(SCM)，掃描式擴散電阻顯微鏡(SSRM)，克爾文力(Kelvin force)顯微鏡(KFM)和導電原子力顯微鏡(C-AFM)。
掃描式電容顯微鏡(SCM)裝置的工作方法是用一微小針尖在一待顯像樣本表面上掃描，同時量測該樣本的電性。典型的掃描式電容顯微鏡(SCM)由一原子力顯微鏡(AFM)和一可同步提供二維影像的超高頻率(UHF)共振電容感測器所組成。該AFM取得表面形貌影像，而該UHF共振電容感測器可同步提供二維的微分電容影像。典型的AFM由一懸臂和一位於該懸臂懸空端且具有導電性的探針所組成。大多數AFM懸臂的位置由光學裝置偵測，藉由一紅光(670nm)雷射光束自懸臂背面反射至一對位置靈敏的光偵測器來偵測懸臂的位置，來產生表面形貌影像。
然而，光/雷射的干擾，例如由該AFM紅光雷射光束散射光引起的光伏效應(photovoltaic effect)和高位載子注入效應(high-level carrier injection effect)，會導致扭曲的微分電容(dC/dV)曲線，因而干擾SCM影像的對比。此由AFM雷射光束引起的光/雷射的干擾不只影響SCM影像的對比，還會降低判斷載子濃度分布的精準度。
再者，舊有的SPM及Nano-prober探針具有較大的探針針尖接觸面積和一傾斜的接觸角，無法達到較小針尖接觸面積及避免雜散電容，以致無法達到量測高階技術世代產品的要求。而其複雜的針尖替換過程和昂貴的探針也直接影響到該分析工具的處理量及探針耗材成本。此領域中的技術人士已長期尋覓卻仍無法得到這些問題的解決方法。
本發明將描述一新穎方法，用來製作測試機台的探針組件(也可稱針尖接頭)。該方法的特色是利用現階段成熟、低成本的半導體製程製造能力，在晶圓上製作探針針尖和針尖接頭。由於整套製作方法可沿用現行已成熟的半導體製程，所製作的探針電性品質具高度一致性及良好保存性，且為其所製作之探針形狀亦容易由製程中參數控制下具有高度一致性，因以上特點，其於量測時可達到高階製程世代所要求的高掃描解析度與較佳訊號雜訊比。再者，其探針製造方式可提供不同新穎設計的探針組件，針尖精細且形狀可被設計控制，加上快速的針尖替換機制，可擴大傳統SPM量測測試機台在高階製程世代的量測能力。
本發明其中一個目的是提供一測試機台的探針組件，其中包含一主體，由一接合部分和一基座部分組成；一探針針尖，自基座部分與接合部分相對的另一邊延伸出。其中探針針尖和基座部分是由相同材質一體成形構成，與接合部分的材質不同。
本發明另一個目的是提供一製作測試機台探針組件的方法，步驟包含：提供一基底，在該基底中形成複數個形狀為所欲探針形狀的凹槽；在該基底上沉積一第一材料層填滿該凹槽，在各凹槽內形成一探針針尖；在該第一材料層上沉積一第二材料層，並圖案化該第一材料層和該第二材料層形成複數個探針組件，其中該第二材料層形成該探針組件與測試機台接合的接合部分，且各探針組件包含一個探針針尖。
一方面，本發明提供的方法另包含使用焊接或真空吸附的方式，將探針組件安裝在測試機台上。
另一方面，本發明提供的方法也包含使用熔化或吹氣卸除的方式，將探針組件自測試機台上拆卸下來。
本發明接下來的詳細敘述所參照的圖式皆為可實行本發明的特定實施例。這些實施例的詳細敘述，足夠使此領域中的技術人士了解並實行本發明。在不悖離本發明的範圍內，可做結構、邏輯和電性上的修改應用在其他實施例上，因此接下來的詳述並非用來對本發明加以限制者。
在詳細敘述此較佳實施例之前，應該進一步解釋在敘述中普遍使用的專有名詞。
專有名詞“蝕刻”普遍用來敘述圖案化某一材料的製程，至少部分該材料會在蝕刻後留存下來。例如，應該可了解蝕刻矽質的過程，包含圖案化一位於矽質上方的遮罩層(例如光阻或硬遮罩)，接著移除未被遮罩層保護的矽質區域。如此一來，被遮罩層保護的矽質區域會在蝕刻製程結束後留下來。然而，另外的例子裡，蝕刻也表示未使用遮罩層，但蝕刻過程結束後仍留下至少部份材料的製程。由以上敘述，可區分專有名詞“蝕刻”與“移除”的不同。當蝕刻某一材料，至少部分該材料會在製程結束後留下來。相反地，當移除某一材料時，所有該材料會在接下來的製程中被移除。然而在某些實施例中，廣義地認為“移除”包含“蝕刻”。
專有名詞“形成”、“沉積”和“設置”在此用來敘述施加某一層材料於基底之上。該專有名詞意指任何產生膜結構的技術，包含熱生成、濺鍍、蒸鍍、化學氣相沉積、磊晶生長、電鍍等等。舉例來說，根據不同實施例，沉積可由任何合適的公知方法來實施，包含任何生長、覆蓋，或傳送材料到基底上面的製程。一些公知的技術包含物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、電化學沉積(ECD)、分子束磊晶、原子層沉積、高密度電漿化學氣相沉積和電漿輔助化學氣相沉積及其他未在此提及者。
本文中普遍使用的“基底”一般認為是矽基底。然而該基底也可為半導體族群中任何一種材料、例如鍺、砷化鎵、磷化銦等等。在其他實施例中，基底也可為非導電性材料，例如玻璃或藍寶石晶圓。
第1圖至第3圖是剖面圖，例示本發明實施例製作測試機台探針組件(針尖與針尖接頭)的過程。本發明提供一新穎的方法，用於製作測試機台的探針組件。本發明中的探針組件也可指一組裝在測試機台機臂上，根據不同被測元件(DUT)的規格需求而更換的接頭。本發明利用現行的半導體製程可一次在12吋晶圓上製作數十萬個探針組件。
首先，參照第1圖，提供一半導體基底100，例如12吋矽晶圓，為製作本發明探針組件的基座。在含氧環境下進行一溫度介於750 ˚C至850 ˚C之間的熱氧化過程，在基底100上形成一氧化層102，例如二氧化矽(SiO2)。該氧化層102將作為探針組件和基底100之間的絕緣體和側壁子。接著進行微影和蝕刻製程，在基底100上形成複數個圓筒狀凹槽104。該凹槽104可呈陣列排列，形狀為符合不同規格和長寬比要求的探針針尖，例如一探針針尖的末端為20奈米，長度為100奈米。
參照第2圖，在基底100中形成凹槽104後，接著在基底100上沉積一第一材料層106。第一材料層106填滿凹槽104，且覆蓋基底100。第一材料層106填入凹槽104的部分形成探針組件的探針針尖。在本發明中，第一材料層106由強度、導電性和彈性均適合用來做原子力探針(AFP)的材料做成，例如鎢(W)。沉積第一材料層106之後，接著沉積第二材料層108於第一材料層106上。第二材料層108可由具有優越金屬可焊性的合金做成，例如鈦/氮化鈦(Ti/TiN)。本發明中，第二材料層106將作為探針組件與機臂連接的部分。
參照第3圖，在基底100上形成第一材料層106和第二材料層108後，進行另一微影和蝕刻製程，圖案化第一材料層106和第二材料層108形成複數個探針組件110。探針組件110由圖案化製程形成的間隙109分開，並且整齊以陣列排列在基底100上。每一探針組件110包含一上方的連接部分110a，由圖案化的第二材料層108形成；一中間的基座部分100b，由圖案化的第一材料層106形成；一底部的探針針尖110c，相對於連接部分110a，自基座部分100b的一端延伸出。底部探針針尖110c由第一材料層106填入凹槽104的部分形成。該注意的是探針針尖110c和基座部分110b由相同材料一體成型構成(即第一材料，例如鎢)。連接部份110a最好由具有優越金屬可焊性的合金做成，才可輕易地安裝至測試機台。
除了上述探針組件100簡單的製程外，本發明另一特徵是快速、簡單的針尖安裝/更換方法，且更換時不需執行傳統的雷射重新校正步驟，可顯著提升目前傳統AFM(SPM)的處理量。請參照第4圖與第5圖，為本發明實施例中將探針組件100安裝至測試機台機臂120的剖面圖。首先，第4圖中，將一測試機台機臂120按壓在一選定的探針組件110的連接部分110a上，接著由與機臂120和基底110連接的加熱元件130進行一加熱過程，例如使用脈衝雷射加熱或高電壓脈衝焊接，使具有較低熔點與較佳可焊性的連接部分110a熔化，使熔化後的110a與按壓於其上的機臂120焊接起來。由圖式中可注意到，該連接過程是當機臂碰觸到連接部分110a啟動加熱電路後才開始，因此不需要傳統的雷射校正步驟。
參照第5圖，在機臂120和探針組件110連接後，使用組件140(例如加熱板)提高基底100溫度，藉由溫度差使其上的凹槽104擴張。要注意的是在本發明中，探針針尖100c和底座100b(即第一材料)的熱膨脹係數與基底100不同，因此凹槽104會擴張至足夠大使探針針尖110c自基底100鬆脫。在溫度變化後，可用機臂120將與其連接的探針組件110自凹槽104拉取出。
參照第6圖。本發明也提供另一組裝方法，利用真空吸附的方式將探針組件110安裝至機臂120上。在此實施例中，機臂120具有一空氣通道120a，可製造一真空環境，將與其接觸的探針組件110吸附在空氣通道120a的排氣口上。接著與前述實施例相同，進行基底溫度變化和拉取步驟，可將探針組件110自基底100中拉取出。
參照第7圖。除了上述將探針組件110安裝至機臂120的過程，本發明也提供將探針組件110自機臂120拆卸下來的方法。本發明拆卸的過程可為上述安裝過程的反向程序。首先，將探針針尖110c放入凹槽104內，接著藉由連接的裝置150使基底產生溫度變化，造成基底100上的凹槽104收縮。請注意在本發明中，由於探針針尖110c和基座部分110b(即第一材料)與基底100的熱膨脹係數不同，凹槽104會收縮至足夠小的程度，夾住位於基底100裡的探針針尖110c。接下來利用加熱元件進行加熱，再次熔化連接部分110a，使機臂得以輕易地自被夾住的探針組件110的連接部分110a移開。在探針組件110藉由真空吸取安裝在機臂120上的實施例中(第6圖)，只需自機臂120排放氣體解除真空密封，可更輕易地將探針組件110自機臂120移除。
參照第8圖，為一剖面圖，說明使用本發明實施例的探針組件110測試/掃描一樣本的過程。本發明中，由於連接處110a與基座部分100b由同一圖案化步驟形成，因此兩者的尺寸相同，例如最好都大於50奈米。再者，最佳化的探針針尖110c末端尺寸最好小於50奈米，且長度最好大於100奈米，使之長寬比大於2，得以用來量測樣本160。具較小尺寸與較大垂直方向長寬比的探針針尖，可以符合先進製程世代樣本160的電路圖案162表面形貌尺寸需求，得到較佳解析度與低雜訊的掃描式電容顯微鏡量測結果。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧基底
102‧‧‧熱氧化層
104‧‧‧凹槽
106‧‧‧第一材料層
108‧‧‧第二材料層
109‧‧‧間隙
110‧‧‧探針組件
100a‧‧‧連接部分
100b‧‧‧基座部分
100c‧‧‧探針針尖
120‧‧‧機臂
120a‧‧‧空氣通道
130‧‧‧加熱元件
140‧‧‧裝置
150‧‧‧裝置
160‧‧‧樣本
162‧‧‧電路圖案
所附圖式提供對於此實施例更深入的了解，並納入此說明說書成為其中一部分。這些圖式與描述，用來說明一些實施例的原理。 第1圖至第3圖是剖面圖，例示本發明實施例製作測試機台探針組件(針尖與針尖接頭)的過程。 第4圖和第5圖是剖面圖，例示本發明實施例組合探針組件與機臂的過程。 第6圖是剖面圖，說明本發明另一實施例組合探針組件與機臂的過程。 第7圖是剖面圖，例示本發明實施例自機臂拆卸探針組件的過程。 第8圖是剖面圖，說明使用本發明實施例的探針組件量測/掃描一樣本的過程。 須注意的是所有圖式為示意圖，以說明與製圖方便為目的，相對尺寸及比例已經過調整。相同的符號在不同實施例中代表相對應或類似的特徵。
100‧‧‧基底
110‧‧‧探針組件
100a‧‧‧連接部分
100b‧‧‧基座部分
100c‧‧‧探針針尖
109‧‧‧間隙

Claims (13)

  1. 一種測試機台的探針組件，包含有：        一主體，包括一連接部分與一基座部分；以及        一探針針尖，自該基座部分相對於該連接部分的一端延伸出，其中該探針針尖與該基座部分由相同材料一體成型構成，並與該連接部分為不同材料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的測試機台的探針組件，其中該基座部分與該連接部分的尺寸相同。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的測試機台的探針組件，其中該基座部分與該連接部分的尺寸大於50奈米。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的測試機台的探針組件，其中該探針針尖的末端尺寸大於50奈米，且該探針針尖的長度大於100奈米。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的測試機台的探針組件，其中該基座部分與該探針針尖的材料為鎢，且該連接部分的材料為鈦/氮化鈦。
  6. 一製作測試機台探針組件的方法，其中包含：       提供一基底；       在該基底形成複數個形狀為所需探針針尖形狀的凹槽；       在該基底上沉積一第一材料層並填滿該凹槽，在該凹槽裡形成一探針針尖；       在該第一材料層上沉積一第二材料層；以及       圖案化該第一材料層與該第二材料層，形成複數個探針組件，其中該第二材料層構成該探針組件的一連接部分，用來連接到一測試機台，且各該探針組件包含一該探針針尖。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的製作測試機台探針組件的方法，其中另包含：       將一機臂按壓在一該探針組件的該連接部分上；       接合該機臂與該探針組件的該連接部分；       改變該基底的溫度使該凹槽擴張並鬆開該基底中的該探針針尖；以及       用該機臂拉取出該探針組件。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的製作測試機台探針組件的方法，其中該基底與該第一材料層的熱膨脹係數不同。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的製作測試機台探針組件的方法，其中藉由熔化及焊接的方法將該連接部分接合在該機臂上。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的製作測試機台探針組件的方法，其中藉由脈衝雷射加熱或高電壓脈衝焊接，將該連接部分接合在該機臂上。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的製作測試機台探針組件的方法，其中另包含拆卸步驟：       將該探針針尖放入該凹槽中；       改變該基底的溫度使該凹槽收縮，夾住該探針針尖；以及       自該被夾住的探針針尖上移除該機臂。
  12. 如申請專利範圍第7項所述的製作測試機台探針組件的方法，其中該探針組件的該連接部分藉由真空吸附的方法安裝在該機臂上。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的製作測試機台探針組件的方法，其中另包含吹氣卸除該機臂以釋放該探針組件的拆卸步驟。
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