用于芯片测试的探针、探针的制作方法以及测试头与流程

本发明涉及半导体芯片测试，具体涉及一种用于芯片测试环节中测试头的探针、探针的制作方法以及测试头。

背景技术：

1、在半导体制造工艺中，晶圆级测试（wafer-level testing）是确保芯片功能与良率的关键环节。探针卡（probe card）作为测试设备与被测芯片之间的电连接接口，其核心组件——接触探针（contact probe）的性能直接决定了测试的准确性和可靠性。

2、探针卡通常包括多根接触探针，每根探针具有针尖端和针尾端。针尖端用于与晶圆上芯片的接触焊盘（pad）或凸点（bump）接触。在测试过程中，探针需要承受数千次乃至数百万次的接触循环，同时还需保持稳定的电接触性能和低接触电阻。

3、现有的接触探针通常由单一合金材料（如含铜合金、镍钴合金等）制成，存在以下技术问题：

4、（1）针尖磨损与氧化。在反复接触测试过程中，探针针尖与焊盘之间的摩擦会导致针尖磨损，接触电阻逐渐增大。同时，部分合金材料在空气中容易氧化，形成氧化膜，进一步增大接触电阻，影响测试精度。特别是在高频测试和高密度封装场景下，针尖的磨损和氧化问题更为突出。

5、（2）针尖接触性能不足。单一合金材料的硬度有限，难以有效穿透焊盘表面的氧化层。虽然已知使用铑等高硬度贵金属可以改善接触性能，但铑材料脆性大，难以直接作为探针主体使用。如何在探针针尖局部集成高硬度贵金属，同时保证结构完整性，是业界面临的技术挑战。

6、（3）复合探针制作工艺复杂。为解决上述问题，业界已有在探针端部局部添加贵金属的尝试，但现有制作方法存在工艺复杂、成品率低、难以批量生产等问题。特别是对于微米级尺寸的探针，如何在针尖精确地集成不同金属，同时保持探针主体的一致性和机械性能，仍存在显著的技术困难。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于芯片测试的探针及其制作方法，该探针具有高硬度、长寿命的复合针尖结构，且制作方法精度高、成本可控。

2、为解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种用于芯片测试的探针的制作方法，其包括以下步骤：

3、提供一金属片材；

4、在所述金属片材上对应于各待形成的探针主体的针尖端处，开设凹槽；

5、在所述凹槽内填充导电材料；其中，所述导电材料的硬度大于所述金属片材的材料硬度；以及

6、对填充所述导电材料后的所述金属片材进行切割，以形成多个独立的所述探针主体；其中，所述切割满足使得填充于所述凹槽内的所述导电材料保留在各所述探针主体的针尖端，以在所述探针主体的针尖端形成由保留在所述探针主体的针尖端的所述导电材料与所述探针主体的针尖端的所述金属片材部分共同构成的复合针尖结构。

7、作为上述制作方法的进一步改进，所述开设凹槽，包括：在所述金属片材的表面覆盖掩模，以及在所述金属片材上对应所述针尖端处刻蚀形成所述凹槽。优选的，所述刻蚀方法包括离子束刻蚀、激光刻蚀或反应离子刻蚀中的一种或多种。通过采用先在金属片材上开设凹槽、再填充导电材料、最后切割成型的工艺路线。该方法结合了半导体光刻/刻蚀工艺的高精度与金属加工的便利性，能够精确控制针尖的形状、尺寸和位置，非常适合于制造间距在几十微米级别的高密度探针卡，满足先进芯片的测试需求。

8、作为上述制作方法的进一步改进，还包括步骤：在完成对所述凹槽的刻蚀之后、对所述金属片材进行切割之前，去除所述掩模；所述去除方法包括等离子体灰化或湿法腐蚀。

9、作为上述制作方法的进一步改进，填充所述导电材料的方法包括：溅射沉积、蒸镀沉积、电镀沉积或化学镀沉积中的一种或多种。

10、作为上述制作方法的进一步改进，还包括步骤：在获得所述复合针尖结构之后，在所述探针主体的除针尖端和针尾端以外的至少部分外表面上形成绝缘层。通过在探针主体部分表面设置绝缘层，可有效防止相邻探针在高密度排列时发生短路。作为制作方法的进一步改进，所述绝缘层的材料选自聚酰亚胺、派瑞林、二氧化硅、氧化铝或氮化硅中的一种。

11、作为上述制作方法的进一步改进，所述开设凹槽的步骤具体包括：在所述金属片材表面通过光刻和刻蚀工艺，依次形成用于定义探针针尖端的窗口和用于所述凹槽成型的刻蚀区域。

12、更进一步的，所述开设凹槽的步骤包括：将所述金属片材固定于一硬质基底上；在所述金属片材表面依次形成第一光刻胶层、阻挡层和第二光刻胶层；对所述第二光刻胶层进行曝光和显影，形成对应各探针主体的针尖端的第一刻蚀窗口；利用所述第一刻蚀窗口，选择性地刻蚀所述阻挡层，以暴露该位置处的第一光刻胶层；去除剩余的第二光刻胶层，再对所述第一光刻胶层进行曝光和显影，形成对应各针尖端的第二刻蚀窗口，以暴露所述金属片材的表面；利用所述第二刻蚀窗口，对所述金属片材进行刻蚀，形成所述凹槽；去除剩余的第一光刻胶层和阻挡层。通过以标准的光刻、刻蚀、沉积和激光切割技术为基础，与现有的mems（微机电系统）探针制造工艺高度兼容，无需复杂的特殊设备，便于实现规模化、低成本的生产。

13、作为上述制作方法的进一步改进，所述金属片材通过粘合层、真空吸盘或机械夹具固定于所述硬质基底上。并且，在完成对所述金属片材的刻蚀之后、对所述金属片材进行切割之前，将所述金属片材从所述硬质基底上释放。

14、作为上述制作方法的进一步改进，所述硬质基底为硅片、陶瓷片、玻璃片或蓝宝石片。

15、作为上述制作方法的进一步改进，还包括步骤：对切割后的所述探针主体的针尖端进行研磨处理，以使所述复合针尖结构上与待测试芯片电接触的测试接触区域形成为曲面接触区域。

16、作为上述制作方法的进一步改进，所述金属片材的厚度为30微米至200微米。

17、作为上述制作方法的进一步改进，所述切割采用飞秒激光或皮秒激光进行。

18、第二方面，本发明还提供一种用于芯片测试的探针，该探针采用上述任一种制作方法制成。

19、具体而言，该探针包括沿纵向延伸的探针主体和位于所述探针主体的针尖端处的复合针尖结构。所述复合针尖结构具有用于与待测试芯片电接触的测试接触区域；所述测试接触区域由保留在所述探针主体的针尖端的所述导电材料独立限定，或者由保留在所述探针主体的针尖端的所述导电材料与所述探针主体的针尖端的所述金属片材部分共同限定。

20、作为探针产品的进一步技术方案：当所述测试接触区域为平面结构时，所述测试接触区域由所述导电材料与所述金属片材部分共同限定。当所述测试接触区域为尖锐突起结构时，所述测试接触区域由所述导电材料独立限定。

21、作为探针产品的进一步改进，所述金属片材的材质选自镍钨合金、镍钴合金、镍锰合金、钯合金、铼钨合金或铜合金中的任意一种合金材质。

22、作为探针产品的进一步改进，所述导电材料选自铑、铂、铱、镍、钌中的任意一种或多种单质，或选自以其中任一金属单质为基体的合金。

23、作为探针产品的进一步改进，在所述复合针尖结构中，保留在所述探针主体的针尖端的所述导电材料沿纵向方向测量的长度为10微米至1000微米。并且，保留在所述探针主体的针尖端的所述导电材料在垂直于所述纵向方向上的最大尺寸为所述探针主体在相应方向上的最大尺寸的20%至100%。

24、作为探针产品的进一步改进，所述探针主体的横截面为矩形、圆形或椭圆形。

25、作为探针产品的进一步改进，所述复合针尖结构还包括覆盖在其外侧表面的涂层，所述涂层的材料选自镍合金、纯铑、纯钯、铑合金、钯合金中的一种或多种。优选的，所述涂层的厚度为0.5微米至10微米。

26、作为探针产品的进一步改进，所述复合针尖结构还包括位于所述导电材料与由所述金属片材形成的所述凹槽的内壁之间的粘附膜层；所述粘附膜层的材料选自镍、金、银、铂、钯中的任意一种或多种单质，或选自以其中任一金属单质为基体的合金。优选的，所述粘附膜层的厚度为0.01微米至3微米。

27、通过选用高导电率的金属片材和导电材料，以及可选的粘附膜层和表面涂层，进一步优化了探针整体的电阻和信号传输性能

28、第三方面，本发明还提供一种用于芯片测试的测试头，该测试头包括上引导件、多根如上所述的探针以及下引导件；其中，所述上引导件和所述下引导件彼此间隔开以限定气隙，并设置有供所述探针在其中滑动的相应引导孔。

29、与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下显著的有益效果：本发明通过在金属片材的针尖端开设凹槽并填充高硬度导电材料（硬度大于金属片材），形成的复合针尖结构在接触待测试芯片时，由高硬度材料承受主要磨损和接触应力，显著提高了探针的耐磨性和抗形变能力，从而大幅延长了探针的整体使用寿命，并保证了长期测试过程中接触电阻的稳定性。