用于芯片测试探针头的探针、探针的制作方法以及探针头与流程

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，针尾端用于与空间变换器（spacetransformer）上的接触焊盘接触。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）针尾与mlo接触不稳定。随着探针卡技术的发展，多层有机基板（multi-layerorganic，mlo）被广泛用作空间变换器基板。mlo基板的接触焊盘通常具有特定的表面处理（如金面），探针针尾需要与mlo焊盘形成稳定的电接触。现有探针的针尾材料与mlo焊盘之间的接触电阻不稳定，在高温测试环境下尤为明显，容易导致测试信号失真。

7、（4）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，如何在针尖和针尾分别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、其制作方法及探针头。该探针在针尖端采用高硬度导电材料以提高耐磨性，在针尾端采用低硬度、高导电性材料以保护mlo焊盘，同时制作方法精度高、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，其包括：探针主体，沿纵向方向延伸并具有相对的第一端和第二端；以及复合针尾结构，位于所述探针主体的第二端，所述复合针尾结构包括由第二导电材料制成的一个或多个第二结合部，所述一个或多个第二结合部设置在所述第二端的至少部分表面上，所述探针具有用于与mlo焊盘抵接的导电接触区域，该导电接触区域由所述探针主体的第二端的至少部分表面和/或所述一个或多个第二结合部的至少部分表面限定；其中，所述第二导电材料选自镍、钛、铬、金、银、铂、钯、铑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。

3、作为探针产品的进一步改进，所述探针主体由选自镍钨合金、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制成，以保证探针主体具有足够的弹性、强度及导电性。

4、作为探针产品的进一步改进，所述第二结合部为层状结构，所述层状结构包括至少两层金属层；其中，相邻的两层金属层由不同的所述第二导电材料制成。优选地，所述层状结构包括粘附层和覆盖在所述粘附层上的接触层；其中，所述粘附层的材料为镍、钛、铬、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，用于增强层间结合力；所述接触层的材料为金或金合金，用于提供良好的导电性和接触稳定性。更进一步地，所述层状结构还包括与所述探针主体的表面直接结合的衬底层，所述衬底层的材料与所述探针主体的材料相同，用于提高填充材料与探针主体之间的结合强度。

5、作为探针产品的进一步改进，所述第二端具有第二支撑部，所述第二支撑部为凹槽部，所述一个或多个第二结合部位于所述凹槽部中，所述导电接触区域由所述第二支撑部的至少部分表面和/或所述一个或多个第二结合部的至少部分表面限定。该凹槽结构能够牢固地容纳并支撑第二结合部，防止其在使用过程中脱落。

6、作为探针产品的进一步改进，所述探针还包括位于所述探针主体的第一端的复合针尖结构。所述复合针尖结构复合针尖结构，位于所述探针主体的第一端，所述复合针尖结构包括由第一导电材料制成的一个或多个第一结合部，所述第一导电材料的硬度大于所述探针主体的材料硬度，所述探针主体的第一端具有第一支撑部，所述一个或多个第一结合部由所述第一支撑部支撑，所述一个或多个第一结合部构成用于与待测试芯片电接触的至少部分测试接触部。优选地，所述第一导电材料选自铑、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；以提供优异的耐磨性能。

7、作为探针产品的进一步改进，所述第一支撑部为凹槽部，所述第一结合部位于所述凹槽部中。

8、作为探针产品的进一步改进，所述第一结合部的端面不突出于所述探针主体的第一端的端面，所述第一结合部的端面与所述探针主体的第一端的端面共同构成用于与待测试芯片电接触的测试接触区域。该平面结构接触区域能够增大接触面积，降低接触压力对芯片的损伤。

9、或者，所述第一结合部的端面突出于所述探针主体的第一端的端面，所述第一结合部的端面单独构成用于与待测试芯片电接触的测试接触区域。该尖锐突起结构能够刺破芯片焊盘表面的氧化层，获得良好的电接触。

10、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以下中的一种或多种：镍合金、纯铑、纯钯、铑合金、钯合金；以进一步提高针尖的耐磨性和抗氧化性。

11、作为探针产品的进一步改进，所述探针主体的第一端具有角部，所述探针主体的第一端具有角部，所述第一结合部的数量为一个并设置于所述角部，且所述第一结合部具有至少两个相邻的外露侧面。该结构使得第一结合部在探针主体的角部形成多面暴露，有利于在有限空间内最大化有效接触面积。

12、作为探针产品的进一步改进，所所述第一结合部的数量为两个并且二者彼此间隔布置，两个所述第一结合部相对于所述探针主体的纵向轴线呈轴对称分布。该双结合部的结构能够提高测试的冗余度和可靠性。

13、作为探针产品的进一步改进，所述探针主体还包括绝缘层，所述绝缘层包覆所述探针主体位于所述复合针尖结构和复合针尾结构之间的中间部分的至少部分表面，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。该绝缘层能够防止相邻探针在高密度排列时发生短路。

14、作为探针产品的进一步改进，所述第一结合部沿纵向方向测量的长度为10微米至1000微米。

15、作为探针产品的进一步改进，所述第一结合部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%。

16、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，以适应不同的测试空间和加工需求。

17、第二方面，本发明还提供一种探针的制作方法，该方法包括以下步骤：

18、提供金属片材；

19、在所述金属片材上对应于各待形成的探针主体的针尾端处，开设尾端凹槽；

20、在所述尾端凹槽内分层填充相应的第二导电材料；

21、对填充所述第二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尾端凹槽内的所述第二导电材料保留在各所述探针主体的针尾端，以在所述探针主体的针尾端形成由保留在所述探针主体的针尾端的所述第二导电材料与所述探针主体的针尾端的所述金属片材部分共同构成的复合针尾结构。

22、作为上述制作方法的进一步改进，所述开设尾端凹槽的步骤包括：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针尾的位置刻蚀形成所述尾端凹槽。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。

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

24、作为上述制作方法的进一步改进，填充所述第二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。

25、作为上述制作方法的进一步改进，还包括步骤：在获得所述复合针尾结构之后，在所述探针主体的针尖端与针尾端之间的至少部分表面形成绝缘层。

26、作为上述制作方法的进一步改进，所述开设尾端凹槽的步骤包括：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尾端的窗口和用于所述尾端凹槽成型的刻蚀区域。

27、更具体地，所述开设尾端凹槽的步骤包括：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尾端的第一刻蚀窗口；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，形成对应各针尾端的第二刻蚀窗口，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，形成所述尾端凹槽；去除剩余的第一光刻胶层和阻挡层。

28、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分离。

29、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。

30、作为上述制作方法的进一步改进，还包括步骤：对切割后的探针主体进行研磨处理，以使所述复合针尾结构的导电接触区域形成为曲面接触区域。

31、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。

32、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，以实现高精度、低热影响的切割效果。

33、作为上述制作方法的进一步改进，还包括步骤：在所述金属片材的所述针尾端开设所述尾端凹槽的同时，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尖端凹槽。

34、作为上述制作方法的进一步改进，还包括步骤：提供第一导电材料，所述第一导电材料的硬度大于所述探针主体合金材料的硬度；在所述尖端凹槽内填充所述第一导电材料，以形成由填充于所述尖端凹槽内的所述第一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。

35、第三方面，本发明还提供一种用于芯片测试的探针头，包括多根如上所述的探针。所述探针头包括上引导件和下引导件；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。该探针头通过上下引导件的精确导向，确保多根探针能够同步、精确地与待测试芯片的对应焊盘接触，适用于大规模并行测试。

36、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：本发明在探针针尾端设置由金、银、铂、钯等低硬度、高导电性材料制成的第二结合部，与mlo焊盘抵接时不易造成焊盘损伤，同时保证了优异的导电接触性能。层状结构的设计（如衬底层、粘附层、接触层的组合）进一步提高了填充材料与探针主体的结合强度及接触稳定性。