一种高性能3DMEMS探针的制作方法与流程

本发明属于探针制作，特别涉及一种高性能3d mems探针的制作方法。

背景技术：

1、随着半导体工艺节点演进至 3nm 以下，叠加hbm、硅中介层等先进封装技术快速普及，探针卡需同时满足超细间距、超低接触力、超长循环寿命、稳定低接触电阻、大电流承载以及优异高频信号完整性等多项严苛性能要求。

2、现阶段，商用垂直mems探针以锋法特（formfactor）altius™垂直 mems 探针为典型代表，该产品能够实现45微米网格阵列排布间距，并达到1gf级超低接触力。但该类探针依靠多层金属化工艺制备，工艺流程繁琐、制造成本高昂，同时工艺在深结构侧壁镀层覆盖能力、三维结构设计灵活性两方面均存在明显局限。

3、另外，也有探针采用liga工艺或纯电铸工艺，这类工艺的成型模具均以光刻胶为基材，仅能制备平头、简易锥形等结构单一的探针尖端；而且，电铸阶段种子层涂布均匀性差，无法同步兼顾探针的机械顺应性、耐磨性能与电学导通性能。

4、除此之外，现有硅深反应离子刻蚀（drie）- 电铸复合制备工艺仍存在固有缺陷：结构侧壁种子层沉积厚度不均、成型后探针内部应力集中，整体三维形貌与尺寸精度可控性不足，无法适配先进芯片长期量产测试需求。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种高性能3d mems探针的制作方法，利用硅干法蚀刻模具、多角度溅射种子层与多层复合电铸，制备综合性能优异的3d探针。

2、为此，本发明的技术方案是：一种高性能3d mems探针的制作方法，包括以下步骤：

3、s1、选取单晶硅片，清洗后生长硬掩膜层，通过光刻定义悬臂梁区、锚区与尖端区的探针阵列图形；

4、s2、采用深反应离子刻蚀进行双步刻蚀：第一步刻蚀形成垂直侧壁的主沟槽结构，第二步调整刻蚀参数，刻蚀形成局部倾斜侧壁或多台阶结构；随后进行各向异性湿法刻蚀，在尖端区形成金字塔形或锥形尖端，得到3d硅模具；

5、s3、采用行星旋转基座结合多角度倾斜溅射工艺，在硅模具的沟槽内壁沉积双层金属种子层；

6、s4、以种子层为阴极，通过脉冲电铸依次沉积合金基体层、梯度导电层与耐磨表面层，形成金属探针结构；电铸后进行低温退火释放残余应力；

7、s5、对探针表面进行平坦化处理，去除多余种子层与辅助结构，释放硅模具得到探针阵列，将探针阵列转移至载体基板。

8、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述步骤s2中，所述深反应离子刻蚀为 icp-drie bosch 工艺；所述主沟槽结构刻蚀深度80-150μm，深宽比＞10:1；所述局部倾斜侧壁的倾斜角度为45°~70°。

9、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述步骤s2中，所述各向异性湿法刻蚀采用 45wt% koh 溶液在 80℃下刻蚀 5-8min，或采用 20wt% tmah 溶液刻蚀；形成的探针尖端半径小于1μm；刻蚀后经o2等离子清洗与稀氢氟酸处理，去除残余氧化物。

10、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述步骤s3中，所述双层金属种子层一层为ti或tiw层，另一侧为cu层；所述ti或tiw层的厚度 30-50nm，cu层的厚度180-250nm；溅射时行星基座转速为10-20rpm，采用 0°主沉积结合30°-60°交替倾斜溅射，循环2-3周期；溅射前采用ar离子刻蚀活化硅模具表面。

11、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述步骤s4中，所述合金基体层为 ni-co合金，co含量为 15-30wt%；合金基体层的脉冲电铸电流密度为 5-15ma/cm2，占空比为1:10-1:20，频率1-10khz，合金基体层厚度20-50μm；所述梯度导电层为cu 芯与ni-co外壳的芯壳结构；所述耐磨表面层为au或pdco合金，厚度 0.5-1.5μm；电镀后进行低温退火温度为 250-350℃，氮气氛围下保温 60-120min。

12、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述步骤s5中，所述平坦化处理为化学机械抛光，去除厚度小于 5μm 的过生长金属；采用湿法刻蚀或离子铣去除多余种子层；通过背面硅减薄结合各向同性刻蚀释放硅模具；探针阵列通过焊料键合转移至陶瓷或有机载体基板。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、1、采用双步 drie 结合各向异性湿法刻蚀制备硅模具，可精准形成半径小于1μm的金字塔/锥形尖端、变截面悬臂梁与倾斜腔结构，既保证低接触力下可穿透芯片表面氧化层，又能在大过驱动量下实现应力均匀分布，最大应力降低 30%，大幅提升循环寿命。

15、2、采用行星旋转结合多角度倾斜溅射工艺，深沟槽侧壁种子层覆盖率可达92%以上，底部覆盖率可达95%以上，解决了常规直向溅射侧壁覆盖不足的问题，为后续电铸提供均匀的导电基底，避免电铸空洞与厚度不均缺陷。

16、3、通过脉冲电铸依次生长高强度ni-co基体、高导电cu芯层与高耐磨pdco表面层，结合低温退火释放残余应力，使探针同时具备高屈服强度、低接触电阻、高耐磨与大电流承载能力，实现机械、电学与耐久性能的协同提升。

17、4、基于硅晶圆工艺实现批量制造，探针阵列一致性小于±5%，支持5000针以上并行制备，相较于多层金属化mems探针工艺步骤更简洁，制造成本更低，适配3nm以下制程与先进封装的量产测试需求。

1.一种高性能3d mems探针的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种高性能3d mems探针的制作方法，其特征在于：所述步骤s2中，所述深反应离子刻蚀为 icp-drie bosch 工艺；所述主沟槽结构刻蚀深度80-150μm，深宽比＞10:1；所述局部倾斜侧壁的倾斜角度为45°~70°。

3.如权利要求1所述的一种高性能3d mems探针的制作方法，其特征在于：所述步骤s2中，所述各向异性湿法刻蚀采用 45wt% koh 溶液在 80℃下刻蚀 5-8min，或采用 20wt%tmah 溶液刻蚀；形成的探针尖端半径小于1μm；刻蚀后经o2等离子清洗与稀氢氟酸处理，去除残余氧化物。

4.如权利要求1所述的一种高性能3d mems探针的制作方法，其特征在于：所述步骤s3中，所述双层金属种子层一层为ti或tiw层，另一侧为cu层；所述ti或tiw层的厚度 30-50nm，cu层的厚度 180-250nm；溅射时行星基座转速为10-20rpm，采用 0°主沉积结合30°-60°交替倾斜溅射，循环2-3周期；溅射前采用ar离子刻蚀活化硅模具表面。

5.如权利要求1所述的一种高性能3d mems探针的制作方法，其特征在于：所述步骤s4中，所述合金基体层为 ni-co合金，co含量为 15-30wt%；合金基体层的脉冲电铸电流密度为 5-15ma/cm2，占空比为1:10-1:20，频率1-10khz，合金基体层厚度20-50μm；所述梯度导电层为cu 芯与ni-co外壳的芯壳结构；所述耐磨表面层为au或pdco合金，厚度 0.5-1.5μm；电镀后进行低温退火温度为 250-350℃，氮气氛围下保温 60-120min。

6.如权利要求1所述的一种高性能3d mems探针的制作方法，其特征在于：所述步骤s5中，利用化学机械抛光去除厚度小于 5μm 的过生长金属；采用湿法刻蚀或离子铣去除多余种子层；通过背面硅减薄结合各向同性刻蚀释放硅模具；将探针阵列通过焊料键合转移至陶瓷或有机载体基板上。