測試機臺的探針組件及其制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種測試機臺的探針組件及其制作方法，其中測試機臺的探針組件包括一主體以及以一探針針尖，其中主體包括一連接部分與一基座部分；探針針尖自所述基座部分相對于所述連接部分的一端延伸出，其中所述探針針尖與所述基座部分由相同材料一體成型構成，并與所述連接部分為不同材料。
【專利說明】
測試機臺的探針組件及其制作方法
技術領域
[0001]本發明涉及一測試機臺的探針組件及其制作方法，特別是涉及一種低成本且易替換針尖的探針組件及其制作方法。
【背景技術】
[0002]掃描式探針顯微鏡(SPMs)由于可提供多種表面性質的高解析度影像，常被用來測量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。當測量不同電性時，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信號的SPM技術包括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)。
[0003]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，同時測量所述樣本的電性。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。所述AFM取得表面形貌影像，而所述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由一懸臂和一位于所述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檢測，通過一紅光(670nm)激光光束自懸臂背面反射到一對位置靈敏的光檢測器來檢測懸臂的位置，來產生表面形貌影像。
[0004]然而，光/激光的干擾，例如由所述AFM紅光激光光束散射光引起的光伏效應(photovoltaic effect)和高位載流子注入效應(high-level carrier inject1neffect)，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激光光束引起的光/激光的干擾不只影響SCM影像的對比，還會降低判斷載流子濃度分布的精準度。
[0005]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，以致無法達到測量高階技術世代產品的要求。而其復雜的針尖替換過程和昂貴的探針也直接影響到所述分析工具的處理量及探針耗材成本。此領域中的技術人員已長期尋覓卻仍無法得到這些問題的解決方法。
【發明內容】
[0006]本發明公開了一種測試機臺的探針組件(也可稱針尖接頭)及其制作方法。其中制作方法的特色是利用現階段成熟、低成本的半導體工藝制造能力，在晶片上制作探針針尖和針尖接頭。由于整套制作方法可沿用現行已成熟的半導體工藝，所制作的探針電性質量具高度一致性及良好保存性，且所制作的探針形狀也容易由工藝參數控制下具有高度一致性，綜合以上特點，其在測量時可達到高階工藝世代所要求的高掃描解析度與較佳信號信噪比。再者，其探針制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測量測試機臺在高階工藝世代的測量能力。
[0007]本發明其中一個目的是提供一測試機臺的探針組件，其中包括一主體，包括一連接部分與一基座部分；以及一探針針尖，自所述基座部分相對于所述連接部分的一端延伸出，其中所述探針針尖與所述基座部分由相同材料一體成型構成，并與所述連接部分為不同材料。
[0008]本發明另一個目的是提供一制作測試機臺探針組件的方法，步驟包括提供一基底；在所述基底形成多個形狀為所需探針針尖形狀的凹槽；在所述基底上沉積一第一材料層并填滿所述凹槽，在所述凹槽里形成一探針針尖；在所述第一材料層上沉積一第二材料層；以及圖案化所述第一材料層與所述第二材料層，形成多個探針組件，其中所述第二材料層構成所述探針組件的一連接部分，用來連接到一測試機臺，且各所述探針組件包括一所述探針針尖。
[0009]—方面，本發明提供的方法還包括使用焊接或真空吸附的方式，將探針組件安裝在測試機臺上。
[0010]另一方面，本發明提供的方法也包括使用熔化或吹氣卸除的方式，將探針組件自測試機臺上拆卸下來。
【附圖說明】
[0011]圖1到圖3是剖視圖，例示本發明實施例制作測試機臺探針組件(針尖與針尖接頭)的過程。
[0012]圖4和圖5是剖視圖，例示本發明實施例組合探針組件與機臂的過程。
[0013]圖6是剖視圖，說明本發明另一實施例組合探針組件與機臂的過程。
[0014]圖7是剖視圖，例示本發明實施例自機臂拆卸探針組件的過程。
[0015]圖8是剖視圖，說明使用本發明實施例的探針組件測量/掃描一樣本的過程。
[0016]其中，附圖標記說明如下:
[0017]100 基底
[0018]102熱氧化層
[0019]104 凹槽
[0020]106第一材料層
[0021]108第二材料層
[0022]109 間隙
[0023]110探針組件
[0024]10a連接部分
[0025]10b基座部分
[0026]10c探針針尖
[0027]120 機臂
[0028]120a空氣通道
[0029]130加熱元件
[0030]140 裝置
[0031]150 裝置
[0032]160 樣本
[0033]162電路圖案
【具體實施方式】
[0034]本發明接下來的詳細說明所參考的附圖都為可實現本發明的特定實施例。這些實施例的詳細說明，足夠使此領域中的技術人員了解并實現本發明。在不悖離本發明的范圍內，可做結構、邏輯和電性上的修改應用在其他實施例上，因此接下來的詳述并非用來對本發明加以限制。
[0035]在詳細說明此優選實施例之前，應該進一步解釋在說明中普遍使用的專有名詞。
[0036]專有名詞“蝕刻”普遍用來說明圖案化某一材料的工藝，至少部分所述材料會在蝕刻后留存下來。例如，應該可了解蝕刻硅質的過程，包括圖案化一位于硅質上方的遮罩層(例如光刻膠或硬遮罩)，接著移除未被遮罩層保護的硅質區域。如此以來，被遮罩層保護的硅質區域會在蝕刻工藝結束后留下來。然而，另外的例子里，蝕刻也表示未使用遮罩層，但蝕刻過程結束后仍留下至少部分材料的工藝。由以上說明，可區分專有名詞“蝕刻”與“移除”的不同。當蝕刻某一材料，至少部分所述材料會在工藝結束后留下來。相反地，當移除某一材料時，所有所述材料會在接下來的工藝中被移除。然而在某些實施例中，廣義地認為“移除”包括“蝕刻”。
[0037]專有名詞“形成”、“沉積”和“設置”在此用來說明施加某一層材料于基底之上。所述專有名詞意指任何產生膜結構的技術，包括熱生成、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，包括任何生長、覆蓋，或傳送材料到基底上面的工藝。一些公知的技術包括物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、電化學沉積(ECD)、分子束外延、原子層沉積、高密度等離子體化學氣相沉積和等離子體增強化學氣相沉積及其他未在此提及者。
[0038]本文中普遍使用的“基底”一般認為是硅基底。然而所述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片。
[0039]圖1到圖3是剖視圖，例示本發明實施例制作測試機臺探針組件(針尖與針尖接頭)的過程。本發明提供一新穎的方法，用于制作測試機臺的探針組件。本發明中的探針組件也可指一組裝在測試機臺機臂上，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工藝可一次在12英寸晶片上制作數十萬個探針組件。
[0040]首先，參考圖1，提供一半導體基底100，例如12英寸硅晶片，為制作本發明探針組件的基座。在含氧環境下進行一溫度介于750°C到850°C之間的熱氧化過程，在基底100上形成一氧化層102，例如二氧化硅(Si02)。所述氧化層102將作為探針組件和基底100之間的絕緣體和間隙壁。接著進行光刻和蝕刻工藝，在基底100上形成多個圓筒狀凹槽104。所述凹槽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納米，長度為100納米。
[0041]參考圖2，在基底100中形成凹槽104后，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之后，接著沉積第二材料層108于第一材料層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108將作為探針組件與機臂連接的部分。
[0042]參考圖3，在基底100上形成第一材料層106和第二材料層108后，進行另一光刻和蝕刻工藝，圖案化第一材料層106和第二材料層108形成多個探針組件110。探針組件110由圖案化工藝形成的間隙109分開，并且整齊以陣列排列在基底100上。每一探針組件110包括一上方的連接部分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，相對于連接部分110a，自基座部分10b的一端延伸出。底部探針針尖IlOc由第一材料層106填入凹槽104的部分形成。應注意的是探針針尖IlOc和基座部分IlOb由相同材料一體成型構成(即第一材料，例如鎢)。連接部分IlOa更佳由具有優越金屬可焊性的合金做成，才可輕易地安裝到測試機臺。
[0043]除了上述探針組件100簡單的工藝外，本發明另一特征是快速、簡單的針尖安裝/更換方法，且更換時不需執行傳統的激光重新校正步驟，可顯著提高目前傳統AFM(SPM)的處理量。請參考圖4與圖5，為本發明實施例中將探針組件100安裝到測試機臺機臂120的剖視圖。首先，圖4中，將一測試機臺機臂120按壓在一選定的探針組件110的連接部分IlOa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，例如使用脈沖激光加熱或高電壓脈沖焊接，使具有較低熔點與較佳可焊性的連接部分IlOa熔化，使熔化后的IlOa與按壓于其上的機臂120焊接起來。由附圖參考中可注意到，所述連接過程是當機臂碰觸到連接部分IlOa啟動加熱電路后才開始，因此不需要傳統的激光校正步驟。
[0044]參考圖5，在機臂120和探針組件110連接后，使用組件140 (例如加熱板)提高基底100溫度，通過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10c和底座10b (即第一材料)的熱膨脹系數與基底100不同，因此凹槽104會擴張到足夠大使探針針尖IlOc自基底100松脫。在溫度變化后，可用機臂120將與其連接的探針組件110自凹槽104拉取出。
[0045]參考圖6。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安裝到機臂120上。在此實施例中，機臂120具有一空氣通道120a，可制造一真空環境，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。
[0046]參照圖7。除了上述將探針組件110安裝到機臂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IlOc放入凹槽104內，接著通過連接的裝置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，由于探針針尖IlOc和基座部分IlOb(即第一材料)與基底100的熱膨脹系數不同，凹槽104會收縮到足夠小的程度，夾住位于基底100里的探針針尖110c。接下來利用加熱元件進行加熱，再次恪化連接部分110a，使機臂得以輕易地自被夾住的探針組件110的連接部分IlOa移開。在探針組件110通過真空吸取安裝在機臂120上的實施例中(圖6)，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。
[0047]參考圖8，為一剖視圖，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，由于連接處IlOa與基座部分10b由同一圖案化步驟形成，因此兩者的尺寸相同，例如最好都大于50納米。此外，最佳化的探針針尖IlOc寬度最好小于50納米，且長度最好大于100納米，使長寬比大于2，得以用來測量樣本160。具有較小尺寸與較大垂直方向長寬比的探針針尖，可以符合先進工藝世代樣本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測量結果。
[0048]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種測試機臺的探針組件，其特征在于，包括: 一主體，包括一連接部分與一基座部分；以及 一探針針尖，自所述基座部分相對于所述連接部分的一端延伸出，其中所述探針針尖與所述基座部分由相同材料一體成型構成，并與所述連接部分為不同材料。2.根據權利要求1所述的測試機臺的探針組件，其特征在于，所述基座部分與所述連接部分的尺寸相同。3.根據權利要求2所述的測試機臺的探針組件，其特征在于，所述基座部分與所述連接部分的尺寸大于50納米。4.根據權利要求1所述的測試機臺的探針組件，其特征在于，所述探針針尖的寬度小于50納米，且所述探針針尖的長度大于100納米。5.根據權利要求1所述的測試機臺的探針組件，其特征在于，所述基座部分與所述探針針尖的材料為鎢，且所述連接部分的材料為鈦/氮化鈦。6.一種制作測試機臺探針組件的方法，包括: 提供一基底； 在所述基底形成多個形狀為所需探針針尖形狀的凹槽； 在所述基底上沉積一第一材料層并填滿所述凹槽，在所述凹槽里形成所述探針針尖； 在所述第一材料層上沉積一第二材料層；以及 圖案化所述第一材料層與所述第二材料層，形成多個探針組件，其中所述第二材料層構成所述探針組件的一連接部分，用來連接到一測試機臺，且各所述探針組件包括一所述探針針尖。7.根據權利要求6所述的制作測試機臺探針組件的方法，其特征在于，還包括: 將一機臂按壓在一所述探針組件的所述連接部分上； 接合所述機臂與所述探針組件的所述連接部分； 改變所述基底的溫度使所述凹槽擴張并松開所述基底中的所述探針針尖；以及 用所述機臂拉取出所述探針組件。8.根據權利要求7所述的制作測試機臺探針組件的方法，其特征在于，所述基底與所述第一材料層的熱膨脹系數不同。9.根據權利要求7所述的制作測試機臺探針組件的方法，其特征在于，通過焊接的方法將所述連接部分接合在所述機臂上。10.根據權利要求9所述的制作測試機臺探針組件的方法，其特征在于，通過脈沖激光加熱或高電壓脈沖焊接，將所述連接部分接合在所述機臂上。11.根據權利要求9所述的制作測試機臺探針組件的方法，其特征在于，還包括拆卸步驟: 將所述探針針尖放入所述凹槽中； 改變所述基底的溫度使所述凹槽收縮，夾住所述探針針尖； 熔化所述連接部分；以及 自被夾住的所述探針針尖上移除所述機臂。12.根據權利要求7所述的制作測試機臺探針組件的方法，其特征在于，所述探針組件的所述連接部分通過真空吸附的方法安裝在所述機臂上。13.根據權利要求12所述的制作測試機臺探針組件的方法，其特征在于，還包括吹氣卸除所述機臂以釋放所述探針組件的拆卸步驟。
【文檔編號】G01Q60/48GK106018884SQ201510509278
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年8月19日
【發明人】王威智
【申請人】華亞科技股份有限公司