程 融， 周玉修

(九江學院 理學院 江西省微結構功能材料重點實驗室，江西 九江 332005)

0 引 言

傳統(tǒng)的芯片制造流程可以分成前道工序和后道工序。在前道工序中，通過氧化、光刻、刻蝕、淀積等半導體制造工藝多次循環(huán)，設計的芯片即被批量制造在晶圓上。在后道工序中，已經(jīng)形成芯片圖形的晶圓將被劃片，封裝，測試，最后作為成品出廠。然而隨著微電子工藝的不斷發(fā)展，封裝的成本也在逐年提升。為了降低后續(xù)工藝的成本，提前將不合格的芯片篩選出來，需要在前道工序和后道工序之間增加一個環(huán)節(jié)，即晶圓測試。

晶圓測試所使用的設備包括有測試儀、探針臺、探針卡等。在這里探針卡是其中的關鍵部件，通過探針可以刺破待測芯片管腳的自然氧化層，實現(xiàn)測試儀和待測芯片之間的信號傳遞。

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，芯片尺寸越來越小，待測芯片管腳密度變大，管腳間距變小，晶圓測試要求也逐漸提升。這就給探針卡的制造提出了更高的要求[2～5]。傳統(tǒng)探卡通常由手工裝配完成，其針尖間距受到人工裝配能力的限制，并且不適應于大批量生產(chǎn)。而微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術因為其小型化、多樣性、便于系統(tǒng)集成，且與微電子制造工藝兼容等一系列優(yōu)點被應用于圓片級測試探卡的制備中。

1 MEMS懸臂梁探針設計要求

關于探針材料的選取問題，一方面為了保證探針和待測器件之間穩(wěn)定的電接觸，需要探針材料硬度較高，導電性好，電阻率低。同時考慮到探針的使用壽命和清潔問題，需要選取不易沾污，同時耐磨的金屬材料。目前常用的探針材料主要有鎢、鎳、鈸銅及鎢錸合金等。

在力學性能方面，由于探針在晶圓測試中需要劃破金屬管腳的自然氧化層，所以，需要承受大約為20 mN的測試力。考慮到芯片表面的不平整度，要求探針針尖位移在20 μm左右。另外隨著微電子工藝的不斷發(fā)展，待測芯片的相鄰管腳間距常常小于100 μm，這就要求測試探針的懸臂梁寬度更窄[10]。

σmax≤σr

(2)

懸臂梁末端的最大位移

根據(jù)式(1)～式(3)，在梁的長寬高均已知的情況，可以求解出對應的懸臂梁最大應力和懸臂梁末端最大位移。

2 等寬梁模型仿真

為了討論材料對探針性能的影響，本文選用兩種常見的MEMS懸臂梁探針制備材料鎳和鎢，對于如圖1所示的等寬懸臂梁探針結構，采用COMSOL多物理場仿真軟件進行了有限元仿真。

圖1 懸臂梁探針示意

在仿真中針尖處所施加的測試力大小為20 mN，方向沿z軸負向。懸臂梁根部設定為固支端，選擇極細化的有限元網(wǎng)格。其中，鎳材料的楊氏模量為E=219 GPa，泊松比μ=0.31;鎢材料的楊氏模量為E=411 GPa，泊松比μ=0.28。梁的厚度h=15 μm，寬度b=60 μm，長度L=250 μm，選用鎳材料進行仿真，得到針尖受力后懸臂梁位移分布圖和應力分布圖，如圖2所示。從圖中可以看到在針尖附近懸臂梁位移大小有最大值，而懸臂梁應力最大處位于懸臂梁的根部，這也是懸臂梁最容易發(fā)生斷裂的部位。

圖2 懸臂梁位移和應力分布

為了驗證仿真結果的準確性，將表1中不同參數(shù)的懸臂梁結構分別進行理論計算和有限元仿真，并對結果進行比較。從表1中可以看到最大應力的相對誤差最大為3.33 %，針尖位移的相對誤差最大僅為0.92 %。仿真結果與理論值基本吻合，驗證了有限元仿真的準確性。

表1 最大應力和針尖位移的理論與仿真結果比較

為了進一步研究不同材料以及懸臂梁尺寸對探針結構的影響，保持梁的厚度為15 μm，采用60 μm和80 μm兩種梁寬，改變懸臂梁的長度，對鎳和鎢兩種材料，分別進行模擬仿真，得到兩種材料懸臂梁探針的針尖位移和最大應力隨懸臂梁長度的變化關系，如圖3所示。

圖3 懸臂梁針尖位移和最大應力隨梁長度的變化關系

從圖3中可以看出：懸臂梁針尖位移和最大應力隨懸臂梁長度的增加都在增大，并且在相同情況下，80 μm寬梁針尖位移要小于60 μm寬梁，同時鎢材料探針針尖位移要小于鎳材料針尖位移；而不同材料對最大應力的影響不大。為了滿足設計要求，實現(xiàn)較大的針尖位移，可以增加梁的長度，減小梁寬(尺寸的減小受到針尖大小的限制)，選用鎳材料而非鎢材料進行制備。

3 梯形梁模型仿真

為了滿足日益密集的管腳測試要求，進一步減小懸臂梁尺寸，本文在等寬梁的基礎上提出了一種梯形梁結構，如圖4所示。

圖4 梯形懸臂梁探針示意

圖5 梯形梁位移和應力分布

現(xiàn)將梯形梁的厚度設為15 μm，梁的固支端寬度設為80 μm，自由端寬度設為30 μm，改變梁的長度，對鎳和鎢兩種材料分別進行仿真，并與80 μm等寬梁的仿真結果進行對比，如圖6所示。從圖6中可以看出：梯形梁和等寬梁相比，在施加相同測試力的情況下，針尖位移可以提升20 %左右。相對于80 μm等寬梁，固支端寬度80 μm，自由端寬度30 μm的梯形梁實現(xiàn)20 μm左右的針尖位移，鎢探針懸臂梁長度由原來的320 μm下降為300 μm，鎳探針懸臂梁長度則由原來的263 μm下降為248 μm。

圖6 兩種梁結構針尖位移隨梁長度變化關系

4 結束語

本文以圓片級測試用懸臂梁探針為研究對象，探討了探針材料以及懸臂梁結構對探針性能的影響。針對兩種常見的探針材料，仿真結果表明：在相同條件下，鎳探針的針尖位移要大于鎢探針，最大應力基本相同。懸臂梁的幾何

尺寸也對探針性能有所影響。同等寬梁相比，梯形結構的懸臂梁在針尖施加相同測試力時，針尖位移提升20 %左右。因此，更小的懸臂梁尺寸就可以滿足設計要求，實現(xiàn)20 μm左右的針尖位移，以適應當今晶圓測試中越來越密集的管腳排布需求。

FU W,CHIEN C F,TANG L.Bayesian network for integrated circuit testing probe card fault diagnosis and troubleshooting to empower industry 3.5 smart production and an empirical study.Journal of Intelligent Manufacturing,2020(10):1-14.

YONG M J,SONG Y W,HONG K M.Problem-solving of semiconductor probe card using TRIZ and quality control(QC)story.Asia-pacific Journal of Convergent Research Interchange,2021,7(2):87-98.

YANG T H,LIN I C,HUANG C F.A decision support system for wafer probe card production scheduling.International Journal of Industrial Engineering:Theory,Applications and Practice,2020,27(1):140-151.