MEMS懸臂梁探針的結(jié)構(gòu)與材料研究*

程 融， 周玉修

(九江學(xué)院 理學(xué)院 江西省微結(jié)構(gòu)功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體制造工藝多次循環(huán)，設(shè)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(shè)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(guān)鍵部件，通過探針可以刺破待測芯片管腳的自然氧化層，實(shí)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(yīng)于大批量生產(chǎn)。而微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)因?yàn)槠湫⌒突?、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(diǎn)被應(yīng)用于圓片級測試探卡的制備中。

1 MEMS懸臂梁探針設(shè)計要求

關(guān)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(dǎo)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(xué)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?？紤]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(yīng)的懸臂梁最大應(yīng)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(jié)構(gòu)，采用COMSOL多物理場仿真軟件進(jìn)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(fù)向。懸臂梁根部設(shè)定為固支端，選擇極細(xì)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(jìn)行仿真，得到針尖受力后懸臂梁位移分布圖和應(yīng)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(yīng)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(yīng)力分布

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，將表1中不同參數(shù)的懸臂梁結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行理論計算和有限元仿真，并對結(jié)果進(jìn)行比較。從表1中可以看到最大應(yīng)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(jié)果與理論值基本吻合，驗(yàn)證了有限元仿真的準(zhǔn)確性。

表1 最大應(yīng)力和針尖位移的理論與仿真結(jié)果比較

為了進(jìn)一步研究不同材料以及懸臂梁尺寸對探針結(jié)構(gòu)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(jìn)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(yīng)力隨懸臂梁長度的變化關(guān)系，如圖3所示。

圖3 懸臂梁針尖位移和最大應(yīng)力隨梁長度的變化關(guān)系

從圖3中可以看出：懸臂梁針尖位移和最大應(yīng)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(yīng)力的影響不大。為了滿足設(shè)計要求，實(shí)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(jìn)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(jìn)一步減小懸臂梁尺寸，本文在等寬梁的基礎(chǔ)上提出了一種梯形梁結(jié)構(gòu)，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(yīng)力分布

現(xiàn)將梯形梁的厚度設(shè)為15 μm，梁的固支端寬度設(shè)為80 μm，自由端寬度設(shè)為30 μm，改變梁的長度，對鎳和鎢兩種材料分別進(jìn)行仿真，并與80 μm等寬梁的仿真結(jié)果進(jìn)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(shí)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(jié)構(gòu)針尖位移隨梁長度變化關(guān)系

4 結(jié)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(jié)構(gòu)對探針性能的影響。針對兩種常見的探針材料，仿真結(jié)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(shè)計要求，實(shí)現(xiàn)20 μm左右的針尖位移，以適應(yīng)當(dāng)今晶圓測試中越來越密集的管腳排布需求。

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