(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素25〜60重量％と窒化硼素40〜75重量％との混合物を主原料とするセラミック焼結体に研削加工により複数のスリットを形成したセラミック加工部品であって、
前記スリットの壁厚みが5μｍ以上20μｍ未満、
前記スリットの深さ／壁厚み比が15以上、かつ
前記スリット間のピッチ精度が±４μｍ以内
であることを特徴とするセラミック加工部品。
【請求項２】
窒化珪素25〜60重量％と窒化硼素40〜75重量％との混合物を主原料とするセラミック焼結体にドリル加工により複数の穴を形成したセラミック加工部品であって、
前記穴径が65μｍ以下、
前記穴間の壁厚みが5μｍ以上20μｍ未満、
前記穴の深さ／壁厚み比が15以上、かつ
前記穴径と穴ピッチ精度が±４μｍ以内
であることを特徴とするセラミック加工部品。
【請求項３】
前記セラミック焼結体の25〜600℃での熱膨張係数が3×10-6／℃以下である、請求項１または２記載のセラミック加工部品。
【請求項４】
窒化珪素25〜60重量％と窒化硼素40〜75重量％との混合物とからなる主原料粉末を焼結助剤成分と混合して原料粉末を得る工程、この原料粉末を高温加圧下に焼結してセラミック焼結体を得る工程、およびこのセラミック焼結体を研削砥石またはドリルで加工する工程、を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセラミック加工部品の製造方法。
【請求項５】
前記窒化硼素の原料粉末が平均粒径１μｍ未満である、請求項４記載のセラミック加工部品の製造方法。
【請求項６】
プローブが通る複数のスリットおよび／または穴を備えたプローブ案内部品であって、窒化珪素25〜60重量％と窒化硼素40〜75重量％との混合物を主原料とするセラミック焼結体からなり、前記スリットおよび／または穴が機械加工により形成されたものであることを特徴とするプローブ案内部品。
【請求項７】
プローブが通る複数のスリットおよび／または穴を備えたプローブ案内部品であって、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセラミック加工部品からなることを特徴とするプローブ案内部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック焼結体に微細機械加工を施してスリットおよび／または穴を形成したセラミック加工部品とその製造方法に関する。本発明のセラミック加工部品は、薄い壁厚みで深いスリットおよび／または穴を高い寸法精度で備えることができるので、半導体関連の各種部品、特に、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子を検査するための検査装置に使用されるプローブ案内部品 (プローブガイド) として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子の電気的特性を検査する検査装置においては、検査する半導体素子に形成されている多数の電極パッドと同数の測定プローブを備えたプローブカードを用い、このプローブを電極パッドに同時に接触させて検査を行う。
【０００３】
図１(A) に示すように、プローブカード１は、セラミック等の絶縁性材料から形成され、そのほぼ中央に、検査する半導体素子とほぼ同寸法か、それより大きい開口Ａを備えている。この開口Ａは、図示のように朝顔型に上に開いた形状とするのが普通である。プローブカード１の上面には、検査する半導体素子の電極パッドと同数の測定プローブ２が、例えば接着剤により取付けられている。
【０００４】
この測定プローブは、金属 (例、タングステン) 等の導電性材料からなり、その先端は略Ｌ型に折り曲げられていて、開口Ａを通してカード１の下面から突き出るようにカード１の上面に装着されている。図示していないが、プローブの他端は、カード１の上面に形成された導電パターン (例、銅箔) に、半田等で電気的に接続されている。各プローブが互いに接触しないように、先端を除いたプローブの周囲を耐熱性樹脂等の絶縁性材料で被覆してもよい。
【０００５】
プローブカード１を検査する半導体素子の上に載せて押しつけ、開口Ａから突き出た測定プローブ２の先端が半導体素子の電極パッド (図示せず) と接触することにより、半導体素子の電気的特性が検査される。そのためには、多数の測定プローブの全てが一度にその下の電極パッドと確実に接触しなければならない。しかし、プローブは通常は細い金属材であって、押しつけ時の撓みにより先端の位置がずれ易く、電極パッドとの確実な接触が困難となる。
【０００６】
測定プローブの精密な位置合わせを容易にする手段として、図１(B) に示すように、絶縁性材料の板材に、プローブが通る貫通穴Ｂを、電極パッドと同じパターンで設けたプローブ案内部品３を、プローブカード１の開口Ａを塞ぐように設置することができる。それにより、各プローブ２の先端は、プローブ案内部品３の貫通穴Ｂを通って突き出るため、撓みによる横方向の動きが制限され、電極パッドと確実に接触させることができる。
【０００７】
このプローブ案内部品３には、測定プローブ２よりやや大きな径の貫通穴Ｂを電極パッドと同じピッチで形成する必要がある。最近のＬＳＩは飛躍的に高密度化が進んでおり、電極パッドのピッチが100 μｍ以下となることも珍しくない。例えば、図１(C) に示すように、電極パッドのピッチが70μｍの場合、貫通穴Ｂの径が60μｍであると、貫通穴間の壁厚み (穴間の最小距離) は10μｍとなり、壁の厚みが非常に薄くなる。このように微細で薄肉の貫通穴を、例えば、ドリル加工によりプローブ案内部品に精度よく形成する必要がある。
【０００８】
従来のプローブ案内部品は、プラスチックか、またはAl2O3 、SiO2、K2O 等からなる快削性の結晶化ガラス系セラミック材料から作製されてきた。しかし、プラスチックでは、高温で検査する必要性がある場合には用いることができず、また貫通穴の十分な寸法精度を得ることができない。一方、結晶化ガラス系セラミック材料を用いた場合には、高温検査への対応は可能であるが、熱膨張係数が半導体素子に比べて非常に大きく、測定温度により位置ずれを起こすという問題がある。また、材料の強度が低いため、ドリル加工による穿孔時にカケや割れが起き易く、やはり十分な寸法精度で、上述したような微細加工を施すことは困難である。
【０００９】
近年のレーザ加工技術の進歩により、セラミック材料に微小な穴あけ加工等の微細加工が行われるようになった。しかし、レーザ加工では、レーザが照射される入口側の穴の径が出口側の穴の径より大きい、先細りのテーパ形状の貫通穴が形成され、穴の入口から出口までずっと同一径の円柱状の穴あけ加工を精度よく行うことは難しい。テーパ形状の貫通穴では、プローブが斜めになり易く、先端の位置のずれが大きくなる。また、超音波加工やサンドブラスト加工等の微細加工技術でも、レーザ加工と同様に、穴の径がずっと同一の微細な穴あけ加工は困難である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述したプローブ案内部品は、貫通穴にプローブを通してプローブの移動を制限するタイプのものであるが、図１(D) に示すように、貫通穴の代わりにスリットをプローブ案内部品に設け、このスリットにプローブを通してプローブの移動を制限することもできる。この場合も、壁厚みが非常に薄く、深いスリットを精度よく形成する必要がある。このようなスリットの形成も従来は困難である。
【００１１】
上述したプローブ案内部品以外にも、半導体素子等の電子部品やその製造装置、検査装置、およびその他の関連装置には、セラミックス等の電気絶縁性材料に微細加工を施して貫通穴やスリットを形成した部品が用いられることが多い。ＬＳＩの高密度化に伴って、微細加工の高精度化および壁厚みの薄肉化の要求が強まっているが、この要求に十分に応えられるセラミック材料がなかった。
【００１２】
本発明は、高精度の機械加工を施すことが可能で、穴の入口から出口まで同一径の深い貫通穴や縦長の短冊型断面形状の深いスリットを薄い壁厚みで高密度に形成することができるセラミック焼結体を利用して、飛躍的に高密度化したＬＳＩの検査用のプローブ案内部品にも適用可能な、高精度で微細な機械加工を施し、かつ温度による精度変化の小さいセラミック加工部品を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、窒化珪素と窒化硼素の混合物を主原料 (骨材) とする焼結セラミックス材料を用いることにより、従来にない高精度で微細な機械加工 (研削加工やドリル加工) が可能となることを見出し、本発明に到達した。
【００１４】
本発明により、下記▲１▼および▲２▼に規定する微細な機械加工が施されたセラミック加工部品が提供される。かかる加工精度を持ったセラミック加工部品はこれまで知られておらず、新規なものである。
【００１５】
▲１▼研削加工により形成された複数のスリットを備えたセラミック焼結体からなるセラミック加工部品であって、
前記スリット間の壁厚みが５μｍ以上20μｍ未満、
前記スリットの深さ／壁厚み比が15以上、好ましくは20以上、かつ
前記スリット間のピッチ精度が±４μｍ以内
であることを特徴とするセラミック加工部品。
【００１６】
▲２▼ドリル加工により形成された複数の穴を備えたセラミック焼結体からなるセラミック加工部品であって、
前記穴径が65μｍ以下、
前記穴間の壁厚みが５μｍ以上20μｍ未満、
前記穴の深さ／壁厚み比が15以上、好ましくは20以上、かつ
前記穴径と穴ピッチの精度がいずれも±４μｍ以内
であることを特徴とするセラミック加工部品。
【００１７】
ここで、穴間の壁厚みとは穴間の最小距離を意味する。
好ましくは、前記セラミック焼結体は25℃〜600 ℃での熱膨張係数が３×10-6／℃以下のものである。このセラミック加工部品は、プローブが通る複数のスリットおよび／または穴を備えたプローブ案内部品であってもよい。
【００１８】
上記の加工精度を持ったセラミック加工部品は、窒化珪素25〜60重量％と窒化硼素40〜75重量％との混合物を主原料とするセラミック焼結体により実現することができる。
【００１９】
即ち、上記のセラミック加工部品は、窒化珪素25〜60重量％と窒化硼素40〜75重量％とからなる主原料粉末を焼結助剤成分と混合して原料粉末を得る工程、この原料粉末を高温加圧下で (例、ホットプレスまたはＨＩＰにより) 焼結してセラミック焼結体を得る工程、およびこのセラミック焼結体を研削砥石またはドリルで加工する工程、を含む方法により製造することができる。特に窒化硼素の原料粉末は平均粒径１μｍ未満のものが好ましい。
【００２０】
本発明によればまた、プローブが通る複数のスリットおよび／または穴を備えたプローブ案内部品であって、窒化珪素25〜60重量％と窒化硼素40〜75重量％との混合物を主原料とするセラミック焼結体からなり、前記スリットおよび／または穴が機械加工により形成されたものであることを特徴とするプローブ案内部品も提供される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明に係るセラミック加工部品は一般に板状であって、研削砥石によるスリット加工で形成された複数のスリットおよび／またはドリルによる穴あけ加工により形成された複数の貫通穴を有し、それらの形状は次の通りである。
【００２２】
1.スリット加工
壁厚み              ：５μｍ以上20μｍ未満
深さ／壁厚み比      ：15以上
スリット間ピッチ精度：±４μｍ以内
即ち、壁厚みが５〜20μｍと薄く、かつ深さ／壁厚み比が15以上と非常に深いスリットが、スリット間ピッチ精度±４μｍ以内の高精度で形成されている。かかるスリットを有するセラミック加工部品はこれまで知られていなかった。
【００２３】
スリットの幅は特に制限されず、例えば、スリット内にプローブを保持することができるように、プローブの太さよりやや大きいスリット幅とすることができる。壁厚みが薄く、かつ精度よくスリット加工ができるため、高密度にプローブを保持することができ、かつプローブの位置合わせの精度が向上し、検査装置の信頼性が高まる。
【００２４】
2.穴あけ加工
穴径                  ：65μｍ以下
穴間の壁厚み          ：５μｍ以上20μｍ未満
穴の深さ／壁厚み比    ：15以上
穴径と穴ピッチの精度  ：±４μｍ以内
穴あけ加工の場合も、穴径が65μｍ以下と微細で、穴間の壁厚み (穴間の最小距離) が５〜20μｍと非常に薄く、かつ穴の深さ／壁厚みの比が15以上という深い貫通穴を、穴径と穴ピッチの精度がいずれも±４μｍ以内の高精度で形成されており、かかる貫通穴を有するセラミック加工部品はやはり新規である。
【００２５】
貫通穴の穴径は、例えば、プローブが通るように、プローブ径よりやや大きめに設定する。例えば、径が50μｍの穴は、現在入手可能な最小の超硬ドリルである50μｍドリルを用いて穴あけ加工することにより形成できる。穴間の壁厚みが薄く、かつ精度よく穴加工ができるため、高密度にプローブを保持することができ、かつプローブの位置合わせの精度が向上し、検査装置の信頼性が高まる。
【００２６】
なお、スリットの幅や貫通穴の径は、セラミック加工部品の厚み方向で変化せずに一定である (即ち、テーパがついていない) ことが好ましいが、テーパ付きのスリットまたは貫通穴とすることもできる。その場合は、径および壁厚みは平均値 (中間値) が上記の規定を満たせばよい。
【００２７】
上述した形状および精度のスリットまたは貫通穴を有するセラミック加工部品は、窒化珪素(Si3N4) 25〜60重量％と窒化硼素 (BN) 40〜75重量％との混合物を主原料 (骨材) とするセラミック焼結体のスリット加工または穴あけ加工により製造することができる。この製造方法について次に説明する。
【００２８】
まず、窒化珪素25〜60重量％と窒化硼素40〜75重量％とからなる主原料粉末を、焼結助剤成分と混合して原料粉末を調製する。この混合は、例えば、湿式ボールミル等により行うことができる。
【００２９】
窒化硼素は六方晶系低圧相のもの(hBN) でよい。窒化硼素は、被削性に優れるものの強度特性が悪い。従って、焼結体中に粗大な窒化硼素が存在すると、それが破壊起点となって、加工時のカケ、割れ発生要因となる。このような粗大な窒化硼素粒子を形成しないためには、原料粉末を微粉にすることが有効である。主原料粉末、特に窒化硼素の原料粉末は平均粒径１μｍ未満のものを使用することが望ましい。
【００３０】
焼結助剤は、窒化珪素や窒化硼素の焼結に従来より使用されているものから選択することができる。好ましい焼結助剤は酸化アルミニウム (アルミナ) 、酸化マグネシウム、酸化イットリウム (イットリア) 、およびランタノイド金属の酸化物から得られた１種もしくは２種以上であり、より好ましくはアルミナとイットリアの混合物、もしくはこれにさらに酸化マグネシウムを添加した混合物である。焼結助剤成分の配合量は、窒化珪素と窒化硼素とからなる主原料粉末の１〜15重量％、特に３〜10重量％の範囲とすることが望ましい。配合量が少なすぎては焼結が不十分となって焼結体の強度が低下し、配合量が多すぎると強度の低い粒界ガラス層が増加して焼結体の強度低下を招く。
【００３１】
原料粉末を高温加圧下で焼結させ、焼結体とする。この焼結は、例えば、ホットプレスより行うことができる。ホットプレスは、窒素雰囲気中で行うが、加圧窒素中で行ってもよい。ホットプレス温度は1700〜1950℃の範囲内がよい。温度が低すぎると焼結が不十分となり、高すぎると主原料の熱分解が起こるようになる。加圧力は20〜50 MPaの範囲内が適当である。ホットプレスの持続時間は温度や寸法にもよるが、通常は１〜４時間程度である。高温加圧焼結は、ＨＩＰ (ホットアイソスタティクプレス) により行うこともできる。この場合の焼結条件も、当業者であれば適宜設定できる。
【００３２】
得られた焼結体は、焼結助剤の種類や量を適切に選択すれば、25℃〜600 ℃での熱膨張係数が３×10-6／℃以下となる。この焼結体に、適当な研削砥石またはドリルを用いてスリット加工もしくは穴あけ加工を施し、前述した形状の複数のスリットまたは貫通穴を形成する。この焼結体は被削性に優れ、かつ高強度であるため、前述した精度でスリットまたは貫通穴を形成することが可能となる。
【００３３】
こうして製造されたセラミック加工部品の用途は特に制限されないが、例えば、上述した半導体素子の検査装置に使用されるプローブカードに装着するプローブ案内部品として有用である。その場合、スリットまたは貫通穴の径は、これに通すプローブの直径より２〜５μｍ程度大きくすることが好ましい。
【００３４】
【実施例】
(実施例１)
平均粒径0.5 μｍ、純度99％の六方晶窒化硼素(hBN) 粉末と、平均粒径0.2 μｍの窒化珪素粉末とを表１に示す割合で混合した。この混合粉末 (主原料粉末) に対して、焼結助剤として、２重量％のアルミナと６重量％のイットリアを加え、エチルアルコールを溶媒としてボールミル混合を行った。得られたスラリーを乾燥させて原料粉末を得た。
【００３５】
この原料粉末を黒鉛製のダイスに充填し、窒素雰囲気中30 MPaの圧力を加えながら1800℃で１時間ホットプレス焼結を行って、65×65mm、厚み10 mm の正方形のセラミック焼結体を得た。
【００３６】
この焼結体の曲げ破壊強度を３点曲げ試験で測定した。また、被削性を評価するため、超硬-K10種工具を用いて、研削速度18 m/min、送り速度0.03 mm/rev 、切込0.1 mmの条件で旋削試験を行い、５分後の被削材の表面粗さと工具の逃げ面摩耗幅 (工具の摩耗の程度を示す) を測定した。さらに、この焼結体の熱膨張係数を室温 (25℃) 〜600 ℃の範囲で測定した。これらの測定結果を表１に一緒に示す。
【００３７】
この焼結体に、研削砥石 (レジンボンドダイヤモンド砥石＃200 、厚み40μｍ、外径50 mm)を用いたスリット加工により、図２に示す形状のスリット (幅＝40μｍ、壁厚み＝15μｍ、深さ＝300 μｍ、深さ／壁厚み比＝20) を100 個形成した。スリット加工は可能であるが、精度が不十分 (ピッチ精度が±４μｍを超える) か、割れおよび／または欠け (チッピング) が発生した場合を△、十分な精度でスリット加工が可能で、割れや欠けが発生しない場合を○と評価した。結果を表１に併せて示す。
【００３８】
（実施例２）
実施例１と同様にしてセラミック焼結体を作製し、厚さ300 μｍの薄板状に切り出した後、直径50μｍの超硬ドリル (材質SKH9) を用いて、図１(C) に示すように、壁厚み10μｍで縦30列、横20列 (合計600 個) の穴あけ加工を行った。穴の直径は60μｍ、深さは300 μｍであり、壁厚み／深さ比は30となる。
【００３９】
得られた貫通穴の穴径と穴ピッチの精度を測定し、この精度が±４μｍ以内で、割れや欠けがない場合を○、穴あけ加工は可能であるものの、精度が不十分か、割れや欠けが発生した場合を△、穴あけ加工が不可能な場合を×と評価した。この結果も表１に併記する。主原料の Si3N4：BNの重量比が40：60である焼結体を穴あけ加工した場合の表面を示す電子顕微鏡写真の１例を図３に示す。
【００４０】
（比較例１）
比較のために、従来の快削性結晶化ガラス系セラミック材料について、実施例１および２と同様のスリット加工および穴あけ加工を施したところ、材料の強度が弱く、微細加工を施すと、図４に示すように、欠け (チッピング) が発生し、精度よくきれいに穴あけ加工することができなかった。このセラミック材料の各種特性や加工結果も表１に併記する。
【００４１】
【表１】
0003697942.tif 000002
【００４２】
表１からわかるように、窒化珪素：窒化硼素の重量比が25：75〜60：40の範囲内である混合物を主原料 (骨材) とする焼結体からなるセラミック材料を用いると、割れや欠けを生ずることなく、薄い壁厚みで微細かつ深いスリットや貫通穴を機械加工により形成することができる。また、この材料の熱膨張係数は従来の結晶化ガラス系セラミック材料に比べて著しく小さい。
【００４３】
本発明に係る窒化珪素／窒化硼素焼結体 (本発明例) と、上記の結晶化ガラスセラミック (従来例) で、十分な精度 (スリット間のピッチ精度または穴径と穴ピッチの精度が±４μｍ以下) で割れや欠けを生ずることなく安定に加工できる壁厚みの範囲は次の通りである。
【００４４】
【表２】
0003697942.tif 000003
【００４５】
本発明のセラミック材料は、従来では不可能であった薄い壁厚みで高精度の微細なスリット加工および穴あけ加工を施すことができ、また熱膨張係数が従来材の 1/5〜1/3 と小さい。従って、測定温度により位置ずれを起こすことがほとんどなく、温度を変化させた測定にも安定して対応可能である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、薄い壁厚みで、幅または直径の小さい深いスリットまたは貫通穴を精度よく形成することができるので、高密度にプローブを所定位置に保持することができるプローブ案内部品を作製することが可能となる。また、このスリットや貫通穴をまっすぐにテーパをつけずに形成できることと、セラミック焼結体の熱膨張係数が比較的小さく、シリコンに近似していて、測定温度による位置ずれが起きにくいことから、プローブの位置合わせの精度が向上し、検査装置の信頼性が著しく高まる。その結果、ＬＳＩの高密度化に対応可能な高密度で、かつ高精度の半導体素子の検査装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(A) は従来のプローブカードの断面を示す略式説明図、図１(B) はプローブ案内部品を備えたプローブカードの断面を示す略式説明図、図１(C) はプローブ案内部品の貫通穴の上面 (左図) および断面 (右図）を示す略式説明図、図１(D) はスリットを備えたプローブ案内部品の略式説明図である。
【図２】実施例で形成したスリットの形状を示す説明図である。
【図３】本発明のセラミックの穴あけ加工後の表面を示す電子顕微鏡写真である。
【図４】従来のセラミックの穴あけ加工後の表面を示す電子顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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