(57)【要約】【課題】被検体（特に、被検体に含まれるＳｎ）との低付着性を実現するとともに、長期間に亘って安定な接触抵抗を保つことのできるコンタクトプローブおよびそれを有する接続装置を提供する。【解決手段】本発明のコンタクトプローブは、電極に繰返し接触するコンタクトプローブであって、電極と接触する前記コンタクトプローブ表面に、金属元素を含有する炭素被膜が形成されており、前記金属元素の炭素被膜表面での濃度が被膜全体の平均濃度よりも低いことを特徴とするものである。【選択図】図３
2011257385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極に繰返し接触するコンタクトプローブであって、
電極と接触する前記コンタクトプローブの表面に金属元素を含有する炭素被膜が形成されており、
前記金属元素の炭素被膜表面での濃度が、炭素被膜全体の平均濃度よりも低いことを特徴とするコンタクトプローブ。
【請求項２】
前記炭素被膜の表面における前記金属元素の濃度は、１５原子％以下である請求項１に記載のコンタクトプローブ。
【請求項３】
前記金属元素は、炭素被膜表面の濃度と炭素被膜全体の平均濃度との差が１０原子％以上である請求項１または２に記載のコンタクトプローブ。
【請求項４】
前記金属元素は、炭素被膜全体の平均濃度が１５％原子％超である請求項１〜３のいずれかに記載のコンタクトプローブ。
【請求項５】
前記炭素被膜は、ダイヤモンドライクカーボン膜である請求項１〜４のいずれかに記載のコンタクトプローブ。
【請求項６】
前記炭素被膜は、前記金属元素の濃度に関して多層構造であるか、または前記濃度が膜厚方向に連続的に変化するものである請求項１〜５のいずれかに記載のコンタクトプローブ。
【請求項７】
前記金属元素の濃度が、前記コンタクトプローブの基材側から表面側に向けて減少し続けるものである請求項６に記載のコンタクトプローブ。
【請求項８】
前記金属元素は、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ、チタン、およびクロムよりなる群から選択される１種以上である請求項１〜７のいずれかに記載のコンタクトプローブ。
【請求項９】
前記炭素被膜の全膜厚は、５０ｎｍ以上、５μｍ以下である請求項１〜８のいずれかに記載のコンタクトプローブ。
【請求項１０】
前記コンタクトプローブの先端に突起が形成されており、該突起の先端を前記コンタクトプローブの側面から投影した時、曲率半径が１０μｍ以下である請求項１〜９のいずれかに記載のコンタクトプローブ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のコンタクトプローブを複数個有する検査用接続装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の電極に接触させて電気的特性を検査するために用いられるコンタクトプローブに関するものであり、特に検査の繰返しによっても導電性が劣化しないコンタクトプローブおよびそれを有する検査用ソケット、プローブカード、検査ユニット等の検査用接続装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
集積回路（ＩＣ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の電子部品（すなわち、半導体素子を用いた電子部品）は、半導体素子の電極にコンタクトプローブを接触させてその電気特性が検査される。このような検査装置で用いられるコンタクトプローブは、導電性、すなわち接触抵抗値が小さいことは勿論のこと、被検体である電極と繰返し接触させても導電性が劣化しないことが要求される。
【０００３】
コンタクトプローブの接触抵抗値は、一般的には１００ｍΩ以下に設定されているが、被検体との繰返し検査を行うことによって、接触抵抗値が数１００ｍΩから数Ωにまで悪化することがある。こうした事態への対策としては、コンタクトプローブのクリーニングや交換が行われている。しかしながら、これらの対策は、検査工程の信頼性と検査装置の稼働率を著しく低下させるものであり、接触抵抗値が長期の使用によっても悪化しないような特性を有するコンタクトプローブの実現が望まれている。特に、被検体である電極にハンダやスズ等が形成されている場合、その表面が酸化しやすく且つやわらかいために、コンタクトプローブの接触によって電極表面が削り取られ、コンタクトプローブの先端部に付着しやすい性質があり、安定な接触を行うことが困難である。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ハンダやＡｌなどの軟質金属の溶着防止の離型性コーティングなどに適用できる硬質炭素膜として、基材と硬質炭素膜の密着性を向上させるため、炭素または炭素と水素からなり、電気抵抗率を厚さ方向で変化させた硬質炭素膜が開示されている。しかし、特許文献１ではコンタクトプローブへの適用については言及されておらず、導電性については何ら考慮されていない。
【０００５】
コンタクトプローブの接触抵抗値を安定化させるための技術としては、例えば特許文献２〜５が挙げられる。特許文献２〜５では、半導体素子の電極との接触端子の表面に形成させるＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）などの炭素被膜に、タングステンなどの金属元素を含有させることによって、相手材に対する低付着性と、含有させた金属による高い導電性を併せ持つ表面被膜を実現できる旨が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２２６８７４号公報
【特許文献２】特開２００２−３１８２４７号公報
【特許文献３】特開２００３−２３１２０３号公報
【特許文献４】特開２００７−２４６１３号公報
【特許文献５】特開２００１−２８９８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、被検体（例えば、ハンダ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｐｄなど）との低付着性を実現するとともに、長期間に亘って安定な導電性（本発明においては接触抵抗値で評価する）を保つことのできるコンタクトプローブおよびそれを有する接続装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成した本発明に係るコンタクトプローブは、電極に繰返し接触するコンタクトプローブであって、電極と接触する前記コンタクトプローブ表面に、金属元素を含有する炭素被膜が形成されており、前記金属元素の炭素被膜表面での濃度が、炭素被膜全体の平均濃度よりも低いことを特徴とするものである。
【０００９】
前記金属元素の濃度に関し、前記炭素被膜の表面における濃度は１５原子％以下であることが好ましく、また前記濃度は、表面濃度と平均濃度の差が１０原子％以上であることも好ましい。また、炭素被膜全体の平均濃度は１５原子％超であることが好ましい。
【００１０】
前記炭素被膜は、ダイヤモンドライクカーボン膜であることが好ましい。
【００１１】
前記炭素被膜は、前記金属元素の濃度に関して多層構造であるか、または前記濃度が膜厚方向に連続的に変化するものであることも好ましい態様であり、このような態様において前記金属元素の濃度が、前記コンタクトプローブの基材側から表面側に向けて減少し続けるものであることも更に好ましい。
【００１２】
前記金属元素は、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ、チタン、およびクロムよりなる群から選択される１種以上であることが好ましく、また前記炭素被膜の全膜厚は、５０ｎｍ以上、５μｍ以下であることも好ましい。
【００１３】
前記コンタクトプローブは、先端に突起が形成されており、該突起の先端を前記コンタクトプローブの側面から投影した時、曲率半径が１０μｍ以下であることも好ましい態様である。
【００１４】
また、本発明は上記記載のいずれかのコンタクトプローブを複数個有する検査用接続装置も包含する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のコンタクトプローブは、半導体素子などの電極と接触するコンタクトプローブ表面に形成される炭素被膜中の金属元素の濃度について、炭素被膜表面での濃度が炭素被膜全体の平均濃度よりも小さくなっているため、前記金属元素の酸化による導電性の劣化を防ぐことができる。さらに、好ましくは前記被膜全体の平均濃度を所定以上確保することによって、コンタクトプローブの導電性および被検体（特に、被検体に含まれるＳｎ）との低付着性も同時に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、炭素被膜（ＤＬＣ膜）中のＷ（タングステン）濃度と、接触抵抗の上昇速度との関係を表したグラフである。
【図２】図２は、炭素被膜（ＤＬＣ膜）中のＷ（タングステン）濃度と、比抵抗との関係を表したグラフである。
【図３】図３は本発明のコンタクトプローブが有する炭素被膜等の構成を模式的に表した図である。
【図４】図４は、コンタクトプローブの先端を拡大したＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
上記特許文献２〜５に開示される技術について本発明者が検討したところ、これらはコンタクトプローブの長期の使用による導電性の悪化、すなわち接触抵抗値の上昇が未だ高いものであることが判明した。この原因について本発明者が検討したところ、コンタクトプローブ表面に形成される炭素被膜中に含まれる金属元素、更にはその炭化物が周囲の環境の水分（湿度）や温度の影響を受けて酸化することによってコンタクトプローブの接触抵抗値が増加するものと考えられた。より詳細には、上記特許文献２〜５では炭素被膜中に含有する金属元素としてモリブデン、タングステン、タンタル等が挙げられているが、これら金属元素の酸化物は絶縁体もしくは半導体であり、これら金属の酸化物が形成されることによってコンタクトプローブの接触抵抗値に悪影響を与えると考えられる。また、本発明者の検討によれば、前記金属元素は炭化物状態であっても酸化が進行し、表面に酸化物を形成してコンタクトプローブの接触抵抗を増加させ、条件によっては数Ωという高い接触抵抗を示す場合があることが分かった。特に半導体の検査では１２０〜１６０℃程度の高温での検査がしばしば行われるが、このような場合に前記金属元素やその炭化物を含有させた炭素被膜を半導体素子などの電極に接触させると、より早くこれらの酸化物が形成し、コンタクトプローブの接触抵抗の増加が進行する。このような酸化膜は、半導体素子などの電極との繰返し接触による摩擦で除去される場合もあるが、除去されずに残存した場合には当該電極との接触不良が発生するのであり、常に安定してコンタクトプローブの導電性を確保するためには酸化物の形成を極力抑制することが重要である。この酸化物の形成について更に検討を進めた結果、上記した金属元素やその炭化物の酸化によるコンタクトプローブの接触抵抗の増大は、炭素被膜の表面における金属元素の濃度が大きく影響しており、周囲の水分等の影響で酸化物が形成されるため、一定時間経過後に接触抵抗値が上昇することが明らかとなった。
【００１８】
一方、コンタクトプローブの導電性は、炭素被膜に含有される金属元素の濃度に依存し、金属元素の濃度が低い場合にはコンタクトプローブの導電性を十分に確保することはできない。
【００１９】
そこで、上記金属元素の酸化を抑制して一定時間経過後のコンタクトプローブの接触抵抗の上昇を防ぎつつ、使用開始初期の接触抵抗も低減するためには、炭素被膜中に含有される上記金属元素の濃度について、炭素被膜の表面近傍では濃度を低くし、それ以外の部分では濃度を高くすればよいことを見出した。以下に詳述する。
【００２０】
本発明における炭素被膜は、電極と接触するコンタクトプローブ表面に形成されており、金属元素を含有するものである。本発明において、前記金属元素の、炭素被膜表面での濃度は炭素被膜全体の平均濃度よりも低いことが重要である。すなわち、本発明のコンタクトプローブ表面に形成される上記炭素被膜は、金属元素の濃度が、炭素被膜全体の平均濃度よりも低い領域を炭素被膜表面に有しているところに特徴がある。このように金属元素の濃度が低く制御された領域を炭素被膜表面に設けることによって、前記金属元素が周囲の環境の水分（湿度）や温度の影響を受けて酸化するのを抑制することができ、その結果、繰返し検査を行って一定時間経過した後においてもコンタクトプローブの接触抵抗値の上昇を防ぐことができる。
【００２１】
なお、上記金属元素は、炭素被膜中で金属元素の単体として存在していても良いし、金属元素の炭化物として存在していても良い。金属元素の炭化物として存在する場合であっても、炭素被膜表面での濃度は「金属元素の濃度」で示される。例えば、ＷＣなどの炭化物でも、Ｗ元素の濃度（原子％）によって炭素被膜表面での金属元素の濃度を表す。
【００２２】
本発明において「炭素被膜表面」とは、金属元素の濃度が、炭素被膜全体の平均濃度よりも低くなっている表面側の領域を意味する。よって、金属元素の濃度が上記関係を満足する炭素被膜表面側の領域は、すべて、本発明における炭素被膜表面に含まれる。具体的には「炭素被膜表面」とは、金属元素の濃度が上記関係を満足する限り、例えば、炭素被膜の最表面から１〜３ｎｍ程度の深さまでの領域であっても良く、炭素被膜の最表面から５ｎｍ深さの位置までの領域であっても良い。なお、周囲環境による酸化の影響をより高度に抑制するためには、炭素被膜の最表面から少なくとも２０ｎｍ程度深さまでの領域（＝「炭素被膜表面」に相当）の濃度が、炭素被膜全体の平均濃度よりも低くなるようにすることがより好ましい。
【００２３】
上述した炭素被膜表面形成による作用（金属元素の酸化を抑制してコンタクトプローブの接触抵抗の上昇を防止する）を有効に発揮させるためには、炭素被膜表面における金属元素の濃度は１５原子％以下であることが好ましい。この上限（１５原子％以下）の根拠となった予備実験について、図１を参照しながら説明する。以下の予備実験（後記する図２も含む。）は、金属元素としてＷ（タングステン）を用いたときの結果であるが、Ｗに限定されず、本発明に用いられ得る、他の好ましい金属元素（タンタル、モリブデン、ニオブ、チタン、およびクロム）や、上記Ｗを含む上記金属元素を２種以上含む混合物を用いたときも、ほぼ同様の結果を示すことを実験により確認している。
【００２４】
図１は、炭素被膜中の金属元素濃度が表面酸化に与える影響を調べるために行った予備実験の結果を表したものであり、より具体的には、下記のようにして作製した測定試料について、炭素被膜（ＤＬＣ膜）中のＷ（タングステン）濃度と、ＤＬＣ膜の接触抵抗の上昇速度との関係を表したグラフである。まずＡｕ電極上に一部マスキングを行い、後記する実施例と同様の要領で炭素被膜（ＤＬＣ膜）を成膜した。ＤＬＣ膜の成膜に際しては、ＤＬＣ膜中にＷ（タングステン）が含有されるようカーボンターゲット上にＷチップを配置し、その数量を調整することによってＤＬＣ膜中のＷ濃度を制御した。その後、マスキングを除去し、マスキングを行っていた部位のＡｕ電極を露出させ、測定試料を得た。このようにして作製された測定試料（詳細には、露出させたＡｕ電極部分とＤＬＣ膜部分のそれぞれ）に、電極と同じ金属材料からなるＡｕのコンタクトプローブを接触させることによって、測定試料の接触抵抗を測定した。Ａｕ電極とＡｕのコンタクトプローブを接触させた場合には、その接触抵抗をほとんど無視することができるとともに、プローブや配線の抵抗は一定であるため、予め測定したこれらの値を測定試料の接触抵抗から差し引くことによって、測定試料を構成するＤＬＣ膜の接触抵抗を算出することができる。このような測定を、一定の時間、ピンを放置した前後で実施した。ピンを放置する環境の温度について２３℃と１６０℃のそれぞれで行なったときの結果を図1に示した。図１より、いずれの温度においてもＷ濃度が１５原子％以上になると、接触抵抗の上昇速度が急激に上昇することがわかった。
【００２５】
上記図１の実験結果に基づき、金属元素の酸化抑制に有用な、炭素被膜表面における金属元素の好ましい濃度を１５原子％以下と定めた。より好ましくは１０原子％以下であり、さらに好ましくは８原子％以下である。なお、炭素被膜表面における前記濃度の下限値は、接触抵抗の上昇速度からは特に限定されないが、炭素被膜の導電性を充分確保するとの観点から、おおむね１原子％以上とすることが好ましい。
【００２６】
一方、炭素被膜の導電性は、炭素被膜中に含有される金属元素の濃度に比例して良好なものとなるため（すなわち、接触抵抗値は減少）、炭素被膜全体としては前記金属元素の平均濃度を所定以上確保することが有効である。
【００２７】
図２は、炭素被膜中の金属元素濃度が導電性に与える影響を調べるために行った予備実験の結果を表したものであり、より具体的には、下記のようにして作製した測定試料について、炭素被膜（ＤＬＣ膜）中のＷ（タングステン）濃度と、ＤＬＣ膜の比抵抗との関係を表したグラフである。まず、絶縁性基板（シリコン基板に熱酸化膜を１００ｎｍ形成したもの）上に、後記する実施例と同様の要領でＷ（タングステン）を含む炭素被膜（ＤＬＣ膜）を成膜した測定試料を作製し、４探針法によりシート抵抗を測定し、ＤＬＣ膜の断面積と厚みからＷを含むＤＬＣ膜の比抵抗を算出した。Ｗ濃度を種々に変化させた場合のＤＬＣ膜の比抵抗をそれぞれ測定し、図２に示した。その結果、図２に示すように、ＤＬＣ膜の比抵抗はＤＬＣ膜中のＷ濃度にほぼ逆比例し、Ｗ濃度が増加するほど比抵抗を小さくすることができることが分かった。例えば、Ｗ濃度が１０原子％の場合は比抵抗は約２０００μΩ・ｃｍとなり（例えば金などの金属の比抵抗の約１０００倍程度の値）、ＤＬＣ膜の膜厚および接触面積を、それぞれ例えば１μｍ程度および２００μｍ2程度とすると、ＤＬＣ膜の抵抗は約１００ｍΩとなる。一方、Ｗ濃度を１５原子％程度に高めれば、比抵抗は約１２００μΩ・ｃｍとなり、上記と同様の膜厚および接触面積で、抵抗値を６０ｍΩ程度にすることができ、さらにＷ濃度を３５原子％まで高めると、抵抗値を約２０ｍΩとすることができる。
【００２８】
従って、炭素被膜全体の前記金属元素の平均濃度は、１５原子％超であることが好ましく、より好ましくは２０原子％以上である。また、炭素被膜全体の平均濃度を所定以上に高めることによって、炭素被膜と、その下に配置されるコンタクトプローブ用基材との密着力が増大し、膜応力が低減して剥離しにくくなるという利点もある。一方、炭素被膜全体の平均濃度が高くなりすぎると、金属としての性質が増し、炭素被膜として好適に用いられるＤＬＣのような均質なアモルファスの実現による平滑な表面が得られにくくなる。また、炭素被膜表面部分との機械的特性の差異が大きくなりすぎて剥離が生じやすくなり、炭素被膜全体の設計が難しくなる。そこで炭素被膜全体の前記金属元素の平均濃度（詳細には、金属元素を含む炭素被膜の金属元素濃度は全ての場所において）は、９５原子％以下とすることが好ましく、より好ましくは９０原子％以下である。
【００２９】
また、前記金属元素について、炭素被膜表面濃度の濃度と炭素被膜全体の平均濃度との差は、おおむね１０原子％以上であることが好ましく、より好ましくは１５原子％以上である。このようにすることによって、使用開始直後の初期の接触抵抗値を低く抑えるとともに、繰返し検査を行って一定時間経過した後にも接触抵抗値の上昇を抑えることができるという効果を、より有効に発揮することができる。
【００３０】
前記炭素被膜の構成は、前記金属元素の濃度に関して多層構造（すなわち２層以上）であっても良いし、または前記濃度が膜厚方向で連続的に変化するような構成であっても良い。各層に含まれる金属元素の種類（好ましい金属元素の種類は後述する。）は、同一であっても良いし、異なっていても良い。
【００３１】
本発明を特徴付ける炭素被膜が前記金属元素の濃度に関して多層構造である場合、各層内における前記金属元素は、各層内で膜厚方向に濃度が一定であっても良いし、各層内で膜厚方向に濃度が連続的に変化するものであっても良い。
【００３２】
上記した多層構造である場合、あるいは前記金属元素の濃度が炭素被膜の膜厚方向で連続的に変化する場合、金属元素の表面濃度が炭素被膜全体の平均濃度よりも低いものである限り、前記金属元素の膜厚方向の濃度分布は、コンタクトプローブの基材側から表面側に向けて減少し続けるものであってもよいし、減少と増加を交互に繰り返すものであってもよい。しかし、金属元素の酸化抑制と炭素被膜全体の低抵抗化という観点から、コンタクトプローブの基材側から表面側に向けて減少し続けるものであることが好ましい。炭素被膜が多層構造である場合、前記金属元素の濃度がコンタクトプローブの基材側から表面側に向けて減少し続けるとは、基材側から順番に第一層、第二層、第三層・・・、最表面層とした場合、（第一層における濃度）＞（第二層における濃度）＞（第三層における濃度）＞・・・＞（最表面層における濃度）という関係を満たしていれば良い。
【００３３】
本発明において、炭素被膜全体の金属元素の平均濃度は、金属元素の濃度が膜厚方向に連続的に変化するものである場合は、炭素被膜の全膜厚に亘る金属元素の積分濃度を求め、炭素被膜の全膜厚で除すことによって求めることができる。また、炭素被膜が多層構造である場合は、（各層の濃度）×（各層の膜厚）の値を全ての層について計算してこれらの和を求め、炭素被膜の全膜厚で除すことによって求めることができる。なお、多層構造において、各層内の濃度が連続的に変化するものである場合、上記と同様にして各層の平均濃度を求め、これを各層の濃度とすればよい。
【００３４】
本発明において、金属元素の炭素被膜膜厚方向（基材側から表面側に向かっての方向）の分析は、オージェ電子分光法により行なった。ＸＰＳ分析法によっても金属元素の炭素被膜膜厚方向の分析は可能であるが、オージェ電子分光法によれば、数μｍの大きさまでビームが絞れるので、特にコンタクトプローブのように微細な先端を有する基材表面の金属元素分析を一層精度良く行なうことができる。
【００３５】
炭素被膜中に含まれる上記金属元素としては、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ、チタン、およびクロムよりなる群から選択される１種以上であることが好ましい。これら元素は、容易に炭化物を形成する金属であり、炭素被膜中に均一に分散し、非晶質で均一な状態を保つことができる元素であるため好ましい。上記元素のうち、炭化物の安定性や安価に入手できるという点で、タングステンを用いることがより好ましい。上記の金属元素は単独で含まれていても良いし、２種以上が含まれていても良い。また、炭素被膜表面に含まれる金属元素と、表面を除く炭素皮膜中に含まれる金属元素とは、後記する実施例１に示すように同じであっても良いし、あるいは、後記する実施例４に示すように異なっていても良い。
【００３６】
本発明における炭素被膜とは、例えばＤＬＣ膜に代表されるように、高硬度で、耐摩耗性および摺動性に優れ、炭素被膜の全面に亘って非晶質であるものが好ましい。なぜなら、このような炭素被膜は、相手材とのコンタクトを繰り返しても消耗せず、相手材が付着することもなく、かつ非晶質であることによって表面の凹凸を増加させる可能性も小さいからである。また炭素被膜の膜厚は、薄すぎると機械的強度が不十分となり摩耗やクラックの原因となり、また厚すぎると導電性が低下する。そこで炭素被膜全体の膜厚は、５０ｎｍ以上、５μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは１００ｎｍ以上、２μｍ以下である。
【００３７】
このような層構成を有する炭素被膜（更には、後記する中間層）は、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）、スパッタリング法およびアークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）等、様々な成膜方法で形成することができるが、電気抵抗の低い炭素被膜が形成し易いことや、炭素被膜に金属元素を導入し易いことから、スパッタリング法やＡＩＰ法を適用することが好ましい。特に、スパッタリング法は、良質な炭素被膜を形成することから最も好ましい。即ち、炭素被膜本来の性質では、ダイヤモンド構造やグラファイト構造があり、充分な硬度と低い電気伝導を得るためには両者の中間的な構造であるアモルファス構造が望ましいのであるが、こうした構造はスパッタリング法で最も得られ易く、また電気伝導を阻害する水素の混入も殆ど生じることはない。
【００３８】
上記スパッタリング法を用い、金属元素の炭素被膜表面での濃度が炭素被膜全体の平均濃度よりも低くなるような炭素被膜を成膜するに当たっては、例えば、以下のようにして行なうことができる。
【００３９】
まず、炭素供給源として、一つのカーボンターゲットまたはグラファイトターゲットと；金属元素供給源として、炭素被膜に含有させる各金属元素で構成された金属ターゲットとを用意する。金属ターゲットは、炭素被膜に含有される金属元素の種類に応じて、単独の金属元素から構成されていても良いし、２種以上の金属元素を含んでいても良い。上記の金属ターゲットに代えて、カーボンと金属元素の少なくとも一種をモザイク状若しくはマトリックス内に含有させるような形態で混合させた複合ターゲットを使用することもできる。これらのターゲットを用いてスパッタリングを行なうが、スパッタリングに当たっては、例えば、カーボンターゲットと金属ターゲットヘの投入電力を適切に調整することによって炭素被膜中の金属元素の濃度を調整することができる。このとき、炭素被膜中の金属元素の濃度は、上述した両方のターゲット上を交互に移動するように回転させるなどの方法により、自由に制御することができる。
【００４０】
あるいは、上記のように二つ以上のスパッタリングターゲットを用いるのではなく、後記する実施例に示すように、カーボンターゲットまたはグラファイトターゲットの上に、炭素被膜中に含有させたい金属元素をチップオンし、上記スパッタリングターゲット上の金属元素の量と位置を調整することによって炭素被膜中の金属元素の濃度を調整することもできる。
【００４１】
金属元素の炭素被膜表面での濃度を調整するに当たっては、より詳細には、まず金属元素含有炭素被膜の単層膜を形成し、電子線マイクロプローブＸ線分析計（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｚｅｒ；ＥＰＭＡ）により当該単層膜中の金属元素濃度を決定した後、スパッタリング時の成膜速度に基づいて所定厚さの炭素被膜を積層し、所望の表面濃度となるように調整する、などの方法が挙げられる。
【００４２】
本発明のコンタクトプローブは、上記のように所定の炭素被膜を設けたところに特徴があり、それ以外の要件は特に限定されず、コンタクトプローブの技術分野において通常用いられるものを適宜選択して採用することができる。例えば、本発明のコンタクトプローブにおける基材は、強度や導電性を考慮して、ベリリウム銅（Ｂｅ−Ｃｕ）；パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）またはこれらの合金；炭素工具鋼等が好適に用いられる。また必要に応じて、前記基材の上にＡｕ系等のめっきが施されていても良い。
【００４３】
上記基材またはその上のめっき（以下、「基材等」と呼ぶ）と、本発明を特徴付ける炭素被膜との間には、図３に示すように密着性を高めるための中間層を形成させることが好ましい。基材等と炭素被膜とは本来密着性が悪いものであり、また炭素被膜は、基材等を構成する金属との熱膨張率の差に起因して成膜時に圧縮応力が残存するため、基材等との界面で剥離しやすいからである。こうした中間層としては公知のものを用いることができ、例えば前述した特許文献２に記載の中間層を参照することができる。具体的には中間層として、例えば、基材と密着性の良好な金属（例えばＮｉなど）またはその合金からなる金属密着層を少なくとも一層以上有するもの；上記金属密着層の上に、前記金属密着層の金属（例えばＮｉなど）と、上記炭素被膜に含まれる金属元素（例えばＷなど）と、炭素とを含む炭素含有層を形成させたもの、などが挙げられる。この炭素含有層は、基材側から炭素被膜側になるにつれて、上記炭素含有層中の炭素含有量が増加し続ける傾斜層であっても良い。前記金属密着層に用いる金属は、基材等の種類によって適切なものを選択すれば良いが、基材等（特にめっき）がＡｕ系である場合はＮｉを用いることが好ましく、このように基材等に応じて適切な中間層を設けることによって、優れた耐久性を実現することができる。
【００４４】
ところで、被検体としての電極に鉛フリーハンダやスズが形成されている場合、これらめっきは大気中で酸化絶縁被膜を形成するのであり、コンタクトプローブは接触時に該絶縁被膜を変形させて傷つけることによって良好な導通を確保する。表面に炭素被膜を形成したコンタクトプローブでは、炭素被膜を形成しないコンタクトプローブよりも、被検体との接触界面の抵抗が増加するため、被検体表面の状態に敏感になりやすい。発明者の検討によれば、被検体に所定の荷重でコンタクトプローブを押し付けた場合、上記酸化被膜を傷付ける度合いは、コンタクトプローブの先端の曲率半径に大きく依存することが分かった。そして、先端の曲率半径が１０μｍ以下である場合に被検体表面の状態に関わらず良好な導通を確保することが可能となり、初期の接触抵抗を低減するとともに、繰り返し検査による一定時間経過後の接触抵抗の上昇を抑制できるという本発明の効果がより有効に発揮され、好ましいことが分かった。先端の曲率半径は、好ましくは９μｍ以下である。なお、コンタクトプローブの先端の曲率半径の好ましい下限は、コンタクトプローブ基材や相手材（接触する電極材）の荷重などにも依存するが、極端に鋭利な先端は一定の荷重で変形する可能性が高いため、おおむね、１μｍ以上が好ましく、更に好ましくは５μｍ以上である。
【００４５】
本発明には、上記コンタクトプローブを複数個有し、半導体やその電子素子等の検査に用いられる検査用接続装置も包含される。このような検査用接続装置としては、例えば、検査用ソケット、プローブカード、検査ユニット等が挙げられる。これらの装置では、複数のコンタクトプローブ（端子）を装着して電気的導通を同時に行なう必要があるが、本発明のコンタクトプローブは端子表面の信頼性が非常に高いため、上記装置に好適に用いられる。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。しかし、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４７】
実施例１
本実施例では、コンタクトプローブとして、先端部が４分割されたスプリング内蔵プローブを用いた。このコンタクトプローブ（株式会社ヨコオ製、ＹＰＷ−６ＸＴ０３−０４７）は、Ｂｅ−Ｃｕ基材の最表面にＡｕ系めっきが施されたものである。
【００４８】
次に、以下のようにして、スパッタリング法により、基材との密着性を高めるための中間層、および炭素被膜（金属元素としてＷを含有）を順次成膜した。
【００４９】
具体的には、まず、マグネトロンスパッタリング装置に、Ｗ（タングステン）チップを乗せた炭素（グラファイト）ターゲット２基、クロムターゲット、およびニッケルターゲットを配置し、これらと対抗する位置に上記のコンタクトプローブを配置した。このうち、クロムターゲットおよびニッケルターゲットは、中間層成膜用に用いられる。スパッタリングチャンバーは、予め、６．７×１０-4Ｐａまで真空排気した後、Ａｒガスを導入して圧力を０．１３Ｐａに調整した。
【００５０】
次に、上記Ａｕ系めっきの上に中間層を成膜した。詳細には、Ｎｉを５０ｎｍ、およびＣｒを５０ｎｍ、順次成膜した後、上記Ｃｒ膜の上に、Ｃｒ膜と、その後に形成される炭素被膜中のＷ（タングステン）を含むＷ含有炭素含有層とを交互に成膜しつつ、基材側から炭素被膜側に向うにつれて徐々にＷ含有炭素含有層の比率（膜厚）を増加させる傾斜層を形成した。
【００５１】
上記のようにして中間層を形成した後、以下のようにして炭素被膜を成膜した。まず、Ｗ（タングステン）チップを載せたグラファイトターゲットを用い、投入電力密度：５．６６Ｗ／ｃｍ2でＤＣマグネトロン放電させ、基材には−４０Ｖのバイアス電圧を印加し、約５００ｎｍの炭素被膜（ＤＬＣ膜）を成膜した。成膜に当たっては、グラファイトターゲット上のＷチップの量と位置を調整して前記炭素被膜（５００ｎｍ）中のＷ濃度が約２４原子％となるようにした。
【００５２】
引き続き、グラファイトターゲット上のＷチップの量と位置を調整して、Ｗの濃度が約５原子％となるように調整した炭素被膜を約２０ｎｍの厚さで成膜し、本発明例のコンタクトプローブを作製した。
【００５３】
また、最表面の炭素被膜（すなわち炭素被膜２０ｎｍ中のＷの濃度が５原子％）を有していないこと以外は本発明例のコンタクトプローブと同様のコンタクトプローブも作製した（比較例）。なお、Ｗの濃度はＥＰＭＡによって測定した。
【００５４】
上記のようにして得られた炭素被膜を有するコンタクトプローブ（本発明例および比較例）を、温度：２３℃、湿度：５０％の大気中に２週間放置し、鉛フリーハンダ（Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ）からなる電極に対して接触抵抗値を測定した。接触抵抗値の測定は、鉛フリーハンダ電極に２本の線を接続し、またコンタクトプローブの反対側に接触するＡｕ電極にも２本の線を接続し、それぞれ各１本に電流を印加し、残りの各一本間の電圧を測定する、いわゆるケルビン接続により、コンタクトプローブ自身＋上下電極との接触抵抗＋上下電極の内部抵抗を測定し、それ以外の抵抗成分はキャンセルできる方法により測定を行った。
【００５５】
その結果、測定された接触抵抗値（プローブ本体の抵抗＋接触抵抗＋電極の内部抵抗）は本発明例のコンタクトプローブでは約１５０ｍΩであり、比較例のコンタクトプローブでは約５００ｍΩであった。これに対して、２週間放置する前の接触抵抗値は本発明例のコンタクトプローブが５０ｍΩであり、比較例のコンタクトプローブが３５ｍΩであった。すなわち、コンタクトプローブの表面のＷ濃度が２４原子％の比較例では、接触抵抗値が５００ｍΩ−３５ｍΩ＝４６５ｍΩも上昇したのに対し、表面のＷ濃度が５原子％である本発明例では接触抵抗値の上昇は１５０ｍΩ−５０ｍΩ＝１００ｍΩ程度に抑えることができた。なお、前記抵抗値において、電極の内部抵抗は無視できるほど小さく、プローブ本体の抵抗は変化しないので、放置前後の抵抗値の変化量は、接触抵抗値の変化量に等しい。
【００５６】
また本発明例のコンタクトプローブでは、炭素被膜全体でのＷの平均濃度が｛（２０ｎｍ×５原子％）＋（５００ｎｍ×２４原子％）｝／（２０ｎｍ＋５００ｎｍ）≒２３．３原子％であり、炭素被膜全体としてＷ濃度が十分に確保されているため、初期の導電性も十分に確保できていた。
【００５７】
実施例２
上記実施例１におけるコンタクトプローブ先端の突起部を側面から投影した時の写真は図４に示した通りであり、先端付近部分が内接する円の半径（先端部の曲率半径）は約１３μｍであった。本実施例では、先端部の曲率半径が９μｍであること以外は実施例１と同様にしてコンタクトプローブ上に成膜し、実施例１と同様の条件で２週間放置して、放置前後の接触抵抗値を測定した。その結果、放置前の接触抵抗値は約４５ｍΩであり、放置後は約１００ｍΩであった。すなわち、コンタクトプローブの先端形状を適切に調整することにより、初期の接触抵抗値を低くできるとともに、一定時間経過後の接触抵抗値の上昇も低く抑える（すなわち、接触抵抗値の上昇速度を抑える）ことが可能であった。図１に示したように単位面積当たりの接触抵抗上昇が一定であっても、本実施例で接触抵抗の上昇が低く抑えられたが、これは実効的な接触面積が変化したために、その面積に応じて接触抵抗値の上昇が低く抑えられたものと考えられる。
【００５８】
実施例３
本実施例では、実施例１で用いた本発明例のコンタクトプローブと、実施例１で炭素被膜を形成する前の、最表面がＡｕ系めっきであるコンタクトプローブ（ＹＰＷ−６ＸＴ０３−０４７）を用いて、相手材である鉛フリーハンダ電極のＳｎの付着の有無を調べた。それぞれのコンタクトプローブを、鉛フリーハンダ電極に１０万回コンタクトし、一回のコンタクト毎に１００ｍＡの通電を２００ｍｓ行った。１０万回の接触後に、それぞれのプローブの表面をＳＥＭで観察するとともに、それに付帯したＥＤＸ装置によって元素分析（マッピング）を行った。
【００５９】
上記の元素分析結果によれば、最表面がＡｕであるコンタクトプローブでは、コンタクトプローブ表面に鉛フリーハンダの成分であるＳｎの付着が認められるが、本発明の炭素被膜を形成したコンタクトプローブではＳｎの付着が抑制されていることが分かった。
【００６０】
実施例４
本実施例では、炭素被膜として、表層にＷを含有し、表層を除く領域にＷおよびＣｒを含有する炭素被膜を形成したときの接触抵抗値を測定した。
【００６１】
詳細には、上記実施例１と同様の方法で中間層を形成した後、Ｗ（タングステン）チップ、およびＣｒチップを載せたグラファイトターゲットを用い、投入電力密度：５．６６Ｗ／ｃｍ2でＤＣマグネトロン放電させ、基材には−４０Ｖのバイアス電圧を印加し、約５００ｎｍの炭素被膜（ＤＬＣ膜）を成膜した。成膜に当たっては、グラファイトターゲット上のＷチップおよびＣｒチップの量と位置を調整して、前記炭素被膜（５００ｎｍ）中、Ｃｒ濃度が５０原子％、Ｗと炭素（Ｃ）を合わせた濃度が５０原子％（具体的には、Ｗの濃度は７原子％程度、炭素の濃度は４３原子％程度）となるようにした。
【００６２】
引き続き、グラファイトターゲット上のＷチップの量と位置を調整して、Ｗの濃度が約１４原子％となるように調整した炭素被膜を約２０ｎｍの厚さで成膜し、本発明のコンタクトプローブを作製した。
【００６３】
次に、このようにして得られた炭素被膜を有するコンタクトプローブ（本発明例および比較例）を用い、前述した実施例１と同様の方法で大気暴露試験を２週間行い、試験前後の接触抵抗測定を実施した。
【００６４】
その結果、本発明例では、２週間放置後の接触抵抗値は約３５０ｍΩ、２週間放置する前の接触抵抗値は３０ｍΩであり、接触抵抗値の上昇は３５０ｍΩ−３０ｍΩ＝３２０ｍΩ程度であった。上記接触抵抗値の上昇は、前述した実施例１で作製した本発明例における接触抵抗値の上昇レベル（１００ｍΩ程度）に比べて大きくなったが、前述した実施例１で作製した比較例における接触抵抗値の上昇レベル（４６５ｍΩ）よりも遥かに小さいものであった。
【００６５】
また、本発明例のコンタクトプローブでは、炭素被膜全体での金属元素（Ｗ＋Ｃｒ）の平均濃度は、｛（２０ｎｍ×１４原子％）＋（５００ｎｍ×（５０原子％＋７原子％）｝／（２０ｎｍ＋５００ｎｍ）≒５３．３原子％であり、炭素被膜全体として金属元素濃度が十分に確保されているため、初期の導電性も十分に確保できていた。
【００６６】
よって、前述した実施例１に記載の本発明例のように炭素被膜表面に金属元素を単独で含有するコンタクトプローブだけでなく、本実施例に記載の本発明例のように炭素被膜の表面と表面以外の領域で異なる金属元素を含有し、且つ、当該表面以外の領域に金属元素を２種類以上含有するコンタクトプローブにおいても、金属元素の酸化による導電性の劣化を防ぐことができ、しかも、コンタクトプローブの導電性および被検体との低付着性も同時に実現できることが確認された。
【図１】
2011257385.tif 000003
【図２】
2011257385.tif 000004
【図３】
2011257385.tif 000005
【図４】
2011257385.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月2日(2011.9.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極に繰返し接触するコンタクトプローブであって、
電極と接触する前記コンタクトプローブの表面に金属元素を含有する炭素被膜が、基材との密着性を高めるための中間層を介して形成されており、
前記金属元素の炭素被膜表面での濃度が、炭素被膜全体の平均濃度よりも低く、且つ前記金属元素は、炭素被膜表面の濃度と炭素被膜全体の平均濃度との差が１０原子％以上であることを特徴とするコンタクトプローブ。
【請求項２】
前記炭素被膜の表面における前記金属元素の濃度は、２０原子％以下である請求項１に記載のコンタクトプローブ。
【請求項３】
前記炭素被膜の表面における前記金属元素の濃度は、１５原子％以下である請求項２に記載のコンタクトプローブ。
【請求項４】
前記金属元素は、炭素被膜全体の平均濃度が１５原子％超である請求項１〜３のいずれかに記載のコンタクトプローブ。
【請求項５】
前記炭素被膜は、ダイヤモンドライクカーボン膜である請求項１〜４のいずれかに記載のコンタクトプローブ。
【請求項６】
前記炭素被膜は、前記金属元素の濃度に関して多層構造であるか、または前記濃度が膜厚方向に連続的に変化するものである請求項１〜５のいずれかに記載のコンタクトプローブ。
【請求項７】
前記金属元素の濃度が、前記コンタクトプローブの基材側から表面側に向けて減少し続けるものである請求項６に記載のコンタクトプローブ。
【請求項８】
前記金属元素は、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ、チタン、およびクロムよりなる群から選択される１種以上である請求項１〜７のいずれかに記載のコンタクトプローブ。
【請求項９】
前記炭素被膜の全膜厚は、５０ｎｍ以上、５μｍ以下である請求項１〜８のいずれかに記載のコンタクトプローブ。
【請求項１０】
前記コンタクトプローブの先端に突起が形成されており、該突起の先端を前記コンタクトプローブの側面から投影した時、曲率半径が１０μｍ以下である請求項１〜９のいずれかに記載のコンタクトプローブ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のコンタクトプローブを複数個有する検査用接続装置。