(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スプリング・コンタクトにおいて、
基板と、
前記基板に対向して配置された接触面と、
複数の層、固定部分および自由部分を有する弾性部材であって、前記固定部分は前記基板に固定され、前記自由部分は基板から分離された、弾性部材と、
を有し、
前記自由部分は、最初は前記基板に固定され、前記基板から解放されると、前記複数の層の中の内在応力勾配が当該自由部分を前記基板から離れるように付勢して、前記基板から分離されており、
前記弾性部材は、その弾性力によって、前記基板から分離した前記自由部分が前記基板に対向する接触面と接触するようにする、
スプリング・コンタクト。
【請求項２】
前記弾性部材は、導電性材料で形成される請求の範囲１に記載のスプリング・コンタクト。
【請求項３】
さらに、前記弾性部材の外表面の少なくとも一部分の上に形成された導電層を有する請求の範囲１に記載のスプリング・コンタクト。
【請求項４】
前記固定部分は、前記基板の上に形成された第一のコンタクトに電気的に接続され、また前記自由部分は、第二の基板上に形成された第二のコンタクトに適正に接触する請求の範囲１に記載のスプリング・コンタクト。
【請求項５】
前記自由部分の一自由端は、前記弾性部材を形成する材料より柔らかい材料で被覆され、その柔らかい材料は、前記自由部分と前記接触面との接触を改善する請求の範囲４に記載のスプリング・コンタクト。
【請求項６】
前記自由部分の一自由端は、平坦である請求の範囲１に記載のスプリング・コンタクト。
【請求項７】
前記自由部分の一自由端は、少なくとも一つの尖った部分を有する請求の範囲１に記載のスプリング・コンタクト。
【請求項８】
素子を検査するためのプローブ・カードにおいて、
基板と、
前記基板上に形成された複数の導電性信号線と、
前記基板に対向して配置された試験される素子上のコンタクト・パッドのアレーにパターン・マッチングして配置された複数のスプリング・コンタクトと、
を有し、
前記複数のスプリング・コンタクトは、その各々が、
複数の層、自由部分および前記基板に固定された固定部分を有する弾性部材であって、前記固定部分は前記複数の導電性信号線の対応する一つに電気的に接触する、弾性部材、
を有し、
前記自由部分は、最初は前記基板に固定され、前記基板から解放されると、前記複数の層の中の内在応力勾配が当該自由部分を前記基板から離れるように付勢して、前記基板から分離されており、
前記弾性部材は、その弾性力によって、前記基板から分離した前記自由部分が前記基板に対向して配置される前記試験される素子上の対応するコンタクトパッドと接触するようにする、
プローブ・カード。
【請求項９】
各弾性部材は、導電性材料で形成される請求の範囲８に記載のプローブ・カード。
【請求項１０】
前記弾性部材の外表面の少なくとも一部分の上に導電層が形成されている請求の範囲８に記載のプローブ・カード。
【請求項１１】
前記検査する素子は、複数のチップおよび前記コンタクト・パッドのアレーを有する半導体ウエハーであり、前記複数のチップの各々は、ウエハー・スケール試験またはバーンインのいずれかを受ける請求の範囲８に記載のプローブ・カード。
【請求項１２】
前記複数のスプリング・コンタクトの各々の自由部分の一自由端は、前記複数のスプリング・コンタクトの各々を形成する材料より柔らかい材料で被覆され、その柔らかい材料は、前記複数のスプリング・コンタクトの各々の自由端および対応するコンタクト・パッドの間の接触を改善する請求の範囲８に記載のプローブ・カード。
【請求項１３】
各弾性部材の自由部分の一自由端は、平坦である請求の範囲８に記載のプローブ・カード。
【請求項１４】
各弾性部材の自由部分の一自由端は、少なくとも一つの尖った部分を有する請求の範囲８に記載のプローブ・カード。
【請求項１５】
前記検査する装置は、画像表示マトリックスであり、前記複数のスプリング・コンタクトの各々は、前記コンタクト・パッドのアレーの対応するコンタクト・パッドと接触し、また、
前記複数の導電性信号線の少なくとも一本と導通する画像表示マトリックスの複数の表示電極の中の選ばれたものが活性化される請求の範囲８に記載のプローブ・カード。
【請求項１６】
前記プローブ・カードは、前記コンタクト・パッドのアレーの幅全体に対応する幅を有する、請求の範囲１５に記載のプローブ・カード。
【請求項１７】
接触素子において、
上面とこれの裏側の下面を有する基板と、
前記基板の上面に形成され、第一の素子上の対応する少なくとも一つのコンタクト・パッドと突き合うように配置された少なくとも一つの上面スプリング・コンタクトと、
前記基板の下面に形成され、第二の素子上の対応する少なくとも一つのコンタクト・パッドと突き合うように配置され、前記少なくとも一つの上面スプリング・コンタクトの対応する一つと電気的に導通している下面スプリング・コンタクトと、
を有し、
前記少なくとも一つの上面スプリング・コンタクトおよび前記少なくとも一つの下面スプリング・コンタクトは、各々、複数の層、固定部分および自由部分を有する弾性部材を有し、
前記固定部分および前記自由部分は、最初は基板に固定され、前記自由部分は、前記基板から解放されると、前記複数の層中の内在応力勾配が当該自由部分を前記基板から離れるように付勢して、前記基板から分離されており、
前記弾性部材の弾性力によって、前記自由部分が対応する第一および第二の素子上の少なくとも一つの対応するコンタクト・パッドに接触するようにする、
接触素子。
【請求項１８】
スプリング・コンタクトを形成するための方法において、
基板上に弾性材料の層を溶着させるステップであって、前記弾性材料は、内在する応力勾配を有し、前記内在する応力勾配は、前記弾性材料を基板から離れるように付勢するステップ、
前記弾性材料の層をフォトリソグラフィーでパターニングして、自由端部と固定端部を有する少なくとも一つのスプリング・コンタクトを形成するステップ、および、
前記少なくとも一つのスプリング・コンタクトの下で前記基板の一部分をえぐるようにエッチングして、前記少なくとも一つのスプリング・コンタクトの自由端部を前記基板から解放し、少なくともスプリング・コンタクトの固定部分が前記基板に固定された状態を維持し、前記自由端部が前記内在する応力勾配によって前記基板から離れるように付勢され、前記自由部分が解放されて前記基板に対向して配置された表面に接触するようにするステップ、を有する形成方法。
【請求項１９】
前記えぐるようにエッチングするステップは、
前記少なくとも一つのスプリング・コンタクトの中にフォトリソグラフィーでエッチャントの通路を形成するステップ、および、
エッチャントを塗布して、前記少なくとも一つのスプリング・コンタクトの下で前記基板をエッチングし、前記スプリング・コンタクトの自由端部を前記基板から解放するステップ、を有する請求の範囲１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記弾性材料の層を溶着するステップは、金属合金の複数のサブレイアをスパッタ溶着し、前記複数のサブレイアは、各々が異なる選ばれたプラズマ・ガス圧力で溶着し、前記各異なる選ばれたガス圧力は、前記複数のサブレイアの対応する一つの中に対応する異なるレベルの内在応力を生成するステップを有する請求の範囲１８に記載の方法。
【請求項２１】
最下端のサブレイアは、内在する圧縮応力を有し、前記最下端のサブレイアの上のサブレイアは、前記最下端のサブレイアに対して漸増する内在引っ張り応力を有する請求の範囲２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記弾性材料は、導電性を有する請求の範囲１８に記載の方法。
【請求項２３】
さらに、前記弾性材料の層の少なくとも片側に導電性材料の層を形成するステップを含む請求の範囲１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記自由部分は、前記接触面に接着される請求の範囲１に記載のスプリング・コンタクト。
【請求項２５】
前記自由部分は、はんだで前記接触面に接着される請求の範囲１に記載のスプリング・コンタクト。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、広くは集積回路、回路基板、電極アレー、その他の素子の電気ボンディングに用いるフォトリソグラフィーでパターニングしたスプリング・コンタクトに関する。
２．関連技術の説明
集積回路すなわちチップを回路基板等に電気的に接続する標準的なボンディング法には、ワイヤ・ボンディング、タブ・ボンディング、はんだバンプおよび金バンプ・フリップチップ・ボンディングなどがある。図１は、チップ２の上に形成されたコンタクト・パッド３を基板１の上に形成された対応するコンタクト・パッド３にボンディングしたものを示す。コンタクト・パッド３は、ワイヤ４で電気的に接続すなわちボンディングされる。チップ２は、通常、数十さらには数百のコンタクト・パッドを有するので、チップ２上の各コンタクト・パッド３を基板１上の対応するコンタクト・パッド３にボンディングするのは、労働集約的で時間のかかる作業である。さらに、コンタクト・パッド３は、ワイヤ４を受け、またワイヤ・ボンディングを行なうために用いられるワイヤ・ボンディング装置の精度に対応できるように十分に大きいものでなければならない。したがって、コンタクト・パッド３は、ワイヤ４およびワイヤ・ボンディング装置の寸法上の限界に対応するために必要な大きさより大きくつくられる。
図２は、チップ２のタブ上に形成されたコンタクト・パッド３を基板１上の対応するコンタクト・パッド３にボンディングしたものを示す。下表面に導線が形成された可撓性基板５がコンタクト・パッド３上に押しつけられる。異方性接着剤（図示せず）が、コンタクト・パッド３と可撓性基板５の間に配置される。可撓性基板５がコンタクト・パッド３に押しつけられると、異方性接着剤と可撓性基板５上に形成された導線が共働してコンタクト・パッド３の間の電気的接続を完成させる。ワイヤ・ボンディングと同様、タブ・ボンディングも、収量損、接着部の脆さ、および高コストなどの欠点を有する。
チップ２上に形成されたコンタクト・パッド３を基板１上に形成されたコンタクト・パッド３または他の素子に接着する他の方法として、はんだバンプ・フリップチップ・ボンディングも知られている。図３は、コンタクト・パッド３が基板１に面するように反転させたチップ２を示す。「フリップチップ」という名前は、タブ・ボンディングおよびワイヤ・ボンディングではチップ２上のコンタクト・パッド３が基板１から離れた側にあるのとは異なり、チップ２が「ひっくり返されて（フリップ・オーバーされて）」コンタクト・パッド３が基板１に面するように配置される、すなわちチップ２が反転することに由来する。ただし、タブ・ボンディングも、チップ２を「ひっくり返して」行なうことができる。標準的なフリップチップ・ボンディングでは、はんだバンプ６が基板１またはチップ２の上のコンタクト・パッド３上に形成される。チップ２上のコンタクト・パッド３をはんだバンプ６に押しつけてはんだバンプ６を溶かすことによって対応するコンタクト・パッド３の間の電気的接続が完成する。
フリップチップ・ボンディングは、ワイヤ・ボンディングおよびタブ・ボンディングよりすぐれている。チップ２をはんだバンプ６に押しつけると、比較的柔らかいはんだバンプ６は、永久的に変形するようになる。このはんだバンプ６の変形が、コンタクト・パッド３の高さの若干の不規則さおよびチップ２をはんだバンプ６に押しつける接触圧力の不均等さを補償する。
しかし、フリップチップ・ボンディングには、はんだバンプ６の機械的および熱的な不規則さという欠点がある。はんだバンプ６の高さがすべて均一でなかったりあるいは基板１が反っていたりすると、コンタクト・パッド３とはんだバンプ６の接合が壊れるおそれがある。また、チップ２をはんだバンプ６の上に押しつける接触圧力が均一でない場合には、コンタクト・パッド３および対応するはんだバンプ６の中には、接合がうまく行かないものもでてくるおそれがある。さらに、熱膨張による応力がチップ２と基板１の間のミスマッチを生じ、はんだバンプ６によって形成された接着部を壊すおそれがある。
図４は、上に述べた比較的永久的な接着部とは異なり、二つの素子の間に一時的な接触を確立するための標準的に方法を示す。複数のプローブ針８を有するプローブ・カード７が、該プローブ針８をコンタクト・パッド３に物理的に押しつけることによってコンタクト・パッド３に接触する。プローブ針８とコンタクト・パッド３の間のこの物理的接触によって、プローブ針８と基板１の上に形成された線９の間に電気的接続が生成される。
プローブ・カード７は、通常、素子１０を試験したり、送受信チェックしたり、あるいは該素子とその他の通信を行なえるように、プローブ針８とコンタクト・パッド３の間の一次的接触を生成するためだけに用いられる。素子１０の例としては、能動的マトリックス液晶表示装置の一部である表示電極のマトリックスを挙げることができる。例えば液晶表示の電極のマトリックスである素子１０の試験は、本発明と同じ発明者の同時出願および係属出願であるアメリカ合衆国特許出願第０８／４７３，９１２号により詳細に説明されている。
プローブ・カード７は、液晶表示装置の試験の他にも多くの用途を見いだすことができる。チップ２上に形成されたものと同様な多数の比較的小さいコンタクト・パッド３を有する素子１０は、このようなプローブ・カード７を用いて試験することができる。ただし、プローブ・カード７を生産するための標準的な方法は、時間のかかる労働集約的な作業をともなう。各プローブ・カード７は、試験する特定の素子１０のために注文生産でつくらなければならない。通常、プローブ針８は、プローブ・カード７の上に手作業で形成される。このように、プローブ・カード７は、注文生産で比較的高価であるため、通常は、素子１０上のすべてのコンタクト・パッド３にいっぺんに接触するようにはつくられない。すなわち、一回に対応でき、試験でき、あるいは送受信チェックできるのは、素子１０のある部分に限られ、したがって、素子１０全体に対応し、試験し、あるいは送受信チェックするためには、プローブ・カード７を動かす必要が生じる。
プローブ・カード７は、また、単結晶シリコン・ウエファーの一部である複数のチップ２を試験するためにも用いられる。この種のプローブ・カード７としては、「ダイ・レベルでのプロービング」：コーウィズ、アドバンスド・パッケージング、１９９５年２月、２６−２８ページ（Probing at Die Level,Corwith,Advanced Packaging,February,1995,pp.26-28）に記載されているフォトリソグラフィー・パターン・メッキ処理によって形成されるものが挙げられる。フォトリソグラフィー・パターン・メッキ処理では、標準的なプローブ・カード７と基本的に同じデザインのプローブ・カード７が生成される。ただし、この新しい処理技術では、プローブ針８の生産が自動化されてプローブ針８の手作業での生産が避けられるようである。上の記事には、また、図５に示すようにプローブ針８に最も近い端部で曲げられるプローブ・カード７が開示されている。プローブ・カード７を曲げることによって、プローブ針８がある角度でコンタクト・パッド３に接触できるようになる。プローブ・カード７がプローブ針８を押してコンタクト・パッド３の中に入り込むようにすると、機械的に擦る動作が生じ、それによってプローブ針８がコンタクト・パッド３の上表面に形成されている酸化物を破り抜けるようになる。しかし、標準的なプローブ・カード７は、すべて、線形に配列したコンタクト・パッド３を試験することに限られている。
発明の概要
したがって、本発明は、はんだバンプ・フリップチップ・ボンディングを高速かつ容易に行なうことができ、しかも均一なはんだバンプあるいは均一な接触圧力を生成する必要のないスプリング・コンタクトを提供するものである。本発明は、また、はんだバンプ・フリップチップ・ボンディングより細かいピッチのコンタクト・アレーを提供するものである。
本発明は、さらに、コンタクト・パッドの高さや接触圧力の不均等さ、熱の不均等さ、あるいは機械的衝撃があっても、スプリング・コンタクトがコンタクト・パッドとの物理的接触を維持できる弾性を有するスプリング・コンタクトを提供するものである。
本発明は、また、スプリング・コンタクトが応力勾配を有し、それによってスプリング・コンタクトが基板から離れるように曲げられ、そのためにコンタクト・パッドに合った形で接触する弾性を有するスプリング・コンタクトを提供するものである。
本発明は、さらに、標準的なプローブ針の代わりにスプリング・コンタクトを有するプローブ・カードおよび該プローブ・カードの生産方法を提供するものである。
本発明のスプリング・コンタクトは、薄い金属のストリップ（strip）で形成され、この金属のストリップは、部分的に基板に固定され、また基板上のコンタクト・パッドに電気的に接続される。金属のストリップの基板に固定されない自由な部分は、基板から離れるように上に曲がる。素子上のコンタクト・パッドをこの金属のストリップの自由な部分を押すように接触させると、この自由な部分が変形し、コンタクト・パッドに合った形で接触する。この金属のストリップは、導電性があるかあるいは導電性材料で被覆されているので、基板上のコンタクト・パッドは、スプリング・コンタクトを介して素子上のコンタクト・パッドと電気的に接続される。
【図面の簡単な説明】
以下、添付の図面を参照して本発明を説明する。図面中、同様な部分は同じ参照番号で示す。
図１は、基板に接合したチップ・ワイヤを示す。
図２は、基板に接合したチップ・タブを示す。
図３は、基板に接合したチップはんだバンプ・フリップチップを示す。
図４は、電子素子に接触するプローブ・カードを示す。
図５は、角度のついたプローブ針を有するプローブ・カードを示す。
図６は、変形していない自由な状態にあるスプリング・コンタクトおよびコンタクト・パッドと接触して変形した他のスプリング・コンタクトを示す。
図７は、応力勾配のない金属のストリップを示す。
図８は、応力勾配によるスプリング・コンタクトの曲率を求めるためのモデルを示す。
図９は、スプリング・コンタクトの先端に加えられる反作用の力の大きさを求めるためのモデルを示す。
図１０は、本発明にもとづくスプリング・コンタクトを形成する方法の第一の工程を示す。
図１１は、本発明にもとづくスプリング・コンタクトを形成する方法の図１０に示した工程に続く工程を示す。
図１２は、本発明にもとづくスプリング・コンタクトを形成する方法の図１１に示した工程に続く工程を示す。
図１３は、本発明にもとづくスプリング・コンタクトを形成する方法の最終工程を示す。
図１４は、スパッタリングで溶着したニッケル・ジルコニウム合金内のプラズマ・ガス圧の関数としての膜応力を示すグラフである。
図１５は、スプリング・コンタクトの平面図である。
図１６は、複数のスプリング・コンタクト対の接触抵抗を試験するための装置である。
図１７は、複数のスプリング・コンタクト対の検出された抵抗を示すグラフである。
図１８は、コンタクト・パッドと基板の間の距離の関数としてのスプリング・コンタクトの接触抵抗を示すグラフである。
図１９は、平坦な端部を有するスプリング・コンタクトである。
図２０は、尖った端部を有するスプリング・コンタクトである。
図２１は、先端に二つの尖りを有するスプリング・コンタクトである。
図２２は、先端に多数の尖りを有するスプリング・コンタクトである。
図２３は、先端に変形自在なタブを有するスプリング・コンタクトである。
図２４は、コンタクト・パッドに押しつけられて変形したタブ端部を有するスプリング・コンタクトを示す。
図２５は、基板に電気的に接合させた複数のスプリング・コンタクトを有するチップである。
図２６は、ダストカバーに接合させ、また複数のスプリング・コンタクトおよびダストカバーを有する基板に電気的に接触させたチップである。
図２６は、ダストカバーに接合させ、また複数のスプリング・コンタクトを有する基板に電気的に接触させたチップである。
図２７は、基板に接合させ、また基板上の複数のスプリング・コンタクトに電気的に接触させたチップである。
図２８は、複数のスプリング・コンタクトを有する中間ウエハーを介して基板に電気的に接着させたチップである。
図２９は、電気素子を試験するために用いられる複数のスプリング・コンタクトを有するプローブ・カードである。
図３０は、液晶表示装置および該表示装置の動作を試験するための装置である。
好ましい実施形態の詳細な説明
図６は、複数のスプリング・コンタクト１５を有するボンディング構造１００の側面図である。各スプリング・コンタクト１５は、自由部分１１と絶縁性下層１３に固定されると共に、コンタクト・パッド３に電気的に接続された固定部分１２を有する。各スプリング・コンタクト１５は、クロム・モリブデン合金あるいはニッケル・ジルコニウム合金などのきわめて弾性のある材料でつくられる。好ましくは、スプリング・コンタクト１５は、弾性があって導電性の材料で形成されるが、導電性材料で被覆またはメッキされる場合には、不導電性または半導電性材料で形成することもできる。より好ましくは、スプリング・コンタクト１５は、ジルコニウムを１％含むニッケル・ジルコニウム合金で形成される。ジルコニウムは、ニッケルの導電性を大きく低下させることなく合金の弾性を高めるようにニッケルが加えられる。弾性材料に導電性がない場合には、少なくとも片側を金属または合金などの導電性材料で被覆する。
コンタクト・パッド３は、基板１４またはトランジスタ、表示電極、または他の電気的素子などの素子１０１上に形成された電子素子と電気的に導通する導通線の末端を構成する。コンタクト・パッド３は、通常、アルミニウムでつくられるが、他の任意の導電性材料でつくることもできる。素子１０１上のコンタクト・パッド３がアルミニウムでつくられる場合、コンタクト・パッド３は、好ましくは金、酸化インジウム錫、またはニッケルなどの導電性材料で被覆される。コンタクト・パッド３が被覆されていない場合、被覆されていないコンタクト・パッド３を「擦って」、当該被覆されていないコンタクト・パッド３上に形成された酸化アルミニウムを突き抜けるような事態が発生するが、前記被覆によって、前述のような事態が生じないので、コンタクト・スプリング１５は、コンタクト・パッド３とより良好な電気的接触を行うことができる。絶縁性下層１３は、窒化シリコンまたは他のエッチング可能な絶縁性材料でつくられる。ただし、絶縁性下層１３は、必要なものではなくこれをなくすこともできる。絶縁性下層１３とコンタクト・パッド３は、やはり酸化シリコンまたはガラスなどの絶縁性材料でつくられる基板１４の上または表面に形成される。
図７に示すように、内部に内在する応力勾配をもたない金属のストリップは、平坦な状態をとる。しかし、図８に示すように、このストリップが弧状に曲げられると、ストリップの中に均一の応力勾配Δσ／ｈが導入される。平坦な金属のストリップの中にこのような均一の応力勾配が導入されると、金属のストリップは弧状に曲がる。
各スプリング・コンタクト１５は、該スプリング・コンタクト１５の中に応力勾配Δσ／ｈが導入されるように形成される。スプリング・コンタクト１５が形成されるときには、該金属層の上方部分の中には圧縮応力が生じ、また金属層の下方部分の中には引っ張り応力が生じるようにスプリング・コンタクト１５を含む金属層が溶着（deposited）によって形成される。金属層の上方部分の中の圧縮応力は、内側に向いた矢印で示されている。金属層の下方部分の中の引っ張り応力は、外側に向いた矢印で示されている。応力勾配Δσ／ｈによって、スプリング・コンタクト１５は、半径ｒの弧状に曲がる。スプリング・コンタクト１５の曲率半径ｒは、式１によってあたえられる。
0003795922.tif 000002
ただし、Ｙは金属のヤング率、ｈはスプリング・コンタクト１５を形成する金属層の厚さ、Δσは全応力差、ｖは金属のポアソン比である。
再び図６を参照して、ｒは、式１で予測されるスプリング・コンタクト１５の自由部分１１の曲率半径であり、Θは、自由部分１１と固定部分１２の境界に向かう半径の線と自由部分１１の先端３０に向かう半径の線の間の角度である。Θ＜５０°の場合、基板１４からスプリング・コンタクトの先端３０までのおおよその高さｂは、式２によってあたえられる。
0003795922.tif 000003
ただし、Ｌは自由部分１１の長さ、ｒは自由部分１１の曲率半径である。
各スプリング・コンタクト１５は、好ましくはきわめて弾性のある材料でつくられるため、各スプリング・コンタクト１５は、図６に示すように先端３０で下方に押し下げることができ、塑性変形することはない。通常、素子１０１のコンタクト・パッド３は、先端３０に下方に向かう力を加えて該先端３０と弾性的に接触する。スプリング・コンタクト１５は、先端３０に加えられた下方に向かう力に抵抗し、コンタクト・パッド３との電気的接触を保つ。
先端３０に加えられた力が除かれると、スプリング・コンタクトは、変形しない状態に戻る。したがって、スプリング・コンタクトの先端３０とコンタクト・パッド３の完全な電気的接続が維持される間は、スプリング・コンタクト１５の弾性によって、該スプリング・コンタクト１５は、異なるコンタクト・パッド３と連続的に多数の電気的接続を行なうことができる。
さらに、スプリング・コンタクト１５は、好ましくはクリープ抵抗のある材料でつくられる。その場合には、スプリング・コンタクト１５がスプリング・コンタクトの先端３０を下方に押しつけるコンタクト・パッド３によって長期間弾性変形させられると、該スプリング・コンタクト１５が下方に向かう力に抵抗して該スプリング・コンタクトの先端３０をコンタクト・パッド３に押しつけ、電気的接続を維持する。
図９は、スプリング・コンタクトの先端３０を下方に押しつけるコンタクト・パッド３の力に対する反作用として、スプリング・コンタクトの先端３０がコンタクト・パッド３に加える力Ｆtipの大きさを求めるモデルを示す。スプリング・コンタクトの先端３０の反作用の力Ｆtipは、式３によってあたえられる。
0003795922.tif 000004
ただし、ｗはスプリング・コンタクト１５の幅、ｈはスプリング・コンタクト１５の厚さ、Δσは全応力差、ｘはスプリング・コンタクトの先端３０からスプリング・コンタクト１５が最初に基板１４に接触する点までの水平距離である。
幅ｗ、厚さｈ、および応力差Δσがあたえられれば、先端３０の反作用の力Ｆtipは、距離ｘに反比例して変化する。従って、図６に示すようにスプリング・コンタクト１５が伸びて基板１４を押しつけるようになると距離ｘが減少するから、スプリング・コンタクトの先端３０が基板１４に近づけば近づくほど、反作用の力Ｆtipは増大する。コンタクト・パッド３がスプリング・コンタクトの先端３０を基板１４に近づくように押しつけて反作用の力Ｆtipが増大すると、一般的には、スプリング・コンタクトの先端３０とコンタクト・パッド３の間の電気的接続がよくなる。反作用の力Ｆtipの増大は、スプリング・コンタクトの先端３０および／またはコンタクト・パッド３を接触部分で局所的に変形させ、コンタクト・パッド３とスプリング・コンタクトの先端３０の間の接触面積を増大させる。
図１０−１３は、スプリング・コンタクト１５を形成する基本的な工程を示す。図１０では、基板１４の上または表面にコンタクト・パッド３が形成される。さらに、基板１４の上または表面には絶縁下層１３も形成されるが、上に述べたように、この絶縁下層１３は、必要なものではなくこれをなくすこともできる。
図１１では、基板１４の上または表面に金属層１６が溶着される。本発明の好ましい実施形態にあっては、金属は、上に述べたようにニッケル・ジルコニウム合金である。金属層１６の一部分は、コンタクト・パッド３に電気的に接続されまたは直接接触しており、金属層１６の他の部分は、絶縁層１３の上または表面に溶着される。基板１４の上または表面に金属層１６を溶着させるために利用可能な方法には、電子ビーム溶着法、熱蒸着法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、スパッタ溶着法を含めて多くのものがある。好ましくは、金属層１６は、スパッタ溶着法で形成される。
金属をスパッタ溶着させる場合には、ターゲットと呼ばれる金属板が高い負の電位にされて通常１ないし１００ｍＴｏｒｒの低圧ガス内に置かれた陰極上に配置される。これによって、グロー放電プラズマが起こり、そこから加速された陽イオンが発射されて負の電荷をもつターゲットに衝突する。このイオンの衝突によってターゲットから金属原子がからはじき出され、その多くが基板１４などの近くの物体の表面に溶着する。
金属層１６は、いくつかのサブレイア１６−１ないし１６−ｎとして溶着されて最終的な厚さｈになると考えることができる。この最終的な厚さは、約１μｍである。図１１に示すように、金属層の各サブレイア１６−１ないし１６−ｎの中の内在応力を変え、各サブレイア１６−ｘが値の異なる内在応力を示すようにすることによって、金属層１６の中に応力勾配Δσ／ｈを得ることができる。
溶着された金属層１６の各サブレイア１６−ｘの中には、スパッタ溶着中に反応性ガスをプラズマに加える、ある角度で金属を溶着させる、あるいはプラズマ・ガスの圧力を変化させるなどさまざまな方法で異なる応力値を得ることができる。好ましくは、プラズマ・ガスの圧力を変化させることによって金属層１６の中に異なる応力値が導入することがよい。プラズマ・ガスは、好ましくはアルゴンである。
図１４は、スパッタ溶着させたニッケル・ジルコニウム合金の中の膜応力と溶着に用いたプラズマ・ガスの圧力の間の関係の代表例を示す。プラズマ・ガスの圧力が約１ｍＴｏｒｒと低い場合には、溶着した金属の中の膜応力は、圧縮性である。プラズマ・ガスの圧力が増大すると、溶着したサブレイアの中の膜応力が引っ張り応力に変化し、プラズマ・ガス圧の増大にともなってその応力も増大する。
好ましくは、金属層１６は、五つのサブレイア１６−１ないし１６−５で溶着される。第一のサブレイア１６−１は、１ｍＴｏｒｒのプラズマ・ガス圧で溶着される。第一のサブレイア１６−１は、金属層１６の中の最も下層であり、図１４に数字の１で示すように内在の圧縮応力を有する。第二のサブレイア１６−２は、約６ｍＴｏｒｒのプラズマ・ガス圧で第一のサブレイア１６−１の上に溶着される。この第二のサブレイア１６−２は、図１４に数字の２で示すように小さい内在の引っ張り応力を有する。その後、サブレイア１６−３、１６−４、および１６−５は、図１４に数字の３、４、および５で示すプラズマ・ガス圧で、順次、前のサブレイアの上に溶着される。
このように五つの個別のサブレイア１６−１ないし１６−５として金属層１６を溶着させる方法によって、金属層１６の下方部分では圧縮性であり、金属層１６の上層部に向かうにしたがって引っ張り性が増大する応力勾配Δσ／ｈを有する金属層１６が得られる。応力勾配Δσ／ｈによって、金属層１６は弧状に曲がるように付勢されるが、金属層１６は、絶縁下層１３に付着し、したがって基板１４とコンタクト・バット３は平坦な状態を保つ。
金属層１６が溶着によって得られた後、金属層１６は、フォトリソグラフィーでパターニングされたスプリング・コンタクト１５となる。フォトリソグラフィーによるパターニングは、公知の方法であり、半導体チップ産業では日常的に用いられている方法である。まず、ポジの感光性レジスト１７が金属層１６の上面に塗布され、９０℃でソフトベークしてレジストに含まれる溶剤を除去する。感光性レジスト１７を適当なパターン上で紫外線に露光させ、現像する。レジスト１７の露光部分は、現像中に除去され、残ったレジスト１７が１２０℃でハードベークされる。次に、ウエットまたはプラズマ・エッチングによって金属層１６の露光部分を除去する。エッチングの後に残った金属層１６の部分が、スプリング・コンタクト１５を形成する。図１５は、一つのスプリング・コンタクト１５の平面図を示す。金属層１６のエッチングで除去された部分は、破線１８で示されている。
次に、図１２に示すように、アンダーカット・エッチングと呼ばれる方法によって、スプリング・コンタクト１５の自由部分１１が絶縁下層１３から解放される。この自由部分１１が絶縁下層１３から解放されるまで、該自由部分１１は、絶縁下層１３に付着しており、スプリング・コンタクト１５は、基板１４上で平坦な状態にとどまっている。スプリング・コンタクト１５を基板１４または絶縁下層１３から解放する方法は二つある。第一の方法は、通常は窒化シリコンである絶縁下層１３を２００−２５０℃の温度でプラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）によって溶着されるものである。これによって、高いエッチング速度で絶縁下層１３が得られる。次に、金属層１６を溶着させる前にこの絶縁下層１３を島状にプリパターニングし、その上にスプリング・コンタクト１５を形成する。絶縁下層１３の島の上または表面にスプリング・コンタクト１５を形成した後、選択性エッチャントを用いて島をエッチングすることによってスプリング・コンタクト１５が絶縁下層１３から解放される。選択性エッチャントは、通常、ＨＦ溶液である。このエッチャントは、それがスプリング・コンタクト１５から金属を除去するより早く絶縁下層１３をエッチングするために選択性エッチャントと呼ばれる。この結果、スプリング・コンタクト１５が絶縁下層１３から解放され、該スプリング・コンタクト１５内の応力勾配Δσ／ｈのために絶縁下層１３から離れるように上方へ曲がることができるようになる。島は、はんだまたはプラスチック等の低溶融温度の材料で形成することもできる。スプリング・コンタクト１５が形成されたら、低溶融温度の材料を加熱して、スプリング・コンタクト１５が解放されるようにする。
スプリング・コンタクト１５を解放する第二の方法では、絶縁下層１３を使用する場合でもこの絶縁下層１３を島状にプリパターニングしない。その代わり、スプリング・コンタクト１５が形成された後、該スプリング・コンタクト１５および周囲の部分の上にＰＥＣＶＤによってシリコンオキシニトリドなどのパッシベーション層が溶着される。このパッシベーション層をパターニングして、図１５に斜線で示したような窓を形成し、スプリング・コンタクト１５の自由部分１１と絶縁下層１３の周囲部分が露出するようにする。次に、同じ選択性エッチャントすなわちＨＦ溶液を用いて絶縁下層１３をエッチングし、スプリング・コンタクト１５を解放する。この方法では、スプリング・コンタクト１５の金属の固定部分１２の縁部に不連続な段差が生じず、固定部分１２上に絶縁カバーが残される。この絶縁カバーは、固定部分１２を短絡から保護し、また固定部分１２を基板１４上に保持するのに役立つ。
スプリング・コンタクト１５の自由部分１１の下の絶縁下層１３の部分だけが、エッチングでえぐりとられる（under-cut）。各スプリング・コンタクト１５形成のために絶縁下層１３のエッチングでえぐりとられる部分は、図１５に斜線で示されている。これによって、スプリング・コンタクト１５の固定部分１２は、絶縁下層１３に固定されたまま残り、引っ張られても絶縁下層１３から離れることはない。金属層１６をパターニングしてスプリング・コンタクト１５を形成する方法によって金属層１６にアニーリングが生じてはならないことは理解されよう。
必要な場合には、エッチングでえぐりとる処理に工程を付加して処理の結果を改善することも可能である。例えば、スプリング・コンタクト１５の自由部分１１の中に、エッチングでエッチャントの通路あるいは小さい窓を形成することもできる。このようなエッチャントの通路を形成することによって、選択性エッチャントがより迅速に絶縁下層１３にアクセスすることが可能となり、それによって絶縁下層１３から自由部分１１を解放する処理がスピードアップされる。また、例えばシリコン製のハードマスクをスプリング・コンタクト１５の上面に当て、スプリング・コンタクト１５のパターニングの間にスプリング・コンタクト１５の上面を保護している感光性材料１７が損傷しても、エッチャントによってスプリング・コンタクト１５の上面から材料が除去されることがないようにすることもできる。
絶縁下層１３から自由部分１１が解放されると、応力勾配Δσ／ｈによって該自由部分１１が基板１４から離れて上方に曲がる。応力勾配Δσ／ｈは、いぜん固定部分１２内には内在し、該固定部分１２を基板１４から引き離すように付勢する。
固定部分１２が基板から引き離される可能性を少なくするために、スプリング・コンタクト１５をアニーリングして固定部分１２内の応力を逃がすこともできる。自由部分が解放されて上方に曲がってしまえば、該自由部分１１にはアニーリングによって逃がされる応力は残っていないので、自由部分１１がこのアニーリング処理による影響を受けることはない。したがって、自由部分１１は、アニーリングの後も、基板１４から離れて上方に湾曲した状態を保つ。
最後に、図１３は、各スプリング・コンタクト１５の外表面上にメッキされた金の層１９を示す。スプリング・コンタクト１５内の抵抗を減少させるために好ましくは金の層１９が用いられるが、他の導伝材料で置換することもできる。好ましくは、金の層１９は、無電解メッキ法を用いてスプリング・コンタクト１５上にメッキされる。
スプリング・コンタクト１５を形成する方法は、フォトリソグラフィー・パターニングの設計ルール以外の制限を受けないため、基板１４上の比較的小さい部分に数百数千のスプリング・コンタクト１５を密集させて形成することができる。スプリング・コンタクト１５の通常の幅ｗは、１０−１００μｍである。したがって、スプリング・コンタクト１５は、約１０−２０μｍの間隔で密集させて形成することができる。これによって、隣接するスプリング・コンタクト１５の中心間の距離は、約２０−１２０μｍとなる。これは、標準的な半導体チップ２上の隣接するコンタクト・パッド３の中心間の距離以内あるいは以下である。
はんだバンプ・フリップチップ・ボンディングの場合と同様な用途でのスプリング・コンタクト１５の効果を試験するために、図１６に示すような中心間の間隔が８０μｍのスプリング・コンタクト１５のテスト・アレーを開発した。底部基板２１上には４組のアレー２０を形成した。上方基板２３上にはリンクさせたコンタクト・パッド２２の対応する４組のアレーを形成した。スプリング・コンタクト１５が対応するコンタクト・パッド３に接触するように上方基板２３と下方基板２１を合わせた。その後、対のスプリング・コンタクト１５のリードの間の抵抗Ｒを測定した。
図１７は、試験装置における各スプリング・コンタクト対の抵抗Ｒの測定値を示すグラフである。各アレーの右側に配置されたスプリング・コンタクト１５の導線の長さが左側に配置されたスプリング・コンタクト１５の導線の長さに比較して長いため、各アレー内の抵抗Ｒの測定値は、左から右に移るにしたがって上昇する傾向を示す。スプリング・コンタクト１５と抵抗Ｒの測定点の間に伸びる導線の長さおよび形状から、各スプリング・コンタクト１５対の抵抗の測定値は、ほとんどが約２５−３０オームであった。
図１８は、４点測定法を用いて図１７に示す抵抗Ｒの大部分を除去したスプリング・コンタクト１５と対応するコンタクト・パッド３の間の接続の全抵抗を示す。図１８に示すように、抵抗の約１．３オームは、コンタクト・パッド３とスプリング・コンタクト１５のリード線によるものである。抵抗の約０．２オームは、スプリング・コンタクトの先端３０の形状によるものである。ｂ＜８０μｍの場合の抵抗の残る約０．１オームは、コンタクト・パッド３とスプリング・コンタクトの先端３０の間のインターフェースでの抵抗である。
一般に、コンタクト・パッド３とスプリング・コンタクトの先端３０の間のインターフェースでの抵抗は、高さｂが減少すると減少する。上に述べたように、スプリング・コンタクトの先端３０がコンタクト・パッド３に及ぼす反作用の力Ｆtipは、コンタクト・パッド３がスプリング・コンタクトの先端３０を押して基板１４に近づけられるほど増大する。反作用の力Ｆtipが増大すると、スプリング・コンタクトの先端３０がコンタクト・パッド３で局所的に変形し、それによって接触面積が増大し、インターフェースでの抵抗が減少する。
スプリング・コンタクトの先端３０は、用途に応じて異なる形状をとることができる。スプリング・コンタクト１５は、フォトリソグラフィーでパターニングされるため、スプリング・コンタクトの先端３０は、容易にさまざまな形状に形成することができる。図１９は、平坦な端部を有するスプリング・コンタクトの先端３０を示す。図２０に示すスプリング・コンタクトの先端３０は、尖った端部を有し、これによって、スプリング・コンタクト１５から受ける力Ｆtipは、コンタクト・パッド３上の一点に集中することになる。この尖った形状は、コンタクト・パッド３上になんらかの酸化物が存在する場合には、スプリング・コンタクトの先端３０がそれを破り抜くのに役立つ。図２１および２２は、接触の冗長性が求められる用途のための多数の尖りを有するスプリング・コンタクトの先端３０を示す。図２３は、変形自在なタブを有するスプリング・コンタクトの先端３０を示す。この変形自在なタブは、スプリング・コンタクト１５によって先端３０がコンタクト・パッド３に押しつけられると、図２４に示すように変形してコンタクト・パッド３との接触面積が増大する。
スプリング・コンタクトの先端３０とコンタクト・パッド３の間の接触抵抗を少なくするために使用される他の方法も存在する。スプリング・コンタクトの先端３０を超音波でコンタクト・パッド３に合うようにスクラブして接触面積を増大させることもできる。また、スプリング・コンタクトの先端３０とコンタクト・パッド３をはんだで被覆し、先端３０とコンタクト・パッド３を互いに接触させた後に該はんだを溶融する方法もある。はんだを溶融させると、スプリング・コンタクト１５がコンタクト・パッド３に接着する。
上に述べたように、スプリング・コンタクト１５の生産はフォトリソグラフィー・パターニングの設計ルールに制約されるだけなので、スプリング・コンタクト１５は、多くの異なる種類の素子を相互接続するために用いることができる。例えば、図２５は、本発明の好ましい一実施形態を示す。スプリング・コンタクト１５は、チップ２の下面に形成される。スプリング・コンタクト１５は、基板１４上の対応するコンタクト・パッド３と接触する。接着剤は、チップ２を基板１４に対して静止状態に保持する。図２６は、基板１４の上面に形成された複数のスプリング・コンタクト１５を有する基板１４を示す。チップ２の下面に形成されたコンタクト・パッド３は、基板１４上の対応するスプリング・コンタクト１５と電気的に接続される。接着剤２４は、チップ２を覆っているダストカバーまたは缶２５に対して静止状態に保持し、基板１４に対してダストカバー２５を密着（密閉）させる。このダストカバー２５は、湿気および他の異物がスプリング・コンタクト１５またはコンタクト・パッド３を腐食しないようにし、また他のなんらかの形で個々のスプリング・コンタクト１５と対応するコンタクト・パッド３の間の電気的接続を妨害しないようにする。オプションの冷却フィン５０およびダストカバー２５は、チップ２を冷却するヒートシンクの役割を果たす。図２７は、図２６に示す実施形態の他の形態を示す。接着剤２４は、チップ２を基板１４に対して静止状態に保持する。ただし、この場合のダストカバー２５は、ヒートシンクの役割を果たさない。
図２８は、二つの素子を電気的に接続するための接続素子の他の一実施形態を示す。図示のウエハー２６は、ウエハー２６の対向する側部に形成された複数のスプリング・コンタクト１５を有する。ウエハー２６の対向する側部のスプリング・コンタクト１５の対は、ウエハー２６内にエッチングされた通路を介して互いに連通し、またチップ２上と基板１４上の両方のコンタクト・パッド３を電気的に接続する。本発明のこの実施形態は、スプリング・コンタクト１５に損傷をあたえる危険なしにチップ２と基板１４を処理することを可能にするものである。チップ２および基板１４上でのすべての処理が完了した後はじめて、ウエハー２６がチップ２と基板１４を相互接続するために用いられる。
スプリング・コンタクト１５の用途は、チップ２を基板１４または回路基板と相互接続することに限定されるものではない。スプリング・コンタクト１５は、また、二つのチップ２、二つの回路基板、または他の電子素子を互いに相互接続するためにも好適に用いられる。二つの用途例を挙げると、ドライバ・チップの画像表面装置への実装、コンピュータのためのマルチチップ・モジュール（ＭＣＭ’ｓ）の組み立てがある。他に、スプリング・コネクタ１５のプローブ・カードとしての使用がある。上に述べたように、二つの素子の一方を試験する場合、二つの素子を一時的に接続するために、通常、プローブ・カード７が用いられる。この種の試験は、半導体産業では一般的な試験であり、チップが単結晶シリコン・ウエハーの一部に過ぎない場合には、プローブ・カード７を用いて半導体チップの試験が行なわれる。
図２９は、プローブ・カード２７が標準的なプローブ針８の代わりにスプリング・コンタクト１５のアレーを有する本発明の一実施形態を示す。このプローブ・カード２７は、スプリング・コンタクト１５を有すること以外、機能的には標準的なプローブ・カード７と同じである。プローブ・カード２７は、スプリング・コンタクト１５が素子１０上の対応するコンタクト・パッド３と適正に接触するように素子１０と位置合わせされる。次に、素子１０を、プローブ・カード２７に電気的に接続された試験装置を用いて試験しあるいは該装置と導通させる。
図３０は、試験装置の例を示すが、この装置は、本出願と同時出願のＪＡＯ３４０５３により詳細に説明されている。表示パターン発生装置４０は、二枚の広幅のプローブ・カード２７上に取り付けられたドライバ・チップ４２と導通している。プローブ・カード２７は、スプリング・コンタクト１５を有し、これらスプリング・コンタクト１５は、表示プレート４４上に形成された関連するアドレス指定線４３に接触している。アドレス指定線４３は、表示電極（図示せず）と導通している。したがって、表示パターン発生装置４０は、表示電極を駆動して試験映像に対応する電位のマトリックスを生成することができる。センサー・プレート４５上のセンサー（図示せず）は、表示電極上の電位のマトリックスを検出し、該各電位に対応する信号を生成する。これらの信号は、センサー・プレート４５上に取り付けられたスキャナー・チップ４６によって読み出される。試験信号アナライザ４１は、スキャナー・チップ４６からの信号を受信し、該信号に対応する検出映像を形成する。次に、試験信号アナライザ４１は、検出映像を表示パターン発生装置４０が出力した試験映像と比較し、表示プレート４４および表示電極が正しく機能しているか否かを判別する。
プローブ針８を有する標準的なプローブ・カード７の生産は、労働集約的で時間のかかる作業であるので、標準的なプローブ・カード７は、通常、表示プレート４４上のアドレス指定線４３のすべてと接触するようにはつくられない。したがって、プローブ・カード７はアドレス指定線４３の全幅に対応することができないため、表示プレート４４の試験は、部分に分けて行なう必要がある。それに対して、スプリング・コンタクト１５を備えたプローブ・カード２７は、生産が容易で費用がかからない。また、スプリング・コンタクト１５を有するプローブ・カード２７は、任意の幅につくることができるため、図３０に示す表示装置等の装置のすべてのデータ線またはアドレス線を一度に試験することができる。
他の例にあっては、ウエハー・スケール試験およびチップ２のバーンイン作業を、単一の半導体ウエハーの一部であるすべてのチップ２の全コンタクト・パッド３と接触している単一のプローブ・カード２７によって行なうことができる。プローブ・カード２７は、試験するウエハー上の各チップ２へまた各チップ２から試験信号を分配するマイクロ回路を含むシリコン・ウエハーとすることもできる。試験信号は、チップ２へ一度にまたは順次分配することができる。
以上、具体的な実施形態によって本発明を説明したが、これらの具体的な実施形態は、本発明を説明するためのものに過ぎないのであって、本発明の範囲を限定するものと理解してはならない。当業者は、以下の請求の範囲に述べる本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他にもさまざまな修正および変更を行なうことができるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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