专利名称：半导体检测装置用接触式探针的制作方法
技术领域：
本发明涉及在导电性基材表面形成非晶碳系导电性皮膜而成的半导体检测装置 用接触式探针，特别是涉及探针与焊料接触时，防止作为焊料主要成分的锡粘着在探针 的接触部，将抗锡粘着性优异的非晶碳系导电性皮膜形成于基材表面而成的半导体检测 装置用接触式探针。
背景技术：
半导体检测装置用接触式探针在半导体检测中，会与作为探针的对方材料的焊 料反复接触，因此，这时就有作为焊料的主要成分的锡粘着在探针的接触部的情况。若 粘着的锡被氧化，则发生阻抗的增大，在检测时引起故障。因此，锡的粘着不仅构成探 针寿命缩短的原因，而且还成为使半导体的生产率降低的原因。
作为着眼于探针自身的表面性和锡对其表面的粘着性的关系的先行技术，例如 在专利文献1中提出有一种技术，其是接触端子的表面粗糙度中最大高度Ry为IOym 以下。在专利文献1中认为，该表面粗糙度能够通过对于接触端子基材表面进行机械、 化学研磨或者干式研磨而达成。此外还认为，虽然在最上面形成着含有金属元素的碳皮 膜，但碳皮膜的表面粗糙度中仍反映出基材表面的形状，而关于碳皮膜自身的表面性状 会对锡粘着性产生的影响则并未进行研究。
另外，作为关于非晶碳系皮膜及其表面性状的先行技术，例如在专利文献2中 提出有一种方法，其是为了控制在电弧离子镀中发生的异物离子的附着、脱离所引起的 表面性状改变，通过形成T字形过滤电弧(filtered arc)来抑制成膜时的异物粒子的发生。 但是，在专利文献2中，并没有提出关于控制以溅射法得到的膜这样的、无异物粒子的 状态下的微细的结构的技术。
先行技术文献
专利文献1特开2007-24613号公报
专利文献2特开2009-6470号公报
从半导体检测装置用探针高寿命化的观点出发，需要在半导体检测时与焊料的 接触中，防止作为焊料主要成分的锡粘着在探针的接触部，但至今为止所做的提案中都 得不到令人满意的答案。
例如在专利文献1中提出的方法是，通过研磨探针基材的表面，使表面粗糙度 中的最大高度Ry为IOym以下。但是，根据本发明者等人员的研究可知，在基材上形 成皮膜时，皮膜表面的表面性状会对锡粘着性造成影响，即使在Ry满足IOym以下的表 面粗糙度的区域，由于皮膜制作时的条件等，锡的粘着仍构成问题。发明内容
本发明鉴于这样的课题而做，其目的在于，提供一种半导体检测装置用接触式 探针，其是在导电性基材表面形成非晶碳导电性皮膜而成的半导体检测装置用接触式探3针，在探针与焊料接触时，防止作为焊料主要成分的锡粘着在探针的接触部，将抗锡粘 着性优异的非晶碳系导电性皮膜形成于基材表面而成。
本发明者等人员就形成于半导体检测装置用探针表面的皮膜的表面性状和抗锡 粘着性的关系进行研究，在此过程中着眼于以往未经研究的、皮膜的微细区域的表面性 状带给抗锡粘着性的影响，发现通过控制皮膜的微细区域的表面性状参数，抗锡粘着性 得到显著改善，从而达成本发明。
即，本发明的一个方面，是在导电性基材表面形成非晶碳系导电性皮膜而成的 半导体检测装置用接触式探针，其特征在于，所述非晶碳系导电性皮膜具有如下外表 面在原子力显微镜下4μιη2的扫描范围中，表面粗糙度(Ra)为6.0nm以下，均方根斜 率(RAq)为0. 以下，表面形态的凸部的前端曲率半径的平均值(R)为ISOnm以上。
据此结构，导电性基材表面所形成的非晶碳系导电性皮膜，在检测外表面的微 细的凹凸并可对表面性状进行适当的评价的扫描范围内，因为3个表面性状参数都被控 制在上述既定的数值范围，所以能够显著降低锡对所述非晶碳系导电性皮膜的外表面的 粘着性，由此，能够降低半导体检测装置用接触式探针的故障发生，实现高寿命化。
另外，所述半导体检测装置用接触式探针，优选在探针的导电性基材表面和所 述非晶碳系导电性皮膜之间具有中间层，所述中间层含有金属元素，厚度为5 600nm。 据此结构，中间层所含的金属的晶粒的生长受到抑制，因此能够减小在中间层上所形成 的非晶碳系导电性皮膜的外表面的凹凸，另外还能够确保与探针基材的附着性。
另外，在所述半导体检测装置用接触式探针中，从维持接触效果并且减小非晶 碳系导电性皮膜表面的凹凸的观点出发，优选所述中间层和所述非晶碳系导电性皮膜合 并的厚度为50 2000nm。
另外，优选所述中间层具有第一中间层和第二中间层，第一中间层由金属元素 构成，第二中间层含有所述金属元素和碳，并具有如下梯度组成金属元素相对于碳的 原子数的比例，在从基材表面朝向非晶碳系导电性皮膜的厚度方向上减少，所述第二中 间层被形成于所述第一中间层和所述非晶碳系导电性皮膜之间。据此结构，能够进一步 强化非晶碳系导电性皮膜对探针基材表面的附着性。
根据发明，半导体检测装置用接触探针的导电性基材表面所形成的非晶碳系导 电性皮膜，能够在探针与焊料接触时，使作为焊料的主要成分的锡粘着在探针的接触部 的锡粘着性显著降低，由此，能够降低半导体检测装置用接触式探针的故障发生，实现 高寿命化。
图1是表示通过溅射法，用于将本实施方式的非晶碳系导电性皮膜形成在基板 表面之上的溅射室内的结构的模式图。
符号说明
1真空室
2金属靶材
3钨丝/碳复合靶材
4基板平台
5基板载座
6玻璃基板具体实施方式
[实施方式1]
本发明的一个方向，是在探针的导电性基材的表面形成非晶碳系导电性皮膜而 成的半导体检测装置用接触式探针。首先，在实施方式1中，对于在导电性基材的表面 上直接形成非晶碳系导电性皮膜的实施方式进行说明，即，对在导电性基材表面和所述 非晶碳系导电性皮膜之间没有设置后述的中间层的实施方式进行说明。
本实施方式的非晶碳系导电性皮膜，具有如下外表面在原子力显微镜下 4μ m2的扫描范围中，表面粗糙度(Ra)为6.0nm以下，均方根斜率(RAq)为0. 以下， 表面形态的凸部的前端曲率半径的平均值(R)为ISOnm以上。
在本实施方式中，之所以将检测非晶碳系导电性皮膜的所述表面性状参数的外 表面的范围作为原子力显微镜下4μιη2的扫描范围，是出于以下理由。
根据前述专利文献1，所公开的技术是通过研磨探针的基材，使基材的表面粗糙 度中最大高度Ry为IOym以下。在专利文献1中，是利用激光显微镜以139X277像素 测定IOOymX 200 μ m的范围而求得Ry。因此，会以大约720nm的间隔进行测定，而在 此以下的凹凸形状被错过。相对于此，在本实施方式中使用的利用原子力显微镜(AFM) 进行的2μιηΧ2μιη的测定中，数据点数在X方向为512点，在Y方向为256点，由此， 即使以256点计算，也是以7.8nm的间隔进行测定。因此根据AFM，对于激光显微镜不 能进行检测的微细的凹凸也能够进行检测。
关于AFM的扫描区域的大�。缰灰�10 μ mX 10 μ m以下，便可以进行表 面性状的评价，但是若区域变大而超过2 μ mX 2 μ m，则容易受到基材的影响或污染物的 影响，有可能不能进行适当的评价。另外，低于211111\211111，例如为IymX Iym时， 表面的凹凸数量不充分，因此由测定位置导致各表面性状参数产生偏差的可能性高。因 此，将2μιηΧ2μιη = 4μιη2的区域作为扫描范围，能够适当地对非晶碳系导电性皮膜的 表面性状进行评价。
其次，对于非晶碳系导电性皮膜的外表面的所述表面性状参数进行说明。本发 明者等人员对于各种表面性状参数和锡粘着性的关系进行研究，根据研究结果可知，表 面粗糙度(Ra)、均方根斜率(RAq)和表面形态的凸部的前端曲率半径的平均值(R)这3 个表面性状参数，会对锡粘着性造成巨大的影响。
本实施方式的表面粗糙度(Ra)，是以三维求得JIS Β0601所定义的算术平均粗 糙度，是将从基准面至指定面的偏差的绝对值加以平均的值。另外，本实施的方式的均 方根斜率(RAq)是以三维求得JIS Β0601所定义的均方根斜率的值，该值表示粗糙的梯 度，越是光滑，RAq越小。此外，本实施方式中的表面形状的凸部的前端曲率半径的平 均值(R)，是针对表面形状的凸部求得曲率半径，并将各个值加以平均的值。
这些表面性状的参数，例如能够以如下方式计算。即，作为图像数据，能够使 用的图像数据是，使用AFM装置611社制SPI4000，针对2 μ mX2 μ m的扫描范围中的 图像，以附属于该装置的表面处理软件，在X方向(512像素)、Y方向056像素)这5两个方向实施了平均倾斜度校正的图像数据。各参数能够以处理软件(ProAna3D)进行 处理而计算。还有，ProAna3D能够从以下的URL获得http//www 13.plala.or.jp/Uchi/ ProgFramel .html。
关于表面粗糙度(Ra)和均方根斜率(RA q)(由于在ProAna3D中为二维数据， 所以分别表示为Sa和SAq)，能够采用在X方向、Y方向这两个方向实施了平均倾斜 度校正的图像数据进行处理。关于表面形态的凸部的前端曲率半径的平均值(R)，能 够采用在X方向、Y方向这两个方向实施了平均倾斜度校正的图像数据，在处理软件 (ProAna3D)中实施使负荷面积率(突起部相对于整体的面积)成为20%的处理后求得R 值。关于曲率半径，在软件中是将凸部作为椭圆形而求得长轴和短轴，但是长轴方向求 得的是许多粒子撞击的状态下的曲率半径，由于存在这种情况，可以将短轴的曲率半径 作为前端曲率半径的平均值(R)。
在本实施方式中，非晶碳系导电性皮膜的外表面的表面粗糙度(Ra)为6.0nm以 下。若表面粗糙度(Ra)超过6.0nm，则锡的粘着量变得过多，在实际的探针使用时容易 成为问题。更优选Ra为5.0nm以下，进一步优选为2.5nm以下，最优选1.Onm以下。 Ra越接近0，锡的粘着量越�。虼硕杂赗a的下限值没有特别限定。
在本实施方式中，非晶碳系导电性皮膜的外表面的均方根斜率(RAq)为0. 以 下。若均方根斜率(RAq)超过(U8，则锡的粘着量有过多的倾向，因此存在实际的探针 使用时成为问题的情况。更优选R Aq为0.20以下，进一步优选为0.15以下，最优选为 0.10以下。RAq越接近0，锡的粘着量有越小的倾向，因此对于RAq的下限值没有特 别限定。
在本实施方式中，非晶碳系导电性皮膜的外表面的表面形态的凸部的前端曲率 半径的平均值(R)为ISOnm以上。若表面形态的凸部的前端曲率半径的平均值(R)低于 180nm,则锡的粘着量过多，在实际的探针使用时容易成为问题。R更优选为250nm以 上，进一步优选为350nm以上，最优选为400nm以上。R越接近无限大，锡的粘着量越 �。虼硕杂赗的上限值没有特别限定。
本实施方式的所述非晶碳系导电性皮膜，优选含有从Ti、V、Nb、Zr, Mo、 W、Ta> Hf、Cr、Mn、Fe、Co和Ni之中选出的至少一种金属0.5 50原子％。通过含有这些金属，能够赋予电传导特性原本弱的非晶碳皮膜以导电性。特别是作为至少一 种金属，优选含有具有抑制锡粘着性这一效果的W。若所述金属的含有比率超过50原 子％，则容易产生金属的氧化物，半导体检测的可靠性容易降低。另外，低于0.5原子％ 时，来自金属添加的导电性赋予效果容易变得不充分。非晶碳系导电性皮膜中的所述金 属的含有比率更优选为5 40原子％，进一步优选为10 30原子％。
本实施方式的非晶碳系导电性皮膜的厚度，在没有设置后述的中间层时优选为 50 2000nm。若皮膜的厚度超过2000nm，则外表面的凹凸容易变大，因此上述3个表 面性状参数不满足既定的数值范围的情况变多。另一方面，若低于50nm，则皮膜容易磨 损而露出基材。皮膜的厚度越薄表面越平滑，并且内部应力变少，皮膜难以剥离，因此 更优选为IOOOnm以下，进一步优选为700nm以下，更进一步优选为400nm以下。
在本实施方式中，作为用于将具有上述3个表面性状参数满足既定的数值范围 的外表面的非晶碳系导电性皮膜形成于半导体检测装置用探针的基材表面上的方法，优选采用溅射法。在溅射法中，例如能够同时使用一个碳靶材和使非晶碳皮膜中含有的上 述各金属的各自的靶材，或者使用碳和这些金属的复合靶材。根据溅射法，能够形成电 阻低且优质的非晶碳系导电性皮膜，另外在非晶碳系导电性皮膜中，以任意的含有比率 都能够容易地导入上述的金属。另外，出于电弧离子镀(AIP)法中所见的微滴(droplet) 这种有损成膜面的平滑性的原因难以发生这一点，溅射法也是优选的成膜方法。
从使非晶碳系导电性皮膜的表面性状平滑的观点出发，更优选采用磁控管溅射 法，特别是非平衡磁控溅射法。根据该方法，能够将等离子体空间扩展至基板附近，因 此也可以增加Ar等惰性气体离子量，并且向基板辐射惰性气体离子。通过惰性气体离子 的辐射，惰性气体离子的运动能量有助于到达基板的溅射粒子的热能提高。由于溅射粒 子的热能提高，基板上的粒子的移动变得容易，膜得到致密化，能够获得平滑的膜。为 了进一步增大这些效果，通过向基板叠加偏压，能够控制Ar气离子的能量，进一步提高 表面平滑性。
[实施方式2]
接着，对于在半导体检测装置用探针的导电性基材表面和上述的非晶碳系导电 性皮膜之间形成有中间层的实施方式进行说明。
本实施方式的中间层，具有强化非晶碳系导电性皮膜对导电性基材表面的附着 性的作用。因此，从确保对探针表面的附着性的观点出发，优选在探针的基材表面和非 晶碳系导电性皮膜之间形成中间层。
本实施方式的中间层优选含有从Cr、W、Ti和Ni之中选出的至少一种金属元 素。这些金属元素之中优选Cr或W。
在本实施方式中，优选中间层的厚度为5 600nm。通过为600nm以下，中 间层所含的上述金属的晶粒的生长得到抑制，因此能够减小在中间层上所形成的非晶碳 系导电性皮膜的外表面的凹凸。从抑制晶粒的生长的观点出发，中间层的厚度更优选为 500nm以下，进一步优选为300nm以下。另外，从确保与探针基材的附着性的观点出 发，优选中间层的厚度为5nm以上。
另外，在本实施方式中，优选中间层和非晶碳系导电性皮膜合并的厚度为50 2000nm。若超过2000nm，则由于膜厚的增加引起的非晶碳系导电性皮膜表面的凹凸变 大，上述将表面性状参数控制在既定的范围有困难。所述膜厚越�。蔷枷档嫉缧云� 膜表面越平滑，因此更优选为1500nm以下，进一步优选为IOOOnm以下。另外，膜厚 过薄时，皮膜磨耗，探针基材容易露出，被覆的效果减弱，因此所述膜厚优选为50nm以 上。
在本实施方式中，优选中间层具有在探针的导电性基材上所形成的第一中间 层，和在第一中间层与非晶碳系导电性皮膜之间所形成的第二中间层。还有，第一中间 层也可以由第二中间层代替。
第一中间层优选只由上述金属元素构成，即从Cr、W、Ti和Ni之中选出的至少 一种金属元素。特别优选只由Cr或W构成。
另外，第二中间层优选含有上述金属元素和碳，并具有如下梯度组成金属 元素相对于碳的原子数的比例，在从基材表面朝向非晶碳系导电性皮膜的厚度方向上减 少。在第二中间层中，因为在从非晶碳系导电性皮膜朝向基材表面的厚度方向上，金属元素相对于碳的组成连续性地增加，所以能够提高非晶碳系导电性皮膜对基材表面的附 着性。没有第二中间层时，即，只由第一中间层构成中间层时，上述组成在仅由金属元 素构成的第一中间层和非晶碳系导电性皮膜的界面发生巨大变化，因此在施加力时，非 晶碳系导电性皮膜会从界面剥离。
在本实施方式中，作为用于将上述中间层，即优选的厚度为5 600nm的中间 层形成于探针的导电性基材上的方法，出于与非晶碳系导电性皮膜的情况相同的理由， 优选采用溅射法，特别是非平衡磁控溅射法。该情况下，能够率先在导电性基材上形成 中间层，其后在中间层上形成上述实施方式1中说明的非晶碳系导电性皮膜。
另外，作为用于将第一中间层形成于探针的导电性基材上的方法，或者作为用 于将第二中间层形成于第一中间层之上或直接形成于导电性基材之上的方法，也优选采 用溅射法。
第一中间层使用上述金属的靶材，能够容易地成膜由该金属构成的第一中间 层。另外，形成具有上述的梯度组成的第二中间层时，通过以溅射法准备多个靶材，对 各个靶材投入的电功率进行调整，能够容易地成膜具有连续性变化的梯度组成的第二中 间层。
以上，详细地说明了本发明的实施的方式，上述的说明在全部都是例示，本发 明并不受其限定。未例示的无数变形例解释为其设想均未脱离本发明的范围。
实施例
以下，展示关于本发明的实施例，但本发明并不受这些实施例限定。
(非晶碳系导电性皮膜的形成)
使用神户制钢公司制平衡磁控溅射装置(UBM2(^)进行成膜。在图1中显示将 非晶碳系导电性皮膜形成于基板之上的真空室1的内的结构。在第一中间层的成膜中， 作为金属靶材2使用Cr或W靶材。在非晶碳系导电性皮膜中，作为靶材使用在碳靶上 配置有直径Imm的钨丝的多个靶材3。基板设置方式为，使配置于基板平台4之上的基 板载座5与靶材平行，使工作台旋转而实施成膜。作为基材，使用玻璃基板6。将基材 导入装置内后，排气至lX10_3:Pa以下后实施成膜。工艺气体使用Ar气，成膜时的气压 恒定为0.6Pa。
首先对Cr或W靶材叠加0.2kW投入的电功率，其后保持一定时间，使针对 Cr (或W)靶材投入的电功率从0.2kW成为OkW，使针对复合靶材投入的电功率从0.02kW 成为2.0kW，从而形成由Cr(或W)构成的第一中间层，和具有Cr (或W)-WC的梯度组 成的第二中间层。形成中间层后，使对复合靶材投入的电功率为2.0kW，从而形成含有 W的非晶碳系导电性皮膜(类金刚石薄膜(DLC))(以下也称W-DLC)。
各层的厚度通过使成膜时间变化而成为目标的膜厚。预选调查各层的成膜速 度，计算达到各层厚的成膜时间后再进行成膜。单层膜的膜厚以触针式表面粗糙度测量 仪(DEKTAK6M)进行测定，层叠的层以触针式表面粗糙度测量仪测定整体的膜厚之后， 考虑成膜速度、成膜时间而计算各层厚。在一部分试料中进行剖面的TEM观察，确认各 层有厚度与计算值没有差异。
表1中显示，在只形成有非晶碳导电性皮膜的试料(Νο.8和9)、具有第一中间 层的试料(Νο.7)和具有第一中间层和第二中间层的试料(以Cr为第一中间层的Nal 86和以W为第一中间层的No.10 14)中，中间层的厚度和整体的膜厚。
(表面性状参数的测定)
表面性状参数使用AFM装置611社制SPI4000)进行测定。探针在使用附属的 SN-AFOl探针的长度为100 μ m的。测定在大气中实施，在扫描范围10 μ mX 10 μ m内 确认到无污染物等的部位后，实施2μιηΧ2μιη下的测定。在表面性状的各种参数的计 算中，采用的图像数据是，针对该2μιηΧ2μιη的图像，以附属于该装置6ΡΙ4000)的表 面处理软件，在X方向、Y方向这两个方向实施了平均倾斜度校正的图像数据。对于各 参数以处理软件(ProAna3D)进行处理。
关于Ra、RΔq(由于在pr0Ana3D中为二维数据，所以分别表示为Sa和S Δ q)， 采用在X方向(512像素)、Y方向056像素)这两个方向实施了平均倾斜度校正的图 像数据实施处理。关于表面形态的凸部的前端曲率半径的平均值(R)，能够采用在X方 向、Y方向这两个方向实施了平均倾斜度校正的图像数据，在处理软件(ProAna3D)中实 施使负荷面积率(突起部相对于整体的面积)成为20%的处理后求得R值。关于曲率半 径，在软件中是将凸部作为椭圆形而求得长轴和短轴，但是长轴方向求得的是许多粒子 撞击的状态下的曲率半径，由于存在这种情况，可以将短轴的曲率半径作为前端曲率半 径的平均值(R)。
表1中显示，在上述各试料的非晶碳系导电性皮膜的表面性状中，由AFM测 定的表面粗糙度(Ra)、均方根斜率(RAq)、表面形态的凸部的前端曲率半径的平均值 (R)。
(锡粘着性的评价)
在锡粘着性的评价中，实施使用了锡球的滑动实验。滑动试验利用球与盘试验 装置(CSM公司制Tribometer)实施回转滑动试验。回转半径为1.5mm，回转速度为 0.2cm/s,载荷0.2N，球使用在SUJ2 (直径9.5mm)上镀有10 μ m锡的球。滑动距离恒 定为0.5m，根据滑动试验后的锡附着量进行评价。
在锡附着量的评价中，以表面粗糙度测量仪测定滑动圆周上的3点，求得各处 的附着截面积，将3点的平均值显示在表1中。值为0的没有发生锡的附着。关于锡的 粘着量，比20 μ m2少时，仅在一部分有锡附着，整体上未发生粘着，但比20 μ m2多时， 则整体附着有锡，因此进行粘着性差的评价。
(结果)
结果显示在表1中。
表1
权利要求
1.一种半导体检测装置用接触式探针，是在导电性基材表面上形成非晶碳系导电性 皮膜而成的半导体检测装置用接触式探针，其特征在于，所述非晶碳系导电性皮膜具有 如下的外表面在原子力显微镜下4μιη2的扫描范围中，表面粗糙度Ra为6.0nm以下， 均方根斜率RAqSOJS以下，表面形态的凸部的前端曲率半径的平均值R为ISOnm以 上。
2.根据权利要求1所述半导体检测装置用接触式探针，其特征在于，在所述导电性基 材表面和非晶碳系导电性皮膜之间具有中间层，所述中间层含有金属元素，厚度为5 600nmo
3.根据权利要求2所述半导体检测装置用接触式探针，其特征在于，所述中间层和所 述非晶碳系导电性皮膜的合计厚度为50 2000nm。
4.根据权利要求2所述半导体检测装置用接触式探针，其特征在于，所述中间层具有 第一中间层和第二中间层，其中，所述第一中间层由金属元素构成，所述第二中间层含有所述金属元素和碳，并具有如下梯度组成金属元素相对于碳 的原子数的比例在从基材表面朝向非晶碳系导电性皮膜的厚度方向上减少，并且，所述第二中间层形成于所述第一中间层和所述非晶碳系导电性皮膜之间。
全文摘要
本发明目的在于提供一种半导体检测装置用接触式探针，其是在探针与焊料接触时，防止作为焊料主要成分的锡粘着在探针的接触部，而将抗锡粘着性优异的非晶碳系导电性皮膜形成于基材表面而成的半导体检测装置用接触式探针。一种在导电性基材表面形成非晶碳系导电性皮膜而成的半导体检测装置用接触式探针，其特征在于，所述非晶碳系导电性皮膜具有如下外表面在原子力显微镜下4μm2的扫描范围中，表面粗糙度(Ra)为6.0nm以下，均方根斜率(RΔq)为0.28以下，表面形态的凸部的前端曲率半径的平均值(R)为180nm以上。
文档编号G01R1/067GK102023241SQ201010273558
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月3日 优先权日2009年9月15日
发明者伊藤弘高, 山本兼司 申请人:株式会社神户制钢所
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
