用于電子測試探針的耐磨導電多層復合薄膜及其工業(yè)制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體測試技術零部件領域，具體涉及一種應用于電子測試探針的耐磨導電多層薄膜結構及其工業(yè)制備方法。
【背景技術】
[0002]伴隨著21世紀信息、生物、納米等技術的發(fā)展，電子器件、微電子元器件、微機械系統(tǒng)的服役壽命和可靠性是使用者最為關心的問題之一?；ミB導線在單一電場作用下，其抵抗電迀移的平均失效時間不僅隨著導線線寬的降低而迅速下降，而且隨著溫度的升高而急劇降低。制造可靠的互連結構將是面臨的持久性的挑戰(zhàn)。為了保證集成電路系統(tǒng)具有可靠的使用性能，其投入使用前和發(fā)生故障后的線路檢測成為電子元器件和互聯線路穩(wěn)定運行和維修的前提和保障。
[0003]目前，用于探測電子元器件和聯線特性的常用方法為:利用電性能測試儀器，采用二或者四探針方法對其電學特性進行測量，以判斷電子器件和互聯導線的質量優(yōu)劣。對于大型集成電路而言，其線路板上的電子元器件數量可達數萬甚至數十萬個，而接觸產品的探針往往在數小時內要承受數萬個測試頻次，典型的探針為鋼制，直徑約為I?2_左右，在彈簧作用下在針筒內部反復往復運動，這種過程中探針處于嚴酷的摩擦磨損環(huán)境中，為了測試的可靠性，探針必須具有良好的接觸導電性和耐磨特性，探針表面處理是解決此類環(huán)境下其功能性和耐用性的重要手段。
[0004]當前使用的探針產品，主要是通過表面電鍍技術涂覆Ni/Au涂層，來提高探針表面的耐磨性和接觸導電特性。但電鍍層硬度有限，其耐磨性不足，使用過程中由于表面磨損至探針鋼基材，此時摩擦系數增大致使耐磨性急劇下降，導致磨粒脫落，致使探針測試阻抗大幅增加和波動，最終測試結果失真，探針失效。
[0005]TiN硬質陶瓷涂層具有良好的表面光潔度，較高的表面硬度、抗磨損性能以及較低的摩擦系數，是抗磨損涂層的常用選擇，但TiN硬質陶瓷涂層在單獨使用時厚度通常較大，并不適用于電子測試探針這類直徑較小的基材，因此，亟需研宄一種厚度較小、抗磨損性能較高的涂層結構，并開發(fā)出探針基材表面涂層結構的高效制備工藝。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種用于電子測試探針的耐磨導電多層復合薄膜及其工業(yè)制備方法。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案:
[0008]一種用于電子測試探針的耐磨導電多層復合薄膜，包括沉積于襯底上的金屬Ti界面層，所述金屬Ti界面層上沉積有耐磨TiN薄膜層，耐磨TiN薄膜層上沉積有Ti金屬過渡層，Ti金屬過渡層上沉積有導電層，所述襯底為表面未經過涂層處理的電子測試探針。
[0009]所述金屬Ti界面層的厚度為40?60nm，Ti金屬過渡層的厚度為20?50nm ;耐磨TiN薄膜層的厚度為200?500nmo
[0010]所述導電層包括沉積于Ti金屬過渡層上的Ni過渡層以及沉積于所述Ni過渡層上的Au薄膜層，所述Ni過渡層的厚度為30?70nm，所述Au薄膜層的厚度為50?lOOnm。
[0011]所述金屬Ti界面層、耐磨TiN薄膜層、Ti金屬過渡層以及所述Ni過渡層采用電弧離子鍍制備而成，所述Au薄膜層采用磁控濺射沉積制備而成。
[0012]所述電子測試探針為鋼制材料。
[0013]一種用于電子測試探針的耐磨導電多層復合薄膜的工業(yè)制備方法，包括以下步驟:對未經過涂層處理的電子測試探針表面進行清洗得到待鍍探針，然后將待鍍探針裝入碾盤式轉籠工裝內并置于鍍膜真空腔中，然后在待鍍探針隨轉籠轉動而連續(xù)翻滾的條件下，在待鍍探針表面制備得到具有Ti/TiN/Ti/Ni/Au多層結構的薄膜。
[0014]所述Ti/TiN/Ti/Ni/Au多層結構的薄膜的制備方法具體包括以下步驟:
[0015]I)在待鍍探針表面沉積一層厚度為40?60nm的金屬Ti界面層；
[0016]2)在金屬Ti界面層上沉積一層厚度為200?500nm的耐磨TiN薄膜層；
[0017]3)在耐磨TiN薄膜層上沉積一層厚度為20?50nm的Ti金屬過渡層；
[0018]4)在Ti金屬過渡層上沉積一層厚度為30?70nm的Ni過鍍層；
[0019]5)在Ni過鍍層上沉積一層厚度為50?10nm的Au薄膜層。
[0020]所述步驟I) ,2),3)以及4)中采用電弧離子鍍方式完成沉積；所述步驟5)中采用射頻等離子體磁控濺射方式完成沉積。
[0021]所述步驟I)中，利用氬氣為等離子體放電氣源，維持制備氣壓為0.3?0.5Pa，沉積溫度為300°C，弧電流為50A，5分鐘內將偏壓由500V降低至300V后維持15?30min (即沉積15?30min);所述步驟2)中，反應氣體為氮氣，氬氣與氮氣的質量流量比為1: 4，制備氣壓為0.3?0.5Pa，沉積溫度為300 °C，弧電流為50A，偏壓為200V，沉積時間為0.5?I小時；所述步驟3)中，利用氬氣為等離子體放電氣源，維持制備氣壓為0.3?0.5Pa，沉積溫度為300°C，弧電流為50A，偏壓為200V，沉積時間為5?1min ;所述步驟4)中，利用氬氣為等離子體放電氣源，維持制備氣壓為0.3?0.5Pa，沉積溫度為300°C，弧電流為50A，偏壓為200V，沉積時間為10?20min ;所述步驟5)中，利用氬氣為等離子體放電氣源，維持制備氣壓為0.3?0.5Pa，沉積溫度為300°C，射頻功率為800W，電流為15A，偏壓為100V，沉積時間為20?30min。
[0022]所述碾盤式轉籠工裝包括多個自轉立柱以及設置于單個自轉立柱外側的相對固定的若干個公轉轉架，所述公轉轉架上設置有至少一對相對設置的轉籠，所述轉籠包括轉軸、設置于轉軸上的籠體以及設置于所述籠體外側端面上的與公轉轉架嚙合的自轉轉架，所述轉軸與對應自轉立柱相連，單個轉籠內裝入的待鍍探針的數量為500?800支，所述轉籠的公轉轉速為3?5轉/分，所述轉籠的自轉轉速為12?20轉/分。
[0023]本發(fā)明的有益效果體現在:
[0024]本發(fā)明所述多層復合薄膜中最上層Au層是為了降低探針表面接觸電阻；第二層Ni層以及第三層Ti層的作用是提高Au層的結合強度，第四層TiN層為耐磨層，第五層Ti層為打底層；本發(fā)明可實現細小電子測試探針產品的表面鍍層制備并可實現產業(yè)化生產，所生產的探針產品較市場普通電鍍探針產品有更高的耐用度和測試穩(wěn)定性，對提高大規(guī)模集成電路電性能測試精度及效率有重大意義，且生產過程綠色環(huán)保、無任何污染廢水廢氣產生。
【附圖說明】
[0025]圖1為典型電子測試探針產品結構示意圖；
[0026]圖2為鍍層產品圖，其中(a)為待鍍探針，(b)為具有Ti/TiN/Ti/Ni/Au薄膜的探針，(C)為(b)的結構示意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明所述碾盤式轉籠工裝的結構示意圖，其中:(a)為主視圖，(b)為俯視圖；
[0028]圖中:I為探針的測試接觸點；2為探針的連接桿(磨損部分)；3為轉籠，4為自轉立柱，5為轉軸，6為自轉轉架，7為公轉轉架，8為探針襯底，9為Ti打底界面層，10為TiN耐磨層，11為Ti過渡層，12為Ni過渡層，13為Au層。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明。
[0030]本發(fā)明提供了一種用于電子測試探針表面的涂層技術，利用多層多功能涂層，提高電子測試探針耐用度和測試穩(wěn)定性，并可實現穩(wěn)定批量工業(yè)化生產。所述電子測試探針為鋼制材料，用于半導體及集成電路電性能測試，例如，包括PCB、ICT、BGA等類型探針。
[0031]本發(fā)明利用真空物理氣相沉積技術在鋼制電子測試探針表面制備多層結構(Ti/TiN/Ti/Ni/Au薄膜)，為了實現批量工業(yè)化生產，采用碾盤式轉籠工裝與涂層技術結合，將待鍍探針產品放入可在真空環(huán)境中轉動的轉籠中，實現探針在涂層制備過程中連續(xù)翻滾。
[0032]碾盤式轉籠工裝由公轉轉架7，自轉轉架6，轉籠3等部分構成，其材質為304不銹鋼。所述公轉轉架上設置有一對相對設置的轉籠，所述轉籠包括轉軸5、設置于轉軸上的籠體以及設置于所述籠體外側端面上的與公轉轉架嚙合的自轉轉架，所述轉軸與自轉立柱4相連，轉籠圍繞自轉立柱4在公轉轉架上公轉，