JP4089261B2 - Free-cutting ceramics, manufacturing method thereof, and probe guide parts - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱膨張係数を目的用途に好適な範囲に制御された高強度快削性セラミックスおよびその製造方法、ならびにそれより製作された、例えばプローブ案内部品などの加工部品に関する。
【0002】
本発明にかかる高強度快削性セラミックスは、シリコンに近い熱膨張係数を有しているため、すなわち、25℃〜600 ℃での熱膨張係数を3〜5×10-6/℃の範囲に制御しているため、シリコンの熱膨張係数4×10-6/℃に近く、スリットおよび/または穴が形成された半導体検査装置用プローブ案内部品(プローブガイド)に用いた場合、被検査半導体素子との位置ずれを起こさない。
【0003】
【従来の技術】
セラミックス材料は、機械的特性や高温特性に優れることから半導体製造装置向けの構造用部材などとして注目されている。しかし、セラミックスは焼結時の収縮が大きく、所望の形状、寸法を高精度で得るには研削加工が必要となり、その際、セラミックスの本来有する難加工性が問題となる。
【0004】
そこで、加工性の改善のためにセラミックスやガラスマトリックスにへき開性を持つ別のセラミックス、例えばマイカや窒化硼素などを分散させた材料が用いられている。これらは一般に快削性セラミックスと呼ばれており、高精度な微細加工性と絶縁性を求められる半導体検査装置用部材などに使用されているが、高精度な微細加工に必要な高強度と優れた加工性、そしてシリコンに近い熱膨張係数とを兼ね備えたものは少ない。
【0005】
例えば、IC、LSI など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。
【0006】
図1は、測定プローブを備えたプローブガイドを用いて半導体素子を検査する様子を説明する模式図である。
図1(A)に示すように、プローブカード1はセラミックスなどの絶縁材料から形成され、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部10を備えている。この開口部10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り付けられている。
【0007】
この測定プローブは金属などの導電材料からなり、その先端は略L字型に折り曲げられていて、開口部10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に半田など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などで被覆しても良い。
【0008】
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付け、開口部10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同時にその下に置かれた半導体素子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細い金属材であって、押し付け時の擁みにより先端の位置がずれやすく、電極パッドとの確実な接触が困難となる。
【0009】
図1(B)に示すように、測定プローブの精密な位置あわせを容易にする手段として、絶縁材料の板材に、プローブが通る貫通穴12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の開口部10をふさ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12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、電極パッドとより確実に接触させることができる。
【0010】
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12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。
【0011】
例えば図1(C)および(D) に平面図および断面図でそれぞれ示すように電極パッドのピッチが70μm の場合、貫通穴12の径が60μm であると貫通穴間の壁厚み(穴間の最少距離)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良く形成する必要がある。
【0012】
図2は研削砥石によりスリット加工が行われたプローブ案内部品の略式説明図である。この場合、穴でプローブ2を支持する代わりにスリット14によって支持する。
【0013】
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 などからなる快削性の結晶化ガラス系セラミックス材料、最近では窒化硼素系の快削性セラミックスなど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、また貫通穴またはスリットの十分な寸法精度を得ることができない。
【0014】
一方、結晶化ガラスセラミックス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大きく、測定温度によっては位置ずれを起こすという問題があるとともに材料の強度が低いためドリル加工による穿孔時に欠けや割れがおきやすく、やはり充分な寸法精度が得られない。特開昭58−165056号公報参照。
【0015】
さらに窒化アルミニウムと窒化硼素との複合材料では熱膨張係数はシリコンに近く測定温度による位置ずれは少ないものの加工性が悪いため高精度な微細加工に不向きであった。特開昭60−195059号公報参照。
【0016】
高強度な快削性窒化珪素/窒化硼素複合材料も提案されているが、シリコンに比べて熱膨張係数が小さいため半導体検査用治具に用いた場合測定温度によっては位置ずれが発生するという問題がある。特開2000−327402号公報参照。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
ここに、本発明の課題は、高精度な微細加工に必要な高強度と優れた加工性、そしてシリコンに近い熱膨張係数とを兼ね備えたセラミックスとその製造方法、さらにそれより製作したプローブ案内部品を提供することである。
【0018】
さらに本発明の具体的な課題は、高熱膨張のジルコニアを添加して熱膨張係数をシリコンに近い範囲に制御することによって他の組み合わせ部品や、検査治具に用いた場合には温度変化による寸法変化を被検査物に整合させることができる、微細加工に好適な高強度快削性セラミックスとその製造方法を提供することである。
【0019】
【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、強度240MPa以上であり、被削性の目安として、超硬K-10種工具での5分間旋削で工具逃げ面摩耗幅VBが0.2mm 以下でかつ被削材表面粗さRmaxが5μm 以下である高強度快削性セラミックスによってミクロンレベルの微細加工が可能になるとともに、そのような材料のうちシリコンの熱膨張係数に近いものが有効であることに着目し、主成分が窒化硼素30〜50質量%ならびにジルコニア50〜70質量%および窒化珪素0〜10質量%から成り、さらに、この主成分に対し1〜15質量%の焼結助剤成分を含むことを特徴とする快削性セラミックス焼結体によりそれが実現できることを見出し、本発明に到達した。
【0020】
本発明により、25〜600 ℃の熱膨張係数が3〜5×10-6/℃とシリコンに近い熱膨張係数を有する下記▲1▼、▲2▼のような新規なセラミックス加工部品が提供される。
【0021】
▲1▼研削加工により形成された複数のスリットを備えた快削性セラミックス焼結体からなる加工部品であって、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ス加工部品。
【0022】
▲2▼ドリル加工により形成された複数の穴を備えた快削性セラミックス焼結体からなる加工部品であって、前記穴径が65μm 以下、前記穴間の壁厚みが5μm 以上20μm 未満、穴深さ/穴間の壁厚み比が15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ス加工部品。
【0023】
ここで、「穴間の壁厚み」とは穴間の最小距離を意味する。
これらのセラミックス加工部品は、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良い。
【0024】
本発明にかかるこれらの加工部品は、窒化硼素、ジルコニア、窒化珪素および適宜焼結助剤を含有する原料粉末を高温加圧下(ホットプレスまたはHIP)で焼結してセラミックス焼結体を得る工程、およびこのセラミックス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。
【0025】
ここで、窒化硼素、ジルコニアの原料粉末は平均粒径1μm 未満のものが好適である。窒化硼素を添加することによってその本来の快削性に加えて高熱伝導性も付与することになり、その両者によって優れた加工性が得られる。
【0026】
また、ジルコニアは高強度であるとともに熱膨張が大きいため熱膨張の調整材としての役割も持つ。
窒化珪素の添加は必須ではないが、それを添加することで低熱膨張・高強度が実現できることから所望の熱膨張、強度を得るための調整成分として添加しても良い。
【0027】
本発明にかかるセラミックスは240MPa以上の高強度であるとともに快削性であり、高精度な微細加工を行なうことができる。さらに25℃〜600 ℃での熱膨張係数が3〜5×10-6/℃とシリコンに近い値を示すことから半導体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)に用いた場合、温度変化があっても被検査半導体素子との位置ずれを起こさない。
【0028】
この快削性セラミックスについてX線回折により構成相を調べたところ立方晶のジルコニアが析出していることが分かった。ジルコニアには低温側から順に単斜晶、正方晶、立方晶の3つの結晶形態があり、正方晶または立方晶、またはその両方が常温で安定化したものをFSZ(安定化ジルコニア→立方晶)、PSZ(部分安定化ジルコニア→立方晶+正方晶)、TZP(正方晶)と呼んでいる。一般的にPSZ とTZP はFSZ よりも高靭性である。
【0029】
本発明において高強度と快削性との両立ができたのは、PSZ やTZP よりも比較的易加工性なFSZ が主に析出することで快削性を発現したためと考えられる。
【0030】
【発明の実施の形態】
本発明例では、窒化硼素30〜50質量%とジルコニア50〜70質量%、窒化珪素0〜10質量%とからなる主原料粉末に、焼結助剤成分を添加して原料粉末を調製する。この混合はたとえば湿式ボールミル等により行うことができる。
【0031】
窒化硼素は六方晶系のもの(h−BN) でよい。微細加工の際必要とされる高強度を得る観点から主原料粉末、特に窒化硼素粉末には平均粒径1μm 未満のものが好適である。ジルコニアについても同様に平均粒径1μm 未満のものを使用することによって所望の高強度快削性セラミックスが得られる。
【0032】
本発明において用いる焼結助剤は窒化珪素や窒化硼素の焼結に従来から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(マグネシア)、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およびスピネルなどの複合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マグネシアを添加した混合物である。
【0033】
焼結助剤成分の配合量は主原料粉末の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するとともにジルコニアの安定化が不足して立方晶ジルコニアの析出が不十分となる。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。
【0034】
原料粉末を高温加圧焼結させる。高温加圧焼結法としてはホットプレスがあり、窒素雰囲気中ないしは加圧窒素中で行ってもよい。ホットプレス温度は1400〜1800℃の範囲がよい。温度が低すぎると焼結が不十分となり、高すぎると焼結助剤成分の溶出などの問題が発生する。
【0035】
加圧力は20〜50MPa 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。
【0036】
このようにして得られる焼結体は、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3〜5×10-6/℃となる。また、この焼結体の微細組織を走査型電子顕微鏡(SEM )で観察したところ、窒化硼素、ジルコニア、窒化珪素とも、平均粒径が5μm 以下であった。
【0037】
この焼結体は被削性に優れかつ高強度であるので微細なスリット加工または穴加工を高精度で行えるとともに、シリコンに近い熱膨張係数を示すことから半導体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)に用いた場合、温度変化があっても被検査半導体素子との間で位置ずれを起こさないという特徴を持つ。
【0038】
また、本発明にかかるセラミックス加工部品は一般的に板状であって、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するものである。
【0039】
壁厚みないしは穴間の壁厚みが薄く、かつ精度良く加工ができるため、本発明にかかる加工部品をプローブ案内部品とする場合、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あわせ精度が向上し、検査装置の信頼性が高まる。
【0040】
したがって、こうして製造された熱膨張係数がシリコンに近い高強度快削性セラミックス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されるプローブ案内部品等の加工部品として有用である。
【0041】
次に、実施例によって本発明の作用効果をさらに具体的に説明する。
【0042】
【実施例】
本発明における実施例並びにそれに対する比較例を述べ、結果を表1に示す。実施例および比較例中の%および部は特に指定しない限り、質量%および質量部である。
【0043】
(実施例1〜8)
平均粒径0.9 μm 、純度99%の六方晶窒化硼素(h-BN)粉末と、平均粒径0.1 μm のジルコニア粉末と平均粒径0.1 μm の窒化珪素粉末を表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質量%のアルミナと6質量%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。この時、ポリエチレン製ポットを使用し、混合用メディアとしてジルコニアボールを用い、得られたスラリーを減圧エバポレーターにより乾燥させて原料粉末を得た。
【0044】
この原料粉末を黒鉛製のダイスに充填し、窒素雰囲気中30MPa の圧力を加えながら1600℃で2時間ホットプレス焼結を行って65×65mm、厚み10mmのセラミックス焼結体を得た。
【0045】
この焼結体より試験片を切り出し、破壊強度を3点曲げ試験で測定し、曲げ強度とした。
また、被削性を評価するため、超硬K−10種工具を用いて、研削速度18min 、送り速度0.03mm/rev、切り込み0.1mm 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。
【0046】
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。
これらの結果を表1にまとめて示す。
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50mm)を用いたスリット加工により図3に示す形状のスリット(幅=40μm 、壁厚み=15μm 、深さ=300 μm)をピッチ55μm で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/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。
【0047】
また、得られた焼結体を厚さ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 、ピッチ70μm で縦20列(合計 200個)の穴あけ加工を行った。穴の直径は60μm 、深さは300 μm である。
【0048】
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△と評価した。
【0049】
結果を表1にあわせて示す。
(実施例9)
平均粒径0.9 μm 、純度99%の六方晶窒化硼素(h-BN)粉末と、平均粒径0.8 μm のジルコニア粉末と平均粒径0.5 μm の窒化珪素粉末を表1に示す割合で混合し、その他の条件は実施例1〜8と同様にして焼結体を作製し、特性試験を行った。結果は表1に示すが、曲げ強度の低下がみられた。
【0050】
(比較例1、2)
窒化硼素とジルコニア、窒化珪素の質量比が本発明の範囲外であった点を除いて実施例1〜9と同様にして焼結体を作製した。
【0051】
(比較例3)
従来の快削性結晶化ガラス系セラミックス材料について実施例と同様なスリット加工および穴加工を施したところ、材料の強度が弱く、微細加工を施すと欠け(チッピング)が発生し、精度良くきれいに穴あけすることができなかった。このセラミックス材料の各種特性や加工結果も表1に併記する。
【0052】
(比較例4)
従来の窒化アルミニウムと窒化硼素との複合材料から成る快削性セラミックス材料について実施例と同様なスリット加工および穴加工を施したところ、材料の加工性が悪く、精度良くきれいに穴あけすることができなかった。このセラミックス材料の各種特性や加工結果も表1に併記する。
【0053】
【表1】
【0054】
表1から分かるように、本発明にかかる焼結体からなるセラミックス材料を用いると、割れや欠けを生じることなく高精度な微細加工を行うことができる。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ス材料に比べて小さく、シリコンの熱膨張係数に近い値を示すことがわかる。
【0055】
【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良く形成できるので高密度に多数のプローブを所定位置に保持でき、かつ測定温度による位置ずれが小さく、その結果、LSI の高密度化に対応可能な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】 プローブ案内部品の模式的説明図であり、装置図1(A) はプローブカードの断面を示す略式説明図、図1(B) はブ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略式平面図、および図1(D) は略式断面である。
【図2】 図1の別の変形例を示すので、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3】 実施例で形成したスリットの形状の説明図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-strength free-cutting ceramic whose thermal expansion coefficient is controlled in a range suitable for the intended use, a method for manufacturing the same, and a processed part such as a probe guide part.
[0002]
The high-strength free-cutting ceramic according to the present invention has a thermal expansion coefficient close to that of silicon, that is, the thermal expansion coefficient at 25 ° C. to 600 ° C. is in the range of 3 to 5 × 10 −6 / ° C. Because it is controlled, the thermal expansion coefficient of silicon is close to 4 × 10 −6 / ° C., and when used as a probe guide component (probe guide) for a semiconductor inspection apparatus in which slits and / or holes are formed, the semiconductor element to be inspected Does not cause misalignment.
[0003]
[Prior art]
Ceramic materials are attracting attention as structural members for semiconductor manufacturing equipment because of their excellent mechanical characteristics and high temperature characteristics. However, ceramics have a large shrinkage during sintering, and grinding is necessary to obtain a desired shape and dimensions with high accuracy. In this case, the inherent difficulty of ceramics becomes a problem.
[0004]
Therefore, in order to improve the workability, a ceramic or another ceramic having a cleavage property in a glass matrix, for example, a material in which mica or boron nitride is dispersed is used. These are generally called free-cutting ceramics and are used for semiconductor inspection equipment members that require high-precision fine workability and insulation, but they have the high strength and excellent strength required for high-precision fine processing. There are few products that have both workability and thermal expansion coefficient close to that of silicon.
[0005]
For example, in an inspection apparatus for inspecting the electrical characteristics of a semiconductor element such as an IC or LSI, a probe card having the same number of measurement probes as many electrode pads formed on the semiconductor element to be inspected is used. An inspection is performed by simultaneously contacting the electrode pads.
[0006]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a state in which a semiconductor element is inspected using a probe guide provided with a measurement probe.
As shown in FIG. 1 (A), the
[0007]
The measurement probe is made of a conductive material such as metal, and the tip thereof is bent into an approximately L shape, and is attached to the upper surface of the
[0008]
The
[0009]
As shown in FIG. 1 (B), as a means for facilitating precise positioning of the measurement probe, a
[0010]
The
[0011]
For example, as shown in FIGS. 1 (C) and (D) in the plan view and the cross-sectional view, when the electrode pad pitch is 70 μm, the wall thickness between the through holes (between the holes) when the diameter of the through
[0012]
FIG. 2 is a schematic explanatory view of a probe guide component that has been slit by a grinding wheel. In this case, the
[0013]
Conventional probe guide parts are made of plastic or free-cutting crystallized glass ceramic materials such as Al 2 O 3 , SiO 2 , K 2 O, etc., and recently boron nitride-based free-cutting ceramics. It was. However, plastic cannot be used when it is necessary to inspect at a high temperature, and sufficient dimensional accuracy of a through hole or a slit cannot be obtained.
[0014]
On the other hand, when crystallized glass ceramic materials are used, it is possible to cope with high temperature inspection, but there is a problem that the thermal expansion coefficient is larger than that of semiconductor elements, and there is a problem of positional displacement depending on the measurement temperature. Since the strength is low, chipping and cracking are likely to occur during drilling, and sufficient dimensional accuracy cannot be obtained. See Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-165056.
[0015]
Further, the composite material of aluminum nitride and boron nitride has a thermal expansion coefficient close to that of silicon and little misalignment due to the measurement temperature, but is not suitable for high-precision fine processing because of poor workability. See JP-A-60-195059.
[0016]
A high-strength, free-cutting silicon nitride / boron nitride composite material has also been proposed, but its thermal expansion coefficient is smaller than that of silicon, so there is a problem that misalignment occurs depending on the measurement temperature when used in a jig for semiconductor inspection. There is. See JP 2000-327402 A.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to provide ceramics having both high strength and excellent workability required for high-precision micromachining and a thermal expansion coefficient close to that of silicon, a method for producing the same, and a probe guide component produced therefrom. Is to provide.
[0018]
Furthermore, a specific problem of the present invention is that by adding high thermal expansion zirconia and controlling the thermal expansion coefficient to a range close to that of silicon, the dimensions due to temperature change when used in other combination parts or inspection jigs. It is to provide a high-strength free-cutting ceramic suitable for microfabrication and a method for manufacturing the same, which can match the change with an object to be inspected.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
As a result of repeated studies to solve the above problems, the present inventors have a strength of 240 MPa or more, and as a measure of machinability, the wear flank wear width by turning for 5 minutes with a carbide K-10 type tool. High-strength free-cutting ceramics with a VB of 0.2 mm or less and a work surface roughness Rmax of 5 μm or less enable micron-level microfabrication and is close to the thermal expansion coefficient of silicon among such materials. Paying attention to the effectiveness of the material, the main component is composed of 30 to 50% by mass of boron nitride, 50 to 70% by mass of zirconia and 0 to 10% by mass of silicon nitride , and further 1 to 15% by mass with respect to this main component It has been found that this can be realized by a free-cutting ceramic sintered body characterized in that it contains a sintering aid component .
[0020]
According to the present invention, novel ceramic processed parts such as the following (1) and (2) having a thermal expansion coefficient of 25 to 600 ° C. and a thermal expansion coefficient close to silicon of 3 to 5 × 10 −6 / ° C. are provided. The
[0021]
(1) A machined part made of a free-cutting ceramic sintered body having a plurality of slits formed by grinding, wherein the wall thickness between the slits is 5 μm or more and less than 20 μm, and the slit depth / wall thickness ratio 15 or more and the pitch accuracy between the slits is within ± 4 μm.
[0022]
(2) A machined part made of a free-cutting ceramic sintered body having a plurality of holes formed by drilling, wherein the hole diameter is 65 μm or less, the wall thickness between the holes is 5 μm or more and less than 20 μm, A ceramic processed part having a depth / hole wall thickness ratio of 15 or more, and the hole diameter and hole pitch accuracy are both within ± 4 μm.
[0023]
Here, “wall thickness between holes” means the minimum distance between holes.
These ceramic processed parts may be probe guide parts having a plurality of slits and / or holes through which the probe passes.
[0024]
These processed parts according to the present invention are a process for obtaining a ceramic sintered body by sintering raw material powder containing boron nitride, zirconia, silicon nitride and an appropriate sintering aid under high temperature and pressure (hot pressing or HIP). And a method including a step of processing the ceramic sintered body with a grinding wheel or a drill.
[0025]
Here, it is preferable that the raw material powder of boron nitride and zirconia has an average particle size of less than 1 μm. By adding boron nitride, high thermal conductivity is imparted in addition to the original free machinability, both of which provide excellent workability.
[0026]
Moreover, since zirconia has high strength and large thermal expansion, it also serves as a thermal expansion adjusting material.
Although addition of silicon nitride is not essential, low thermal expansion and high strength can be realized by adding silicon nitride, so it may be added as an adjustment component for obtaining desired thermal expansion and strength.
[0027]
The ceramic according to the present invention has a high strength of 240 MPa or more and is free-cutting, and can perform fine machining with high accuracy. Furthermore, since the coefficient of thermal expansion at 25 ° C to 600 ° C is 3 to 5 x 10 -6 / ° C, which is close to that of silicon, the temperature when used for probe guide components (probe guides) used in semiconductor inspection equipment Even if there is a change, there is no misalignment with the semiconductor element to be inspected.
[0028]
When the constituent phase of this free-cutting ceramic was examined by X-ray diffraction, it was found that cubic zirconia was precipitated. Zirconia has three crystal forms of monoclinic, tetragonal, and cubic in order from the low temperature side. Tetragonal, cubic, or both are stabilized at room temperature. FSZ (stabilized zirconia → cubic) PSZ (partially stabilized zirconia → cubic + tetragonal) and TZP (tetragonal). In general, PSZ and TZP are tougher than FSZ.
[0029]
The reason why both high strength and free-cutting ability were achieved in the present invention is considered to be that free-cutting ability was expressed mainly by precipitation of FSZ, which is relatively easy to process than PSZ and TZP.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention example, a raw material powder is prepared by adding a sintering aid component to a main raw material powder composed of 30-50 mass% boron nitride, 50-70 mass% zirconia, and 0-10 mass% silicon nitride. This mixing can be performed by, for example, a wet ball mill.
[0031]
Boron nitride may be hexagonal (h-BN). From the viewpoint of obtaining the high strength required for fine processing, the main raw material powder, particularly boron nitride powder, having an average particle size of less than 1 μm is suitable. Similarly, the desired high-strength free-cutting ceramic can be obtained by using zirconia having an average particle size of less than 1 μm.
[0032]
The sintering aid used in the present invention can be selected from those conventionally used for sintering silicon nitride and boron nitride. Preferred sintering aids are one or more obtained from complex oxides such as aluminum oxide (alumina), magnesium oxide (magnesia), yttrium oxide (yttria), and oxides and spinels of lanthanoid metals, More preferred is a mixture of alumina and yttria, or a mixture obtained by further adding magnesia.
[0033]
The amount of sintering aid component is 1 to 15 by weight% of the main raw material powder, it is desirable that the particular ranging from 3 to 10 wt%. If the blending amount is too small, sintering becomes insufficient, the strength of the sintered body is lowered, and stabilization of zirconia is insufficient, resulting in insufficient precipitation of cubic zirconia. If the blending amount is too large, the grain boundary glass layer having a low strength increases and the strength of the sintered body is reduced.
[0034]
The raw material powder is sintered at high temperature and pressure. As the high-temperature pressure sintering method, there is a hot press, which may be performed in a nitrogen atmosphere or in pressurized nitrogen. The hot press temperature is preferably in the range of 1400-1800 ° C. If the temperature is too low, sintering becomes insufficient, and if it is too high, problems such as elution of the sintering aid component occur.
[0035]
An appropriate pressure is in the range of 20 to 50 MPa. The duration of hot pressing is usually about 1 to 4 hours although it depends on temperature and dimensions. High-temperature pressure sintering can also be performed by HIP (hot isostatic press). The sintering conditions in this case can also be set as appropriate by those skilled in the art.
[0036]
A sintered body obtained in this way, by appropriately selecting the type and amount of sintering aid, the thermal expansion coefficient at 25 ° C. to 600 ° C. is 3~5 × 10 -6 / ℃. Further, when the microstructure of the sintered body was observed with a scanning electron microscope (SEM), the average particle diameter of boron nitride, zirconia, and silicon nitride was 5 μm or less.
[0037]
Since this sintered body has excellent machinability and high strength, it can perform fine slit processing or hole processing with high accuracy, and exhibits a thermal expansion coefficient close to that of silicon. When used for (probe guide), it has a feature that it does not cause a positional deviation with respect to the semiconductor element to be inspected even if the temperature changes.
[0038]
The ceramic processed part according to the present invention is generally plate-shaped and has a plurality of slits formed by slitting with a grinding wheel and / or a plurality of through holes formed by drilling with a drill. is there.
[0039]
Since the wall thickness or the wall thickness between the holes is thin and can be processed with high accuracy, when the processed component according to the present invention is used as a probe guide component, the probe can be held at a high density and the positioning accuracy of the probe This improves the reliability of the inspection device.
[0040]
Accordingly, thus the thermal expansion coefficient produced find use high strength machinable ceramic close to silicon is not particularly limited, for example, probe guide elements to be mounted on a probe card used in the inspection apparatus of the semiconductor element described above It is useful as a processed part.
[0041]
Next, the effects of the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0042]
【Example】
The Example in this invention and the comparative example with respect to it are described, and a result is shown in Table 1. Unless otherwise specified, “%” and “parts” in Examples and Comparative Examples are “% by mass” and “parts by mass”.
[0043]
(Examples 1-8)
A hexagonal boron nitride (h-BN) powder having an average particle size of 0.9 μm and a purity of 99%, a zirconia powder having an average particle size of 0.1 μm and a silicon nitride powder having an average particle size of 0.1 μm were mixed in the ratio shown in Table 1. To this mixed powder (main raw material powder), 2% by mass of alumina and 6% by mass of yttria were added as sintering aids, and ball mill mixing was performed using ethyl alcohol as a solvent. At this time, a polyethylene pot was used, zirconia balls were used as a mixing medium, and the obtained slurry was dried by a vacuum evaporator to obtain a raw material powder.
[0044]
This raw material powder was filled in a graphite die and hot press sintered at 1600 ° C. for 2 hours while applying a pressure of 30 MPa in a nitrogen atmosphere to obtain a ceramic sintered body of 65 × 65 mm and a thickness of 10 mm.
[0045]
A test piece was cut out from the sintered body, and the fracture strength was measured by a three-point bending test to obtain the bending strength.
In addition, in order to evaluate the machinability, a turning test was conducted using a carbide K-10 type tool at a grinding speed of 18 min, a feed rate of 0.03 mm / rev, and a cutting depth of 0.1 mm. The surface roughness and the flank wear width of the tool (indicating the degree of tool wear) were measured.
[0046]
Furthermore, the thermal expansion coefficient of this sintered body was measured in the range of room temperature (25 ° C.) to 600 ° C.
These results are summarized in Table 1.
A slit having the shape shown in FIG. 3 (width = 40 μm, wall thickness = 15 μm, depth = 300) is obtained by slitting the sintered body using a grinding wheel (resin bond diamond wheel # 200, thickness 40 μm, outer diameter 50 mm). 100 μm) were formed at a pitch of 55 μm. Although slitting is possible, if the accuracy is insufficient (pitch accuracy exceeds ± 4μm) or cracking and / or chipping (chipping) occurs, slitting can be performed with sufficient accuracy. The case where no chipping occurred was evaluated as ◯.
[0047]
In addition, after cutting the obtained sintered body into a thin plate with a thickness of 300 μm, using a carbide drill with a diameter of 50 μm (material SKH9), as shown in FIG. Drilling was performed in 20 rows (total 200 pieces) at 70 μm. The hole diameter is 60 μm and the depth is 300 μm.
[0048]
Measure the accuracy of hole diameter and hole pitch of the obtained through-hole, ○ when this accuracy is within ± 4μm and there is no crack or chipping, drilling is possible, but accuracy is insufficient, The case where chipping occurred was evaluated as Δ.
[0049]
The results are shown in Table 1.
Example 9
Hexagonal boron nitride (h-BN) powder with an average particle size of 0.9 μm and purity of 99%, zirconia powder with an average particle size of 0.8 μm and silicon nitride powder with an average particle size of 0.5 μm are mixed in the proportions shown in Table 1. The other conditions were the same as in Examples 1 to 8, and a sintered body was produced and a characteristic test was performed. The results are shown in Table 1, and a decrease in bending strength was observed.
[0050]
(Comparative Examples 1 and 2)
Sintered bodies were produced in the same manner as in Examples 1 to 9 except that the mass ratio of boron nitride, zirconia, and silicon nitride was outside the scope of the present invention.
[0051]
(Comparative Example 3)
The conventional free-cutting crystallized glass-based ceramic material was slit and drilled in the same way as in the examples. However, the strength of the material was weak, and chipping occurred when fine processing was performed. I couldn't. Various characteristics and processing results of this ceramic material are also shown in Table 1.
[0052]
(Comparative Example 4)
When a conventional free-cutting ceramic material made of a composite material of aluminum nitride and boron nitride was subjected to slitting and drilling similar to the examples, the workability of the material was poor and it was not possible to drill accurately and cleanly. It was. Various characteristics and processing results of this ceramic material are also shown in Table 1.
[0053]
[Table 1]
[0054]
As can be seen from Table 1, when a ceramic material made of a sintered body according to the present invention is used, high-precision fine processing can be performed without causing cracks or chips. Moreover, it can be seen that the thermal expansion coefficient of this material is smaller than that of a conventional crystallized glass-based ceramic material, and shows a value close to that of silicon.
[0055]
【The invention's effect】
According to the present invention, a deep slit or a through hole having a small wall thickness and a small width or diameter can be formed with high accuracy, so that a large number of probes can be held at a predetermined position at a high density, and displacement due to measurement temperature is small. It is possible to realize a semiconductor device inspection system that can cope with higher density LSIs.
[Brief description of the drawings]
Figure 1 is a schematic illustration of a probe guide elements, Device FIG. 1 (A) is simplified explanatory diagram showing a cross-section of the probe card, FIG. 1 (B) a probe card of the cross-section having a blow blanking guide elements simplified illustration showing, FIG 1 (C) is probe guide schematic plan view of a through hole of the component, and FIG. 1 (D) is a simplified cross-section.
FIG. 2 is a schematic explanatory view of a probe guide component having a slit, showing another modification of FIG. 1;
FIG. 3 is an explanatory diagram of a shape of a slit formed in an example.
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