測量tsv銅柱中殘余應力的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及微電子領域，公開了一種測量TSV銅柱中殘余應力的方法。本發(fā)明中，在待測的TSV銅柱表面確定一個測試原點；在所述測試原點的三個方向上，分別制備相同的一組微標記，三組微標記與所述測試原點的位置關(guān)系相同；在所述測試原點處打微孔；檢測所述打微孔前后，三組所述微標記的位置變化；根據(jù)所述三組微標記的位置變化，結(jié)合彈性力學，計算得到所述測試原點處的殘余應力。使得TSV銅柱中殘余應力的測試無需應變片，也無需測定樣品TSV銅柱的粗糙度，降低了測試要求，同時也保證了測量的殘余應力的高精度。
【專利說明】測量TSV銅柱中殘余應力的方法【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子領域，特別涉及TSV銅柱中的殘余應力的測試技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]高密度、高性能是當前微電子封裝的發(fā)展趨勢,娃通孔(Through Silicon Vias,簡稱“TSV”)技術(shù)是滿足該發(fā)展趨勢的關(guān)鍵封裝技術(shù)之一。TSV技術(shù)通過在硅片上刻蝕微孔，然后在微孔中通過電鍍的方法填充銅，隨后通過約410度的高溫進行退火，經(jīng)硅片減薄而形成通孔。結(jié)合再布線工藝形成互連，整合到封裝結(jié)構(gòu)中。
[0003]在上述主要工藝中，如電鍍、退火，容易在TSV的電鍍銅材料中產(chǎn)生較高的殘余應力，由此影響到TSV結(jié)構(gòu)的可靠性以及后續(xù)制備工藝的方案設計。由于TSV結(jié)構(gòu)直徑一般在5?150um，尺寸很小，比較精確的宏觀測試殘余應力方法，如鉆孔法，實施方便，但是需要在鉆孔位置附近貼應變片，應變片尺寸不可能很小，即使制備微小的應變片，微米尺度操作也會困難，因而該方法對測試TSV微觀結(jié)構(gòu)的殘余應力不可行。
[0004]通過納米壓痕對材料表面施壓，比較有無殘余應力情況下的壓痕面積或壓力大小，從而推知殘余應力大小，也是測量微結(jié)構(gòu)殘應力的一種方法，但該方法受到影響的因素很多，難以保持高的測量精度。申請?zhí)枮?01210310455.4的專利描述了一種測量TSV電鍍銅殘余應力的方法，需要采用適當?shù)膲侯^對TSV銅柱進行壓縮產(chǎn)生滑移，通過力——位移曲線獲得TSV滑移門檻值，推算TSV中的殘余應力，加載同時加溫使TSV更容易滑移來推算殘余應力。上述方法對TSV樣品的制備要求較高，需要通過掃描電子顯微鏡(SEM)獲得TSV中硅/電鍍銅界面的粗燥度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在 于提供一種測量TSV銅柱中殘余應力的方法，使得TSV銅柱中殘余應力的測試無需應變片，也無需測定樣品TSV銅柱的粗糙度，降低了測試要求，同時也保證了測量的殘余應力的高精度。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種測量TSV銅柱中殘余應力的方法，包含以下步驟:
[0007]在待測的TSV銅柱表面確定一個測試原點；
[0008]在所述測試原點的三個方向上，分別制備相同的一組微標記，三組微標記與所述測試原點的位置關(guān)系相同；
[0009]在所述測試原點處打微孔；
[0010]檢測所述打微孔前后，三組所述微標記的位置變化；
[0011]根據(jù)所述三組微標記的位置變化，結(jié)合彈性力學，計算得到所述測試原點處的殘余應力。
[0012]本發(fā)明實施方式相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，借鑒了宏觀鉆孔法測試樣品殘余應力的方法，對樣品表面的測試原點的三個方向上分別刻蝕出一組相同規(guī)則的微小標記，再在測試原點處打微孔，通過觀察微標記的位置變化推算出微孔出現(xiàn)后對附近應變的影響，再通過三個方向的應變變化量，結(jié)合彈性力學計算得到測試原點處的殘余應力。由于利用了宏觀鉆孔法的原理，通過微小的標記來推算應變，因此不需要應變片，也無需測定樣品TSV銅柱的粗糙度，降低了測試要求，在微觀尺度解決應變測量、鉆孔等問題，同時也保證了測量的殘余應力的高精度。而且，便于與現(xiàn)有制備工藝融合，可以在TSV填充完成后，選擇典型位置進行測試。將該方法用于不同的位置，即可測定不同位置的殘余應力。
[0013]另外，在測試原點的三個方向上，分別制備一組微標記的步驟中，微標記通過聚焦粒子束FIB技術(shù)制備得到；在測試原點處打微孔的步驟中，微孔通過所述FIB技術(shù)制備得至IJ。由宏觀鉆孔研究表明，用高壓空氣將50um直徑的氧化鋁顆粒噴吹樣品，進行噴砂打孔，其產(chǎn)生的打孔應力比直接機械鉆孔小很多，基本不產(chǎn)生打孔應力。而微觀的FIB打孔方法類似于噴砂鉆孔，它使用高速離子轟擊材料表面打孔，類比于宏觀鉆孔研究結(jié)果，F(xiàn)IB打孔產(chǎn)生的應力同樣會很小。因此，微標記和微孔通過采用FIB進行刻蝕得到，位置準確和精度高，進一步保證了 TSV微結(jié)構(gòu)中高精度的殘余應力測試。
[0014]另外，第一個方向上的一組微標記與所述第二個方向上的一組微標記呈90度夾角，所述第一個方向上的一組微標記與所述第三個方向上的一組微標記呈225度夾角。根據(jù)以下公式計算所述殘余應力的第一主應力σ i和第二主應力σ 2:
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種測量TSV銅柱中殘余應力的方法，其特征在于，包含以下步驟: 在待測的TSV銅柱表面確定一個測試原點； 在所述測試原點的三個方向上，分別制備相同的一組微標記，三組微標記與所述測試原點的位置關(guān)系相同； 在所述測試原點處打微孔； 檢測所述打微孔前后，三組所述微標記的位置變化； 根據(jù)所述三組微標記的位置變化，結(jié)合彈性力學，計算得到所述測試原點處的殘余應力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量TSV銅柱中殘余應力的方法，其特征在于，在所述測試原點的三個方向上，分別制備一組微標記的步驟中，所述微標記通過聚焦粒子束FIB技術(shù)制備得到； 在所述測試原點處打微孔的步驟中，所述微孔通過所述FIB技術(shù)制備得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量TSV銅柱中殘余應力的方法，其特征在于，在所述測試原點的三個方向上，分別制備一組微標記的步驟中，所述微標記通過模板刻蝕制備得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量TSV銅柱中殘余應力的方法，其特征在于，所述第一個方向上的一組微標記與所述第二個方向上的一組微標記呈90度夾角，所述第一個方向上的一組微標記與所述第三個方向上的一組微標記呈225度夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量TSV銅柱中殘余應力的方法，其特征在于，所述根據(jù)三組微標記的位置變化，結(jié)合彈性力學，計算得到所述測試原點處的殘余應力的步驟中，包含以下子步驟: 針對每一組微標記，將所述打微孔前后的微標記的間距進行對比，獲得每個微標記的位置改變，根據(jù)該組中各微標記改變的位置，獲取該組微標記所在方向上的應變值； 根據(jù)所述三個方向上的應變值，計算所述殘余應力的第一主應力和第二主應力。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量TSV銅柱中殘余應力的方法，其特征在于，根據(jù)以下公式計算所述殘余應力的第一主應力O1和第二主應力σ2:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量TSV銅柱中殘余應力的方法，其特征在于，所述Α、所述B分別通過以下公式計算得到:
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的測量TSV銅柱中殘余應力的方法，其特征在于，所述微標記的形狀為以下任意一種: 圓形、十字、叉形、三角形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的測量TSV銅柱中殘余應力的方法，其特征在于， 每一組所述微標記以規(guī)則形狀排列；其中，所述規(guī)則形狀包含: 直線、四邊形、三角形、圓形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的測量TSV銅柱中殘余應力的方法，其特征在于， 所述微標記的直徑為0.1至0.5微米； 所述每組微標記中，各微標記的間距為所述微標記直徑的1.5倍至2倍。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的測量TSV銅柱中殘余應力的方法，其特征在于， 所述微孔的直徑為I至5微米，深度為該微孔直徑的I至1.2倍。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的測量TSV銅柱中殘余應力的方法，其特征在于，所述每組微標記的幾何中心與所述測試原點中心的距離r，與所述微孔的直徑d，滿足以下關(guān)系:
【文檔編號】G01L1/00GK103439248SQ201310261083
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月26日
【發(fā)明者】王珺, 翟歆鐸, 張兆強, 肖斐 申請人:復旦大學