[發明專利]測量TSV銅柱中殘余應力的方法

有效

• 申請號: 201310261083.5
• 申請日: 2013-06-26
• 公開（公告）號: CN103439248A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 王珺;翟歆鐸;張兆強;肖斐
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01N19/00
• 分類號: G01N19/00;G01L1/00
• 代理公司: 上海晨皓知識產權代理事務所(普通合伙) 31260
• 代理人: 成麗杰

技術領域

本發明涉及微電子領域，特別涉及TSV銅柱中的殘余應力的測試技術。

背景技術

高密度、高性能是當前微電子封裝的發展趨勢，硅通孔（Through?Silicon?Vias，簡稱“TSV”）技術是滿足該發展趨勢的關鍵封裝技術之一。TSV技術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，經硅片減薄而形成通孔。結合再布線工藝形成互連，整合到封裝結構中。

在上述主要工藝中，如電鍍、退火，容易在TSV的電鍍銅材料中產生較高的殘余應力，由此影響到TSV結構的可靠性以及后續制備工藝的方案設計。由于TSV結構直徑一般在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微觀結構的殘余應力不可行。

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，也是測量微結構殘應力的一種方法，但該方法受到影響的因素很多，難以保持高的測量精度。申請號為201210310455.4的專利描述了一種測量TSV電鍍銅殘余應力的方法，需要采用適當的壓頭對TSV銅柱進行壓縮產生滑移，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。

發明內容

本發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。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種測量TSV銅柱中殘余應力的方法，包含以下步驟：

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；

根據所述三組微標記的位置變化，結合彈性力學，計算得到所述測試原點處的殘余應力。

本發明實施方式相對于現有技術而言，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后對附近應變的影響，再通過三個方向的應變變化量，結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。

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技術制備得到。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，其產生的打孔應力比直接機械鉆孔小很多，基本不產生打孔應力。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果，FIB打孔產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微結構中高精度的殘余應力測試。

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。根據以下公式計算所述殘余應力的第一主應力σ₁和第二主應力σ₂：