CN102768148B - 用于tsv铜互连材料力学性能测试的原位压缩试样 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于TSV铜互连材料力学性能测试的原位压缩试样，所述试样包括试样部分和用于固定试样的固定端，所述的试样部分是在硅通孔中形成的圆形金属柱；所述的固定端部分为圆形或方形平板结构，所述试样部分在所述固定端的上端部分。本发明与国内外现有的微拉伸试样相比，试样受力方向与圆形金属柱的生长方向一致，且主体尺寸是微米级，实现了原位TSV铜柱的力学性能测试，能有效地解决薄膜层力学性能测试数据不能真实反应TSV孔内铜互连材料力学性能的问题，提高了3D封装设计与仿真模拟中TSV铜互连材料力学特性参数的真实性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种测试技术的压缩试样，具体说，涉及一种用于TSV铜互连材料力学性能测试的原位压缩试样。
背景技术
TSV（Through Silicon Vias，硅通孔）叠层互连技术，不仅可以提高三维集成度，而且其短距离互连的优势可以降低互连延迟，是微电子技术发展的一个重要方向。由于TSV中的铜互连材料，其制备工艺与结构尺寸与宏观的块体铜材料不同，所以材料的抗压强度，杨氏模量等基本力学特性和宏观材料相比，存在明显的差异。
现有的薄膜力学性能测试大多基于纳米压痕方法和薄膜单轴拉伸方法，而没有用微压缩的方法来测试材料的力学特性。纳米压痕是通过纳米硬度测试过程中加载—卸曲线得出试样力学参数的方法，是一种公知的方法，但无法获得材料的断裂强度等参数。
薄膜单轴拉伸方法试样制备工艺相对简单，测试数据易于获取，如中国专利ZL200710047682.1中提出了一种用于薄膜力学性能测试的单轴微拉伸试件(公开号为101149317A)，该发明介绍：“一种力学性能测试技术的用于薄膜力学性能测试的单轴微拉伸试件，包括U型支撑平台、移动平台、蛇形支撑弹簧、对中标记、位移标记，蛇形支撑弹簧连接U型支撑平台和移动平台，U型支撑平台和移动平台与薄膜试样的两端悬空相连，对中标记位于移动平台的上面，位移标记粘接在靠近薄膜试样、移动平台的尾端。本发明与国内外现有微拉伸试件相比，制备工艺可行，重现性好，成品率高，只需一端固定即可，克服了拉伸过程中由支撑梁塑性变形而引起的实验误差。本发明集成式框架微拉伸试件适用于微机电系统中的各种单质金属、合金和复合材料等薄膜材料微观力学性能测试。”但薄膜单轴拉伸方法其拉伸方向与电镀层生长方向垂直，无法获得TSV铜材料原位的力学特性参数。在没有详细的微尺度、原位的铜材料力学特性参数背景下，进行铜TSV结构设计和模拟仿真，必然引用宏观块体铜材料的力学参数，使得TSV铜互连结构设计存在一定的可靠性问题，有碍产业化的进程。
而原位拉伸式样制备工艺和测试方法比较困难，如申请号为201210050952.5的发明专利，该专利申请中提出一种“用于TSV铜互连材料力学性能测试的原位拉伸试样，所述原位拉伸试样包括试样部分和用于固定试样的固定部分，所述的试样部分是在硅通孔中形成的圆形金属柱；所述的固定端部分为圆形或方形平板结构。所述试样部分为微米级，所述固定端厚度部分为毫米级。”但由于原位拉伸式样的需要上下两个固定端部分，且它们与原位拉伸试样部分在垂直方向上，因此不易制备。并且由于试样部分的尺寸很小，在测试过程中不易将两个固定端同时夹持，加大了测试的难度。本发明只需一个固定端，工艺方面更易于实现，且测试时只需将一端固定，因此更易于试样力学性能的测试。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有对TSV铜互连材料力学性能表征的不完善，提供一种用于TSV铜互连材料力学性能测试的原位压缩试样，使得到的力学参数更接近于实际应用。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的原位压缩试样包括试样部分和用于固定试样的固定端部分。
所述的试样部分是在硅通孔中形成的圆形金属柱，材料为电沉积铜材。
所述的固定端为方形平板结构，材料为铜材或镍材。
所述试样的一端固定在所述固定端之上，通过夹具将固定端固定，并对所述试样的另一端施加压力，试样受力方向与圆形金属柱的生长方向一致，实现试样的压缩测试。通过对实验过程中压力和位移变化的记录，可以得出试样的应力应变曲线，从而能得出抗压强度和杨氏模量等基本力学参数。
所述试样部分为微米级，所述固定端厚度部分为毫米级。
与现有的国内外的微拉伸试样相比，本发明设计的TSV铜互连原位压缩试样结构，主体尺寸是微米级，与实际生产中TSV铜互连主体尺寸基本相同，试样受力方向与铜柱的生长方向一致，更贴近于实际应用中TSV铜互连的成型工艺与结构，其制备工艺可行，重现性好，成品率高；而且本发明是采用无框架结构，单轴压缩，只需一个固定端即可，工艺更加简单，且更易于进行测试，并可以更直接的测试出TSV铜互连材料的力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例中所设计的TSV铜互连原位压缩试样结构示意图；
图1中：1为金属柱，2为固定端；
图2为本发明实施例中所设计的TSV铜互连原位压缩试样压缩固定示意图；
图2中：3为专用固定端夹具，4为施力端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种TSV铜互连材料原位压缩试样结构，所述的原位压缩试样包括试样部分和用于固定试样的固定端部分。
所述的试样部分是在硅通孔中形成的金属柱1，材料为电沉积铜材。
所述的固定端部分为圆形或方形平板结构，材料为铜材或镍材。
所述试样部分1，所述上固定端2厚度，它们的尺寸均为微米级。
具体的，本实施例中，所述试样部分1，其形状为圆形金属柱，直径为5-200微米，高度为10-400微米；
本实施例中，所述试样部分1，材料为金属铜。
本实施例中，所述固定端2，其形状为长方形或正方形平板结构，边长为500-5000微米，厚度为300-600微米。
本实施例中，所述试样固定端2部分，材料为铜材或镍材。
如图2所示，本实施例用于测量时，试样部分的一端通过固定端2固定，对试样一端施加水平方向的压力，就可以实现试样的压缩测试。通过对实验过程中压力和位移变化的记录，可以得出试样的应力应变曲线，从而能得出抗压强度和杨氏模量等基本力学参数。
以上所述的具体实施例，与通常的薄膜试样相比，该试样的主体尺寸是微米级，与实际生产中TSV铜互连主体尺寸基本相同，且试样受力方向与铜柱的生长方向一致，通过压缩试验所得到的力学参数能够真实反映TSV铜互连材料的力学特性，将有效提高3D封装设计与仿真模拟中TSV铜互连材料力学特性参数的真实性，对于相关产品的开发、应用、寿命预测与可靠性提高将发挥重要作用。本发明TSV铜互连压缩试样可以在半导体衬底上采用现有常用手段制备得到。
通过对实施例具体描述，进一步阐述了本发明的目的、技术方案和有益效果。本发明适用于TSV中铜互连材料的力学性能测试表征，同时也对其它微观金属材料测试有着相应的效果。
以上仅是对本发明的一个实施例进行的详细说明，但是本发明并不限于以上实施例。应该理解的是，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员做出的各种修改，仍属于本发明的范围。
Claims (6)
1.一种用于TSV铜互连材料力学性能测试的原位压缩试样，其特征在于，所述原位压缩试样包括试样部分和用于固定试样的固定端，所述的试样部分是在硅通孔中形成的圆形金属柱；所述的固定端为圆形或方形平板结构；所述试样的一端固定在所述固定端之上，用夹具将固定端固定，并对所述试样的另一端施加压力，试样受力方向与圆形金属柱的生长方向一致，实现试样的压缩测试。
2.根据权利要求1所述的用于TSV铜互连材料力学性能测试的原位压缩试样，其特征在于，所述试样部分为微米级，所述固定端厚度为毫米级。
3.根据权利要求2所述的用于TSV铜互连材料力学性能测试的原位压缩试样，其特征在于，所述试样部分，其形状为圆形金属柱，直径为5-150微米，高度为10-300微米。
4.根据权利要求3所述的用于TSV铜互连材料力学性能测试的原位压缩试样，其特征在于，所述试样部分，材料为电沉积金属铜。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于TSV铜互连材料力学性能测试的原位压缩试样，其特征在于，所述固定端，其形状为长方形或正方形平板或圆形结构，边长为500-2000微米，厚度为300-600微米。
6.根据权利要求5所述的用于TSV铜互连材料力学性能测试的原位压缩试样，其特征在于，所述固定端，材料为铜材或镍材。
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