CN103439248B - 测量tsv铜柱中残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电子领域，公开了一种测量TSV铜柱中残余应力的方法。本发明中，在待测的TSV铜柱表面确定一个测试原点；在所述测试原点的三个方向上，分别制备相同的一组微标记，三组微标记与所述测试原点的位置关系相同；在所述测试原点处打微孔；检测所述打微孔前后，三组所述微标记的位置变化；根据所述三组微标记的位置变化，结合弹性力学，计算得到所述测试原点处的残余应力。使得TSV铜柱中残余应力的测试无需应变片，也无需测定样品TSV铜柱的粗糙度，降低了测试要求，同时也保证了测量的残余应力的高精度。

Description

测量TSV铜柱中残余应力的方法

技术领域

本发明涉及微电子领域，特别涉及TSV铜柱中的残余应力的测试技术。

背景技术

高密度、高性能是当前微电子封装的发展趋势，硅通孔（ThroughSiliconVias，简称“TSV”）技术是满足该发展趋势的关键封装技术之一。TSV技术通过在硅片上刻蚀微孔，然后在微孔中通过电镀的方法填充铜，随后通过约410度的高温进行退火，经硅片减薄而形成通孔。结合再布线工艺形成互连，整合到封装结构中。

在上述主要工艺中，如电镀、退火，容易在TSV的电镀铜材料中产生较高的残余应力，由此影响到TSV结构的可靠性以及后续制备工艺的方案设计。由于TSV结构直径一般在5～150um，尺寸很小，比较精确的宏观测试残余应力方法，如钻孔法，实施方便，但是需要在钻孔位置附近贴应变片，应变片尺寸不可能很小，即使制备微小的应变片，微米尺度操作也会困难，因而该方法对测试TSV微观结构的残余应力不可行。

通过纳米压痕对材料表面施压，比较有无残余应力情况下的压痕面积或压力大小，从而推知残余应力大小，也是测量微结构残应力的一种方法，但该方法受到影响的因素很多，难以保持高的测量精度。申请号为201210310455.4的专利描述了一种测量TSV电镀铜残余应力的方法，需要采用适当的压头对TSV铜柱进行压缩产生滑移，通过力——位移曲线获得TSV滑移门槛值，推算TSV中的残余应力，加载同时加温使TSV更容易滑移来推算残余应力。上述方法对TSV样品的制备要求较高，需要通过扫描电子显微镜（SEM）获得TSV中硅/电镀铜界面的粗燥度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量TSV铜柱中残余应力的方法，使得TSV铜柱中残余应力的测试无需应变片，也无需测定样品TSV铜柱的粗糙度，降低了测试要求，同时也保证了测量的残余应力的高精度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种测量TSV铜柱中残余应力的方法，包含以下步骤：

在待测的TSV铜柱表面确定一个测试原点；

在所述测试原点的三个方向上，分别制备相同的一组微标记，三组微标记与所述测试原点的位置关系相同；

在所述测试原点处打微孔；

检测所述打微孔前后，三组所述微标记的位置变化；

根据所述三组微标记的位置变化，结合弹性力学，计算得到所述测试原点处的残余应力。

本发明实施方式相对于现有技术而言，借鉴了宏观钻孔法测试样品残余应力的方法，对样品表面的测试原点的三个方向上分别刻蚀出一组相同规则的微小标记，再在测试原点处打微孔，通过观察微标记的位置变化推算出微孔出现后对附近应变的影响，再通过三个方向的应变变化量，结合弹性力学计算得到测试原点处的残余应力。由于利用了宏观钻孔法的原理，通过微小的标记来推算应变，因此不需要应变片，也无需测定样品TSV铜柱的粗糙度，降低了测试要求，在微观尺度解决应变测量、钻孔等问题，同时也保证了测量的残余应力的高精度。而且，便于与现有制备工艺融合，可以在TSV填充完成后，选择典型位置进行测试。将该方法用于不同的位置，即可测定不同位置的残余应力。

另外，在测试原点的三个方向上，分别制备一组微标记的步骤中，微标记通过聚焦粒子束FIB技术制备得到；在测试原点处打微孔的步骤中，微孔通过所述FIB技术制备得到。由宏观钻孔研究表明，用高压空气将50um直径的氧化铝颗粒喷吹样品，进行喷砂打孔，其产生的打孔应力比直接机械钻孔小很多，基本不产生打孔应力。而微观的FIB打孔方法类似于喷砂钻孔，它使用高速离子轰击材料表面打孔，类比于宏观钻孔研究结果，FIB打孔产生的应力同样会很小。因此，微标记和微孔通过采用FIB进行刻蚀得到，位置准确和精度高，进一步保证了TSV微结构中高精度的残余应力测试。

另外，第一个方向上的一组微标记与所述第二个方向上的一组微标记呈90度夹角，所述第一个方向上的一组微标记与所述第三个方向上的一组微标记呈225度夹角。根据以下公式计算所述残余应力的第一主应力σ₁和第二主应力σ₂：

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{E}{4A}({\mathrm{\ϵ}}_0+{\mathrm{\ϵ}}_{90})+\frac{\sqrt{2}E}{4B}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_0-{\mathrm{\ϵ}}_{225})}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_{90}-{\mathrm{\ϵ}}_{225})}^2};$

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{E}{4A}({\mathrm{\ϵ}}_0+{\mathrm{\ϵ}}_{90})-\frac{\sqrt{2}E}{4B}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_0-{\mathrm{\ϵ}}_{225})}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_{90}-{\mathrm{\ϵ}}_{225})}^2}.$

其中，所述A、B均为释放系数，E为TSV铜柱的弹性模量，ε₀为所述第一个方向上获取的应变值，ε₉₀为所述第二个方向上获取的应变值，ε₂₂₅为所述第三个方向上获取的应变值。

另外，微标记的形状为以下任意一种：圆形、十字、叉形、三角形。每一组所述微标记直线排列，或以四边形等规则形状排列。使得本发明可以根据实际情况，灵活多变地实现，从而保证了本发明可具备广泛的应用场景。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的测量TSV铜柱中残余应力的方法流程图；

图2是根据本发明第一实施方式中单个TSV铜柱结构的俯视图；

图3是根据本发明第一实施方式中单个TSV铜柱结构的剖面图；

图4是根据本发明第一实施方式中根据确定的测试原点建立坐标系的示意图；

图5是根据本发明第一实施方式中的制备三组微标记的示意图；

图6是根据本发明第二实施方式中的以其他规则形状排列的微标记示意图；

图中，编号1表示TSV铜柱；编号2表示硅材料；编号3表示微标记；编号4表示测试原点处的微孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种测量TSV铜柱中残余应力的方法，具体流程如图1所示。

在步骤101中，在待测的TSV铜柱表面确定一个测试原点。单个TSV铜柱结构的俯视图如图2所示，剖面图如图3所示。在本实施方式中，确定的测试原点为该TSV铜柱自由端表面的中心位置。

接着，在步骤102中，在所述测试原点的三个方向上，分别制备相同的一组微标记，三组微标记与所述测试原点的位置关系相同。

具体地说，根据确定的测试原点，建立如图4所示的坐标系。然后，沿X坐标轴距离原点一定的距离，通过聚焦粒子束FIB技术精确定位，打一组0.1～0.5微米直径的微孔作为标记（即微标记），微标记沿X轴分布，各微标记的间距为微标记直径的1.5倍至2倍。采用同样的方法，沿Y轴和与X轴成225度夹角的方向各打一组微孔标记，其直径与间距和沿X轴上的微标记一致，如图5所示。也就是说，在本实施方式中，微标记的形状为圆孔，每组微标记直线排列，一组有4个微标记。第一个方向上的一组微标记与第二个方向上的一组微标记呈90度夹角，第一个方向上的一组微标记与第三个方向上的一组微标记呈225度夹角。当然，在实际应用中，每组微标记的个数也可以是3个或5个等其他数值。

接着，在步骤103中，在测试原点处打微孔，所打微孔的直径为1至5微米，深度为该微孔直径的1至1.2倍。具体地说，在测试原点位置用FIB打微孔，直径d为1～5微米，深度为1～1.2倍直径。并且，每组微标记的几何中心与测试原点中心的距离r，与所述微孔的直径d，应满足以下关系：

$\frac{2}{3}d\≤r\≤5d$

比如说，4个等距离排列的微孔标记，其r值为第一个微孔和最后一个微孔到原点距离之和的1/2。打孔时，应保持

由于微观的FIB打孔方法类似于喷砂钻孔，它使用高速离子轰击材料表面打孔，类比于宏观研究结果，FIB打孔产生的应力同样会很小。因此，微标记和微孔通过采用FIB进行刻蚀得到，位置准确和精度高，进一步保证了后续TSV微结构中高精度的残余应力测试。

接着，在步骤104中，检测打微孔前后，三组微标记的位置变化，根据三组微标记的位置变化，结合弹性力学，计算得到测试原点处的残余应力。在本步骤中，针对每一组微标记，将打微孔前后的微标记的间距进行对比，获得每个微标记的位置改变，根据该组中各微标记改变的位置，获取该组微标记所在方向上的应变值。然后，根据三个方向上的应变值，计算所述残余应力的第一主应力和第二主应力。

具体地说，在原点用FIB打孔后，会产生应力释放，由此使得不同方向各组微标记位置发生变化。针对任一组微标记，对比打微孔之前微标记的间距，可以获得微标记两两之间的位置改变，将该变量对应于坐标画图，进行线性拟合，其斜率即是该方向的平均应变。对X轴方向、Y轴方向和225度方向的三组微标记进行分析，得到的应变分别记为ε₀,ε₉₀,ε₂₂₅。通过获得的各个方向的应变值，可以分别按照公式（1）、公式（2）计算残余应力的第一和第二主应力：

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{E}{4A}({\mathrm{\ϵ}}_0+{\mathrm{\ϵ}}_{90})+\frac{\sqrt{2}E}{4B}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_0-{\mathrm{\ϵ}}_{225})}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_{90}-{\mathrm{\ϵ}}_{225})}^2}---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{E}{4A}({\mathrm{\ϵ}}_0+{\mathrm{\ϵ}}_{90})-\frac{\sqrt{2}E}{4B}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_0-{\mathrm{\ϵ}}_{225})}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_{90}-{\mathrm{\ϵ}}_{225})}^2}---\left(2\right)$

其中，A、B均为释放系数，E为TSV铜柱的弹性模量，ε₀为第一个方向上获取的应变值，ε₉₀为第二个方向上获取的应变值，ε₂₂₅为第三个方向上获取的应变值。第一主应力与X轴的夹角满足如下关系：

其中，释放系数A、B可以通过公式（4）、公式（5）计算得到：

$A=-\frac{(1+\mathrm{\μ})d^2}{2r_1{r}_2}---\left(4\right)$

$B=\frac{{2d}^2}{r_1{r}_2}[\frac{(1+\mathrm{\μ})d^2(r_1^2+r_1{r}_2+r_2^2)}{4r_1^2{r}_2^2}-1]---\left(5\right)$

其中，r₁与r₂分别为每一组微标记中，第一个微标记和最后一个微标记离测试原点的距离，其中r₂＞r₁；μ为泊松比，d为微孔的直径。

需要说明的是，上述公式（1）、公式（2）是用于计算残余应力的一种具体计算方式，通过对上述公式（1）、公式（2）的简单变换，得到的残余应力的计算公式，均在本申请的保护范围之内。

本领域技术人员可以理解，TSV电镀铜中的残余应力是影响其可靠性的重要因素，测定残余应力大小有益于TSV结构和后续工艺的设计具有参考意义。但是由于TSV结构特征尺寸一般在200微米之内，无法用应变片测定表面应变，因而常规用于宏观材料的残余应力测试方法都无法实施。申请号为201210310455.4的发明专利，利用压头并升温度对TSV加载，定义了TSV产生滑移的载荷门槛值，由此推算残余应力的大小，但需要精确制样测量硅/铜界面的粗糙度。而在本实施方式中，借鉴了宏观钻孔法测试样品残余应力的方法，对样品表面的测试原点的三个方向上分别刻蚀出一组相同规则的微小标记，再在测试原点处打微孔，通过观察微标记的位置变化推算出微孔出现后对附近应变的影响，再通过三个方向的应变变化量，结合弹性力学计算得到测试原点处的残余应力。由于利用了宏观钻孔法的原理，通过微小的标记来推算应变，因此不需要应变片，也无需测定样品TSV铜柱的粗糙度，降低了测试要求，在微观尺度解决应变测量、钻孔等问题，同时也保证了测量的残余应力的高精度。而且，便于与现有制备工艺融合，可以在TSV填充完成后，选择典型位置进行测试。将该方法用于不同的位置，即可测定不同位置的残余应力。

而且，有效地利用了FIB精确切割微小结构的特点，由于采用了可以精确制备微小标记的FIB技术，因此可以获得比较准确的应变大小，从而获得的残余应力值更准确。

此外，本领域技术人员可以理解，若要测试内部较大深度处的残余应力，可以通过制样，获得该深度的表面，然后用上述方法测出残余应力大小，在此不再赘述。

本发明的第二实施方式涉及一种测量TSV铜柱中残余应力的方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，每一组微标记以直线排列。而在本发明第二实施方式中，每一组微标记可以四边形、三角形、圆形等其他规则形状排列，如图6所示。

此外，本领域技术人员可以理解，在第一实施方式中，微标记的形状为圆形。而在本发明第二实施方式中，微标记的形状也可以采用十字、叉形、三角形等其他形状。

由于微标记的形状为以下任意一种：圆形、十字、叉形、三角形。每一组所述微标记直线排列，或以四边形等规则形状排列。使得本发明可以根据实际情况，灵活多变地实现，从而保证了本发明可具备广泛的应用场景。

本发明的第三实施方式涉及一种测量TSV铜柱中残余应力的方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，在测试原点的三个方向上，分别制备一组微标记的步骤中，微标记通过聚焦粒子束FIB技术制备得到。而在本发明第三实施方式中，在测试原点的三个方向上，分别制备一组微标记的步骤中，微标记通过模板刻蚀制备得到。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种测量TSV铜柱中残余应力的方法，其特征在于，包含以下步骤：

在待测的TSV铜柱表面确定一个测试原点；

在所述测试原点的三个方向上，分别制备相同的一组微标记，三组微标记与所述测试原点的位置关系相同；

在所述测试原点处打微孔；

检测所述打微孔前后，三组所述微标记的位置变化；

根据所述三组微标记的位置变化，结合弹性力学，计算得到所述测试原点处的残余应力。

2.根据权利要求1所述的测量TSV铜柱中残余应力的方法，其特征在于，在所述测试原点的三个方向上，分别制备一组微标记的步骤中，所述微标记通过聚焦粒子束FIB技术制备得到；

在所述测试原点处打微孔的步骤中，所述微孔通过所述FIB技术制备得到。

3.根据权利要求1所述的测量TSV铜柱中残余应力的方法，其特征在于，在所述测试原点的三个方向上，分别制备一组微标记的步骤中，所述微标记通过模板刻蚀制备得到。

4.根据权利要求1所述的测量TSV铜柱中残余应力的方法，其特征在于，第一个方向上的一组微标记与第二个方向上的一组微标记呈90度夹角，所述第一个方向上的一组微标记与第三个方向上的一组微标记呈225度夹角。

5.根据权利要求4所述的测量TSV铜柱中残余应力的方法，其特征在于，所述根据三组微标记的位置变化，结合弹性力学，计算得到所述测试原点处的残余应力的步骤中，包含以下子步骤：

针对每一组微标记，将所述打微孔前后的微标记的间距进行对比，获得每个微标记的位置改变，根据该组中各微标记改变的位置，获取该组微标记所在方向上的应变值；

根据所述三个方向上的应变值，计算所述残余应力的第一主应力和第二主应力。

6.根据权利要求5所述的测量TSV铜柱中残余应力的方法，其特征在于，根据以下公式计算所述残余应力的第一主应力σ₁和第二主应力σ₂：

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{E}{4A}({\mathrm{\ϵ}}_0+{\mathrm{\ϵ}}_{90})+\frac{\sqrt{2}E}{4B}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_0-{\mathrm{\ϵ}}_{225})}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_{90}-{\mathrm{\ϵ}}_{225})}^2}$

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{E}{4A}({\mathrm{\ϵ}}_0+{\mathrm{\ϵ}}_{90})-\frac{\sqrt{2}E}{4B}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_0-{\mathrm{\ϵ}}_{225})}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_{90}-{\mathrm{\ϵ}}_{225})}^2}$

其中，所述A、B均为释放系数，E为TSV铜柱的弹性模量，ε₀为所述第一个方向上获取的应变值，ε₉₀为所述第二个方向上获取的应变值，ε₂₂₅为所述第三个方向上获取的应变值。

7.根据权利要求6所述的测量TSV铜柱中残余应力的方法，其特征在于，所述A、所述B分别通过以下公式计算得到：

$A=-\frac{(1+\mathrm{\μ})d^2}{2r_1{r}_2}$

$B=\frac{2d^2}{r_1{r}_2}\[\frac{(1+\mathrm{\μ})d^2(r_1^2+r_1{r}_2+r_2^2)}{4r_1^2{r}_2^2}-1\]$

其中，r₁与r₂分别为每一组微标记中，第一个微标记和最后一个微标记离所述测试原点的距离，其中r₂＞r₁；μ为泊松比，d为所述微孔的直径。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的测量TSV铜柱中残余应力的方法，其特征在于，所述微标记的形状为以下任意一种：

圆形、十字、叉形、三角形。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的测量TSV铜柱中残余应力的方法，其特征在于，

每一组所述微标记以规则形状排列；其中，所述规则形状包含：

直线、四边形、三角形、圆形。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的测量TSV铜柱中残余应力的方法，其特征在于，

所述微标记的直径为0.1至0.5微米；

每组所述微标记中，各微标记的间距为所述微标记直径的1.5倍至2倍。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的测量TSV铜柱中残余应力的方法，其特征在于，

所述微孔的直径为1至5微米，深度为该微孔直径的1至1.2倍。

12.根据权利要求11所述的测量TSV铜柱中残余应力的方法，其特征在于，每组所述微标记的几何中心与所述测试原点中心的距离r，与所述微孔的直径d，满足以下关系：

$\frac{2}{3}d\≤r\≤5d.$