CN104198272A - 一种3d-tsv原位拉伸试样及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3D-TSV原位拉伸试样及其制备方法，所述试样包括试样柱部分、固定部分和夹持部分，其中：试样柱采用干膜代替正胶制备，以便于金属柱的生长；固定部分与试样柱部分一同电镀完成，并作为试样柱部分与外界连接的端口，以解决试样柱小难以操作的难题；为方便测试仪器的夹持，本发明运用电镀、粘结或焊接方法制备夹持部分，电镀方法是直接在固定端再次图形化一层条状金属，金属两端带圆环，弯折后圆环对齐作为夹持部分；粘结与焊接方法是将以制备好的夹持部分用粘结或焊接直接同固定端连接。本发明设计总体便于操作，步骤简单，在保证准确性的基础上优化了工艺。

Description

一种3D-TSV原位拉伸试样及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种测试技术的拉伸试样，具体地，涉及一种用微加工工艺和电镀工艺制备的便于夹持的TSV铜材料力学性能原位拉伸试样及其制备方法。

背景技术

近年来，基于TSV(Through Silicon Vias，硅通孔)的3D封装技术受人广泛的关注。这是由于其相对于传统的导线连接而言，不仅能很大程度上减少电阻和反馈时间，而且能提高IC的集成密度，并有效降低微器件内部热量。TSV为微电子器件性能的改良和优化提供了很大的发展空间，这对整个IC产业的发展来说，都有很重大的意义。微电子行业中，在结构尺寸和制备工艺上存在着与宏观材料的较为明显的差别，这使得材料的性能与宏观材料本身也有所不同。3D封装中TSV铜的制备方法与薄膜材料相比有较大差别，所以薄膜的力学性能不能完全取代原位材料的力学性能。

目前，针对微观材料力学的测试大多是基于纳米压痕和单轴拉伸这两种方法，纳米压痕主要是测试材料的纳米硬度，再通过加载―卸载曲线之间的关系间接计算出试样的一部分力学性能，一般只能求出杨氏模量。单轴拉伸法的试样制备工艺相对简单，其测试数据较容易获，目前针对微观材料来说，单轴拉伸法的应用是相对普遍的。例如专利CN 202133586 U中所介绍的用于透射电镜的原位力、电性能单轴拉伸试样杆，其力学测试就是应用的单轴拉伸方法。它主要是通过驱动器对拉伸试样施加载荷，用图像位标法或者压敏电阻惠斯通桥来记录位移，经计算，可以得到试样的应力―应变曲线了。然而，此专利与其它的薄膜单轴拉伸法都只能针对薄膜材料做力学测试，不能应用到圆柱形材料的测试。中国专利公开号为102607938A，该专利提供一种用于TSV铜互连材料力学性能测试的原位拉伸试样，该专利中提到的拉伸试样的夹持部分尺寸过小，这导致在试样装配过程出现非常大的困难。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种3D-TSV原位拉伸试样及其制备方法，本发明的夹持端是厘米级，很好得解决了试样夹持部分过小的难题，同时本发明整体采用两步成型工艺来完成试样的制备，更加便捷有效，并且用干膜代替正胶避免显影不干净的弊端，夹持端也能根据测试工具的尺寸来进行定制，可以说是在专利102607938A上的一个极大的提升。

根据本发明的一个方面，提供一种3D-TSV原位拉伸试样，包括试样柱部分、固定部分以及用于连接和夹持试样的夹持部分，其中：试样柱部分是在硅通孔中形成的圆柱形金属柱结构；固定部分是和试样柱部分一起完成生长的电镀金属结构，并作为试样柱部分与外界连接的端口；夹持部分是连接试样柱部分并带有定位圆环的金属结构，并与固定部分相连接；试样受力方向与圆形金属柱的生长方向一致，以实现试样的压缩测试。所述的试样柱部分与所述的固定部分的尺寸均为微米级；所述的夹持部分的尺寸为厘米级。

优选地，所述的试样柱部分的底面直径为5-200微米、高度为10-700微米，材料为铜。

优选地，所述的固定部分为方形或圆柱形的金属块，材料为铜。

优选地，所述拉伸试样采用电镀制备或者粘结或焊接方法制备。

更优选地，所述的固定部分在电镀制备的拉伸试样中，代替试样柱部分在夹持部分弯曲时受力，防止拉伸试样柱变形；在由粘结或焊接制备的拉伸试样中，在拉伸时保证夹持部分与试样柱部分的连接，厚度为50-150微米。

优选地，所述的夹持部分在电镀制备的拉伸试样中，为两端带圆环的长条形金属结构，在固定部分上一步电镀完成，长度为0.5-2厘米，厚度为50-150微米，圆环外直径为0.2-1厘米，内直径为0.1-0.8厘米，弯折后圆环合到一起用于夹持定位，另一端与固定部分连接；在粘结或焊接方法制备的拉伸试样中，夹持部分的主体直接另外加工完成，以避免拉伸时该部分发生额外的形变，主体带圆孔的一端用于测试定位，另一端的圆盘通过粘结或焊接与固定部分相连，圆盘直径为50-600微米，夹持端的圆环外直径为0.2-1厘米，内直径为0.1-0.8厘米，中间的支撑部分总长为100-600微米、宽为50-150微米、厚度为50-150微米；由于该部分采用外加工制备，夹持部分的形状可以根据测试工具的不同而定制不同大小的夹持部分；所述的夹持部分的材料为铜或镍。

根据本发明的另一个方面，提供一种3D-TSV原位拉伸试样电镀的制备方法，该方法基于干膜和二次成型工艺，具体包括如下步骤：

(a)光刻显影刻蚀，在硅片上制备TSV通孔；

(b)在硅片正反两面贴上干膜光刻胶，并防止光刻胶进入通孔影响试样品质；

(c)光刻显影出固定部分，并与通孔连接；

(d)电镀铜材料，填满通孔和固定部分，完成试样柱部分和固定部分；

(e)在硅片正反两面甩上光刻正胶；

(f)光刻显影出夹持部分；

(g)电镀铜或镍完成夹持部分；

(h)释放光刻胶；

(i)将夹持部分弯曲至圆环重合到一起，形成拉伸受力端，完成试样形状；

(j)释放硅，得到拉伸试样。

根据本发明的第三个方面，提供一种3D-TSV原位拉伸试样粘结或焊接的制备方法，该方法基于干膜工艺一次成型试样柱部分和固定部分，具体包括如下步骤：

(a)光刻显影刻蚀，在硅片上制备TSV通孔；

(b)在硅片正反两面贴上干膜光刻胶，并防止光刻胶进入通孔影响试样品质；

(c)光刻显影出固定部分，与通孔连接；

(d)电镀铜，填满通孔和固定部分，完成试样柱部分和固定部分；

(e)将已经制备好的夹持部分用粘结剂或焊接连接到固定部分；

(f)释放硅和干膜光刻胶，得到拉伸试样。

本发明中，使用干膜光刻胶保证TSV通孔不受光刻胶影响，便于显影，同时确保试样柱部分的完整性和可重复性。

本发明中，通过控制试样柱与固定部分接触面积以及固定部分与夹持部分的接触面积，来限定夹持部分与固定部分键合力大于试样的受力上限，从而保证拉伸试样的稳定性。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明克服了传统单轴拉伸法对3D-TSV铜圆柱形材料力学性能测试的不兼容，对3D封装中TSV铜材料力学性能参数进行补充，优化原有试样的多步成型设计，重新设计一种一体成型的针对于3D封装中TSV铜材料的力学性能测试试样，从而避免了纳米压痕这种间接测量方法所带来的误差，让所得到的力学参数更可信，更贴近真实值。

本发明所设计的3D-TSV原位拉伸试样，通过两步成型技术完成主体的制备，运用干膜工艺来简便试样柱的制备，运用电镀胶水焊接技术来完成固定部分与夹持部分的连接。本发明夹持部分为厘米级方便夹持，同时本发明还进行了制备工艺的改良，加强试样间的连接性，提高拉伸试样的制备可重复性。本发明真正的实现了3D-TSV铜互连材料原位拉伸的设想，并且大大实现了实验过程的优化。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中电镀制样所设计的原位拉伸试样结构示意图；

图2为图1中试样柱部分和固定部分的放大图；

图3为电镀方法制备原位拉伸试样的流程图；

图4为本发明另一实施例中粘结剂或焊接制样所设计的原位拉伸试样结构示意图；

图5为图4中试样柱部分和固定部分的放大图；

图6为胶水或焊接方法制备原位拉伸试样的流程图。

图1和图4结构基本相同，其中：1为试样柱部分，2为固定部分，3为夹持部分。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1、2所示，本实施例提供一种用于3D-TSV铜互连材料力学性能测试的原位拉伸试样，所述的原位拉伸试样包括试样柱部分1、固定部分2和夹持部分3都是以电镀的方式制备和相互连接的，其中：

所述的试样柱部分1是在硅通孔中形成的金属柱，金属柱的材料为铜；

所述的固定部分2为和所述的试样柱部分一起完成生长的金属块，在电镀制备的试样柱部分1中代替试样柱部分1在夹持部分3弯曲时受力，防止试样柱部分1变形；金属块的材料为铜；

所述的夹持部分3为连接固定部分2并带有圆环的电镀金属，材料为铜或镍。

本实施例中，所述试样柱部分1的形状为圆柱形铜柱，直径为20微米、高度为100微米。

本实施例中，所述固定部分2为方形铜块，长为40微米、宽为60微米、厚度为60微米。

本实施例中，所述夹持部分3的形状为长方形平板两端带有金属圆环，边长为300微米、宽为60微米、厚度为60微米，金属圆环外直径为200微米，内直径为150微米，在夹持部分电镀完成并去完正胶后，将两端的圆环对折到一起形成夹持端，如图3中的(h)(i)过程，最终效果如图1中的3所示，长方形平板中间部分与固定端依靠电镀连接，固定端代替试样柱手里，故在对折过程中不会影响到试样柱部分1。

如图3(a)-(j)所示，具体的3D-TSV原位拉伸试样电镀的制备方法采用微加工工艺进行制备，包括如下步骤：

1、如图3(a)所示，光刻显影刻蚀，在硅片上制备TSV通孔；

2、如图3(b)所示，在硅片正、反两面贴上干膜光刻胶，干膜代替正胶能简便显影过程；

3、如图3(c)所示，光刻显影固定部分，与通孔连接；

4、如图3(d)所示，电镀铜，填满通孔和固定部分，用TSV电镀技术制备试样柱；

5、如图3(e)所示，在硅片正、反两面甩上光刻正胶；

6、如图3(f)所示，光刻显影出夹持部分；

7、如图3(g)所示，电镀铜或镍完成夹持部分；

8、如图3(h)所示，释放光刻胶；

9、如图3(i)所示，将夹持部分弯曲至圆环重合到一起，形成拉伸夹持端；

10、如图3(j)所示，释放硅，得到拉伸试样。

本实施例中，试样柱采用干膜代替正胶制备，以便于金属柱的生长；固定部分与试样柱部分一同电镀完成，并作为试样柱部分与外界连接的端口，以解决试样柱小难以操作的难题；为方便测试仪器的夹持，本发明运用电镀制备夹持部分，电镀方法是直接在固定端再次图形化一层条状金属，金属两端带圆环，弯折后圆环对齐作为夹持部分；本发明设计总体便于操作，步骤简单，在保证准确性的基础上优化了工艺。

实施例2

如图4、5所示，本实施例提供一种用于3D-TSV铜互连材料力学性能测试的原位拉伸试样，所述的原位拉伸试样包括试样柱部分1、固定部分2和夹持部分3，试样柱部分1、固定部分2和夹持部分3以粘结剂或焊接的方式相互连接，其中：

所述的试样柱部分1是在硅通孔中形成的金属柱，材料为铜；

所述的固定部分2为和试样柱部分1一起完成生长的金属块，用于提供夹持部分3以足够的接触面积，保证在拉伸过程中力直接作用于试样柱部分1，材料为铜；

所述的夹持部分3为连接固定部分2并带有圆环的金属结构，单独制备，在实际操作中起夹持作用，材料为铜或镍。

本实施例中，所述的试样柱部分1为圆柱形金属铜，直径为20微米、高度为100微米。

本实施例中，所述的固定部分2为代替试样受力弯曲的圆柱形铜块，直径为80微米、厚度为10微米。

本实施例中，所述的夹持部分3为带有圆环的铜或镍结构，其底部为直径60微米的圆盘；中间的三角结构主要起支撑的作用，总长为300微米、宽为60微米、厚度为60微米；圆环的外直径为120微米，内直径为100微米、厚度为60微米。当然三角结构是一个简单的支撑结构，也可以是其他形状，可以根据不同的要求设计不同的中间支撑结构。

如图6(a)-(f)所示，具体的3D-TSV原位拉伸试样粘结剂或焊接的制备方法采用微加工工艺进行制备，包括如下步骤：

1、如图6(a)所示，光刻显影刻蚀，在硅片上制备TSV通孔；

2、如图6(b)所示，在硅片正反两面贴上干膜光刻胶；

3、如图6(c)所示，光刻显影固定部分，并与通孔连接；

4、如图6(d)所示，电镀铜，填满通孔和固定部分；

5、如图6(e)所示，将已经制备好的夹持部分通过胶水或焊接方法连接到固定部分；

6、如图6(f)所示，释放硅和光刻胶，得到拉伸试样。

本发明运用粘结与焊接方法制备夹持部分，粘结与焊接方法是将以制备好的夹持部分用粘结或焊接直接同固定端连接。完成制备后将通过上述步骤制备的原位拉伸试样放在拉伸平台上，通过夹持部分上的圆环来固定，开始拉伸，记录实验过程中拉力和位移变化；通过简单计算得到拉伸应力―应变曲线，从而得到屈服强度、抗拉强度和杨氏模量等基本力学参数。

本发明所设计的一种3D-TSV原位拉伸试样，试样的拉伸主体为微米级，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，与实际应用中TSV铜互连的成型工艺以及结构相同。本发明的夹持端是厘米级，很好地解决了试样夹持部分过小的难题，同时在制备试样柱时更加便捷有效，夹持端也能根据测试工具的尺寸来进行定制。本发明中二步成型的主体、干膜工艺以及胶水焊接技术有利于制备工艺的改良，加强试样间的连接性，提高拉伸试样的制备可重复性。本发明真正的实现了3D-TSV铜互连材料原位拉伸的设想，并且大大实现了实验过程的优化。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种3D-TSV原位拉伸试样，其特征在于，包括试样柱部分、固定部分以及用于连接和夹持试样的夹持部分，其中：试样柱部分是在硅通孔中形成的圆柱形金属柱结构；固定部分是和试样柱部分一起完成生长的电镀金属结构，并作为试样柱部分与外界连接的端口；夹持部分是连接试样柱部分并带有定位圆环的金属结构，并与固定部分相连接；试样受力方向与圆形金属柱的生长方向一致，以实现试样的压缩测试；所述的试样柱部分与所述的固定部分的尺寸均为微米级；所述的夹持部分的尺寸为厘米级。

2.根据权利要求1所述的一种3D-TSV原位拉伸试样，其特征在于，所述的试样柱部分的底面直径为5-200微米、高度为10-700微米，材料为铜。

3.根据权利要求1所述的一种3D-TSV原位拉伸试样，其特征在于，所述的固定部分为方形或圆柱形的金属块，材料为铜。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种3D-TSV原位拉伸试样，其特征在于，所述拉伸试样采用电镀制备或者粘结或焊接方法制备。

5.根据权利要求4所述的一种3D-TSV原位拉伸试样，其特征在于，所述的固定部分在电镀制备的拉伸试样中，代替试样柱部分在夹持部分弯曲时受力，防止拉伸试样柱变形；在由粘结或焊接制备的拉伸试样中，在拉伸时保证夹持部分与试样柱部分的连接，厚度为50-150微米。

6.根据权利要求4所述的一种3D-TSV原位拉伸试样，其特征在于，所述的夹持部分在电镀制备的拉伸试样中，为两端带圆环的长条形金属结构，在固定部分上一步电镀完成，长度为0.5-2厘米，厚度为50-150微米，圆环外直径为0.2-1厘米，内直径为0.1-0.8厘米，弯折后圆环合到一起用于夹持定位，另一端与固定部分连接；

在粘结或焊接方法制备的拉伸试样中，夹持部分的主体直接另外加工完成，以避免拉伸时该部分发生额外的形变，主体带圆孔的一端用于测试定位，另一端的圆盘通过粘结或焊接与固定部分相连，圆盘直径为50-600微米；夹持端的圆环外直径为0.2-1厘米，内直径为0.1-0.8厘米，中间的支撑部分总长为100-600微米、宽为50-150微米、厚度为50-150微米；由于该部分采用外加工制备，夹持部分的形状和大小根据测试工具的不同而定制。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种3D-TSV原位拉伸试样，其特征在于，所述的夹持部分的材料为铜或镍。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的3D-TSV原位拉伸试样的制备方法，其特征在于，该方法采用电镀制备，并基于干膜和二次成型工艺，具体包括如下步骤：

(a)光刻显影刻蚀，在硅片上制备TSV通孔；

(b)在硅片正反两面贴上干膜光刻胶，并防止光刻胶进入通孔影响试样品质；

(c)光刻显影出固定部分，并与通孔连接；

(d)电镀铜材料，填满通孔和固定部分，完成试样柱部分和固定部分；

(e)在硅片正反两面甩上光刻正胶；

(f)光刻显影出夹持部分；

(g)电镀铜或镍完成夹持部分；

(h)释放光刻胶；

(i)将夹持部分弯曲至圆环重合到一起，形成拉伸受力端，完成试样形状；

(j)释放硅，得到拉伸试样。

9.一种根据权利要求1-7任一项所述的3D-TSV原位拉伸试样的制备方法，其特征在于，该方法采用粘结剂或焊接制备，并基于干膜工艺一次成型试样柱部分和固定部分，具体包括如下步骤：

(a)光刻显影刻蚀，在硅片上制备TSV通孔；

(b)在硅片正反两面贴上干膜光刻胶，并防止光刻胶进入通孔影响试样品质；

(c)光刻显影出固定部分，与通孔连接；

(d)电镀铜，填满通孔和固定部分，完成试样柱部分和固定部分；

(e)将已经制备好的夹持部分用粘结剂或焊接连接到固定部分；

(f)释放硅和干膜光刻胶，得到拉伸试样。