CN105842523A - 一种tsv微盲孔表面电流密度的测定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TSV微盲孔表面电流密度的测定方法及系统，测定过程为：先将硅片和夹具一起放入电镀槽中，使得电镀液浸润到TSV微盲孔中；然后将电镀槽放回三维运动平台；将Pt电极定位到TSV微盲孔上表面位置；最后测定TSV微盲孔口部电流密度：将Pt电极移动到距离TSV微盲孔口部10‑50纳米的位置；用微电阻仪的两极分别连接Pt电极与硅片表面的种子层，测量电阻R1；将硅片接入电镀电源的负极进行电镀，测量Pt电极与硅片表面的种子层之间的电压V1，计算局部电流I1＝V1/R1，除以电极截面积，获得局部电流密度。通过类似的方法，可测定TSV微盲孔表面不同位置的电流密度分布情况。
Description
技术领域
本发明属于半导体三维封装领域，具体涉及一种用于测定TSV微盲孔表面电流密度的方法及系统。
背景技术
集成电路技术随着摩尔定律而快速发展，更高的电路集成密度催生了更高的互连密度，并带来后道互连方式和封装技术上的全面变革。以TSV(Through Silicon Via，硅通孔)互连为核心的三维集成封装成为提升器件性能和性价比的必然选择。三维集成是将不同功能的芯片(如存储器、处理器等)堆叠、集成为一个多功能系统的过程。三维集成的一种方案是采用贯穿硅衬底的大量高密度TSV(深宽比达10-20)，实现了堆叠芯片之间的垂直上下互连，形成高密度三维集成，带来“高密度、多功能、小尺寸”的众多优点。
在三维集成制造中，TSV电镀填铜(Copper electrodeposition)占到TSV成本的大约40％，因此，电镀填铜成为三维集成制造的关键之一。TSV填铜的难点之一在于如何解决电镀过程中形成的空洞或者缝隙。由于高深宽比TSV口部的电流密度远远大于孔底，孔口的生长速度较孔底快，孔口闭合后就形成了空洞或者缝隙。为了解决上述难题，业界提出采用了“自底向上”的TSV填充方法，通过在电镀液中添加添加剂，使得具有大分子结构的抑制剂优先吸附在电场强度比较大的孔口及孔壁上端，降低孔口的电流密度和沉积速率；同时，利用小分子结构的加速剂和整平剂，增加孔底的电流密度和加速孔底的沉积速度，最终实现“自底向上”的TSV盲孔填充过程。
测量TSV微盲孔表面电流密度，是评估添加剂性能的最直接方法。目前，一般仅仅测量TSV硅片表面平均电流密度，即：测定电镀总电流，然后除以硅片面积。比如：测定电镀电流为1A，硅片面积为1平方分米，则认为电流密度为1安培每平方分米。然而，硅片表面积并没有计及TSV微盲孔的侧壁和底部，且TSV微盲孔在孔口和孔底的表面电流密度差别可达到10-20倍，因此，现有的测定方法无法满足添加剂性能精确评估的要求。为此，有必要发明一种可以精确测定TSV微盲孔表面不同位置电流密度的新方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种TSV微盲孔表面电流密度的测定方法及系统，能精确测定TSV微盲孔表面电流密度。
本发明的技术方案为：
一种TSV微盲孔表面电流密度的测定方法，基于以下测定系统，测定系统包括：三维运动平台、光学显微镜及CCD、计算机、带TSV微盲孔的硅片、Pt电极、精密电源、精密微电阻仪和电镀电源；
所述三维运动平台、光学显微镜及CCD、精密电源均受控于所述计算机；
所述Pt电极固定在三维运动平台上，在三维运动平台的带动下能进行三维移动；
TSV微盲孔表面电流密度的测定过程为：
步骤1：将带TSV微盲孔的硅片固定在夹具上，并放置在三维运动平台的底座上，通过设置在底座上方的光学显微镜及CCD，确定硅片中TSV微盲孔的位置；为了后续Pt电极定位提供位置信息；光学显微镜将微观结构放大，并在CCD中成像，将图像输入计算机中，进行图像识别，确定硅片上微盲孔的位置；
步骤2：将硅片和夹具一起放入电镀槽中，电镀槽中盛有含有添加剂的电镀液，然后将硅片、夹具、电镀液及其电镀槽进行抽真空预处理，使得电镀液浸润到TSV微盲孔中；然后放置10～60分钟，等添加剂在TSV微盲孔内表面达到吸附平衡；
步骤3：将硅片、夹具、电镀液连同电镀槽一起放到三维运动平台的底座上；根据步骤1获得的TSV微盲孔的位置信息，通过三维运动平台，将安装在三维运动平台上的Pt电极，定位到TSV微盲孔开口位置，即根据步骤1的视觉定位结果，将Pt电极移动到TSV微盲孔开口位置；
步骤4：测定TSV微盲孔口部电流密度：
ⅰ.将Pt电极移动到距离TSV微盲孔口部10-50纳米的位置；
ⅱ.用精密微电阻仪的两极分别连接Pt电极与硅片表面的种子层，测量此时Pt电极与硅片表面的种子层之间的电阻R1；
ⅲ.电镀槽中，将硅片接入电镀电源的负极，用镀覆金属制成电镀阳极与电镀电源的正极联接，开始进行电镀，并测量Pt电极与硅片表面的种子层之间的电压V1，由于前面已经测得Pt电极与硅片表面的种子层之间的电阻(TSV微盲孔口部局部位置的电阻)R1，因此可以计算出局部电流I1＝V1/R1，然后再除以电极截面积，就可以获得该位置点的局部电流密度。
步骤5：移动Pt电极到TSV微盲孔的中部和底部等不同位置，通过上述类似的方法(即重复上述步骤ⅱ～ⅲ)，即可测定不同位置的电流密度，从而获得在特定添加剂电镀液作用下，TSV微盲孔表面电流密度的分布情况。
移动Pt电极到硅片上表面不同位置，通过上述类似的方法(即重复上述步骤ⅱ～ⅲ)，即可测定硅片上表面不同位置的电流密度，得到硅片表面的电流密度分布情况。
所述步骤3中，将安装在三维运动平台上的Pt电极定位到TSV微盲孔开口位置，定位的过程为：①将Pt电极接到精密电源的正极、带TSV微盲孔的硅片表面的种子层接到精密电源的负极；②开启精密电源，设定输出电流为0.01-2A，限制电压Vd为0.05-5V；由于电极距离不同，电阻会改变，此时，设定电流恒定，输出电压就会改变，但是，输出的电压不能超过限制电压。由于此时Pt电极没有接触到硅片表面的种子层，电路为开路，测量电源两端的电压为限制电压；③启动三维运动平台，使得Pt电极向下运动，在这个过程中，检测电源两端的电压，直到检测到的电压小于临界电压Vg，表明此时，Pt电极已经运动到硅片上表面，记录下该位置的坐标信息(X1，Y1，Z1)；Vg设为Vd的0.05-0.2倍；④驱动三维运动平台，使得Pt电极向TSV微盲孔开口位置移动，在这个过程中，检测电源两端的电压，直到电压大于限制电压Vd的0.1-0.9倍，表明此时Pt电极已经离开硅片上表面，并运动到TSV盲孔开口位置，记录下该位置的坐标信息(X2，Y2，Z2)。通过上述过程即确定了Pt电极与TSV微盲孔的相对位置。
所述步骤2中，后将硅片、夹具、电镀液及电镀槽放在0.01-0.5Bar的条件下进行抽真空预处理。过低的真空度(<0.01Bar)会将电镀液气化，过高的真空度(>0.5Bar)无法将盲孔中的空气排出，在0.01-0.5Bar的条件下可以避免上述两个问题。
所述步骤2中，放置时间为30分钟，等添加剂在TSV微盲孔内表面达到吸附平衡。放置时间为30分钟，既能让电镀液中的添加剂有足够的时间扩散、稳定吸附到TSV盲孔表面，而且能兼顾时间效率。
所述步骤3中，Pt电极为微纳米Pt电极，或者是亚微米Pt电极。
所述步骤3的第②步中，设定输出电流为10mA，限制电压Vd为1V。
所述步骤3的第③步中，临界电压Vg设为0.1V。
所述步骤3的第④步中，检测电源两端的电压大于限制电压Vd的0.5倍时，表明此时Pt电极已经离开硅片上表面，并运动到TSV微盲孔开口位置。
Vd设置过大，会在测量位置形成铜沉积，改变TSV表面形貌，影响测试结果；Vd设置过小，则测量噪音比较大，影响测试精度；设置限制电压Vd为1V，则铜沉积反应慢，且测量噪音小，测试精度高。临界电压的设置原理与Vd类同。临界电压设置过大，则会导致过早判定Pt电极已经运动到硅片上表面或TSV盲孔开口位置，测量噪音比较大；临界电压设置过小，则会导致过晚判定Pt电极运动到硅片上表面或TSV盲孔开口位置，使得Pt电极距离硅片上表面或TSV盲孔开口位置太近，而产生铜沉积反应，影响测量精度。
一种TSV微盲孔表面电流密度的测定系统，包括三维运动平台、光学显微镜及CCD、计算机、Pt电极、精密电源、精密微电阻仪和电镀电源；
所述三维运动平台、光学显微镜及CCD、精密电源均受控于所述计算机；
所述Pt电极固定在三维运动平台上，在三维运动平台的带动下能进行三维移动；
测定系统采用上述方法进行TSV微盲孔表面电流密度的测定。
所述三维运动平台包括Pt电极延长杆和Pt电极固定杆；所述Pt电极固定在Pt电极延长杆的底部，由Pt电极延长杆带动上下运动；电极延长杆和Pt电极固定杆之间的横向位置固定，Pt电极和Pt电极延长杆随Pt电极固定杆水平移动。
所述三维运动平台为三维微纳米运动平台；所述精密电源为具有皮安/纳伏精度的精密电源；所述精密微电阻仪为精度为1微欧的电阻仪。
将上述Pt电极、硅片表面的种子层、电镀阳极分别作为参考电极、工作电极和对电极，接入电化学工作站，还可以完成交流阻抗谱测定和等效电路分析，确定添加剂在TSV微盲孔表面不同位置的吸附过程；可以完成线性扫描曲线，分析TSV微盲孔表面不同位置的阴极极化过程；可以测量塔菲尔曲线研究TSV微盲孔表面不同位置的动力学参数；可以完成电化学循环伏安测量，确定TSV微盲孔表面不同位置的阴极极化类型。
有益效果：
1)通过Pt探针在硅片表面的扫描运动，可以精确测定硅片表面的电流密度分布；
2)通过Pt探针在TSV微盲孔内的扫描运动，可以精确测定TSV微盲孔内的电流密度分布；
3)通过本系统的方法，可以通过测定TSV微盲孔在孔口和孔底的的表面电流密度，直观评估添加剂的作用效果，并预测填充的模式。
附图说明
图1 TSV微盲孔表面电流密度的测定系统示意图
图2 TSV微盲孔表面电流密度的测定
附图标记说明：1、计算机；2、底座；3、Pt电极；4、电镀液；5、Pt电极延长杆；6、三维运动平台；7、光学显微镜和CCD；8、电镀阳极；9、电镀电源/精密电源/电化学工作站/精密微电阻仪；10、带TSV微盲孔的硅片；11、夹具；12、硅片上表面；13、Pt电极固定杆；14、TSV微盲孔口部；15、TSV微盲孔中部；16、TSV微盲孔底部。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。
如图1和图2所示，本发明公开了一种TSV微盲孔表面电流密度的测定方法，基于以下测定系统，测定系统包括：三维运动平台6、光学显微镜及CCD、计算机1、带TSV微盲孔的硅片10、Pt电极3、精密电源、精密微电阻仪和电镀电源9；
所述三维运动平台6、光学显微镜及CCD、精密电源均受控于所述计算机1；
所述Pt电极3固定在三维运动平台6上，在三维运动平台6的带动下能进行三维移动；
TSV微盲孔表面电流密度的测定过程为：
步骤1：将带TSV微盲孔的硅片10固定在夹具11上，并放置在三维运动平台6的底座2上，通过设置在底座2上方的光学显微镜及CCD，确定硅片中TSV微盲孔的位置；为了后续Pt电极3定位提供位置信息；光学显微镜将微观结构放大，并在CCD中成像，将图像输入计算机1中，进行图像识别，确定硅片上微盲孔的位置；
步骤2：将硅片和夹具11一起放入电镀槽中，电镀槽中盛有含有添加剂的电镀液4，然后将硅片、夹具11、电镀液4及其电镀槽放在0.01-0.5Bar的条件下进行抽真空预处理，使得电镀液4浸润到TSV微盲孔中；然后放置10～60分钟(优选为30分钟)，等添加剂在TSV微盲孔内表面达到吸附平衡；
步骤3：将硅片、夹具、电镀液连同电镀槽一起放到三维运动平台的底座上；根据步骤1获得的TSV微盲孔的位置信息，通过三维运动平台6，将安装在三维运动平台6上的Pt电极3，定位到TSV微盲孔开口位置；定位的过程为：①将Pt电极3接到精密电源的正极、带TSV微盲孔的硅片10表面的种子层接到精密电源的负极；②开启精密电源，设定输出电流为0.01-2A(优选10mA)，限制电压Vd为0.05-5V(优选1V)；由于电极距离不同，电阻会改变，此时，设定电流恒定，输出电压就会改变，但是，输出的电压不能超过限制电压。由于此时Pt电极3没有接触到硅片表面的种子层，电路为开路，测量电源两端的电压为限制电压；③启动三维运动平台6，使得Pt电极3向下运动，在这个过程中，检测电源两端的电压，直到检测到的电压小于临界电压Vg(优选0.1V)，表明此时，Pt电极3已经运动到硅片上表面12，记录下该位置的坐标信息(X1，Y1，Z1)；Vg设为Vd的0.05-0.2倍(优选0.1倍)；④驱动三维运动平台6，使得Pt电极3向TSV微盲孔开口位置移动，在这个过程中，检测电源两端的电压，直到电压大于限制电压Vd的0.1-0.9(优选0.5)倍，表明此时Pt电极3已经离开硅片上表面12，并运动到TSV盲孔开口位置，记录下该位置的坐标信息(X2，Y2，Z2)。通过上述过程即确定了Pt电极3与TSV微盲孔的相对位置。
步骤4：测定TSV微盲孔口部14电流密度：ⅰ.将Pt电极3移动到距离TSV微盲孔口部10-50纳米的位置；ⅱ.用精密微电阻仪的两极分别连接Pt电极3与硅片表面的种子层，测量此时Pt电极3与硅片表面的种子层之间的电阻R1；ⅲ.电镀槽中，将硅片接入电镀电源的负极，用镀覆金属制成电镀阳极8与电镀电源的正极联接，开始进行电镀，并测量Pt电极3与硅片表面的种子层之间的电压V1，由于前面已经测得Pt电极3与硅片表面的种子层之间的电阻(TSV微盲孔口部14局部位置的电阻)R1，因此可以计算出局部电流I1＝V1/R1，然后再除以电极截面积，就可以获得该位置点的局部电流密度。
步骤5：移动Pt电极3到TSV微盲孔中部15和TSV微盲孔底部16等不同位置，通过上述类似的方法，即可测定不同位置的电流密度，从而获得在特定添加剂电镀液4作用下，TSV微盲孔表面电流密度的分布情况。
本发明还公开了一种TSV微盲孔表面电流密度的测定系统，包括三维运动平台6、光学显微镜及CCD、计算机1、Pt电极3、精密电源、精密微电阻仪和电镀电源；
所述三维运动平台6、光学显微镜及CCD、精密电源均受控于所述计算机1；
所述Pt电极3固定在三维运动平台6上，在三维运动平台6的带动下能进行三维移动；
测定系统采用上述方法进行TSV微盲孔表面电流密度的测定。
三维运动平台6包括Pt电极延长杆5和Pt电极固定杆13；所述Pt电极固定在Pt电极延长杆5的底部，由Pt电极延长杆5带动上下运动；电极延长杆5和Pt电极固定杆13之间的横向位置固定，Pt电极和Pt电极延长杆5随Pt电极固定杆13水平移动。
所述三维运动平台6为三维微纳米运动平台；所述精密电源为具有皮安/纳伏精度的精密电源；所述精密微电阻仪为精度为1微欧的电阻仪。
本发明通过Pt探针在TSV微盲孔内的扫描运动，可以精确测定TSV微盲孔内的电流密度分布；通过本发明的方法，可以通过测定TSV微盲孔在孔口和孔底的的表面电流密度，直观评估添加剂的作用效果，并预测填充的模式。
Claims (10)
1.一种TSV微盲孔表面电流密度的测定方法，其特征在于，基于以下测定系统，测定系统包括：三维运动平台、光学显微镜及CCD、计算机、Pt电极、精密电源、精密微电阻仪和电镀电源；
所述三维运动平台、光学显微镜及CCD、精密电源均受控于所述计算机；
所述Pt电极固定在三维运动平台上，在三维运动平台的带动下能进行三维移动；
TSV微盲孔表面电流密度的测定过程为：
步骤1：将带TSV微盲孔的硅片固定在夹具上，并放置在三维运动平台的底座上，通过设置在底座上方的光学显微镜及CCD，确定硅片中TSV微盲孔的位置；
步骤2：先将硅片和夹具一起放入电镀槽中，电镀槽中盛有含有添加剂的电镀液，然后将硅片、夹具、电镀液及电镀槽进行抽真空预处理，使得电镀液浸润到TSV微盲孔中；再放置10～60分钟，等添加剂在TSV微盲孔内表面达到吸附平衡；
步骤3：将硅片、夹具、电镀液连同电镀槽一起放到三维运动平台的底座上；根据步骤1获得的TSV微盲孔的位置信息，通过三维运动平台，将安装在三维运动平台上的Pt电极定位到TSV微盲孔开口位置；
步骤4：测定TSV微盲孔口部电流密度：
ⅰ.将Pt电极移动到距离TSV微盲孔口部10-50纳米的位置；
ⅱ.用精密微电阻仪的两极分别连接Pt电极与硅片表面的种子层，测量此时Pt电极与硅片表面的种子层之间的电阻R1；
ⅲ.将硅片接入电镀电源的阴极开始进行电镀，并测量Pt电极与硅片表面的种子层之间的电压V1，结合步骤ⅰ测得Pt电极与硅片表面的种子层之间的电阻R1，计算出局部电流I1＝V1/R1，然后再除以电极截面积，获得该位置点的局部电流密度；
步骤5：移动Pt电极到TSV微盲孔的中部和底部不同位置，重复上述步骤ⅱ～ⅲ，测定不同位置对应的局部电流密度，从而获得在特定添加剂电镀液作用下，TSV微盲孔表面电流密度的分布情况。
2.根据权利要求1所述的TSV微盲孔表面电流密度的测定方法，其特征在于，所述步骤3中，将安装在三维运动平台上的Pt电极定位到TSV微盲孔开口位置，定位的过程为：
①将Pt电极接到精密电源的正极、带TSV微盲孔的硅片表面的种子层接到精密电源的负极；
②开启精密电源，设定输出电流为0.01-2A，限制电压Vd为0.05-5V；
③启动三维运动平台，使得Pt电极向下运动，在此过程中，检测精密电源两端的电压，直到检测到的电压小于临界电压Vg，表明此时Pt电极已经运动到硅片上表面，记录当前位置的坐标信息(X1，Y1，Z1)；Vg设为Vd的0.05-0.2倍；
④驱动三维运动平台，使得Pt电极向TSV微盲孔开口位置移动，在此过程中，检测电源两端的电压，直到电压大于限制电压Vd的0.1-0.9倍，表明此时Pt电极已经离开硅片上表面，并运动到TSV微盲孔开口位置，记录当前位置的坐标信息(X2，Y2，Z2)。
3.根据权利要求1所述的TSV微盲孔表面电流密度的测定方法，其特征在于，所述步骤2中，后将硅片、夹具、电镀液及电镀槽放在0.01-0.5Bar的条件下进行抽真空预处理。
4.根据权利要求1所述的TSV微盲孔表面电流密度的测定方法，其特征在于，所述步骤2中，放置时间为30分钟，等添加剂在TSV微盲孔内表面达到吸附平衡。
5.根据权利要求1所述的TSV微盲孔表面电流密度的测定方法，其特征在于，所述步骤3中，Pt电极为微纳米Pt电极，或者是亚微米Pt电极。
6.根据权利要求2所述的TSV微盲孔表面电流密度的测定方法，其特征在于，所述步骤3的第②步中，设定输出电流为10mA，限制电压Vd为1V。
7.根据权利要求2所述的TSV微盲孔表面电流密度的测定方法，其特征在于，所述步骤3的第③步中，临界电压Vg设为0.1V。
8.根据权利要求2所述的TSV微盲孔表面电流密度的测定方法，其特征在于，所述步骤3的第④步中，检测电源两端的电压大于限制电压Vd的0.5倍时，表明此时Pt电极已经离开硅片上表面，并运动到TSV微盲孔开口位置。
9.一种TSV微盲孔表面电流密度的测定系统，其特征在于，包括三维运动平台、光学显微镜及CCD、计算机、Pt电极、精密电源、精密微电阻仪和电镀电源；
所述三维运动平台、光学显微镜及CCD、精密电源均受控于所述计算机；
所述Pt电极固定在三维运动平台上，在三维运动平台的带动下能进行三维移动；
测定系统采用权利要求1～8中任意一项所述的方法进行TSV微盲孔表面电流密度的测定。
10.根据权利要求9所述的TSV微盲孔表面电流密度的测定系统，其特征在于，所述三维运动平台为三维微纳米运动平台；所述精密电源为具有皮安/纳伏精度的精密电源；所述精密微电阻仪为精度为1微欧的电阻仪。
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