用於tsv銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法
2023-12-11 17:51:02 3
專利名稱：用於tsv銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法
技術領域：
本發明涉及微電子封裝領域，具體是一種用於TSV銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法。
背景技術：
隨著半導體電路集成度的不斷提高，電子封裝密度也在不斷提高。近年來，將多個晶片在高度方向上堆疊起來，並通過矽通孔(TSV)技術實現電氣連接的三維封裝形式有了飛速發展，成為新一代電子封裝技術。在這種封裝結構中，通過兩層或者多層晶片堆疊，不僅可以大大提高電路的集成度，同時減少了電路的傳輸距離，有利於改善信號的完整性，降低信號的損耗。在晶片封裝過程中，封裝體通常需要承受多次熱衝擊和高低溫循環。TSV中填充的材料通常為金屬銅，該金屬材料與矽晶片的力學性能存在巨大差異，導致晶片在加熱或熱循環過程中，TSV銅柱內部產生較高的熱應力和微孔洞、裂紋等缺陷。而該銅柱尺寸僅為微米級，其力學性能與宏觀的塊體材料存在很大差別，不能通過塊體材料的彈性模量、拉伸強度等力學參數推知該微小樣品的性能。因此，急需製備出TSV銅互連材料的力學測試樣品，以獲得準確的彈性模量、抗拉強度等力學性能數據，為TSV銅互連的可靠性測試提供數據支持。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種用於TSV銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法，製備一種可直接進行力學性能測試的TSV銅互連樣
品O按照本發明提供的技術方案，所述原位拉伸樣品製備方法為:將完成TSV通孔或盲孔金屬化填充的矽圓片進行切割，使切割後的矽片中至少有一根TSV銅柱；將矽片固定於一承載裝置的凹槽中；在承載裝置具有所述凹槽的表面塗覆光刻膠定義出光刻位置，並進行光刻刻蝕矽片，暴露出TSV銅柱的中間部位；最後將TSV銅柱兩端的矽片固定到樣品夾持端，形成原位拉伸樣品。具體的，所述矽圓片厚度為200-500 μ m。所述TSV通孔直徑為20-50 μ m,高度為200-500 μ mD切割後的矽片安放到承載裝置的凹槽中時，保持矽片中的TSV銅柱水平放置。塗覆光刻膠時在矽片表面留出光刻開口，開口寬度為100-200 μ m。所述樣品夾持端材料為銅、鋼、鎮中的一種。所述樣品夾持端具有凹槽，TSV銅柱兩端的矽片分別固定於兩個凹槽中。所述TSV銅柱兩端的矽片可利用粘結劑實現與樣品夾持端的結合。所述樣品夾持端為兩個正方體或長方體，在TSV銅柱軸向方向厚度為300-1000 μ m，與TSV銅柱垂直截面的邊長範圍為1000-5000 μ m。本發明的優點是:實現TSV原位拉伸樣品的製備，採用刻蝕的方法，暴露出部分TSV銅柱材料；通過TSV兩端的矽片與塊體夾持端的鍵合，可將該拉伸樣品直接利用普通拉伸機進行力學性能測試。樣品測試過程中，僅暴露的TSV銅柱部分發生變形，可根據儀器測得的應力-應變曲線得到樣品的受力和變形情況。該樣品製作方法簡單，可方便有效的測量出TSV的抗拉強度、彈性模量等力學性能，為TSV三維封裝的可靠性測試提供有效數據支持。
圖1是帶有TSV結構的矽圓片剖面圖。圖2是切割後的矽片置於承載裝置凹槽中的示意圖。圖3是在承載裝置表面塗覆光刻膠的示意圖。圖4是對矽片進行光刻和刻蝕的示意圖。圖5是光刻後暴露出TSV銅柱中段的矽片。圖6是裝備上樣品夾持端的原位拉伸樣品剖面圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。如圖6所示，本發明製作的原位拉伸樣品包括TSV銅柱2、銅柱兩端的矽片I和樣品夾持端5。具體製備方法如下:
一.準備一帶有TSV銅電鍍填充的矽圓片，如圖1所示。矽圓片厚度為200-500 μ m。TSV通孔直徑為20-50 μ m,高度為200-500 μ m。二.對圖1的矽圓片進行劃片，使切割後的矽片中至少有一根TSV銅柱2(圖2中為I根)，並將矽片I固定到承載裝置3上，如圖2所示；所述承載裝置3帶有凹槽結構，凹槽尺寸與切割後的矽片尺寸相同，所述矽片正好填充於承載裝置3的凹槽中，使矽片上表面與承載裝置3的上表面在同一平面上，並保持矽片中的TSV銅柱2水平放置。三.在承載裝置3表面塗覆光刻膠4，定義出光刻位置，如圖3所示，所述光刻位置位於TSV高度的1/2處，塗覆光刻膠4時在矽片I表面留出光刻開口，開口寬度為100-200 μm。四.對矽片I進行光刻和刻蝕，除去部分矽材料，暴露出TSV銅柱2的中間部位，如圖4所示。五.移除承載裝置3，得到如圖5所示的樣品結構。六.將TSV銅柱兩端的矽片I分別固定到兩個方形樣品夾持端5，得到TSV銅互連結構的原位拉伸樣品，如圖6所示。夾持部位為TSV銅柱2兩端的矽片I。樣品夾持端5材料為銅、鋼、鎳等金屬材料中的一種。樣品夾持端5具有凹槽，TSV銅柱2兩端的矽片I分別固定於兩個凹槽中。樣品夾持端5形狀為兩個正方體或長方體，在TSV銅柱2軸向方向厚度為300-1000 μ m，與TSV銅柱2垂直截面的邊長範圍為1000-5000 μ m。TSV兩端的矽片I固定於樣品夾持端5的中心部位，再利用粘結劑實現其與樣品夾持端5的結合。
圖6所示的樣品用於測量時，樣品通過兩個夾持端實現力學的加載。將兩夾持端固定在拉伸機的夾頭上，暴露的TSV銅柱將在拉力的作用下發生變形。通過記錄的拉力-位移曲線即可得到TSV銅柱的彈性模量、拉伸強度等力學參數。本發明製備方法簡單，可方便有效的進行原位TSV銅柱的拉伸性能測試，解決了塊體及薄膜樣品均不能反映該微小尺寸的TSV銅互連材料真實力學性能的問題，可為TSV的可靠性提供有效的數據支持。
權利要求
1.用於TSV銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法，其特徵是:將完成TSV通孔或盲孔金屬化填充的矽圓片進行切割，使切割後的矽片中至少有一根TSV銅柱；將矽片固定於一承載裝置的凹槽中；在承載裝置具有所述凹槽的表面塗覆光刻膠定義出光刻位置，並進行光刻刻蝕矽片，暴露出TSV銅柱的中間部位；最後將TSV銅柱兩端的矽片固定到樣品夾持端，形成原位拉伸樣品。
2.如權利要求1所述的用於TSV銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法，其特徵是，所述矽圓片厚度為200-500 μ m。
3.如權利要求1所述的用於TSV銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法，其特徵是，所述TSV通孔直徑為20-50 μ m,高度為200-500 μ m。
4.如權利要求1所述的用於TSV銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法，其特徵是，切割後的矽片安放到承載裝置的凹槽中時，保持矽片中的TSV銅柱水平放置。
5.如權利要求1所述的用於TSV銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法，其特徵是，塗覆光刻膠時在矽片表面留出光刻開口，開口寬度為100-200 μ m。
6.如權利要求1所述的用於TSV銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法，其特徵是，所述樣品夾持端材料為銅、鋼、鎳中的一種。
7.如權利要求1所述的用於TSV銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法，其特徵是，所述樣品夾持端具有凹槽，TSV銅柱兩端的矽片分別固定於兩個凹槽中。
8.如權利要求1所述的用於TSV銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法，其特徵是，所述TSV銅柱兩端的矽片利用粘結劑實現與樣品夾持端的結合。
9.如權利要求1所述的用於TSV銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法，其特徵是，所述樣品夾持端為兩個正方體或長方體，在TSV銅柱軸向方向厚度為300-1000 μ m，與TSV銅柱垂直截面的邊長範圍為1000-5000 μ m。
全文摘要
本發明公開了一種用於TSV銅互連材料力學性能測試的原位拉伸樣品製備方法，所述原位拉伸樣品包括TSV銅柱、銅柱兩端的矽片和夾持端。首先將帶有TSV通孔/盲孔結構的矽圓片進行切割和固定，然後對矽片進行光刻和刻蝕，暴露出TSV銅柱的中間部分，最後將TSV銅柱兩端的矽片固定到夾持端，形成原位拉伸樣品。本發明製備方法簡單，可方便有效的進行原位TSV銅柱的拉伸性能測試，解決了塊體及薄膜樣品均不能反映該微小尺寸的TSV銅互連材料真實力學性能的問題，可為TSV的可靠性提供有效的數據支持。
文檔編號G01N1/28GK103196724SQ20131009385
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月22日 優先權日2013年3月22日
發明者於大全, 劉海燕 申請人:江蘇物聯網研究發展中心