專利名稱：用于tsv銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測(cè)試技術(shù)的拉伸試樣，具體說(shuō)，涉及一種用于TSV銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣。
背景技術(shù)：
TSV(Through Silicon Vias,娃通孔)疊層互連技術(shù),不僅可以提高三維集成度， 而且其短距離互連的優(yōu)勢(shì)可以降低互連延遲，是微電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。由于TSV 中的銅互連材料，其制備工藝與結(jié)構(gòu)尺寸與宏觀的塊體銅材料不同，所以材料的抗拉強(qiáng)度， 楊氏模量等基本力學(xué)特性和宏觀材料相比，存在明顯的差異。現(xiàn)有的薄膜力學(xué)性能測(cè)試大多基于納米壓痕方法和薄膜單軸拉伸方法，納米壓痕是通過(guò)納米硬度測(cè)試過(guò)程中加載一卸曲線得出試樣力學(xué)參數(shù)的方法，是一種公知的方法。薄膜單軸拉伸方法試樣制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，測(cè)試數(shù)據(jù)易于獲取，如中國(guó)專利 ZL200710047682. I中提出了一種用于薄膜力學(xué)性能測(cè)試的單軸微拉伸試件(公開(kāi)號(hào)為 101149317A)，該發(fā)明介紹“一種力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)的用于薄膜力學(xué)性能測(cè)試的單軸微拉伸試件，包括U型支撐平臺(tái)、移動(dòng)平臺(tái)、蛇形支撐彈簧、對(duì)中標(biāo)記、位移標(biāo)記，蛇形支撐彈簧連接U型支撐平臺(tái)和移動(dòng)平臺(tái)，U型支撐平臺(tái)和移動(dòng)平臺(tái)與薄膜試樣的兩端懸空相連，對(duì)中標(biāo)記位于移動(dòng)平臺(tái)的上面，位移標(biāo)記粘接在靠近薄膜試樣、移動(dòng)平臺(tái)的尾端。本發(fā)明與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有微拉伸試件相比，制備工藝可行，重現(xiàn)性好，成品率高，并且克服了拉伸過(guò)程中由支撐梁塑性變形而引起的實(shí)驗(yàn)誤差。本發(fā)明集成式框架微拉伸試件適用于微機(jī)電系統(tǒng)中的各種單質(zhì)金屬、合金和復(fù)合材料等薄膜材料微觀力學(xué)性能測(cè)試。”但薄膜單軸拉伸方法其拉伸方向與電鍍層生長(zhǎng)方向不同，無(wú)法獲得TSV銅材料原位的力學(xué)特性參數(shù)。在沒(méi)有詳細(xì)的微尺度、原位的銅材料力學(xué)特性參數(shù)背景下，進(jìn)行銅TSV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模擬仿真，必然引用宏觀塊體銅材料的力學(xué)參數(shù)，使得TSV銅互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定的可靠性問(wèn)題，有礙產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于克服現(xiàn)有對(duì)TSV銅互連材料力學(xué)性能表征的不完善，提供一種用于TSV銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣，使得到的力學(xué)參數(shù)更接近于實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明所述的原位拉伸試樣包括試樣部分和用于夾持試樣的夾持部分。所述的試樣部分是在硅通孔中形成的圓形金屬柱，材料為銅材。所述的夾持部分包括上夾持端和下夾持端，上、下夾持端均為方形平板結(jié)構(gòu)，材料為銅材或鎳材。本發(fā)明用于測(cè)量時(shí)，試樣部分的兩端通過(guò)上夾持端和下夾持端夾持，對(duì)上夾持端和下夾持端施加水平方向的拉力，就可以實(shí)現(xiàn)試樣的拉伸測(cè)試。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拉力和位移變化的記錄，可以得出試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而能得出抗拉強(qiáng)度和楊氏模量等基本力學(xué)參數(shù)。進(jìn)一步的，所述試樣部分，所述上夾持端厚度部分，以及所述下夾持端厚度部分， 它們的尺寸均為微米級(jí)。與現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外所用的微拉伸試樣相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的TSV銅互連原位拉伸試樣結(jié)構(gòu)，主體尺寸是微米級(jí)，與實(shí)際生產(chǎn)中TSV銅互連主體尺寸基本相同，試樣受力方向與銅柱的生長(zhǎng)方向一致，更貼近于實(shí)際應(yīng)用中TSV銅互連的成型工藝與結(jié)構(gòu)，其制備工藝可行， 重現(xiàn)性好，成品率高；而且本發(fā)明是采用無(wú)框架結(jié)構(gòu)，單軸拉伸，可以更直接的測(cè)試出TSV 銅互連材料的力學(xué)性能。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例中所設(shè)計(jì)的TSV銅互連原位拉伸試樣結(jié)構(gòu)示意圖；圖I中1為金屬柱，2為上夾持端，3為下夾持端；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中所設(shè)計(jì)的TSV銅互連原位拉伸試樣拉伸夾持示意圖；圖2中4為專用夾具。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例如圖I所示，本實(shí)施例提供一種TSV銅互連材料原位拉伸試樣結(jié)構(gòu)，所述的原位拉伸試樣包括試樣部分和用于夾持試樣的夾持部分。所述的試樣部分是在硅通孔中形成的金屬柱1，材料為銅材。所述的夾持部分包括上夾持端2和下夾持端3，上、下夾持端均為方形平板結(jié)構(gòu)， 材料為銅材或鎳材。 所述試樣部分I，所述上夾持端2厚度，以及所述下夾持端3厚度，它們的尺寸均為微米級(jí)。具體的，本實(shí)施例中，所述試樣部分1，其形狀為圓形金屬柱，直徑為5-50微米，高度為10-150微米；本實(shí)施例中，所述試樣部分I,材料為金屬銅。本實(shí)施例中，所述上夾持端1，其形狀為長(zhǎng)方形或正方形平板結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)為 500-5000微米，厚度為300-600微米。本實(shí)施例中，所述試樣上夾持端2部分，材料為銅材或鎳材。本實(shí)施例中，所述下夾持端2，其形狀為長(zhǎng)方形或正方形平板結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)為 500-5000微米，厚度為300-600微米。本實(shí)施例中，所述試樣下夾持端3部分，材料為銅材或鎳材。如圖2所示，本實(shí)施例用于測(cè)量時(shí)，試樣部分的兩端通過(guò)上夾持端和下夾持端夾持，對(duì)上夾持端和下夾持端施加水平方向的拉力，就可以實(shí)現(xiàn)試樣的拉伸測(cè)試。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拉力和位移變化的記錄，可以得出試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而能得出抗拉強(qiáng)度和楊氏模量等基本力學(xué)參數(shù)。以上所述的具體實(shí)施例，與通常的薄膜試樣相比，該試樣的主體尺寸是微米級(jí)，與實(shí)際生產(chǎn)中TSV銅互連主體尺寸基本相同，且試樣受力方向與銅柱的生長(zhǎng)方向一致，通過(guò)拉伸試驗(yàn)所得到的力學(xué)參數(shù)能夠真實(shí)反映TSV銅互連材料的力學(xué)特性，將有效提高3D封裝設(shè)計(jì)與仿真模擬中TSV銅互連材料力學(xué)特性參數(shù)的真實(shí)性，對(duì)于相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、壽命預(yù)測(cè)與可靠性提高將發(fā)揮重要作用。本發(fā)明TSV銅互連拉伸試樣可以在半導(dǎo)體襯底上采用現(xiàn)有常用手段制備得到。通過(guò)對(duì)實(shí)施例具體描述，進(jìn)一步闡述了本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果。本發(fā)明適用于TSV中銅互連材料的力學(xué)性能測(cè)試表征，同時(shí)也對(duì)其它微觀金屬材料測(cè)試有著相應(yīng)的效果。以上僅僅是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行的詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限于以上實(shí)施例。應(yīng)該理解的是，在不脫離本申請(qǐng)的權(quán)利要求的精神和范圍情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員做出的各種修改，仍屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于TSV銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣，其特征在于，所述原位拉伸試樣包括試樣部分和用于夾持試樣的夾持部分，所述的試樣部分是在硅通孔中形成的圓形金屬柱；所述的夾持部分包括上夾持端和下夾持端，上、下夾持端均為方形平板結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于TSV銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣，其特征在于，所述試樣部分夾持在所述上夾持端和下夾持端之間，對(duì)所述上夾持端和下夾持端施加水平方向的拉力，試樣受力方向與圓形金屬柱的生長(zhǎng)方向一致，實(shí)現(xiàn)試樣的拉伸測(cè)試。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的用于TSV銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣，其特征在于，所述試樣部分，所述上夾持端厚度部分，以及所述下夾持端厚度部分，它們的尺寸均為微米級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于TSV銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣，其特征在于，所述試樣部分，其形狀為圓形金屬柱，直徑為5-50微米,高度為10-150微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于TSV銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣，其特征在于，所述試樣部分，材料為金屬銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于TSV銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣，其特征在于，所述上夾持端，其形狀為長(zhǎng)方形或正方形平板結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)為500-5000微米，厚度為 300-600 微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于TSV銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣，其特征在于，所述上夾持端，材料為銅材或鎳材。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于TSV銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣，其特征在于，所述下夾持端，其形狀為長(zhǎng)方形或正方形平板結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)為500-5000微米，厚度為 300-600 微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于TSV銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣，其特征在于，所述下夾持端，材料為銅材或鎳材。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于TSV銅互連材料力學(xué)性能測(cè)試的原位拉伸試樣，所述試樣包括試樣部分和用于夾持試樣的夾持部分，所述的試樣部分是在硅通孔中形成的圓形金屬柱；所述的夾持部分包括上夾持端和下夾持端，上、下夾持端均為方形平板結(jié)構(gòu)，所述試樣部分夾持在所述上夾持端和下夾持端之間。本發(fā)明與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的微拉伸試樣相比，試樣受力方向與圓形金屬柱的生長(zhǎng)方向一致，且主體尺寸是微米級(jí)，實(shí)現(xiàn)了原位TSV銅柱的力學(xué)性能測(cè)試，能有效地解決薄膜層力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)不能真實(shí)反應(yīng)TSV孔內(nèi)銅互連材料力學(xué)性能的問(wèn)題，提高了3D封裝設(shè)計(jì)與仿真模擬中TSV銅互連材料力學(xué)特性參數(shù)的真實(shí)性。
文檔編號(hào)G01N3/02GK102607938SQ20121005095
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者丁桂甫, 李君翊, 汪紅, 王慧穎, 程萍, 顧挺 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)