观测tsv铜晶粒的方法
【专利摘要】本发明涉及微电子领域，公开了一种观测TSV铜晶粒的方法。本发明中，采用离子束对待观测的电镀铜进行抛光处理；采用离子束对抛光完成的电镀铜表面进行离子刻蚀；观察电镀铜剖面，最终得到电镀铜晶粒大小和形貌。使得待观测的TSV电镀铜在抛光过程中不会被损伤及沾污，也提高了待观测的TSV电镀铜腐蚀过程中的腐蚀效果及观察效果，同时降低了观测设备的成本，提高观测结果的分辨率。
【专利说明】观测TSV铜晶粒的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子领域，特别涉及TSV铜晶粒的观测技术。
【背景技术】
[0002]高密度、高性能是当前微电子封装的发展趋势,娃通孔(Through Silicon Vias,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。
[0003]为分析上述工艺过程中TSV电镀铜工艺过程、采用硅通孔TSV的封装产品在经历热冲击和热循环时可能产生的变化、以及为产品的可靠性和失效分析寻找证据，需要对TSV电镀铜晶粒的形貌进行观测。
[0004]一种现有观测TSV电镀铜晶粒的方法是先对电镀铜进行磨抛处理，再采用腐蚀液体进行腐蚀，得到TSV电镀铜的晶粒形貌进行观察。现有的观测TSV电镀铜晶粒的另一种方法是利用装配在扫描电子显微镜上的电子背散射衍射EBSD，通过收集电子束激发的背散射信号并经过软件处理，可以用于分析晶体中的微区取向及结构。
[0005]现有方法一的缺点是:TSV电镀铜的磨抛利用精密砂纸和抛光布等以机械方式进行，磨抛过程中会出现对样品表面造成损伤、磨抛不平整，磨抛碎屑沾污等问题，影响后续观察。磨抛后的TSV电镀铜需要采用腐蚀性液体进行腐蚀，腐蚀效果受到铜金属工艺、液体配方、环境温度、磨抛粗糙度等的影响，腐蚀液与金属的反映时间和速度很难控制，腐蚀效果的可重复性差，观测效果差。现有方法二的缺点是EBSD设备价格较贵，分析费用高于扫描电子显微镜观察。而且，EBSD的空间分辨率低于扫描电子显微镜直接观察。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种观测硅通孔TSV铜晶粒的方法，可以准确得到TSV电镀铜晶粒的形貌，使得待观测的TSV电镀铜在抛光过程中不会被损伤及沾污，也提高了待观测的TSV电镀铜腐蚀过程中的腐蚀效果及观察效果，同时降低了观测设备的成本，提高观测结果的分辨率。
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供了一种观测TSV铜晶粒的方法，包含以下步骤:
[0008]采用离子束对待观测的硅通孔TSV电镀铜进行抛光处理；
[0009]采用离子束对抛光完成的TSV电镀铜表面进行离子刻蚀；
[0010]观察TSV电镀铜剖面，得到TSV铜晶粒形貌。
[0011]本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于:本发明实施方式采用离子束对TSV电镀铜进行抛光，得到平整光滑、无沾污、损伤细微的电镀铜表面，再采用离子束对得到的电镀铜表面进行离子刻蚀，得到TSV电镀铜晶粒形貌。由于离子具有一定的质量，加速后的离子撞击到物质表面时，能与物质发生相互作用。当离子运动方向与物质表面平行时，可以对物质表面起到研磨抛光的作用，且由于离子质量较轻，对物质表面的损伤非常细微，因此采用离子束对TSV电镀铜进行抛光，得到平整光滑、无沾污、损伤细微的电镀铜表面。当离子运动方向垂直于物质表面时，可以对物质表面起到刻蚀的作用，如果物质表面的成分不是严格一致，物质表面与离子的反应速度会不同，因此可以显示出硅通孔TSV电镀铜中不同晶向、不同大小的晶粒形貌。而且，刻蚀过程严格可控，具有高度的可重复性。
[0012]作为进一步改进，在采用离子束对待观测的TSV电镀铜进行抛光处理的步骤中，所述离子束采用氩Ar离子束。使得被抛光的TSV电镀铜更加平整光滑。
[0013]作为进一步改进，在采用离子束对抛光完成的TSV电镀铜表面进行离子刻蚀的步骤中，所述离子束采用镓Ga离子束。使得得到TSV电镀铜晶粒形貌的过程更加严格可控、更精准、且可重复性更高。
[0014]作为进一步改进，在采用离子束对待观测的TSV电镀铜进行抛光处理的步骤中，离子束以从上方向下入射的方式，对待观测的TSV电镀铜进行抛光。使得离子束运动方向与待观测的TSV电镀铜剖面方向保持水平，得到的剖面不会被沾污且损伤细微。
[0015]作为进一步改进，在采用离子束对抛光完成的TSV电镀铜表面进行离子刻蚀的处理步骤中，将抛光后的TSV电镀铜剖面水平放入聚焦离子束的真空室内，利用离子束对剖面观察区域进行扫描，每扫描预设时间后，暂停扫描，进行观察，直至待观测剖面晶粒显示。使得刻蚀过程更加精准可控。
[0016]作为进一步改进，在所述采用离子束对待观测的TSV电镀铜进行抛光处理的步骤前，还包含以下步骤:
[0017]对所需观察的TSV电镀铜进行切割备样。
[0018]作为进一步改进，在对所需观察的TSV电镀铜进行切割备样的步骤中，还包含以下子步骤:
[0019]对所需观察的TSV电镀铜采用慢速锯切割，得到与观测面预设距离处的剖面，然后对切割得到的剖面分别用砂纸研磨。
[0020]作为进一步改进，在对切割得到的剖面分别用砂纸研磨的步骤中，还包含以下子步骤:
[0021]使用IOOum颗粒度砂纸研磨I分钟；
[0022]使用60um颗粒度砂纸研磨2分钟；
[0023]使用30um颗粒度砂纸研磨3分钟；
[0024]使用15um颗粒度砂纸研磨3分钟。
[0025]作为进一步改进，在观察TSV电镀铜剖面，得到TSV铜晶粒形貌的步骤中，采用电子束或离子束观察TSV电镀铜剖面。放弃使用现有技术中的EBSD设备，降低观测成本并且提高观测分辨率。而且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。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明第一实施方式的观测TSV铜晶粒的方法流程图；
[0027]图2是本发明第一实施方式中采用慢速锯切割后得到的剖面结构示意图；
[0028]图3是本发明第一实施方式中对所需观察的TSV电镀铜进行切割备样完成得到的剖面结构示意图；[0029]图4是本发明第一实施方式中采用离子束对待观测的TSV电镀铜进行抛光处理的示意图；
[0030]图5是本发明第一实施方式中采用电子束观察TSV电镀铜剖面得到的TSV铜晶粒形貌仿真图。
【具体实施方式】
[0031]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。
[0032]本发明的第一实施方式涉及一种观测TSV铜晶粒的方法，具体流程如图1所示。
[0033]在步骤101中，对所需观察的TSV电镀铜进行切割备样。具体地说，对所需观察的TSV电镀铜采用慢速锯(如采用转速为100RPM (转/分钟)的慢速锯)切割，得到与观测面预设距离处的剖面(如图2所示，预设距离可为2-3mm，图2中I表示硅片，2表示硅通孔TSV)，然后对切割得到的剖面用砂纸研磨。比如说，使用IOOum颗粒度砂纸研磨I分钟,使用60um颗粒度砂纸研磨2分钟,使用30um颗粒度砂纸研磨3分钟,使用15um颗粒度砂纸研磨3分钟。样品基本研磨至需观测剖面处(如图3所示，图3中I表示硅片，2表示硅通孔TSV)。
[0034]在步骤102中，采用离子束对待观测的TSV电镀铜进行抛光处理。具体地，离子束以从上方向下入射的方式，对待观测的TSV电镀铜进行抛光(如图4所示，图4中I表示硅片，2表示硅通孔TSV，3表示金属挡板，4表示离子束)，抛光时间根据待观测的TSV电镀铜深度确定，例:采用85微安的离子束流，刻蚀得到附图5中深度约为160微米的TSV剖面，需要I小时左右。在本步骤中，离子束以从上方向下入射的方式，对待观测的TSV电镀铜进行抛光。使得离子束运动方向与待观测的TSV电镀铜剖面方向保持水平，得到的剖面不会被沾污且损伤细微。
[0035]在步骤103中，将抛光后的TSV电镀铜剖面水平放入聚焦离子束的真空室内，采用离子束对抛光完成的TSV电镀铜表面进行离子刻蚀，具体过程如下:
[0036]采用离子束对剖面观察区域进行扫描，扫描电流为3-5NA，每扫描一分钟后，暂停扫描，进行观察，直至待观测剖面晶粒显示。
[0037]在步骤104中，采用电子束观察TSV电镀铜剖面，得到TSV铜晶粒形貌(如图5所示，图5中I表示娃片，2表示娃通孔TSV)。
[0038]不难发现，在本实施方式中，通过采用离子束对TSV电镀铜进行抛光，得到平整光滑、无沾污、损伤细微的电镀铜表面，再采用离子束对得到的电镀铜表面进行离子刻蚀，得到TSV电镀铜晶粒形貌。由于离子具有一定的质量，加速后的离子撞击到物质表面时，能与物质发生相互作用。当离子运动方向与物质表面平行时，可以对物质表面起到研磨抛光的作用，且由于离子质量较轻，对物质表面的损伤非常细微，因此采用离子束对TSV电镀铜进行抛光，得到平整光滑、无沾污、损伤细微的电镀铜表面。当离子运动方向垂直于物质表面时，可以对物质表面起到刻蚀的作用，如果物质表面的成分不是严格一致，物质表面与离子的反应速度会不同，因此可以显示出硅通孔TSV电镀铜中不同晶向、不同大小的晶粒形貌。而且，刻蚀过程严格可控，具有高度的可重复性。
[0039]本发明的第二实施方式涉及一种观测TSV铜晶粒的方法。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:在本实施方式中，对步骤102中用于对待观测的TSV电镀铜进行抛光处理的离子束，以及步骤103中用于进行离子刻蚀的离子束作了进一步限定。
[0040]具体地说，在本实施方式中，采用氩Ar离子束对待观测的TSV电镀铜进行抛光处理，使得被抛光的TSV电镀铜更加平整光滑。采用镓Ga离子对抛光完成的TSV电镀铜表面进行离子刻蚀，使得得到TSV电镀铜晶粒形貌的过程更加严格可控、更精准、且可重复性更闻。
[0041]本发明的第三实施方式涉及一种观测TSV铜晶粒的方法。第三实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于:在第一实施方式的步骤104中采用电子束观察TSV电镀铜剖面，而本发明的第三实施方式中采用离子束观察TSV电镀铜剖面。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。
[0042]本领域技术人员可以理解，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。
【权利要求】
1.一种观测TSV铜晶粒的方法，其特征在于，包含以下步骤: 采用离子束对待观测的硅通孔TSV电镀铜进行抛光处理； 采用离子束对抛光完成的TSV电镀铜表面进行离子刻蚀； 观察TSV电镀铜剖面，得到TSV铜晶粒形貌。
2.根据权利要求1所述的观测TSV铜晶粒的方法，其特征在于，在所述采用离子束对待观测的TSV电镀铜进行抛光处理的步骤中，所述离子束采用氩Ar离子束。
3.根据权利要求1所述的观测TSV铜晶粒的方法，其特征在于，在所述采用离子束对抛光完成的TSV电镀铜表面进行离子刻蚀的步骤中，所述离子束采用镓Ga离子束。
4.根据权利要求1所述的观测TSV铜晶粒的方法，其特征在于，在所述采用离子束对待观测的TSV电镀铜进行抛光处理的步骤中，所述离子束以从上方向下入射的方式，对待观测的TSV电镀铜进行抛光。
5.根据权利要求1所述的观测TSV铜晶粒的方法，其特征在于，在所述采用离子束对待观测的TSV电镀铜进行抛光处理的步骤中，抛光时间根据待观测的TSV电镀铜深度确定。
6.根据权利要求1所述的观测TSV铜晶粒的方法，其特征在于，在所述采用离子束对抛光完成的TSV电镀铜表面进行离子刻蚀的处理步骤中，将抛光后的TSV电镀铜剖面水平放入聚焦离子束的真空室内，利用离子束对剖面观察区域进行扫描，每扫描预设时间后，暂停扫描，进行观察，直至待观测剖面晶粒显示。
7.根据权利要求5所述的观测TSV铜晶粒的方法，其特征在于，所述预设时间为一分钟。
8.根据权利要求1所述的观测TSV铜晶粒的方法，其特征在于，在所述采用离子束对待观测的TSV电镀铜进行抛光处理的步骤前，还包含以下步骤: 对所需观察的TSV电镀铜进行切割备样。
9.根据权利要求8所述的观测TSV铜晶粒的方法，其特征在于，在所述对所需观察的TSV电镀铜进行切割备样的步骤中，还包含以下子步骤: 对所需观察的TSV电镀铜采用慢速锯切割，得到与观测面预设距离处的剖面，然后对切割得到的剖面用砂纸研磨。
10.根据权利要求9所述的观测TSV铜晶粒的方法，其特征在于，在所述对切割得到的剖面分别用砂纸研磨的步骤中，包含以下子步骤: 使用IOOum颗粒度砂纸研磨I分钟； 使用60um颗粒度砂纸研磨2分钟； 使用30um颗粒度砂纸研磨3分钟； 使用15um颗粒度砂纸研磨3分钟。
11.根据权利要求9所述的观测TSV铜晶粒的方法，其特征在于，所述预设距离为2-3mm。
12.根据权利要求1所述的观测硅通孔TSV铜晶粒的方法，其特征在于，在所述观察TSV电镀铜剖面，得到TSV铜晶粒形貌的步骤中，采用电子束或离子束观察TSV电镀铜剖面。
【文档编号】G01Q30/20GK103472265SQ201310392943
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】张兆强, 庞钧文, 王珺 申请人:复旦大学