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白光掃描干涉法在先進(jìn)半導(dǎo)體封裝混合鍵合表面測(cè)量中的應(yīng)用研究

蘇州光子灣科學(xué)儀器有限公司 ? 2025-08-05 17:48 ? 次閱讀
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8隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸不斷縮小,三維(3D)封裝技術(shù)已成為延續(xù)摩爾定律的重要途徑。銅-介質(zhì)混合鍵合(Hybrid Bonding)通過直接連接銅互連與介電層,實(shí)現(xiàn)了高密度、低功耗的異質(zhì)集成。然而,化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝引入的納米級(jí)表面形貌變化(如銅凹陷/凸起)會(huì)顯著影響鍵合質(zhì)量。傳統(tǒng)測(cè)量方法如原子力顯微鏡(AFM)雖然具有埃級(jí)分辨率,但其接觸式測(cè)量方式存在效率低、易損傷樣品等缺點(diǎn)。本研究借助光子灣白光干涉輪廓儀重點(diǎn)開發(fā)基于白光掃描干涉法(WSI)的新型測(cè)量方案,通過系統(tǒng)優(yōu)化和相位補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)了非接觸、高精度、高效率的表面形貌表征。62a6c794-71e1-11f0-9080-92fbcf53809c.png半導(dǎo)體封裝異質(zhì)集成的混合鍵合技術(shù)



#Photonixbay.01

混合鍵合測(cè)試樣品制備

本研究制備了兩組具有典型特征的混合鍵合測(cè)試樣品:62ca772a-71e1-11f0-9080-92fbcf53809c.png樣品#1結(jié)構(gòu):TEOS圖案表面覆蓋Ta/TaN薄膜樣品#1(標(biāo)準(zhǔn)CMP工藝):

  • 薄膜堆疊:Si 襯底 / 800nm Cu / 220 nm TEOS / 10nm Ta / 5nm TaN
  • 關(guān)鍵工藝參數(shù):

○ 拋光壓力:24.1 kPa○ 拋光盤轉(zhuǎn)速:80 rpm○ 拋光時(shí)間:90 s

  • 目標(biāo)形貌:100±5 nm銅凹陷(TEOS高于Cu)

62f305dc-71e1-11f0-9080-92fbcf53809c.png樣品#2結(jié)構(gòu):無Ta/TaN層,銅因過度拋光高于TEOS樣品#2(過拋光工藝):

  • 在樣品#1基礎(chǔ)上進(jìn)行二次拋光:

○ 壓力提升至35.9 kPa○ 轉(zhuǎn)速增至90 rpm○ 拋光時(shí)間20 s○ 添加專用銅腐蝕抑制劑

  • 目標(biāo)形貌:7±2 nm銅凸起(完全去除Ta/TaN阻擋層)



#Photonixbay.02

高分辨率表面形貌測(cè)量方法

63226728-71e1-11f0-9080-92fbcf53809c.png半導(dǎo)體封裝異質(zhì)集成的表面計(jì)量方法

原子力顯微鏡 (AFM)

  • 原理:探針接觸表面,通過激光檢測(cè)懸臂偏轉(zhuǎn)
  • 關(guān)鍵組件:激光光源、懸臂探針、壓電掃描器(PZT)、位置敏感光電探測(cè)器(PSPD)
  • 用途:納米級(jí)表面粗糙度檢測(cè)(如混合鍵合界面)

共聚焦顯微鏡 (CLSM)

  • 原理:激光聚焦+針孔過濾,僅捕捉焦平面信號(hào)
  • 關(guān)鍵組件:共聚焦針孔、二向色鏡、物鏡、垂直掃描模塊
  • 用途:亞微米級(jí)三維成像(如TSV孔深測(cè)量)

白光干涉儀 (WSI)

  • 原理:白光干涉條紋分析,消除相位模糊
  • 關(guān)鍵組件:低相干光源、參考鏡、壓電Z軸掃描、分束器
  • 用途:毫米級(jí)表面全場(chǎng)測(cè)量(如凸塊高度一致性)



#Photonixbay.03

高度測(cè)量結(jié)果對(duì)比

634c97d2-71e1-11f0-9080-92fbcf53809c.png樣品#1(左)樣品#2(右)AFM測(cè)量的表面重建與截面圖637ef380-71e1-11f0-9080-92fbcf53809c.png樣品#1(左)樣品#2(右)(c)(d) WSI在10×和20×放大倍率下的表面重建與截面圖63afa23c-71e1-11f0-9080-92fbcf53809c.png樣品#1(左)樣品#2(右)(e)(f) CLSM在10×和20×下的表面重建與截面圖三種測(cè)量方法的表面高度測(cè)量結(jié)果對(duì)比63e48be6-71e1-11f0-9080-92fbcf53809c.pngAFM、WSI和CLSM對(duì)兩個(gè)混合鍵合樣品進(jìn)行了測(cè)量和分析。AFM記錄的樣品#1和樣品#2的高度分別為100 nm和7 nm。WSI測(cè)量的樣品#1和樣品#2的高度分別為128.1 nm和334.2 nm,而CLSM的結(jié)果分別為132.5 nm和128.1 nm。CLSM的結(jié)果與AFM參考值存在顯著差異,表明薄膜去除對(duì)測(cè)量結(jié)果有強(qiáng)烈影響。



#Photonixbay.04

測(cè)量方法重復(fù)性評(píng)估

測(cè)量方法重復(fù)性評(píng)估(20次連續(xù)測(cè)量)640d9e50-71e1-11f0-9080-92fbcf53809c.pngWSI在20次連續(xù)測(cè)量中表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性,標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.97 nm和0.79 nm。CLSM的重復(fù)性較差,樣品#1和樣品#2的標(biāo)準(zhǔn)差分別為9.15 nm和13.07 nm。Allan偏差分析顯示,WSI系統(tǒng)在32次平均測(cè)量后對(duì)非平穩(wěn)噪聲的影響較小,噪聲幅度為0.34 nm



#Photonixbay.05

相位變化效應(yīng)的理論與補(bǔ)償

642e416e-71e1-11f0-9080-92fbcf53809c.pngWSI在20×放大倍率下(a) 樣品#1的100次連續(xù)測(cè)量結(jié)果及艾倫偏差;(b) 樣品#2的100次連續(xù)測(cè)量結(jié)果及艾倫偏差

通過FDTD模擬分析了WSI測(cè)量中的復(fù)雜相位變化行為,并進(jìn)行了補(bǔ)償。補(bǔ)償后,樣品#1的高度誤差從28.1 nm降低到0.52 nm,接近AFM測(cè)量結(jié)果。本文評(píng)估了WSI和CLSM作為非接觸方法在混合鍵合樣品表面輪廓測(cè)量中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明,WSI在精度和重復(fù)性方面表現(xiàn)出色,經(jīng)過相位變化效應(yīng)補(bǔ)償后,測(cè)量精度顯著提高?;谶@些理論和模擬,驗(yàn)證了光學(xué)計(jì)量方法的普遍性和亞納米級(jí)精度。


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