[发明专利]用于3D-TSV铜互连材料力学性能测试的原位拉伸试样

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种测试技术的拉伸试样，具体说，涉及一种用微加工工艺和牺牲层工艺测试3D封装中TSV铜材料的力学性能原位拉伸试样。

背景技术

目前，基于TSV（Through Silicon Vias，硅通孔）的3D封装技术非常受人关注。这是由于其相对于传统的导线连接来说，可以很大程度上减少电阻和反馈时间，并能提高IC的集成密度和降低微器件内部热量。TSV为微电子器件性能的改进提供了很大的潜力空间。这对整个IC甚至整个微电子行业发展来说，都有很重大的意义。在微电子行业中，由于结构尺寸和制备工艺与宏观材料上的差别，材料的性能是与宏观材料有所不同。3D封装中TSV铜的制备方法与薄膜材料相比也是有差别的，所以薄膜的力学参数也是不能完全取代原位材料的力学性能的。

目前针对微观材料力学测试方法大多基于纳米压痕和单轴拉伸方法，纳米压痕是通过对测试材料纳米硬度，再通过加载―卸载曲线之间的关系间接的来计算出试样的一部分力学性能，一般只能求出杨氏模量。

单轴拉伸法是一种试样制备工艺相对简单，测试数据易于获取的材料性能测试方法。目前针对微观材料来说，单轴拉伸法的应用是非常普遍的。例如专利CN202133586U中所介绍的用于透射电镜的原位力、电性能单轴拉伸试样杆。其力学测试就是应用单轴拉伸方法。通过驱动器对拉伸试样施加载荷，用图像位标法或压敏电阻和惠斯通桥来记录位移。经过计算，就可以得到试样的应力―应变曲线了。此专利与其它的薄膜单轴拉伸方法都只能对电镀或沉积的薄膜材料做力学测试，而不能应用于圆柱形材料的测试。

中国专利公开号为102607938A，该专利提供一种用于TSV铜互连材料力学性能测试的原位拉伸试样，该专利中所提供的拉伸试样的夹持部分尺寸过小，在试样装配过程中会造成非常大的困难。本发明用微加工工艺制备的框架结构，其尺寸可在毫米级。这种设计大大提高了装配效率。

中国专利公开号为102519762A，该专利提供一种带网状支撑框架的低应力微拉伸试样的制备方法，该专利中所提供的拉伸试样，其中测试部分是通过薄膜制备工艺实现的，这与原位拉伸试样的生长模式完全不同。本发明所提供的测试部分，是直接取自于TSV中的互联材料，是符合原位拉伸的含义的。

发明内容

本发明的目的是在克服传统单轴拉伸方法对3D-TSV铜圆柱形材料力学性能测试的不兼容，对3D封装中TSV铜材料力学性能参数的补充，设计了一种针对于3D封装中TSV铜材料的力学性能测试试样，克服了纳米压痕这种间接测量方法所带来的误差。让所得到的力学参数更可信，更贴近于真实值。这样使日后对电路的设计和仿真都有了更为贴近实际的参考数据。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种用于3D-TSV铜互连材料力学性能测试的原位拉伸试样，所述原位拉伸试样包括试样部分，固定部分和用于夹持试样的夹持部分。所述的试样部分是在硅通孔中形成的圆形金属柱；所述的固定部分为有固定槽的电镀金属；所述的夹持部分为带有定位孔和带网状支撑结构的金属框架；所述的试样部分，固定部分与夹持部分都是以电镀的方式制备和相互连接的。

所述的试样部分是在硅通孔中形成的圆形金属柱，金属柱材料为铜材。

所述固定部分形状为带有固定槽长方形或正方形平板带孔结构，其作用在于，在微加工过程中，防止试样部分脱离，金属材料为铜材或镍等材料。

所述夹持部分，其主体为长方形或正方形平板，两端为定位孔和网状支撑结构。

所述的夹持部分的金属框架材料为铜材或镍等材料。

本发明用于测量时，通过夹持部分两端的圆孔来固定试样。当试样固定后，用剪刀或其它工具将网状支撑结构部分剪断。然后对夹持部分的两端施加水平方向的拉力，就可以实现试样的拉伸测试。通过对实验过程中拉力和位移变化的记录，经过简单计算可以得出试样的应力―应变曲线，从而能得出，屈服强度，抗拉强度和杨氏模量等基本力学参数。

进一步的，所述试样部分与固定部分尺寸都为微米级，这与实际中3D-TSV铜材料的尺寸大致相同；夹持部分的尺寸为厘米级别，这有利于操作。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：