白光扫描干涉法在先进半导体封装混合键合表面测量中的应用研究

8随着半导体器件特征尺寸不断缩小，三维（3D）封装技术已成为延续摩尔定律的重要途径。铜-介质混合键合（Hybrid Bonding）通过直接连接铜互连与介电层，实现了高密度、低功耗的异质集成。然而，化学机械抛光（CMP）工艺引入的纳米级表面形貌变化（如铜凹陷/凸起）会显著影响键合质量。传统测量方法如原子力显微镜（AFM）虽然具有埃级分辨率，但其接触式测量方式存在效率低、易损伤样品等缺点。本研究借助光子湾白光干涉轮廓仪重点开发基于白光扫描干涉法（WSI）的新型测量方案，通过系统优化和相位补偿，实现了非接触、高精度、高效率的表面形貌表征。半导体封装异质集成的混合键合技术

#Photonixbay.01

混合键合测试样品制备

本研究制备了两组具有典型特征的混合键合测试样品：样品#1结构：TEOS图案表面覆盖Ta/TaN薄膜样品#1（标准CMP工艺）：

• 薄膜堆叠：Si 衬底 / 800nm Cu / 220 nm TEOS / 10nm Ta / 5nm TaN
• 关键工艺参数：

○ 抛光压力：24.1 kPa○ 抛光盘转速：80 rpm○ 抛光时间：90 s

• 目标形貌：100±5 nm铜凹陷（TEOS高于Cu）

样品#2结构：无Ta/TaN层，铜因过度抛光高于TEOS样品#2（过抛光工艺）：

• 在样品#1基础上进行二次抛光：

○ 压力提升至35.9 kPa○ 转速增至90 rpm○ 抛光时间20 s○ 添加专用铜腐蚀抑制剂

• 目标形貌：7±2 nm铜凸起（完全去除Ta/TaN阻挡层）

#Photonixbay.02

高分辨率表面形貌测量方法

半导体封装异质集成的表面计量方法

原子力显微镜 (AFM)

• 原理：探针接触表面，通过激光检测悬臂偏转
• 关键组件：激光光源、悬臂探针、压电扫描器（PZT）、位置敏感光电探测器（PSPD）
• 用途：纳米级表面粗糙度检测（如混合键合界面）

共聚焦显微镜 (CLSM)

• 原理：激光聚焦+针孔过滤，仅捕捉焦平面信号
• 关键组件：共聚焦针孔、二向色镜、物镜、垂直扫描模块
• 用途：亚微米级三维成像（如TSV孔深测量）

白光干涉仪 (WSI)

• 原理：白光干涉条纹分析，消除相位模糊
• 关键组件：低相干光源、参考镜、压电Z轴扫描、分束器
• 用途：毫米级表面全场测量（如凸块高度一致性）

#Photonixbay.03

高度测量结果对比

样品#1(左)样品#2(右)AFM测量的表面重建与截面图样品#1(左)样品#2(右)(c)(d) WSI在10×和20×放大倍率下的表面重建与截面图样品#1(左)样品#2(右)(e)(f) CLSM在10×和20×下的表面重建与截面图三种测量方法的表面高度测量结果对比AFM、WSI和CLSM对两个混合键合样品进行了测量和分析。AFM记录的样品#1和样品#2的高度分别为100 nm和7 nm。WSI测量的样品#1和样品#2的高度分别为128.1 nm和334.2 nm，而CLSM的结果分别为132.5 nm和128.1 nm。CLSM的结果与AFM参考值存在显著差异，表明薄膜去除对测量结果有强烈影响。

#Photonixbay.04

测量方法重复性评估

测量方法重复性评估（20次连续测量）WSI在20次连续测量中表现出显著的稳定性，标准差分别为0.97 nm和0.79 nm。CLSM的重复性较差，样品#1和样品#2的标准差分别为9.15 nm和13.07 nm。Allan偏差分析显示，WSI系统在32次平均测量后对非平稳噪声的影响较小，噪声幅度为0.34 nm。

#Photonixbay.05

相位变化效应的理论与补偿

WSI在20×放大倍率下(a) 样品#1的100次连续测量结果及艾伦偏差；(b) 样品#2的100次连续测量结果及艾伦偏差

通过FDTD模拟分析了WSI测量中的复杂相位变化行为，并进行了补偿。补偿后，样品#1的高度误差从28.1 nm降低到0.52 nm，接近AFM测量结果。本文评估了WSI和CLSM作为非接触方法在混合键合样品表面轮廓测量中的技术优势。结果表明，WSI在精度和重复性方面表现出色，经过相位变化效应补偿后，测量精度显著提高。基于这些理论和模拟，验证了光学计量方法的普遍性和亚纳米级精度。