基于頻域特性的玻璃過(guò)孔缺陷無(wú)損檢測(cè)方法

蘇晉榮，王曉波，張文梅

(1.山西大學(xué) 電子信息工程系，山西 太原 030006；2.山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

玻璃過(guò)孔(Through glass vias,TGV)是近年來(lái)新興的一種三維集成電路垂直互連技術(shù)[1].它以玻璃為襯底，與以硅為襯底的硅通孔(Through silicon vias,TSV)相比，玻璃材料具有介電常數(shù)小，成本低，損耗小等優(yōu)勢(shì)，因此，TGV的傳輸性能優(yōu)于TSV，成為未來(lái)三維集成電路中較有潛力的技術(shù)方案之一[2，3].

在TGV加工過(guò)程中，玻璃與銅的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of thermal expansion，CTE)相差較大(CTEglass =3 ppm/K,CTEcopper =17 ppm/K)，因熱失配易產(chǎn)生玻璃裂痕、銅與玻璃界面層離、銅變形等缺陷，從而造成過(guò)孔開(kāi)路或短路[4].此外，過(guò)孔傾斜易導(dǎo)致化學(xué)機(jī)械拋光不徹底等問(wèn)題，也易造成過(guò)孔開(kāi)路以及過(guò)孔間短路[5].開(kāi)路和短路缺陷會(huì)顯著降低過(guò)孔的傳輸性能.對(duì)過(guò)孔缺陷的準(zhǔn)確檢測(cè)有利于剔除含有缺陷的襯底，提升系統(tǒng)性能.

過(guò)孔缺陷檢測(cè)方法分為有損檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)兩種.利用掃描電子顯微鏡的有損檢測(cè)可以清楚、準(zhǔn)確地判斷出缺陷類型及位置，但該方法需將被測(cè)樣品切開(kāi)，樣品無(wú)法再利用，且切割樣品也會(huì)造成其他缺陷，影響檢測(cè)結(jié)果.無(wú)損檢測(cè)不損害樣品，也不會(huì)帶來(lái)額外缺陷.已有的無(wú)損檢測(cè)方法有鎖相熱成像法[6]、3D-X射線法[7]和電特性檢測(cè)法[8]等.熱成像法只能檢測(cè)出產(chǎn)生熱量部位的缺陷，3D-X射線法難于檢測(cè)出不均勻、不規(guī)則缺陷.鑒于此，文獻(xiàn)[8]提出利用正向傳輸系數(shù)|S21|、反射系數(shù)|S11|參數(shù)和眼圖來(lái)判斷TSV缺陷的方法，為T(mén)SV的無(wú)損檢測(cè)開(kāi)辟了新途徑.目前對(duì)TGV的無(wú)損檢測(cè)鮮有報(bào)道.

本文通過(guò)分析地-信號(hào)-信號(hào)-地(Ground- signal-signal-ground,GSSG)TGV頻域特性，綜合考慮了存在開(kāi)路、信號(hào)線間短路、對(duì)地短路以及開(kāi)路短路同時(shí)存在等缺陷的情況，提出利用傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)判斷缺陷的方法，此外，還給出缺陷定位依據(jù)，為T(mén)GV的無(wú)損檢測(cè)提供了有效參考.

1 TGV結(jié)構(gòu)說(shuō)明

本文GSSG型TGV結(jié)構(gòu)如圖1 所示.其中，每個(gè)信號(hào)/地通道由8個(gè)TGV通過(guò)焊點(diǎn)和金屬互連線連接，其正視切面如圖1(a)所示，其中玻璃襯底介電常數(shù)為4.82ε0(真空介電常數(shù)ε0=8.85×10-12F/m)，過(guò)孔填充材料為銅，電導(dǎo)率為5.8×107S/m.金屬間介質(zhì)層(Intermetal dielectric，IMD)為二氧化硅，介電常數(shù)為3.9ε0.立體示意圖如圖1(b)所示，為突出過(guò)孔結(jié)構(gòu)，該圖略去了襯底和IMD層.參照實(shí)際工藝尺寸[6,9]，研究的過(guò)孔直徑為20 μm，高100 μm，節(jié)距80 μm.金屬線寬30 μm,厚10 μm，焊點(diǎn)直徑30 μm，高8 μm.4組通道過(guò)孔間距200 μm.

圖1 GSSG型TGV結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of GSSG-type TGV

圖2 展示了本文研究的4種缺陷.圖2(a)中展示了開(kāi)路和短路缺陷.TGV加工過(guò)程中，金屬布線層的銅材料與玻璃界面層離，或過(guò)孔傾斜導(dǎo)致化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)多余材料去除不完全，造成過(guò)孔未暴露等情況都會(huì)產(chǎn)生開(kāi)路缺陷.而金屬變形、光刻時(shí)金屬層去除不干凈等可能造成對(duì)地短路或信號(hào)線間短路缺陷.圖2(b)、圖2(c)是短路、開(kāi)路同時(shí)存在的情況，層離、金屬變形等多種作用同時(shí)出現(xiàn)時(shí)可能造成金屬互連線傾斜、移位，產(chǎn)生開(kāi)路、短路同時(shí)出現(xiàn)的缺陷.沿信號(hào)傳輸方向，根據(jù)這兩種缺陷出現(xiàn)的不同順序，細(xì)分為先開(kāi)路后短路和先短路后開(kāi)路兩種.

圖2 TGV缺陷示意圖Fig.2 Defects of TGV

2 TGV缺陷類型判斷

2.1 開(kāi)路與短路分別出現(xiàn)時(shí)缺陷的判斷

為探索各種缺陷對(duì)TGV傳輸性能的影響，本文利用基于時(shí)域有限差分法的全波電磁仿真軟件Computer Simulation Technology(CST)的微波工作室組件對(duì)圖1所示結(jié)構(gòu)及圖2中的各種缺陷進(jìn)行了建模和仿真分析.為方便描述缺陷位置，對(duì)過(guò)孔進(jìn)行如下編號(hào)，如圖3 所示俯視圖中，從左上角開(kāi)始，第i行第j列的過(guò)孔記為T(mén)GVij，例如左上角第一個(gè)過(guò)孔為T(mén)GV11，右下角過(guò)孔為T(mén)GV48.

CST分析中人為地、位置隨機(jī)地設(shè)置了各種缺陷，開(kāi)路缺陷在TGV31，對(duì)地短路設(shè)置在TGV32和TGV42之間，信號(hào)間短路設(shè)置在TGV22和TGV32之間，短路開(kāi)路同時(shí)出現(xiàn)的缺陷又可細(xì)分為兩種情況，下文單獨(dú)討論.無(wú)缺陷時(shí)及上述3個(gè)位置的缺陷分別出現(xiàn)時(shí)0～20 GHz的S參數(shù)大小如圖4 所示.

圖3 TGV編號(hào)示意圖Fig.3 Numbering of TGVs

圖4 無(wú)缺陷及分別出現(xiàn)開(kāi)路、短路缺陷時(shí)TGV的S參數(shù)隨頻率變化曲線Fig.4 S- parameters of TGV varying with frequency when open defect,short defect or no defect occurs respectively

|S11|結(jié)果如圖4(a)所示，無(wú)缺陷時(shí)TGV的|S11| 在-14.5 dB以下，而出現(xiàn)開(kāi)路時(shí)，|S11|在-0.3 dB 以上，這是因?yàn)樾盘?hào)的低阻抗傳輸路徑中斷，大部分信號(hào)返回了輸入端.與此同時(shí)，圖4(b)所示的|S21|曲線中，無(wú)缺陷時(shí)TGV的|S21| 在-1 dB以上，而出現(xiàn)開(kāi)路缺陷時(shí)|S21|在-14.5 dB以下.圖4(e)為不同情形時(shí)的|S21|-|S11|，出現(xiàn)開(kāi)路缺陷時(shí)該差值在-9.66 dB以下，根據(jù)|S21|和|S11|及其差的特點(diǎn)，可準(zhǔn)確判斷TGV傳輸通道是否出現(xiàn)開(kāi)路缺陷.

當(dāng)出現(xiàn)信號(hào)線間短路時(shí)，本該傳輸?shù)蕉丝?的信號(hào)一部分反射至輸入端，一部分傳輸?shù)綉?yīng)該到達(dá)的端口2，還有一部分經(jīng)過(guò)短路造成的低阻抗路徑傳輸?shù)讲粦?yīng)該到達(dá)的端口3和端口4.因此，短路造成的損耗介于無(wú)缺陷和開(kāi)路缺陷之間，這一點(diǎn)在圖4(a)、圖4(b)中也有所體現(xiàn)，例如，圖4(a)中10 GHz處，無(wú)缺陷、對(duì)地短路、信號(hào)線間短路、開(kāi)路缺陷分別出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的|S11|為 -0.64 dB，-4.22 dB，-8.24 dB，-15.44 dB.此外，因短路缺陷導(dǎo)致輸入信號(hào)分成多路傳輸?shù)讲煌丝?，故|S11|，|S21|，|S31|和|S41|4個(gè)參數(shù)結(jié)果相近，又如，在10 GHz，其值分別為 -6.30 dB,-8.24 dB,-7.15 dB和-8.53 dB，最大差為2.23 dB.這樣，通過(guò)與無(wú)缺陷時(shí)的 |S11|,|S21|結(jié)果進(jìn)行大小對(duì)比，結(jié)合|S11|,|S21|,|S31|和|S41|之間的差別特點(diǎn)，可判斷是否存在信號(hào)間短路缺陷.

出現(xiàn)對(duì)地短路缺陷時(shí)，因信號(hào)會(huì)分流到參考地通道，耦合到端口3和端口4的信號(hào)很弱，相應(yīng)的|S31|和|S41|較小，例如圖4(c)和圖4(d)中，10 GHz處|S31|和|S41|分別為-29.42 dB和-38.39 dB.與此同時(shí)，根據(jù)|S21|-|S11|特點(diǎn)可進(jìn)一步確定該缺陷.圖4(e)中，無(wú)缺陷時(shí)|S21|-|S11|在0～20 GHz內(nèi)始終保持在14 dB以上，開(kāi)路缺陷時(shí)則在-9.66 dB以下，信號(hào)線間短路時(shí)為-2.05～-1.36 dB之間，且隨頻率變化緩慢(變化率為0.17 dB/GHz).而出現(xiàn)對(duì)地短路時(shí)該差值為21.41 dB～-10.51 dB，只有該缺陷對(duì)應(yīng)的|S21|-|S11|跨過(guò)了0 dB，且隨頻率變化較快(變化率約為1.6 dB/GHz).這樣，根據(jù)S參數(shù)值與無(wú)缺陷時(shí)的大小關(guān)系，結(jié)合|S21|- |S11|的特點(diǎn)，可以明確判斷是否出現(xiàn)了對(duì)地短路缺陷.

綜上所述，可以通過(guò)測(cè)試其S參數(shù)來(lái)判斷GSSG型TGV是否出現(xiàn)缺陷.當(dāng)|S11|在0 dB附近，而|S21|為負(fù)十幾甚至-20 dB時(shí)，且|S21|-|S11|保持在0 dB以下且其絕對(duì)值較大，說(shuō)明傳輸通道出現(xiàn)了開(kāi)路缺陷；當(dāng)|S11|,|S21|,|S31|和|S41| 相互接近時(shí)，說(shuō)明出現(xiàn)了信號(hào)間短路缺陷；當(dāng)|S21|-|S11|跨過(guò)0 dB，且隨頻率變化較快，且|S31|或|S41|較小時(shí)，則出現(xiàn)了對(duì)地短路.

2.2 短路開(kāi)路同時(shí)出現(xiàn)時(shí)缺陷的判斷

為區(qū)分短路開(kāi)路同時(shí)出現(xiàn)時(shí)開(kāi)路點(diǎn)和短路點(diǎn)的先后位置，在CST的GSSG模型中人為設(shè)置開(kāi)路點(diǎn)在TGV33短路點(diǎn)在TGV24和TGV34之間的先開(kāi)路后短路缺陷，記為O33-S24-34；以及開(kāi)路點(diǎn)在TGV34，短路點(diǎn)在TGV23和TGV33之間的先短路后開(kāi)路缺陷，記為O34-S23-33.

上述兩種缺陷的|S21|結(jié)果如圖4(b)中帶數(shù)據(jù)標(biāo)志的兩條曲線所示.由圖4(b)可見(jiàn)，短路開(kāi)路同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，因端口1到端口2的傳輸通道斷開(kāi)，造成正向傳輸系數(shù)|S21|遠(yuǎn)小于另外幾種缺陷出現(xiàn)的情況.例如在10 GHz處，O33-S24-34的|S21| 為 -35.98 dB，比離其最近的開(kāi)路缺陷時(shí)的|S21|小15.57 dB.該顯著差值，一方面說(shuō)明這種缺陷不會(huì)影響對(duì)2.1中幾種缺陷情況的判斷；另一方面，可以根據(jù)|S21| 的特點(diǎn)判斷是否出現(xiàn)了短路開(kāi)路同時(shí)出現(xiàn)的缺陷.

然而，O33-S24-34和O34-S23-33的|S21|相差甚小，故無(wú)法進(jìn)一步據(jù)此區(qū)分.這時(shí)，可以根據(jù)|S31| 曲線來(lái)判斷，如圖5 所示.圖5中，O33-S24-34的|S31|值遠(yuǎn)小于同頻點(diǎn)O34-S23-33的.例如，在10 GHz處，O33-S24-34的|S31|為-32.43 dB，而O34-S23-33的為-5.29 dB，二者相差27.14 dB，這樣顯著的差別足以區(qū)分兩種缺陷類型.即|S31|很大時(shí)說(shuō)明缺陷為先短路后開(kāi)路，反之則為先開(kāi)路后短路.

圖5 短路開(kāi)路缺陷同時(shí)出現(xiàn)時(shí)的| S31|曲線Fig.5 | S31| of TGV when the open defect and short defect appear at the same time

O33-S24-34和O34-S23-33的|S31|在0～20 GHz內(nèi)差別明顯，是因?yàn)楫?dāng)出現(xiàn)O33-S24-34型缺陷時(shí)，因端口1的輸入信號(hào)在到達(dá)第3個(gè)TGV時(shí)就遇到了開(kāi)路，大部分信號(hào)將返回端口1，而耦合到端口3的很少，因此其|S11|(圖4(a)中帶數(shù)據(jù)標(biāo)志的曲線)較大而|S31|很小.而當(dāng)出現(xiàn)O34-S23-33型缺陷時(shí)，傳輸通道從第3個(gè)TGV處錯(cuò)接到相鄰信號(hào)通道，而第4個(gè)TGV開(kāi)路導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法傳輸?shù)蕉丝?.這樣，端口1的輸入信號(hào)一部分反射回來(lái)，一部分傳輸?shù)蕉丝?和端口4.因此，其|S21|很小，而|S31|很大.

綜上，根據(jù)|S21|和|S31|曲線的特點(diǎn)，當(dāng)|S21|在0～20 GHz整個(gè)范圍內(nèi)都顯著低于無(wú)缺陷時(shí)，可得知出現(xiàn)了O33-S24-34或O34-S23-33型缺陷.若此時(shí)其|S31|也非常小，則可判斷出缺陷類型為先開(kāi)路后短路，反之則為先短路后開(kāi)路缺陷.

3 TGV缺陷定位

前文通過(guò)分析GSSG型TGV的S參數(shù)，提取出判斷缺陷類型的方法.下面將分析短路和開(kāi)路缺陷位置不同時(shí)TGV的電特性，并總結(jié)出缺陷定位方法.圖6 為短路點(diǎn)和開(kāi)路點(diǎn)位置示意圖.其中，陰影過(guò)孔為開(kāi)路點(diǎn)，從左到右依次記為開(kāi)路點(diǎn)1-4.兩TGV間用矩形框連接表示該點(diǎn)為短路點(diǎn)，從左到右依次為短路點(diǎn)1-4.

圖6 短路點(diǎn)與開(kāi)路點(diǎn)位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of short defect points and open defect points

圖7(a)和圖7(b)展示了短路點(diǎn)出現(xiàn)在不同位置時(shí)TGV的|S11|和|S31|.圖7(a)中，短路點(diǎn)離輸入端越遠(yuǎn)，|S11|越小.例如，在20 GHz處，短路點(diǎn)1-4的|S11|分別為-7.41 dB,-8.17 dB,-9.31 dB和 -10.82 dB.圖7(b)中4條曲線與圖7(a)的有相似的規(guī)律，即隨著短路點(diǎn)離輸入端口越來(lái)越遠(yuǎn)，|S31|越來(lái)越小，只是同一個(gè)短路點(diǎn)對(duì)應(yīng)的|S11|略大于|S31|.這是因?yàn)槎搪伏c(diǎn)離輸入端口1越遠(yuǎn)，信號(hào)反射回端口1和經(jīng)過(guò)短路缺陷傳輸?shù)蕉丝?所需經(jīng)過(guò)的TGV個(gè)數(shù)就越多，過(guò)孔和金屬互連線的電阻和電感效應(yīng)帶來(lái)的導(dǎo)體損耗就越大，傳輸?shù)竭@兩個(gè)端口的信號(hào)就越弱.同時(shí)，信號(hào)由輸入端口1到達(dá)端口3的路徑，總是比返回端口1多了一段短路缺陷路徑，因此信號(hào)到達(dá)端口3的損耗稍多于到達(dá)端口1的，所以|S11|總是略大于|S31|.根據(jù)|S11|和|S31|隨短路點(diǎn)變化規(guī)律，可以判斷缺陷出現(xiàn)位置.|S11|,|S31|越大，則短路點(diǎn)離輸入端越近.

圖7 |S11|和|S31|隨短路點(diǎn)、開(kāi)路點(diǎn)位置的變化Fig.7 |S11| and |S31| of TGV for different location of short defect or open defect

圖7(c)和圖7(d)展示了開(kāi)路點(diǎn)分別出現(xiàn)在不同位置時(shí)TGV的|S11|和|S31|.可以看出，開(kāi)路點(diǎn)離輸入端越遠(yuǎn)，|S11|越小而|S31|越大.例如，在20 GHz處，開(kāi)路點(diǎn)1-4的|S11|分別為-0.63 dB,-1.25 dB,-2.08 dB和-2.66 dB，而|S31|分別為-32.44 dB,-26.66 dB,-23.93 dB和-23.13 dB.這是因?yàn)殚_(kāi)路點(diǎn)導(dǎo)致傳輸?shù)蕉丝?的通路斷開(kāi)，大部分信號(hào)經(jīng)過(guò)原路徑返回端口1，少部分耦合到端口3.開(kāi)路點(diǎn)離端口1越近，信號(hào)反射回端口1所需經(jīng)過(guò)的TGV越少，相應(yīng)的導(dǎo)體損耗就越小，傳輸回端口1的信號(hào)就越強(qiáng).與此同時(shí)，因耦合到端口3所經(jīng)過(guò)的TGV個(gè)數(shù)越少，耦合效應(yīng)越弱，|S31|就越小.根據(jù)|S11|和|S31|隨開(kāi)路點(diǎn)變化規(guī)律，可以判斷缺陷出現(xiàn)位置.|S11|越大而|S31|越小，則開(kāi)路點(diǎn)離輸入端越近.

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)分析了分別出現(xiàn)開(kāi)路、信號(hào)線間短路、對(duì)地短路以及短路開(kāi)路同時(shí)出現(xiàn)時(shí)GSSG型TGV的頻域傳輸特性，提煉出缺陷判斷方法.

當(dāng)|S11|很大而|S21|較小、|S21|-|S11|結(jié)果較大且始終在0 dB 之下時(shí)，說(shuō)明傳輸通道出現(xiàn)了開(kāi)路缺陷；當(dāng)|S11|略大于無(wú)缺陷時(shí)的結(jié)果，|S31|或|S41| 值非常大，且|S21|-|S11|很小，保持在0 dB 附近，則為信號(hào)線間短路缺陷.若|S21|-|S11| 跨0 dB，且隨頻率變化較快，則出現(xiàn)了對(duì)地短路缺陷.此外，如果|S21|在0-20 GHz顯著低于無(wú)缺陷時(shí)的結(jié)果(例如低30 dB以上)，且其隨頻率變化緩慢，則可能出現(xiàn)了短路、開(kāi)路同時(shí)存在的缺陷，此時(shí)如果|S31|非常大，則說(shuō)明傳輸通道先遇到短路點(diǎn)，后遇到開(kāi)路點(diǎn).反之，如果|S31| 較小，則傳輸通道先遇到開(kāi)路點(diǎn)，后遇到短路點(diǎn).文章最后討論了開(kāi)路點(diǎn)和短路點(diǎn)位置的判斷方法，得知，|S11|和|S31|值越大，則開(kāi)路缺陷離輸入端口越近；|S11|越大而|S31|越小，則短路缺陷離輸入端口越近.

本文提煉的無(wú)損缺陷判斷及定位方法，為T(mén)GV缺陷檢測(cè)提供重要參考，有利于推動(dòng)TGV產(chǎn)品收率的提升.