8隨著半導體器件特征尺寸不斷縮小，三維（3D）封裝技術已成為延續摩爾定律的重要途徑。銅-介質混合鍵合（Hybrid Bonding）通過直接連接銅互連與介電層，實現了高密度、低功耗的異質集成。然而，化學機械拋光（CMP）工藝引入的納米級表面形貌變化（如銅凹陷/凸起）會顯著影響鍵合質量。傳統測量方法如原子力顯微鏡（AFM）雖然具有埃級分辨率，但其接觸式測量方式存在效率低、易損傷樣品等缺點。本研究借助光子灣白光干涉輪廓儀重點開發基于白光掃描干涉法（WSI）的新型測量方案，通過系統優化和相位補償，實現了非接觸、高精度、高效率的表面形貌表征。半導體封裝異質集成的混合鍵合技術

#Photonixbay.01

混合鍵合測試樣品制備

本研究制備了兩組具有典型特征的混合鍵合測試樣品：樣品#1結構：TEOS圖案表面覆蓋Ta/TaN薄膜樣品#1（標準CMP工藝）：

• 薄膜堆疊：Si 襯底 / 800nm Cu / 220 nm TEOS / 10nm Ta / 5nm TaN
• 關鍵工藝參數：

○ 拋光壓力：24.1 kPa○ 拋光盤轉速：80 rpm○ 拋光時間：90 s

• 目標形貌：100±5 nm銅凹陷（TEOS高于Cu）

樣品#2結構：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基礎上進行二次拋光：

○ 壓力提升至35.9 kPa○ 轉速增至90 rpm○ 拋光時間20 s○ 添加專用銅腐蝕抑制劑

• 目標形貌：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量方法

半導體封裝異質集成的表面計量方法

原子力顯微鏡 (AFM)

• 原理：探針接觸表面，通過激光檢測懸臂偏轉
• 關鍵組件：激光光源、懸臂探針、壓電掃描器（PZT）、位置敏感光電探測器（PSPD）
• 用途：納米級表面粗糙度檢測（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
• 關鍵組件：共聚焦針孔、二向色鏡、物鏡、垂直掃描模塊
• 用途：亞微米級三維成像（如TSV孔深測量）

白光干涉儀 (WSI)

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

#Photonixbay.03

高度測量結果對比

樣品#1(左)樣品#2(右)AFM測量的表面重建與截面圖樣品#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量方法的表面高度測量結果對比AFM、WSI和CLSM對兩個混合鍵合樣品進行了測量和分析。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的結果分別為132.5 nm和128.1 nm。CLSM的結果與AFM參考值存在顯著差異，表明薄膜去除對測量結果有強烈影響。

#Photonixbay.04

測量方法重復性評估

測量方法重復性評估（20次連續測量）WSI在20次連續測量中表現出顯著的穩定性，標準差分別為0.97 nm和0.79 nm。CLSM的重復性較差，樣品#1和樣品#2的標準差分別為9.15 nm和13.07 nm。Allan偏差分析顯示，WSI系統在32次平均測量后對非平穩噪聲的影響較小，噪聲幅度為0.34 nm。

#Photonixbay.05

相位變化效應的理論與補償

WSI在20×放大倍率下(a) 樣品#1的100次連續測量結果及艾倫偏差；(b) 樣品#2的100次連續測量結果及艾倫偏差

通過FDTD模擬分析了WSI測量中的復雜相位變化行為，并進行了補償。補償后，樣品#1的高度誤差從28.1 nm降低到0.52 nm，接近AFM測量結果。本文評估了WSI和CLSM作為非接觸方法在混合鍵合樣品表面輪廓測量中的技術優勢。結果表明，WSI在精度和重復性方面表現出色，經過相位變化效應補償后，測量精度顯著提高。基于這些理論和模擬，驗證了光學計量方法的普遍性和亞納米級精度。