基于浸没式热光相位光谱技术的三维微电子器件互连层热导率表征

《IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology》：Improved Sensitivity for Thermal Conductance Mapping of Boundaries in 3D Die Stacks

　　

摘要：

三维微电子器件热管理的一个主要瓶颈是互连层的高热阻。然而，对这些层的热导率进行表征仍然很困难。本研究利用了浸没式热光相位光谱技术（I-TOPS），这是一种非接触式、无损的技术，其高信噪比（SNR）得益于硅弹性体的较大热光系数（-3.9×10^-4 K^-1）以及光斑半径与光波长的较大比值。该技术用于研究深度埋藏的界面层的热导率。实验中使用的样品是一种绝缘体上硅（SOI）晶圆，由一个40 μm厚的硅层通过1 μm厚的二氧化硅与体硅连接而成，作为互连层的替代品。在硅晶圆的背面制作了一个2×2 mm2的孔洞来模拟缺陷。由于硅具有较高的热导率且硅芯片的厚度较大，热量会沿横向传播较远的距离，从而降低了信号对埋藏层热导率变化的敏感度。为了解决这一问题，实验采用了较大的泵浦光束与探测光束偏移量。将偏移量从30 μm增加到150 μm后，对热导率的敏感度提高了15倍（从0.02提高到0.3），尽管信号强度有所下降。实验中使用了一个功率为4 mW、频率为30 Hz的调制泵浦光束，信号平均时间为300 ms，信噪比达到80，相应的噪声引起的不确定性约为4%。