Метод автоматизированного расчeта зeрен и пустот в металлических плeнках и TSV-структурах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Научная новизна данной работы заключается в применении известных методов (метод диаметра Фере, метод эквивалентного диаметра) в новой области (проектирование и конструирование элементов в микроэлектронике). Точные измерения размеров зёрен металлических плёнок и пустот в TSV-структурах имеют критическое значение для повышения надёжности и производительности устройств микро- и наноэлектроники. Ручные методы анализа морфологических характеристик материалов требуют значительных временных затрат и подвержены субъективным ошибкам. В данной работе представлен автоматизированный метод расчёта размеров зёрен, основанный на обработке изображений, полученных с помощью растрового электронного микроскопа. В рамках методики применяются два подхода к расчёту среднего размера зёрен: метод диаметра Фере и метод эквивалентного круга. Корреляция между результатами этих методов подтверждает корректность сегментации и высокую точность анализа. Экспериментальные исследования показали, что предложенная методология позволяет эффективно выделять зёрна и пустоты даже на изображениях с низким контрастом и высоким уровнем шума. Полученные результаты демонстрируют универсальность метода, его высокую точность и воспроизводимость, а также возможность интеграции в процессы контроля качества и проектирования микроэлектронных систем. Автоматизация анализа существенно снижает влияние человеческого фактора, сокращает время обработки данных и открывает новые возможности для оптимизации процессов производства устройств микро- и наноэлектроники.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. А. Дюжев

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Email: ivanin@ckp-miet.ru
Россия, Москва

Е. Э. Гусев

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”; ВГЛТУ имени Г.Ф. Морозова

Email: ivanin@ckp-miet.ru
Россия, Москва; Воронеж

П. С. Иванин

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”; ВГЛТУ имени Г.Ф. Морозова

Автор, ответственный за переписку.
Email: ivanin@ckp-miet.ru
Россия, Москва; Воронеж

В. К. Зольников

ВГЛТУ имени Г.Ф. Морозова

Email: ivanin@ckp-miet.ru
Россия, Воронеж

М. Ю. Фомичёв

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Email: ivanin@ckp-miet.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Дюжев Н.А., Гусев Е.Э., Кушнарев И.В., Беспалов В.А. Влияние термической обработки на физико-механические свойства тонкопленочных мембранных Al-структур различной формы. Письма в ЖТФ. 2025. Т. 51. Вып. 2. С. 10–14. https://doi.org/10.61011/PJTF.2025.02.59549.20034
  2. Беспалов В.А. и др. Обзор методов измерения механической прочности тонких пленок // Моделирование систем и процессов. 2022. Т. 15. № 3. С. 110.
  3. Брагина О.В., Карпенко С.И., Иванов М.Н. Влияние микроструктуры на механические свойства тонких плeнок меди / Современные материалы и технологии. 2021. № 2. С. 15–23.
  4. Дюжев Н.А., Гусев Е.Э., Кушнарев И.В. и др. Особенности влияния ориентации и размера зерен на механические свойства тонкопленочных мембран Al/Mo / Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50. Вып. 9. С. 5–15.
  5. Махиборода М.А. Исследование влияния радиационного облучения на размер зерен и механические свойства тонкоплeночного алюминия. Известия РАН. Механика твердого тела. 2024. № 1. С. 158–167.
  6. Дюжев Н.А., Гусев Е.Э., Портнова Е.О., Новикова О.В. Влияние циклической нагрузки на физико-механические свойства тонкопленочных мембранных структур / Известия РАН. Механика твердого тела. 2024. № 2. С. 269–282.
  7. Исмаилов А.А., Петров Б.В. Влияние дефектов на тепловое сопротивление в микроэлектронных устройствах / Микроэлектроника. 2020. Т. 49. № 6. С. 409–412.
  8. Шейн Г.И., Габов В.Г. Физические методы исследования: учебное пособие / Изд-во Пермского университета. 2020. 124 с.
  9. Мансуров Г.Н., Петрий О.А. Электрохимия тонких металлических плeнок / Научтехлит. 2019. 256 с.
  10. Гаврилова Н.Н., Назаров В.В., Яровая О.В. Микроскопические методы определения размеров частиц дисперсных материалов. 2012. Т. 55. № 6. С. 123–128.
  11. URL: https://archive.sympatec.com/RU/ImageAnalysis/Fundamentals.html
  12. Merkus H.G. Particle size measurements: fundamentals, practice, quality. Springer Science & Business Media. 2009. Т. 17.
  13. Pabst W., Gregorova E. Characterization of particles and particle systems // ICT Prague. 2007. Т. 122. С. 122.
  14. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80_%D0%A4%D0%B5%D1%80%D0%B5
  15. Underwood E.E. Quantitative stereology. 1970.
  16. Gu Y., O’Neal D.L. Development of an equivalent diameter expression for vertical U-tubes used in ground-coupled heat pumps // Transactions-American Society of Heating Refrigerating and air Conditioning Engineers. 1998. Т. 104. С. 347–355.
  17. Al-Kayiem A.H.H., Ibrahim M.A. The influence of the equivalent hydraulic diameter on the pressure drop prediction of annular test section // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing. 2015. Т. 100. № 1. С. 012049.
  18. Anifowoshe O., Osisanya S.O. The effect of equivalent diameter definitions on frictional pressure loss estimation in an annulus with pipe rotation //SPE Deepwater Drilling and Completions Conference. SPE. 2012. С. SPE-151176-MS.
  19. Latief F.D.E. Analysis and Visualization of 2D and 3D Grain and Pore Size of Fontainebleau Sandstone Using Digital Rock Physics //Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2016. Т. 739. № 1. С. 012047.
  20. Russ J.C. The image processing handbook. CRC press, 2006.
  21. Ломов А.А., Захаров Д.М., Тарасов М.А., Чекушкин А.М., Татаринцев А.А., Васильев А.Л. Микроструктура островковых пленок Al на Si(111) при магнетронном напылении: влияние температуры подложки // Микроэлектроника. 2024. Т. 53. № 4. C. 335–345.
  22. ГОСТ 21073.3-75 Металлы цветные. Определение величины зерна. Метод подсчeта пересечений зeрен.
  23. Борисенков С., Вотинцев А., Хольгер Р. Контроль качества: неразрушающий контроль паяных соединений с применением рентгеновского излучения // Компоненты и технологии. 2003. № . 28. С. 168–170.
  24. Mair R., Liebens M., Murray T. Non-destructive acoustic metrology and void detection in 3x50μm TSV. 2016.
  25. Kim H., Han J., Han T.Y.J. Machine vision-driven automatic recognition of particle size and morphology in SEM images // Nanoscale. 2020. Т. 12. № 37. С. 19461–19469.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное изображение измерения размера зерна методом диаметра Фере

Скачать (16KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схематичное изображение метода эквивалентного диаметра

Скачать (11KB)
Метаданные
4. Рис. 3. РЭМ-фотография плёнки Al толщиной 1100 нм

Скачать (25KB)
Метаданные
5. Рис. 4. РЭМ-фотография исследуемой структуры после сегментации

Скачать (67KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Сравнение методов измерения одного зерна: (а) ручное измерение; (б) автоматизированное измерение

Скачать (17KB)
Метаданные
7. Рис. 6. РЭМ-фотография исследуемой структуры с отображением границ зёрен

Скачать (77KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Распределение размера зёрен, рассчитанного по методу эквивалентного диаметра

Скачать (44KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Распределение размера зёрен, рассчитанного по методу диаметра Фере

Скачать (40KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Расчёт пустот в TSV-структуре: (а) поперечное сечение образцов после CMP, полученное с помощью FIB-SEM. Образец C в целом не имеет пустот. Образец D показывает пустоты около верхней и нижней части переходного отверстия. Образец E показывает большие пустоты в шве, охватывающие более 2/3 длины переходного отверстия; (б) образец E после сегментации

Скачать (40KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025