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Ar/N2 2단계 플라즈마 처리에 따른 저온 Cu-Cu 직접 접합부의 정량적 계면접착에너지 평가 및 분석

Effects of Ar/N2 Two-step Plasma Treatment on the Quantitative Interfacial Adhesion Energy of Low-Temperature Cu-Cu Bonding Interface

김은경|박영배|김가희|서한결|최성훈
한국마이크로전자및패키징학회 (The Microelectronics And Packaging Society)|2021.06|마이크로전자 및 패키징학회지 (Jornal of the Microelectronics and Packaging Society)|제28권 제2호|pp. 29-37

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4-point bending testdouble cantilever beam testCu-to-Cu direct bondingAr/N2 plasma
주제분류재료공학

초록

3 차원 패키징을 위한 저온 Cu-Cu직접 접합부의 계면접착에너지를 향상시키기 위해 Cu박막 표면에 대한 Ar/ N2 2단계 플라즈마 처리 전, 후 Cu표면 및 접합계면에 대한 화학결합을 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)을 통해 정량화한 결과, 2단계 플라즈마 처리로 인해 Cu표면에 Cu4N이 형성되어 Cu산화를 효과적으로 억제하는 것을 확인하였다. 2단계 플라즈마 처리하지 않은 Cu-Cu시편은 표면 산화막의 영향으로 접합이 제대로 되지 않았으나 2단계 플라즈마 처리한 시편은 효과적인 표면 산화방지효과로 인해 양호한 Cu-Cu접합을 형성하였다. Cu-Cu직접접합 계면의 정량적 계면접착에너지를 double cantilever beam 시험방법 및 4점 굽힘(4-point bending, 4-PB) 시험방법을통해 비교한 결과, 각각 1.63±0.24, 2.33±0.67 J/m2으로 4-PB 시험의 계면접착에너지가 더 크게 측정되었다. 이는 계면파괴역학의 위상각(phase angle)에 따른 계면접착에너지 증가 거동으로 설명할 수 있는데 즉, 4-PB의 계면균열선단 전단응력성분 증가로 인한 계면거칠기의 효과에 기인한 것으로 판단된다.

Abstract

The effect of Ar/N2 two-step plasma treatment on the quantitative interfacial adhesion energy of low temperature Cu-Cu bonding interface were systematically investigated. X-ray photoelectron spectroscopy analysis showed that Ar/N2 2-step plasma treatment has less copper oxide due to the formation of an effective Cu4N passivation layer. Quantitative measurements of interfacial adhesion energy of Cu-Cu bonding interface with Ar/N2 2-step plasma treatment were performed using a double cantilever beam (DCB) and 4-point bending (4-PB) test, where the measured values were 1.63±0.24 J/m2 and 2.33±0.67 J/m2, respectively. This can be explained by the increased interfacial adhesion energy according phase angle due to the effect of the higher interface roughness of 4-PB test than that of DCB test.

참고문헌 (36)

  1. E. Beyne, "The 3-D interconnect technology landscape", IEEE Design & Test, 33(3), pp.8~ (2016)
  2. C. T. Ko, "Low temperature bonding technology for 3D integration", J. Microelectronics Reliability, 52(2), pp.302~ (2012)
  3. S. E. Kim, "Wafer level Cu–Cu direct bonding for 3D integration", Microelectronic Eng., 137(2), pp.158~ (2015)
  4. C. Ko, "Low temperature bonding technology for 3D integration", Microelectron. Reliab., 52, pp.302~ (2012)
  5. A. K. Panigrahy, "Low Temperature Cu–Cu Bonding Technology in Three-Dimensional Integration : An Extensive Review", J. Electron. Packaging, 140(1), pp.010801~ (2018)
  6. H. S. Park, "Nitrogen passivation formation on Cu surface by Ar–N2 plasma for Cu-to-Cu wafer stacking application", Microsyst. Technol., 25, pp.3847~ (2019)
  7. B. Lee, "A Study on the Bonding Process of Cu Bump", Sn, J. Electrochemical Society, pp.2010, 157[DOI]
  8. M. H. Jeong, "Interfacial Reaction Effect on Electrical Reliability of Cu Pillar", Sn Bumps, 2010, pp.39(11), 2368~
  9. 강성근, "Fabrication and Challenges of Cu-to-Cu Wafer Bonding", 마이크로전자 및 패키징학회지, 19(2), pp.29~33 (2012), 한국마이크로전자및패키징학회[DOI]
  10. H. S. Park, "Two-Step Plasma Treatment on Sputtered and Electroplated Cu Surfaces for Cu-To-Cu Bonding Application", J. Appl. Sciences, 9(17), pp.3535~ (2019)
  11. E. J. Jang, "Effect of Wet Pretreatment on Interfacial Adhesion Energy of Cu-Cu Thermocompression Bond for 3D IC Packages", J. Electron. Mater., 38(12), pp.2449~ (2009)
  12. J. Y. Juang, "Copper-to-copper direct bonding on highly(111)-oriented nanotwinned copper in no-vacuum ambient", Scientific reports, 8(1), pp.1~ (2018)
  13. H. Park, "Two-Step Plasma Treatment on Copper Surface for Low-Temperature Cu Thermo-Compression Bonding", IEEE Trans. Comp. Packag. Manufac. Tech., 10(2), pp.332~ (2020)
  14. H. K. Seo, "Effects of two-step plasma treatment on Cu and SiO2 surfaces for 3D bonding applications", Proc. 70th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), pp.1677~ (2020)
  15. P. Gueguen, "Copper direct bonding for 3D integration", International Interconnect Technology Conference (IITC), pp.61~ (2008)
  16. 장은정, "3차원 소자 집적을 위한 Cu-Cu 접합의 계면접착에너지에 미치는 후속 열처리의 영향", 한국재료학회지, 18(4), pp.204~210 (2008), 한국재료학회
  17. A. K. Panigrahi, "Low Temperature CMOS Compatible Cu-Cu thermocompression bonding with constantan alloy passivation for 3D IC Integration", International 3D Systems Integration Conference(3DIC), pp.14~ (2016)
  18. M. S. Park, "Argon Plasma Treatment on Cu surface for Cu bonding in 3D integration and Their Characteristics", J. Appl. Surface Science, 324(1), pp.168~ (2015)
  19. 김가희, "FOWLP 적용을 위한 Cu 재배선과 WPR 절연층 계면의 정량적 계면접착에너지 측정방법 비교 평가", 마이크로전자 및 패키징학회지, 25(2), pp.41~48 (2018), 한국마이크로전자및패키징학회
  20. 박종명, "3차원 소자 적층을 위한 BOE 습식 식각에 따른 Cu-Cu 패턴 접합 특성평가", 대한용접접합학회지, 30(3), pp.224~229 (2012), 대한용접접합학회[DOI]
  21. 서한결, "구리 질화막을 이용한 구리 접합 구조의 접합강도 연구", 마이크로전자 및 패키징학회지, 27(3), pp.55~60 (2020), 한국마이크로전자및패키징학회
  22. A. Keller, "Ion-induced nanoscale ripple patterns on Si surfaces: theory and experiment", Materials (Basel), 3(10), pp.4811~ (2010)
  23. L. D. L. S. Valladares, "Crystallization and electrical resistivity of Cu2O and CuO obtained by thermal oxidation of Cu thin films on SiO2", Si substrates, 2012, pp.520, 6368~
  24. 박해성, "Ar-N2 플라즈마가 Cu 표면에 미치는 구조적 특성 분석", 마이크로전자 및 패키징학회지, 25(4), pp.75~81 (2018), 한국마이크로전자및패키징학회
  25. 박해성, "실험계획법을 통한 구리 질화물 패시베이션 형성을 위한 아르곤 플라즈마 영향 분석", 마이크로전자 및 패키징학회지, 26(3), pp.51~57 (2019), 한국마이크로전자및패키징학회
  26. I. H. Lee, "Interfacial toughening of solution processed Ag nanoparticle thin films by organic residuals", Nanotechnology, 23(48), pp.1~ (2012)
  27. R. J. Hohlfelder, "Adhesion of benzocyclobutene-passivated silicon in epoxy layered structures", J. Mater. Res., 16(1), pp.243~ (2001)
  28. M. F. Kanninen, "An augmented double cantilever beam model for studying crack propagation and arrest", Int. J. of Fract., 9(1), pp.83~ (1973)
  29. T. S. Kim, "Depth dependence of ultraviolet curing of organosilicate low-k thin films", J. Appl. Phys., 103(6), pp.064108~ (2008)
  30. R. H. Dauskardt, "Adhesion and debonding of multi-layer thin film structures", Eng. Fract. Mech., 61(1), pp.141~ (1998)
  31. P. G. Charalambides, "A test specimen for determining the fracture resistance of biomaterial interfaces", J. Appl. Mech., 111, pp.77~ (1989)
  32. M. Lane, "Interface fracture", Annu. Rev. Mater. Res., 33, pp.29~ (2003)
  33. J. W. Hutchinson, "Mixed Mode Cracking in Layered Materials", Adv. Appl. Mech., 29, pp.63~ (1992)
  34. X. Dai, "Adhesion Measurement for Electronic Packaging Applications Using Double Cantilever Beam Method", IEEE T. on Compon. Pack. T., 23(1), pp.101~ (2000)
  35. S. L. Chua, "Cu-Cu Die to Die Surface Activated Bonding in Atmospheric Environment using Ar and Ar", N2 Plasma, 2016, pp.75(9), 109~
  36. M. D. Reichert, "Preparation and Instability of Nanocrystalline Cuprous Nitride", Inorganic Chemistry, 54(13), pp.6356~ (2015)

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