[논문]Under Bump Metallurgy의 종류와 리플로우 시간에 따른 Sn 솔더 계면반응

박선희; 오태성

문제 정의

금속간화합물의 형성 거동을 살펴보기 위해 주사현미경 (Scanning Electron Microscopy: SEM)의 back-scattered electron image(BEI) 모드를 사용하여 솔더/UBM 계면에서 금속간화합물을 관찰하고 image analyzer를 이용하여 금속간화합물 층의 평균 두께를 측정하였다. 본 연구에서는 또한 UBM과 리플로우 시간이 동일한 경우에도 시편 위치에 따른 금속간화합물의 두께 편차를 분석하기 위해 Fig. 1에 있는 시편 배열에서 중심에 위치한 범프와 가장자리에 위치한 범프에 대해 금속간 화합물의 두께를 측정하였다. 금속간 화합물 층의 평균 두께는 Fig.
본 연구에서는 플립칩 공정에 적용하기 위해 Sn 솔더범프를 리플로우시 UBM의 종류와 리플로우 시간에 따른 솔더/UBM 계면에서의 금속간화합물 성장거동을 분석하였다.

가설 설정

4에서처 럼 복잡한 형상을 나타내기 때문에, 그 두께를 정확히 측정하는 것이 쉽지 않다. 따라서 본 연구에서는 금속간화합물의 성장속도가 UBM의 소모속도에 비례한다는 가정7)하에 웨이퍼 가장자리와 중앙 부위 에서 리플로우 시간에 따른 Cu UBM과 Ni UBM 의 소모속도를 분석하여 Fig. 9에 나타내었다.

제안 방법

(3) Sn 솔더 의 리 플로우 시간에 따른 Cu UBM과 Ni UBM의 소모 속도를 분석하였다. 초기 15초 동안 리플로우를 실시한 경우에는 Cu UBM의 소모속도가 Ni UBM에 비해 약 3.
Clariant사의 AZ4562 photoresist (PR)를 이용하여 30 ㎛ 두께 의 PR 층을 형성한 후, 리소그파리 공정을 통해 Fig. 1과 같은 배 열의 100 ㎛와 10 ㎛ 크기의 정사각형 범프 패턴을 형성하였다.
도금장비 로는 Cu rack plater, Ni rack plater, RENA rack/fountain plater를 각각 사용하였다. Cu UBMe 상온에서 8.5L/min의 속도로 교반하면서 2.0A/dm2의 전류밀도를 인가하여 형성하였고, Ni UBMe 50℃의 온도에서 3.5L/min의 속도로 교반 하면서 1.5A/dm2의 전류밀도를 인가하며 전기도 금하였다. Sne 상온에서 4L/min의 속도로 교반 하면서 0.
Cu UBM과 Sn 솔더의 반응을 관찰하기 위해 Sn 솔더를 Cu UBM 상에서 250℃의 온도로 0, 15, 30, 90 및 450초의 시간별로 리플로우한 미세구조를 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다. 이때 Fig.
Cu와 TiW의 에칭 용액 이 잘 wetting 되도록 하기 위해 우선 O2 plasma 에칭 공정을 실시 하였으며, 이후 상온에서 10% CuCl2 solution을 사용하여 Cu 층을 에칭하였으며, 35℃에서 alkalic H2O2 용액을 사용하여 TiW 층을 에칭하여 제거하였다.
Sn 솔더의 리플로우시 UBM의 종류와 리플로우시간에 따른 계면 반응을 관찰하기 위해, lOOnm의 SiO2가 증착된 550㎛ 두께의 Si 웨이퍼 위에 접착충으로 lOOnm 두께의 TiW를 스퍼 터 링으로 형성한 후, 그 위에 도금 씨앗층으로 300nm 두께의 Cu를 스퍼터링으로 형성하였다. Clariant사의 AZ4562 photoresist (PR)를 이용하여 30 ㎛ 두께 의 PR 층을 형성한 후, 리소그파리 공정을 통해 Fig.
Sn/UBM 반응을 용이하게 관찰하기 위해, Sn 전기도금 솔더를 리플로우 하기 전에 Sn 솔더 가 전기 도금된 부위를 제외한 다른 부위의 도금 씨앗 층인 Cu 층과 접착층인 TiW 층을 에칭하여 제거하였다. Cu와 TiW의 에칭 용액 이 잘 wetting 되도록 하기 위해 우선 O2 plasma 에칭 공정을 실시 하였으며, 이후 상온에서 10% CuCl2 solution을 사용하여 Cu 층을 에칭하였으며, 35℃에서 alkalic H2O2 용액을 사용하여 TiW 층을 에칭하여 제거하였다.
UBM과 Sn 솔더 사이의 계면반응에 대한 관찰을 용이하게 하기 위해 Fig. 1에 있는 시편 배열의 10 ㎛ 크기 솔더 범 프와 100 nm 크기 솔더 범프 중에서 100 ㎛ 크기 의 솔더를 Vecco Instruments사의 Dektak3030 장비를 사용하여 리플로우 전과 후에 솔더의 높이를 측정하였다.
각 시간별로 리플로우된 시편을 에폭시 레진을 사용하여 마운팅하고 연마하였다. 금속간화합물의 형성 거동을 살펴보기 위해 주사현미경 (Scanning Electron Microscopy: SEM)의 back-scattered electron image(BEI) 모드를 사용하여 솔더/UBM 계면에서 금속간화합물을 관찰하고 image analyzer를 이용하여 금속간화합물 층의 평균 두께를 측정하였다.
금속간화합물의 성장거동에 있어서 UBM 종류에 기인한 차이를 보기 위해 PR 공정으로 형성된 범프 패턴에 Ni UBM을 3.4 ㎛ 높이로 전기도금하였고, 그 위에 23 ㎛ 높이의 Sn을 전기도금으로 형성하였다. 도금장비 로는 Cu rack plater, Ni rack plater, RENA rack/fountain plater를 각각 사용하였다.
금속간화합물의 형성 거동을 살펴보기 위해 주사현미경 (Scanning Electron Microscopy: SEM)의 back-scattered electron image(BEI) 모드를 사용하여 솔더/UBM 계면에서 금속간화합물을 관찰하고 image analyzer를 이용하여 금속간화합물 층의 평균 두께를 측정하였다. 본 연구에서는 또한 UBM과 리플로우 시간이 동일한 경우에도 시편 위치에 따른 금속간화합물의 두께 편차를 분석하기 위해 Fig.
2에 나타낸 방법을 사용하여 분석하였다. 리플로우 공정 후 단면을 연마하고 주사전자현미 경으로 Fig. 2와 같은 단면 미세구조 사진을 찍은 후, 이미 세 구조 사진에서 image analyzer를 이용하여 금속간화합물 층의 면적을 구하였다. 이를 금속간화합물 층의 가로 길이로 나누어 줌으로써 금속간화합물 층의 평균 두께를 구하였다.
2와 같은 단면 미세구조 사진을 찍은 후, 이미 세 구조 사진에서 image analyzer를 이용하여 금속간화합물 층의 면적을 구하였다. 이를 금속간화합물 층의 가로 길이로 나누어 줌으로써 금속간화합물 층의 평균 두께를 구하였다.

대상 데이터

4 ㎛ 높이로 전기도금하였고, 그 위에 23 ㎛ 높이의 Sn을 전기도금으로 형성하였다. 도금장비 로는 Cu rack plater, Ni rack plater, RENA rack/fountain plater를 각각 사용하였다. Cu UBMe 상온에서 8.

성능/효과

(1) SEM 사진과 EDS 조성 분석을 통해, 250℃ 에서 450초까지 Sn 솔더의 리플로우 시간을 증가 시 켜 가면서 리플로우를 실시 했을 경우, 리플로우시간에 비례하여 금속간화합물 층의 두께가 증가함을 확인하였으며, 동일한 리플로우 시간에서 Cu UBM의 경우 Ni UBM에 비해 금속간화합물이 더 두껍게 형성되었다.
(4) Sn 솔더 와의 반응에 의한 Cu UBM의 소모속도는 450초 리플로우시 에 4.5 nm/sec이 었다. 이 와같은 Sn 솔더 와의 반응에 의한 Cu UBM의 소모속도는 63Sn-37Pb 솔더 에서 보고된 Cu UBM의 소모 속도보다 매우 높은 것으로 나타났으며, 이는 63Sn-37Pb 솔더 의 리플로우시 此는 Cu와 반응하지 않고 Sn만 반응하는데 기 인한다.
7(b)는 15초 동안 리플로우한 시편의 계면에 대한 line 스캔 결과이며, (c)는 450초 리플로우한 시 편에 대한 결과이다. 15초 동안 리플로우한 시편의 Sn 및 Cu의 EDS 검출강도들이 모두 450초 동안리플로우한 시편에서의 검출 강도보다 훨씬 높게 나타났다. 그러나 EDS 검출 강도는 임의적인 값임으로 15초와 450초 리플로우한 시편에 대해 Sn 의 EDS 검출강도들을 비교하거나 Cu의 검출 강도들을 비교하는 것은 의미가 없으며, 각 리플로우시편에서 거리에 따른 EDS 검출 강도의 변화 거동을 살펴보아야 한다.
8(a)와 (b) 의 비교에서와 같이 금속간화합물의 두께 또한 위치에 상관없이 유사하게 나타났다. Fig. 8에서와같이 Cu UBM과 Ni UBM에서 모두 리플로우 시간이 증가함에 따라 Sn 솔더와의 반응에 의한 금속간화합물 층의 두께가 증가함을 확인할 수 있었다. CuU旧M에서는 리플로우 공정 이전에는 금속간화합물 층이 0.
6까지의 결과에서 알 수 있는 것과 같이 Cu 및 Ni UBM에서 모두 리 플로우 시간이 증가할수록 금속간화합물의 두께가 두꺼워지는 것을 관찰할 수 있다. 또한 리플로우 시간이 증가할수록 금속간화합물의 두께 증가가 둔화되는 것을 관찰할 수 있다. 동일한 리플로우 시간에서는 Ni UBM 보다는 Cu UBM에서 더 두꺼운 금속간화합물 충이 형성되었으며 이는 Sn과 Ni과의 반응보다 Sn과 Cu와의 반응이 훨씬 용이하게 진행되는데 기인한다.

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