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

최성훈; 김가희; 서한결; 김사라은경; 박영배

doi:10.6117/kmeps.2021.28.2.029

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 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.28 no.2, 2021년, pp.29 - 37

최성훈 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터) , 김가희 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터) , 서한결 (서울과학기술대학교 나노IT디자인융합대학원) , 김사라은경 (서울과학기술대학교 나노IT디자인융합대학원) , 박영배 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터)

초록
AI-Helper

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) 시험방법을 통해 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 ▼ AI-Helper

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.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematics of quantitative adhesion test sample structures: (a) DCB test and (b) 4-PB test.
그림 Fig. 2. FE-SEM images and EDS atomic concentrations of Cu surfaces: (a) without and (b) with Ar/N₂ two-step plasma treatment.
그림 Fig. 3. Effects of Ar/N₂ two-step plasma treatment on the SPM images of Cu surfaces and roughness.
그림 Fig. 4. Effects of Ar/N₂ two-step plasma treatment on the XPS Gaussian peak fitting results of (a) Cu 2p and (b) N 1s peaks of Cu surfaces.
$Table 1. XPS peak area fraction of Cu 2p peaks on the Cu surfaces.$ 표 Table 1. XPS peak area fraction of Cu 2p peaks on the Cu surfaces.
$Table 2. XPS peak area fraction of N 1s peaks on the Cu surfaces.$ 표 Table 2. XPS peak area fraction of N 1s peaks on the Cu surfaces.
그림 Fig. 5. SAT images and cross-sectional FIB images of Cu-Cu bonded interface: (a) without and (b) with Ar/N₂ two-step plasma treatment.
그림 Fig. 6. Load-displacement curves of Cu-Cu direct bonds with Ar/ N₂ two-step plasma treatment: (a) DCB test and (b) 4-PB test.
그림 Fig. 7. Comparisons of measured interfacial adhesion energies of Cu-Cu direct bonds with Ar/N₂ two-step plasma treatment between DCB test and 4-PB test.
그림 Fig. 8. FE-SEM images and EDS atomic concentrations of the delaminated surfaces of upper and lower sides with Ar/N₂ two-step plasma treatment: (a) DCB test and (b) 4-PB test.
그림 Fig. 9. XPS Gaussian peak fitting results of (a) Cu 2p and (b) N 1s peaks of the delaminated Cu/Cu interface with Ar/N₂ two-step plasma treatment.
$Table 3. XPS peak area fraction of Cu 2p at delaminated Cu surfaces after Ar/N<sub>2</sub> two-step plasma treatment.$ 표 Table 3. XPS peak area fraction of Cu 2p at delaminated Cu surfaces after Ar/N₂ two-step plasma treatment.

참고문헌 (36)

E. Beyne, "The 3-D interconnect technology landscape", IEEE Design & Test, 33(3), 8 (2016).

상세보기
C. T. Ko, and K. N. Chen, "Low temperature bonding technology for 3D integration", J. Microelectronics Reliability, 52(2), 302 (2012).
S. E. Kim, and S. D. Kim, "Wafer level Cu-Cu direct bonding for 3D integration", Microelectronic Eng., 137(2), 158 (2015).
C. Ko, and K. N. Chen, "Low temperature bonding technology for 3D integration", Microelectron. Reliab., 52, 302 (2012).

상세보기
A. K. Panigrahy, and K. N. Chen, "Low Temperature Cu-Cu Bonding Technology in Three-Dimensional Integration: An Extensive Review", J. Electron. Packaging, 140(1), 010801 (2018).
H. S. Park, and S. E. Kim, "Nitrogen passivation formation on Cu surface by Ar-N 2 plasma for Cu-to-Cu wafer stacking application", Microsyst. Technol., 25, 3847 (2019).
B. Lee, J. Park, S. J. Jeon, K. W. Kwon and H. J. Lee, "A Study on the Bonding Process of Cu Bump/Sn/Cu Bump Bonding Structure for 3D Packaging Applications", J. Electrochemical Society, 157, H420 (2010).
M. H. Jeong, G. T. Lim, B. J. Kim, K. W. Lee, J. D. Kim, Y. C. Joo, and Y. B. Park, "Interfacial Reaction Effect on Electrical Reliability of Cu Pillar/Sn Bumps", J. Electron. Mat., 39(11), 2368 (2010).

상세보기
S. G. Kang, J. Lee, E. S. Kim, N. Lim, S. Kim, S. Kim, and S. E. Kim, "Fabrication and Challenges of Cu-to-Cu Wafer Bonding", J. Microelectron. Packag. Soc., 19(2), 29 (2012).

원문보기 상세보기
H. S. Park, and S. E. Kim, "Two-Step Plasma Treatment on Sputtered and Electroplated Cu Surfaces for Cu-To-Cu Bonding Application", J. Appl. Sciences, 9(17), 3535 (2019).
E. J. Jang, S. Hyun, H. J. Lee, and Y. B. Park, "Effect of Wet Pretreatment on Interfacial Adhesion Energy of Cu-Cu Thermocompression Bond for 3D IC Packages", J. Electron. Mater., 38(12), 2449 (2009).

상세보기
J. Y. Juang, C. L. Lu, K. J. Chen, C. C. A. Chen, P. N. Hsu, C. Chen, and K. N. Tu, "Copper-to-copper direct bonding on highly (111)-oriented nanotwinned copper in no-vacuum ambient", Scientific reports, 8(1), 1 (2018).
H. Park, and S. E. Kim, "Two-Step Plasma Treatment on Copper Surface for Low-Temperature Cu Thermo-Compression Bonding", IEEE Trans. Comp. Packag. Manufac. Tech., 10(2), 332 (2020).

상세보기
H. K. Seo, S. E. Kim, G. Kim, H. S. Park, Y. B. Park, "Effects of two-step plasma treatment on Cu and SiO 2 surfaces for 3D bonding applications", Proc. 70th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Florida, 1677 (2020).
P. Gueguen, L. D. Cicco, M. Rivoire, "Copper direct bonding for 3D integration", International Interconnect Technology Conference (IITC), California, 61 (2008).
E. J. Jang, S. Pfeiffer, B. Kim, T. Matthias, S. M. Hyun, H. J. Lee, and Y. B. Park, "Effect of Post-Annealing Conditions on Interfacial Adhesion Energy of Cu-Cu Bonding for 3-D IC Integration(in Kor.)", J. Mater. Res., 18(4), 204 (2008).
A. K. Panigrahi, S. Bonam, T. Ghosh, S. R. K, Vanjari, S. G. Singh "Low Temperature CMOS Compatible Cu-Cu thermo-compression bonding with constantan alloy passivation for 3D IC Integration" International 3D Systems Integration Conference(3DIC), 14 (2016).
M. S. Park, S. J. Baek, S. D. Kim, and S. E. Kim, "Argon Plasma Treatment on Cu surface for Cu bonding in 3D integration and Their Characteristics", J. Appl. Surface Science, 324(1), 168 (2015).
G. Kim, J. Lee, S. H. Park, S. Kang, T. S. Kim, Y. B. Park, "Comparison of Quantitative Interfacial Adhesion Energy Measurement Method between Copper RDL and WPR Dielectric Interface for FOWLP Applications (in Kor)" J. Microelectron. Packag. Soc., 25(2), 41(2018).

원문보기 상세보기
J. M. Park, S. H. Kim, S. E. Kim, Y. B. Park. "Effect of BOE Wet Etching on Interfacial Characteristics of Cu-Cu Pattern Direct Bonds for 3D-IC Integrations (in Kor)" J. Welding and Joining, 30(3), 26 (2012).
H. K. Seo, H. S. Park, G. Kim, S. E. Kim, and Y. B. Park, "Bonding Strength Evaluation of Copper Bonding Using Copper Nitride Layer (in Kor.)", J. Microelectron. Packag. Soc., 27(3), 55 (2020).

원문보기 상세보기
A. Keller, and S. Facsko, "Ion-induced nanoscale ripple patterns on Si surfaces: theory and experiment," Materials (Basel)., 3(10), 4811 (2010).

상세보기
L. D. L. S. Valladares, D. H. Salinas, A. B. Dominguez, D. A. Najarro, S. I. Khondaker, T. Mitrelias, C. H. W. Barnes, J. A. Aguiar, and Y. Majima, "Crystallization and electrical resistivity of Cu 2 O and CuO obtained by thermal oxidation of Cu thin films on SiO 2 /Si substrates", Thin Solid Films, 520,6368 (2012).
H. S. Park, and S. E. Kim. "Structural Characteristics of ArN 2 Plasma Treatment on Cu Surface (in Kor.)", J. Microelectron. Packag. Soc., 25(4), 75 (2018).

원문보기 상세보기
H. S. Park, and S. E. Kim. "Analysis of Ar Plasma Effects for Copper Nitride Passivation Formation via Design of Experiment (in Kor.)", J. Microelectron. Packag. Soc., 26(3), 51 (2019).
I. H. Lee, S. H. Kim, J. H. Yun, I. K. Park, and T. S. Kim, "Interfacial toughening of solution processed Ag nanoparticle thin films by organic residuals", Nanotechnology, 23(48), 1 (2012).
R. J. Hohlfelder, D. A. Maidenberg, and R. H. Dauskardt, "Adhesion of benzocyclobutene-passivated silicon in epoxy layered structures", J. Mater. Res., 16(1), 243 (2001).

상세보기
M. F. Kanninen, "An augmented double cantilever beam model for studying crack propagation and arrest", Int. J. of Fract., 9(1), 83 (1973).

상세보기
T. S. Kim, N. Tsuji, N. Kemeling, K. Matsushita, D. Chumakov, H. Geisler, E. Zschech, and R. H. Dausdardt, "Depth dependence of ultraviolet curing of organosilicate low-k thin films", J. Appl. Phys. 103(6), 064108 (2008).

상세보기
R. H. Dauskardt, M. Lane, Q. Ma, and N. Krishna, "Adhesion and debonding of multi-layer thin film structures", Eng. Fract. Mech., 61(1), 141 (1998).

상세보기
P. G. Charalambides, J. Lund, A. G. Evans, and R. M. McMeeking, "A test specimen for determining the fracture resistance of biomaterial interfaces", J. Appl. Mech., 111, 77 (1989).
M. Lane, "Interface fracture", Annu. Rev. Mater. Res., 33, 29 (2003).

상세보기
J. W. Hutchinson, and Z. Suo, "Mixed Mode Cracking in Layered Materials", Adv. Appl. Mech., 29, 63 (1992).
X. Dai, M. V. Brillhart, and P. S. Ho, "Adhesion Measurement for Electronic Packaging Applications Using Double Cantilever Beam Method", IEEE T. on Compon. Pack. T., 23(1), 101 (2000).
S. L. Chua, and C. S. Tan, "Cu-Cu Die to Die Surface Activated Bonding in Atmospheric Environment using Ar and Ar/N 2 Plasma", J. Electrochemical Soc., 75(9), 109 (2016).
M. D. Reichert, M. A. White, M. J. Thompson, G. J. Miller, and J. Vela, "Preparation and Instability of Nanocrystalline Cuprous Nitride", Inorganic Chemistry, 54(13), 6356 (2015).

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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