Characterization and observation of Cu-Cu Thermo-Compression Bonding using 4-point bending test system

The quantitative interfacial adhesion energy of the Cu-Cu direct bonding layers was evaluated in terms of the bonding temperature and Ar+$H_2$ plasma treatment on Cu surface by using a 4-point bending test. The interfacial adhesion energy and bonding quality depend on increased bonding temperature and post-annealing temperature. With increasing bonding temperature from $250^{\circ}C$ to $350^{\circ}C$, the interfacial adhesion energy increase from $1.38{\pm}1.06$ $J/m^2$ to $10.36{\pm}1.01$ $J/m^2$. The Ar+$H_2$ plasma treatment on Cu surface drastically increase the interfacial adhesion energy form $1.38{\pm}1.06$ $J/m^2$ to $6.59{\pm}0.03$ $J/m^2$. The plasma pre-treatment successfully reduces processing temperature of Cu to Cu direct bonding.

4-point bending test system을 이용한 Cu-Cu 열 압착 접합 특성 평가

3차원 칩 적층 접합에 사용하기 위한 Cu-Cu 금속 저온 접합 공정을 위하여 접합 온도 및 플라즈마 표면 전처리에 따른 열 압착 접합을 수행 하였다. 4점굽힘시험과 CCD 카메라를 이용하여 Cu 접합부의 정량적인 계면접착에너지를 평가하였다. 접합 온도 $250^{\circ}C$, $300^{\circ}C$, $350^{\circ}C$에서 각각 $1.38{\pm}1.06$(상한값), $7.91{\pm}0.27$(하한값), $10.36{\pm}1.01$(하한값) $J/m^2$으로 접합온도 $300^{\circ}C$ 이상에서 계면접착에너지 5 $J/m^2$ 이상의 값을 얻었다. 접합 온도 $300^{\circ}C$ 이하 낮은 온도에서 접합하기 위해 Cu-Cu 열 압착 접합 전 Ar+$H_2$ 플라즈마로 $200^{\circ}C$에서 2분간 표면 전처리 후 $250^{\circ}C$ 조건에서 열 압착 접합할 경우 계면접착에너지 값이 $6.59${\pm}0.03$(하한값) $J/m^2$로 표면 전 처리하지 않은 시험편에 비해 접합 특성이 크게 증가 하였다.