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什么是纳米双晶铜 (Nano-twin Cu) |
纳米双晶铜是指铜的微观结构呈现(111)单一方向柱状晶，柱状晶粒内有高密度的铜双晶堆栈，双晶晶界间距在数纳米到数百纳米间。具(111)优选方向的纳米双晶铜微结构是由台湾阳明交通大学材料科学与工程系陈智教授在2012年发表，运用特殊的添加剂在铜电镀液中，以电化学电镀的方式沉积铜膜，形成专利的铜微结构 [1][2] 。纳米双晶铜结构的结构如图１。图中可以观察到铜柱状晶粒内有高密度的铜双晶堆栈。
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图１ 纳米双晶铜结构(离子束影像(ion-beam imaging)) |
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纳米双晶铜有什么特性，有什么用？ |
纳米双晶铜最大特性就是在导电度相差不多的情况下，机械强度有大幅提升。除此之外，纳米双晶铜具有高度热稳定性，优异的抗电迁移特性以及极佳的抗科肯德尔效应(Kirkendall effect)特性。自从陈智教授在2012年发现以直流电镀方式可以制备出纳米双晶铜后[3]，此技术已经广泛被研究及使用。
摩尔定律预测，每 18 个月芯片内部单位面积的晶体管数量将会翻倍成长，此预测在 2023 年已达到 3 纳米节点量产，接着需要开发 2 纳米／1 纳米节点的量产工艺，其生产成本及生产技术大幅提高，有专家因此预测摩尔定律往后将受到物理极限限制，或因成本考虑而难以延续，因此有所谓后摩尔时代(More Than Moore)的说法。后摩尔时代，最引人瞩目的方案为异质整合 (Heterogenous Integration) 与小芯片 (Chiplet) 技术。异质整合先进封装技术已然成为另一个实现功能整合与组件尺寸微缩的重要技术发展潮流[4]。因为异质整合推动了IC 2.5D& 3D封装的发展，成为必然的趋势，其中最著名的2.5Ｄ／3Ｄ封装技术就包括CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) / SoIC (System on Integrated Chips)…等等封装技术的发展。
2.5Ｄ／3Ｄ封装中多处需要用到高性能铜来连接，包括直通硅晶穿孔(TSV, Through-Silicon Via)，凸块或微凸块(bump, micro-bump)，晶圆线路重布(Wafer Redistribution Layer , RDL)，铜-铜接合(Wafer-on-Wafer, WoW))等。在这些工艺中使用纳米双晶铜，不但可以增加连接处的性能还可以增加2.5Ｄ／3Ｄ封装的可靠度。
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结晶方向的检测 |
材料大范围面积结晶方向的检测主要使用X光衍射分析(X-ray diffraction analysis, XRD)及电子背向散射绕射（Electron Back Scatter Diffraction, EBSD）以及TEM电子绕射。XRD侦测范围最大，EBSD次之，TEM电子绕射范围最小。TEM电子绕射将与下一章节一起说明。
EBSD好处是样品表面及截面的晶粒方向分布可以被确认分析。图2 样品表面EBSD结果，垂直样品表面为Z轴，可以由反极图(Inverse Pole Figure, IPF)知道，垂直样品表面优选方向几乎全部都是111方向。图3 样品横截面EBSD结果，可以由反极图(Inverse Pole Figure)知道，垂直样品表面优选方向几乎全部都是111方向。
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图2 样品表面EBSD，垂直样品表面为Z轴，可以由反极图(Inverse Pole Figure)知道，垂直样品表面优选方向几乎全部都是111方向
图3 样品横截面EBSD结果，可以由反极图(Inverse Pole Figure)知道，垂直样品表面优选方向几乎全部都是111方向。 |
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纳米双晶铜观察 |
本文使用之样品皆为台湾阳明交通大学陈智教授所提供之纳米双晶铜样品。纳米双晶铜的观察方法有很多，主要包括离子束影像(ion-beam imaging)及穿透式电子显微镜（Transmission electron microscope, TEM），扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscopy，STEM）等。
离子束影像(ion-beam imaging)是使用聚焦离子束显微镜（Focus Ion Beam, FIB）上的离子源照射在样品表面上而获得的影像，如图1所示。离子撞击在样品表面，因为样品结晶方向的差异而造成的通道效应(channel effect)不同，产生不同对比可以显示纳米双晶结构。图1中可以观察到纳米双晶包覆并推迭在柱状晶粒中。纳米双晶厚度方向大约与柱状晶方向相同。与EBSD结果比较可以知道，纳米双晶厚度方向大约与柱状晶长度方向相同是沿铜的111结晶方向。
TEM是使用200KV电子束穿透小于100nm的薄试片产生厚度质量对比或因不同结晶方向产生的绕射对比可以观察纳米双晶。如图4 TEM照片，图4左图为TEM明场像，图4右图为TEM暗场像。图中可以量测到纳米双晶最小厚度约6nm，最大厚度约125nm。STEM的方法与TEM类似，STEM是扫描方式照射试片，如图5所示。图5可以清楚观察到铜柱状晶粒内有高密度的铜双晶堆栈。
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图5 STEM照片，纳米双晶厚度方向大约与柱状晶长度方向相同 |
图4 TEM照片，左图为明场像，右图为暗场像
TEM除了观察结构外，利用电子绕射技术，也可以鉴定晶粒的结晶方向。与X-Ray 及EBSD相比，电子绕射范围比较小可以小到鉴定纳米单一结晶晶粒的结晶方向。图6为样品截面的纳米双晶电子绕射图，图中可以知道结果与EBSD相同，纳米双晶厚度方向大约与柱状晶长度方向相同是沿铜的111结晶方向。
除了纳米双晶的观察外，我们也可以观察截面的缺陷结构。图7为样品截面结构，图中可以观察到纵向位错。纵向位错大约沿111方向的位错，此位错并非直线，而是呈弯曲不规则状。
图6 纳米双晶电子绕射图。 |
图7 不同STEM条件观察纵向位错。 |
纳米双晶铜是自2012由陈智教授团队提出以来，已然成为2.5D / 3D 封装中CoWoS及SoIC等先进封装不可或缺的技术。大量的纳米双晶铜研究及技术发展，也推动纳米双晶铜应用越来越多，未来先进装技术所需的 WoW/RDL/u-bump等封装中所需铜连接技术，必然需要更多纳米双晶铜，因此针对纳米双晶铜的研究只会持续增多。闳康公司具备纳米双晶铜的检测能力，本文使用EBSD,FIB的离子影像及TEM/STEM各种方法观察纳米双晶铜的结构及鉴定结晶方向。结果显示纳米双晶铜厚度方向大约与柱状晶长度方向相同，都是沿铜的111结晶方向。除此之外，TEM技术还可以观察到纳米双晶铜内具有大约沿111方向的位错，此位错并非直线，而是呈弯曲不规则状。
Reference:
[1] 添鸿科技, https://www.chemleader.com.tw/autopage_detail/3/nt-cu
[2] HSIANG-YAO HSIAO, CHIEN-MIN LIU, HAN-WEN LIN, TAO-CHI LIU, CHIA-LING LU, YI-SA HUANG, CHIH CHEN , AND K. N. TU,SCIENCE, 25 May 2012, Vol 336, Issue 6084, pp. 1007-1010.
[3] Liu, Tao-Chi, et al. "Fabrication and characterization of (111)-oriented and nanotwinned Cu by DC electrodeposition." Crystal Growth & Design 12.10 (2012): 5012-5016.
[4] 异质整合先进封装设计趋势, 洪志斌博士‒日月光研发中心副总经理
