革命性材料－3D IC 封裝應用，奈米雙晶銅觀察

後摩爾時代來臨，「超越摩爾定律」成為半導體產業共同努力達成的目標，隨著製程技術逼近物理極限，加速推動了 2.5D／3D 封裝的發展，此篇探討的新技術「奈米雙晶銅」是由交通大學陳智教授在 2010 年底的一次實驗中意外電鍍製造出來，奈米雙晶銅的導線可讓晶片更耐用，也有望讓 3D 晶片的成本降低。（資料來源：閎康科技）

什麼是奈米雙晶銅（Nano-twin Cu）

奈米雙晶銅是指銅的微觀結構呈現（111）單一方向柱狀晶，柱狀晶粒內有高密度的銅雙晶堆疊，雙晶晶界間距在數奈米到數百奈米間。具（111）優選方向的奈米雙晶銅微結構是由交通大學材料科學與工程系陳智教授在 2012 年發表，運用特殊的添加劑在銅電鍍液中，以電化學電鍍的方式沉積銅膜，形成專利的銅微結構 [1][2] 。奈米雙晶銅結構的結構如圖1。圖中可以觀察到銅柱狀晶粒內有高密度的銅雙晶堆疊。

▲ 圖1 奈米雙晶銅結構（離子束影像 ion-beam imaging）

奈米雙晶銅有什麼特性與優勢

奈米雙晶銅最大特性就是在導電度相差不多的情況下，機械強度有大幅提升。除此之外，奈米雙晶銅具有高度熱穩定性，優異的抗電遷移特性以及極佳的抗科肯德爾效應（Kirkendall effect）特性。自從陳智教授在 2012 年發現以直流電鍍方式可以製備出奈米雙晶銅後 [3]，此技術已經廣泛被研究及使用。

摩爾定律預測，每 18 個月晶片內部單位面積的電晶體數量將會翻倍成長，此預測在 2023 年已達到 3 奈米節點量產，接著需要開發 2 奈米／1 奈米節點的量產製程，其生產成本及生產技術大幅提高，有專家因此預測摩爾定律往後將受到物理極限限制，或因成本考量而難以延續，因此有所謂後摩爾時代（More Than Moore）的說法。後摩爾時代，最引人矚目的方案為異質整合（Heterogenous Integration）與小晶片（Chiplet）技術。異質整合先進封裝技術已然成為另一個實現功能整合與元件尺寸微縮的重要技術發展潮流 [4]。因為異質整合推動了 IC 2.5D & 3D 封裝的發展，成為必然的趨勢，其中最著名的 2.5D／3D 封裝技術就包括 CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）/ SoIC（System on Integrated Chips）等封裝技術的發展。

2.5D／3D 封裝中多處需要用到高性能銅來連接，包括直通矽晶穿孔（TSV, Through-Silicon Via），凸塊或微凸塊（bump, micro-bump），晶圓線路重佈（Wafer Redistribution Layer , RDL），銅-銅接合（Wafer-on-Wafer, WoW）等。在這些製程中使用奈米雙晶銅，不但可以增加連接處的性能還可以增加 2.5D／3D 封裝的可靠度。

結晶方向的檢測

材料大範圍面積結晶方向的檢測主要使用 X 光繞射分析（X-ray diffraction analysis, XRD）及電子背向散射繞射（Electron Back Scatter Diffraction, EBSD）以及 TEM 電子繞射。XRD 偵測範圍最大，EBSD 次之，TEM 電子繞射範圍最小。TEM 電子繞射將與下一章節一起說明。

EBSD 好處是樣品表面及截面的晶粒方向分佈可以被確認分析。圖2 樣品表面 EBSD 結果，垂直樣品表面為 Z 軸，可以由反極圖（Inverse Pole Figure, IPF）知道，垂直樣品表面優選方向幾乎全部都是111方向。圖3 樣品橫截面 EBSD 結果，可以由反極圖（Inverse Pole Figure）知道，垂直樣品表面優選方向幾乎全部都是 111 方向。

▲ 圖2 樣品表面 EBSD，垂直樣品表面為 Z 軸，可以由反極圖（Inverse Pole Figure）知道，垂直樣品表面優選方向幾乎全部都是 111 方向

▲ 圖3 樣品橫截面 EBSD 結果，可以由反極圖（Inverse Pole Figure）知道，垂直樣品表面優選方向幾乎全部都是 111 方向。

奈米雙晶銅觀察

本文使用之樣品皆為陽明交通大學陳智教授所提供之奈米雙晶銅樣品。

奈米雙晶銅的觀察方法有很多，主要包括離子束影像（ion-beam imaging）及穿透式電子顯微鏡（Transmission electron microscope, TEM），掃描透射電子顯微鏡（Scanning Transmission Electron Microscopy，STEM）等。

離子束影像（ion-beam imaging）是使用聚焦離子束顯微鏡（Focus Ion Beam, FIB）上的離子源照射在樣品表面上而獲得的影像，如圖1 所示。離子撞擊在樣品表面，因為樣品結晶方向的差異而造成的通道效應（channel effect）不同，產生不同對比可以顯示奈米雙晶結構。圖1 中可以觀察到奈米雙晶包覆並堆疊在柱狀晶粒中。奈米雙晶厚度方向大約與柱狀晶方向相同。與 EBSD 結果比較可以知道，奈米雙晶厚度方向大約與柱狀晶長度方向相同是沿銅的 111 結晶方向。

TEM 是使用 200KV 電子束穿透小於 100nm 的薄試片產生厚度質量對比或因不同結晶方向產生的繞射對比可以觀察奈米雙晶。如圖4 TEM 照片，圖4 左圖為 TEM 明場像，圖4 右圖為 TEM 暗場像。圖中可以量測到奈米雙晶最小厚度約 6nm，最大厚度約 125nm。STEM 的方法與 TEM 類似，STEM 是掃描方式照射試片，如圖5 所示。圖5 可以清楚觀察到銅柱狀晶粒內有高密度的銅雙晶堆疊。

▲ 圖4 TEM 照片，左圖為明場像，右圖為暗場像

▲ 圖5 STEM 照片，奈米雙晶厚度方向大約與柱狀晶長度方向相同

TEM 除了觀察結構外，利用電子繞射技術，也可以鑑定晶粒的結晶方向。與 X-Ray 及 EBSD 相比，電子繞射範圍比較小可以小到鑑定奈米單一結晶晶粒的結晶方向。圖6 為樣品截面的奈米雙晶電子繞射圖，圖中可以知道結果與 EBSD 相同，奈米雙晶厚度方向大約與柱狀晶長度方向相同是沿銅的 111 結晶方向。

除了奈米雙晶的觀察外，我們也可以觀察截面的缺陷結構。圖7 為樣品截面結構，圖中可以觀察到縱向差排。縱向差排大約沿 111 方向的差排，此差排並非直線，而是呈彎曲不規則狀。

▲ 圖6 奈米雙晶電子繞射圖。

▲ 圖7 不同 STEM 條件觀察縱向差排。

奈米雙晶銅是自 2012 由陳智教授團隊提出以來，已然成為 2.5D／3D 封裝中 CoWoS 及 SoIC 等先進封裝不可或缺的技術。大量的奈米雙晶銅研究及技術發展，也推動奈米雙晶銅應用越來越多，未來先進裝技術所需的 WoW/RDL/u-bump 等封裝中所需銅連接技術，必然需要更多奈米雙晶銅，因此針對奈米雙晶銅的研究只會持續增多。閎康公司具備奈米雙晶銅的檢測能力，本文使用 EBSD、FIB 的離子影像及 TEM／STEM 各種方法觀察奈米雙晶銅的結構及鑑定結晶方向。結果顯示奈米雙晶銅厚度方向大約與柱狀晶長度方向相同，都是沿銅的 111 結晶方向。除此之外，TEM 技術還可以觀察到奈米雙晶銅內具有大約沿 111 方向的差排，此差排並非直線，而是呈彎曲不規則狀。