2단계 Ar/N2 플라즈마 처리 및 후속 열처리에 따른 Cu-Cu 직접 접합부의 계면 접합 특성 분석 = Effects of Two-Step Ar/N2 Plasma Treatment and Post-Annealing Condition on the Interfacial Characteristics of Cu-Cu Direct Bonding

국문 초록 (Abstract)

저온 하이브리드 본딩을 위해 2단계 Ar/N2 플라즈마 처리 전후의 Cu 표면을 분석한 후, 300°C에서 접합 및 150–400°C의 고진공 분위기에서 100 시간 후속 열처리한 Cu-Cu 직접 접합부의 정량적 계면접착에너지를 4점 굽힘 시험 방법으로 평가하였다. X-선 광전자 분광법을 이용하여 Cu 표면의 화학결합을 분석한 결과, 2단계 Ar/N2 플라즈마 처리를 통해 Cu 표면 산화를 억제하는 Cu4N이 형성된 것을 확인하였다. 이후 계면접착에너지 평가 결과, 플라즈마 처리 전 시편은 접착력이 낮아 평가가 불가능하였다. 플라즈마 처리 후, 후속 열처리 전 계면접착에너지는 3.00 J/m2이었으며 300°C 열처리 후에는 6.20 J/m2까지 증가하였다. 300°C 보다 낮은 온도에서 열처리를 진행할 경우에는 접합이 완전히 이루어지지 않아Cu 접합 계면이 관찰되었으며, 이로 인해 계면접착에너지가 낮게 도출된 것으로 판단된다. 반면, 300°C 이상의 온도에서 열처리를 진행한 경우에는 Cu 확산으로 인해 zig-zag bonding 계면을 형성하였기 때문에 계면접착에너지가 증가한 것으로 판단된다. 따라서, Cu-Cu 직접 접합부의 계면신뢰성 향상을 위해서는 접합 후 Cu 원자가 서로 확산하여 완전히 접합할 수 있도록 최적의 후속 열처리를 진행하는 것이 중요하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The effect of two-step Ar/N2 plasma treatment for low-temperature hybrid bonding was investigated by characterizing the Cu surfaces before and after plasma treatment, carrying out Cu-Cu direct bonding at 300°C, and quantitatively evaluating the interfacial adhesion energy of the bonded joints after 100 h of post-annealing in high vacuum at 150–400°C using the 4-point bending test. X-ray photoelectron spectroscopy analysis confirmed that two-step Ar/N2 plasma treatment inhibited Cu oxidation by forming a Cu4N passivation layer on the Cu surface. Subsequent interfacial adhesion energy evaluation revealed that, without plasma treatment, the adhesion was too low to be quantified. However, the initial interfacial adhesion energy was 3.00 J/m2 and increased to 6.20 J/m2 after post-annealing at 300°C. When post-annealing was performed below 300°C, bonding was incomplete and the original Cu interface remained clearly visible, resulting in low interfacial adhesion energy. In contrast, the interfacial adhesion energy increased after post-annealing at 300°C or higher due to the formation of a zig-zag bonding interface caused by Cu diffusion. Therefore, optimum post-annealing is essential for improving the interfacial reliability of Cu-Cu direct bonding.