深冷電化學銅矽鍵合之研究

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姓名

李仲恩(Jhong-En Li) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

深冷電化學銅矽鍵合之研究
(Bonding of copper and silicon at -70°C by electrochemistry)

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摘要(中)

本研究發現以低溫電化學方式，能夠進行銅與矽晶圓直接鍵合。透過
低溫環境，降低溫度對擴散的影響，探討電場驅動擴散反應。
晶圓鍵合技術一般需要極度光滑之試片表面與非常高溫的熱處理，本
實驗發現以電化學法能夠產生直接鍵合，不須經過拋光與退火等程序，且
其鍵合強度極高。研究中發現更勝於銅抗拉強度之鍵合，使二試片分離時
部分銅片破裂並殘留於矽晶表面。
除了表面鍵合外，本論文也將探討電場引導的擴散現象。一般而
言，-70℃之環境下，上不可能出現明顯及快速的擴散現象，但實驗中僅以
30分鐘的實驗時間，產生了深達數微米的銅離子擴散現象。

摘要(英)

Wafer bonding technology generally require high-temperature heat
treatment or extremely smooth surface condition. However, in our recent
research, a strong bonding phenomenon between copper and silicon wafer
was discovered in a liquid-nitrogen submerged device, with aid from
external electric field. Minimum surface roughness and high-temperature
heat treatment are not required in such bonding technique.
Furthermore, if the copper-silicon interface was separated by force, a
thin layer of copper on silicon wafer can be visible to the naked eyes.
Indicate the bonding strength is stronger than the tensile stress of copper,
therefore leaving a thin layer after been split apart.
In addition, this thesis will also discuss the abnormally rapid diffusion
of positively charged copper ions in silicon crystal at -70℃. Generally,
diffusion is extremely temperature sensitive. Yet in our bonding
experiment, rapid diffusion of copper ions can be observed by SIMS. We
suggest that external electric field can provide the kinetic energy, which is
normally provided by temperature, to ions in order to surpass activation
energy.

關鍵字(中)

★ 深冷處理
★ 電化學
★ 晶圓鍵合
★ 銅矽鍵合
★ 銅離子擴散

關鍵字(英)

★ cryogenic treatment
★ electrochemistry
★ Wafer bonding process
★ Copper-silicon bonding
★ Cu ion diffusion

論文目次

目錄
摘要 ..... I
Abstract ..... II
誌謝 .. III
目錄 .. IV
圖目錄 ....... VI
表目錄 ..... VII
第一章緒論 ......... 1
1-1 前言 . 1
1-2 研究目的 .. 1
第二章原理與文獻回顧 ... 2
2-1 擴散機制 ........ 2
2-2 Fick’s Law ...... 3
2-3 電場引導表面擴散 ........ 4
2-4 銅離子在矽晶圓的擴散 ......... 4
2-5 銅離子活化能與摻雜濃度關係 .... 5
第三章實驗步驟與方法 .... 7
3-1 實驗流程 .. 7
3-2 實驗步驟 .. 8
3-2-1 試片裁切與清洗 ..... 8
3-2-2 試片與載具組裝 ..... 8
3-2-3 施加電流 8
3-2-4 試片後處理 ..... 8
3-3 實驗耗材 .. 9
3-4 實驗載具 ......... 10
3-5 實驗分析 ......... 11
3-5-1 穿透式電子顯微鏡 ....... 11
3-5-2 掃描式電子顯微鏡 ....... 12
3-5-3 二次離子質譜分析儀 .. 13
第四章實驗結果與討論 . 15
4-1 鍵合面之微結構觀測 . 15
4-2 銅離子濃度分析 23
4-3 試片表面粗糙度 27
4-4 銅與矽之鍵結 ..... 30
4-5 銅離子在低溫中受電場影響之擴散現象 .. 31
第五章結論 ...... 37
參考文獻 .. 38

參考文獻

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micro/nano-scale island growth. International Journal of Solids and Structures,
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指導教授

李天錫(Benjamin Tien-Hsi Lee)

審核日期

2021-6-17

推文