奈米雙晶銅觀察

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臺灣陽明交通大學材料科學與工程系陳智教授在2012年發表，運用特殊的新增劑在銅電鍍液中，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，有什麼用？

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 奈米節點的量產工藝，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，或因成本考慮而難以延續，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)…等等封裝技術的發展。

2.5Ｄ／3Ｄ封裝中多處需要用到高效能銅來連線，包括直通矽晶穿孔(TSV, Through-Silicon Via)，凸塊或微凸塊(bump, micro-bump)，晶圓線路重布(Wafer Redistribution Layer , RDL)，銅-銅接合(Wafer-on-Wafer, WoW))等。在這些工藝中使用奈米雙晶銅，不但可以增加連線處的效能還可以增加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光衍射分析(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臺灣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推迭在柱狀晶粒中。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位錯。縱向位錯大約沿111方向的位錯，此位錯並非直線，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條件觀察縱向位錯。

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等封裝中所需銅連線技術，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方向的位錯，此位錯並非直線，而是呈彎曲不規則狀。

Reference: 

[1] 添鴻科技, 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] 異質整合先進封裝設計趨勢, 洪志斌博士‒日月光研發中心副總經理