Enhanced thermal expansion with nanocrystalline Cu in SiO2 vias for hybrid bonding

热膨胀 纳米晶材料 材料科学 热的 复合材料 工程物理 冶金 纳米技术 工程类 热力学 物理
作者
Huai-En Lin,Dinh-Phuc Tran,Wei-Lan Chiu,Hsiang‐Hung Chang,Chih Chen
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:672: 160784-160784 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2024.160784
摘要

• Microstructural effect on Cu/SiO 2 thermal expansion is studied by in-situ heating AFM . • Thermal expansion of Cu/SiO 2 vias is doubled by reducing Cu grain size. • Plastic deformation in nanocrystalline Cu involves Coble creep mechanism. • Nanocrystalline Cu with (1 1 1)-oriented surface possesses large thermal expansion. The thermal expansion of copper pads within dielectric vias plays a crucial role during hybrid bonding. In this paper, we tailored the thermal expansion of Cu pads by modifying the grain size of Cu, and adopted in-situ heating atomic force microscopy (AFM) to measure their surface profiles at room temperature, 100, 150, and 200 °C. Results showed that by reducing the grain size from 2.5 μm to 0.15 μm, the expansion (8.4 nm) of nanocrystalline Cu pads at 200 ℃ increased to more than twice that of coarse-grained Cu counterparts (3.7 nm). This significant enhancement in Cu expansion is critical for enlarging the process window of hybrid bonding in 3D IC fabrication. Microstructural differences and significant plastic deformation in the nanocrystalline Cu pads further indicate the dominance of Coble creep, resulting in the discrepancy in total expansion. Additionally, the thermal expansion of nanocrystalline Cu pads with (1 1 1)-preferred orientation was investigated. Their higher-than-expected expansion offers the potential for high-quality hybrid bonding.
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