Wafer bonding has become up and coming technology as an efficient approach to material and device integration. It has many advantages to MEMS, optoelectronics, and other packaging applications when it comes to flexibility and great mechanical reliability. In such applications, low temperature ($\le$ 450℃) bonding is essential to avoid thermal stress, defect generation. For these reasons, bonding with solder layer has come into the spotlight in terms of low melting point and robust bond strength. Recently, a number of wafer bonding techniques with low melting point solder layer such as Au-Sn, Cu-Sn, Au-In and Ag-Sn bonding were reported. In these sense, research for wafer bonding using Co-Sn solder layer is also valuable because of its low temperature process. However, bonding with Co and Sn layers has not been studied even the basic research about Co-Sn IMCs and those mechanical property.
In this work, interfacial reaction (at 250℃, 350℃) between Co and Sn layer was investigated. Formed intermetallic compound (IMC) between Co and Sn layer was defined by X-Ray Diffractometer (XRD), and its kinetics was calculated by grain growth law. Mechanical property, elastic modulus and hardness, of the Co-Sn IMC formed at different temperature was measured by nanoindentation. In addition, the effect of temperature (250℃, 300℃, 350℃) for different reflow time (3min, 6min, 9min) on the quality of bonding was investigated. Furthermore, research whether bonding load has an effect on bonding quality was also carried out. Mechanical reliability was inspected by die shear test, and specimens` fractured surface was observed by SEM (Scanning Electron Microscopy). Bonded specimens are isothermally aged at low and high temperature for 100, 200, 300 and 500 hour, and then newly formed phase was analyzed by the diffraction pattern of TEM (Transmission Electron Microscopy).
In the case of interfacial reaction, Co-Sn bonding layer was changed into Sn-rich IMCs, $CoSn_3$, when specimens were heated up to Sn melting temperature. As-reflowed microstructure was uniform structure at 250℃ and needle-like structure at 350℃. In addition, the thickness of $CoSn_3$ has a linear relationship with square root of time, and its activation energy is 14.3KJ/mol. In the bonding process, bonding temperature has an great effect on bonding quality, but bonding load affects bonding quality to some extents. During the low temperature isothermal aging, Sn was consumed and Co was diffused into the IMC, but phase was not changed. On the other hand, during the high temperature isothermal aging, the new phase was formed between Co and $CoSn_3$, and crystal structure was transformed from orthorhombic to tetragonal. From the die shear test results, the fact that fracture surface is related to the bond strength was clarified.
웨이퍼 접합은 재료와 부품의 연결에 있어서 효율적인 기술로서 촉망받고 있다. 그 이유는 기술의 유연성이 좋고 기계적 신뢰성이 뛰어나기 때문인데 이러한 측면에서 웨이퍼 접합 기술은 MEMS, 광전자공학 그리고 다른 패키징 응용에 있어 많은 이점을 갖고 있다. 예를 들어, 이종의 웨이퍼를 웨이퍼 접합 기술을 통하여 하나의 완전히 접합된 웨이퍼로 제조하여 여러 특성을 갖는 하나의 장치를 만들 수 있을 뿐만 아니라, 접합된 웨이퍼 사이에 cavity를 생성하여 광학센서를 보호하는 패키징을 할 수도 있다. 그러나 앞서 언급한 분야에 응용되기 위해서는 열응력과 결함을 최소화하기 위해 저온 ($\le$450℃) 접합이 필요하다. 이런 점에 있어서 다른 웨이퍼 접합 기술보다 솔더층을 이용한 웨이퍼 접합은 저온접합이 가능하고 뛰어난 접합강도를 보여주므로 매우 각광받고 있다. 그러나 웨이퍼 접합 기술은 통상적으로 공정이 복잡하고 완전한 접합을 이루기 힘들다는 단점이 있었다. 최근의 솔더층을 이용한 웨이퍼 접합에 관한 연구는 다른 웨이퍼 접합 기술보다 비교적 쉽고 편리하여 많은 연구가 이루어지고 있으며 특히 Au-Sn, Cu-Sn, Au-In과 Ag-Sn등 다양한 조합을 이용한 저온 접합이 주를 이루고 있다.[1-7] 앞으로도 Sn이나 In등 낮은 녹는점을 갖는 금속과의 조합을 통한 저온 접합은 지속적으로 연구될 것으로 예상되며 이 같은 관점에서 Co와 Sn의 조합을 이용한 저온 접합 또한 좋은 연구 대상이다. 그러나 Co와 Sn을 이용한 웨이퍼 접합에 관한 연구는 아직 존재하지 않을 뿐만 아니라 박막형태의 Co와 Sn층의 반응 및 기계적 성질에 관한 기본적인 연구도 전혀 이루어지지 않은 상태이다.[8-9]
이에 본 연구에서는 Co와 Sn층 사이의 250℃와 350℃에서의 계면반응을 관찰하고 생성된 금속간화합물을 X선 회절분석기 (XRD)로 분석하여 성장 기구에 대해 연구하였다. 다른 두 온도에서 형성된 금속간화합물의 탄성계수, 경도와 같은 기계적 성질은 나노인덴터를 이용하여 측정되었다. 또한 Co와 Sn층을 이용한 웨이퍼 접합 시 접합시간과 접합온도, 접합하중이 변할 때 이것이 웨이퍼 접합에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 접합된 웨이퍼의 기계적 신뢰성을 측정하기 위해 die shear test를 하였고, 실험 후 파단이 일어난 표면을 주사전자현미경 (SEM)을 이용하여 관찰하였다. 접합된 웨이퍼는 열처리 시 변화를 알아보기 위하여 고온과 저온에서 각각 열처리하여 단면을 관찰하여 상변태 여부를 살펴보았고, 새로운 상은 투과전자현미경 (TEM)의 회절패턴을 이용하여 분석하였다.
계면반응 시 Co-Sn 접합층은 Sn의 녹는점까지 온도를 높였을 때 Sn-rich 금속간화합물층인 $CoSn_3$ 로 상변태가 일어났고 250℃에서 반응하여 생성된 금속간화합물은 균일한 초기성장을 보인 반면 350℃에서 생성된 금속간화합물은 침상형태의 성장을 보였다. grain growth law를 이용하여 계산한 결과 $CoSn_3$ 는 시간의 제곱근에 비례하여 성장한다는 것을 알 수 있었고 활성화 에너지는 14.3KJ/mol이었다. 실질적인 웨이퍼 접합과정에서 접합온도는 접합 성질에 큰 영향을 미친 반면 접합하중은 약간의 영향만을 준다는 것을 알 수 있었다. 저온의 열처리 동안 Co는 $CoSn_3$ 로 확산하고 Sn의 양은 점차 줄어들었지만 상변태는 일어나지 않았다. 반면 고온의 열처리 동안 $CoSn_3$ 와 Co층 사이에 새로운 상인 $CoSn_2$ 층이 생성되었고 Tetragonal의 결정구조를 나타내었다. 마지막으로 die shear test결과를 통하여 파단경로는 전단강도와 관련이 있다는 것을 알 수 있었다.
