In the DBC (direct bonding of copper) process the oxygen partial pressure surrounding the AlN/Cu bonding pairs has been controlled by Ar gas mixed with oxygen. However, the direct bonding of Cu with sound interface and good adhesion strength is complicated process due to the difficulty in the exact control of oxygen partial pressure by using Ar gas. In this study, we have utilized the in-situ equilibrium established during the reaction of + 1/2 by placing powder bed of CuO or around the Cu/AlN bonding pair at . The adhesion strength was relatively better in case of using CuO powder than when powder was used. Microstructural analysis by optical microscopy and XRD revealed that the interface of bonding pair was composed of , Cu and small amount of CuO phase. Thus, it is explained that the good adhesion between Cu and AlN is attributed to the wetting of eutectic liquid formed by reaction of Cu and .

3-D IC integration enables the smallest form factor and highest performance due to the shortest and most plentiful interconnects between chips. Direct metal bonding has several advantages over the solder-based bonding, including lower electrical resistivity, better electromigration resistance and more reduced interconnect RC delay, while high process temperature is one of the major bottlenecks of metal direct bonding because it can negatively influence device reliability and manufacturing yield. We performed quantitative analyses of the interfacial properties of Al-Al bonds with varying process parameters, bonding temperature, bonding time, and bonding environment. A 4-point bending method was used to measure the interfacial adhesion energy. The quantitative interfacial adhesion energy measured by a 4-point bending test shows 1.33, 2.25, and 6.44 J/m2 for 400, 450, and 500˚C, respectively, in a N2 atmosphere. Increasing the bonding time from 1 to 4 hrs enhanced the interfacial fracture toughness while the effects of forming gas were negligible, which were correlated to the bonding interface analysis results. XPS depth analysis results on the delaminated interfaces showed that the relative area fraction of aluminum oxide to the pure aluminum phase near the bonding surfaces match well the variations of interfacial adhesion energies with bonding process conditions.

실리사이드반웅을 이용하여 니켈모노실리사이드의 양측계면에 단결정실리콘을 적층시켜 전도성이 우수하며 식각특성이 달라 MEMS용 기판으로 채용이 가능한 SOS (Silicon-on-Silicide) 기판을 제작하였다. 실리콘 기판 전면에 Ni를 열증착법으로 1000Å두께로 성막하고, 실리콘 기판 경면과 맞블여 후 300~900˚C온도범위에서 15시간동안 실리사이드 처리하여 니켈모노실리사이드가 접합매체로 되는 기판쌍들을 완성하였다. 완성된 기판쌍들은 IR (infrared) 카메라를 이용하여 비파괴적으로 접합상태를 확인하고. 주사전자현미경 (scaning electron microscope)과 투과전자현미경 (tranmission electron microscope)을 이용하여 수직단면 미세구조를 확인하였다. Ni 실리사이드의 상변화가 일어나는 온도를 제외하고는 Si NiSi ∥Si 기판쌍은 기판전면에 52%이상 완전접합이 진행되었음을 확인하였고 생성 실리사이드의 두께에 따라 나타나는 명암부에 비추어 기판쌍 중앙부에 두꺼운 니켈노실리아드가 형성되었다고 판단되었다. 완성된 Si NiSi ∥ Si 기판쌍을 SBM 수직단면에 의괘 확인한 결과 접합이 완성된 기판중심부의 접합계면은 1000Å 두께의 NiSi가 균일하게 형성되었으며 배율 30,000배의 해상도에서 계면간 분리부분없이 완전한 접합이 진행되었음을 확인하였다. 반면 기판쌍 에지 (edge)부분에는 실리사이드가 헝성되지 않은 비접합상태가 발견되었다. 수직단면루과전자현미경 결과물에 근거하여 접합된 중심부에서는 피접합되는 실리콘의 경면과 니켈이 성막된 실리콘 경면 상부계면에 10-20Å의 비정질막이 발견되었으며, 산화막으로 추정되는 이 막이 접합률을 현저히 저하시키는 것을 확인하였다. 접합이 진행되지 않은 에지부는 이러한 산화막이 열처리 진행중 급격히 성장하여 피접합 실리콘층의 분리가 발생하였다. 따라서 Si NiSi ∥Si 기판쌍의 접합률을 향상시키기 위해서는 피접합 실리콘 계면과 Ni 상부층간의 비정질부를 적극적으로 제거하여야 함을 알 수 있었다.

절연 특성이 기존의 SiO2 보다 우수한 500 두께의 SiN4층을 두 단결정 실리콘사이의 절연막질로 채택하고 직접접합시켜 직경 10cm의 Si(100) /500 -Si3N4/Si (100) 기판쌍을 제조하였다. p-type (100) 실리콘기판을 친수성, 소수성을 갖도록 습식방법으로 세척한 두 그룹의 시편들을 준비하였다. 기판전면에 LPCVD로 500 Å 두께의 Si3N4∥Si(100) 기판을 성장시키고 실리론 기판과 고청정상태에서 가접시킨 후, 선형열원의 이동속도를 0.1mm/s로 고정시키고 선형 입열량을 400~1125w 범위에서 변화시키면서 직접접합을 실시하였다. 접합된 기판은 적외선 카메라로 계면 접합면적을 확인하고 razor blade creek opening 측정법으로 세정 방법에 따른 각 기판쌍 그들의 접합강도를 확인하였다. 접합강도가 측정된 기판쌍은 high resolution transmission electron microscopy (HRTEM )을 사용하여 수직단면 미세구조를 조사하였다. 입열량의 증가에 따라 두 그를 모두 접합율은 큰 유의차 없이 765% 정도로, 소수성 처리가 된 기판쌍의 접합강도는 1577mJ/m2가지 선형적으로 증가하였으나, 친수성 처리가 된 기판쌍은 주어진 실험 범위에서 입열량의 증가에 따라 큰 변화 없이 2000mj/m2이상의 접합 강도를 보였다 친수성 처리가 된 기판쌍의 수직단면 미세구조를 고분해능 투과전자현미경으로 각인한 결과 모든 시편의 실리콘과 Si3N4사이에 25 Å 정도의 SiO2 자연산화막이 존재하여 중간충 역할을 함으로서 기판접합강도를 향상시키는 것으로 판단되었다.

실리콘 웨이퍼 직접 접합을 성공하기 위해서는 양호한 접합면을 구성하여야 하며, 이를 위해 접합면에서 발생하는 주요 결함 중 하나인 기포형 접합 결함을 억제하여야 한다. 본 연구에서는 접합면에서 발생하는 기포형 결함의 상온 접합 및 열처리 과정에서의 거동을 관찰하여 내부의 압력이 증가함을 직접 관찰할 수 있었다. 또한, 대기압 하의 열처리에서 결함이 발생하지 않는 SiO2-SiO2 접합 웨이퍼가 진공에서의 열처리에서 결함이 발생하는 현상을 통해 기포형 결함의 내부 압력과 성장과의 관계를 실험을 통하여 증명할 수 있었다.

n-InP(001)기판과 PECVD법으로 Si3N4(200nm)막이 성장된 InP 기판사이의 direct wafer bonding을 분석하였다. 두 기판을 접촉시켰을 때 이들 사이의 결합력에 크게 영향을 주는 표면 상태를 접촉각 측정과 AFM을 통해서 분석하였다. InP 기판은 50% 불산용액으로 에칭하였을 때 접촉각이 5˚, RMS roughness는 1.54Å이었다. Si3N4는 암모니아수 용액으로 에칭하였을 때 RMS roughness가 3.11Å이었다. Inp 기판과 Si3N4/InP를 각각 50% 불산 용액과 암모니아수 용액에 에칭한 후 접촉시켰을 때 상당한 크기의 초기 겹합력을 관찰할 수 있었다. 기계적으로 결합된 시편을 580˚C-680˚C, 1시간동안 수소 분위기와 질소분우기에서 열처리하였다. SAT(Scanning Acoustic Tomography)측정으로 두 기판 사이의 결합여부를 확인하였다. shear force로 측정한 InP 기판과 Si3N4/InP사이의 결합력은 Si3N4/InP 계면의 결합력만큼 증가되었다. TEM과 AES를 이용해서 di-rect water bonding 계면과 PECVD계면을 분석하였다.

본 연구에서는 Cu-Cu2O의 공정반응에 의한 구리와 알루미나의 직접접합에 대하여 연구 하였다. 1.5×10-1torr, 1015˚C에서 산화시킨 후 10-3torr, 1075˚C에서 접합시킨 시편의 접합력과 계면특성을 인장시험, SEM, EDS 및 XRD를 통하여 분석하였다. 3분 산화시켜 접합하면 우수한 접합강도를 보이며 산화시간이 이보다 짧거나 길면 결합력은 저하하였다. 과단은 알루미나 공정조직 계면에서 발생하였으며 파단후 Al2O3표면에는 Cu쪽에서 빠져나간 Cu2O nodule의 존재하였는 바 접합력은 Cu2O-Al2O3계면보다는 Cu-Cu2O계면에 좌우됨을 보여주고 있다. 접합력은 접합시간에 따라 완만한 증가를 보였으며 CuAl2O4및 CuAlO2의 반응생성물이 접합중 형성되었다.