주석-아연 무연 솔더 층을 이용한 실리콘 웨이퍼 접합에 관한 연구

Abstract

최근 미세 전자 부품의 소형화, 경량화, 고기능화가 추구되고 있다. 이에 대한 요구를 만족하기 위해 웨이퍼 레벨 전자 패키징에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 웨이퍼 레벨 패키징에 대한 연구는 경제성과 소형화를 고려할 때 큰 잠재력을 가지고 있으며 그 중에서 웨이퍼와 기판의 접합에 관한 연구는 중요한 위치를 차지하고 있다고 할 수 있다. 웨이퍼 간 접합은 MEMS, microelectronics, optoelectronics 등 다양한 분야에 적용 가능하며 고진공 패키징, 밀봉 처리, 캡슐화 등에 사용된다. 실리콘 웨이퍼 간 접합하기 위한 방법으로 direct 접합, anodic 접합, eutectic 접합, thermo-compression 접합, 솔더 접합, adhesive 접합 등 다양한 방법이 연구 발전되고 있다. 이 중 솔더 중간층을 이용한 접합 방법은 여러 장점을 가지고 있다. 특히 패키징 후 공정에서 매우 중요한 요소로 작용하고, 접합 강도에 영향을 줄 수 있는 접합 온도를 낮출 수 있는 장점을 지닌다. 또한 솔더 반응으로 인해 생기는 금속간화합물은 매우 강한 접합을 형성할 수 있으며, 400℃ 이상에서의 고온에서도 안정한 접합을 유지할 수 있다는 장점을 지닌다. 본 연구에서는 플럭스를 사용하지 않고 void가 없는 실리콘 웨이퍼 간 접합을 형성하기 위하여 Sn-Zn 솔더 층을 사용하였다. 기존의 납을 함유한 솔더의 사용은 환경적인 문제로 제한되고 있다. 이를 대체할 솔더로서 Sn을 주성분으로 하는 Sn-3.5Ag, Sn-3.5Ag-0.5Cu 솔더 등이 제안되고 있으며, 최근 Sn-Ag계 솔더에 비해 녹는점이 낮고 경제적 장점을 지닌 Sn-Zn 솔더도 많은 연구가 진행 중이다. 하지만 Sn-Zn 솔더의 경우 활성화 특성이 강해서 다루기 힘든 점이 있으며, 불량한 젖음 특성, Void, 산화 등의 여러 문제점이 있다. 본 실험에서 전기 도금으로 형성한 Sn-Zn 솔더 층의 경우 접합 과정 시 Zn의 산화 문제로 인해서 접합이 잘 이루어지지 않았고, Zn의 산화를 막기 위해서 evaporation, sputter 방법을 사용하여 Au capping 층을 증착시켜 보았지만 접합 시와 고온 열처리시 안정하지 못하였다. 이 점을 고려하여 Sn-Zn 솔더 층을 Thermal evaporation으로 형성하여 다양한 온도에서 접합하여 보았다. 250℃에서 접합 하였을 때, 접합 계면에서 Sn이 남아 있었고, Ni 과 Sn의 계면에서 Ni3Sn2, γ-NiZn3, γ-Ni5Zn21 등의 다양한 금속간화합물이 형성되었다. 반면 0.5㎫, 350℃에서 접합을 하였을 때, Sn은 거의 남아있지 않았으며 접합 계면에서 γ-NiZn3, γ-Ni5Zn21 등의 금속간화합물이 형성되었으며, Ni-Zn 금속간 화합물과 Ni 사이에서 Ni3Sn2 등의 금속간화합물이 형성되었다. 금속간 화합물로 접합된 시편의 고온에서의 안정성을 알아보기 위하여 400℃ 이상에서 열처리를 하였을 때 Ti의 두께가 얇을 경우에 Ni과 Si 계면에서 Nickel silicide가 형성되었고, 이로 인해 접합 계면에서 void가 발생하거나 접합이 떨어지는 등 불안정한 상태를 보였다. 이에 반해 Ti 두께를 100nm 정도 두껍게 증착하였을 경우에는 접합 계면이 안정하게 유지되었고 void도 확연하게 감소하였다. 접합 강도를 측정하기 위해서 100㎛/sec 속도로 die shear 테스트를 실시하였고, 시편의 접합 면적이 기존의 솔더 보다 크기 때문에 die shear tester를 기준에 맞추어 제작하여 신뢰성을 테스트 하였다. 그 결과 350℃ 5분간 접합하고 500℃에서 30분간 열처리한 시편의 경우, 30㎫ 정도의 접합 강도 가지며, 안정한 접합 계면이 형성되었음을 확인할 수 있었다.