[转载]刘志权Cu-Sn化合物在单晶及多晶Cu基体上的不同生长机制 [复制链接]

Cu-Sn化合物在单晶及多晶Cu基体上的不同生长机制
　　Cu-Sn微电子互连体系的界面反应可以生成Cu₃Sn和Cu₆Sn₅两种化合物，其中Cu6Sn5是Sn基焊料和Cu基板液态反应的产物，而Cu₃Sn则是由Cu₆Sn₅与Cu固态反应生成。由于Cu₆Sn₅生长迅速且尺寸粗大易于观察，以往的研究工作较多；而Cu₃Sn生长缓慢初期尺寸在纳米尺度，难于用常规的实验手段（如扫描电镜）定量分析。因此，过去对Cu-Sn化合物生长的研究通常忽略Cu3Sn将其归入Cu₆Sn₅中一并报道，或则笼统地研究总化合物层厚度而疏于区别二者。实际上，在微电子互连结构中Cu3Sn直接与Cu基板相连，且Cu₃Sn/Cu界面是非常薄弱的环节，极易产生元素偏析和界面孔洞。因此，基于界面可靠性的考虑有必要单独研究Cu₃Sn的生长机制。另一方面，微电子小型化和多功能化的趋势使得互连结构和材料的尺寸越来越小，界面反应限于一个或几个晶粒内，以往的数据多建立在多晶基体上，需要开展单晶（单个晶粒）基体上化合物生长的研究。
　　利用透射电镜分别研究了Cu₃Sn和Cu₆Sn₅化合物，结合动力学分析发现二者在单晶Cu和多晶Cu基体上具有不同的生长机制。1）生长形貌方面：在单晶Cu基体上回流焊过程中生成的Cu₃Sn为粗大的柱状晶，垂直于Cu表面生长；加热时效时柱状晶长大至一定程度后，在柱状晶界与Cu界面的交会处会形核生成新的三角形Cu3Sn晶粒，其进一步长大聚集形成新的等轴晶层。在多晶Cu基体上，由于晶界及缺陷的存在，柱状晶长大并不明显，Cu₃Sn主要以细小的等轴晶存在，且在加热时效过程中的长大速度快于单晶基体上的，显示出明显的扩散反应机制。2）生长动力学方面，虽然包含两相的总化合物层的生长动力学相似，但在多晶Cu基体上Cu₃Sn的生长速度要快于单晶基体上的，而Cu₆Sn₅的生长速度要慢于单晶基体上的。分析认为，多晶Cu基体上Cu₃Sn的快速生长得益于其较小的晶粒度及较多的晶界，促进了反应元素的快速扩散，从而在Cu/Cu₃Sn和Cu₃Sn/Cu₆Sn₅界面上同时形核长大。由于Cu₃Sn生长对Cu₆Sn₅的消耗，以及焊料侧富Bi层的阻挡作用，使Cu₆Sn₅的生长速度逐渐放缓。在单晶Cu基体上，由于反应元素沿等轴晶界的定向扩散，热服役过程中新Cu₃Sn晶粒只在Cu/Cu₃Sn界面上形核，最终形成等轴晶层；而在Cu3Sn/Cu6Sn5界面上，原始的柱状晶粒持续长大。