等离子体-闪光混合表面预处理增强铜-铜直接键合：面向三维集成电路的低温高可靠性互连新策略

《Materials & Design》：Hybrid surface pre-treatments for enhancing copper-to-copper direct bonding

为解决三维集成电路(3D IC)对低温、高可靠性Cu-Cu直接键合的需求，本研究开发了一种结合等离子体与脉冲高能闪光照射的混合表面预处理方法。研究系统评估了不同等离子体气体(N2及H2含量高达30%)结合闪光处理对Cu表面性能及键合强度的影响。结果表明，N2等离子体形成的Cu4N层可有效抑制氧化，后续闪光处理产生的压应力加速了原子扩散，显著提升了键合强度。该研究为先进封装技术提供了可靠的低温键合新途径。

　　

在人工智能和高速通信需求爆炸式增长的时代，三维集成电路(3D IC)技术因其能够实现芯片间高密度垂直互连而成为先进封装的核心方向。然而，传统Cu-Cu直接键合技术面临严峻挑战：需要在350°C以上的高温真空中进行，这不仅能耗高，还容易因热膨胀系数不匹配导致界面损伤，更限制了与热敏感元件的集成。如何实现低温、高可靠性的Cu-Cu互连成为制约3D IC技术发展的关键瓶颈。

针对这一难题，研究人员探索了多种创新方案。例如利用(111)取向的铜膜提升表面扩散能力，或通过快速热退火引入压应力促进界面结晶。近期研究还发现，脉冲电磁辐射（如氙灯闪光）能诱导局部表面压缩，降低原子扩散的能垒。与此同时，等离子体表面改性也被证明能有效改善Cu-Cu键合性能，特别是N₂等离子体形成的Cu₄N层可作为过渡性钝化屏障防止再氧化。然而，将等离子体活化与脉冲闪光辐照相结合的协同效应尚未得到系统研究。

发表于《Materials》的这项研究提出了一种创新的混合表面预处理策略，将大气等离子体活化与脉冲高能闪光辐照相结合。通过系统研究N₂以及不同H₂含量(5%、10%、30%)的等离子体结合氙灯闪光处理对铜表面特性、氧化行为、应力发展和键合性能的影响，为低温Cu-Cu键合提供了新的解决方案。

研究采用了几项关键技术方法：利用射频等离子体系统对溅射铜膜进行表面活化处理；通过接触角测量和Owens-Wendt模型计算表面能组分；采用纳米压痕技术表征表面力学性能；运用掠入射X射线衍射(GIXRD)分析残余应力演变；通过电化学还原法定量表征氧化层厚度；最后在250°C、10MPa条件下进行热压键合，并通过剪切测试评估键合强度。

表面润湿性与表面能分析显示，未经处理的铜表面水接触角为45.6°，表现出较差的润湿性。N₂等离子体处理后接触角显著降低至23.8°，表明表面活化效果明显。当引入氢气后，润湿性进一步改善，N₂-10%H₂条件下接触角达到最小值9.4°。表面能计算表明，氢气的加入显著提高了表面能的极性组分，N₂-10%H₂处理使总表面能达到78.2mJ/m²的峰值。后续闪光处理导致所有样品的接触角增大和表面能降低，特别是极性组分的下降较为明显。

表面形貌与力学性能表征发现，等离子体处理略微增加了表面粗糙度，但所有样品的均方根粗糙度(Rq)均未超过10nm，处于可实现完全界面接触的临界范围内。纳米压痕测试显示，等离子体处理降低了表面硬度和杨氏模量，而后续闪光处理部分恢复了这些力学性能。残余应力分析表明，沉积态铜膜存在约250MPa的拉应力，等离子体处理有效诱导了压应力，随着H₂含量增加，应力松弛效果更加明显。闪光照射进一步增强了N₂、N₂-5%H₂和N₂-10%H₂样品的压应力状态，但N₂-30%H₂样品却出现拉应力升高现象。

键合强度测试结果显示，未经处理的铜样品平均键合强度为21.3MPa。N₂等离子体活化后强度提升至25.7MPa，含氢等离子体处理进一步改善键合性能，N₂-30%H₂条件下达到33.4MPa。后续闪光处理对键合强度的影响较为复杂：N₂等离子体/闪光混合处理使剪切强度从25.7MPa显著提高至31.4MPa，而含氢等离子体处理的样品未呈现类似增强效果。

表面化学状态分析通过X射线光电子能谱(XPS)揭示，纯N₂等离子体处理形成了明显的Cu₄N相，而引入5%H₂后，Cu₄N峰强度降低56%以上，表明氢的存在抑制了Cu-N键的形成。O1s轨道分析显示两种等离子体条件下均以CuO(Cu²⁺)为主要氧化物组分。电化学还原分析定量表征了氧化层厚度：沉积态铜膜氧化层厚度约1.73nm，N₂等离子体处理后增至5.21nm，后续闪光照射仅轻微增加至5.63nm。而含氢等离子体处理的样品在闪光后氧化显著增厚，特别是N₂-30%H₂样品形成了4.39nm表面CuO和6.21nm subsurface CuO-Cu₂O混合层的复杂结构。

研究通过定量分析建立了键合强度、压应力组分和氧化层厚度之间的关系，发现当氧化层厚度控制在约6nm以下时，键合强度与压应力组分呈正相关。然而，当氧化层厚度超过7nm临界值时，压应力的正面贡献会被部分抑制。截面扫描电镜(SEM)和元素分布分析证实，经N₂等离子体和闪光处理的Cu-Cu界面结合紧密，仅存在少量微孔洞，Cu信号在键合线处均匀连续分布，与最高剪切强度测量结果一致。

该研究得出结论：N₂等离子体结合闪光照射的混合预处理实现了最佳的键合性能，平均剪切强度达31.4MPa。这种协同效应源于适度的表面活化、Cu₄N钝化层的抗氧化保护以及闪光引入的压应力增强原子扩散的综合作用。含氢等离子体虽然进一步提升表面反应性，但缺乏Cu₄N保护层导致闪光后氧化严重，反而降低键合强度。研究强调需要通过精细调控等离子体和闪光参数，在表面活化、氧化控制和应力引入之间取得平衡，为实现可靠的低温Cu-Cu直接键合提供优化策略。

这项工作的重要意义在于首次系统探讨了等离子体活化与闪光辐照的协同效应对Cu-Cu键合的影响，建立了氧化层厚度与键合性能的定量关系，为三维集成电路的低温互连工艺开发提供了理论依据和实践指导。特别是明确了7nm氧化层厚度的临界值，为后续工艺优化指明了方向。这种混合表面预处理方法有望推动先进封装技术向更低温、更高可靠性的方向发展，满足未来高性能计算、人工智能和高速通信应用对异质集成的苛刻要求。