3-1試片結構
本研究中使用自製電鍍銅膜與銲錫來研究兩者之間的冶金反應。首先在 矽晶圓上濺鍍約1000 Ǻ 厚的鈦金屬做為與銅金屬的黏結層(Adhesion layer)，
亦可避免銅金屬在反應時擴散到矽晶圓內。接著在鈦金屬層上濺鍍約2000 Ǻ 厚的銅電鍍晶種層(Electroplating Seed Layer)，以利之後的銅電鍍上去。
接著用五水硫酸銅結晶配製0.8 M 之硫酸銅水溶液，在水溶液中滴入濃鹽酸，
濃度為1.2 10 M，作為電鍍銅的鍍液。電鍍液中加入添加劑使電鍍銅 有奈米雙晶的結構，目的在於減少介金屬化合物Cu3Sn 與銅墊層之間生成 的Kirkendall Void。接著用電流大小為 8 ASD(amperes / plating area (dm2))之 直流電來電鍍本次實驗用的銅膜。
電鍍銅厚度有兩種：5 μm、20 μm，間距(Pitch)為 200 μm，凸塊金屬墊 層的直徑為100 μm。錫銀銲錫同樣以電鍍的方式鍍在金屬墊層上，錫銀合 金的成分為Sn-2.3wt.%Ag，銲錫的厚度有兩種：2 μm、4 μm，如圖 3-1 所 示。
本研究中所使用的試片主要分為兩類。第一類為模擬實際產品中銲錫微 凸塊的結構。第二類為實驗不同錫銅介金屬化合物對抑止銅墊層消耗的效 果。以同樣的方式在矽晶圓上電鍍一層厚度約為10 μm 的雙晶銅，再以電
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鍍的方式鍍上純錫。錫的厚度有兩種：2 μm、20 μm，如圖 3-2 所示。
所有的試片在電鍍完成後皆在260 oC 迴銲 1 分鐘確保銲錫鍍覆的效果，
全部結構整理於表3-1 中。
銲
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3-2試片製備
介金屬化合物Cu6Sn5在迴銲時會不停的熟化，數量眾多但晶粒小的 Cu6Sn5逐漸消失，取而代之的是數量少而晶粒大的Cu6Sn5，我們將利用這 點特性，減少Cu6Sn5間的通道(Channel)，達到抑止銅墊層中的銅原子擴散 進銲錫中繼續反應生成介金屬化合物。
取出銲錫厚度僅有2 μm 的兩種試片，將之在 260 oC 下迴銲 10 分鐘，
因為銲錫量極少，在迴銲的過程中將被大量反應生成Cu6Sn5。當銲錫被消 耗殆盡後Cu6Sn5將彼此密合，之間的通道大幅減少。再將迴銲過後的試片 接上約18 μm 厚的銲錫，便完成本研究中的實驗組試片；而未做前述的熱 處理、厚度20 μm 的兩種試片，將做為本研究中的對照組試片。
錫銅介金屬化合物有Cu6Sn5 與 Cu3Sn 兩種，欲了解這兩種介金屬化合 物抑止的效果，因此將「電鍍2 μm 純錫在 10 μm 銅墊層上」的這組試片獨 立取出，在260 oC 下熱處理 24 小時，使純錫與銅完全反應成 Cu3Sn，再接 著電鍍上18 μm 厚的純錫，做為另一種實驗組試片。由於使用的銅膜具有 奈米雙晶結構，因此可避免產生大量的Kirkendall Void，減少實驗變因。
實驗組中有凸塊結構的試片，由於電鍍上技術的困難，因此在後續接上 18 μm 銲錫時，採取的方式為與另一具有 60 μm 厚銲錫且同樣凸塊結構的試 片互相對接，在260 oC 的加熱板(Hot Plate)上對接在分開，如此厚度約 18 μm
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銲錫便會塗布至實驗組上，整個過程將持續3 分鐘，流程如圖 3-3 所示。
經過反應的試片，會分別從側視及俯視觀測，以觀察及量測介金屬化合 物的成長厚度與表面形貌。
在觀測試片側視的部分，首先將試片浸入冷鑲埋液中，待硬化後用不同 號數的砂紙研磨到欲觀察的位置，再用氧化鋁粉進行表面拋光處理。為了 使介金屬化合物與銲錫之間的界面更加容易觀察，在拋光處理最後會加入 pH: 9.8 的矽酸膠(Colloidal Silica)微腐蝕液，將銲錫稍加蝕刻，露出介金屬 化合物的界面。
在觀察試片俯視的部分，首先將試片浸泡到硝酸(HNO3)：醋酸
(CH3COOH)：甘油(C3H5(OH)3) = 1：1：1 的蝕刻液中，待銲錫蝕刻完成後，
將試片用水清洗並放入清水中在超音波震盪機(Ultrasonic Cleaner)清理試片 表面殘留的髒汙。由於上述的蝕刻液具有選擇性，對銲錫蝕刻的速率遠大 於對介金屬化合物的速率，因此可將未反應的銲錫除去，留下介金屬化合
物以觀察之。
圖
圖3-3 實驗
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驗組銲錫錫凸塊塗布布流程。
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3-3測試條件
本研究對所有試片進行迴銲測試。為了確保環境溫度維持在定溫且為銲 錫液態反應，利用烘箱作為熱源，設定溫度校正後為260 oC，進行 0、5、
10、15 及 20 分鐘的迴銲測試，待反應時間到後，取出試片空冷。
此外，亦針對冶金反應較慢的試片做更細分的迴銲測試，測試時間分別 為1、2 和 3 分鐘。
所有的試片在電鍍完成後為了確保鍍附效果都有迴銲一分鐘，在之後的 討論中將不列入迴銲測試的時間當中。另外在將銲錫塗布到有凸塊結構的 試片時也有額外的迴銲三分鐘，為了在同一個基準點做比較，其他種類的 試片也會額外迴銲三分鐘，同樣的，不列入迴銲測試的時間當中。
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3-4分析工具與方法
本研究使用日本電子光學株式會社(Japan Electron Optics Laboratory, JEOL)的 H-6500 型熱場發掃描式電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Microscope, FESEM)做為主要的表面形貌觀察工具。
二次電子(Secondary Electron)產生的數量受到試片表面起伏的影響，可 清楚呈現試片表面的形貌，藉由此特性我們用二次電子影像(Secondary Electron Image, SEI)觀察試片俯視的部分。
背向散射電子(Backscatter Electron)產生的數量會因為不同元素差異而 不同，可清楚區隔出試片中不同的相或不同元素的成分，藉由此特性我們 用背向散射電子影相(Backscatter Electron Image, BEI)觀察試片側視的部分。
另外本研究中將利用X 光能量散佈分析儀(Energy Dispersive Spectrometer, EDS)做成分分析，以確認試片內部相的組成。
本研究中為確定Cu6Sn5之間的通道(Channel)微結構，使用聚焦離子束 系統(Focus Ionic Beam, FIB)。首先用離子束轟擊試片表面，做微蝕刻處理，
可確實清潔、拋光試片表面在研磨時被塞住的小孔洞(Void)；接著利用離子 束進行試片縱向的切割，觀察試片內部的微結構。
針對介金屬化合物的晶粒大小、成長厚度與晶界長度，使用影像分析軟 體ImageJ 來量測，為了降低誤差，增加統計的精確度，每個測試條件下晶
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粒大小統計兩百顆以上的晶粒做平均，而介金屬化合物成長厚度的部分將 統計十五片以上的試片做平均。
在計算銅消耗的部分，根據Tu 與 Chuan[41, 42]等人提出的介金屬化合 物密度，推算出下列式子：
6Cu + 5Sn → Cu6Sn5 (1) 42.65 80.59 117.74 (cm3/mole) 3Cu + Sn → Cu3Sn (2) 21.33 16.12 34.46 (cm3/mole)
由(1)、(2)我們可由介金屬化合物成長的厚度推算出銅墊層的消耗量。
由於銅在銲錫中溶解度不高，僅0.022 wt.%[43]，加上試片銲錫量有限，本 研究中將忽略銲錫中銅溶解的消耗量。
量取介金屬化合物之厚度變化，即可推算出成長速率常數。我們利用下 列經驗公式[44]：
(3)
其中 h 是銲錫經反應後生成的介金屬化合物厚度，h0是介金屬化合物 初始厚度，k 是反應速率常數，t 是時間。已知 h、h0與 t 的情況下，對(3) 式取自然對數：
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ln ln ln (4)
如此求得該方程式之斜率則可得到 n 值。接著將 n 代回(3)式即可求出
反應速率常數 k。
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