Direct and pulsed current co-deposition of a Sn-Cu alloy from non-aqueous solution

The purpose of this thesis work is the deposition of a layer composed by copper and tin at the eutectic composition, using ionic liquids, and the use of that layer for wafer bonding applications. Ionic liquids are a group of organic solvents that are liquid at ambient temperature. They were introduced for the deposition of metals like Al and Ti that are difficult to deposit by commercial aqueous solutions. Due to their great potential window and the possibility of co-depositing many metals, ionic liquids acquired more and more importance in research. The Cu-Sn system has a eutectic point when the atomic percentage of tin is 98,7%, the eutectic is the lower melting point of the system. This low melting temperature is used in microelectronics for the integration of active and passive devices, that can degrade at high temperature. Wafer bonding takes advantage of the eutectic to form a bond between two different wafers, with in between the layer of copper and tin. In this work we characterized electrochemically a solution based on ethylene glycol as the solvent and chlorinated salts of copper and tin. We also optimized the deposition parameters to obtain a good morphology and an adequate thickness of the layer. We performed both direct current and pulsed current deposition and make a comparison between the results obtained. The use of an additive improved the morphology and the density of the deposit. We observed the formation of tin whiskers performing SEM analysis on a sample after a month from the deposition. The last point of this work was the performing and analysing of wafer bonding. Wafer bonding was performed on two different samples, one deposited by direct current deposition, and one in pulsed current deposition. The two attempts were analysed with SEM microscope to understand the distribution of the elements along the section of the bonding.

Lo scopo di questo lavoro è la deposizione di una lega rame-stagno, alla composizione eutettica, tramite l’utilizzo di un liquido ionico come solvente, e l’applicazione di questo deposito per il wafer bonding. I liquidi ionici sono solventi organici che sono liquidi a temperatura ambiente, inizialmente introdotti per la deposizione di metalli che non potevano essere depositati tramite i normali solventi acquosi industriali, hanno a poco a poco assunto sempre più importanza all’interno dell’ambito di ricerca. Le caratteristiche principali dei liquidi ionici, che li rendono interessanti, sono l’ampia finestra di potenziale per le deposizioni e la possibilità di co-depositare metalli con potenziale di riduzione diversi, grazie al fatto che questi potenziali cambiano usando questo tipo di solventi. Il sistema rame-stagno ha un eutettico quando la percentuale atomica dello stagno è del 98,7%. L’eutettico è il punto con minor temperatura di fusione di tutto il sistema, ed è sfruttato in microelettronica per processi come l’integrazione di dispositivi, che degraderebbero ad alte temperature. Il wafer bonding consiste nel pressare due wafer, uno con il deposito e uno senza, a temperature leggermente sopra la temperatura di fusione del deposito per ottenere un unico oggetto. Questo lavoro di tesi si divide nella caratterizzazione elettrochimica della soluzione usata, e nell’ottimizzazione dei parametri di processo, per ottenere un deposito con la giusta composizione e con una buona morfologia e spessore adeguato alle applicazioni come il wafer bonding. La soluzione è composta da etilene glicole come solvente organico, e da sali clorurati di rame e di stagno, in aggiunta è stato inserito un additivo per migliorare la morfologia del deposito. Inizialmente ci siamo concentrati sulla deposizione in controllo di corrente diretta, successivamente abbiamo caratterizzato anche depositi ottenuti mediante corrente pulsata. È stato fatto infine un confronto tra più depositi in corrente diretta e pulsata per capire i vantaggi dell’una e dell’altra. Abbiamo osservato un deposito, mantenuto in basso vuoto, dopo un mese dalla deposizione per capire se si formassero i whisker di stagno, che effettivamente erano presenti. La parte finale del lavoro consiste nel fare il wafer bonding con due depositi, uno ottenuto in corrente diretta, l’altro in corrente pulsata, e nell’analisi di questo, per analizzare la variazione di concentrazione degli elementi lungo la sezione del bonding.