Dielectric layer of hybrid bonding is one of the most critical materials for the yield and reliability because it is the majority of the bonding surface/interface. This paper demonstrates 300mm wafer bonding using SiCN and optimized plasma activation, where the bond strength is high at low temperatures (250°C). A new method to measure bond strength accurately is used to understand how the bonding process works. By carefully characterizing the SiCN and plasma conditions, we achieved similar bond strength at both high and low temperatures, opening doors for low-temperature hybrid bonding applications.

The demand for technologies enabling higher performance, greater capacity at lower cost has been growing. Wafer-to-Wafer hybrid bonding for three-dimensional architectures allows for high interconnect density with a minimal footprint. SiCN has been considered as a superior dielectric layer. However, the mechanism of SiCN-SiCN bonding has not been clearly described in comparison to SiO 2 -SiO 2 bonding. In this study, we investigated the surface and subsurface of dielectric films (SiCN, SiO 2 ) at several post-process steps to understand their characteristics. Positron Annihilation Spectroscopy was employed to detect open spaces. This measurement revealed that SiCN film possesses a higher density of atomic-level voids, fewer outgasses, and more dangling bonds (DBs) than SiO 2 film. These results were consistent with the tendency of water desorption observed through thermal desorption spectroscopy. Based on these findings, it is assumed that a large number of water stored in the dielectric film affects the generation of interfacial voids when wafers are bonded and annealed at decent temperatures. However, many DBs in the SiCN film enable the suppression of voids, leading to void-free. Additionally, the impact of pre-surface cleaning/conditioning prior to physical vapor deposition (PVD) barrier deposition was investigated. It was found that strong Ar plasma has a negative impact on the in-situ plasma cleaning for bonding when the process is not well optimized.

The effectiveness of a new D2W hybrid bonder achieving 2200 UPH and 100-nm alignment accuracy is validated based on the fact that multiple chips are bonded even when the duration after plasma activation is fixed. Our hybrid bonding is characterized using Positron Annihilation Spectroscopy (PAS), Double Canti-lever Beam Method (DCBM) test, and TEG chips with Kelvin patterns to evaluate the electrical properties of Cu-Cu single joints/daisy chains. We confirm that excellent electrical properties are obtained from optimized Cu-CMP, pretreatment processes, including dicing, cleaning and plasma activation, and bonding conditions.

The annealing properties of open spaces in 90-nm-thick SiO2 deposited from tetraethylorthosilicate (TEOS) using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) were studied with monoenergetic positron beams. From the lifetime of positronium (Ps) and an empirical model assuming a spherical open space, the mean diameter of open spaces was estimated to be 0.45 nm for PECVD-SiO2 before annealing. In the annealing temperature range below 350 °C, the size of the open spaces and their concentration increased as the temperature increased. Because initial water desorption from PECVD-SiO2 occurred in this temperature range, the observed increases in the size and concentration of spaces were attributed to the detrapping of water from such regions. Above 400 °C annealing, Ps formation was suppressed due to carrier traps introduced by the desorption of gas incorporated during TEOS decomposition. The size of the open spaces reached its maximum value (0.61 nm) after 800 °C annealing and started to decrease above 900 °C. After 1000 °C annealing, although the size of the spaces was close to that in thermally grown SiO2, their concentration remained low, which was attributed to residual impurities in the SiO2 network.

Development of Mobile Inspection Robot for Concrete Wall Surface and Strength Estimation Considering Coarse Aggregate by Small Diameter Drill Momoe Terata, Fumihiro Inoue Pages 1319-1322 (2024 Proceedings of the 41st ISARC, Lille, France, ISBN 978-0-6458322-1-1, ISSN 2413-5844) Abstract: In order to estimate the strength of concrete members such as bridge piers and tunnel walls easily at the actual site, we developed a small-diameter abrasive drill and proposed a method to estimate the strength of concrete from the change in drilling speed. In drilling with a 5 mm-diameter drill, the drilling speed changes due to the influence of coarse aggregate mixed in the concrete. Therefore, the drilling speed due to coarse aggregate was found from the analysis of the drilling speed, and the relationship between the average drilling speed excluding the effect of coarse aggregate and concrete strength was found. Next, a mobile inspection robot equipped with a drill drilling mechanism was developed to simplify this inspection method. The inspection robot is equipped with a high-powered duct fan that easily presses the drill. The robot is roller-driven, movable up and down, and lightweight, and thus has potential for practical use. Keywords: Small-diameter drill, Concrete strength estimation, Inspection robot, Roller drive, Duct fan thrust DOI: https://doi.org/10.22260/ISARC2024/0173 Download fulltext Download BibTex Download Endnote (RIS) TeX Import to Mendeley

Shape Control of Guide Frame to Avoid Obstacles for Tunnel Inspection System by Manual Operation Fumihiro Inoue, Momoe Terata Pages 97-104 (2024 Proceedings of the 41st ISARC, Lille, France, ISBN 978-0-6458322-1-1, ISSN 2413-5844) Abstract: Guide frames developed for tunnel wall inspection are designed to pass through obstacles in tunnels because the frame shape can be changed. However, in emergencies or when it is better to change the frame shape on the spot depending on the shape and arrangement of obstacles, a simple method to control the shape of the frame was required. Therefore, a shape change method using a force control technique was devised to easily change the shape of the guide frame by manual operation. The guide frame is an arch structure with a linearly connected Variable Geometry Truss (VGT) consisting of an extended actuator and a hinge. A feedback control method was devised in which the frame shape changes in response to the force acting on the puller, including the force sensor installed on the underside of the guide frame. By changing the position of the puller and the range of action of the actuator, the axial force acting on the guide frame and the shape change were confirmed through experiments and analysis. This control method is a simple way to manually deform the guide frame and can be applied to a variety of shapes. Keywords: Tunnel Inspection System, VGT Guide Frame, Shape control, Manual operation, Force Control DOI: https://doi.org/10.22260/ISARC2024/0014 Download fulltext Download BibTex Download Endnote (RIS) TeX Import to Mendeley

This study reveals bond interface characterization of chip-level hybrid bonding. Robust direct bonding interfaces withstand extreme environmental tests. Our innovative approach facilitates bond strength measurements in D2W bonding, offering novel methods to qualify the processes and the integrations. Nano-indentation also shows that D2W and W2W are indistinguishable in terms of bond strength, emphasizing the importance of ongoing investigations into their relationship. This breakthrough enhances the understanding of hybrid bonding, urging further exploration.

Enormous challenges remain for solder micro-bump bonding to achieve the interconnect pitches below 10 μm, which is required for advanced chiplet integration. Therefore, the application of die-to-wafer Cu-dielectric hybrid bonding has been developed; however, the integration scheme has not yet matured. The biggest obstacles are the yield-loss due to particle residues. To overcome these challenges, polymer/Cu hybrid bonding is being developed. Compared to inorganic dielectric materials such as SiO 2 and SiCN, optimization of CMP conditions has not been fully investigated. In this study, we propose a two-step polymer/Cu planarization process. The zeta potential and removal rate of the polymer were assessed. It turns out that alumina base slurry has a higher polymer removal rate than usual silica base slurry. These fundamental evaluations provide insight into improving polymer/Cu planarization.