半導(dǎo)體電鍍工藝解析
金鍍層具有接觸電阻低、導(dǎo)電性能好、可焊性好、耐腐蝕性強(qiáng),因而電鍍金在集成電路制造中有著廣泛的應(yīng)用,例如:在驅(qū)動IC封裝中普遍使用電鍍金凸塊;在CMOS/MEMS中應(yīng)用電鍍金來制作開關(guān)觸點(diǎn)和各種結(jié)構(gòu)等;在雷達(dá)上金鍍層作為氣橋被應(yīng)用;電鍍還被用于UBM阻擋層的保護(hù)層,以及用于各種引線鍵合的鍵合面等等。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/365999.htm1 電鍍金工藝
1.1 電鍍金工藝流程集成電路中的金電鍍工藝流程:
?、僭诠杵蠟R射鈦、鈦鎢等金屬作為黏附層,再濺射很薄的一層金作為電鍍的導(dǎo)電層;
②涂布光刻膠,光刻顯影出電鍍所需的圖形;
③清洗后進(jìn)行電鍍金;
④褪除光刻膠;
⑤蝕刻圖形以外的導(dǎo)電層;
⑥退火。
1.2 電鍍金原理
鍍金陽極一般采用鉑金鈦網(wǎng)材料。當(dāng)電源加在鉑金鈦網(wǎng)(陽極)和硅片(陰極)之間時(shí),溶液會產(chǎn)生電流,并形成電場。陽極發(fā)生氧化反應(yīng)釋放出電子,同時(shí)陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。陰極附近的絡(luò)合態(tài)金離子與電子結(jié)合,以金原子的形式沉積在硅片表面。鍍液中的絡(luò)合態(tài)金離子在外加電場的作用,向陰極定向移動并補(bǔ)充陰極附近的濃度消耗,如圖1為水平杯鍍示意圖,圖2為垂直掛鍍示意圖。電鍍的主要目的是在硅片上沉積一層致密、均勻、無孔洞、無縫隙、無其它缺陷的金。
1.3電鍍藥水
集成電路電鍍金工藝通常有兩種體系的電鍍液:氰化物體系及非氰化物體系。氰化物體系穩(wěn)定性高,壽命長,因而成本較低,但氰化物有毒性,需有嚴(yán)格的使用規(guī)范加以管理。目前集成電路制造中常見的氰化物電鍍金藥水是微氰體系,呈弱酸性,鍍液中金以Au(CN)-2的絡(luò)合物形式存在。主要成分為:金鹽、導(dǎo)電鹽、緩沖劑和添加劑。這種鍍液體系穩(wěn)定,毒性較小,鍍層光亮平滑,硬度適中,耐磨性好,孔隙率低,可焊性好。非氰化物體系的以亞硫酸金鈉為常見的金鹽,亞硫酸根比較容易被氧化,因而較之氰化物體系,其工藝穩(wěn)定要差一些。本文主要針對氰化物體系的電鍍金工藝。
1.4電鍍金設(shè)備
選擇合適的電鍍設(shè)備,將會獲得較為滿意的鍍層。電鍍設(shè)備可分為二類:水平噴流式杯鍍和垂直掛鍍兩種方式。杯鍍式將晶圓覆蓋在一個(gè)杯狀的鍍槽上,電鍍以一杯一片的方式進(jìn)行。掛鍍式則是將晶圓垂直浸入鍍液中,一個(gè)鍍槽可以同時(shí)進(jìn)行多片電鍍。杯鍍式的電鍍需注意氣泡的去除,否則將會影響鍍層厚度的全片均勻性。掛鍍式則比較容易去除反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡,但需注意傾斜鍍層的產(chǎn)生。
1.5電鍍工藝控制
電鍍工藝參數(shù)的控制對鍍層性能的影響很大?,F(xiàn)以氰化物電體系鍍金藥水為例,詳細(xì)介紹電鍍金工藝中需要控制的幾個(gè)主要參數(shù):
(1)電流密度:0.1~1.0A/dm2
2電流密度的提高,鍍層的表面粗糙度增加。
?。?)溫度:40~80℃
鍍液溫度高于40℃后,溫度繼續(xù)升高,鍍層的粗糙度變化不是很明顯,一般是在100nm左右。隨著溫度升高,鍍層硬度將有所下降。
?。?)pH:5.0~7.0
pH對鍍層表面粗糙度的影響趨勢為:隨著pH逐漸升高,鍍層表面粗糙度略有增加,但仍保持在100nm以下。
提高pH值,允許的電流密度將提高,鍍層中的金含量提高,同時(shí)鍍層的硬度和內(nèi)應(yīng)力將有所下降。
?。?)金質(zhì)量濃度:8~20g/L
提高鍍液中金的質(zhì)量濃度,可提高電流密度范圍,提高金的沉積速度。金的質(zhì)量濃度提高,鍍層的光亮度和均勻度都有改善。
?。?)密度
隨著鍍液使用的時(shí)間逐漸延續(xù),鍍液的密度將越來越大,鍍層的粗糙度也會越來越大。另外,鍍金液由于金鹽質(zhì)量濃度低,需要大量的導(dǎo)電鹽來支持電極過程的進(jìn)行,導(dǎo)電鹽的質(zhì)量濃度可通過鍍液的密度來反映。
?。?)流量:10~30L/min
電鍍時(shí)的流量控制也很重要,因?yàn)榱髁康拇笮﹀儗拥男阅軙杏绊?,如果流量太小,則離子交換速度慢,鍍層粗糙;若流量太大,金離子未來得及被還原就被帶走,這樣鍍層會變得疏松。另外,如果使用的電鍍設(shè)備是杯鍍,在電鍍過程中如果流量始終不變的話,那么停留在晶圓中間的氣泡就會一直停留在那里,容易在鍍層上形成凹孔。此時(shí)若突然改變流量,則氣泡所受到的平衡力將被破壞,氣泡的運(yùn)動狀態(tài)即可發(fā)生改變,這就是平時(shí)所講的除泡過程。所以,杯鍍設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí),循環(huán)系統(tǒng)中采用變頻器調(diào)節(jié)流量。掛鍍的氣泡則較容易去除。此外,鍍金液應(yīng)使用1μm以下的PP濾芯連續(xù)過濾。鍍金液不建議使用空氣攪拌。
?。?)添加劑
添加劑能改善鍍層的表面粗糙度,但添加時(shí)應(yīng)逐步進(jìn)行,總量最好不要超過5mL/L,因?yàn)樘砑觿┑闹袩o機(jī)成分,可能會影響金鍍層的純度,也會使鍍層的硬度增大。
2·鍍層性能
2.1鍍層厚度及均勻性
鍍層厚度量測設(shè)備可以分為接觸式和非接觸式兩種,接觸式的量測有Profiler等儀器;非接觸式的量測有X-ray和干涉顯微鏡。
由于邊緣效應(yīng)的影響,晶圓鍍金層邊緣厚,中間薄。一般半導(dǎo)體后道封裝中的引線鍵合和焊接工藝對within-wafer(全片均勻性)的要求是小于10%。
2.2鍍層表面粗糙度
影響鍍層表面粗糙度的因素主要有:電流密度、溫度、pH、密度、循環(huán)流量和添加劑質(zhì)量濃度。鍍層表面粗糙度應(yīng)控制在100nm左右,粗糙度太大或太小對引線鍵合和焊接都會產(chǎn)生不良影響。因此,我們需要保證鍍層有一定的粗糙度。
2.3鍍層硬度
影響鍍層硬度的因素主要有:溫度、循環(huán)流量、添加劑質(zhì)量濃度。
鍍金工藝后,鍍層硬度還可以通過退火來調(diào)節(jié)。退火之前鍍層硬度大約在100HV左右,在退火條件為300℃保溫30min后,鍍層的硬度一般是在60HV左右。退火效果也受退火設(shè)備的影響。
2.4鍍層剪應(yīng)力
要測量鍍層的剪切應(yīng)力,鍍層厚度需要在10μm以上。一般工藝要求剪切應(yīng)力大于8mg/μm2。
2.5鍍層的鍵合性能(可焊性)
常見的金線直徑為25μm,鍵合溫度為135℃,用超聲波加強(qiáng)鍵合。通過拉力測試評價(jià)鍵合性能,業(yè)界一般要求拉力在8cN以上。
集成電路制造對電鍍金的性能,如鍍層均勻性、粗糙度、硬度、剪應(yīng)力、可焊性等,要求越來越高,但只要選擇合適的電鍍設(shè)備系統(tǒng)和恰當(dāng)?shù)碾婂兯幩?,且控制好相關(guān)參數(shù),仍然可以獲得性能優(yōu)越的金鍍層以滿足業(yè)界需求。
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