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半導體電鍍工藝解析

作者: 時間:2017-10-13 來源:網絡 收藏

  金鍍層具有接觸電阻低、導電性能好、可焊性好、耐腐蝕性強,因而金在制造中有著廣泛的應用,例如:在驅動IC封裝中普遍使用金凸塊;在CMOS/MEMS中應用金來制作開關觸點和各種結構等;在雷達上金鍍層作為氣橋被應用;電鍍還被用于UBM阻擋層的保護層,以及用于各種引線鍵合的鍵合面等等。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/365999.htm

  1 電鍍金工藝

  1.1 電鍍金工藝流程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清洗后進行電鍍金;

④褪除光刻膠;

⑤蝕刻圖形以外的導電層;

⑥退火。

  1.2 電鍍金原理

  鍍金陽極一般采用鉑金鈦網材料。當電源加在鉑金鈦網(陽極)和硅片(陰極)之間時,溶液會產生電流,并形成電場。陽極發(fā)生氧化反應釋放出電子,同時陰極得到電子發(fā)生還原反應。陰極附近的絡合態(tài)金離子與電子結合,以金原子的形式沉積在硅片表面。鍍液中的絡合態(tài)金離子在外加電場的作用,向陰極定向移動并補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

  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的絡合物形式存在。主要成分為:金鹽、導電鹽、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電鍍金設備

  選擇合適的電鍍設備,將會獲得較為滿意的鍍層。電鍍設備可分為二類: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杯狀的鍍槽上,電鍍以一杯一片的方式進行。掛鍍式則是將晶圓垂直浸入鍍液中,一個鍍槽可以同時進行多片電鍍。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產生的氣泡,但需注意傾斜鍍層的產生。

  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,詳細介紹電鍍金工藝中需要控制的幾個主要參數(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。

  (2)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,同時鍍層的硬度和內應力將有所下降。

  (4)金質量濃度:8~20g/L

  提高鍍液中金的質量濃度,可提高電流密度范圍,提高金的沉積速度。金的質量濃度提高,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,鍍金液由于金鹽質量濃度低,需要大量的導電鹽來支持電極過程的進行,導電鹽的質量濃度可通過鍍液的密度來反映。

 ?。?)流量:10~30L/min

  電鍍時的流量控制也很重要,因為流量的大小對鍍層的性能會有影響,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,氣泡的運動狀態(tài)即可發(fā)生改變,這就是平時所講的除泡過程。所以,杯鍍設備在設計時,循環(huán)系統(tǒng)中采用變頻器調節(jié)流量。掛鍍的氣泡則較容易去除。此外,鍍金液應使用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,但添加時應逐步進行,總量最好不要超過5mL/L,因為添加劑的中無機成分,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。

  由于邊緣效應的影響,晶圓鍍金層邊緣厚,中間薄。一般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)流量和添加劑質量濃度。鍍層表面粗糙度應控制在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、添加劑質量濃度。

  鍍金工藝后,鍍層硬度還可以通過退火來調節(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備的影響。

  2.4鍍層剪應力

  要測量鍍層的剪切應力,鍍層厚度需要在10μm以上。一般工藝要求剪切應力大于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℃,用超聲波加強鍵合。通過拉力測試評價鍵合性能,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、剪應力、可焊性等,要求越來越高,但只要選擇合適的電鍍設備系統(tǒng)和恰當?shù)碾婂兯幩?,且控制好相關參數(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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