應(yīng)用于集成電路制造的電鍍金工藝控制

張樂(lè)平，水玉洋

(安美特中國(guó)（化學(xué)）有限公司，上海 201707)

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(dòng)IC封裝中普遍使用電鍍金凸塊；在CMOS/MEMS中應(yīng)用電鍍金來(lái)制作開(kāi)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(xiàn)鍵合的鍵合面等等。

1 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：①在硅片上濺射鈦、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(yáng)極一般采用鉑金鈦網(wǎng)材料。當(dāng)電源加在鉑金鈦網(wǎng)(陽(yáng)極)和硅片(陰極)之間時(shí)，溶液會(huì)產(chǎn)生電流，并形成電場(chǎng)。陽(yáng)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(chǎng)的作用，向陰極定向移動(dòng)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(wú)孔洞、無(wú)縫隙、無(wú)其它缺陷的金。

圖1 水平杯鍍

圖2 垂直掛鍍

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(zhǎng)，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(jiàn)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(jiàn)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(duì)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?cè)O(shè)備，將會(huì)獲得較為滿(mǎn)意的鍍層。電鍍?cè)O(shè)備可分為二類(lèi)：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(huì)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(duì)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：0.1～1.0 A/dm2

隨著電流密度的提高，金的沉積速率加快，如表1所示。

表1 電流密度與沉積速率的關(guān)系

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100 nm左右。隨著溫度升高，鍍層硬度將有所下降。

(3)pH：5.0～7.0

pH對(duì)鍍層表面粗糙度的影響趨勢(shì)為：隨著pH逐漸升高，鍍層表面粗糙度略有增加，但仍保持在100 nm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。

(4)金質(zhì)量濃度：8～20 g/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。

(5)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(lái)越大，鍍層的粗糙度也會(huì)越來(lái)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(lái)支持電極過(guò)程的進(jìn)行，導(dǎo)電鹽的質(zhì)量濃度可通過(guò)鍍液的密度來(lái)反映。

(6)流量：10～30 L/min

電鍍時(shí)的流量控制也很重要，因?yàn)榱髁康拇笮?duì)鍍層的性能會(huì)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(lái)得及被還原就被帶走，這樣鍍層會(huì)變得疏松。另外，如果使用的電鍍?cè)O(shè)備是杯鍍，在電鍍過(guò)程中如果流量始終不變的話(huà)，那么停留在晶圓中間的氣泡就會(huì)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(dòng)狀態(tài)即可發(fā)生改變，這就是平時(shí)所講的除泡過(guò)程。所以，杯鍍?cè)O(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1 μm以下的PP濾芯連續(xù)過(guò)濾。鍍金液不建議使用空氣攪拌。

(7)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(guò)5 mL/L，因?yàn)樘砑觿┑闹袩o(wú)機(jī)成分，可能會(huì)影響金鍍層的純度，也會(huì)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(cè)設(shè)備可以分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式的量測(cè)有Profiler等儀器；非接觸式的量測(cè)有X-ray和干涉顯微鏡。不均勻性的計(jì)算公式如下：

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(xiàn)鍵合和焊接工藝對(duì)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100 nm左右，粗糙度太大或太小對(duì)引線(xiàn)鍵合和焊接都會(huì)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(guò)退火來(lái)調(diào)節(jié)。退火之前鍍層硬度大約在100 HV左右，在退火條件為300℃保溫30 min后，鍍層的硬度一般是在60 HV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(cè)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8 mg/μm2。

2.5 鍍層的鍵合性能 (可焊性)

常見(jiàn)的金線(xiàn)直徑為25 μm，鍵合溫度為135℃，用超聲波加強(qiáng)鍵合。通過(guò)拉力測(cè)試評(píng)價(jià)鍵合性能，業(yè)界一般要求拉力在8 cN以上。

3 結(jié)束語(yǔ)

集成電路制造對(duì)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(lái)越高，但只要選擇合適的電鍍?cè)O(shè)備系統(tǒng)和恰當(dāng)?shù)碾婂兯幩铱刂坪孟嚓P(guān)參數(shù)，仍然可以獲得性能優(yōu)越的金鍍層以滿(mǎn)足業(yè)界需求。

[1] 張?jiān)收\(chéng).電鍍手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997.