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直接能量电镀：一种用于互连的新型电沉积工艺 2023年4月21日 16:22 对新产品和尖端产品不断升级需求的驱使下，电子产品的生命周期持续缩短，半导体产业面临着对创新的持续渴求。特别是对封装业而言，更小的封装、更高的性能及更低的本钱成为其主要压力。 用于各种节距密度铜柱的电沉积工艺测试阵列 就互连而言，晶圆级封装〔WLP〕应用，例如再分布层〔RDL〕、凸点及穿透硅通孔〔TSV〕，正取代像引线键和这样的传统技术。WLP结构要求厚金属或高深宽比的结构，这样像物理气相沉淀〔PVD〕或化学气相沉淀〔CVD〕这样的技术有时候很难满足要求。因此，在此类应用中，更适宜的电镀技术开始兴起。 虽然电镀可获得出众的沉积速率，但电化学沉积〔ECD〕在生产灵活性及性能方面有一定的限制。ECD性能通常由沉积速率、均匀性、薄膜外表形态、外表形貌及剪切强度等来度量。 决定这些衡量标准的工艺参数包括化学品、温度、整流器的设置及搅拌。电镀性能在很大程度上取决于化学品的选取。化学品决定了镀液温度和输出电流。虽然类似周期性逆脉冲电镀1的技术可以提高性能，但工作时间又受到了新的限制。搅拌能影响电镀速率和均匀性。类似喷泉式液流或垂直搓板式洗刷2的方法可增加传输量，但这种方式需远离水面发生且受限于流体性能。 一项新技术已研制成功，将ECD提升为直接能量电镀〔DEP〕。取代以往的机械方法，DEP采用可直接耦合到衬底的振动能。这种能量模式比简单的搅拌更加有效。通过对波形的编程可产生多种效果：外表清洗、接触焊、高深宽比结构中的增强型扩散、去除气泡或为加速电镀而减少边界层。 电镀的根本原理 电镀基于氧化复原反响。将阳极和阴极〔电镀外表〕连接到电源〔或整流器〕上，为系统提供电流〔图1〕。在阳极，金属离子被氧化生成阳离子，在溶液中带有正电荷〔例如铜将生成Cu2+〕。这些离子要么与溶液中的阴离子〔SO4 2-〕结合，要么在阴极外表复原，吸收电子以形成零价态并沉积在阴极外表。在溶液中，进行搅拌是很重要的，可以防止局部反响及电镀的不均匀。电镀速率根本取决于质量传输。在阴极外表，边界层的存在可降低外表沉积。 产生搅拌的机械技术包括喷泉式喷洒和搓板式洗刷〔图2〕。由于在外表上直接喷洒，喷泉式喷洒会产生湍流。搓板式洗刷会沿着外表产生剪切力，使外表上的边界层从典型的50 祄降至10 祄或稍大。 电镀液通常是由许多成分构成的，包括： ■  作为电镀材料的金属离子 ■  决定电镀液的电导率的酸 ■  用于清洗外表的光亮剂，它具有小分子质量的分子 ■  在突起处抑制电镀的整平剂 ■  用以抑制电镀速率的抑制物或载流子，它具有大分子质量的化合物 ■  用于减小外表张力的润湿剂 这些化学制剂通常可控制电镀液的性能。整平剂浓度、抑制物、载流子和润湿剂对高深宽比结构中的电镀有很大影响。依赖化学试剂的缺点是这些有机材料易消耗，需要补充。 超声波根本原理 机械搅动是一种混合或分散液体的粗浅手段；其有效尺度在微米至毫米之间。然而，电镀是一种分子过程，如果能够在量子级别上影响动能，将会有相当大的优势。 影响液体动能的一种机制是振动，而产生振动的手段是使用超声波能量。振动根本上是波在介质中的传播，传播的典型频率范围在0.5 KHz至10 MHz之间。基于波的频率和调制方式，会以不同的模式传播〔图3〕。这些模式包括剪切波、纵波、瑞利涉及兰姆波。每一种波都会在液体中产生不同的效果。 振动能量根本在液体中以下面的方式出现： ■  引导压力——涡流、分散、混合、剪切和洗刷是以压力为根底的现象，且可用适当的波形生成。 ■  气穴现象——当声波产生时，首先会在源极产生压缩分子。就像一个弹簧，然后液体分开会产生一个负压。当负压超过液体的剪切限度时，就会发生气穴现象，同时形成一个气泡。气泡的大小取决于很多因素，例如温度、粘性、溶解度、气压、扩散速度、频率和功率。气泡快速破裂〔皮秒〕释放的能量可使微气穴中发生化学反响〔声化学〕。 ■  加热——振动的能量和爆破的气泡可在溶液中产生热量。 ■  外表反响——能量吸收可使超声焊接发生。 直接能量电镀 典型的超声波能量只在某一频率上工作，而且带通很窄。这种方法的缺点是气穴现象很突出，不同材料可能会产生共振，在沉淀时出现真空。然而，我们已开发了一种混合信号响应来克服标准超声波进程的局限性。通过扫描输出频率及调节时域中的信号周期〔图4〕，可产生混合模式及宽带响应。电镀系统由多种不同谐振和响应的材料组成。通过扫描频率，可以对宽带响应进行预编程，将所有材料的影响结合起来〔图5〕。 我们开发了一种系统，其物理机制是通对编程来对能量加以引导，从而获得高性能的电镀。图6所示为系统的根本原理。有两个超声源：侧向发光传感器可产生大量混频，晶圆传感器可与衬底耦合。 不同类型的波举例如下： ■  可生成基带纵波，且通过波形周期的改变，可扫描整个镀槽。在产生搅拌的同时还可防止驻波问题。通过增加幅度，还可充当清洗波。 ■  通过混合频率，同样的波形可产生剪切波，这是一种压力波，可增强对外表的扩散而降低传播时间。 ■  宽带、中度能量混合模式可产生兰姆波，能够破坏边界层，提高传质。 ■  瑞利波也被用于在外表〔取代耗尽地区〕和高能区产生搅拌，实际上产生脉冲压力以抽空气泡。 在多数情况下，这些能态可代替化学方法〔图7〕。例如，无须依赖外表活性剂，瑞利波可使外表张力分散。 振动损伤——振动能量系统的主要关注点是对脆弱结构或层的影响。与电镀有关的脆弱结构在微机电系统〔MEMS〕或封装应用中是很常见的。MEMS驱动器及传感器通常在1至10 kHz范围内谐振。3振动电镀不在此范围内工作，因此DEP不是本技术的主要难题。 对于半导体产业而言，比拟关心的是同低k介质的兼容性。 在更高电路速度的驱动下，正在开发更低k的介电层，以降低传统氧化物介电层〔氧化物的k值=3.9-4.2；低k材料<3〕的介电常数。尽管有许多类型的低k材料，但大体可被分为三类：无机，有机和混合物〔含碳氧化物，SiOC〕。4半导体的清洗、去胶或调试过程都会对这些介电层产生负面影响。低k介电材料有两个共同特点，分别是硬度和强度〔比对应的氧化物低4-20倍〕及多孔性〔残留可改变电性能〕，这使其工艺制造变得很难。 以含有低k材料为特点的超声波系统包括引线键合机和清洗器。引线键合机在焊接时要施加超声波和物理作用力。然而，有证据说明，存在可以防止介电材料损伤的工艺窗口。5,6即便是DEP能够产生的气穴压力中的最差情况〔100 kHz时为1000 psi〕7,8，也要比热压焊法产生的外表力〔5000-10,000 psi〕低得多。此外，据报道，单芯片超声波结构已被证明对敏感结构并不产生无破坏。9DEP的宽带响应和调制模式也可为优化提供更宽的处理周期。 外表化学问题不仅局限于潮湿系统，在等离子体系统中也有所体现。后处理清洗及密封剂是此类问题的可能解决方案。一个单独的带有多种化学物质的ECD系统与传统的由镀架和镀杯组成的电镀系统相比将会有显著的优势。 边界层——一般来说，电镀工艺主要由化学品、电压偏置及温度来控制。然而，在晶圆外表，电镀受限于边界层。对于高深宽比的结构而言，可认为边界层很厚，并且带有又窄〔<30 祄〕又深(>50 祄)的结构。如果没有机械搅动，边界层可能要大于100 祄。在溶液中超声波搅动会将扩散层减低到20 祄，再加上适宜的机械扫描能够降低至10 祄。10然而，同超声波相比，DEP还有一个优点就是多频率/模式的共同工作。由于可以直接耦合至沉淀外表，因而无需很大体积。图8给出了随外表耦合系统频率变化而变化的边界层厚度。通过适当的调整，边界层可降低至1 祄，而且在开口尺寸小于10 祄的情况下，更快的电镀速率已成为可能。 总结 DEP解决了传统电镀的一些局限性，并且提供了灵活的技术方案。宽带波形允许不同材料及不同基板的应用，包括减薄的晶圆。 我们这项新的电镀工艺具有机械搅动无法获得的特点：降低电镀结果对化学品的依赖；可处理苛刻的晶圆布局；更快的沉淀速率；以及更多的性能，例如外表清洗。由于这是一个基于能量的系统，需一直开机以便实时监控和反响控制。这不是一个简单的化学电镀系统，而是一个可执行智能操作的工具。 ://em.eccn /pub/techview.aspid=18764