1、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EC
2、D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
3、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
4、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
5、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
6、，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
7、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
8、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
9、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 psi7,8，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
10、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
