焦玉 李哲 任长友 邓川 王彤 刘志权
中国迷信院深圳先进技术钻研院 深圳市联结蓝海运行资料 科技 股份有限 公司
摘要：
[目标]在 工业 可继续开展策略下，环保无氰电镀金技术正逐渐代替传统氰化物电镀金技术，并在微 电子 封装畛域中失掉推行运行。[方法]针对液晶驱动 芯片封装 晶圆电镀金凸块工艺制程，开收回一种新型亚硫酸盐无氰电镀金配方和工艺。[结果]自研无氰电镀金药水中减少了无机膦酸减少剂和晶体调整剂，前者能够充沛克服镍金置换，后者有助于构成低应力的等轴晶组织，可防止施镀环节中国产光刻胶挤出变形现象。该自研无氰电镀金工艺运行于晶圆时可取得微观外表平坦平均和无毛病的金凸块。[论断]该自研无氰电镀金工艺能够满足晶圆级封装的要求，具有很好的推行运行后劲。
电镀金层具有良好的导电性、导热性和化学稳固性，是关键的外表处置和金属互连资料，在微电子封装为代表的电子信息产业中具有宽泛运行。传统的电镀金药水经常使用氰化物配体，其致命的毒性不只间接危害消费人员的生命肥壮安保，而且给废液处置和环境污染带来繁重的累赘。随着绿色工业的开展和配方技术的不时提高，人们开局研发无氰镀金工艺来代替氰化物镀金工艺。冯慧峤等[1]报道了经常使用三氯化金为主盐、亚硫酸钠为配位剂的无氰电镀金工艺，所得Au 镀层结晶粗疏，结合力和耐蚀性良好。叶仁祥等[2]针对多元膦酸盐配位无氰镀金存在的镀液稳固性差及镀层结晶细小、孔隙率初等疑问，研制了一种复配减少剂，制备出光泽度高于656 Gs、显微硬度大于100 HV 的光洁Au 镀层。近年来，无氰电镀金工艺正逐渐代替氰化物电镀金工艺在不同畛域中的运行，如化合物 半导体 射频 芯片 、液晶驱动芯片软/硬金凸块及先进封装电镀铜镍金再布线层(RDL)。虽然如此，无氰电镀金在镀液寿命、工艺性能、镀层微观结构等方面依然存在无余，并且缺乏有效的调控手腕，这些也是无氰电镀金进一步遍及亟待处置的疑问[3]。
电镀金目前罕用于以液晶屏(LCD) 驱动芯片 封装为代表的微电子封装畛域(图1)。液晶驱动芯片理论驳回热压键合工艺启动封装，要求电镀金凸块硬度适中(75 ~ 105 HV)，当其硬度太高时可造成芯片分裂，太低则易变形而引发短路，并且影响各向同性导电胶(F)上的电路导通。为了降低制形老本，互连凸块也尝试用Cu/Ni/Au 镀层结构代替纯金，但较沉闷的电镀镍层浸于电镀金药水中时容易出现置换反响(Ni + 2Au+ → Ni2+ + 2Au)，从而构成一层蓬松的化学金层，形成镍基底侵蚀和Ni/Au 界面结合力降低[4-6]。针对镍金置换形成的牢靠性疑问，学者们启动了少量钻研。刘海萍等[7]在置换镀金液中减少聚乙烯亚胺(PEI)后发现，PEI 可稳固吸附于镍基材外表的活性点位，令镍外表的活性趋于分歧，克服镀金药水对镍的部分过侵蚀，以及降低早期镍金置换反响的速率。但PEI 容易夹杂在镀层中，形成镀层硬度不稳固、内应力过大等疑问。除了镍金置换形成的牢靠性疑问，亚硫酸盐电镀还存在镀层晶粒细小、物理性能不稳固、微量硫元素夹杂等疑问，难以满足精细电子电镀的工艺要求[8]。王吉成等[9]钻研了几种巯基羧酸类无机物作为配位剂时对亚硫酸盐无氰电镀金的影响，发现驳回巯基丁酸作为配位剂时可以提高镀液的稳固性，所得Au 镀层结晶粗疏，外观平均、光洁。但是，巯基类化合物也对Au 镀层具有强吸附作用，雷同会由于夹杂而形成镀层硬度不稳固和牢靠性疑问。
针对微电子封装晶圆电镀金凸块工艺制程(见图2)的特点，笔者所在团队开收回一种亚硫酸盐无氰电镀金药水。该药水驳回无机膦酸作为减少剂。一方面，无机膦酸会优先吸附在镍外表，有效克服镍金置换；另一方面，无机膦酸作为金离子的配位剂，不会形成夹杂。相比于氰化物镀金，无氰镀金工艺可以经常使用更易肃清的正光刻胶工艺，电镀环节不会形成光刻胶挤出变形，从而满足晶圆级封装电镀金凸块外观平坦均一和微观结构无毛病的要求，具有产业化大规模运行的后劲。本文将自研无氰电镀金药水与地下的无氰电镀金药水启动对比，为无氰电镀金在微电子封装畛域的运行提供技术撑持。
1 试验
1. 1 镍板电镀金试验
驳回20 mm × 20 mm 的商用纯镍片作为阴极展开电镀金试验。镍片电镀前先驳回10% NaOH 溶液超声除油2 ~ 3 min，再用5%(质量分数)硫酸处置1 min，以去除外表氧化膜。
电镀驳回 泰克 PWS4323 型直流 电源 和4 L 山本A-52 型垂直电镀槽，阳极为铂网， 电流 密度0.4 A/dm2，施镀期间4 min，全环节施加循环过滤且阴极外表施加刮桨搅拌。
自研亚硫酸盐体系无氰电镀金药水的组成及工艺条件为：金离子(以亚硫酸金钠方式参与)10 ~ 12 g/L，亚硫酸钠40 ~ 100 g/L，无机膦酸减少剂1 ~ 5 g/L，晶体调整剂60 ~ 80 mg/L，软化剂2 ~ 10 mL/L，电流密度0.4 ~ 0.6 A/dm2，温度50 ~ 55 °C，pH 7.6 ~ 8.4。
地下的无氰亚硫酸盐电镀药水的组成为：金离子(以亚硫酸金钠方式参与)8 ~ 12 g/L，亚硫酸钠60 ~100 g/L，硫酸钠30 ~ 50 g/L，硫酸乙二胺10 g/L。
1. 2 晶圆电镀金试验
晶圆外表凸块的电镀金药水、工艺和设施与上述相反。不同之处在于，晶圆电镀的阴极是直径4in(约10.16 cm)的碳化硅晶圆片，晶圆外表先磁控溅射50nm 厚的W 阻挠层及50 nm 厚的Au 种子层，经正性光刻工艺制备出长、宽、高区分为80、20 和15 μm 的线路图形。部分凸块结构底部经蒸镀铝钝化层，并进一步经过光刻制备出深1.2 μm，宽4、8 或12 μm 的不同水平开槽。
电镀前先驳回O2/Ar 混合气体对晶圆片启动等离子活化，电镀后在二甲基亚砜中超声溶解光刻胶5 min，纯水荡涤和冷风吹干后270 ℃退火30 min。
1. 3 电镀金凸块微观结构表征
应用赛默飞世尔FEI Nova NanoSEM 450 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)及其X 射线能谱仪(EDS)剖析镀层界面的元素散布。驳回基恩士VK-X1100 激光共聚焦显微镜(LSCM)观察电镀金的外表形貌，并测量毛糙度。驳回赛默飞世尔Helios 5 UX 聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)观察电镀金薄膜和凸块的截面形貌。
2 结果与探讨
2. 1 无机膦酸减少剂对镍金置换的克服造用
镍金置换的实质是沉闷金属对惰性金属的置换反响，也就是在镍基底浸入镀液的环节中，较沉闷的镍原子失去电子变为镍离子，而金离子得电子后以金单质的方式析出。镍金置换会造成镍基底被侵蚀及Ni/Au 界面结合力变差，使 产品 存在渺小的力学毛病和牢靠性危险。将镍片区分浸泡于地下和自研的亚硫酸盐无氰电镀金溶液中2 min，以调查两种镀液的镍金置换状况。从图3 可知，镍片在地下配方的亚硫酸盐金电镀液中浸泡2 min 后清楚变黄，标明出现了镍金置换。相反，在自研的亚硫酸盐金电镀液中浸泡2min 后镍片未变色，这是由于其中的无机膦酸减少剂可有效克服镍金置换反响的出现。
区分驳回地下和自研的亚硫酸盐镀金液在0.4 A/dm2 的电流密度下电镀4 min。从图4 可知，两种体系所得Au镀层的外观相似，说明无机膦酸减少剂并不会对镀层外观带来不良影响。
驳回能谱仪剖析自研无氰镀金试样的截面元素散布。从图5 可知，Ni/Au 层间既无置换夹层，也无P 元素存在，更没有S 元素夹杂。其要素在于无机膦酸也是金离子的辅佐配位剂，不只无夹杂危险，还可以提高镀液的稳固性和经常使用寿命[10-11]。
2. 2 晶圆外表电镀金层的形貌组织剖析
区分驳回地下和自研配方的亚硫酸盐无氰电镀金药水对4 in 晶圆启动电镀，摸索其在微电子封装畛域运行的可行性。由图6 可知，地下和自研配方下亚硫酸盐无氰镀金层的外表毛糙度Ra 区分为22 nm和95 nm。自研药水所得Au镀层的外表毛糙度清楚提高。较高的外表毛糙度(Ra = 90 ~ 110 nm)一方面能够优化引线键合强度，另一方面在后续键合环节中与烧结银的接触面积大，更无利于功率芯片的散热。因此，就外表毛糙度而言，自研药水愈加合乎微电子封装工业的需求。
金属结晶环节经常随同微观应力的发生，会对光刻胶形成必定挤压。但是国产光刻胶理论强度无余，在电镀环节中容易被挤压而惹起图案变形。如图7 所示，驳回地下药水电镀金时，镀层对光刻胶发生挤压，造成图案变形。驳回自研药水对晶圆图形电镀金时，图形平均，无金瘤或孔洞毛病。这关键与二者电结晶微观组织的差异无关，地下药水电镀所得Au 层为柱状晶组织(见图8a)，该组织具有高的微观张应力，在张应力的监禁环节中会发生低密度孪晶片层。自研药水中含有晶粒调整剂，所得Au 层为等轴晶组织(见图8b)。有别于地下药水所得Au 镀层的组织，这种等轴晶组织的微观应力低，晶粒尺寸平均且呈非定向散布，应力不易集中。
区分驳回LSCM 和FIB-SEM 观察晶圆外表电镀金后的外观及其经过270 °C 退火30 min 后 核心 位金凸块的截面微观组织，结果如图9 和图10 所示。
从图9 可知，驳回地下的无氰药水时，电镀凸块上存在金瘤和漏镀毛病，而经常使用自研无氰药水时，整个晶圆上的电镀凸块都平均成长，无微观变形和其余毛病。从图10 可知，驳回自研无氰药水时，电镀金凸块状态坚持良好，随着底部铝钝化层开槽宽度的增大，电镀后凸块核心逐突变凹，但凸块外表的凸起宽度清楚低于底部开槽宽度，外表凸起值也小于1.0 μm，有平坦化的趋向，证实该自研无氰电镀金药水具有必定的整平才干，合乎晶圆电镀对全片平均性的要求。另外，自研无氰药水电镀试样退火后凸块状态坚持良好，且镀层无孔洞毛病或意外结晶，晶粒尺寸散布平均，也合乎晶圆电镀对镀层质量的要求。
3 论断
针对微电子封装晶圆电镀金凸块工艺制程的特点，开收回一种新型亚硫酸盐无氰电镀金药水。本工艺驳回了无机膦酸减少剂，可有效克服镍金置换反响，并且不会出现镀层晶粒尺寸不平均、外表毛糙不对等疑问。还减少了晶体调整剂以构成低应力的等轴晶组织，在施镀环节中不会使国产光刻胶挤出变形，所得电镀凸块满足晶圆级封装电镀金凸块微观形貌平坦平均和无毛病的要求。该自研药水具有极大的运行推行后劲。