直接能量电镀：一种用于互连的新型电沉积工艺VIP专享VIP免费

直接能量电镀：一种用于互连的新型电沉积工艺2008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成本成为其主要压力。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，更合适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、薄膜表面形态、表面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：表面清洗、接触焊、高深宽比结构中的增强型扩散、清除气泡或为加速电镀而减少边界层。电镀的基本原理电镀基于氧化还原反应。将阳极和阴极（电镀表面）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（SO42-）结合，要么在阴极表面还原，吸收电子以形成零价态并沉积在阴极表面。在溶液中，进行搅拌是很重要的，可以避免局部反应及电镀的不均匀。电镀速率基本取决于质量传输。在阴极表面，边界层的存在可降低表面沉积。产生搅拌的机械技术包括喷泉式喷洒和搓板式洗刷（图2）。由于在表面上直接喷洒，喷泉式喷洒会产生湍流。搓板式洗刷会沿着表面产生剪切力，使表面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■用于清洗表面的光亮剂，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■用于减小表面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。超声波基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。振动基本上是波在介质中的传播，传播的典型频率范围在0.5KHz至10MHz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、瑞利波及兰姆波。每一种波都会在液体中产生不同的效果。振动能量基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基础的现象，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应（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。■表面反应——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...