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直接能量电镀：一种用于互连的新型电沉积工艺

作者：Steve T. ChoSurfect Technologies 2008-04-07 点击:1591

　　新型电镀工艺技术可解决传统电镀的局限。

　　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。

图1电镀基于离子氧化还原动力学沉积速率在很大程度上受到沉积表面的边界层的影响

　　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（SO4 2-）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。

图2喷泉式喷洒和搓板式剪切洗刷是两种最普通的产生搅拌和降低边界层的方法

　　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。

图3四种波可在不同方向上引导流体的运动

　　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0.5 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）。

图4扫描基带频率并改变实时占空比可在输出的超声波中产生宽带响应

　　我们开发了一种系统

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