1．前言
到目前為止，半導(dǎo)體晶圓已經(jīng)按照摩爾定律實現(xiàn)了高度集成化和微型化。而且，半導(dǎo)體封裝方面，也從傳統(tǒng)的平面二維（2D）安裝，逐漸過渡到堆疊芯片的立體三維（3D）安裝。與此同時，待電鍍的電極尺寸也從引線鍵合的約100μm減小到3D安裝凸點鍵合的Φ2-10μm，尺寸減少了至少一個數(shù)量級，微小部分的鍍膜析出性能變得愈發(fā)重要。此外，為了提高生產(chǎn)效率而逐漸增大的晶片尺寸，使得實現(xiàn)鍍膜厚度面內(nèi)均勻性方面的技術(shù)難度變得更大。
近年來，對于使用了諸如圖像傳感器、高頻濾波器和TSV（硅通孔）的存儲器件之類的晶片中的Via（孔）的電鍍需求不斷增長。該Via的直徑也越來越細小，鍍液對Via底部的液體循環(huán)性能和潤濕性對鍍膜析出性能有很大的影響。
另一方面，從建浴后開始隨著電鍍過程的進行，金屬濃度會減小，添加劑會消耗，而副產(chǎn)物和雜質(zhì)的濃度會增加，鍍液中各成分的平衡會經(jīng)常變化，電鍍過程的控制技術(shù)變得尤為重要。
基于此，本文將首先介紹晶圓電鍍設(shè)備的類型和結(jié)構(gòu)，然后從電鍍設(shè)備的角度，介紹一些示例以說明電鍍工藝技術(shù)的改進是如何響應(yīng)市場需求的。然后，基于晶圓技術(shù)的最新趨勢，描述今后的挑戰(zhàn)。
2．晶圓電鍍設(shè)備
2.1 類型和主要特點
晶圓電鍍設(shè)備(電解電鍍)大致可分為兩種：一種是將晶圓垂直放入電鍍槽的DIP法，另一種是將晶圓水平(橫向)放入電鍍槽的CUP法。
在DIP法中，晶圓固定在夾具中，夾具垂直放入電鍍槽中，雖然晶圓附著和脫離的頻率較低，但攪拌方向固定，難以保證鍍層厚度的面內(nèi)均勻性，且存在大量液體被帶出到下一個槽的缺點。
另一方面，CUP法是將晶圓水平直接固定在CUP型槽中的電鍍方法，在高速攪拌和高速液流性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，可以實現(xiàn)高電流密度的高速電鍍。而由于采用水平方式，設(shè)備的安裝面積往往較大，這也是一個缺點。表1顯示了兩者的特點比較。
如上所述，今后鍍層厚度的平面內(nèi)均勻性將變得更加重要，本章將在下一節(jié)詳細介紹具有高速攪拌可控性的CUP法。
2.2CUP型晶圓電鍍設(shè)備結(jié)構(gòu)
CUP法分為面朝上結(jié)構(gòu)和面朝下結(jié)構(gòu)，前者是將晶圓固定在CUP型鍍槽的底部，鍍面朝上；后者是將晶圓固定在鍍槽的頂部，鍍面朝下。
面朝上結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)高速液體流動的方法，如圖1所示，存在這樣一種結(jié)構(gòu)，其中液體從晶片的上表面的一側(cè)沿一個方向高速地循環(huán)。在這種結(jié)構(gòu)中，由于液體流動在一個方向上是固定的，所以其缺點在于該趨勢容易影響鍍膜厚度分布。
圖1 面朝上型CUP結(jié)構(gòu)
與之相比，面朝下結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是液體不易泄漏，因為晶圓位于電鍍槽的上部，而且由于可以操作晶圓的背面，運輸方便，并且顆粒附著在電鍍表面的風險也低。圖2展示了面朝下型的CUP結(jié)構(gòu)，圖3展示了使用CUP的自動電鍍設(shè)備的照片。
圖2 面朝下型CUP結(jié)構(gòu)
圖3 CUP型全自動電鍍設(shè)備全貌
如圖2所示，面朝下型CUP由從底部噴射電鍍液的噴嘴(Nozzle)、陽極(Anode)、使陰極側(cè)電位分布均衡(修正外周厚度)的遮擋板、使晶圓外周即陰極側(cè)通電的環(huán)形陰極觸點(Ring Cathode)等構(gòu)成。雖然圖中沒有顯示，但為了抑制鍍液中添加劑的消耗，可以在陽極上方安裝研缽狀的隔膜以將陽極和陰極分開。此外，在其上方安裝有用于攪拌鍍液的旋轉(zhuǎn)攪拌葉片（Stirrer）。
如果布置多個這種攪拌葉片，并且每個攪拌葉片一邊自轉(zhuǎn)一邊繞軌道公轉(zhuǎn)，則槽中液體的流動方向總是不斷改變，因此與普通的槳式攪拌相比，金屬離子在平面中的分布更加均勻，在提高鍍層厚度的面內(nèi)均勻性方面是更有效的。
3．電鍍工藝技術(shù)
如上所述，市場上有關(guān)電鍍工藝技術(shù)改進的需求是鍍膜厚度的面內(nèi)均勻性、鍍層在微小圖形和Via上的析出性等，宜從鍍液和電鍍設(shè)備兩方面進行改進。接下來，我們從設(shè)備方面介紹一下滿足這些需求的方法。
3.1 晶圓鍍膜厚度的面內(nèi)均勻性
采用CUP型電鍍系統(tǒng)電鍍時，影響面內(nèi)均勻性的因素主要有兩個，一個是與電流電位分布有關(guān)，另一個是與液流的流速分布有關(guān)。
電流電位分布因素可采用有限要素法等分析方法進行數(shù)值模擬，如圖4所示。一般來說，當陽極(Anode)和陰極(晶片)以相同的面積和形狀彼此面對地排列時，外圍部分的電流電位變高，晶片外圍部分的鍍層厚度也趨于變厚。與這種電流電位分布有關(guān)的因素包括陽極和陰極的尺寸比（陰極是晶圓，所以可變化的是陽極）、陽極和陰極之間的距離（兩極之間的距離）以及遮擋板的安裝。作為糾正上述外圍部分趨于變厚的措施，如果將陽極的直徑做得更小，兩極之間的距離做得更近，可以看到改善趨勢。但一定要注意，因為如果陽極做得太小，陽極側(cè)的電流密度就會增大，從而影響浴槽負載，而如果做得太近，中心部分則可能會變得太厚。另外，也可以通過在陰極附近添加一個環(huán)形的遮擋板來糾正周邊變厚的趨勢。
圖4 模擬分析
流速分布因素包括泵循環(huán)流速和攪拌，這對于維持面內(nèi)均勻性和在陰極附近不斷均勻地提供離子非常重要。特別是當需要在高電流密度或高溫下增加析出速率時，這個因素尤其重要。此外，由于攪拌器位于陽極與噴嘴和陰極之間，所以來自噴嘴的液體的流速和方向發(fā)生變化，這可能會影響遮擋效果的好壞。在這種情況下，必須優(yōu)化攪拌器的形狀和尺寸以及陽極和遮擋板的形狀和尺寸。
另一方面，除了上述兩個因素之外，面內(nèi)均勻性還受到晶片規(guī)格的很大影響。例如，電鍍表面的開口率和圖案尺寸或分布疏密程度等晶片規(guī)格也有很大影響。因此，需要使用電鍍設(shè)備進行電鍍測試并進行實機驗證。晶圓電鍍設(shè)備量產(chǎn)機的電鍍槽尺寸通常約為50至100 L，但如果采用研發(fā)用的電鍍設(shè)備，其電鍍槽結(jié)構(gòu)與量產(chǎn)機相同，如圖5所示，槽的大小為10L，可以減少實際機器驗證過程中電鍍液的成本，并減少使用后的廢液量。
3.2 精細圖案和Via的電鍍析出性
對于小孔徑的光刻膠(PR)精細圖案的電鍍和高深寬比的TSV(硅通孔)的電鍍，這些小孔徑和Via底部的滲漏性可能較差，因此對電鍍進行預(yù)處理對鍍層的沉積性、空隙率和附著力有很大影響。傳統(tǒng)的預(yù)處理方法一般為浸泡法或單流體噴嘴噴淋法，但由于精細圖案或TSV的規(guī)格情況，潤濕性有時可能不夠。
為了解決這個問題，采用圖6所示的旋轉(zhuǎn)清潔設(shè)備，將預(yù)處理液與氣體混合后，從雙流體噴嘴將微小液滴(霧狀)噴到晶圓上，使預(yù)處理液更容易滲透到精細圖案和TSV的Via底部，可提高潤濕性。但是，由于處理液和氣體是混合的，因此，與使用單流體噴嘴的傳統(tǒng)噴霧法相比，噴霧液的用量較少。特別是，噴嘴與晶片之間的距離越長，晶片表面內(nèi)的噴液量可能越不均勻。反之，如果縮短與晶圓的距離，噴霧面積就會減小，因此需要通過放慢噴嘴移動和晶圓旋轉(zhuǎn)速度或增加頻率來優(yōu)化和延長處理時間。
圖6 使用雙流體噴嘴的晶圓清洗設(shè)備示例
另一種方法是在預(yù)處理液與晶圓接觸之前進行脫氣，以消除在TSV等凹陷區(qū)域形成氣泡的可能性。此方法也適用于面朝下結(jié)構(gòu)的晶圓電鍍設(shè)備。此外，對于含有易氧化成分的電鍍?nèi)芤阂埠苡行?，因為脫氣可以去除溶液中的溶解氧。作為另一種脫氣方法，通過降低CUP槽中的壓力也可以達到同樣的效果。
3.3工藝管理技術(shù)
除了在陰極上發(fā)生電鍍析出反應(yīng)外，由于電鍍液中副產(chǎn)物的增加，電鍍液狀態(tài)也會不斷變化，因此從維持運行中的電鍍質(zhì)量和液體壽命的角度來看，電鍍工藝管理技術(shù)非常重要。因此，將自動在線分析并根據(jù)分析值自動補充適量添加劑的系統(tǒng)應(yīng)用于電鍍裝置有可能是有效的。
但是，有些問題僅靠分析補充是無法避免的。例如，在硫酸銅電鍍中溶解陽極上形成的黑膜可能會脫落，或者添加劑可能會分解。對策方面，有一種方法是做一個由隔膜隔開的結(jié)構(gòu)，將供給到陽極側(cè)鍍槽內(nèi)的液體和從液體供給部位供給至晶片（陰極）的液體隔開。另外，Sn電鍍和AuSn合金電鍍時有著Sn2+很容易被氧化和消耗，電鍍液中Sn2+的濃度很容易改變的問題。對策方面，與前面所述一樣，用離子交換膜將陽極室和陰極室隔開，并安裝用來去除沉淀的沉淀槽、過濾設(shè)備或活性炭處理槽等。
另一方面，還有一種電鍍線，通過再生電鍍液并將其返回電鍍槽中，以提高鍍液管理的效率。電鍍液在運行過程中會隨著雜質(zhì)濃度和比重的增加而老化，但從老化的Au鍍液中去除雜質(zhì)，僅提取Au鹽，然后將其送回鍍槽的機制也可以。此外，還可以從電鍍槽后面的回收（Drag-out）槽或水洗槽中進行濃縮回收，再返回電鍍槽。
4．今后的挑戰(zhàn)
未來晶圓電鍍設(shè)備業(yè)務(wù)的發(fā)展將受到半導(dǎo)體封裝技術(shù)趨勢的極大影響。
近年來，預(yù)計將從布線圖案置于芯片內(nèi)部的扇入型（Fan-in）晶圓級CSP（芯片尺寸封裝）向布線圖案置于芯片外部的扇出型（Fan-out）轉(zhuǎn)變。這是因為扇出型可以實現(xiàn)更小的芯片尺寸、搭載多終端和不同類型的多芯片，以及有著更高的封裝設(shè)計自由度。從封裝制造工藝的角度考慮，扇入型工藝是在晶圓級，而扇出型工藝可以是在面板級。換句話說，這意味著未來會有一些產(chǎn)品從晶圓電鍍轉(zhuǎn)為面板電鍍。
另外，用于功率器件和高頻器件的晶圓有望從傳統(tǒng)的Si和GaAs轉(zhuǎn)向SiC和GaN，而且會像Si上的GaN一樣，將由多種類型的襯底而非單個襯底組成。這種電鍍設(shè)備上面，除了低沖擊力的運輸系統(tǒng)外，還需要設(shè)計電鍍用的電流和防止漏液的密封結(jié)構(gòu)。
此外，在電鍍工藝方面，由于對導(dǎo)電性、耐熱性、耐蝕性、低溫工藝的需求不斷增加，預(yù)計從單一金屬電鍍到各種合金電鍍以及使用碳納米管（CNT）和納米金剛石的復(fù)合電鍍等將有所增加。對于這些方面，上文3.3所述的工藝管理技術(shù)將變得越來越重要。
5．結(jié)語
本文介紹了電解電鍍的晶圓電鍍設(shè)備，但預(yù)計今后在LSI等邏輯器件上，無電解電鍍的應(yīng)用將逐步增加。無電解電鍍不需要從種子層形成到光刻工藝再到種子層刻蝕等一系列工序，與電解電鍍工藝相比，其優(yōu)點是設(shè)備資金投入和工藝成本可以大大降低。但相反地，與電解電鍍相比，其電鍍工藝管理更復(fù)雜、更困難。
未來，我們希望進一步探索電解和無電解電鍍解決方案的可能性，包括有市場增長預(yù)期的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和顯示器相關(guān)的趨勢。
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