應用于集成電路制造的電鍍金工藝控制

張樂平，水玉洋

(安美特中國（化學）有限公司，上海 201707)

金鍍層具有接觸電阻低、導電性能好、可焊性好、耐腐蝕性強，因而電鍍金在集成電路制造中有著廣泛的應用，例如：在驅動IC封裝中普遍使用電鍍金凸塊；在CMOS/MEMS中應用電鍍金來制作開關觸點和各種結構等；在雷達上金鍍層作為氣橋被應用；電鍍還被用于UBM阻擋層的保護層，以及用于各種引線鍵合的鍵合面等等。

1 電鍍金工藝

1.1 電鍍金工藝流程

集成電路中的金電鍍工藝流程：①在硅片上濺射鈦、鈦鎢等金屬作為黏附層，再濺射很薄的一層金作為電鍍的導電層；②涂布光刻膠，光刻顯影出電鍍所需的圖形；③清洗后進行電鍍金；④褪除光刻膠；⑤蝕刻圖形以外的導電層；，⑥退火。

1.2 電鍍金原理

鍍金陽極一般采用鉑金鈦網材料。當電源加在鉑金鈦網(陽極)和硅片(陰極)之間時，溶液會產生電流，并形成電場。陽極發生氧化反應釋放出電子，同時陰極得到電子發生還原反應。陰極附近的絡合態金離子與電子結合，以金原子的形式沉積在硅片表面。鍍液中的絡合態金離子在外加電場的作用，向陰極定向移動并補充陰極附近的濃度消耗，如圖1為水平杯鍍示意圖，圖2為垂直掛鍍示意圖。電鍍的主要目的是在硅片上沉積一層致密、均勻、無孔洞、無縫隙、無其它缺陷的金。

圖1 水平杯鍍

圖2 垂直掛鍍

1.3 電鍍藥水

集成電路電鍍金工藝通常有兩種體系的電鍍液：氰化物體系及非氰化物體系。氰化物體系穩定性高，壽命長，因而成本較低，但氰化物有毒性，需有嚴格的使用規范加以管理。目前集成電路制造中常見的氰化物電鍍金藥水是微氰體系，呈弱酸性，鍍液中金以Au(CN)-2的絡合物形式存在。主要成分為：金鹽、導電鹽、緩沖劑和添加劑。這種鍍液體系穩定，毒性較小，鍍層光亮平滑，硬度適中，耐磨性好，孔隙率低，可焊性好。非氰化物體系的以亞硫酸金鈉為常見的金鹽，亞硫酸根比較容易被氧化，因而較之氰化物體系，其工藝穩定要差一些。本文主要針對氰化物體系的電鍍金工藝。

1.4 電鍍金設備

選擇合適的電鍍設備，將會獲得較為滿意的鍍層。電鍍設備可分為二類：水平噴流式杯鍍和垂直掛鍍兩種方式。杯鍍式將晶圓覆蓋在一個杯狀的鍍槽上，電鍍以一杯一片的方式進行。掛鍍式則是將晶圓垂直浸入鍍液中，一個鍍槽可以同時進行多片電鍍。杯鍍式的電鍍需注意氣泡的去除，否則將會影響鍍層厚度的全片均勻性。掛鍍式則比較容易去除反應產生的氣泡，但需注意傾斜鍍層的產生。

1.5 電鍍工藝控制

電鍍工藝參數的控制對鍍層性能的影響很大。現以氰化物電體系鍍金藥水為例，詳細介紹電鍍金工藝中需要控制的幾個主要參數：

(1)電流密度：0.1～1.0 A/dm2

隨著電流密度的提高，金的沉積速率加快，如表1所示。

表1 電流密度與沉積速率的關系

電流密度的提高，鍍層的表面粗糙度增加。

(2)溫度：40～80℃

鍍液溫度高于40℃后，溫度繼續升高，鍍層的粗糙度變化不是很明顯，一般是在100 nm左右。隨著溫度升高，鍍層硬度將有所下降。

(3)pH：5.0～7.0

pH對鍍層表面粗糙度的影響趨勢為：隨著pH逐漸升高，鍍層表面粗糙度略有增加，但仍保持在100 nm以下。

提高pH值，允許的電流密度將提高，鍍層中的金含量提高，同時鍍層的硬度和內應力將有所下降。

(4)金質量濃度：8～20 g/L

提高鍍液中金的質量濃度，可提高電流密度范圍，提高金的沉積速度。金的質量濃度提高，鍍層的光亮度和均勻度都有改善。

(5)密度

隨著鍍液使用的時間逐漸延續，鍍液的密度將越來越大，鍍層的粗糙度也會越來越大。另外，鍍金液由于金鹽質量濃度低，需要大量的導電鹽來支持電極過程的進行，導電鹽的質量濃度可通過鍍液的密度來反映。

(6)流量：10～30 L/min

電鍍時的流量控制也很重要，因為流量的大小對鍍層的性能會有影響，如果流量太小，則離子交換速度慢，鍍層粗糙；若流量太大，金離子未來得及被還原就被帶走，這樣鍍層會變得疏松。另外，如果使用的電鍍設備是杯鍍，在電鍍過程中如果流量始終不變的話，那么停留在晶圓中間的氣泡就會一直停留在那里，容易在鍍層上形成凹孔。此時若突然改變流量，則氣泡所受到的平衡力將被破壞，氣泡的運動狀態即可發生改變，這就是平時所講的除泡過程。所以，杯鍍設備在設計時，循環系統中采用變頻器調節流量。掛鍍的氣泡則較容易去除。此外，鍍金液應使用1 μm以下的PP濾芯連續過濾。鍍金液不建議使用空氣攪拌。

(7)添加劑

添加劑能改善鍍層的表面粗糙度，但添加時應逐步進行，總量最好不要超過5 mL/L，因為添加劑的中無機成分，可能會影響金鍍層的純度，也會使鍍層的硬度增大。

2 鍍層性能

2.1 鍍層厚度及均勻性

鍍層厚度量測設備可以分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式的量測有Profiler等儀器；非接觸式的量測有X-ray和干涉顯微鏡。不均勻性的計算公式如下：

由于邊緣效應的影響，晶圓鍍金層邊緣厚，中間薄。一般半導體后道封裝中的引線鍵合和焊接工藝對within-wafer(全片均勻性)的要求是小于10%。

2.2 鍍層表面粗糙度

影響鍍層表面粗糙度的因素主要有：電流密度、溫度、pH、密度、循環流量和添加劑質量濃度。鍍層表面粗糙度應控制在100 nm左右，粗糙度太大或太小對引線鍵合和焊接都會產生不良影響。因此，我們需要保證鍍層有一定的粗糙度。

2.3 鍍層硬度

影響鍍層硬度的因素主要有：溫度、循環流量、添加劑質量濃度。

鍍金工藝后，鍍層硬度還可以通過退火來調節。退火之前鍍層硬度大約在100 HV左右，在退火條件為300℃保溫30 min后，鍍層的硬度一般是在60 HV左右。退火效果也受退火設備的影響。

2.4 鍍層剪應力

要測量鍍層的剪切應力，鍍層厚度需要在10μm以上。一般工藝要求剪切應力大于8 mg/μm2。

2.5 鍍層的鍵合性能 (可焊性)

常見的金線直徑為25 μm，鍵合溫度為135℃，用超聲波加強鍵合。通過拉力測試評價鍵合性能，業界一般要求拉力在8 cN以上。

3 結束語

集成電路制造對電鍍金的性能，如鍍層均勻性、粗糙度、硬度、剪應力、可焊性等，要求越來越高，但只要選擇合適的電鍍設備系統和恰當的電鍍藥水，且控制好相關參數，仍然可以獲得性能優越的金鍍層以滿足業界需求。

[1] 張允誠.電鍍手冊[M].北京：國防工業出版社，1997.