MEMS晶圓級封裝種子層刻蝕工藝研究

李勝利，馬占鋒，高健飛，王春水，黃 立

（武漢高芯科技有限公司，武漢430000）

1 引言

目前，MEMS芯片封裝技術(shù)可分為晶圓級、芯片級和系統(tǒng)級封裝等[1-3]。芯片級封裝對單顆芯片進行操作，成本高，效率低。系統(tǒng)級封裝是在同一基板上集成不同功能的芯片，因封測過程中一般用到多層結(jié)構(gòu)的BT材質(zhì)基板，加上各類芯片的組裝及最終成品的測試，其成本仍然較高。晶圓級封裝針對整個圓片進行操作，是目前器件封裝領(lǐng)域最前沿的技術(shù)，具有效率高、成本低的特點。

晶圓級封裝中，鍵合環(huán)的金屬化一般通過電鍍完成[4-5]：首先濺射鈦、銅作為種子，電鍍完成后再用濕法刻蝕去除種子層。銅種子一般采用過硫酸銨或酸性雙氧水體系去除[6]。但這兩種藥液對鈦幾乎無任何作用，鈦種子層還需要單獨的藥液進行刻蝕，這不但增加了工藝的復(fù)雜性，影響生產(chǎn)效率，還增加了生產(chǎn)成本。因此，有必要探究新的種子層刻蝕工藝。

有研究表明[7-8]，雙氧水在堿性條件下電離出的過氧根離子可以和鈦發(fā)生反應(yīng)。另有研究表明[9]，I號液（氨水、雙氧水和水的混合物）中的雙氧水可以將銅氧化為氫氧化銅，而其中的氨水又可以和氫氧化銅發(fā)生螯合作用，生成可溶的銅氨絡(luò)合物。綜上，I號液特殊的物理和化學性質(zhì)為實現(xiàn)銅和鈦的同時刻蝕提供了可能。

2 實驗設(shè)計

2.1 蓋帽晶圓制備

蓋帽晶圓單個蓋帽結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1(g)所示，包括硅襯底，蓋帽腔，鍵合環(huán)，鈦、銅種子層和焊料層。蓋帽腔的深度是100 μm；鈦、銅種子層的厚度分別是20 nm和300 nm，其中鈦起黏附作用，銅主要用于調(diào)節(jié)電鍍阻抗，使電鍍更均勻；焊料層依次堆疊有銅、鎳、金和錫，其中銅是過渡層，鎳是阻擋層，金錫是焊料。蓋帽結(jié)構(gòu)制作工藝流程如圖1所示，包括如下步驟：1）對圖1(a)中的硅襯底進行掩模和深硅刻蝕，得到如圖1(c)所示的蓋帽腔和鍵合環(huán)；2）在上述結(jié)構(gòu)上分別濺射鈦和銅，作為電鍍的種子層，其結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示；3）對圖1(d)所示的晶圓進行掩模，得到如圖1(e)僅露出部分鍵合環(huán)的結(jié)構(gòu)；4）對圖1(e)所示的結(jié)構(gòu)進行電鍍，生長所需要的焊料層，結(jié)構(gòu)如圖1(f)所示；5）電鍍完成后，通過濕法清洗去除掩模并露出種子層。

圖1 晶圓級封裝蓋帽制作流程圖

2.2 實驗過程

首先用30%的氨水、30%雙氧水和去離子水（DIW）按不同比例配制好Ⅰ號液；然后分別用濺射有銅和鈦的無圖形樣片測試銅和鈦的刻蝕速率，以選擇合適的配比；最后用蓋帽晶圓確認腐蝕效果。

3 結(jié)果與分析

3.1 氨水濃度的確定

在雙氧水濃度為0.66 mol/L的條件下，分別研究了氨水濃度依次為0.53 mol/L、1.06 mol/L、2.11 mol/L和3.17 mol/L時銅和鈦的腐蝕速率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 氨水濃度對銅和鈦腐蝕速率的影響

從圖2可以看出銅的腐蝕速率隨氨水濃度的增加而增大：當氨水濃度小于2.11 mol/L時，銅的腐蝕速率隨氨水濃度的增加而緩慢增加；當氨水濃度大于2.11 mol/L時，銅的腐蝕速率明顯加快。這是因為四氨合銅離子（Cu2++4NH3?Cu（NH3）42+）的生成，降低了銅的電極電位，提高了其還原性[10]。因為實驗采用單片式濕法腐蝕工藝，反應(yīng)生成的Cu（NH3）42+被高速旋轉(zhuǎn)的晶圓迅速甩出而脫離銅表面。因此Cu（NH3）42+的濃度對上述反應(yīng)無影響，平衡常數(shù)計算中其濃度可視為不變，看成常數(shù)1。上述化學反應(yīng)的穩(wěn)定平衡常數(shù)可簡化為公式（1）：

據(jù)能斯特方程可計算銅的電極電位，見公式（2）：

將公式（1）代入公式（2）整理得公式（3）：

公式（3）中，一定溫度下K穩(wěn)是定值，Eφ[Cu2+/Cu]是銅的標準電極電位，也是常數(shù)。因此I號液中銅的電極電位與氨水濃度成反比。將“-0.1184 lg（[NH3]）”計算值與氨水濃度的關(guān)系曲線繪于圖3。

圖3 “-0.1184 lg（[NH3]）”與氨水濃度的關(guān)系曲線

從圖3可以看出，銅的電極電位變化率在氨水濃度為2.11 mol/L處出現(xiàn)突變，與銅腐蝕速率在氨水濃度為2.11 mol/L處出現(xiàn)突變對應(yīng)。這是因為銅在I號液中的溶解分為銅氧化（Cu+H2O2=Cu(OH)2）和形成銅氨配合物（Cu(OH)2+4NH3=Cu(NH3)4(OH)2）兩個過程。當氨水濃度比較低時，銅的氧化過程占優(yōu)勢，有富余的高價銅沒有發(fā)生配合反應(yīng)。此時進一步提高氨水濃度，銅的電極電位有較快變化。但由于氨水配合能力不足，銅的腐蝕速率仍然較慢。當氨水濃度較高時，銅離子配合過程占優(yōu)勢，只有少量的高價銅進一步配合，銅的電極電位變化減慢。此時，由于新生成的高價銅會被氨水迅速絡(luò)合掉，所以銅的腐蝕快速進行。

與銅的刻蝕現(xiàn)象不同，鈦的腐蝕速率則隨氨水濃度的增加而減小。這是因為氨水會促進雙氧水水解，使鈦在與I號液反應(yīng)過程中出現(xiàn)難溶副產(chǎn)物Ti(OH)4，阻礙了反應(yīng)的進行[10]。氨水濃度過低，銅反應(yīng)較慢，生產(chǎn)效率低；氨水濃度太高，銅反應(yīng)又太快，生產(chǎn)過程難以控制。因此，氨水濃度確定為2.11 mol/L。

3.2 雙氧水濃度的確定

在氨水濃度為2.11 mol/L的條件下，研究了雙氧水濃度分別為0.66 mol/L、0.99 mol/L、1.32 mol/L和1.65 mol/L時銅和鈦的腐蝕速率，結(jié)果如圖4所示。銅的腐蝕速率隨雙氧水含量的增加得比較緩慢，而鈦的腐蝕速率則隨雙氧水含量的增加而明顯增加。如3.1節(jié)所述，當氨水濃度較低時，銅的氧化有余而螯合不足，所以增加雙氧水含量對銅的腐蝕速率并無顯著影響；而雙氧水濃度的提高則可以增加溶液中OOH-離子的濃度，顯著促進鈦的溶解[10]，所以鈦的腐蝕速率隨雙氧水濃度的提高而明顯增加。增加雙氧水含量對銅的腐蝕速率無明顯影響，而鈦的腐蝕速率卻過快增加；另外，鈦種子層的厚度只有20 nm，雙氧水濃度為0.66 mol/L時的腐蝕速率比較合適。綜上，雙氧水濃度確定為0.66 mol/L。

圖4 雙氧水濃度對銅和鈦腐蝕速率的影響

3.3 腐蝕形貌分析

氨水濃度和雙氧水濃度分別為2.11 mol/L和0.66 mol/L時，研究了相同腐蝕時間下兩步法和一步法腐蝕后的形貌。兩步法首先用過硫酸銨刻蝕銅種子層，再用I號液刻蝕鈦種子層。因為I號液對銅也有一定的腐蝕作用，所以兩步法相當于對銅進行了兩次刻蝕。因為腐蝕銅種子層的過程中，電鍍生長的銅層是暴露在外面的，所以兩層銅最終都會因濕法腐蝕各向同性的特點而產(chǎn)生一定的側(cè)向鉆蝕效應(yīng)。從圖5可以看到，兩步法腐蝕工藝銅層的側(cè)向侵蝕量比一步法大，形成了4 μm左右的屋檐結(jié)構(gòu)。較大的屋檐結(jié)構(gòu)更容易殘留污染物，污染物的存在增加了器件封裝后真空度下降進而影響器件性能和使用壽命的風險。一步法刻蝕后的屋檐結(jié)構(gòu)較小，且顯著提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

圖5 不同工藝腐蝕后形貌對比

4 結(jié)論

本文通過調(diào)節(jié)I號液中氨水和雙氧水的比例，達到了將種子層刻蝕由兩步合成一步的目的。該工藝可以顯著提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。研究表明：

（1）銅的腐蝕速率隨氨水濃度的增加而增大，而鈦的腐蝕速率卻隨氨水濃度的升高而減小。這是因為I號液中氨水對銅主要起配合作用，由于配合物的生成，顯著降低了銅的電極電位，提高了其還原性，有利于加速銅的溶解；但氨水會促進雙氧水分解，使鈦在與I號液反應(yīng)過程中出現(xiàn)難溶副產(chǎn)物Ti(OH)4，難溶副產(chǎn)物吸附在鈦表面，抑制了反應(yīng)的進行。

（2）銅的腐蝕速率隨雙氧水濃度的提高而緩慢增加，而鈦的腐蝕速率則隨雙氧水濃度增加得比較明顯。這是因為當氨水濃度較低時，銅氧化有余而螯合不足，所以增加雙氧水含量對銅的腐蝕速率并無顯著影響；而雙氧水濃度的提高可以增加溶液中OOH-離子的濃度，顯著促進鈦的溶解，所以鈦的腐蝕速率隨雙氧水濃度的提高而明顯增加。

（3）當氨水和雙氧水的濃度分別為2.11 mol/L和0.66 mol/L時，I號液對銅和鈦有合適的選擇比，可以實現(xiàn)種子層的一步刻蝕且同樣腐蝕時間下可以獲得比傳統(tǒng)兩步法工藝更優(yōu)的刻蝕效果。