詳解化學(xué)鎳沉積技術(shù)的沉積過程

本文報道了這種化學(xué)鎳的形成，包括在100pm以下的模具,通過掃描電鏡檢查，研究了各種預(yù)處理刻蝕過程和鋅酸鹽活化對最終化學(xué)鎳碰撞質(zhì)量的影響，以幫助詳細了解活化機理，并確定它們對化學(xué)鎳碰撞形貌的影響。碰撞剪切試驗進行了確定最佳預(yù)處理方案，以確?；瘜W(xué)鎳的粘合墊和電阻測量碰撞模具，確保預(yù)處理程序產(chǎn)生一個低人工智能和化學(xué)鎳之間的電阻接口。最后，使用鋼網(wǎng)印刷在UBM上產(chǎn)生焊料凸起，從而形成焊料球，在組裝過程中可以很容易地回流到PCB上。

在這項工作中使用了兩種類型的晶圓。A型晶片由一家商業(yè)機構(gòu)生產(chǎn)，由6x6mm模具和菊花鏈測試結(jié)構(gòu)組成,焊墊為AI-Cu（1%）合金，在下午225點和300點布置在模具周圍,護墊的厚度是下午3點，呈八角形，寬度為晚上90點,鈍化后的開口直徑為下午75點,B型晶片被設(shè)計為一種測試工具，以確定化學(xué)鎳和焊料糊印刷工藝的鍵墊間距限制，并由一個大學(xué)設(shè)施制造,這種晶圓類型包括一些3x3毫米的模具與純AI的lpm厚的鍵墊,在晚上150點、晚上125點、lOOpm和晚上90點，鍵墊被安排在外圍和全陣列布局中形成菊花鏈結(jié)構(gòu),鍵墊是八角形的，直徑60點的開口，晚上150點，125點，100點，90點的直徑50點。

對于化學(xué)鎳沉積過程，樣品按照圖1所示的工藝路線在一系列化學(xué)浴中進行處理。

碰撞前的表面如圖2所示。兩種晶圓類型的形態(tài)都有所不同，說明供應(yīng)商所采用的工藝在所使用的技術(shù)和加工參數(shù)上都有所不同,晶片A上的鍵墊非常光滑和均勻，有一些晶界的證據(jù),晶片B上的鍵墊表面具有粗糙的紋理結(jié)構(gòu)，有許多孔或針孔,兩種結(jié)構(gòu)的差異可能是不同的加工或不同的合金組成的結(jié)果：晶片A由AI-Cu（1%）合金組成，而晶片B為純A1金屬；B晶片上的純a1墊大約有1點厚，關(guān)鍵的是，局部缺陷，如針孔不能減少這個A1層的厚度，對圖2b所示區(qū)域進行的x射線分析顯示，這些區(qū)域的A1含量存在顯著差異。第p區(qū)（多孔區(qū)域）顯示從A1層下的襯底有更高的Si信號。

在本研究中，晶片A上的AI-Cu合金鍵墊在微觀尺度上似乎是光滑的，許多晶粒在5-1Opm范圍內(nèi)(圖2a)。鋅酸處理過程中鋅團的沉淀均勻，但較大的鋅團在晶界線上分離。這些邊界比晶粒體具有更高的自由能，因此在鋅酸鹽溶液中更容易被激活，從而導(dǎo)致鋅粒子的成核程度更大，對鍵墊表面的仔細觀察發(fā)現(xiàn)，鋅顆粒之間形成了凹坑，這可能是由于a1的溶解導(dǎo)致溶液中鋅離子的還原而形成的。不同組成會導(dǎo)致氫氧化鈉和鋅酸溶液中不同的溶解速率，這對于晶圓B上的純a1鍵合墊尤為重要，并且很容易被這一過程損壞。

此外，在晶界的溶解速率可能更高，產(chǎn)生更不均勻的表面。通過本文發(fā)現(xiàn)，AI-Cu的溶解速率低于純鋁。看來，晶片B上A1墊的粗糙表面紋理不利于Zn層的均勻性和覆蓋范圍，經(jīng)過鋅酸鹽處理后，在這些墊片上觀察到更大的鋅島；第二個鋅酸沒有產(chǎn)生更均勻和更好的覆蓋鋅層（觀察晶片）尚不清楚，但可能是由于大殘留鋅集群形成第一鋅酸，沒有完全刪除在硝酸蝕刻過程之前第二鋅酸處理；在第二次鋅酸鹽處理期間，這些殘留的鋅團簇可以繼續(xù)生長，從而導(dǎo)致觀察到的更大的鋅團簇。另外第一個鋅酸步驟，純a1墊的局部變薄可能導(dǎo)致下面的硅暴露，從而顯著減少成核位點的數(shù)量。

在操作過程中，化學(xué)鎳層與A1襯底的良好粘附性對于實現(xiàn)設(shè)備的良好可靠性尤為重要。為了測量這一點，對被化學(xué)鎳碰撞到下午15點左右厚度的晶片進行了剪切測試，在下午7點的剪切高度和150碼的剪切速度下，從晶片A上的Ni凸起所獲得的剪切強度，與其他研究一致，雙鋅酸處理產(chǎn)生的鎳/鋁界面粘附一般優(yōu)于單鋅酸處理，很容易將這種增強的附著力與雙鋅酸鹽過程產(chǎn)生的非常薄、均勻的鋅層聯(lián)系起來，許多其他因素，如蝕刻的表面形貌等，也會影響附著力，并將在稍后討論。結(jié)果表明，將鋅酸鹽浸沒時間延長到40和60s對剪切強度不利，令人驚訝的是，如果在Ni電鍍之前在5%氫氧化鈉溶液中進行10s蝕刻，使用10s鋅酸處理（單或雙）的Ni凹凸的剪切強度非常好。

在不同條件下對鍍鎳凸塊進行剪切試驗后的斷裂面，剪切試驗中的凸起主要有三種失效模式，一種是來自Ni/Al界面的脆性斷裂，這是在5%氫氧化鈉溶液中10s蝕刻產(chǎn)生的Ni凸起的情況；第二種失效類型是在Ni/Al界面和在Si表面附近的A1鍵合墊處的混合斷裂，在5%氫氧化鈉溶液中腐蝕10秒后，在10秒單和雙鋅酸處理的腫塊中偶爾觀察到這種現(xiàn)象，第三種失效模式是通過在AI/%界面附近的A1墊進行剪切，這主要是在5%氫氧化鈉溶液中蝕刻20秒后的雙鋅酸處理的凸起。

最后，利用對相互連接的焊片之間的四點電阻測量，對化學(xué)鎳凸起進行了電驗證并總結(jié)了這些結(jié)果?？梢钥闯鲣\酸鹽處理后和鍍鎳前的電阻都有所增加，在5%氫氧化鈉溶液中蝕刻的時間越長，電阻的增加就越大，這進一步證實了A1墊的厚度減少引起的阻力略有增加，而不是鎳涂層，這與剪切試驗結(jié)果一致。很明顯，晶圓B的A1墊片的厚度是至關(guān)重要的，在加工過程中必須小心，以保持它。

最后研究了化學(xué)鎳沉積技術(shù)，并用于生成UBM夾層，用于后續(xù)的焊膏模板印刷，以實現(xiàn)低成本的細溝翻轉(zhuǎn)芯片組裝滴。

1. 鍵合墊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)會影響UBM過程，在A晶片光滑的AI-Cu(l%)合金晶片上，比在粗糙的純AI晶片上更細、更薄、更均勻。

2. 雙鋅酸比單鋅酸產(chǎn)生單鋅酸更細、更薄、更均勻的鋅酸層，這是由于硝酸去除第一鋅層的扁平效應(yīng)，并且產(chǎn)生了更多的成核位點，然而并不適用于晶圓B。

3. A1鍵墊的組成和厚度會導(dǎo)致氫氧化鈉和鋅酸溶液中不同的溶解速率，在晶界處可能發(fā)生優(yōu)先蝕刻，這對于晶圓B上的純a1鍵合墊尤為重要，一樣薄可能會被這個過程損壞。

4. 在晶片A和B上都產(chǎn)生了蘑菇狀凸起，但是晶片A上的Ni凸起在形狀和表面光潔度上更均勻，因為在鍍鎳之前在焊盤上形成了更光滑、更薄和更致密的鋅酸鹽層。

5. 剪切強度和電阻測量已經(jīng)驗證了晶片A和晶片b的焊盤上化學(xué)鍍鎳涂層的可靠性，通過焊膏印刷和回流在這些UBM夾層上產(chǎn)生的焊料凸點被證實具有均勻和足夠的凸點高度以及對下面焊盤的良好粘附性。
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