详解化学镍沉积技术的沉积过程

详解化学镍沉积技术的沉积过程

本文通过扫描电子显微镜报道了此类化学镀镍（包括100pm以下的模具）的形成，并研究了各种预处理蚀刻工艺和锌酸盐活化对最终化学镀镍冲击质量的影响，以帮助详细了解活化机制和确定它们对化学镀镍碰撞形态的影响。 进行冲击剪切测试以确定最佳预处理方案，以确保化学镀镍垫的粘附力和电阻测量到冲击模具，确保预处理程序在 AI 和化学镀镍之间产生低电阻界面。 最后，使用模板印刷在 UBM 上创建焊料凸块，从而形成可在组装过程中轻松回流到 PCB 上的焊球。

这项工作使用了两种类型的晶圆。 A 型晶圆由商业设施生产，由 6x6mm 模具和菊花链测试结构组成。 垫板为 AI-Cu (1%) 合金，在 225pm 和 300pm 处布置在模具周围。 焊盘的厚度为3pm点，形状为八角形，宽度为90pm，钝化开口直径为75pm。 B 型晶圆被设计为测试工具，用于确定化学镀镍和焊膏印刷工​​艺的键盘间距限制，并且在大学设施中制造，这种晶圆类型由多个 3x3mm 模具组成，带有纯 AI 的 1pm 厚键盘，下午 150 点、下午 125 点、晚上 100 点和晚上 90 点。 键盘布置在外围和各处。 阵列布局形成菊花链结构，键盘呈八角形，开口直径为60点，夜间150点、125点、100点直径为50点，和90点。

对于化学镀镍沉积工艺，样品按照图 1 所示的工艺路线在一系列化学浴中进行处理。

碰撞前的表面如图2所示。两种晶圆类型具有不同的形貌，表明供应商使用的工艺在所使用的技术和工艺参数上有所不同。 A 晶圆上的键盘非常光滑且均匀，有一些晶界的迹象。 ，晶圆B上的键盘表面具有粗糙的纹理结构，具有许多孔或针孔。 两种结构的差异可能是加工工艺不同或合金成分不同的结果：A晶圆由Al-Cu（1%）合金成分制成，B晶圆为纯A1金属； 晶圆 B 上的纯 a1 焊盘厚度约为 1 point。 关键是局部缺陷，例如针孔，无法减少这层A1层的厚度。 射线照相分析显示这些区域的 A1 含量存在显着差异。 第 p 区（多孔区）显示出来自 Al 层下方衬底的较高 Si 信号。

在这项研究中，A 片上的 AI-Cu 合金焊盘在微观尺度上看起来很光滑，有许多颗粒在 5-1Opm 范围内（图 2a）。 在锌酸处理过程中，锌簇均匀沉淀，但较大的锌簇在晶界线处分离。 这些边界比晶粒体具有更高的自由能，因此在锌酸盐溶液中更容易被激活，从而导致锌颗粒更大的成核。 仔细观察焊盘表面发现，锌颗粒之间形成有凹坑，这些凹坑可能是由于a1溶解导致溶液中锌离子减少而形成的。 不同的成分导致在氢氧化钠和锌酸溶液中的溶解速率不同，这对于 B 片上的纯 a1 键合焊盘尤为重要，因为该工艺很容易损坏 B 片上的纯 a1 键合焊盘。

此外，晶界处的溶解速率可能更高，产生更不均匀的表面。 通过本文发现Al-Cu的溶解速率低于纯铝。 可见B片A1焊盘表面粗糙，不利于Zn层的均匀性和覆盖性，且经过锌酸盐处理后，在这些焊盘上观察到较大的锌岛； 第二次锌酸盐没有产生更均匀和更好的锌层覆盖（在晶圆上观察到）尚不清楚，但可能是由于在第一次锌酸中形成了大的残留锌簇，在第二次锌酸之前没有完全去除。第二次锌酸处理中的硝酸蚀刻工艺； 在第二次锌酸处理盐处理过程中，这些残留的锌簇可以继续生长，导致观察到更大的锌簇。 除了第一个锌酸盐步骤之外，纯 Al 焊盘的局部减薄可能会导致下面的硅暴露，从而显着减少成核位点的数量。

在操作过程中，化学镀镍层与 A1 基板的良好附着力对于实现良好的器件可靠性尤为重要。 为了测量这一点，在晶片 A 上的镍凸块上，以 7 pm 的剪切高度和 150 yd 的剪切速度，用化学镀镍冲击厚度约为 15 pm 的晶片进行剪切测试。获得的剪切强度为与其他研究一致，联锌酸处理产生的镍/铝界面粘附力通常优于单锌酸处理产生的镍/铝界面粘附力。 很容易将这种增强的粘附力与通过酸工艺生产的非常薄的薄膜进行比较。 、均匀的锌层、许多其他因素，例如蚀刻的表面形貌等，也会影响附着力，稍后将讨论。 结果表明，将锌酸盐浸泡时间延长至40和60 s对剪切强度不利，并且令人惊讶的是，如果在镀Ni之前在5%氢氧化钠溶液中进行10 s蚀刻，则进行10 s锌酸盐处理（单次或双次）Ni凸块具有非常好的剪切强度。

镀镍凸块在不同条件下进行剪切试验后的断裂面。 剪切试验中的碰撞有三种主要的失效模式。 一种是Ni/Al界面的脆性断裂，这是5%氢氧化的结果。 在钠溶液中蚀刻10秒产生Ni凸块的情况； 第二种失效类型是Ni/Al界面和Si表面附近的A1焊盘处的混合断裂，在5%氢氧化钠溶液中蚀刻10秒后，在10秒单酸和双酸中偶尔观察到这种现象治疗群众。 第三种失效模式是AI/%界面附近的A1垫发生剪切，这主要在5%氢氧化钠中观察到。 在溶液中蚀刻 20 秒后经过双锌酸处理的凸块。

最后，使用互连焊片之间的四点电阻测量对化学镀镍凸块进行电气验证，并对结果进行总结。 可以看出，锌酸盐处理后和镀镍前电阻增加。 在5%氢氧化钠溶液中蚀刻时间越长，电阻增加越大，这进一步证实了A1焊盘厚度的减少导致电阻略有增加，而不是镍镀层，这与剪切测试一致结果。 显然，Wafer B 的 A1 垫片的厚度至关重要，在加工过程中必须注意保持其厚度。

最后，研究了化学镀镍沉积技术，并用于生成UBM中间层，用于后续焊膏模板印刷，以实现低成本沟槽倒装芯片组装滴。

1、焊盘的内部结构和结构会影响UBM工艺。 A晶片光滑的AI-Cu(l%)合金晶片比粗糙的纯AI晶片更细、更薄、更均匀。

2.联锌酸比单锌酸产生更细、更薄、更均匀的锌酸层。 这是由于硝酸的平坦化作用去除了第一层锌并产生了更多的成核位点。 然而，这不适用于晶圆 B。

3. A1焊盘的成分和厚度会导致在氢氧化钠和锌酸溶液中的溶解速率不同，并且可能在晶界处发生优先蚀刻。 这对于同样薄的晶圆 B 上的纯 a1 键合焊盘尤其重要。 此过程可能会损坏。

4. A 片和 B 片上均产生了蘑菇状凸块，但 A 片上的 Ni 凸块形状和表面光洁度更加均匀，因为镀镍前焊盘上形成的凸块更光滑、更薄，并且有致密的锌酸盐层。

5.剪切强度和电阻测量验证了晶圆A和晶圆b焊盘上化学镀镍涂层的可靠性，并且通过焊膏印刷和回流焊在这些UBM中间层上产生的焊料凸块被确认是均匀的和足够的凸块高度对底层焊盘具有良好的附着力。