經由 ITRC 代工所做出的 TSV，孔徑大小約 100 μm，四吋矽晶圓厚度 525 µm，
以bottom-up 的電鍍方法做深孔金屬填滿，雖未使用脈衝式電流，但已可有效改善 電鍍沉積速率不均的問題，實驗結果如圖 4.1 ；以 Angilent 34405A Digital Multimeter 經實際量測 20 個以鎳電鍍 TSV 結構的電阻值，平均電阻值=0.2563 ohm，
介於0.228~0.291 ohm，而 Multimeter 本身的探針相碰所得電阻值為 0.178 ohm，相 減之後可得知此TSV 垂直式導線電阻值僅約 0.078 ohm，表示本研究所製作的 TSV 垂直導線結構可作為一有效且低電阻導線。
圖4.1 TSV 電鍍完成圖
晶圓載片
電鍍面積增加區域
TSV
破片試片
39
4.2 瞬間液相接合
在進行晶圓接合的過程中，對接合電路結構通以電壓電流，促使其作局部加 熱，讓鎳與錫金屬進行瞬間液相接合(TLP bonding)，圖 4.2 則是在兩次成功的實驗 記錄中記錄電流與電阻值變化，輸入固定電壓3.5V 維持一小時，從圖中可知，電 阻初始值約為0.85-0.96Ω，在兩分鐘內增加至 1.2-1.1Ω，在之後的操作時間內電阻 值都維持在 1.1Ω 左右。理論上在加熱後溫度超過 232℃，錫金屬開始融熔，金屬 由固體轉為液體且電阻值與溫度成正比關係，因此電阻值會開始上升，當 TLP bonding 鍵結形成並待試片冷卻後，電阻值會下降，而以成功接合的五個試片，以 三用電表連接接合環兩側的墊片(Pad)，量測接合環結構的電阻值分別為 0.501 ohm、
0.571 ohm、0.401 ohm、0.338 ohm 與 0.358 ohm，平均電阻值為 0.434 ohm。
圖 4.2 TLP 接合實驗電流/電阻隨時間變化圖
40
由於本實驗所使用的探針(probe)是以尖端觸碰墊片(pad)做電流電壓輸入，在 電源供應器-探針與探針-墊片之間也會產生電阻。
此外，根據式(7)
V IR (9) 輸出固定電壓，可藉由電阻值的變化對電流變化進行簡單的回饋控制，因為若改 以固定電流輸出，若實驗時電阻值增加，電壓會隨之等比例增加，會造成輸出功 率過高而溫度急遽上升，導致元件因高溫而損毀。
圖4.3 以 SEM 拍攝接合後的側剖面圖，可看出接合處仍有部分為緊密接合，
此惟因加熱產生的氣泡所生成的孔隙。
圖4.3 TLP 接合的 SEM 側剖面圖
將試片以 EDS 做元素分析，如圖 4.4 可見錫成分在中間的含量最高，然後靠 近晶圓兩邊成分含量逐漸遞減，在兩側成分量最低，由此可知錫金屬在接合的過 程中逐漸向兩側擴散，與鎳形成瞬間液相接合；而圖4.5 是各點成分分析圖，其中 含有鈉(Na)是因為使用含鈉玻璃，分析成分中的鉑(Pt)與鈀(Pd)成分是因為試片在
Void Ni-Sn bonding
拍攝 SEM
42
(A)
(B)
43
(C)
(D)
圖4.7 不不同寬度接合
圖4.5 接合
圖4
合環的TLP
合層不同位
4.6 TLP 接合
P 接合試片
44
位置的EDS
合試片破裂
片(左上) 200
成分分析圖
裂圖
μm (右上) 圖
250μm (下
(E)
下) 300 μm
45
第五章 結論與未來計畫
本研究驗證了以微電阻焊接的方式進行鎳-錫瞬間液相接合的可行性，並且整 合 TSV 垂直式導線的製程，研發出一套新的 MEMS-IC 封裝方式，期望將來可應 用在晶圓層級的封裝製程上；此外，藉由本研究的接合方式，未來可嘗試以其他 能進行瞬間液相層積的金屬或是常見的於半導體製程的材料，例如：金-錫(Au-Sn)、
鋁-鎳(Al-Ni)等等，或是如前人 N. Belov [ 21 ]設計不同形狀或不同厚度的接合結構 進行改善。
本研究也因藉由金屬表面粗糙的特性，作為一個簡易微加熱器，不需要在晶 圓上另行製作微加熱器，可以節省晶圓面積，且能作到局部性加熱，甚至對微加 熱器的側邊進行加熱等，而不會損壞IC 電路或是 MEMS 元件，也因此在封裝上，
接合的材料選擇性更為寬廣，加熱溫度不會受限於450℃以下，再者，本研究無須 在接合前，另行對接合表面進行平坦化與去除氧化層等處理，反而可減少製成步 驟節省成本；最後，因以TSV 結構製作出垂直式低電阻導線可避開接合結構，不 似側拉式導線會穿過接合的環狀結構，容易造成封裝失敗，因而可降低封裝失敗 的風險，且封裝完成後的電性輸入/輸出點皆在晶圓的外露面，藉此可以在晶圓層 級下進行元件的測試。
未來除了可以如上述提及的，以不同金屬材料製作瞬間液相接合外，還可將 製程作改善(如圖 5.1)，確保內部作為 MEMS-IC 元件間的電性連接垂直導線先行 接合並導通，再對外圍的環狀結構進行接合；希望本研究，將來能對台灣的 MEMS-IC 封裝產業有所貢獻。
46
取圖 2.3 中步驟(7)已做 好的但未蝕去種子層的 試片，進行另一道黃光 製 程 ， 僅 定 義 出 做 為 MEMS-IC 元件間的垂直 導線部分。
再以錫電鍍加厚垂指導 線部分的錫金屬層。
取圖 2.3 中步驟(8)的試 片(IC 晶圓)與 MEMS 晶 圓藉由底部外露電極進 行 TLP 接合，先確保 MEMS-IC 元件間的垂直 導線已接合並導通。
PR
PR
47
因為在接合的過程中會 施加軸向壓力，中間已 經液化的金屬層較軟，
而下壓後使試片外圍尚 未接合的環狀結構上下 相接觸，最後再對外圍 環狀結構輸入電壓電流 進行第二次的 TLP 接 合。
圖5.1 未來改善製程流程圖
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第六章 參考文獻
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