電流密度

電流密度的大小影響電鍍層的沉積速率以及鍍層金屬的細密程。一般而言，

電流密度越高，電鍍層沉積速率越快，但相對地因沉積速率快，結晶顆粒大造成 電鍍層的表面較為粗糙，且若電流密度過大，超過極限電流密度，責電鍍層會有 燒灼的現象產生；而電流密度低，電鍍層沉積速度相對較低，雖耗時較久，但電 鍍層的質地較為細緻。

電流密度公式如下：

庫倫值(A×min)=被鍍物表面積(dm²)×沉積速率(A×min /μm)×電鑄厚度(μm) 輸入電流量(A)=被鍍物表面積(dm²)×電流密度(A/dm²)

ASD：電流密度(A/dm²) ； dm²：電鑄總面積平方公寸； A：電流量(安培) 3.2.2 鍍液溫度：

溫度與電流效率成正比，高溫時可加速鑄層厚度長成；溫度太低表面粗糙度 增加，但溫度過高易使電液中的濕潤平整劑容易因高溫(60℃以上)而分解失效，因 此實驗操作時，鎳電鍍液最適溫度應維持在40~50℃。

3.2.3 攪拌方式：

電鍍液攪拌方式可分為陰極移動攪拌、氣舉式攪拌及鍍液流動攪拌三種；攪 拌可有助於電鍍液濃度均勻分布，並加速電鍍層表面的電鍍液對流交換。

3.2.4 電鍍液酸鹼值：

pH 值於 4 時有最佳的電流效率，pH 低於 3 時效率則遽減；pH 高於 5 時有較 大之硬度(180~450HV)，唯須考慮內應力之改變。

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3.2.5 陽極種類及前處理：

電鍍陽極可分為可溶性陽極及不可溶性陽極，而可溶性陽極用於電鍍上是為 補充溶液中電鍍所消耗的金屬離子，是用一種金屬或合金鑄成不同形狀裝入陽極 籃(anode basket)內。陽極電流密度必須適當，電流密度太高會形成鈍態膜，因而使 陽極溶解太慢或停止溶解，形成不溶解陽極，為了減小陽極電流密度，可多放些 陽極，或用波形陽極增加面積。在酸性鍍浴可以用增加攪拌、增高鍍浴溫度、增 加氯離子濃度、降低pH 來提高陽極容許電流密度。而陽極的金屬使用前須經過前 處理以增加電鍍效率與鍍層品質，例如：電鍍鎳使用的鎳碇須先以鋼刷刷洗過後 再浸泡10% H2SO4(aq)，以去除鎳錠上的雜質與氧化層。

3.2.6 陰極鍍件

欲電鍍試片在電鍍前，須先以10% H2SO4(aq)或10% HCl(aq)沖淋，除去表面氧 化層，以增加電鍍品質與效果。

(以上資料參考自「昇鋐理化公司」)

表3.2 鎳電鍍液成分表 鎳電鍍液成分表 (pH=4)

胺基磺酸鎳 500 ml/L

氯化鎳 4 g/L

硼酸 45 g/L

濕潤平整劑 MA 1 ml/L

表 3

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而本研究則利用此技術的優點加以應用於鎳深孔電鍍的實驗，但經測試後，

因本研究以ICP 所製作的 TSV 孔徑尺寸約 100 μm，若電鍍加厚種子層厚度必須加 厚至 50 μm 以上才能完全蓋住孔洞，但也因為孔徑較大，即使蒸鍍沉積薄膜的階 梯覆蓋性不佳，但孔內側壁已部分受到金屬種子層覆蓋，做深孔電鍍後，TSV 孔 尚未填滿，但鎳卻已電鍍沉積至表面，導致形成一個空洞，無法密合，如圖3.5。

(a)

(b) 圖3.5 電鍍失敗(a) 示意圖(b) SEM 側剖面圖

2500 Å SiO₂ /2500 Å Si₃N₄

Ti 500 Å/Ni 1500 Å

Electroplated Ni

電鍍沉積方向

末 始

電鍍鎳 TSV

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因此改採用. T. Nguyen N [ 16 ]的另一個作法，如圖 3.6 所示，另外取一 已沉積金屬種子層的晶圓，並旋塗一層正光阻，將以製作TSV 結構的試片輕 壓於其上並進行軟烤，使試片與光阻相黏，此時試片如同一光罩，僅僅曝露 出深孔部分的光阻，再經過曝光顯影的步驟後，除去光阻顯露出底部金屬種 子層，再藉此種子層進行鎳電鍍將TSV 自底部向上填滿。

圖3.6 金屬黏著與 bottom-up 填孔方法示意圖

2 μm photoresist Seed layer

Electroplated Ni

以此

34

3.4 錫電鍍

錫電鍍實驗操作方式似鎳電鍍實驗，欲掛鍍的鍍件至於陰極，錫塊連接陽 極，使用甲基磺酸錫電鍍液，實驗時室溫操作並加以攪拌即可；本研究所使用錫 電鍍液屬亮錫電鍍液，購買自「南春貿易公司」，電鍍錫表面色澤均一光亮，其鍍 層作銲錫和高溫色變測試性能優越，電鍍液藥水成分如表.。

表3.4 錫電鍍液成分與操作參數表

項目 藥品含量 使用範圍

錫(金屬) 20 g/L 15~30 g/L

RamTech 錫酸濃縮液(70%) 170 ml/L 150~200 ml/L RamTech Sn B14 WA14 潤濕劑 70 ml/L 60~100 ml/L RamTech Sn B14 BR14 光亮劑 3 ml/L 2~5 ml/L RamTech Sn B14 WX14 拓展劑 3 ml/L 2~5 ml/L RamTech Sn SB 穩定劑 5 ml/L 2~10 ml/L

電流密度 5 ASD 2~10 ASD

溫度 15℃ 12~18℃

陽極/陰極面積比列 ≤3:1

沉積速率 2 μm/min

3.5 TLP (T

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圖3.9 電鍍錫表面粗度圖

圖3.10 電鍍錫側視 SEM 圖

由於本研究仍是初步實驗探討，因設備上的限制，在接合實驗時，僅能在非 真空環境下操作，並以光學顯微鏡手動對準後，在以如鐵鵬強力磁鐵做在垂直方 向上下吸附試片，使上下試片緊密貼合並以三用電表量測是否可導通，施給電流 走向如圖 3.11，再以連接電源供應器的探針接觸電極施給電流電壓，電壓以定電 壓輸出，電流則可變動，維持加熱1hr ，實驗架設如圖 3.12。

圖3.11

圖3.12 實

37

電流走向圖

實驗操作示意 圖

意圖

38

第四章 實驗結果與討論 4.1 TSV 垂直導線製作

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

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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。

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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。

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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

[1] Y. C. Lee, Member, Babak Amir Parviz, J. Albert Chiou, and Shaochen Chen “Packaging for Microelectromechanical and Nanoelectromechanical Systems”

IEEE TRANSACTIONS ON ADVANCED PACKAGING, Vol. 26, No. 3, AUGUST 2003

[2] G. Wallis and D. I. Pomerantz “Field Assisted Glass­Metal Sealing”, Journal of Application Physics.,Vol.40, 3946,(1969)

[3] R. Stengl, K. Y. Ahn, and U. Gosele, “Bubble Free Silicon Wafer Bonding in a Non-Cleanroom Environment”, Journal of Application Physics.,Vol.65,

4943,(1988)

[4] Q. Y. Tong, E. Schmidt,and U. M. Gosele, “Hydrophobic Silicon Wafer Bonding“, Appl. Phys. Lett.,64,625,(1994)

[5] K. Ljungberg, Y. Bäcklund, and A. Söderbärg “The effects of HF cleaning prior to silicon wafer bonding” J. Electrochem. Soc., Volume 142, Issue 4, pp. 1297-1303

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在文檔中 研發微電阻銲接與矽晶圓穿孔製程?應用於微系統封裝技術 (頁 41-0)