第二章 新式封裝技術與實驗流程設計
2.2 結構設計與概念說明
2.2.2 來回式垂直導線與同時完成氣密環及電性導通之設計…
由於本實驗為了驗證此作法可行性與實驗上的方便性，將IC 晶圓以玻璃晶圓 代替，以便進行接合實驗時對準方便，且可以肉眼觀察內部變化；而本實驗會另 外設計以TSV 結構製作的來回式垂直導線(如圖 2.4)，方便在以破片進行實驗時，
能自晶圓正面施給電壓電流，並配合在MEMS 晶圓背面定義製作電路，可同時完 成氣密環及電性導通之設計(如圖 2.5)，
A A’
Bonding
TSV pad Interconnection pad
圖2.5 同時
圖
時完成氣密
圖 2.4 來回式
密環與電性導
21
式垂直導線
導通之設計
線示意圖
計的背面導線線與電流走走向圖
22
2.3 實驗流程設計
以下將介紹IC-MEMS 封裝的製作流程(圖 2.6 )，所列出的流程僅在闡述所提 出封裝製程的特點，其製作流程可能會因為製作特殊微機電元件而必須修改。
(1) 以一片四吋 Si 晶圓作為MEMS 晶 圓，此晶圓預計已製 作微機電元件於其 中
(2) 藉由 DRIE 技 術製作TSV，深寬比 約5:1。
(3) 以鎳電鍍的方 式填滿TSV；此步驟 的黃光製程與電鍍 方法參考前人[ 16 ] 所提出的方法。
(4) 於晶圓背後製 作墊片(Pad)，此 Pad 是以濺鍍機沉積 Ti/Cu 做為種子層，
再以鎳電鍍的方式 製作。
MEMS wafer
TSV
Ni
Pad
23
(5) 於晶圓正面定 義出導線與接合位 置，導線以鎳電鍍方 式製作，種子層為 Ti/Cu。
(6) 定義出接合環 的結構與IC 晶圓與 MEMS 晶圓間的電 性連接垂直導線，並 以鎳電鍍加厚結構。
(7) 再以錫電鍍完 成製作接合結構，接 著以銅蝕刻液蝕去 種子層。
(8) 以另一片晶圓 作為IC 晶圓，但因 為了接合實驗方 便，以玻璃晶圓取 代；進行前述步驟 (5)~(7)製作出相對應 的接合結構。
Ti/Cu
Ni
Sn
IC wafer (Glass)
24
(9) 將 MEMS 晶圓 與IC 晶圓對準後，
於真空腔體中藉由 MEMS 晶圓下方的 Pad 施加電流電壓，
使接合環與內部垂 直導線升溫，同時施 加壓力幫助其接合。
圖2.6 實驗設計流程圖
MEMS wafer
IC wafer (Glass)
25
第三章 實驗方法與操作 本章節將逐一介紹各個實驗步驟的操作方式。
3.1 TSV 製作
於四吋晶圓上製作 TSV (Through Silicon Via )，流程圖如圖 3.1，先於晶圓上以 膜厚25 μm 正光阻 AZ4620 定義蝕刻孔圖案，此層光阻可作為乾蝕刻時的遮蔽，再 送入感應耦合電漿離子蝕刻系統進行 DRIE 製作 TSV；本實驗室試片委託國家儀 器科學中心以感應式耦合電漿蝕刻系統 STS 對矽晶圓做乾式蝕刻，製作孔徑約 100 μm 的 TSV，深寬比達 1:5，最後除光阻去在以化學氣相沉積(PECVD)的方式，
分別先後沉積厚度2500 Å SiO2與2500 Å Si3N4作為電性阻隔；其感應耦合電漿離 子蝕刻系統規格與製程參數表如表3.1，而圖 3.2 為製作後的 TSV 側剖面圖。
圖3.1 TSV 製程流程圖 Si wafer 25 μm AZ4620
2500 Å SiO2 / 2500 Å
26
表3.1 感應耦合電漿離子蝕刻系統規格與製程參數表
上電極線圈 0~1000 W
下電極線圈 0~300W
RF 電源頻率 13.56MHz
冷卻系統 背面氦氣冷卻（backside helium cooling）
蝕刻氣體 SF6 130 sccm
C4F8 85 sccm 其他製程氣體 O2、Ar
圖3.2 TSV 側剖面 SEM 圖
27
3.2 鎳電鍍
本研究將以電鍍的方式將鎳金屬填於TSV(Through Silicon Via)之中，作為封 裝後量測MEMS 元件的導線，本實驗電鍍材料街購自「昇鋐理化公司」而以下將 簡介電鍍原理及電鍍鎳的操作。
圖3.3 鎳電鍍設備示意圖
電鍍是一種電化學過程，也是一種氧化還原過程。電鍍鎳的基本過程是
將待鍍物浸在含 Ni2+的溶液中作為陰極，陽極為鎳錠，接直流電源後，電鍍液中 的Ni2+自陰極得到電子還原為Ni(s)，並沉積於陰極件表面，而陽極析出Ni2+補充電 液中失去的Ni2+。在陰陽極分別發生如下反應﹕
陰極(鍍件)﹕Ni2+ + 2e- →Ni (主反應) 2H+ + e- →H2↑ (副反應) 陽極(鎳錠)﹕Ni→Ni2+ + 2e- (主反應)
4OH-→ 2H2O + O2 + 4e- (副反應)
Ni 錠(陽極) 陰極(鍍件)
電鍍液(胺基磺酸鎳) Ni2+ Ni(電鍍沉積層)
28
而影響電鍍層的因素有電流密度、鍍液溫度、攪拌方式及陽極種類及前處理等。
3.2.1 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。
29
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
31
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
32
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
36
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
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。
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。