一種超聲外場作用下的tsv電鍍方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超聲外場作用下的TSV電鍍方法及系統(tǒng)，電鍍方法包括以下步驟：步驟1：將帶TSV微盲孔的硅片放放置在密閉容器內(nèi)，容器內(nèi)填充有含有添加劑的電鍍液，對該容器進行抽真空預(yù)處理，使得電鍍液浸潤到TSV微盲孔中；然后放置10～60分鐘，等添加劑在TSV微盲孔內(nèi)表面達到初步吸附平衡；步驟2：將硅片與電鍍電源的負極連接在一起，放入電鍍槽中，作為電鍍陰極；步驟3：開啟電鍍電源，進行陰極銅離子沉積反應(yīng)；同時開啟超聲電源，對TSV微盲孔內(nèi)施加超聲激勵，利用超聲的空化效應(yīng)，實現(xiàn)TSV微盲孔孔口電鍍的抑制、孔底電鍍的加速，形成自底向上的完全填充。本發(fā)明能有效利用超聲作為外加能場增強TSV鍍銅填充。
【專利說明】
一種超聲外場作用下的TSV電鍍方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于改進TSV微盲孔電鍍效果的新方法，屬于半導(dǎo)體三維封裝領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]集成電路技術(shù)隨著摩爾定律而快速發(fā)展，更高的電路集成密度催生了更高的互連密度。將不同功能的芯片(如存儲器、處理器等)堆疊、集成為一個多功能系統(tǒng)的三維集成封裝成為提升器件性能和性價比的必然選擇。
[0003]三維集成的一種方案的采用貫穿硅襯底的大量高密度TSV(Thr0ughSiliconVia，硅通孔)，實現(xiàn)了堆疊芯片之間的垂直上下互連，形成高密度三維集成，帶來“高密度、多功能、小尺寸”的眾多優(yōu)點。其中，深寬比達10-20的TSV制造是三維集成互連的核心技術(shù)。
[0004]在三維集成制造中，TSV電鍍填銅(Copper electrodeposit1n)占到TSV成本的大約40%，因此，電鍍填銅成為三維集成制造的關(guān)鍵之一。TSV填銅的難點之一在于如何解決電鍍過程中形成的空洞或者縫隙。由于高深寬比TSV口部的電流密度遠遠大于孔底，孔口的生長速度較孔底快，孔口閉合后就形成了空洞或者縫隙。為了解決上述難題，業(yè)界提出采用了“自底向上”的TSV填充方法，通過在電鍍液中添加添加劑，使得具有大分子結(jié)構(gòu)的抑制劑優(yōu)先吸附在電場強度比較大的孔口及孔壁上端，降低孔口的電流密度和沉積速率；同時，利用小分子結(jié)構(gòu)的加速劑和整平劑，增加孔底的電流密度和加速孔底的沉積速度，最終實現(xiàn)“自底向上”的TSV盲孔填充過程。
[0005]為促進上述過程，業(yè)界提出了脈沖電場、磁場、超聲等外能場增強作用下的電鍍填充方法，其中，超聲增強電鍍因其獨特的超聲空化效應(yīng)而廣受關(guān)注。
[0006]目前的超聲增強電鍍方式一般將電鍍槽放在20KHz的超聲清洗池中，利用水作為超聲傳播媒介，將超聲傳遞到電鍍槽，再通過電鍍液傳遞到TSV孔內(nèi)。在這個過程中:①由于超聲需要通過諸多界面，使得傳遞衰減嚴重，到達TSV孔內(nèi)的超聲振幅非常小;②超聲并不能定向作用在TSV孔內(nèi)。使得超聲增強電鍍在TSV填充中的作用并不明顯。
[0007]為此，有必要發(fā)明一種可以克服上述問題的、新的超聲外場作用下的TSV電鍍方法及其系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種超聲外場作用下的TSV電鍍方法及系統(tǒng)，能有效利用超聲作為外加能場增強TSV鍍銅填充。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0010]—種超聲外場作用下的TSV電鍍方法，基于以下系統(tǒng)，系統(tǒng)包括:電鍍槽、電鍍電源、電鍍陽極、電鍍陰極、超聲電源、換能器、變幅桿和控制裝置(計算機)；
[0011 ]所述電鍍槽內(nèi)盛有含有添加劑(包括抑制劑、加速劑、光亮劑等)的電鍍液；
[0012]電鍍電源的正極接電鍍陽極，負極接電鍍陰極；電鍍陽極和電鍍陰極均浸入電鍍槽內(nèi)的電鍍液中；
[0013]超聲電源連接換能器;換能器連接變幅桿的上端，變幅桿的下端浸入電鍍槽內(nèi)的電鍍液中；超聲電源產(chǎn)生高頻交流電，引起換能器做高頻振動，經(jīng)變幅桿放大，帶動電鍍液做高頻振動；
[0014]所述電鍍電源和超聲電源均受控于控制裝置；
[0015]電鍍方法包括以下步驟:
[0016]步驟1:將帶TSV微盲孔的硅片放放置在密閉容器內(nèi)，容器內(nèi)填充有含有添加劑的電鍍液，對該容器進行抽真空預(yù)處理，使得電鍍液浸潤到TSV微盲孔中；然后放置10?60分鐘，等添加劑在TSV微盲孔內(nèi)表面達到初步吸附平衡;步驟2:將硅片與電鍍電源的負極連接在一起，放入電鍍槽中，作為電鍍陰極；
[0017]步驟3:開啟電鍍電源，進行陰極銅離子沉積反應(yīng)；
[0018]同時開啟超聲電源，對TSV微盲孔內(nèi)施加超聲激勵，利用超聲波的空化效應(yīng)，①促進銅離子在TSV微盲孔內(nèi)的擴散，以提高孔底的銅離子濃度，降低孔口和孔底的銅離子濃度差;②促進抑制劑在孔口的吸附，提高抑制劑在孔口的吸附率;③促進加速劑在TSV微盲孔內(nèi)的擴散，以提高加速劑在孔底的濃度和吸附率；以實現(xiàn)TSV微盲孔孔口電鍍的抑制、孔底電鍍的加速，形成自底向上的完全填充；
[0019]所述步驟I中，放置時間優(yōu)選為30分鐘，既能讓電鍍液中的添加劑有足夠的時間擴散、穩(wěn)定吸附到TSV盲孔表面，而且能兼顧時間效率。
[0020]所述超聲波的頻率范圍20kHz-20MHz;優(yōu)選35kHz，具有較短的波長，并可以輸出較大的振幅輸出，以實現(xiàn)激發(fā)數(shù)微米直徑微孔內(nèi)的空化；
[0021]所述超聲波的方向是橫波或者縱波;優(yōu)選縱波(即超聲的傳播方向是沿著變幅桿軸向)，可以實現(xiàn)更好的超聲定向作用；
[0022]超聲波的功率為0.5-40W;優(yōu)選為3W，既能夠提供足夠大的超聲振幅，使TSV微盲孔內(nèi)的電鍍液產(chǎn)生空泡，以利用超聲的空化效應(yīng)，又能夠避免過大的超聲振動破壞TSV微盲孔表面的銅種子層；
[0023]變幅桿下端與硅片的表面之間距離不小于一個半超聲波波長，以實現(xiàn)均勻的超聲作用;變幅桿軸向與硅片法向之間的夾角，在0-90度之間改變，優(yōu)選O度(變幅桿和硅片表面垂直)，以實現(xiàn)最大幅度的超聲激勵作用在TSV微盲孔內(nèi)；
[0024]超聲電源具有頻率跟蹤功能;控制裝置實時檢測超聲電源輸出到換能器的電壓信號以及電流信號;若電壓信號以及電流信號之間的相位差不為0，說明換能器的頻率已經(jīng)改變，控制裝置相應(yīng)地改變超聲電源的輸出頻率，直到輸出到換能器的電壓信號以及電流信號之間的相位差為O，以解決電鍍過程中電鍍液溫度改變對換能器頻率的影響。
[0025]變幅桿上端為金屬材質(zhì)制成，而變幅桿下端為塑料材質(zhì)制成，以耐受電鍍液中的酸、堿，并避免金屬變幅桿在電鍍液中溶解所帶來的金屬離子污染問題；
[0026]超聲施加的模式為間歇施加或者連續(xù)加載;優(yōu)選間歇施加，以避免連續(xù)施加帶來的電鍍液升溫、換能器頻率漂移等問題；間歇施加頻率可以在0.1-1OOOOHz，優(yōu)選IHz，以提供足夠的空化時間，同時避免電鍍液吸收超聲能量后升溫過快；
[0027]有益效果:
[0028]本發(fā)明采用超聲作為外加能場輔助TSV鍍銅填充，具有以下優(yōu)點
[0029]I)利用超聲空化效應(yīng)(空泡爆破過程)，促進銅離子在TSV盲孔中的擴散和吸附；
[0030]2)促進添加劑在TSV微盲孔表面的吸附，增強抑制劑在孔口的吸附、增強加速劑的活性并促進TSV底部的生長；
[0031]3)降低擴散層的厚度，提高銅離子在電鍍表面層的擴散速度、提高反應(yīng)的活性、促進銅離子在電鍍沉積過程中沿著表面的擴散、降低表面粗超度。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不意圖；
[0033]圖2為間歇式超聲驅(qū)動示意圖；
[0034]附圖標(biāo)記說明:
[0035]丨、控制裝置;2、電鍍陰極(帶TSV微盲孔的硅片)；3、電鍍電源;4、超聲電源;5、換能器;6、變幅桿軸向；7、變幅桿金屬段;8、電鍍陽極;9、電鍍槽；1、電鍍液；11、硅片法向；12、變幅桿塑料段。
【具體實施方式】
[0036]以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行進一步具體說明。
[0037]本發(fā)明公開了一種超聲外場作用下的TSV電鍍方法，如圖1所示，基于以下系統(tǒng)，系統(tǒng)包括:電鍍槽9、電鍍電源3、電鍍陽極8、電鍍陰極2、超聲電源4、換能器5、變幅桿和控制裝置1(計算機)；
[0038]所述電鍍槽9內(nèi)盛有含有添加劑(包括抑制劑、加速劑、光亮劑等)的電鍍液10;
[0039]電鍍電源3的正極接電鍍陽極8，負極接電鍍陰極2;電鍍陽極8和電鍍陰極2均浸入電鍍槽9內(nèi)的電鍍液10中；
[0040]超聲電源4連接換能器5;換能器5連接變幅桿的上端，變幅桿的下端浸入電鍍槽內(nèi)的電鍍液中；超聲電源4產(chǎn)生高頻交流電，引起換能器5做高頻振動，經(jīng)變幅桿放大，帶動電鍍液做高頻振動；
[0041]所述電鍍電源3和超聲電源4均受控于控制裝置；
[0042]電鍍方法包括以下步驟:
[0043]步驟1:將帶TSV微盲孔的硅片放放置在密閉容器內(nèi)，容器內(nèi)填充有含有添加劑的電鍍液，對該容器進行抽真空預(yù)處理，使得電鍍液浸潤到TSV微盲孔中；然后放置10?60分鐘，等添加劑在TSV微盲孔內(nèi)表面達到初步吸附平衡;步驟2:將硅片與電鍍電源3的負極連接在一起，放入電鍍槽中，作為電鍍陰極；
[0044]步驟3:開啟電鍍電源3，進行陰極銅離子沉積反應(yīng)；
[0045]同時開啟超聲電源4，對TSV微盲孔內(nèi)施加超聲激勵，利用超聲波的空化效應(yīng)，①促進銅離子在TSV微盲孔內(nèi)的擴散，以提高孔底的銅離子濃度，降低孔口和孔底的銅離子濃度差;②促進抑制劑在孔口的吸附，提高抑制劑在孔口的吸附率;③促進加速劑在TSV微盲孔內(nèi)的擴散，以提高加速劑在孔底的濃度和吸附率；以實現(xiàn)TSV微盲孔孔口電鍍的抑制、孔底電鍍的加速，形成自底向上的完全填充；
[0046]所述步驟I中，放置時間優(yōu)選為30分鐘，既能讓電鍍液中的添加劑有足夠的時間擴散、穩(wěn)定吸附到TSV盲孔表面，而且能兼顧時間效率。
[0047]所述超聲波的頻率范圍20kHz-20MHz;優(yōu)選35kHz，具有較短的波長，并可以輸出較大的振幅輸出，以實現(xiàn)激發(fā)數(shù)微米直徑微孔內(nèi)的空化；
[0048]所述超聲波的方向是橫波或者縱波;優(yōu)選縱波(即超聲的傳播方向是沿著變幅桿軸向)，可以實現(xiàn)更好的超聲定向作用；
[0049]超聲波的功率為0.5-40W;優(yōu)選為3W，既能夠提供足夠大的超聲振幅，使TSV微盲孔內(nèi)的電鍍液產(chǎn)生空泡，以利用超聲的空化效應(yīng)，又能夠避免過大的超聲振動破壞TSV微盲孔表面的銅種子層；
[0050]變幅桿下端與硅片的表面之間距離不小于一個半超聲波波長，以實現(xiàn)均勻的超聲作用;變幅桿軸向6與硅片法向11之間的夾角，在0-90度之間改變，優(yōu)選O度，以實現(xiàn)最大幅度的超聲激勵作用在TSV微盲孔內(nèi)；
[0051]超聲電源4具有頻率跟蹤功能;控制裝置實時檢測超聲電源4輸出到換能器5的電壓信號以及電流信號;若電壓信號以及電流信號之間的相位差不為0，說明換能器5的頻率已經(jīng)改變，控制裝置相應(yīng)地改變超聲電源4的輸出頻率，直到輸出到換能器5的電壓信號以及電流信號之間的相位差為O，以解決電鍍過程中電鍍液溫度改變對換能器5頻率的影響。
[0052]變幅桿上端為金屬材質(zhì)制成的變幅桿金屬段7，而變幅桿下端為塑料材質(zhì)制成的變幅桿塑料段12，以耐受電鍍液中的酸、堿，并避免金屬變幅桿在電鍍液中溶解所帶來的金屬離子污染問題；
[0053]超聲施加的模式為間歇施加或者連續(xù)加載;優(yōu)選間歇施加，以避免連續(xù)施加帶來的電鍍液升溫、換能器5頻率漂移等問題；間歇施加頻率可以在0.1-lOOOOHz，優(yōu)選IHz，以提供足夠的空化時間，同時避免電鍍液吸收超聲能量后升溫過快。
[0054]本發(fā)明采用超聲作為外加能場輔助TSV鍍銅填充，利用超聲空化效應(yīng)(空泡爆破過程)，促進銅離子在TSV盲孔中的擴散和吸附；促進添加劑在TSV微盲孔表面的吸附，增強抑制劑在孔口的吸附、增強加速劑的活性并促進TSV底部的生長;降低擴散層的厚度，提高銅離子在電鍍表面層的擴散速度、提高反應(yīng)的活性、促進銅離子在電鍍沉積過程中沿著表面的擴散、降低表面粗超度。
【主權(quán)項】
1.一種超聲外場作用下的TSV電鍍方法，其特征在于，基于以下系統(tǒng)，系統(tǒng)包括:電鍍槽、電鍍電源、電鍍陽極、電鍍陰極、超聲電源、換能器、變幅桿和控制裝置； 所述電鍍槽內(nèi)盛有含有添加劑的電鍍液； 電鍍電源的正極接電鍍陽極，負極接電鍍陰極；電鍍陽極和電鍍陰極均浸入電鍍槽內(nèi)的電鍍液中； 超聲電源連接換能器;換能器連接變幅桿的上端，變幅桿的下端浸入電鍍槽內(nèi)的電鍍液中；超聲電源產(chǎn)生高頻交流電，引起換能器做高頻振動，經(jīng)變幅桿放大，帶動電鍍液做高頻振動； 所述電鍍電源和超聲電源均受控于控制裝置； 電鍍方法包括以下步驟: 步驟I:將帶TSV微盲孔的硅片放放置在密閉容器內(nèi)，容器內(nèi)填充有含有添加劑的電鍍液，對該容器進行抽真空預(yù)處理，使得電鍍液浸潤到TSV微盲孔中；然后放置10?60分鐘，等添加劑在TSV微盲孔內(nèi)表面達到初步吸附平衡； 步驟2:將硅片與電鍍電源的負極連接在一起，放入電鍍槽中，作為電鍍陰極； 步驟3:開啟電鍍電源，進行陰極銅離子沉積反應(yīng)； 同時開啟超聲電源，對TSV微盲孔內(nèi)施加超聲激勵，利用超聲波的空化效應(yīng)，實現(xiàn)TSV微盲孔孔口電鍍的抑制、孔底電鍍的加速，形成自底向上的完全填充。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲外場作用下的TSV電鍍方法，其特征在于，所述超聲波的頻率35kHz。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲外場作用下的TSV電鍍方法，其特征在于，所述超聲波的方向是縱波。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲外場作用下的TSV電鍍方法，其特征在于，所述超聲波的功率為3W。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲外場作用下的TSV電鍍方法，其特征在于，所述變幅桿下端與硅片的表面之間距離不小于一個半超聲波波長。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲外場作用下的TSV電鍍方法，其特征在于，所述變幅桿的軸向與硅片法向之間的夾角為O度。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲外場作用下的TSV電鍍方法，其特征在于，所述變幅桿下端為塑料材質(zhì)制成。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲外場作用下的TSV電鍍方法，其特征在于，所述超聲激勵施加的模式為間歇施加，間歇施加頻率為IHz。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲外場作用下的TSV電鍍方法，其特征在于，所述控制裝置實時檢測超聲電源輸出到換能器的電壓信號以及電流信號;若電壓信號以及電流信號之間的相位差不為0，說明換能器的頻率已經(jīng)改變，控制裝置相應(yīng)地改變超聲電源的輸出頻率，直到輸出到換能器的電壓信號以及電流信號之間的相位差為O。10.—種超聲外場作用下的TSV電鍍系統(tǒng)，其特征在于，包括:電鍍槽、電鍍電源、電鍍陽極、電鍍陰極、超聲電源、換能器、變幅桿和控制裝置； 所述電鍍槽內(nèi)盛有含有添加劑的電鍍液； 電鍍電源的正極接電鍍陽極，負極接電鍍陰極；電鍍陽極和電鍍陰極均浸入電鍍槽內(nèi)的電鍍液中； 超聲電源連接換能器;換能器連接變幅桿的上端，變幅桿的下端浸入電鍍槽內(nèi)的電鍍液中；超聲電源產(chǎn)生高頻交流電，引起換能器做高頻振動，經(jīng)變幅桿放大，帶動電鍍液做高頻振動； 所述電鍍電源和超聲電源均受控于控制裝置； 電鍍系統(tǒng)采用權(quán)利要求1?9中任意一項所述的方法進行TSV電鍍。
【文檔編號】C25D21/12GK106011962SQ201610548373
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月13日
【發(fā)明人】王福亮, 肖紅彬, 王峰, 李軍輝, 王彥, 朱文輝
【申請人】中南大學(xué)