CN102214602A

CN102214602A - 一种tsv通孔的电镀方法

Info

Publication number: CN102214602A
Application number: CN2011101482012A
Authority: CN
Inventors: 汪学方; 刘胜; 徐春林; 王宇哲; 徐明海; 胡畅; 吕植成
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2011-10-12

Abstract

本发明提出了一种TSV通孔的电镀方法，该方法首先将带有TSV通孔的硅片和种子层铜片紧密贴合；之后将硅片表面与电镀液接触，进行硅片自底到顶的电镀；最后将电镀后的硅片和种子层铜片分离。所述的种子层铜片为纯铜片或者为在表面溅射了一层铜的硅片。本发明所述的电镀方法不需要在带TSV通孔的硅片上溅射种子层，也不需要局部电镀封口，整个电镀过程一次完成，工艺简单，而且避免了溅射与局部电镀封口后的操作对硅片造成损坏。本发明由于工艺简单，操作性好，能显著地提高TSV通孔电镀的填充效率和质量。

Description

一种TSV通孔的电镀方法

技术领域

本发明属于电子封装技术领域，具体涉及一种对穿透硅通孔TSV(through silicon via)通孔进行电镀填充的方法。

背景技术

TSV技术的关键之一是电镀铜填充通孔实现电信号互连。TSV通孔电镀方法有两种：一种是在通孔侧壁上溅射种子层然后进行电镀，这种电镀方法由于是整个通孔在纵向上同时电镀，会存在通孔上下端口先封闭导致铜柱内部有孔洞、空心等缺陷存在，降低芯片的电性能和密封性，影响器件寿命。另一种是自底到顶电镀技术(bottom-up electroplating)，电镀过程是铜从TSV通孔的一端开始沉积，沿通孔径向生长最终填充整个通孔。

目前自底到顶TSV电镀技术主要有两类：一种是在带有TSV通孔的硅片一面上溅射种子层，对种子层进行局部电镀将通孔封口，然后电镀填充通孔；另一种是将一面溅射了种子层的不带TSV通孔硅片和带有TSV通孔的硅片用光刻胶粘在一起，进行光刻、显影将两片硅片之间TSV通孔区域的光刻胶去除，使得不带TSV通孔硅片上的种子层露出，电镀过程中电镀液从TSV通孔中进入与露出的种子层接触，铜沿着这一路径开始沉积，填充通孔完毕后除去两片硅片之间剩余光刻胶，超声振荡将硅片分离。然而这两种电镀方法存在各自的问题，第一种电镀方法由于需要先电镀实现封口，种子层在这个过程中也会被电镀加厚，存在电镀完成后去除硅片表面铜层的问题。第二种电镀方法工艺复杂，需要光刻胶粘硅片，光刻、显影等步骤。在具体操作中无法保证用光刻胶粘硅片过程中两片硅片表面的平行即TSV硅片相对于溅射种子层硅片的倾斜，导致整个硅片上的TSV通孔与种子层的距离不同，对光刻环节造成影响还会导致通孔的填充速率不同，均匀性下降，光刻、显影过程可能无法完全去除种子层表面TSV通孔区域的光刻胶导致种子层没露出TSV通孔无法填充等。

发明内容

针对现有技术中自底到顶TSV电镀方法工艺复杂，电镀质量难以控制的问题，本发明提出了一种新的TSV通孔的电镀方法，该方法具有工艺简单，操作性强，填充效果好，电镀效率高的特点。

本发明提供了一种TSV通孔的电镀方法，包括以下步骤：

(1)将带有TSV通孔的硅片和种子层铜片紧密贴合；

(2)将硅片表面与电镀液接触，进行硅片自底到顶的电镀；

(3)将电镀后的硅片和种子层铜片分离。

进一步的，步骤(1)中所述的种子层铜片为纯铜片或者为在表面溅射了一层铜的硅片。

进一步的，所述种子层铜片的直径小于等于所述带有TSV通孔的硅片的直径，并能够覆盖所有TSV通孔。

进一步的，在步骤(3)中将电镀后的硅片和种子层铜片分离的方法为超声振荡或者腐蚀铜片。

与需要局部电镀封口的自底到顶的TSV电镀方法相比，本发明所述的电镀方法不需要在带TSV通孔的硅片上溅射种子层，也不需要局部电镀封口，采用种子层铜片与带有TSV通孔的硅片紧密贴合进行电镀，整个电镀过程一次完成，工艺简单，而且避免了溅射与局部电镀封口后的操作对硅片造成损坏。

与用光刻胶将两块硅片粘起来的电镀方法相比，本发明所述的电镀方法没有粘硅片、光刻、显影等工序，避免了TSV通孔区域光刻胶没去除干净造成无法电镀的缺点，填充的效果更好。本发明由于工艺简单，操作性好，本发明能显著地提高TSV通孔电镀的填充效率和质量。

附图说明

图1为本发明所述的TSV通孔电镀方法的示意图；

图2为本发明所述的电镀方法所用夹具的底板示意图；

图3为硅片装入夹具后的示意图；

图4为电镀初始阶段硅片与铜片之间的贴合过程示意图。

具体实施方式

本发明所述的TSV通孔的电镀方法采用种子层铜片与带TSV通孔的硅片紧密贴合进行电镀。为简单起见，下文中提到硅片时，均指带有TSV通孔的硅片。

本发明所述的TSV通孔电镀方法，具体包括以下步骤：

(1)将硅片3和种子层铜片2紧密贴合；

所述种子层铜片2可以是表面平整的纯铜片，也可以是在表面溅射了一层铜的完整硅片。在贴合之前首先要对硅片3进行清洗，为了保证硅片表面的洁净与TSV通孔内没有杂质，对种子层铜片2用稀盐酸清洗除去表面的氧化层。

之后，进行贴合，如图1所示，依次将种子层铜片2、硅片3和密封圈4放置在夹具底板1中，通过盖板5压紧，实现硅片3和种子层铜片2的紧密贴合。夹具底板1中部凹槽的直径略大于硅片3的直径，两者之差可以小于0.5毫米，一方面可以保证硅片3能顺利放入夹具中，另一方面有利于阻止电镀液进入硅片3的侧壁和夹具之间，防止不希望被电镀的部分比如硅片3的侧面或者种子层铜片2的边缘被电镀。密封圈4的截面高度加上硅片3和种子层铜片2的厚度要大于夹具凹槽的深度0.1-0.3毫米，因此当盖板5盖上密封圈时会被压紧，保证硅片3和种子层铜片2紧密贴合，并且不会因为压紧力太大损坏硅片。密封圈压紧后能阻止电镀液接触到硅片3的侧面和种子层铜片2的边缘，防止电镀过程中它们被电镀，这样不仅导致硅通孔电镀的电流密度降低，降低电镀效率，而且会带来去除硅片3侧面铜的问题。出于节省材料和结构上的要求，种子层铜片2的直径小于等于TSV硅片的直径，大于等于能够覆盖TSV硅片上所有TSV通孔所需要的最小直径。贴合完成后整个装置如图3所示，只有硅片3的表面能接触到电镀液，其他部分都不与电镀液接触。

使硅片3和种子层铜片2紧密贴合的方法，以及将种子层铜片2的其他表面和硅片3的侧面与电镀液隔离的方法均有很多种，比如将种子层铜片2与硅片3贴合之外的部分以及硅片3的侧壁涂一层光刻胶用于绝缘，然后用几个夹子将硅片3和种子层铜片2夹紧也能满足本发明所提出电镀方法的要求。本发明不局限于上述的贴合方法以及装夹方法。

(2)将硅片表面与电镀液接触，进行硅片自底到顶的电镀；

电镀过程中只有硅片3表面接触电镀液，电镀液进入TSV通孔与种子层铜片2表面接触，铜在种子层铜片2表面开始沉积，沿着TSV通孔实现硅通孔的填充。

事实上由于表面不平等原因硅片3与种子层铜片2表面不可能达到完全的贴合。如图4所示以种子层铜片2为例，电镀的最初阶段，电镀液进入硅片3和种子层铜片2间的空隙，种子层铜片2表面开始沉积铜，使得二者的间隙逐渐减小。靠近TSV通孔8处由于电镀液补充充分，那里的铜沉积速度较快，种子层铜片2与TSV硅片在TSV通孔8处的间隙先被封堵，接下来的电镀过程由于电镀液只与种子层铜片2在TSV通孔8中接触，铜只能沿着TSV通孔沉积填充满通孔。图4中的(2)、(3)、(4)分别是电镀初始阶段不同时间种子层铜片2表面沉积的铜。

(3)分离电镀后的硅片3和种子层铜片2。

电镀完成后，需要将硅片3和种子层铜片2分离。为了防止硅片3和TSV通孔中铜的脱落，电镀完成后不能用机械力强行分离硅片3和种子层铜片2。本发明中采用超声振荡或者腐蚀种子层铜片2的方式将二者分离。通过大量实验发现超声振荡分离后的TSV通孔中的铜都得到保存，证明超声振荡的方式不会导致TSV通孔中电镀铜的脱落。本发明也可以采用腐蚀种子层铜片2的方式实现分离，用稀盐酸和过氧化氢混合溶液腐蚀掉种子层铜片2就剩下了TSV通孔被填充的硅片。超声振荡的频率一般在20-100Hz，稀盐酸和过氧化氢溶液的腐蚀铜的时间根据种子层铜片2的厚度而定，防止过腐蚀将TSV通孔中的铜也腐蚀掉。

实施例一：4寸硅片(上面有52个芯片阵列，每个阵列包含16个60毫米直径380微米深的TSV通孔)与铜片贴合电镀。所述铜片厚度为0.05～5毫米，硅片厚度为50微米～525微米。

如图1所示，清洗种子层铜片2和硅片3，依次将种子层铜片2、硅片3、密封圈4装入电镀底板1的凹槽中，盖上盖板5，用螺栓和螺母固定，图2中的4个孔7与盖板5中的4个孔配合用于螺栓和螺母连接。

用丝线穿过图2中的孔6将夹具的悬挂在电镀槽上，夹具的主体没入电镀液，将电源负极与夹具沟槽伸出的铜片连接起来，实现铜片与电镀系统阴极的连接。

电源电流为100毫安，电镀时间为5小时，可以看到铜从硅片3的所有通孔中长出。

拆开夹具，将硅片3和种子层铜片2放在超声水浴锅内超声振荡，频率为40HZ，30秒后实现分离。

实施例二：4寸硅片3(上面有52个芯片阵列，每个阵列包含16个60毫米直径380微米深的TSV通孔)与溅射了种子层的硅片贴合电镀。所述硅片厚度为50微米～525微米，硅片种子层厚度为0.05毫米～0.5毫米。

选择一4寸完整硅片2，表面溅射一层铜，厚度大约500纳米。

将溅射铜的硅片2有铜的一面向上装入夹具底板1凹槽中，然后将一条形铜条放置在夹具底板1的沟槽中，铜条一边与硅片2表面的铜接触，一边突出夹具。装入硅片3，然后装入密封圈4，盖上盖板5，用螺栓和螺母固定。将夹具的悬挂在电镀槽上，夹具的主体没入电镀液，将电源负极与夹具沟槽伸出的条连接起来，实现溅射铜的硅片2上的铜种子层与电镀系统阴极的连接。

电源电流为100毫安，电镀时间为5小时，可以看到铜从带TSV通孔的硅片3的所有通孔中长出。

拆开夹具，将带TSV通孔硅片和硅片2放在超声水浴锅内超声振荡，频率为40HZ，30秒后实现分离。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种TSV通孔的电镀方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将带有TSV通孔的硅片和种子层铜片紧密贴合；

(2)将硅片表面与电镀液接触，进行硅片自底到顶的电镀；

(3)将电镀后的硅片和种子层铜片分离。

2.根据权利要求书1所述的电镀方法，其特征在于，步骤(1)中所述的种子层铜片为纯铜片或者为在表面溅射了一层铜的硅片。

3.根据权利要求书1或2所述的电镀方法，其特征在于，所述种子层铜片的直径小于等于所述带有TSV通孔的硅片的直径，并能够覆盖所有TSV通孔。

4.根据权利要求书1或2所述的电镀方法，其特征在于，在步骤(3)中将电镀后的硅片和种子层铜片分离的方法为超声振荡或者腐蚀铜片。