CN103726085A - 深孔电镀的预处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深孔电镀的预处理方法，包括如下步骤：步骤（1）选择待镀的具有一个或多个深孔的半导体芯片，选择纯水，并冷却；步骤（2）将所述半导体芯片进行抽真空处理；步骤（3）将所述半导体芯片在真空下浸泡在所述纯水中；步骤（4）将所述半导体芯片使用镀液浸泡、小电流刺激；步骤（5）将所述半导体芯片使用上述镀液进行电镀。本发明使深孔与镀液充分接触，减少大深宽比的孔径中残留的气泡，有效减少空隙和接缝等缺陷的发生。
Description
技术领域
本发明属于半导体芯片三维封装领域，具体涉及一种深孔电镀的预处理方法。
背景技术
半导体芯片三维封装中，以通孔作为互连方式是封装的主流方向，而相应的通孔电镀技术是三维封装发展的关键。传统的通孔电镀是通过电镀法来实现硅通孔填充的。电镀法填充通孔有其成本上的优势，且工艺简单，但对于深宽比较大的通孔来说，实现孔内的无缺陷填充并不容易。主要存在的问题有：孔口处电力线出现集中现象；孔口和通孔底的金属离子浓度存在差异。因此在电镀过程中，导电材料如金属铜很难在底部沉积，易导致通孔的过早封口，造成孔内缺陷。
因此在通孔电镀过程中，为了得到理想的填充效果，实现无孔隙填充，往往需要使用添加剂等有机物。添加剂需要进入到通孔内部，与通孔底部、侧壁表面结合，从而起到加速、抑制或整平作用。添加剂中往往有大分子聚合物，其在通孔中的扩散越加困难，从而通孔填充的质量越难以得到保证，进而对产品可靠性带来影响。
可以通过各种前处理工艺，使镀液与通孔充分接触，镀液中的添加剂充分发挥作用，从而得到良好的填充效果。传统的前处理工艺是在室温下进行。在室温下对硅片进行清洗、润湿和小电流刺激等工作。以上工艺对通孔的填充效果带来较好的影响，但由于通孔的深宽比较大，通孔深处难以与镀液进行充分接触，无法彻底清除通孔深处的气泡，实现无孔隙填充。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种深孔电镀的预处理方法，本发明使深孔与镀液充分接触，减少大深宽比的孔径中残留的气泡，有效减少空隙和接缝等缺陷的发生。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，本发明涉及深孔电镀的预处理方法，包括如下步骤：
步骤（1）选择待镀的具有一个或多个深孔的半导体芯片，选择纯水，并冷却；
步骤（2）将所述半导体芯片进行抽真空处理；
步骤（3）将所述半导体芯片在真空下浸泡在所述纯水中；
步骤（4）将所述半导体芯片使用镀液浸泡、小电流刺激；
步骤（5）将所述半导体芯片使用上述镀液进行电镀。
优选的，所述半导体芯片的材质包括Si、Ge、Se、As、Ga；或者所述金属硫化物；或者所述金属氧化物。
优选的，所述半导体芯片的通过电解除油或超声清洗进行清洁。
优选的，所述半导体芯片的抽真空时间为1～15min；所述的半导体芯片的抽真空后真空度为610.5Pa～3170Pa。
优选的，所述纯水的温度为0℃～25℃。
优选的，所述半导体芯片在所述纯水中的浸泡时间为10s～10min。
优选的，所述镀液包括Cu、Zn、Ag、Au、Ni、Pb、Sn金属离子。
优选的，所述镀液包括氯离子、加速剂、抑制剂、整平剂。
优选的，所述半导体芯片小电流刺激的电流密度为0.01ASD～1ASD。
优选的，所述半导体芯片电镀的电流密度为0.1ASD-10ASD。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明的工艺过程只需将润湿过程所用纯水进行降温处理，从而有效提高通孔的润湿程度，减少通孔中残存气体量，增加产品的可靠性。因此，本发明使深孔与镀液充分接触，减少大深宽比的孔径中残留的气泡，有效减少空隙和接缝等缺陷的发生。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为水的三相图。
图2为3170Pa不同温度的纯水预处理后电镀的通孔截面图，a)20℃，b）25℃，ｃ）30℃。
图3为不同温度的纯水和不同压强预处理后电镀的通孔截面图，a)0℃，1000Pa；b）0℃，2000Pa；ｃ）15℃，1000Pa；d）15℃，2000Pa。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
1）选择待镀的具有多个50×105um深孔的TSV芯片，选择纯水，并分别冷却至10℃；
2）将所述TSV芯片进行抽真空处理，时间为15min，真空度为610.5Pa；
3）将所述TSV芯片在真空下浸泡在所述纯水中10min；
4）将所述TSV芯片使用铜离子浓度为40g/L、氢离子浓度为10g/L、氯离子浓度为50ppm、4ppmSPS、300ppmPEG、100ppmJGB的镀液浸泡，同时加0.5ASD的小电流刺激；
5）将所述TSV芯片使用上述镀液进行电镀2h，电镀电流密度为10ASD。
实施例2
1）选择2片待镀的具有多个50×105um深孔的TSV芯片，选择适量纯水，2片冷却冷却至0℃；
2）将所述TSV芯片分别进行抽真空处理，时间为10min，真空度分别为1000Pa、2000Pa；
3）将所述TSV芯片在真空下浸泡在所述纯水中2min；
4）将所述TSV芯片使用铜离子浓度为40g/L、氢离子浓度为10g/L、氯离子浓度为50ppm、4ppmSPS、300ppmPEG、100ppmJGB的镀液浸泡，同时加0.01ASD的小电流刺激；
5）将所述TSV芯片使用上述镀液进行电镀5h，电镀电流密度为0.4ASD。
实施例3
1）选择2片待镀的具有多个50×105um深孔的TSV芯片，选择适量纯水，冷却至15℃；
2）将所述TSV芯片分别进行抽真空处理，时间为10min，真空度分别为1000Pa、2000Pa；
3）将所述TSV芯片在真空下浸泡在所述纯水中2min；
4）将所述TSV芯片使用铜离子浓度为40g/L、氢离子浓度为10g/L、氯离子浓度为50ppm、4ppmSPS、300ppmPEG、100ppmJGB的镀液浸泡，同时加0.01ASD的小电流刺激；
5）将所述TSV芯片使用上述镀液进行电镀5h，电镀电流密度为0.4ASD。
实施例4
1）选择待镀的具有多个50×105um深孔的TSV芯片，选择纯水，并分别冷却至10℃；
2）将所述TSV芯片进行抽真空处理，时间为1min，真空度为3000Pa；
3）将所述TSV芯片在真空下浸泡在所述纯水中10s；
4）将所述TSV芯片使用铜离子浓度为40g/L、氢离子浓度为10g/L、氯离子浓度为50ppm、4ppmSPS、300ppmPEG、100ppmJGB的镀液浸泡，同时加1ASD的小电流刺激；
5）将所述TSV芯片使用上述镀液进行电镀6h，电镀电流密度为0.1ASD。
实施例5
1）选择待镀的具有多个50×105um深孔的TSV芯片，选择纯水，并冷却至20℃；
2）将所述TSV芯片进行抽真空处理，时间为10min，真空度为3170Pa；
3）将所述TSV芯片在真空下浸泡在所述纯水中2min；
4）将所述TSV芯片使用铜离子浓度为40g/L、氢离子浓度为10g/L、氯离子浓度为50ppm、4ppmSPS、300ppmPEG、100ppmJGB的镀液浸泡，同时加0.01ASD的小电流刺激；
5）将所述TSV芯片使用上述镀液进行电镀5h，电镀电流密度为0.4ASD。
实施例6
1）选择待镀的具有多个50×105um深孔的TSV芯片，选择纯水，并冷却至25℃；
2）将所述TSV芯片进行抽真空处理，时间为10min，真空度为3170Pa；
3）将所述TSV芯片在真空下浸泡在所述纯水中2min；
4）将所述TSV芯片使用铜离子浓度为40g/L、氢离子浓度为10g/L、氯离子浓度为50ppm、4ppmSPS、300ppmPEG、100ppmJGB的镀液浸泡，同时加0.01ASD的小电流刺激；
5）将所述TSV芯片使用上述镀液进行电镀5h，电镀电流密度为0.4ASD。
实施例7
1）选择待镀的具有多个50×105um深孔的TSV芯片，选择纯水，并冷却至30℃；
2）将所述TSV芯片进行抽真空处理，时间为10min，真空度为3170Pa；
3）将所述TSV芯片在真空下浸泡在所述纯水中2min；
4）将所述TSV芯片使用铜离子浓度为40g/L、氢离子浓度为10g/L、氯离子浓度为50ppm、4ppmSPS、300ppmPEG、100ppmJGB的镀液浸泡，同时加0.01ASD的小电流刺激；
5）将所述TSV芯片使用上述镀液进行电镀5h，电镀电流密度为0.4ASD。
在SEM下观察实施例在3个不同温度下的TSV芯片的通孔镀铜情况，发现在真空度为3169Pa的情况下，预处理纯水温度在25℃及其以上温度的芯片中会存在气泡。而纯水温度降低到25℃以下后，通孔中的气泡明显减少，基本实现了无孔隙填充。
根据图1可知，当真空度达到3170Pa时，水的汽化温度降低到了25℃。当纯水温度高于25℃时，水会汽化。因此，当高于25℃的纯水进入该真空环境时，将会汽化从而影响通孔的润湿效果，造成孔内气体的残留，使通孔镀铜形成缺陷。图2为3170Pa不同温度的纯水预处理后电镀的通孔截面图，a)20℃，b）25℃，ｃ）30℃。图3为不同温度的纯水和不同压强预处理后电镀的通孔截面图，a)0℃，1000Pa；b）0℃，2000Pa；ｃ）15℃，1000Pa；d）15℃，2000Pa。
在SEM下观察在2个0℃时不同压强下的TSV芯片的通孔镀铜情况，发现在温度为0℃的情况下，抽真空处理后真空度为1000Pa、2000Pa的芯片中铜的填充效果都很好。但在温度为15℃的条件下，真空度为1000Pa时，通孔内部填充效果就出现孔洞，而真空度为2000Pa的芯片其填充效果明显比真空度为1000Pa的好。造成这一结果的原因是当纯水温度为15℃时，其对应的汽化压强为1705.8Pa。在这一温度下，当压强高于1705.8Pa时，水处于液态，将对通孔进行很好的润湿，从而获得很好填充效果；但当压强低于1705.8Pa时，水会汽化，从而影响通孔的润湿效果，造成孔内气体的残留。
在SEM下观察在6个不同温度下的TSV芯片的通孔镀铜情况，发现在真空度为1000Pa的情况下，预处理纯水温度在10℃及其以上温度的芯片中会存在气泡，且随温度的升高，气泡数呈上升趋势。而纯水温度降低到5℃及0℃后，通孔中的气泡明显减少，基本实现了无孔隙填充。
根据图1的水的三相图可知，当真空度达到1000Pa时，水的汽化温度降低到了7.0℃。当纯水温度高于7.0℃时，水会汽化。因此，当高于7.0℃的纯水进入该真空环境时，将会汽化从而影响通孔的润湿效果，造成孔内气体的残留，使通孔镀铜形成缺陷。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种深孔电镀的预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）选择待镀的具有一个或多个深孔的半导体芯片，选择纯水，并冷却；
步骤（2）将所述半导体芯片进行抽真空处理；
步骤（3）将所述半导体芯片在真空下浸泡在所述纯水中；
步骤（4）将所述半导体芯片使用镀液浸泡、小电流刺激；
步骤（5）将所述半导体芯片使用上述镀液进行电镀。
2.根据权利要求1所述的深孔电镀的预处理方法，其特征在于，所述的半导体芯片的材质包括Si、Ge、Se、As、Ga；或者所述金属硫化物；或者所述金属氧化物。
3.根据权利要求1所述的深孔电镀的预处理方法，其特征在于，所述的半导体芯片是通过电解除油或超声清洗进行清洁。
4.根据权利要求1所述的深孔电镀的预处理方法，其特征在于，所述半导体芯片的抽真空的时间为1～15min；所述的半导体芯片的抽真空后真空度为610.5Pa～3170Pa。
5.根据权利要求1所述的深孔电镀的预处理方法，其特征在于，所述的纯水的温度为0℃～25℃。
6.根据权利要求1所述的深孔电镀的预处理方法，其特征在于，所述的半导体芯片在所述纯水中的浸泡时间为10s～10min。
7.根据权利要求1所述的深孔电镀的预处理方法，其特征在于，所述的镀液包括Cu、Zn、Ag、Au、Ni、Pb、Sn金属离子。
8.根据权利要求7所述的深孔电镀的预处理方法，其特征在于，所述的镀液包括氯离子、加速剂、抑制剂、整平剂。
9.根据权利要求1所述的深孔电镀的预处理方法，其特征在于，所述的半导体芯片小电流刺激的电流密度为0.01ASD～1ASD。
10.根据权利要求1所述的深孔电镀的预处理方法，其特征在于，所述的半导体芯片电镀的电流密度为0.1ASD-10ASD。
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