CN104465425B - 一种降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体封装领域凸块工艺中降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，包括以下步骤：(1)开启微波电源和射频电源，对晶圆表面及金属垫表面进行电浆蚀刻；(2)溅镀机对晶圆进行金属层溅镀；(3)设置微粒颗数管控上限参数，超过此数值时即停机对电浆蚀刻腔体内壁进行清理；其中，所述步骤(2)中金属层溅镀过程包括正常程式和电浆蚀刻清理程式。采用本发明的技术方案，降低了微粒颗数，延长了电浆蚀刻腔体的使用时间，从而降低了保养的次数，达到了降低人工及物料成本的目的，凸块金属溅镀工艺中的杂质微粒的产生率降低了60％，溅镀机的产能提升了150％。

Description

一种降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法
技术领域
本发明涉及半导体封装领域凸块工艺中的金属层溅镀工艺，尤其涉及到一种降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法。
背景技术
锡铅以及锡银凸块的制作是先进半导体封装(FC覆晶式封装)必要的一环。金属层溅镀通常是凸块工艺的首道制程。金属层溅镀的工艺流程是在溅镀金属层之前要先经过电浆蚀刻(或称为干蚀刻)，其目的是要将长凸块的开口(铝垫或铜垫)上的氧化层(氧化铝或氧化铜)去除，否则溅镀金属层与铝垫(或铜垫)之间的接触电阻会过高而导致电性不良。电浆蚀刻是将晶圆表面的一层用电浆电击的方式打掉，所有被电浆击出的晶圆表面物质(包括金属氧化物以及非导体的绝缘材料如氧化硅或氮化硅等)都将附着在电浆蚀刻腔体的内壁。这些附着于电浆蚀刻腔体内壁的物质其附着力并不是很好，随着制作晶圆数量的增加，内壁附着物的厚度也随之增厚，最终会导致内壁附着物的剥落。这些剥落的微粒就会掉落在后续经过电浆蚀刻的晶片上，如果微粒落在凸块的开口内则会导致随后的溅镀金属层缺陷从而造成凸块良率的降低。
为了将凸块金属层溅镀过程所产生的微粒变得可控，通常，最简单而直接的方式就是设定一个微粒颗数/片进行监控。当微粒颗数超出管控上限时即停止再作业，进行电浆蚀刻腔体内壁的清理与配件的更换。此种做法虽然可行，但却严重影响溅镀机的产能，同时也会增加人力和物料的成本,可见，频繁停止作业进行清理的操作成为限制产能提升的一大技术问题。
中国专利03123734.7公开了一种溅镀装置及其使用此装置的金属层/金属化合物层的制造方法，该方法可减少反应室中温度分布之差,增加金属钛与氮化钛的附着性,并可减少氮化钛粒子的堆积；中国专利200510070055.0公开了一种溅镀清洗室的晶座设计及应用该设计的金属化制造过程的方法，该专利的方法可以避免晶片温度的升高，提高铝金属导线的添洞能力；但上述专利都并没有提及在金属溅镀过程中的附着物的沉积造成金属凸块良率的降低及解决该问题的方法，更没有提及如何应对频繁停止作业进行清理的操作而限制产能提升这一大技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种通过针对溅镀金属层的流程管控以及电浆蚀刻的参数设定来达到降低微粒颗数以及延长电浆腔体使用的时间，从而降低保养的次数以达到增加产能，降低人工及物料成本的目的。
本发明的技术方案是：一种降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，包括以下步骤：(1)开启微波电源和射频电源，对晶圆表面及金属垫表面进行电浆蚀刻；(2)溅镀机对晶圆进行金属层溅镀；(3)设置微粒颗数管控上限参数，超过此数值时即停机对电浆蚀刻腔体内壁进行清理；
其中，
步骤(1)中所述金属垫为金垫，或铜垫，或铝垫；所述电浆蚀刻采用的电浆气体为氩气；
步骤(2)中金属层溅镀过程包括正常程式和电浆蚀刻清理程式；
步骤(2)中所述金属层溅镀过程中的电浆蚀刻清理程式采用的方式是：关闭射频电源，利用微波电源产生的电浆对电浆蚀刻腔体内壁进行清理；
步骤(2)金属层溅镀过程中的正常程式和电浆蚀刻清理程式的实施是交替进行的，直至满足实施步骤(3)的条件。
所述正常程式和电浆蚀刻清理程式的交替实施方式是通过管控参数的设置来实现的，所述管控参数包括正常程式时溅镀机跑过的片数、电浆蚀刻腔体清理程式时溅镀机跑过的片数、电浆蚀刻时间、每次电浆蚀刻清理清理程式进行重复的次数。
进一步，
所述正常程式溅镀机跑过的片数是25-50片；
所述电浆蚀刻清理程式溅镀机跑过的片数是5-20片；
所述电浆蚀刻清理程式每次重复5-15次。
再进一步，
在所述步骤(2)中的电浆蚀刻腔体内安装微粒颗数检测调控装置，实现对所述管控参数进行动态调控。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过对溅镀金属层的流程管控以及电浆蚀刻的参数设定，降低了微粒颗数，延长了电浆腔体的使用时间，从而降低了保养的次数，达到了降低人工及物料成本的目的；同时降低了凸块金属溅镀工艺中的杂质微粒的产生率，降低程度达60％，溅镀机的产能也大大提升，提升效果达150％。
附图说明
图1是本发明的技术方案的工艺流程图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施方式一
现结合金属层溅镀工艺和电浆蚀刻工艺对本发明的技术方案进行详细说明，金属层溅镀是在真空状况下，输入惰性气体(如氩气)，在高压直流电的作用下，氩气被离子化，氩离子撞击在金属源(靶材)，溅射出金属原子，沉积附与被镀件上，即形成金属层。
在金属层溅镀前要先进行电浆蚀刻工艺，电浆蚀刻的腔体内通常会存在两种高频电源；一种是2.0MHz的微波(Microwave)电源，一种是13.6MHz的射频(RF)电源。微波电源存在于电浆蚀刻腔体的上方(距离晶圆较远)，其功能主要是产生电浆源(产生带正电的氩离子)，而射频电源的主要目的是为了要让带正电的氩离子群与晶圆之间产生巨大的压差，使得带正电的氩离子被压差吸引而撞击到晶圆表面进而达到电浆蚀刻的效果。在电浆蚀刻工艺中，被电浆击出的晶圆表面物质(包括金属氧化物以及非导体的绝缘材料如氧化硅或氮化硅等)会附着在电浆蚀刻腔体的内壁，而在后续的金属溅镀过程中，这些附着物会剥落下来，落在凸块的开口内处导致凸块良率的降低，而针对这个问题，最简单的做法都是先设定一个微粒颗数/片进行监控，当微粒颗数超出管控上限时即停止再作业，对电浆蚀刻腔体内壁进行清理与配件的更换，这种做法因频繁停机进行清理从而限制了溅镀机产能提升，同时也会增加人力和物料的成本。
对于上述技术问题，本发明人于是想到了，在电浆蚀刻工艺中，如果没有射频电源的牵引，微波电源所产生的带正电的氩离子仍然会带有一定能量在电浆蚀刻腔体内到处撞击。而由于没有射频电源的牵引，此时的氩离子大部分是撞击到电浆蚀刻腔体的内壁上，这样，就可以将电浆蚀刻腔体内壁上的外来附着物打掉，从而在后续的金属溅镀工艺中，减少或者避免频繁停机进行清理的操作。
本发明即是基于上述的原理来解决前述的技术问题，所以本发明的技术方案是：一种降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，包括以下步骤：(1)开启微波电源和射频电源，对晶圆表面及金属垫表面进行电浆蚀刻；(2)溅镀机对晶圆进行金属层溅镀；(3)设置微粒颗数管控上限参数，超过此数值时即停机对电浆蚀刻腔体内壁进行清理；
其中，
步骤(1)中所述金属垫为金垫，或铜垫，或铝垫；所述电浆蚀刻采用的电浆气体为氩气；
步骤(2)中金属层溅镀过程包括正常程式和电浆蚀刻清理程式；
步骤(2)中所述金属层溅镀过程中的电浆蚀刻清理程式采用的方式是：关闭射频电源，利用微波电源产生的电浆对电浆蚀刻腔体内壁进行清理；
步骤(2)金属层溅镀过程中的正常程式和电浆蚀刻清理程式的实施是交替进行的，直至满足实施步骤(3)的条件。
如图1所示，本发明的技术方案的工艺流程图，首先要对晶圆进行电浆蚀刻，然后对电浆蚀刻过的晶圆进行金属层溅镀，在金属层溅镀工艺中，包括正常程式及电浆蚀刻清理程式，正常程式即现有生产中采用的模式，电浆蚀刻清理程式即本发明的技术方案提出的一种新的模式。正常程式和清理程式是交替实施的，如图1所示，在金属层的溅镀工艺中，正常程式结束后即进入清理程式，然后再回到正常程式，直至超过所设定的微粒颗数管控上限参数，即实施停机进行电浆蚀刻腔体的清理工作。
所述正常程式和电浆蚀刻清理程式的交替实施方式是通过管控参数的设置来实现的，所述管控参数包括正常程式时溅镀机跑过的片数、电浆蚀刻腔体清理程式时溅镀机跑过的片数、电浆蚀刻时间、每次电浆蚀刻清理清理程式进行重复的次数。
为了提升效率，增加产能，本发明的技术方案中，对于金属溅镀工艺，本发明的设计人，还进一步想到了采用溅镀机的正常程式和电浆蚀刻腔体的清理程式交替进行的的操作方式。即当溅镀机跑完正常程式的片数时，随即进入电浆蚀刻腔体清理程式，之后再跑完正常程式的片数，然后电浆蚀刻清洗程式，如此交替进行下去，直至超过设定的微粒颗数监控值(根据工艺对良率的要求设定一个监控值)，即停止作业进行电浆蚀刻腔体内壁的清理。按照此技术方案，可以减少频繁停机进行清理的操作，降低了保养的次数，从整体上提升了效率，增加了产能，如果溅镀金属层的流程管控以及电浆蚀刻的参数设定达到一个最佳的合适参数，那么就完全可以避免频繁停机进行清理的操作，从而最大潜能地提升溅镀机的产能。
再进一步，本发明技术方案的重点就是找出合适的时机来做这一个电浆蚀刻腔体内壁清理的动作以及内壁清理的动作要重复多少次才能达到最佳的效果。具体而言，即如何对正常程式时溅镀机跑过的片数、电浆蚀刻腔体清理程式时溅镀机跑过的片数、电浆蚀刻时间、每次电浆蚀刻清理清理程式进行重复的次数等管控参数设定，使其达到工艺的最佳参数。
发明人经过大量试验，得出一个优选的工艺管控参数是：
所述正常程式溅镀机跑过的片数是25-50片；
所述电浆蚀刻清理程式溅镀机跑过的片数是5-20片；
所述电浆蚀刻清理程式每次重复5-15次。
上述参数只是本发明一个比较优选的工艺参数，在实际情况中，还可以增加调节微波电源的功率参数来达到更好的工艺效果。
为了简化工艺参数，本发明的设计人，固定了微波电源的功率设定及电浆蚀刻的时间参数，实验的变数仅为需要跑多少次电浆蚀刻腔体内壁清理程式才能有效地控制微粒的颗数/片在设定的管控范围内。管控上限的设定要根据工艺最终产品良率的要求。本次方案是将微粒(>10μ)的控制上限设定为15颗/片(是原本控制上限30颗的一半)，经过大量实验，得出了如下技术参数，实验结果见表1。
发明设计人通过大量试验后发现：每一正常程式溅镀机跑过的片数是50片，每一电浆蚀刻清理程式溅镀机跑过的片数是10片，且每一电浆蚀刻清理程式每次重复12次时，能够达到较佳的工艺参数，平均微粒颗数都不超过设定的管控上限(颗/片)。
如表1所示，微粒(>10u)的控制上限设定为15颗，实验结果如下：
表1溅镀机在正常程式和清理程式中跑过的片数
表1试验数据表明，正常程式溅镀跑过的片数为25-50片，清理程式溅镀跑过的片数为5-15片时，微粒平均颗数在6-11(颗/片)，都不超过设定的管控上限(15颗/片)，上述设定工艺参数较佳。
按照表1的实验程式持续进行(正常程序与电浆蚀刻腔体清理程式交替进行；每次清理程式重复12次)，溅镀机可以支撑到约500片才需要清理电浆蚀刻腔体。相较于之前约每150片就需要清理腔体，溅镀机的产能利用率提升了150％(由平均125片/天提升到300片/天)，同时所产生的杂质微粒颗数由原本的平均20颗(>10微米的微粒)/片(8"晶圆)降低至平均8颗(>10微米的微粒)/片(8"晶圆)，杂质微粒的产生率降低了60％。
按照本发明的技术方案，可以预见，如果管控参数达到一个最佳的合适的设定，那么完全可以避免频繁停机进行清理的操作。
实施方式二
一种降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，包括以下步骤：(1)开启微波电源和射频电源，对晶圆表面及金属垫表面进行电浆蚀刻；(2)溅镀机对晶圆进行金属层溅镀；(3)设置微粒颗数管控上限参数，超过此数值时即停机对电浆蚀刻腔体内壁进行清理；
其中，
步骤(1)中所述金属垫为金垫，或铜垫，或铝垫；所述电浆蚀刻采用的电浆气体为氩气；
步骤(2)中金属层溅镀过程包括正常程式和电浆蚀刻清理程式；
步骤(2)中所述金属层溅镀过程中的电浆蚀刻清理程式采用的方式是：关闭射频电源，利用微波电源产生的电浆对电浆蚀刻腔体内壁进行清理；
步骤(2)金属层溅镀过程中的正常程式和电浆蚀刻清理程式的实施是交替进行的，直至满足实施步骤(3)的条件。
所述正常程式和电浆蚀刻清理程式的交替实施方式是通过管控参数的设置来实现的，所述管控参数包括正常程式时溅镀机跑过的片数、电浆蚀刻腔体清理程式时溅镀机跑过的片数、电浆蚀刻时间、每次电浆蚀刻清理清理程式进行重复的次数。
下面对工艺管控和参数设定进行详细描述，在实际操作中根据工艺需要，每一正常程式溅镀机跑过的片数可以设置为可调，比如20片、或25片、或50片、或80片、或100片；每一电浆蚀刻清理程式溅镀机跑过的片数也可以设置成可调、比如5片、或10片、或20片、或25片；每一电浆蚀刻清理程式重复的次数也可调，比如每次清理程式重复5次、或8次、或12次、或15次；而且，也可以通过调节电浆蚀刻每一清理程式中电浆蚀刻的时间及微波电源的功率来调参数达到最佳效果。所以，应当理解，本发明的宗旨在于方法的论述，其结果的数据及电浆蚀刻的参数并非重点，因为每一种溅镀机的特性不尽相同，最终所得的最佳条件也不会完全一致。
作为本发明技术方案实施方式的思路拓展，也可以在电浆蚀刻腔体及金属层溅镀工艺的设备内安装检测调控装置，随时检测微粒颗数的状态，同时对工艺参数实现动态调控，比如，根据检测的结果及时调控微波功率、溅镀机正常程式及电浆蚀刻清理程式跑过的片数、清理程式中电浆蚀刻时间、清理程式每次重复的次数等参数，从而达到避免保养或者最多限度地降低保养次数，进一步提升溅镀机产能的目的。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，其特征在于,包括以下步骤：
(1)开启微波电源和射频电源，对晶圆表面及金属垫表面进行电浆蚀刻；
(2)溅镀机对晶圆进行金属层溅镀；
(3)设置微粒颗数管控上限参数，超过此数值时即停机对电浆蚀刻腔体内壁进行清理；
其中，所述步骤(2)中金属层溅镀过程包括正常程式和电浆蚀刻清理程式；所述电浆蚀刻清理程式采用的方式是：关闭射频电源，利用微波电源产生的电浆对电浆蚀刻腔体内壁进行清理。
2.根据权利要求1所述的降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，其特征在于：所述步骤(2)金属层溅镀过程中的正常程式和电浆蚀刻清理程式的实施是交替进行的，直至满足实施步骤(3)的条件。
3.根据权利要求2所述的降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，其特征在于：所述正常程式和电浆蚀刻清理程式的交替实施方式是通过管控参数的设置来实现的，所述管控参数包括正常程式时溅镀机跑过的片数、电浆蚀刻腔体清理程式时溅镀机跑过的片数、电浆蚀刻时间、每次电浆蚀刻清理清理程式进行重复的次数。
4.根据权利要求3所述的降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，其特征在于：所述正常程式溅镀机跑过的片数是25-50片。
5.根据权利要求3所述的降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，其特征在于：所述电浆蚀刻清理程式溅镀机跑过的片数是5-20片。
6.根据权利要求3所述的降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，其特征在于：所述电浆蚀刻清理程式每次重复5-15次。
7.根据权利要求1所述的降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，其特征在于：步骤(1)中所述金属垫为金垫，或铜垫，或铝垫。
8.根据权利要求1所述的降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述电浆蚀刻采用的电浆气体为氩气。
9.根据权利要求3所述的降低金属层溅镀工艺中杂质微粒颗数的方法，其特征在于：在所述步骤(2)中的电浆蚀刻腔体内安装微粒颗数检测调控装置，实现对所述管控参数进行动态调控。
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Applicant before: Fujitsu Microelectronics Co., Ltd., Nantong

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