CN108878296B - 一种三维微凸点的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三维微凸点的制备方法，包括：在基底上图像化多个金属焊盘；在基底上沉积电镀时所需的导电层，利用刻蚀溶液去除各个金属焊盘上待电镀区域的导电层，旋涂光刻胶，在各个金属焊盘上方待电镀区域形成微尺寸的开口光刻胶掩模，各个金属焊盘面积与其电镀面积的面积比值可控；将具有开口光刻胶掩膜的金属焊盘在焊料电镀溶液中进行电镀，形成一层焊料柱；用有机溶液进行浸泡，去除光刻胶；利用刻蚀溶液去除电镀时连接各个金属焊盘的导电层；对各个金属焊盘上的焊料柱进行回流，得到多个高度不同的焊料凸点，金属焊盘面积与其电镀面积的面积比值越小，焊料凸点越高。本发明通过一次工艺获得三维结构的焊料凸点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造以及微电子器件封装技术领域，更具体地，涉及一种三维微凸点的制备方法。
背景技术
随着高集成度、高性能、微型化的需求越来越大，作为芯片间互联技术以及封装技术的微凸点技术，依托于BGA、CSP、Flip Chip、WLP等先进封装方式受到了越来越多的关注。在业界里，微凸点技术本身也朝着圆晶级、微尺寸、微间距以及高集成度的方向发展。
微凸点常用的制备技术包括：制备电镀需要的种子层，图形化光刻掩膜，焊料电镀，刻蚀种子层，现有的微凸点技术制备出的微凸点高度基本是一致的，各个微凸点间不存在明显的差异，但是由于某些封装以及互联的需要，如果需要高度不同的微凸点，就不能用常用的技术进行制备。虽然可以利用不同大小的焊料球采用置球的方式进行制备，但是焊料球的尺寸一般较大，很难得到高集成度以及微尺寸的结构。
公开号为CN 105140140A的中国专利公开报道了一种新型圆晶级焊料微凸点的制作方法，该发明提供了一种焊锡微凸点的制备方法，避免在进行各向同性湿法刻蚀去除多余的凸点下金属层，从而提高为凸点制备的可靠性。公开号为CN 104599978A的中国专利公开报道了一种在倒装芯片基板上小间距之间制备高凸点锡球的制备方法，该发明可以在焊盘的小间距上制备较高的凸点，以增强芯片与基板之间的连接可靠性。公开号为CN103474376A的中国专利公开报道了一种芯片的微凸点封装结构的成型方法，该专利制备方法旨在提高最终产品的可靠性。所以，暂无相关专利能够在微凸点的三维成形方面提供技术支撑。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种能够一次性制备不同高度的焊料微凸点技术，使得在同一批次或者同一芯片以及同一晶元上加工出的焊料微凸点能够形成不同三维形貌，解决在某些封装以及互联中需要高度不同的焊料微凸点的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种三维微凸点的制备方法，包括以下步骤：
(1)在基底上图像化多个金属焊盘；
(2)在基底上沉积电镀时所需的导电层，并进行图形化，利用刻蚀溶液去除各个金属焊盘上待电镀区域的导电层，剩余的导电层用于电镀时连接各个金属焊盘；
(3)旋涂光刻胶，利用曝光显影的方式，在各个金属焊盘上方待电镀区域形成微尺寸的开口光刻胶掩模，其中，各个金属焊盘上开口的面积即为电镀面积，各个金属焊盘面积与其电镀面积的面积比值可控；
(4)将步骤(3)得到的具有开口光刻胶掩膜的金属焊盘在焊料电镀溶液中进行电镀，形成一层焊料柱；
其中，各个金属焊盘上方的焊料柱的高度相同。
(5)用有机溶液进行浸泡，去除步骤(3)中经过曝光显影图形化后的光刻胶；
(6)利用刻蚀溶液去除电镀时连接各个金属焊盘的导电层；
(7)对各个金属焊盘上的焊料柱进行回流，控制各个金属焊盘面积与其电镀面积的面积比值不相同，即可得到多个高度不同的焊料凸点，金属焊盘面积与其电镀面积的面积比值越小，焊料凸点越高。
本发明通过利用焊盘面积与焊料电镀区域不同的面积比，电镀沉积不同体积的焊料，在回流后获得三维焊料凸点，从而有效地制备在封装时需要的高度不同的凸点，解决以往工艺需要植入直径不同的锡球的问题，使整个工艺具备大规模生产的可能性，同时降低了成本提升了效率。
可选地，所述金属焊盘中与基底相接触的金属层为粘附层，所述的金属焊盘的中间层，即与粘附层相接触的金属层为金属阻挡层，所述的金属焊盘中处在最上方的是种子层，种子层在电镀焊料时使焊料能够在其上方进行沉积，在回流时能够与焊料发生反应增强它们之间的粘附性。
可选地，通过控制相同的金属焊盘面积，不同的电镀微尺寸开口来获得不同的面积比例，电镀不同的焊料体积，在相同面积的金属焊盘就能够形成高度不同的焊料凸点。
可选地，通过控制相同的电镀微尺寸开口，不同的金属焊盘面积来获得不同的面积比例，电镀相同的焊料体积，在不同面积的金属焊盘上就能够形成高度不同的焊料凸点。
可选地，通过控制不同的金属焊盘面积，不同的电镀微尺寸开口来获得不同的面积比例，电镀不同的焊料体积，在不同面积的金属焊盘上形成高度不同的焊料凸点。
可选地，所述步骤(2)剩余的导电层必须与金属焊盘有电连接，在电镀时在光刻胶掩模下方充当电子的流动载体，导电层金属与金属焊盘以及焊料之间有较强的刻蚀选择比。
可选地，在回流时可以加入防氧化措施，防焊料的氧化措施可以依据情况选择，可以是加助焊剂，或者在惰性气体/惰性液体中回流。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明将传统的焊料凸点工艺进行改进，使之能够制备高度不同的三维结构的焊料凸点。
2、本发明控制金属焊盘和电镀微开口之间的面积比例，和光刻掩模的特性进行电镀区域的限制，从而获得不同的相对面积比例和电镀体积。
3、本发明利用在回流时焊料会融化为液态，在液体表面张力的限制下在金属焊盘上形成凸点，而相应体积的焊料在不同面积比例的焊盘上凸点高度会不同，从而获得三维结构的焊料凸点。
4、本发明与传统的焊料凸点工艺相比较没有增加较复杂的步骤，仅仅依靠导电层和光刻胶掩模进行限制电镀体积即可得到，制作步骤简单，制备成本很低，可实现大规模生产。
5、本发明提供的利用电镀的形式沉积焊料，避免了以往要得到高度不同的凸点需要使用不同直径的焊料球的限制，能够获得尺寸极小的三维焊料凸点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种制备好的三维焊料微凸点结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种加工方法流程示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种加工方法流程示意图；
图4是本发明实施例提供的又一种加工方法流程示意图；
其中，图2(a)、图3(a)以及图4(a)均为硅基底以及图形化的金属焊盘，图2(b)、图3(b)以及图4(b)均为沉积电镀时所需的导电层，图2(c)、图3(c)以及图4(c)均为在种子层上方形成微尺寸的开口光刻胶掩模，图2(d)、图3(d)以及图4(d)均为在焊料电镀溶液中进行电镀，图2(e)、图3(e)以及图4(e)均为去掉硅基底上的电镀倒模，图2(f)、图3(f)以及图4(f)均为去除电镀时所需的导电层，图2(g)、图3(g)以及图4(g)均为进行回流；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，100为硅基底，101为氧化层，102为金属焊盘，103为电镀时所需的导电层，104为微尺寸开口，105为拥有微尺寸开口的光刻胶倒模，106为电镀沉积的焊料柱，201为回流后形成的焊料球。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开一种新型回流焊微凸点制备方法，属于半导体芯片封装领域。该微凸点结构通过包括以下步骤的方法制备：在基底上图形化金属粘附层、金属阻挡层、以及种子层作为金属焊盘；然后在整片基底上沉积电镀时所需的导电层，并进行图形化；再旋涂光刻胶，利用曝光显影的方式，在种子层上方形成微尺寸的开口光刻胶掩模；然后在焊料电镀溶液中进行电镀，形成一层焊料柱；再用有机溶液进行浸泡，去除图形化后的光刻胶；利用刻蚀溶液去除电镀时所需的导电层；最后进行回流，即可得到所需的高度不同的焊料凸点。
因为在图形化金属焊盘和种子层上方的光刻胶时，可以任意选择尺寸，因此可以任意定义图形化金属焊盘和电镀微开口的大小，这样就可以控制金属焊盘的大小和电镀出来的焊料柱体积。通过控制金属焊盘和电镀微开口之间的面积比例，本发明通过利用焊盘面积与焊料电镀区域不同的面积比，电镀沉积不同体积的焊料，在回流后获得三维焊料凸点，形成一种三维(3D)结构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，通过控制焊盘面积与焊料电镀区域不同的面积比例，进行电镀，并且电镀时的导电层具有与焊料不同的化学性质。通过控制金属焊盘和电镀微开口之间的面积比例，电镀沉积不同体积的焊料，在回流后获得三维焊料微凸点；并且能够去除导电层的化学溶剂不会和金属焊盘以及电镀焊料发生反应，从而不会产生底切以及焊料损坏的现象。
具体地，整个制备过程包括如下步骤：(1)在基底上图形化金属粘附层、金属阻挡层、以及种子层作为金属焊盘；(2)在整片基底上沉积电镀时所需的导电层，并进行图形化；(3)旋涂光刻胶，利用曝光显影的方式，在种子层上方形成微尺寸的开口光刻胶掩模；(4)在焊料电镀溶液中进行电镀，形成一层焊料柱；(5)用有机溶液进行浸泡，去除图形化后的光刻胶；(6)利用刻蚀溶液去除电镀时所需的导电层；(7)进行回流，即可得到所需的高度不同的焊料凸点。
优选地，金属焊盘可通过图形化进行定义大小尺寸，开口的大小根据具体需求是不同的。
优选地，金属焊盘中与基底相接触的金属层为粘附层，粘附层的作用是增强基底与金属层之间的粘附性，使金属在基底上不易脱落，一般为钛、铬之类的金属；所述的金属焊盘的中间层，即与粘附层相接触的金属层为金属阻挡层，金属阻挡层的作用是阻挡后期电镀焊料在回流工艺时与粘附层发生反应，从而使整个金属焊盘脱落，一般为镍；所述的金属焊盘中处在最上方的是种子层，种子层在电镀焊料时使焊料能够在其上方进行沉积，在回流时能够与焊料发生反应增强它们之间的粘附性，一般为金或者铜。
优选地，沉积电镀时所需的导电层必须与金属焊盘有电连接，在电镀时在光刻胶掩模下方充当电子的流动载体，导电层金属与金属焊盘以及焊料之间有较强的刻蚀选择比。
优选地，微尺寸的开口光刻胶掩模是为电镀焊料时焊料所准备的沉积空间，焊料在电镀时只会沉积在开口处；开口的大小根据具体需求是不同的，开口大的地方沉积的焊料体积较多，开口较少的沉积的焊料体积较少。
优选地，所述在焊料电镀溶液中进行电镀，电镀溶液一般为锡电镀溶液或者铟电镀溶液；电镀的厚度以实际需求为目标，无明确限制。
优选地，所述利用刻蚀溶液去除电镀时所需的导电层时，不应对金属焊盘以及焊料产生严重的刻蚀。
可选地，在回流时可以加入防氧化措施，防焊料的氧化措施可以依据情况选择，可以是加助焊剂，或者在惰性气体/惰性液体中回流。
形成三维的焊料凸点结构，由于凸点高度不同，在封装时，较高的凸点可以保证不同芯片之间的凸点电连接、中间高度的凸点可以起到机械支撑的作用，较低的凸点可以起到冲击过载时的缓冲作用，如果上述的这些功能需要在不同的加工步骤中完成，整个生产的成本将会提高，工艺的复杂性以及兼容性都会收到明显的影响。本发明通过控制焊盘面积与焊料电镀区域不同的面积比例，沉积获得不同体积的焊料，从而在回流后一次性形成高度不同的焊料凸点，即通过一次电镀回流和封装即可实现多种功能。
本发明通过与焊料具有较高的刻蚀选择比的金属层来实现电镀时的导电层，通过光刻胶掩模限制电镀区域从而控制电镀焊料的体积。具体地，凸点包括焊料层与焊盘层，所述焊盘层包括粘附层、阻挡层与种子层，所述焊盘在电镀时通过光刻胶掩模制备的倒模进行焊料电镀，并通过导电层实现在电镀时的电连接，所述凸点可以制备在基底上，基底可以是硅材料基底，也可以是玻璃材料基底，也可以是三五族材料基底，所述高度不同的凸点是在回流后得到。
在具体的示例中，本发明提供的三维焊料凸点制备中所用的结构包括：硅基底、金属焊盘、光刻胶掩模、电镀沉积的焊料柱以及回流后形成的焊料球。硅基底上有氧化层，在氧化层之上为金属焊盘，为了增强焊盘与硅基底的粘附性，焊盘最底层与硅基底接触的是粘附层金属铬或钛，为了防止在回流时焊料向下渗透，在粘附层上方是阻挡层金属镍，在阻挡层上方是电镀时所用的种子层金属金。为了在电镀时获得导通特性，所有焊盘通过导电层相连接，而在种子层上方通过开口光刻胶掩模的形式确定电镀区域，在电镀完成后通过湿法刻蚀将光刻胶以及导电层去除，从而只剩下金属焊盘与电镀焊料柱，最后通过回流的形式在不同的焊盘上得到高度不同的焊料凸点。
优选地，整个制备步骤包括如下步骤：在带有氧化层的硅基底上图形化金属粘附层、金属阻挡层、以及种子层作为金属焊盘；在整片基底上沉积电镀时所需的导电层；旋涂光刻胶，利用曝光显影的方式，在种子层上方形成微尺寸的开口光刻胶掩模，并同时利用显影液刻蚀种子层上方的导电层，使种子层暴露在外；在焊料电镀溶液中进行电镀，形成一层焊料柱；用有机溶液进行浸泡，去除图形化后的光刻胶；利用刻蚀溶液去除电镀时所需的导电层；进行回流，即可得到所需的高度不同的焊料凸点。
优选地，金属焊盘的面积与形状可以根据需求任意选择，面积可以从平方微米量级到平方毫米量级。
优选地，由光刻胶掩模确定的电镀区域的面积可以是整个金属焊盘的区域，也可以是焊盘区域的一部分，面积可以从平方微米量级到平方毫米量级。
优选地，所选用的光刻胶厚度根据具体的情况而定，可以从几微米到数百微米。
优选地，电镀焊料的厚度根据具体的情况而定，可以从几微米到数百微米。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
作为具体的实施例，如图1、图2、图3以及图4所示，本发明实现一种高度不同的三维焊料凸点的制备，包括：硅基底100，氧化层101，金属焊盘102，电镀时所需的导电层103，微尺寸开口104，拥有微尺寸开口的光刻胶倒模105，电镀沉积的焊料柱106，以及回流后形成的焊料球201。
实施例1
本发明通过利用相同的焊盘面积与不同焊料电镀区域来获得不同的面积比，在回流后获得三维焊料凸点，包括如下步骤：
(1)在500微米厚的硅基底上通过干法氧化出厚度为200纳米的二氧化硅氧化层。
(2)利用刻蚀或者剥离的方法在硅基底表面制备零散的金属焊盘(如图2(a))。
进一步地，步骤(2)包括如下步骤：
(2-1)采用热蒸发的方式先后在所述硅基底100上的氧化层101上沉积铬膜、镍膜和金膜；
例如，铬膜厚度为20nm，镍膜厚度为80nm，金膜厚度为300nm。
(2-2)在所述金膜上制备图形化的光刻胶掩膜，所述光刻胶掩膜的布局与所述金属焊盘102的位置相关。
(2-3)湿法刻蚀去除多余的铬、镍和金，剥离光刻胶掩膜。
(3)采用热蒸发的方式在所述硅基底100上的氧化层101上沉积铝膜103，此铝膜覆盖整个硅基底，包括在步骤(2)中制备的金属焊盘(如图2(b))；
需要说明的是，此处可选择铝作为导电层进行举例说明。本领域技术人员可根据需要选取其他材料作为导电层，本发明对此不做唯一性限定。
(4)利用光刻对准技术，在金属焊盘102上制备图形化的光刻胶掩膜，电镀时该光刻胶掩膜被用作限制电镀位置的倒模105(如图2(c))，并且利用显影液刻蚀金属焊盘上的导电层铝，使金属焊盘部分地露出。
进一步地，步骤(4)进一步包括如下步骤：
(4-1)将所述硅基底100置于匀胶机转盘上，将光刻胶倒于硅片表面。
其中，光刻胶可以为AZ9260，可以匀胶机的转速为1500r/min，开始旋转，旋转120s后停止。
(4-2)烘干所述硅基底1表面的光刻胶。
例如，将匀胶完成的硅片置于加热台上，用120℃的温度前烘3min。
(4-3)将步骤(4-2)得到的硅基底100置于对准光刻机中，安装光刻掩模，并进行光刻。
(4-4)配置显影液与水的混合液，将步骤(4-3)得到的硅基底1置于混合溶液中显影，随后将所述硅基底100取出，并用去离子水清洗后用氮气枪吹干，最终得到图形化的光刻胶掩膜，以及使金属焊盘部分地露出。
例如，配置体积比为1:4的Az400k显影液与水的混合液，将完成光刻的硅片置于混合溶液中显影8分钟。
需要说明的是，如图2(c)所示，金属焊盘的大小完全一致，而光刻胶倒模的开口从左往右依次增大。
(5)进行焊料锡的电镀，利用电镀时间控制电镀所得的焊料的厚度(如图2(d))。
需要说明的是，如图2(d)所示，因为在步骤(4)中光刻胶倒模的开口左往右依次增大，所以在电镀中电镀焊料柱的大小也是从左往右依次增大，从而在不同金属焊盘上电镀的焊料的体积不同，并呈现从左往右依次增大的现象。
(6)电镀完成后，去除所述光刻胶掩膜(如图2(e))。
(7)电镀完成后，去除所述导电层铝，得到设置在所述金属上的焊料柱106。
(8)在惰性气体保护环境中进行回流，回流温度为280摄氏度，回流时间为20秒，得到高度不同的焊料球201(如图2(g))。
需要说明的是，因为在步骤(5)中，在不同金属焊盘上电镀的焊料的体积不同，并呈现从左往右依次增大的现象，因此在回流时在大小相同的金属焊盘上能够融化的焊料体积是不同的，在液体的表面张力的作用下，不同体积的焊料形成的焊料球呈现不同的大小以及不同的高度，并呈现从左往右依次增大、依次增高的现象。
实施例2
本发明通过利用相同的焊料电镀区域与不同的焊盘面积来获得不同的面积比，在回流后获得三维焊料凸点，具体实施步骤参照实施例1步骤，在此不做赘述。
其中，需要说明的是，如图3(a)所示，金属焊盘的面积不同，从左往右依次减小。
需要说明的是，如图3(d)所示，光刻胶倒模的开口大小一致，在不同金属焊盘上电镀的焊料的体积相同，而金属焊盘面积从左往右依次减小，因此在液体的表面张力的作用下，相同体积的焊料形成的焊料球呈现不同的大小以及不同的高度，并呈现从左往右依次增大、依次增高的现象。
实施例3
本发明通过利用不同的焊料电镀区域与不同的焊盘面积来获得不同的面积比，在回流后获得三维焊料凸点，具体实施步骤参照实施例1步骤，在此不做赘述。
其中，需要说明的是，如图4(c)所示，光刻胶倒模的开口的大小和金属焊盘大小均不一致，改变了相应的两者之间的面积比例，电镀在不同金属焊盘上的焊料体积不一致，如图4(g)所示在不同面积的金属焊盘和不同体积的电镀焊料共同作用下，产生了高度不同、大小不一的焊料球。
本发明通过利用焊盘面积与焊料电镀区域不同的面积比，电镀沉积相同高度的焊料，在回流后获得三维焊料凸点。因为面积比不同，在相应的的金属焊盘上就能够形成高度不同的焊料凸点。其目的在于对于某些需要焊料高度不同的封装需求，能够提供一种有效的微凸点制备方法，该制备方法无需焊料球的植入，通过电镀的方法可获得较小尺寸的焊料球，能够满足系统进一步微型化的需求，并且能够完全适应于大规模生产的要求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种三维微凸点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在基底上图像化多个金属焊盘；
(2)在基底上沉积电镀时所需的导电层，并进行图形化，利用刻蚀溶液去除各个金属焊盘上待电镀区域的导电层，剩余的导电层用于电镀时连接各个金属焊盘；
(3)旋涂光刻胶，利用曝光显影的方式，在各个金属焊盘上方待电镀区域形成微尺寸的开口光刻胶掩模，其中，各个金属焊盘上开口的面积即为电镀面积，各个金属焊盘面积与其电镀面积的面积比值可控；
(4)将步骤(3)得到的具有开口光刻胶掩膜的金属焊盘在焊料电镀溶液中进行电镀，形成一层焊料柱；
(5)用有机溶液进行浸泡，去除步骤(3)中经过曝光显影图形化后的光刻胶；
(6)利用刻蚀溶液去除电镀时连接各个金属焊盘的导电层；
(7)对各个金属焊盘上的焊料柱进行回流，控制各个金属焊盘面积与其电镀面积的面积比值不相同，即可得到多个高度不同的焊料凸点，金属焊盘面积与其电镀面积的面积比值越小，焊料凸点越高；
控制各个金属焊盘面积与其电镀面积的面积比值不相同，包括：通过控制相同的金属焊盘面积，不同的电镀微尺寸开口来获得不同的面积比例，电镀不同的焊料体积，在相同面积的金属焊盘上就能够形成高度不同的焊料凸点；或通过控制相同的电镀微尺寸开口，不同的金属焊盘面积来获得不同的面积比例，电镀相同的焊料体积，在不同面积的金属焊盘上就能够形成高度不同的焊料凸点；或通过控制不同的金属焊盘面积，不同的电镀微尺寸开口来获得不同的面积比例，电镀不同的焊料体积，在不同面积的金属焊盘上形成高度不同的焊料凸点。
2.根据权利要求1所述的三维微凸点的制备方法，其特征在于，所述金属焊盘中与基底相接触的金属层为粘附层，所述的金属焊盘的中间层，即与粘附层相接触的金属层为金属阻挡层，所述的金属焊盘中处在最上方的是种子层，种子层在电镀焊料时使焊料能够在其上方进行沉积，在回流时能够与焊料发生反应增强它们之间的粘附性。
3.根据权利要求1或2所述的三维微凸点的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)剩余的导电层必须与金属焊盘有电连接，在电镀时在光刻胶掩模下方充当电子的流动载体，导电层金属与金属焊盘以及焊料之间有大于预设阈值的刻蚀选择比。
4.根据权利要求1所述的三维微凸点的制备方法，其特征在于，在回流时加入防氧化措施，防焊料的氧化措施为加助焊剂，或者在惰性气体/惰性液体中回流。
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