CN113923893A - 一种大气压下等离子体容性耦合放电镀铜的装置及方法 - Google Patents

一种大气压下等离子体容性耦合放电镀铜的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于集成电路/芯片制造中硅通孔(Through Silicon Via，TSV)加工领域，更具体地，涉及一种大气压下等离子体容性耦合放电镀铜的装置及方法。该装置中线圈环绕于柱状绝缘管的外壁；线圈的一端与匹配器连接射频电源的负极的一端相连接，线圈的另一端为自由端；铜丝穿过柱状绝缘管的中心通孔，铜丝的一端与匹配器连接射频电源的正极的一端相连接，铜丝的另一端为自由端；该装置工作时，所述铜丝的自由端位于待镀铜试件的通孔内，以铜丝为蒸发溅射源，在待镀铜试件通孔内壁镀上铜膜。采用该装置在硅晶圆通孔内壁镀铜，不需要化学镀、电镀等工序。该方法科学合理，简单易行，具有环保高效、产业延伸性强等特点。

Description

一种大气压下等离子体容性耦合放电镀铜的装置及方法
技术领域
本发明属于集成电路/芯片制造中硅通孔(Through Silicon Via，TSV)加工领域，更具体地，涉及一种大气压下等离子体容性耦合放电镀铜的装置及方法。
背景技术
硅通孔技术是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同，TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。硅通孔技术的出现，为实现低成本、低功耗、高性能、高密度、小尺寸芯片系统封装集成提供了解决方案。
三维硅通孔技术包括孔的制备、生长绝缘层/阻挡层/种子层、硅通孔镀铜、硅片的研磨减薄、芯片叠层等等。其中，孔的制备以及如何生长孔内镀层为基础和难点。传统金属化通孔的方法为化学镀铜，但化学镀铜存在污染严重和成本高的问题，化学镀溶液中的甲醛不仅会对生态环境造成污染，还对人体有危害。此外，化学镀的工艺流程复杂，对化学镀的溶液要求高。常见的镀层生长方法还有电镀法，电镀铜过程中需要添加多种添加剂并进行长时间的搅拌，各种添加剂可能存在的相互作用没有被系统地研究，对工艺条件的要求较高，过程较为繁琐。
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在大气压条件下在通孔内壁通过冷等离子体原位直接镀铜的装置及方法，旨在解决现有技术在通孔内壁镀铜采用电镀或化学镀污染严重、成本高、对工艺条件要求高等的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种大气压下等离子体容性耦合放电镀铜装置，包括射频电源、匹配器、含有中心通孔的柱状绝缘管、线圈和铜丝，其中：
所述匹配器一端为第一连接端，另一端为第二连接端，所述第一连接端与所述射频电源的正极相连，所述第二连接端与所述射频电源的负极相连，
所述铜丝穿过所述柱状绝缘管的中心通孔，所述铜丝的一端与所述匹配器的第一连接端相连接，所述铜丝的另一端为自由端；
所述线圈环绕于所述柱状绝缘管的外壁；所述线圈的一端与所述匹配器的第二连接端相连接，所述线圈的另一端为自由端；
该装置工作时，所述铜丝的自由端位于待镀铜试件的通孔内，在惰性气氛下，开启电源，点燃并维持等离子体的放电，以铜丝为蒸发溅射源，对待镀铜试件的通孔内壁进行原位镀铜。
优选地，所述柱状绝缘管侧面设置有支管，所述支管用于向所述柱状绝缘管的中心通孔内通入能够激发产生等离子体的惰性气体；所述绝缘管进一步优选为石英管。
优选地，还包括可移动机械平台，所述待镀铜试件置于所述可移动机械平台上，该可移动机械平台用于将待镀铜试件移动至所述绝缘管下方，且与所述柱形绝缘管同轴。
优选地，所述柱形绝缘管的下端与所述待镀铜试件的上端之间的距离为3-4mm。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用所述的装置在待镀铜试件通孔内壁镀铜的方法，包括如下步骤：
(1)对含有通孔的待镀铜试件进行清洗，以去除该试件表面的氧化物和其它杂质，并进行干燥，以得到清洗后待镀铜试件；
(2)将清洗后待镀铜试件置于所述的等离子体容性耦合放电镀铜装置其可移动机械平台上，将铜丝自由端放置于待镀铜试件的通孔内，通入惰性气体，开启电源，点燃并维持等离子体的放电，以铜丝为蒸发溅射源，对待镀铜试件的通孔内壁进行原位镀铜。
优选地，步骤(1)采用氢氟酸溶液对含有通孔的待镀铜试件进行清洗，以去除该试件表面的氧化物；采用丙酮溶液和乙醇溶液清洗去除其表面杂质；并将该带镀铜试件置于去离子水超声清洗剂中进一步清洗；然后采用氮气干燥。
优选地，所述氢氟酸溶液浓度为0.1mol/L～0.2mol/L，丙酮溶液浓度为1～3mol/L，乙醇溶液浓度为99.7％。
优选地，放电时，电源功率不超过100W，进一步优选为80W-100W；控制惰性气体流量为200sccm-300sccm；等离子体放电时间为20-30min，铜膜厚度为700nm-1000nm。
优选地，所述铜丝直径为0.1～0.15mm；所述线圈材质为钨，线圈环绕于所述绝缘管外壁，其线圈圈数为5～9。
优选地，放电时，等离子体放电温度≤1083.4℃。
优选地，所述含有通孔的待镀铜试件为含有通孔的硅晶圆或PCB板。
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)本发明提供的一种大气压下等离子体容性耦合放电镀铜装置，结构简单，线圈环绕于柱状绝缘管的外壁；线圈的一端与匹配器连接射频电源的负极的一端相连接，线圈的另一端为自由端；铜丝穿过柱状绝缘管的中心通孔，铜丝的一端与匹配器连接射频电源的正极的一端相连接，铜丝的另一端为自由端；该装置工作时，所述铜丝的自由端位于待镀铜试件的通孔内，开启电源，点燃并维持等离子体的放电，在保护气氛下，以铜丝为蒸发溅射源，铜金属丝通过蒸发溅射生成纳米颗粒，在待镀铜试件通孔内壁镀上铜膜。本发明采用大气压下射频电源点燃并维持氩气产生的等离子体放电的方式，对铜金属材料进行蒸发溅射，对设备及环境的要求低，工艺流程简单，操作简单高效，科学易行，方便应用于对通孔实验的研究。
(2)本发明所述的镀铜工艺可得到致密、平整的铜薄膜，铜膜导电性能良好、附着性好。
(3)本发明所述的镀铜工艺效率高，可应用于大规模、高效率的三维通孔镀铜的工业化生产。
附图说明
图1为本发明涉及的大气压下等离子体容性耦合放电硅通孔镀铜的装置图；
图2为实施例1提供的镀铜后硅通孔截面扫描电镜图。
图3为实施例2提供的镀铜后硅通孔截面扫描电镜图。
图4为对比例1提供的镀铜后硅通孔截面扫描电镜图。
图5为对比例2提供的镀铜后硅通孔截面扫描电镜图。
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：1-射频电源，2-匹配器，3-铜丝，4-带支管的石英管，5-环绕线圈，6-带有通孔结构的硅晶圆，7-可移动机械平台。
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。
大气压下射频等离子体放电形成的纳米粒子具有放电连续、自组装性的优点。同时，大气压下的放电装置不需要维持真空条件和使用复杂的转换腔体，因此降低了成本。微等离子体放电具有更高密度的自由基，从而提高了等离子体与金属前体之间的反应速率，提高了粒子的成核和生长效率。在大气压射频等离子体放电中，由于实验装置的尺寸较小，金属前体在反应腔体内的停留时间较短，获得的金属纳米粒子具有更小的直径和较为均匀的尺寸分布。
同时，随着人工智能、大数据、云计算等应用相继兴起，对应着更高的运算速率，更高的带宽，以及相对较低的成本和功耗，先进的封装集成技术不断涌现。其中，硅通孔结构占据了重要的地位。2.5D封装是一种先进的异构芯片封装技术，可以实现多个芯片的高密度、高集成度的线路连接。在2.5D封装中，芯片并排放置在中介层顶部，通过芯片的微凸块和中介层中的布线实现互连。中介层通过硅通孔实现上下层的互连，再通过锡球焊接至传统2D的封装基板上。在PCB线路板中，通孔是设计的重要组成元素之一。通孔的结构及质量是影响PCB电气性能的关键因素之一。
为此，本发明提出了一种大气压下等离子体容性耦合放电镀铜的装置及方法，不需要化学镀、电镀等工序，实现了在硅通孔内铜金属纳米颗粒的沉积成膜，在硅通孔金属化的应用中具有重要的意义。同样适用于2.5D封装中硅通孔转接板内孔镀铜、PCB板上焊盘孔内壁镀铜，科学合理，简单易行，具有环保高效、产业延伸性强等特点。
本发明提供的一种大气压下等离子体容性耦合放电镀铜装置，包括射频电源、匹配器、含有中心通孔的柱状绝缘管、线圈和铜丝，匹配器用于调节接入负载的阻抗和射频电源相匹配，使射频电源的功率最大化。其中：
所述线圈环绕于所述柱状绝缘管的外壁；所述铜丝穿过所述绝缘管的中心通孔，且所述铜丝的一端与所述匹配器的一端相连接，匹配器该端与所述射频电源的正极相连，所述铜丝的另一端伸入待镀铜试件的通孔内；所述线圈的一端与所述匹配器的另一端相连接，匹配器该端与所述射频电源的负极相连，所述线圈的另一端为自由端。
传统的大气压等离子体容性耦合装置中，射频电源匹配器两端分别与环绕线圈两端相连，金属电极即铜金属丝接地。实验中发明人尝试采用传统的连接方式时，由于铜电极尖端在绝缘管比如石英管外部，铜电极尖端放电不明显，溅射得到的铜膜不致密，导电率低。然而，当采用本发明的连接方式时，铜电极尖端放电明显，石英管外等离子体射流发光较强，推测可能是由于铜电极连接射频电源正极，周围电场强度加强，从而加强了容性耦合放电。
一些实施例中，所述柱状绝缘管侧面设置有支管，所述支管用于向所述柱状绝缘管的中心通孔内通入能够被激发产生等离子体的惰性气体；惰性气体比如可以为氦气、氖气或氩气，也可以包含一些能够改变原子激发态的气体，比如氢气等。本发明所述绝缘管为高熔点材质。一些优选实施例中，所述绝缘管为石英管，石英玻璃熔点比较高，实验室还可以直接观察里面的放电情况。
一些实施例中，该装置图如图1所示，其中，1-射频电源，2-匹配器，3-铜丝，4-带支管的石英管，5-环绕线圈，6-带有通孔结构的硅晶圆，7-可移动机械平台。
一些实施例中，本发明所述装置中还包括可移动机械平台，所述待镀铜试件置于所述移动机械平台上，该移动机械平台用于将待镀铜试件移动至所述绝缘管下方，且与所述柱形绝缘管同轴。
一些实施例中，为了获得较好的镀膜效果，所述柱形绝缘管的下端与所述待镀铜试件的上端之间的距离为3-4mm。
本发明还提供了一种利用本发明所述的装置在待镀铜试件通孔内壁镀铜的方法，包括如下步骤：
(1)对含有通孔的待镀铜试件进行清洗，以去除该试件表面的氧化物和其它杂质，并进行干燥，以得到清洗后待镀铜试件；
(2)将清洗后待镀铜试件置于所述的等离子体容性耦合放电镀铜装置其移动机械平台上，将铜丝一端放置于待镀铜试件的通孔内，通入惰性气体，开启电源，点燃并维持等离子体的放电，以铜丝为蒸发溅射源，对待镀铜试件的通孔内壁进行原位镀铜。
镀铜过程完成后，依次关闭射频电源、匹配器及气体流量计，待反应腔体冷却至室温后，获得通孔内壁镀铜膜之后的试件。
实验中发现，在采用上述装置对试件通孔内镀铜膜时，试件表面清洗比较重要，可能对镀膜的质量以及铜膜在基底表面的粘结力有直接的影响。一些优选实施例中，步骤(1)采用氢氟酸溶液对含有通孔的待镀铜试件进行清洗，以去除该试件表面的氧化物；采用丙酮溶液和乙醇溶液清洗去除其表面杂质；并将该带镀铜试件置于去离子水超声清洗剂中进一步清洗；然后采用氮气干燥。
一些实施例中，所述氢氟酸溶液浓度为0.1mol/L～0.2mol/L，丙酮溶液浓度为1～3mol/L，乙醇溶液浓度为99.7％。
本发明将铜金属丝的一端直接连接在射频电源正极上，实验过程中发现电源功率不宜过大，一些实施例中，放电时，电源功率不宜大于110W，优选实施例中，电源功率为80W-100W；为了获得较佳的镀膜效率和镀膜质量，控制氦气流量为200sccm-300sccm；等离子体放电时间为20-30min，铜膜厚度为700nm-1000nm。所述铜丝直径为0.1～0.15mm；所述线圈材质为钨，线圈环绕于所述绝缘管外壁，其线圈圈数为5～9。
一些实施例中，等离子体放电温度≤1083.4℃，铜金属丝通过蒸发溅射生成纳米颗粒，在待镀铜试件通孔内壁镀上铜膜。
本发明提出的大气压下等离子体容性耦合放电镀铜的装置及方法可以适用于各种通孔内壁的镀铜，包括但不限于硅晶圆通孔内壁镀铜，2.5D封装中硅通孔转接板内孔镀铜、PCB板上焊盘孔内壁镀铜等。
以下为具体实施例：
实施例1
一种晶圆硅通孔内壁冷等离子体直接镀铜工艺，包括如下步骤：
(1)将直径为50mm，厚度为0.3mm，通孔直径为0.15mm的带有通孔结构的硅晶圆放入0.1mol/L氢氟酸中溶液中清洗10min，将清洗后的硅晶圆依次放入2mol/L丙酮溶液、99.7％的乙醇溶液中各30min进行清洗；
(2)将带有通孔结构的硅晶圆放入去离子水超声清洗机中，超声清洗10min，对所述硅晶圆通入氮气进行烘干，烘干时间为10min；
(3)将干燥后的带有通孔结构的硅晶圆放入如图1所示的等离子体容性耦合放电装置中，图1中，1为射频电源，2为匹配器，3为铜丝，4为带支管的石英管，5为环绕线圈，6为带有通孔结构的硅晶圆，7为可移动机械平台。线圈环绕于柱状绝缘管的外壁；线圈的一端与匹配器连接射频电源的负极的一端相连接，线圈的另一端为自由端；铜丝穿过柱状绝缘管的中心通孔，铜丝的一端与匹配器连接射频电源的正极的一端相连接，铜丝的另一端伸入硅晶圆的通孔结构中。将带有通孔结构的硅晶圆放置于机械平台上，线圈环绕于石英管外部，线圈匝数为6，通入氦气，设置氦气流速为300sccm，开启射频电源与匹配器，设置射频电源功率为90W，点燃并维持等离子体的放电，以铜丝为蒸发溅射源，对硅晶圆的通孔内壁进行镀铜，镀铜时间为40min；
(4)镀铜过程完成后，依次关闭射频电源、匹配器及气体流量计，待反应腔体冷却至室温后，获得通孔内壁镀铜膜之后的硅晶圆。
实施例2
(1)将直径为50mm，厚度为0.5mm，通孔直径为0.3mm的带有通孔结构的硅晶圆放入0.1mol/L氢氟酸溶液中清洗10min，将清洗后的带有通孔结构的硅晶圆依次放入2mol/L丙酮溶液、99.7％乙醇溶液中各30min进行清洗；
(2)将带有通孔结构的硅晶圆放入去离子水超声清洗机中，超声清洗10min，对所述带有通孔结构的硅晶圆通入氮气进行烘干，烘干时间为10min；
(3)将干燥后的带有通孔结构的硅晶圆放入图1所示的等离子体容性耦合放电装置中，将带有通孔结构的硅晶圆放置于机械平台上，线圈环绕于石英管外部，线圈匝数为6，通入氦气，设置氦气流速为200sccm，开启射频电源与匹配器，设置射频电源功率为80W，点燃并维持等离子体的放电，以铜丝为蒸发溅射源，对硅晶圆的通孔内壁进行镀铜，镀铜时间为30min；
(4)镀铜过程完成后，依次关闭射频电源、匹配器及气体流量计，待反应腔体冷却至室温后，获得通孔内壁镀铜膜之后的硅晶圆。
对实施例1和实施例2的镀铜产品进行性能测试，测试数据如表1所示：
表1实施例1和实施例2的镀铜产品性能测试结果
Figure BDA0003275569010000081
从表1可以看出，实施例1和实施例2的标准体积电阻率均低于105Ω/cm，符合导体的定义。实施例1的热导系数较高于实施例2，总体来说都较为理想，反映了金属薄膜的传热能力较好，气孔率小，薄膜完整性较高。平均粒子直径较小，说明粒子熔化程度充分，电源功率、气流速度和放电时间控制较好。
图2和图3分别是实施例1和实施例2镀铜后硅通孔截面扫描电镜图，可以看出图1铜纳米颗粒具有较小的直径，外表面较为圆滑，排列较为致密；图2铜纳米颗粒尺寸较大，可能为颗粒堆叠，总体排列较为致密。
对比例1
(1)将带有通孔结构的硅晶圆放入去离子水超声清洗机中，超声清洗10min，对所述带有通孔结构的硅晶圆通入氮气进行烘干，烘干时间为10min；
(2)将干燥后的带有通孔结构的硅晶圆放入图1所示的等离子体容性耦合放电装置中，将带有通孔结构的硅晶圆放置于机械平台上，线圈环绕于石英管外部，线圈匝数为6，通入氦气，设置氦气流速为300sccm，开启射频电源与匹配器，设置射频电源功率为90W，点燃并维持等离子体的放电，以铜丝为蒸发溅射源，对硅晶圆的通孔内壁进行镀铜，镀铜时间为40min；
(3)镀铜过程完成后，依次关闭射频电源、匹配器及气体流量计，待反应腔体冷却至室温后，获得通孔内壁镀铜膜之后的硅晶圆。
对比例2
(1)将直径为50mm，厚度为0.5mm，通孔直径为0.3mm的带有通孔结构的硅晶圆放入0.1mol/L氢氟酸溶液中清洗10min，将清洗后的带有通孔结构的硅晶圆依次放入2mol/L丙酮溶液、99.7％乙醇溶液中各30min进行清洗；
(2)将带有通孔结构的硅晶圆放入去离子水超声清洗机中，超声清洗10min，对所述带有通孔结构的硅晶圆通入氮气进行烘干，烘干时间为10min；
(3)将干燥后的带有通孔结构的硅晶圆放入图1所示的等离子体容性耦合放电装置中，将带有通孔结构的硅晶圆放置于机械平台上，线圈环绕于石英管外部，线圈匝数为6，通入氦气，设置氦气流速为300sccm，开启射频电源与匹配器，设置射频电源功率为110W，点燃并维持等离子体的放电，以铜丝为蒸发溅射源，对硅晶圆的通孔内壁进行镀铜，镀铜时间为40min；
(4)镀铜过程完成后，依次关闭射频电源、匹配器及气体流量计，待反应腔体冷却至室温后，获得通孔内壁镀铜膜之后的硅晶圆。
对比例1与实施例1镀膜装置和条件相同，不同的是对比例1未采用氢氟酸、丙酮溶液以及乙醇溶液清洗，从图4可以看出，表面存在较多杂质，且经过扫描电镜及能谱仪分析可得铜纳米颗粒含量较少且分布不均匀；对比例2与实施例1镀膜装置和条件相同，不同的是，实施例1设置射频电源功率为90W，而对比例2中设置射频电源功率为110W，从图5可以看出，铜纳米颗粒直径较大、粒子堆叠、分布不均匀的现象，可能是由于铜电极因射频电源功率过大而出现熔断现象导致的。
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 (10)

1.一种大气压下等离子体容性耦合放电镀铜装置，其特征在于，包括射频电源、匹配器、含有中心通孔的柱状绝缘管、线圈和铜丝，其中：
所述匹配器一端为第一连接端，另一端为第二连接端，所述第一连接端与所述射频电源的正极相连，所述第二连接端与所述射频电源的负极相连，
所述铜丝穿过所述柱状绝缘管的中心通孔，所述铜丝的一端与所述匹配器的第一连接端相连接，所述铜丝的另一端为自由端；
所述线圈环绕于所述柱状绝缘管的外壁；所述线圈的一端与所述匹配器的第二连接端相连接，所述线圈的另一端为自由端；
该装置工作时，所述铜丝的自由端置于待镀铜试件的通孔内，在惰性气氛下，开启电源，点燃并维持等离子体的放电，以铜丝为蒸发溅射源，对待镀铜试件的通孔内壁进行原位镀铜。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柱状绝缘管侧面设置有支管，所述支管用于向所述柱状绝缘管的中心通孔内通入能够激发产生等离子体的惰性气体；所述绝缘管优选为石英管。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括可移动机械平台，所述待镀铜试件置于所述可移动机械平台上，该可移动机械平台用于将待镀铜试件移动至所述绝缘管下方，且与所述柱形绝缘管同轴。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柱形绝缘管的下端与所述待镀铜试件的上端之间的距离为3-4mm。
5.利用如权利要求1至4任一项所述的装置在待镀铜试件通孔内壁镀铜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对含有通孔的待镀铜试件进行清洗，以去除该试件表面的氧化物和其它杂质，并进行干燥，以得到清洗后待镀铜试件；
(2)将清洗后待镀铜试件置于所述的等离子体容性耦合放电镀铜装置其可移动机械平台上，将铜丝自由端放置于待镀铜试件的通孔内，通入惰性气体，开启电源，点燃并维持等离子体的放电，以铜丝为蒸发溅射源，对待镀铜试件的通孔内壁进行原位镀铜。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)采用氢氟酸溶液对含有通孔的待镀铜试件进行清洗，以去除该试件表面的氧化物；采用丙酮溶液和乙醇溶液清洗去除其表面杂质；并将该带镀铜试件置于去离子水超声清洗剂中进一步清洗；然后采用氮气干燥。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，放电时，电源功率不大于110W，优选为80W-100W；控制保护气流量为200sccm-300sccm；等离子体放电时间为20-30min，铜膜厚度为700nm-1000nm。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述铜丝直径为0.1～0.15mm；所述线圈材质为钨，线圈环绕于所述绝缘管外壁，其线圈圈数为5～9。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，放电时，等离子体放电温度≤1083.4℃。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述含有通孔的待镀铜试件为含有通孔的硅晶圆或PCB板。
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