CN114108048B - 一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法，通过在晶圆阴极外围安装辅助阴极并施加直流电流来保证整体阵列微结构表面电流密度分布的一致性，同时通过在晶圆阴极表面施加反向脉冲电流对阵列中微结构单元进行电化学微整平，基于辅助阴极和反向脉冲电流的高度协同作用，从而提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性。本发明克服了现有方法通用性差、加工效率低等不足，避免了传统电铸工艺中的边缘效应问题和反向脉冲电铸工艺中沉积速率低的问题，能够在4‑6英寸晶圆表面以2‑8A/dm²的高电流密度获得厚度均匀、组织结构及性能一致性好的微结构电铸层，且辅助阴极可重复使用，方法简单易行，更具实用性。

Description

一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法

技术领域

本发明涉及微制造技术领域，尤其涉及一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)技术的发展，电铸工艺作为一种重要的微细加工方法，已在航空航天、精密机械、生物医疗、通讯等领域得到广泛应用。目前与电铸工艺相关的工作大多是使用小面积晶圆基板作为阴极来制作微结构，这限制了基板上微图案的布局数量，从而影响了生产效率。此外，在利用电铸工艺制作微器件的过程中阴极表面的电流密度分布并不均匀，常出现电铸层边缘区域和中间区域厚度不一致的问题。并且随着电流密度的增加，这种不均匀现象会愈加严重，严重影响了电铸零件的使用。为了在大范围晶圆上得到厚度均匀的电铸阵列结构，实际电铸过程中电流密度通常小于1.5A/dm²，但过低的电流密度意味着更低的生产效率，不利于电铸工艺的进一步发展。

近年来，国内外的研究学者们提出了多种方法试图在保证生产效率的同时提高电铸层的厚度均匀性，具体包括辅助阴极、象形阳极、绝缘屏蔽、辅助搅拌(超声波/兆声波辅助电铸)、脉冲/反向脉冲电铸等。通过使用这些方法，可以在一定程度上控制厚度均匀性。其中，在阴极附近添加辅助阴极是实现均匀电流密度分布较为简单易行的方法。通过添加合适的辅助阴极，电铸层的整体厚度均匀性可以提高50％。然而，辅助阴极通常只能改善阴极边缘区域的电流密度分布，无法保证阴极阵列中任意单个薄片表面的电流密度分布。Zhao et al.报道了通过添加阴极共面辅助阴极来改善电铸镍薄片阵列结构厚度均匀性的方法(M.Zhao,L.Du,Z.Wei,et al.Fabrication of metal microfluidic chip mold withcoplanar auxiliary cathode in the electroforming process[J],J.Micromech.Microeng,2019,29:025002.)，但这种方法需要对根据阵列微结构行单独设计，不具有通用性，且相较于外侧辅助阴极，共面辅助阴极沉积面积更大，会造成更多不必要的材料浪费。大连理工大学杜立群团队(发明专利号CN201810457726.6,CN201910378094.9)开展了有关超声波和兆声波辅助电铸研究，发现适当的超声波和兆声波可显著提高铸层的厚度均匀性。考虑到制造精密微型零件可能需要更小尺寸的光刻胶膜，晶圆表面的低粗糙度也降低了光刻胶与晶圆表面的结合力，而超声波和兆声波空化引起的冲击振动可能会导致胶模脱落，在一定程度上限制了该项技术的推广。脉冲/脉冲反向电铸作为另一种稳健且有前景的工艺，在厚度平整或沉积性能的改善方面具有相当大的优势。遗憾的是，将脉冲间隔缩短至毫秒范围则会严重影响电铸工艺效率。与此同时，施加反向脉冲电流同样面临电流密度分布不均匀的问题，这些都限制了该项技术在晶圆阵列微结构电铸上的应用。可以看出，现有的改进方法虽然在一定程度上改善了电铸层的均匀性，但是电铸效率低、通用性差等缺点仍然存在，这限制了其在实际生产中的应用，因此需要一种新型的提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法，能够在4-6英寸晶圆表面以2-8A/dm²的电流密度获得厚度均匀、组织结构及性能一致性好的铸层，简单易行，能够与传统电铸工艺完美兼容，且辅助阴极可重复使用。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法，包含如下步骤：

步骤a)，晶圆阴极前处理：首先对晶圆阴极进行除油处理，再用去离子水进行冲洗，经氮气吹干后放烘箱中烘烤，然后冷却至室温后取出；

步骤b)，电铸胶膜制作：在晶圆阴极上涂布光刻胶，经过静置、前烘、曝光、后烘、显影工序得到所需的阵列结构胶膜；

步骤c)，微结构电铸：

步骤c.1)，配置电铸液；

步骤c.2)，通过电铸夹具固定晶圆阴极和辅助阴极；所述辅助阴极为采用具有耐蚀性和导电性的金属空心圆环，其外径等于晶圆阴极的直径乘以1.15-1.35、内径等于晶圆阴极的直径乘以0.98-1.15；所述辅助阴极通过电铸夹具固定在所述晶圆阴极正上方0.5-3毫米，和所述晶圆阴极同轴；

步骤c.3)，将通过电铸夹具固定的晶圆阴极和辅助阴极放入电铸液中，同时将阳极放入电铸液中晶圆阴极的正上方；所述阳极呈直径等于辅助阴极外径的圆形或边长等于辅助阴极外径的正方形，且阳极到晶圆阴极表面距离为0.5-100毫米；

步骤c.4)，将晶圆阴极、阳极分别连接至正反高频脉冲电源的负极接口、正极接口，同时将辅助阴极、阳极分别连接至直流稳压电源的负极接口、正极接口；

调节正反高频脉冲电铸电源，使带有阵列结构胶膜的晶圆阴极上正向平均电流密度为2-8A/dm²，反向平均电流密度为0.5-8A/dm²，正向占空比为40-100％，反向占空比为70-100％，脉冲频率为50-3500Hz，正向和反向电流导通时间比为50：1到5：1；调节直流稳压电铸电源，使辅助阴极上的平均电流密度为2-8A/dm²；调节电铸液温度为18-35℃；电铸至所需厚度；

步骤d)，去胶脱模：将电铸后的晶圆阴极和辅助阴极从电铸液中取出，放入流动去离子水中清洗后取出晶圆阴极，去除阵列结构胶膜；将电铸阵列微结构从晶圆阴极上脱模，最后再用去离子水彻底洗净，用光滑、洁净的吸水纸擦干后，放入烘箱中烘烤，最后取出密封保存。

作为本发明一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法进一步的优化方案，所述晶圆阴极的尺寸为4英寸或6英寸。

作为本发明一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法进一步的优化方案，所述辅助阴极材料采用304不锈钢或316不锈钢制成，并对不进行电铸的区域做绝缘处理。

作为本发明一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法进一步的优化方案，所述阳极采用电解纯铜、含磷0.02-0.1％的磷铜、带有钌铱涂层的金属钛、带有钌铱涂层的金属铂中的任意一种制成。

作为本发明一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法进一步的优化方案，所述电铸液如下：五水硫酸铜25-150克/升，硫酸25-150克/升，氯离子3-45毫克/升，抑制剂5-25毫克/升，pH为0.4-1.2。

作为本发明一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法进一步的优化方案，所述步骤d)后还包括以下步骤e)：

将电铸后的辅助阴极放入预先配置的退铸液中进行退铸，经氮气吹干后放入烘箱中烘烤，最后冷却至室温后取出即可重复使用。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.通过辅助阴极和反向脉冲的互补改善了阵列结构的厚度均匀性，降低了对反向脉冲电流密度和反向脉冲电流导通时间的依赖，解决了传统电铸工艺中的边缘效应问题和反向脉冲电铸工艺中沉积速率低的问题，本发明的方法能够在4-6英寸晶圆表面以2-8A/dm²的电流密度获得厚度均匀的铸层，且沉积速率可与传统直流电铸工艺相媲美，在提高晶圆级电铸阵列结构厚度均匀性上具有更高效的实用性；

2.本发明的方法，辅助阴极可以重复使用，且安装简单，与传统电铸工艺可完美兼容；

3.本发明的方法，不同于传统的机械式整平，只能对铸层厚度进行整平，由于保证了阵列表面电流密度分布和沉积速率的一致性，阵列微结构的微观组织及性能一致性也得到了保证。

附图说明

图1是本发明方法中微结构电铸的原理示意图；

图2是本发明实施例1中电铸铜薄片阵列结构的三维形貌图；

图3(a)、图3(b)分别是电铸铜薄片阵列结构厚度均匀性测量位置选取示意图、测量结果示意图；

图4是沿图3(a)中截线1上的电铸铜薄片阵列厚度分布试验测量结果；

图5是实施例1和比较例3相同位置铜薄片结构单元的微观结构结果。

图中，1-晶圆阴极，2-阵列结构胶膜，3-辅助阴极，4-电铸夹具，5-电铸阵列微结构，6-阳极，7-正反高频脉冲电源，8-直流稳压电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明公开了一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法，通过在晶圆阴极外围添加辅助阴极来保证整体阵列微结构表面电流密度分布的一致性，同时施加反向脉冲电流对阵列中微结构单元进行电化学微整平，基于辅助阴极和反向脉冲电流的高度协同作用，从而提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性。具体是在电铸微结构工序中，将装有晶圆阴极和辅助阴极的电铸夹具和阳极放入电铸液中，晶圆阴极和阳极分别连接至正反高频脉冲电源的负极和正极，辅助阴极和阳极分别连接至直流稳压电源的负极和正极，调节工艺参数电铸至所需厚度，下面列举实施例和对比例进行说明。

实施例1

在4英寸镜面不锈钢晶圆阴极上电铸厚度25微米铜圆薄片阵列结构，如图1所示，包括以下步骤：

步骤a)，晶圆阴极前处理：首先使用丙酮和酒精对4英寸(直径101.6毫米)晶圆阴极进行除油处理，再用去离子水进行冲洗，经氮气吹干后放入90℃的烘箱中烘烤15分钟，取出后冷却至室温；

步骤b)，电铸胶膜制作：在晶圆阴极上涂布厚度35微米的液态SU-8光刻胶并静置15分钟；前烘参数:95℃保温5分钟；曝光剂量300mj/cm²,时间7秒；后烘参数：95℃保温30分钟；显影：放入SU-8显影液中静置5分钟；取出清洗干净得到所需的阵列结构胶膜；

步骤c)，微结构电铸：

步骤c.1)，配置电铸液，电铸液的配方为：五水硫酸铜100克/升，硫酸80克/升，氯离子15毫克/升，抑制剂5毫克/升，pH为0.8。

步骤c.2)，将所述晶圆阴极和辅助阴极安装在电铸夹具上；辅助阴极为空心圆环结构，圆环外径等于132毫米，其圆环内径等于105毫米。通过电铸夹具固定在晶圆阴极正上方1毫米；材料为304不锈钢、并对不进行电铸的区域做绝缘处理。

步骤c.3)，将通过电铸夹具固定的晶圆阴极和辅助阴极放入电铸液中，同时将阳极放入电铸液中晶圆阴极的正上方；阳极为含磷0.025％的磷铜，形状为正方形，其边长为132毫米；距离晶圆阴极80毫米。

步骤c.4)，将晶圆阴极、阳极分别连接至正反高频脉冲电源的负极接口、正极接口，同时将辅助阴极、阳极分别连接至直流稳压电源的负极接口、正极接口；调节工艺参数后电铸至所需厚度；

调节正反高频脉冲电铸电源，使带有阵列结构胶膜的晶圆阴极上正向平均电流密度为3A/dm²，反向平均电流密度为3A/dm²，正向占空比为100％，反向占空比为100％，脉冲频率为3000Hz，正向和反向电流导通时间比为9-1；调节直流稳压电铸电源，使辅助阴极上的平均电流密度为3A/dm²；调节电铸液温度为25℃；电铸时间3000秒。

步骤d)，去胶脱模：将电铸后的晶圆阴极和辅助阴极从电铸液中取出，放入流动去离子水中清洗60秒，再从电铸夹具中取出晶圆阴极，放入SU-8去胶液中静置4分钟去除阵列结构胶膜得到完整电铸微结构，并将电铸微结构从晶圆阴极上脱模，最后再用去离子水彻底洗净，用光滑、洁净的吸水纸擦干后，放入90℃的烘箱中烘烤30分钟，取出后密封保存。

最后将电铸后的辅助阴极放入预先配置的退铸液中静置15分钟，经氮气吹干后放入90℃的烘箱中烘烤5分钟，冷却至室温后取出即可重复使用。

图2为电铸铜薄片阵列结构的三维形貌图，可以看出在本实施例中，所有薄片阵列结构显示出较好的厚度一致性。

比较例1

在4英寸镜面不锈钢晶圆阴极上电铸厚度25微米铜圆薄片阵列结构，与实施例1的唯一区别在于：

步骤c中，调节正反高频脉冲电铸电源，使带有阵列结构胶膜的晶圆阴极上反向平均电流密度为3A/dm²；步骤c中，调节直流稳压电铸电源，使辅助阴极上的平均电流密度为0A/dm²。相当于没有添加辅助阴极，单独施加反向脉冲电流。

比较例2

在4英寸镜面不锈钢晶圆阴极上电铸厚度25微米铜圆薄片阵列结构，与实施例1的唯一区别在于：

步骤c中，调节正反高频脉冲电铸电源，使带有阵列结构胶膜的晶圆阴极上反向平均电流密度为0A/dm²。相当于仅添加辅助阴极，没有施加反向脉冲电流，此时相当于直流电铸，单独使用辅助阴极。

比较例3

在4英寸镜面不锈钢晶圆阴极上电铸厚度25微米铜圆薄片阵列结构，与实施例1的唯一区别在于：

步骤c中，调节正反高频脉冲电铸电源，使带有阵列结构胶膜的晶圆阴极上反向平均电流密度为0A/dm²；步骤c中，调节直流稳压电铸电源，使辅助阴极上的平均电流密度为0A/dm²。相当于没有添加辅助阴极，也没有施加反向脉冲电流，未采取任何优化手段。

为量化电铸铜薄片阵列的厚度不均匀性，在本发明中，分别使用厚度不均匀性系数β_o和β_s来描述阵列整体和阵列中单个薄片的厚度差，计算公式如式(1)和(2)所示。

式中，τ表示单个薄片的厚度标准偏差(即最大和最小厚度的差)，δ表示单个薄片的平均厚度。Y表示整体铜薄片的厚度标准偏差，Δ表示整体薄片阵列的厚度平均值。

由于铜薄片分布位置具有良好的对称性，采用3D轮廓测量仪(KEYENCE VR-5000)扫描阴极表面约1/4视野范围内的凹凸状况，并借助配套后处理软件获得薄片的实际厚度。电铸铜薄片阵列结构厚度均匀性测量位置选如图3(a)所示。选取两条截线上的11个薄片对其进行厚度测量并计算相应的厚度标准偏差及其平均值，单个薄片沿不同角度方向选取12条截线，取平均值作为平均厚度并计算标准差，如图3(b)所示。

沿截线1上的薄片阵列厚度分布试验测量结果如图4所示。可以看出，比较例3中(此时相当于没有添加辅助阴极，且没有施加反向脉冲电流)过多的电流集中导致阴极边缘区域发生过度生长，叠片的平均厚度沿截线1方向呈先出明显的下降趋势。此时，整体和单个叠片表面的厚度不均匀系数β_o和β_s分别为74.85％和30.88％。通过在合理的位置设置辅助阴极，使得晶圆阴极中央和周边的微结构表面电流分布的一致性显著提高，避免出现晶圆阴极边缘微结构厚度过高、中央微结构厚度过低问题。同时也注意到，仅施加反向脉冲并没有改善整体厚度均匀性(对应比较例1)。

添加辅助阴极后(对应比较例2)，位于阴极边缘区域的叠片与位于内部的叠片厚度极差显著降低。需注意，这时晶圆阴极表面的反向电流密度为0A/dm²，即未施加反向脉冲电流，仅采用辅助阴极。经计算，此时β_o和β_s分别被修正至26.5％和23.3％。通过与比较例2进行对比，发现仅添加辅助阴极虽然可以改善整体叠片的厚度均匀性，但单个叠片所表现出的“马鞍型”厚度分布并没有得到改善。

采用精心设计的辅助阴极和施加反向脉冲电流后(对应实施例1)，β_o和β_s得到了显著的改善，分别从74.85％和30.88％降低到13.6％和11.6％。结果表明：通过施加反向脉冲电流，利用反向电流所引起的高度不均匀阳极电流分布会使镀层的凸出部分以及厚度较厚区域被强烈溶解整平,避免出现阵列中单个单元出现厚度两边高、中间低问题，从而真正意义地提高全体阵列微结构的厚度均匀性。

与此同时，实施例1中薄片的平均厚度为23.7±1.5微米，稍微低于比较例1中的24.6±2.5微米。可以看出，电铸薄片沉积速率并没有明显下降，即此时反向电流对整体电铸效率影响较弱，电铸层的沉积速率可与传统直流电铸工艺(对应比较例2)相媲美。最终能够在3A/dm²的电流密度下获得较为均匀的铸铜层，也正是归功于辅助阴极的存在，降低了对传统电铸工艺中高反向脉冲电流密度和反向脉冲导通时间的需求。

图5是实施例1和比较例3中典型位置铜薄片结构单元的微观组织结构图，其薄片位置选取参考图2中的标号。可以看出，优化前(比较例3)各位置铜箔片各晶面衍射强度不一致，部分位置样品的220晶面衍射峰强度较高。通过优化后(实施例1)，各位置衍射结果一致性显著提高，各典型区铜薄片的220晶面衍射峰强度普遍较低。证明了本方法在优化厚度均匀性的同时，也提高了微观结构的一致性。相应的性能也到了保证。

综上所述，本发明通过在合理的位置设置专用辅助阴极，使晶圆阴极中央和周边的微结构表面电流分布的一致性显著提高，避免出现晶圆阴极边缘微结构厚度过高、中央微结构厚度过低问题。与此同时，通过施加反向脉冲电流，基于辅助阴极和反向脉冲电流的高度协同作用，利用反向电流所引起的高度不均匀阳极电流分布会使镀层的凸出部分以及厚度较厚区域被强烈溶解整平,避免出现阵列中单个单元出现厚度两边高、中间低问题，从而真正意义地提高全体阵列微结构的厚度均匀性。也正是由于辅助阴极的存在，降低了对高反向脉冲电流密度的需求，反向脉冲导通时间也相应缩短，降低了反向电流对整体电铸效率影响。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤a），晶圆阴极前处理：首先对晶圆阴极进行除油处理，再用去离子水进行冲洗，经氮气吹干后放烘箱中烘烤，然后冷却至室温后取出；

步骤b），电铸胶膜制作：在晶圆阴极上涂布光刻胶，经过静置、前烘、曝光、后烘、显影工序得到所需的阵列结构胶膜；

步骤c），微结构电铸：

步骤c.1），配置电铸液；

步骤c.2），通过电铸夹具固定晶圆阴极和辅助阴极；所述辅助阴极为采用具有耐蚀性和导电性的金属空心圆环，其外径等于晶圆阴极的直径乘以1.15-1.35、内径等于晶圆阴极的直径乘以0.98-1.15；所述辅助阴极通过电铸夹具固定在所述晶圆阴极正上方0.5-3毫米，和所述晶圆阴极同轴；

步骤c.3），将通过电铸夹具固定的晶圆阴极和辅助阴极放入电铸液中，同时将阳极放入电铸液中晶圆阴极的正上方；所述阳极呈直径等于辅助阴极外径的圆形或边长等于辅助阴极外径的正方形，且阳极到晶圆阴极表面距离为0.5-100毫米；

步骤c.4），将晶圆阴极、阳极分别连接至正反高频脉冲电源的负极接口、正极接口，同时将辅助阴极、阳极分别连接至直流稳压电源的负极接口、正极接口；

调节正反高频脉冲电铸电源，使带有阵列结构胶膜的晶圆阴极上正向平均电流密度为2-8A/dm²，反向平均电流密度为0.5-8A/dm²，正向占空比为40-100%，反向占空比为70-100%，脉冲频率为50-3500Hz，正向和反向电流导通时间比为50：1到5：1；调节直流稳压电铸电源，使辅助阴极上的平均电流密度为2-8A/dm²；调节电铸液温度为18-35℃；电铸至所需厚度；

步骤d），去胶脱模：将电铸后的晶圆阴极和辅助阴极从电铸液中取出，放入流动去离子水中清洗后取出晶圆阴极，去除阵列结构胶膜；将电铸阵列微结构从晶圆阴极上脱模，最后再用去离子水彻底洗净，用光滑、洁净的吸水纸擦干后，放入烘箱中烘烤，最后取出密封保存。

2.基于权利要求1所述的提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法，其特征在于，所述晶圆阴极的尺寸为4英寸或6英寸。

3.基于权利要求1所述的提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法，其特征在于，所述辅助阴极材料采用304不锈钢或316不锈钢制成，并对不进行电铸的区域做绝缘处理。

4.基于权利要求1所述的提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法，其特征在于，所述阳极采用电解纯铜、含磷0.02-0.1%的磷铜、带有钌铱涂层的金属钛、带有钌铱涂层的金属铂中的任意一种制成。

5.基于权利要求1所述的提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法，其特征在于，所述电铸液如下：五水硫酸铜25-150克/升，硫酸25-150克/升，氯离子3-45毫克/升，抑制剂5-25毫克/升，pH为0.4-1.2。

6.基于权利要求1所述的提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性的方法，其特征在于，所述步骤d）后还包括以下步骤e）：

将电铸后的辅助阴极放入预先配置的退铸液中进行退铸，经氮气吹干后放入烘箱中烘烤，最后冷却至室温后取出即可重复使用。

Images