CN115274473A - 一种晶圆级锡银合金生长的前处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种晶圆级锡银合金生长的前处理方法，所述前处理方法包括如下步骤：将酸性药液通过高压喷淋的方式处理电镀前的晶圆级锡银合金，完成所述晶圆级锡银合金的前处理。本发明所述前处理方法能够提升镀锡银药水的使用寿命，还能提升前置金属层与锡银合金凸块的结合力，降低了成本，提升了产品的可靠性。

Description

一种晶圆级锡银合金生长的前处理方法

技术领域

本发明涉及晶圆级锡银合金技术领域，尤其涉及一种晶圆级锡银合金生长的前处理方法。

背景技术

在芯片制造封装过程中，晶圆级芯片尺寸封装(wafer level chip scalepackaging，WLCSP)其成本低、工艺简单、技术成熟，是目前被广泛使用的一种封装方法。在晶圆级芯片尺寸封装后，一般通过倒装芯片技术(flip chip technology，FCT)实现芯片和基板的互联导通。倒装芯片技术是目前主流的封装方法，优点在于能提高封装密度、增大I/O数，减小封装外形尺寸、缩短互联线等，而凸块是实现芯片和基板导通的关键。

凸块的作用主要是承担芯片和基板的电互联和机械互联，特殊情况下还可做热互联的功用。在典型的倒装芯片技术中互联主要通过凸块和凸点下金属层(Under BumpMetal，锡银凸块)共同实现。现使用的凸块工艺主要是通过在晶片表面锡银凸块层整面溅射黏附层-钛和种子层-铜，然后使用光刻制程在锡银凸块层表面形成开口，再使用电镀工艺，将需要的凸块材料电镀到光刻胶形成的开口中，其后剥离光刻胶，对锡银凸块层的黏附层-钛和种子层-铜进行刻蚀，只留下开口部分的金属，再对晶片进行回流，以得到想要的凸块形状。

CN112382579A公开了一种晶圆凸块下金属化的镀层制造工艺及其镀层结构，其公开的工艺中的基材为硅或者碳化硅半导体；该基材表面上设置有导电线路区和非导电区，基材表面的导电线路区向下凹陷后形成一倒状的晶圆凸块。其采用的化学镀锡合金工艺得到镀层为化学置换型镀层，不需要通电，也非传统的化学自催化反应，仅需要置换反应就可以进行。采用该发明的得到凸块下金属化和再布线既可以具有绑定性，也具有良好的焊接性。

现有技术在进行晶圆电镀时，会先在锡银凸块层的光刻胶开口内，进行铜-镍增厚，再进行锡银凸块的制备。行业内目前锡银凸块制备的电镀前处理，采用普通的纯水浸润处理。

锡银凸块的制备质量，决定后续产品的性能和可靠性。现有技术在使用纯水浸润镀镍后镀层表面时，因光刻胶开口存在一定的深度，使用纯水浸润处理，光刻胶开孔内会残留少量镀镍药液和脏污杂质，久之污染锡银槽液，使锡银药液寿命缩短，光刻胶开口内残留的脏污杂质黏附在镍镀层表面，导致锡银凸块制备时，受到脏污杂质阻挡，造成锡银合金漏镀；且镍槽温度较高，晶圆脱离槽液接触空气后会镍镀层迅速氧化，镀层表面形成氧化层，而普通的纯水无法处理掉镀层表面的氧化层，导致镀层的剥离(peeling)及IMC(Intermetallic Compounds金属间化合物)间产生空洞(void)，影响后续的锡银凸块的性能和可靠性。

综上所述，开发一种不影响后续的锡银凸块的性能和可靠性，而且低成本的晶圆级锡银合金的前处理方法是至关重要的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种晶圆级锡银合金生长的前处理方法，所述前处理方法能够提升镀银药水的使用寿命，还能提升前置金属层与锡银合金凸块的结合力，降低了成本，提升了产品的可靠性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种晶圆级锡银合金生长的前处理方法，所述前处理方法包括如下步骤：将酸性药液通过高压喷淋的方式处理电镀前的晶圆级锡银合金，完成所述晶圆级锡银合金的前处理。

本发明中，将酸性药液通过高压喷淋的方式雾化，喷淋作用使酸性药液能直达光刻胶开口底部，直接和镀层接触，去掉镀层表面的脏污杂质和氧化层，使锡银合金能有序沉积。提升镀层和锡银合金凸块的结合力，解决了锡银合金与镍镀层间peeling及IMC间void问题。

除此之外，现有技术中的锡银药水主要为甲基磺酸体系，本发明的晶圆级锡银合金的前处理方法，改善了镀面pH环境，镀层进入渡槽前就处于酸性环境，对于渡槽液本身的酸性环境破坏较小，不会污染锡银药水，可一定程度延长锡银药水使用寿命，降低添加剂补充频次，控制成本的同时，整体提高了产品可靠性。

优选地，所述酸性药液中包括酸组分和水的组合。

优选地，所述酸组分包括甲基磺酸、羟基丙磺酸或乙磺酸中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括：甲基磺酸和羟基丙磺酸的组合，羟基丙磺酸和乙磺酸的组合，甲基磺酸、羟基丙磺酸和乙磺酸的组合等，进一步优选羟基丙磺酸和/或乙磺酸。

优选地，所述酸组分在酸性药液中的浓度为30-60mL/L，例如35mL/L、40mL/L、45mL/L、50mL/L、55mL/L等。

优选地，所述高压喷淋的压力为0.1-0.3MPa，例如0.12MPa、0.14MPa、0.16MPa、0.18MPa、0.2MPa、0.22MPa、0.24MPa、0.26MPa、0.28MPa等。

优选地，所述高压喷淋中，喷淋装置进行摆动。

本发明中，摆动能能全面有效的清洗镀层表面，降低镀层表面的张力。

优选地，所述摆动的频率为5-15Hz，例如6Hz、7Hz、8Hz、9Hz、10Hz、11Hz、12Hz、13Hz、14Hz等。

优选地，所述摆动的幅度为3-6cm，例如3.5cm、4cm、4.5cm、5cm、5.5cm、6cm等。

优选地，所述高压喷淋的时间为60-240s，例如80s、100s、120s、140s、160s、180s、200s、220s、240s等。

优选地，所述电镀前的晶圆级锡银合金包括晶圆、设置于所述晶圆光刻区域的光刻胶和非光刻区域的前置金属层。

优选地，所述前置金属层包括层叠设置的铜层和镍层，所述铜层与晶圆表面的种子层钛接触，种子层钛和晶圆表面直接接触。

作为优选的技术方案，所述前处理方法包括如下步骤：

将酸组分浓度为30-60mL/L的酸性药液对电镀前的晶圆级锡银合金在压力为0.1-0.3MPa的条件下进行高压喷淋，喷淋过程中喷淋装置在频率为5-15Hz和幅度为3-6cm的条件下进行摆动，调整高压喷淋的时间为60-240s，完成所述前处理。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述前处理方法能够提升镀银药水的使用寿命，还能提升前置金属层与锡银合金凸块的结合力，降低了成本，提升了产品的可靠性。

(2)通过本发明所述前处理方法在进行晶圆级锡银合金制备时，锡银药水的使用寿命在200天以上，前置金属层与锡银合金凸块的结合力正常，推力截面正常，无Peeling现象。

附图说明

图1是本发明所述前处理的示意图；

1-晶圆；2-光刻胶；3-光刻胶开口；4-铜层；5-镍层；6-喷头；7-抖动装置；8-酸性药液。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本发明所述前处理方法的示意图如图1所示，图中显示了晶圆级锡银合金电镀前的结构，常见的锡银凸块电镀前，一般会进行前置金属层的增厚，主要是铜层4和镍层5。先通过深孔电镀，将种子层铜层增加到一定厚度，再在铜层表面沉积一层中间层镍，铜的主要作用是提升凸块的耐热性能，降低凸块成本。镍的主要作用是提升铜层和锡银层的结合力，同时一定程度上阻止了金属之间的分子扩散。

现有技术中，进行前置金属层的增厚前，先在晶圆1表面通过光刻制程的涂胶、曝光、显影等制程，去除掉多余的光刻胶材料，留下适当的光刻胶2形成需要的光刻胶开口3图形。本发明对应的产品光刻胶开口为圆柱状，常见光刻胶开口孔径为60～180μm，开口深度为90～120μm。

本发明前处理过程如下：

本发明中，使用喷头6高压喷淋的方法将稀释酸浓度为30～60ml/L的酸性药液8雾化，使酸性药液本身带有了方向性和一定的力，喷淋压力为0.1～0.3Mpa，同时抖动装置7上下往复抖动，使其能全面有效的清洗镀层表面，降低镀层表面的张力，喷淋作用使酸性药液能直达光刻胶开口底部，直接和镀层接触，去掉镀层表面的脏污杂质和氧化层，使锡银合金能有序沉积。提升镀层和锡银合金凸块的结合力，解决了锡银合金与镍镀层间peeling及IMC间void问题。

除此之外，现有技术中的锡银药水主要为甲基磺酸体系，本发明的晶圆级锡银合金的前处理方法，改善了镀面pH环境，镀层进入渡槽前就处于酸性环境，对于渡槽液本身的酸性环境破坏较小，不会污染锡银药水，可一定程度延长锡银药水的使用寿命，降低添加剂补充频次，控制成本的同时，整体提高了产品可靠性。

实施例1

本实施例提供一种晶圆级锡银合金的前处理方法，所述前处理方法包括如下步骤：

将酸组分浓度为40mL/L的酸性药液(酸组分为羟基丙磺酸)对电镀前的晶圆级锡银合金在压力为0.2MPa的条件下进行高压喷淋，喷淋过程中喷淋装置在频率为10Hz和幅度为4cm的条件下进行摆动，调整高压喷淋的时间为120s，完成所述前处理。

实施例2

本实施例提供一种晶圆级锡银合金的前处理方法，所述前处理方法包括如下步骤：

将酸组分浓度为30mL/L的酸性药液(酸组分为甲基磺酸)对电镀前的晶圆级锡银合金在压力为0.3MPa的条件下进行高压喷淋，喷淋过程中喷淋装置在频率为5Hz和幅度为6cm的条件下进行摆动，调整高压喷淋的时间为60s，完成所述前处理。

实施例3

本实施例提供一种晶圆级锡银合金的前处理方法，所述前处理方法包括如下步骤：

将酸组分浓度为60mL/L的酸性药液(酸组分为乙磺酸)对电镀前的晶圆级锡银合金在压力为0.1MPa的条件下进行高压喷淋，喷淋过程中喷淋装置在频率为15Hz和幅度为3cm的条件下进行摆动，调整高压喷淋的时间为240s，完成所述前处理。

实施例4

本实施例提供一种晶圆级锡银合金的前处理方法，所述前处理方法包括如下步骤：

将酸浓度为50mL/L的酸性药液对电镀前的晶圆级锡银合金在压力为0.2MPa的条件下进行高压喷淋，喷淋过程中喷淋装置在频率为12Hz和幅度为5cm的条件下进行摆动，调整高压喷淋的时间为180s，完成所述前处理。

实施例5

本实施例提供一种晶圆级锡银合金的前处理方法，所述前处理方法包括如下步骤：

将酸浓度为60mL/L的酸性药液对电镀前的晶圆级锡银合金在压力为0.3MPa的条件下进行高压喷淋，喷淋过程中喷淋装置不摆动，调整高压喷淋的时间为240s，完成所述前处理。

实施例6

本实施例与实施例2的区别在于将酸性组分替换为羟基丙磺酸，其余均与实施例2相同。

实施例7

本实施例与实施例2的区别在于将酸性组分替换为乙磺酸，其余均与实施例2相同。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于将所述酸性药液替换为水，其余均与实施例1相同。

对比例2

本对比例与对比例1的区别在于将喷淋压力调整为0.05Mpa，其余均与对比例1相同。

性能测试

将实施例1-7和对比例1-2进行如下测试：

(1)锡银药水的使用寿命：

寿命衡量标准：4价锡＞20g/L、铜、镍金属离子含量＞100ppm、酸度＞300g/L，三条满足任意一条，则更换槽液，槽液的检测以五天为一个周期进行。

(2)前置金属层与锡银合金凸块的结合力：

结合力测试标准：使用推拉力机，从锡银合金底面向上20％凸块高度，使用：断面面积×2g/mil²的推力，推力截面无镍层漏出，从锡银截面断裂，即为结合力正常。

测试结果汇总于表1中。

表1

分析表1数据可知，通过本发明所述前处理方法在进行晶圆级锡银合金制备时，锡银药水的使用寿命在200天以上，前置金属层与锡银合金凸块的结合力正常，推力截面正常，无镀层Peeling现象。本发明所述前处理方法能够提升镀银药水的使用寿命，还能提升前置金属层与锡银合金凸块的结合力，降低了成本，提升了产品的可靠性。

分析对比例1与实施例1可知，对比例1性能不如实施例1，证明采用酸性药液前处理更利于晶圆级锡银合金的制备。

分析对比例2与实施例1可知，对比例2性能不如实施例1，证明高压喷淋压力在0.1-0.3MPa范围内更利于晶圆级锡银合金的制备。

分析实施例6-7与实施例2可知，实施例2性能优于实施例6-7，证明所述酸性药液的酸组分优选甲基磺酸比羟基丙磺酸和/或乙磺酸性能更佳。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种晶圆级锡银合金生长的前处理方法，其特征在于，所述前处理方法包括如下步骤：将酸性药液通过高压喷淋的方式处理电镀前的晶圆级锡银合金，完成所述晶圆级锡银合金的前处理。

2.根据权利要求1所述的前处理方法，其特征在于，所述酸性药液中包括酸组分和水；

优选地，所述酸组分包括甲基磺酸、羟基丙磺酸或乙磺酸中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述酸组分在酸性药液中的浓度为30-60mL/L。

3.根据权利要求1或2所述的前处理方法，其特征在于，所述高压喷淋的压力为0.1-0.3MPa。

4.根据权利要求1-3任一项所述的前处理方法，其特征在于，所述高压喷淋中，喷淋装置进行摆动。

5.根据权利要求4所述的前处理方法，其特征在于，所述摆动的频率为5-15Hz。

6.根据权利要求4或5所述的前处理方法，其特征在于，所述摆动的幅度为3-6cm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的前处理方法，其特征在于，所述高压喷淋的时间为60-240s。

8.根据权利要求1-7任一项所述的前处理方法，其特征在于，所述电镀前的晶圆级锡银合金包括晶圆、设置于所述晶圆光刻区域的光刻胶和非光刻区域的前置金属层。

9.根据权利要求8所述的前处理方法，其特征在于，所述前置金属层包括层叠设置的铜层和镍层，所述铜层与晶圆表面的种子层钛接触，种子层钛和晶圆表面直接接触。

10.根据权利要求1-9任一项所述的前处理方法，其特征在于，所述前处理方法包括如下步骤：

将酸组分浓度为30-60mL/L的酸性药液对电镀前的晶圆级锡银合金在压力为0.1-0.3MPa的条件下进行高压喷淋，喷淋过程中喷淋装置在频率为5-15Hz和幅度为3-6cm的条件下进行摆动，调整高压喷淋的时间为60-240s，完成所述前处理。

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