DD292938A5

DD292938A5 - METHOD OF CHARACTERISTIC CONTROL IN THE STRUCTURED GALVANIC METAL SEPARATION

Info

Publication number: DD292938A5
Application number: DD33895290A
Authority: DD
Inventors: Guenter Sadowski; Stojan Kanev
Original assignee: Tu Dresden Direktorat Fuer Forschung,De
Priority date: 1990-03-22
Filing date: 1990-03-22
Publication date: 1991-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Streufaehigkeitskontrolle bei der strukturierten galvanischen Metallabscheidung und eignet sich zur Kontrolle der Streufaehigkeit galvanischer Elektrolyte bei der Abscheidung von Metallstrukturen in den OEffnungen einer Haftmaske. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz ausgehend vom waehrend der Abscheidung erfolgenden Herauswachsen der Strukturelemente aus der Maske die Veraenderung definierter Abstaende zwischen benachbarten Strukturelementen erfaszt und ausgewertet wird. Die Erfindung gibt ein Verfahren zur Kontrolle der Streufaehigkeit galvanischer Elektrolyte bei der Abscheidung von Metallstrukturen an, das den Besonderheiten der strukturierten Abscheidung angepaszt ist. Die Erfindung hat die Aufgabe, eine mesztechnisch gut erfaszbare Groesze zu finden, die die Streufaehigkeit unter diesen Bedingungen kennzeichnet.{Streufaehigkeit; galvanische Abscheidung; Elektrolyt; Metallstrukturen; Messen; Haftmaske; OEffnungen; Abstaende}The invention relates to a method for scattering control in the structured galvanic metal deposition and is suitable for controlling the scattering ability of galvanic electrolytes in the deposition of metal structures in the openings of an adhesive mask. According to the invention, the object is achieved by detecting and evaluating the change in defined distances between adjacent structural elements as a result of the outgrowth of the structural elements from the mask occurring during the deposition. The invention provides a method for controlling the scattering ability of galvanic electrolytes in the deposition of metal structures, which is adapted to the specifics of the structured deposition. The invention has the object to find a mesztechnisch well detectable Groesze, which characterizes the scattering ability under these conditions {scattering ability; galvanic deposition; Electrolyte; Metal structures; Measure up; Adhesive mask; Openings; Distances}

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung eignet sich zur Kontrolle der Streufähigkeit galvanischer Elektrolyt«? bei der Abscheidung von Metallstrukturen in den Öffnungen einer Maske, die zur Erzeugung von Lothügeln und/oder leitenden Verbindungen auf Halbleiterkörpern oder anderen Substratmaterialien aufgebracht wurde.The invention is suitable for controlling the throwing power of galvanic electrolyte. in the deposition of metal structures in the openings of a mask, which has been applied to the production of solder bumps and / or conductive compounds on semiconductor bodies or other substrate materials.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Die Messung der Streufähigkeit von Elektrolyten zur galvanischen Metallabscheidung erfolgt üblicherweise durch Testabscheidungen in Zellen mit bestimmten geometrischen Formen, wie der Haring-Blum-Zelle, der Mull-Zelle oder der Dreieckzelle/1,2,4,5/. Die Metallverteilung auf zwei Katoden mit unterschiedlichem Abstand zur Anode bzw. auf einer Katode mit bestimmter geometrischer Form oder mit bestimmter Neigung zur Anode wird als Meßgröße ermittelt. Die so erhaltenen Werte haben nur für Vergleichszwecke Bedeutung und beziehen sich ausschließlich auf ganzflächige Abscheidungen. Auf ähnlichen Grundgedanken beruht die Glasrohrmethode, bei der zusätzlich Stromdichte-Potential-Kurven zur Messung herangezogen werden. Eine direk e Messung der Streufähigkeit über die Schichtdicke des abgeschiedenen Metalls wird in der Leiterplattentechnik benutzt, um die Metallisierung von Bohrlöchern zu kontrollieren. Obwohl diese Methode im Hinblick auf die Größe der Objekte schon der strukturierten Abscheidung auf Substraten mit ebener Oberfläche nahekommt, ist sie wegen des hohen Zeitaufwandes zur Herstellung der Quenohliffe als ungünstig anzusehen.The measurement of the scattering ability of electrolytes for electrodeposition is usually carried out by test depositions in cells with certain geometric shapes, such as the Haring-Blum cell, the Mull cell or the triangular cell / 1,2,4,5 /. The metal distribution on two cathodes with different distances to the anode or on a cathode with a certain geometric shape or with a certain inclination to the anode is determined as a measured variable. The values obtained in this way are of importance only for comparison purposes and relate exclusively to whole-area deposits. Similar principles are based on the glass tube method, which additionally uses current density-potential curves for the measurement. A direct measurement of throwing power across the deposited metal layer thickness is used in printed circuit board technology to control the metallization of boreholes. Although this method is already close to the structured deposition on substrates with a flat surface in terms of the size of the objects, it is to be regarded as unfavorable because of the high time required to produce the Quenohliffe.

Vorgeschlagen wurde auch ein Verfahren, bei dem parallel zur Katodenoberfläche, aber isoliert zu ihr, eine Hilfskatode angebracht wird, deren Potential Rückschlüsse auf die Stromdichteverteilung, die Ausdruck der Streufähifjkeit ist, zuläßt/3/. Über praktische Erfahrungen mit dieser Methode wurden keine Angaben bekannt. Außerdam sind durch die abschirmende Wirkung einer solchen Hilfselektrode Störungen der Abscheidung zu erwarten. Ungewiß ist auch, bis zu welchen Abmessungen herunter dieses Verfahren anwendbar ist. Das gilt auch für die beschriebene Messung der örtlichen Stromdichteverteilung mit einem Halbleitersensor/6/. Eine direkte Aussage zur Streufähigkeit liefert die Messung von örtlichen Schichtdicken/7/. Bei strukturierten Abscheidungen ist die Erfassung von Hügelhöhen verwendbar, wie sie bei der Behügelung von integrierten Schaltkreisen auf unzerteilten Siliciumscheiben beschrieben wurde/8/. Die Messung setzt jedoch spezielle Dickenmeßeinrichtungen voraus, die für die betrachteten Industriezweige unüblich sind und einen hohen Kostenaufwand verursachen. Bei weichen Hügelmaterialien sind Verfälschungen infolge Deformationen nicht ausgeschlossen, wenn berührende Verfahren angewandt werden. Die Messung der Hügelhöhen durch Anfertigen von Querschliffen führt zur Zerstörung der Proben und erfordert hohen Aufwand.Also proposed was a method in which parallel to the cathode surface, but isolated to it, an auxiliary cathode is mounted whose potential conclusions on the current density distribution, which is the expression of Streufähifjkeit allows, / 3 /. No information was available on practical experience with this method. Außerdam are expected by the shielding effect of such an auxiliary electrode disturbances of the deposition. It is also uncertain to what extent this method is applicable. This also applies to the described measurement of the local current density distribution with a semiconductor sensor / 6 /. A direct indication of the throwing power is the measurement of local layer thicknesses / 7 /. For structured deposits, the detection of hill heights can be used, as described for the control of integrated circuits on undiluted silicon wafers / 8 /. The measurement, however, requires special thickness measuring, which are unusual for the industries considered and cause a high cost. For soft hill materials distortions due to deformation are not excluded when using contacting methods. The measurement of the hill heights by making cross sections leads to the destruction of the samples and requires a lot of effort.

Literature:

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4 Matlosz, M.;C.Creton,C.CIerc, D.Landolf4 Matlosz, M.; C. Creton, C.Cerc, D. Landolf

„Secondary current distribution in a Hull cell", J. Electroch. Soc. 134 (1987) 12,3015."Secondary current distribution in a Hull cell", J. Electroch., Soc., 134 (1987) 12, 3015.

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»Beeinflussung der Streufähigkeit In sauren Cu-Elektrolyten" Metalloberfläche 2S (1975) 111.»Influence of Scattering Capacity in Acid Cu Electrolytes" Metal Surface 2S (1975) 111.

8 Kawanobe,T.; K.Miyamoto, Y.lnaba8 Kawanobe, T .; K.Miyamoto, Y.lnaba

.Solder bump fabrication by electrochemical methods for Flip-Chip lnteconnection" Proc. £001981,109. ..Solder bump fabrication by electrochemical methods for flip chip interconnect "Proc. £ 001981,109.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kontrolle der Streufähigkeit galvanischer Elektrolyse bei der Abscheidung von Metallstrukturen anzugeben, das den Besonderheiten der strukturierten Abscheidung besser angepaßt ist als herkömmliche, die vorwiegend für ganzflächigo Abscheidungen entwickelt wurden. Dadurch soll ein Mittel geschaffen werden, um die Prozeßsicherheit zu erhöhen. Das neue Verfahren soll weiterhin eine einfache Auswertung ermöglichen, die mit Geräten oder Einrichtungen auskommt, die in entsprechenden Betrieben auch für andere Kontrollaufgaben verwendet werden. Dadurch vereinfacht sich die Ausbildung des Personals. Fernet soll das Verfahren mit geringem Zeitaufwand auskommen, also ohne Wagungen, Anfertigung von Schliffen oder sonstige Präparationen und sich an unzerteilten Substraten durchführen lassen.The aim of the invention is to provide a method for controlling the throwing power of galvanic electrolysis in the deposition of metal structures, which is better adapted to the specifics of the structured deposition than conventional, which were developed mainly for ganzflächigo deposits. This should provide a means to increase process safety. The new method will continue to allow a simple evaluation, which works with devices or facilities that are used in appropriate companies for other control tasks. This simplifies the training of the staff. Fernet the process should be able to get along with little time, so that no trolling, preparation of cuts or other preparations and can be performed on undivided substrates.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine meßtechnisch gut erfaßbare Größe zu finden, die die Streufähigkeit von Elektrolyten bei der galvanischen Abscheidung von Metallschichten in den Öffnungen von Haftmasken kennzeichnet. Sie muß die Besonderheiten des Streuverhaltens bei der Abscheidung kleiner isolierter Strukturen, wie etwa von Lothügeln oder Leiterzügen, widerspiegeln und sich durch eine einfache Auswertung von Testfeldern auf der strukturierten Fläche erfassen lassen. Der Meßvorgang soll mit üblichen Prüfausrüstungen und mit geringem Zeitaufwand durchführbar sein. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die verwendete Haftmaske im Bereich des Testfeldes mit Öffnungen versehen wird, die in der Regel einheitliche Gestalt haben, aber Unterschiede in ihrem gegenseitigen Abstand aufweisen können. Die galvanische Abscheidung wird solange fortgesetzt, bis die erzeugten Metallstrukturen aus den Öffnungen der Haftmaske herauswachsen und ihre Ränder sich einander nähern bzw. berühren.The invention has for its object to find a metrologically well detectable size that characterizes the throwing power of electrolytes in the electrodeposition of metal layers in the openings of adhesive masks. It must reflect the peculiarities of the scattering behavior in the deposition of small isolated structures, such as solder bumps or conductor tracks, and can be detected by a simple evaluation of test fields on the structured surface. The measuring process should be feasible with conventional test equipment and with little expenditure of time. According to the invention the object is achieved in that the adhesive mask used is provided in the region of the test field with openings, which usually have a uniform shape, but may have differences in their mutual distance. The galvanic deposition is continued until the generated metal structures grow out of the openings of the adhesive mask and their edges approach or touch each other.

Es wurde gefunden, daß der Übergang zwischen freistehenden und zusammengewachsenen Strukturelementen an einem von der Streufähigkeit des Elektrolyten abhängigen Ort erfolgt, der durch einfaches Auszählen mit genügender Sicherheit erfaßt werden kann, wobei als Hilfsmittel übliche Mikroskope geeignet sind. Es wurde außerdem gefunden, daß die Erfassung des Übergangs zwischen freistehenden und zusammengewachsenen Strukturelernente durch Messen des elektrischen Kontaktes möglich ist, wenn die zur Stromzuführung bei der galvanischen Abscheidung erforderliche Metallisierungsschicht unter der Maske im Bereich der Teststrukturen durch elektrisch nicht leitende Gebiete unterteilt ist.It has been found that the transition between free-standing and coalesced structural elements takes place at a location dependent on the throwing power of the electrolyte, which can be detected with sufficient certainty by simple counting, conventional microscopes being suitable as auxiliary means. It has also been found that the detection of the transition between free-standing and coalesced structural elements by measuring the electrical contact is possible if the required for the supply of current in the electrodeposition metallization under the mask in the region of the test structures is divided by electrically non-conductive regions.

Weiterhin wurde gefunden, daß die Aussage wesentlich unabhängiger von der genauen Einhaltung der Abscheidebedingungen ist, wenn mehrere Testfelder an unterschiedlichen Positionen des Substrats, insbesondere in unterschiedlichem Abstand vom Rand des Substrats angeordnet werden und die Ergebnisse mathematisch verknüpft werden.Furthermore, it has been found that the statement is much more independent of the exact observance of the deposition conditions, if several test fields are arranged at different positions of the substrate, in particular at different distances from the edge of the substrate and the results are mathematically linked.

Ausführungsbeispieleembodiments

1. Auf eine Siliciumscheibe, auf der mit üblichen Verfahren elektronisch aktive Strukturen erzeugt wurden, wird durch ein Vakuumverfahren eine 0,1 Mm dicke Cr-Schicht und auf diese eine 1 pm dicke Cu-Schicht aufgebracht. Die Si-Scheibe wird anschließend mit einer Fotoresistmaske von 2 pm Dicke versehen, die an den Stellen, an denen Metallhügel abgeschieden werden sollen, mit Öffnungen versehen wird. Auf der Si -Scheibe wird außerdem in der Nähe der Scheibenmitte und in der Nähe des Randes eine Teststruktur erzeugt, die aus quadratischen Öffnungen von 100 χ 100pm² besteht, die in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Die Abstände zwischen den Öffnungen sind in Stufen von 1 pm gestaffelt zwischen1. On a silicon wafer on which electronically active structures were produced by conventional methods, by a vacuum method, a 0.1 mm thick Cr layer and applied to this a 1 pm thick Cu layer. The Si wafer is then provided with a photoresist mask of 2 μm thickness which is apertured at the points where metal bumps are to be deposited. In addition, a test structure consisting of square openings of 100 χ 100pm ² arranged in a row next to one another is produced on the Si disk near the center of the disk and near the edge. The distances between the openings are staggered in steps of 1 pm between

5. ..20pm. Nach üblicher Vorbehandlung wird auf der Si-Scheibe mittels galvanischer Abscheidung Kupfer aus einem kommerziellen schwefelsauren Elektrolyten mit organischen Zusatzstoffen bei einer Stromdichte von 2 A/dm^ä abgeschieden. Nach 15 min wird die Probe entnommen und durch mikroskopische Betrachtung die Stelle bestimmt, an der die aus den Öffnungen der Maske herausgewachsenen Cu-Hügel der Teststruktur sich erstmalig berühren. Die Position dieser Stelle in der Reihe der Öffnungen ist in der Mitte der Si-Scheibe und der an ihrem Rand gelegenen Teststrukturen identisch, woraus auf eine sehr hohe Streufähigkeit geschlossen werden kann.5 .. 20pm. After the usual pretreatment of copper is deposited from a commercial sulfuric acid electrolytes with organic additives at a current density of 2 A / dm ^like on the Si wafer by means of electrodeposition. After 15 minutes, the sample is removed and, by microscopic observation, the location at which the Cu bumps of the test structure grown out of the openings of the mask touch for the first time. The position of this location in the row of openings is identical in the center of the Si disk and the test structures located at its edge, from which a very high throwing power can be deduced.

2. Das Ausführungsbeispiel entspricht dem Beispiel 1 ,jedoch wird zur Abscheidung ein schwefelsaurer Cu-Elektrolyt mit 200 g/l CuSC>4 χ 5H₂O und 50g/l H₂SO₄ cone, verwendet. Die Position der erstmaligen Berührung zwischen den Cu-Hügeln in der Reihe der Öffnungen ist in dem am Rand der Scheibe gelegenen Testfeld um vier Positionen höher, in Richtung größerer Abstände gezählt, als in der Mitto der Scheibe. Die Streufähigkeit ist geringer als im Beispiel 1 und kann durch die Differenz zwischen den ausgezählten Positionen charakterisiert werden.2. The embodiment corresponds to Example 1, but for the deposition of a sulfuric acid Cu electrolyte with 200 g / l CuSC> 4 χ 5H ₂ O and 50g / l H ₂ SO ₄ cone used. The position of the first contact between the Cu hills in the row of apertures is four positions higher in the test field at the edge of the disk, counting towards longer distances than in the center of the disk. The throwing power is less than in Example 1 and can be characterized by the difference between the counted positions.

3. Das Ausführungsbeispiel entspricht dem Beispiel 1, jedoch werden anstelle der beschriebenen Testfelder vier Reihen der genannten Öffnungen in der Maske erzeugt, die von der Mitte der Scheibe in Richtung des Randes angeordnet sind und in denen jeweils gleiche Abstände zwischen den Öffnungen innerhalb einer Reihe vorgegeben worden. Die Abstände steigen von Reihe zu Reihe um 2μπι an, beginnend mit 10pm. Nach der Metallabscheidung sind von einer Reihe an sämtliche Hügel zusammengewachsen, während in den benachbarten mit größerem Abstand der Öffnungen zwischen allen Hügeln Zwischenräume verbleiben. Damit wird eine sehr gute Streufähigkeit gekennzeichnet.3. The embodiment corresponds to Example 1, but instead of the test fields described four rows of said openings are generated in the mask, which are arranged from the center of the disc in the direction of the edge and in each of which predetermined equal distances between the openings within a row Service. The distances rise from row to row by 2μπι, starting at 10pm. After the deposition of metal, all the hills have grown together from one row, while there are gaps in the adjacent spaces with a greater spacing between the openings. This indicates a very good throwing power.

Das Ausführungsbeispiel entspricht dem Beispiel 3, jedoch wird anstelle des kommerziellen Cu-Elektrolyten der im Beispiel 2 beschriebene verwendet. In allen Reihen treten vom Rand zur Mitte hin abnehmende Abstände zwischen den Cu-Hüeln auf, wodurch eine niedrigere Streufähigkeit als im Beispiel 3 angezeigt wird.The embodiment corresponds to Example 3, but instead of the commercial Cu electrolyte used in Example 2 is used. In all rows, decreasing distances between the Cu bumps occur from the edge to the center, indicating a lower throwing power than in Example 3.

Das Ausführungsbeispiel entspricht den Beispielen 1 und 2, jedoch wird die Cu/Cr-Schicht der Metallisierung vor dem Aufbringen der Haftmaske im Bereich der Testfelder durch abtragende Verfahren, beispielsweise durch Ätzen oder durch Laserbestrahlung, so strukturiert, daß zwischen den einzelnen Hügeln im Bereich der Reihe keine elektrisch leitende Verbindung verbleibt, aber dennoch durch seitliche Verbindungen die Stromzufuhr bei der galvanischen Beschichtung gewährleistet ist. Nach der Abscheidung wird durch einen erneuten metallabtragenden Schritt auch diese Verbindung durchtrennt. Durch Aufsetzen von Prüfspitzen wird die Stelle der Hügelberührung ermittelt.The embodiment corresponds to Examples 1 and 2, however, the Cu / Cr layer of the metallization before the application of the mask in the field of test fields by erosive methods, for example by etching or laser irradiation, structured so that between the individual hills in the Row no electrically conductive connection remains, but nevertheless by lateral connections the power supply is ensured in the galvanic coating. After deposition, this compound is severed by a renewed metal-removing step. By placing test probes, the location of the hill touch is determined.

Claims

1. A method for Streufähigkeitskontrolle in the structured electrodeposition of metal, characterized in that starting from taking place during the deposition outgrowth of the structural elements from the mask, the change of defined distances between adjacent structural elements is detected and evaluated.

2. The method according to claim 1, characterized in that the distances between adjacent openings of the mask are graded in a predetermined manner.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the location of the growing together of adjacent structural elements is determined by visual observation.

4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the place of Zusammenwachsens is determined by electrical continuity test.

5. The method of claim 1,2 and 3 or 4, characterized in that the investigation is made at different locations of the substrate and the results are linked together.