|
許明哲、詹印豐、顏錫鴻/弘塑科技
近幾年來，許多電子元件之構裝都採用覆晶(Flip Chip)和晶圓級晶片尺寸構裝(Wafer Level Chip Scale Packaging，WLCSP)技術，所以對於錫鉛凸塊(Solder Bump)之需求急速增加，其中位於凸塊底下之金屬層(Under Bump Metallurgy，UBM)，一般皆使用真空濺鍍(Sputtering)或電鍍(Electroplating)技術來沉積生長。然而隨著凸塊市場(Bumping Market)之持續成長，成本壓力促使業界開始尋求其他替代性之薄膜技術。其中，使用無電鍍(化學電鍍)鎳金(Electroless Nickel/Gold，E-Ni/Au)製程來生長較厚的UBM層，則是熟知的技術。由於此項技術不需要使用高真空(High Vacuum)或微影(Photolithography)等昂貴設備，所以在成本考量上是一項非常可行的替代性技術。然而，在實施大量生產上，如果未注意到製程控制和製程相互間之影響，則往往會遇到一些產品生產上之阻礙。本文將針對無電鍍鎳金(E-Ni/Au)在凸塊應用上所面臨問題，以及製程參數之控制作一番探討；而對於想投入此項產業者所應考慮到之成本因素，在最後結論部份將有詳細分析。
無電鍍鎳金之應用介紹
所有半導體元件在進行覆晶(Flip Chip)或晶圓級晶片尺寸構裝(Wafer Level Chip Scale Packaging，WLCSP)互相連接時，都需要有凸塊底下之金屬層(UBM)當作凸塊與鋁墊之間的銲接表面(Solderable Surface)和擴散阻障層(Diffusion Barrier Layer)。目前使用濺鍍(Sputtering) AlNiVCu和電鍍銅(Electroplating Copper)作UBM層，已佔全球半導体凸塊製程之90%，雖然這些技術已行之多年且成效良好，但其成本仍居高不下，促使業界面臨轉移到其他低成本的替代方案。
近幾年來，許多研究機構和公司，正陸續進行評估無電鍍鎳金製程(Electroless Nickel/Gold)來沉積UBM，以取代濺鍍和電鍍製程。因其具有以下之優勢：(1)低成本(使用一系列之濕式製程設備)；(2)高產能(＞50 WPH(Wafers per hour))，使用批次製程(25 Wafers/Cassette)；(3)具有高可靠度(High Reliability)，可產生附著力強且厚的鎳阻障層(Nickel Barrier)。然而初期使用無電鍍鎳金沉積薄膜於矽晶圓表面之鋁墊上時，常常遭遇到各種難以接受之技術問題。隨著時間演進，目前許多無電鍍鎳金之問題已逐項被確認及提出解決對策，無電鍍鎳金製程巳正式應用於台灣半導體業界，如圖一所示，為弘塑科技應用於200mm Wafer無電鍍鎳金之自動化生產機台。
在多年前，無電鍍鎳金沉積UBM於鋁基半導體表面之製程，在國外已經是標準化製程。眾所皆知的「二次鋅活化製程」(Double Zincation Process)最初是由Fraunhofer Institute IZM所發展出來[1]，並廣為工業畀所採用，圖二為典型無電鍍鎳金技術沉積UBM層之製程流程圖，其基本步驟如下：
1. 鋁清洗(Al Clean)。
2. 鋁蝕刻(Al Etch)。
3. 鋅活化-I (Zincation-I)。
4. 鋅剝除(Zinc Strip)。
5. 鋅活化-II (Zincation-II)。
6. 無電鍍鎳(Electroless Nickel)。
7. 無電鍍金(Electroless Gold)。
雖然這IZM所擁有的無電鍍鎳製程，有其特定製程參數和化學品，但是如果此製程應用在不相容之元件、或者在實際執行時缺乏嚴格控制，常常導致不良品產生。以下段落，將針對無電鍍鎳金製程常發生之問題作深入探討，並提出防範對策。
無電鍍鎳金製程問題探討[2,3,4,5] 鋁墊之合金成份
半導體元件所使用之鋁墊有許多不同成份，最常見的四種鋁合金如下所示：
1. 純鋁(Al：100%)。
2. 鋁矽合金(Si：0.5~1%)。
3. 鋁銅合金(Cu：0.5~2%)。
4. 鋁矽銅合金。
無電鍍鎳之反應機制，包含一系列在鋁表面所發生之伽凡尼(Galvanic Reaction)反應。當摻雜一些微量合金成份於鋁中時，則會在鋁層中產生電化學電池(Electrochemical Cell)，因而改變鋁之電位(Potential)，這對於鋅活化品質和其後之無電鍍鎳製程皆會受到影響。根據經驗，添加少量銅於鋁中，會在鋁與鎳之間產生一個強大的界面。依理論解釋：由於添加銅會改變鋁之電位，並產生微小電池(Micro-Cell)效應，可促進無電鍍鎳製程之進行。
在1970年代已有許多公司開始著手添加0.5%Cu在鋁中，以限制電遷移現像(Limit Electro-Migration)和控制晶粒成長(Control Grain Growth)。很不幸地，並非所有半導體在製造時有添加銅在鋁中，當元件在製造時如果沒有添加銅於鋁中，則較難與二次鋅活化和無電鍍鎳金製程相容，進而衍生可靠度方面之問題。
文獻[2]顯示將無電鍍鎳金分別沈積於純鋁墊上和含有0.5%Cu之鋁墊上，然後比較兩者之組織結構和鋁墊與鎳鍍層間之附著力，測試結果發現純鋁墊上沈積無電鍍鎳金之組織較粗糙，並且鋁墊與鎳之間的附著力也較差。至於添加矽到鋁銅合金中，其對於鎳與鋁之界面性質並無明顯之影響；而添加矽到純鋁中，因為有新的晶粒邊界產生，則會使得鎳與鋁之界面強度變得更加脆弱。所以根據不同鋁墊合金成份，必須適當修改無電鍍鎳金與前處理之製程條件和化學品成份。
因電路、化學品、光所造成之電位問題(Potential Issue)
除了鋁和其合金本身會具有電位外，許多半導體元件內部電路也會與電鍍液中之化學離子起交互反應，因而產生其他額外之電位，如果此電位大到某種程度，則會影響到無電鍍鎳金之品質。一般而言，晶圓背面與半導體電路中之接地墊(Ground Pad)，兩者所產生之電位最大。為了防止無電鍍鎳金品質受到影響，將晶圓背面作隔離，以降低感應電位(Inductive Potential)，則可以使用以下兩種方案：(1)在晶圓背面沉積氧化層(SiO2)/氮化層(Si3N4)，或(2)在晶圓背面塗佈光阻(Wafer Backside PR Coating)，然後於無電鍍鎳金完成後去除光阻，此種方法較被普遍使用。
由於在半導體之鋁墊(Al Pad)表面也會與光產生反應，也就是光伏特效應(Photovoltaic Effect)，亦會影響無電鍍鎳金品質，所以有些產品會要求在隔離光源(Light Isolation)狀況下進行無電鍍鎳金製程，如此可以消除光伏特效應。
無電鍍(化學電鍍)鎳金製程控制
無電鍍(化學鍍)鎳金之鍍液成份與製程比一般光澤電鍍複雜繁瑣，許多無電鍍鎳金製程之失敗，是因為對於鍍液成份與製程參數未作嚴密管制所致。由於應用於半導體晶圓廠無電鍍鎳金之大量生產設備，必須具備晶圓自動化傳輸功能，目前弘塑科技(Grand Plastic Technology Corp.)所設計製造之最新8”Wafer自動化無電鍍鎳金生產設備，已可結合線上監測系統(In-Line Monitoring System)連接到主操作螢幕，能夠自動偵測及記錄鍍液之濃度與pH值，並自行調整補充鍍液成份，如此才能嚴密掌控製程條件，進而確保產品能維持在高良率狀態。
以下將針對無電鍍鎳金製程(E-Ni/Au Process)應注意事項作一詳細探討：
鋁墊清洗(Al pad cleaning process)
鋁墊清洗可以確保鋅活化時，可以長出薄而均勻之鋅活化層，以利於後續之鎳置換反應，一般在鋁墊上有兩種污染物必須於此步驟作清除。
第一種污染物是鋁墊上之有機殘留物(Organic Residuals)，可以使用稀釋過的硫酸(Diluted Sulfuric Acid)作清除處理；而第二種污染物則是鋁墊上之矽基污染物(Silicon Based Contaminants)，使用少量稀釋過的氫氟酸作去除。如果仍無法去除時才考慮使用電漿來清除污染物。
鋁墊清洗之目的包括：(1)降低鋁的表面張力；(2)增加表面潤濕性；(3)減少電鍍鎳時產生氣泡。因為鋁墊清洗之化學液非常具有攻擊性，所以化學液濃度要低，並且加大循環系統之流量和減小過濾孔徑，則可以增加製程範圍。
鋁墊蝕刻(Al Pad Etching Process)
在鋁墊上所生成之自然氧化物(Native Oxide)，可保護鋁不受周圍環境所影響。然而，為了能夠成功地將無電鍍鎳鍍於鋁表面，在無電鍍鎳之前必須將鋁氧化物作去除，因半導體之鋁墊非常薄，相對於鋁墊全部厚度而言，鋁氧化物厚度佔有極大比例。半導體元件之鋁墊厚度，依各晶圓廠和設計法則，其厚度變化範圍為：0.4mm ~ 8mm。鋁墊厚度與最終元件之使用目的存在著極大之關係。例如：高功率和被動元件，通常使用較厚之鋁墊(厚度：2~8mm)；記憶體和邏輯晶片，則使用較薄之鋁墊(厚度：0.4~2mm)。大部份鋁墊厚度為1mm，其佔所有半導體元件80%。正確鋁蝕刻是一個難以量化的觀念名詞，鋁蝕刻製程與元件種類有非常密切之關連，例如：同樣厚度為1mm之鋁墊，其晶粒組織之粗細(Grain Size)不同，所需要的蝕刻條件就不相同。一般鋁蝕刻厚度以小於其原先厚度的四分之一為原則。
在鋁蝕刻製程中，常會發現在鋁與鈍化層接觸區域，即靠近界面區域(Interface Area)其鋁的蝕刻速率(Etch-Rate)會較快，所以必須注意此區域不能蝕刻太多的鋁。因鋁蝕刻製程並非特定方向之選擇性蝕刻(Selectively Directional Etch)，鋁容易在鈍化層底下被蝕刻成一個凹洞，然後於無電鍍鎳製程中被鎳所充填，這將不利於界面連接處之可靠度。保持製程穩定之最佳條件：就是鋁厚度最少要有1mm，並且在前處理之清洗/準備製程時要有嚴格的參數控制(例如：化學品成份、浸泡時間及溫度等)。為了確保無電鍍鎳金元件之高可靠度(High Reliability)，對於整個無電鍍鎳金流程需要有一個詳細分析。其中對於鋁厚度、鋁蝕刻性質以及後續無電鍍鎳金先後製程的相關特性，需作一個全盤性的了解，這對於每一個晶圓廠而言是必須的。
鋁墊表面之氧化鋁層去除，一般使用鹼性蝕刻液，其pH值控制精確度必須達到0.05pH的範圍，以確保蝕刻速率能維持一致，並且加大循環系統之流量和減小過濾孔徑，則可以增加製程操作範圍。許多晶圓廠喜歡在沈積UBM或長凸塊(Solder Bump)之前，使用探針(Probe)在鋁墊上作電性測試(Electrical Test)，這使得探針接觸區域之鋁厚度變薄，導致在前處理步驟中有可能會產生鋁過度蝕刻(Over-Etching)現像。在許多場合下，這或許不是問題；但在一些特殊元件設計上，鋁過度蝕刻有可能會影響電性和可靠度。
鋅活化I (Zincation I)/鋅剝除(Zinc Strip)/鋅活化II (Zincation II)
鋅活化是結合鋁氧化與鋅還原反應之製程，如果鋅層太厚則會改變表面電位，這使得後續之無電鍍鎳沉積反應不一致。為了確保無電鍍鎳層之均勻性，必須先沉積一層薄而均勻的鋅層。無電鍍鎳沉積之主要機制，就是無電鍍鎳溶液會溶解置換鋅，電子參與反應以降低無電鍍鎳沉積之有效電位；其中，次磷酸鈉(還原劑)提供電子到鋁表面，進而啟動鎳之催化沉積反應。此外，鋅槽如果超過鍍液壽命，鋅鍍液之鋅氧化物(Zinc Oxide)會與空氣中之二氧化碳(CO2)產生反應，生成為碳酸鋅(zinc Carbonate)化合物，此種化合物不溶於鹼性水溶液中，容易形成小晶體(Small Crystal)沉積於鋁表面形成缺陷，如此將減低鋁與鎳之間的附著力。雖然過濾與高流速循環，可以降低溶液中之小晶體濃度，但是考慮最終無電鍍鎳品質，仍需注意鋅活化之製程管制與定期更換化學品。
無電鍍(化學鍍)鎳
無電鍍鎳是利用還原劑的化學還原能力，將鎳離子還原析鍍在有活性(Active)的基材表面，而且不需電源供應器來提供電力，因此又稱為化學鍍(Chemical Plating)。但是此種還原反應，必須在具有催化能力的基材表面上才能進行，例如：鐵、鈷、鎳、鈀、鋨、銥、鉑、金等，因為這些金屬能催化還原劑之脫氫反應，一旦這些金屬表面鍍上一層鎳後，由於鎳本身具催化能力，析鍍反應就能持續進行，所以也稱之為自催化反應析鍍(Autocatalytic Plating)。
一般無電鍍鎳反應中最常用的還原劑是次磷酸鈉(NaH2PO2)，而鎳離子則由硫酸鎳、氯化鎳所提供，其典型反應機構如下表一所示：
由表一反應式可知，析鍍過程中鍍液pH值會持續下降，而亞磷酸根離子(H2PO3-)濃度則會提高，因此需要添加錯合劑和緩衝劑；而當鍍液中錯合劑用盡時，亞磷酸根會與金屬離子產生沉澱，因而造成鍍液分解，所以要即時分析鍍液變化，以便更換舊液或補充新液，如此才能將鍍液作最佳化之管理。
表二列出一般無電鍍鎳液中之主要成份與其個別功能。無電鍍鎳鍍液中基本成份包含：金屬離子、還原劑、錯合劑、緩衝劑、穩定劑。
l 金屬離子：由無機鹽類提供，如硫酸鎳、氯化鎳可以供應鎳離子。
l 還原劑：可提供電子，它是無電鍍反應的電源供應器，鎳金屬離子就是利用還原劑來進行還原反應，以沉積在基材表面。還原劑種類與功能如下所述：
n 次磷酸鈉(NaH2PO2)－析出鎳－磷鍍層。
n Sodium Boronhydride (NaBH4)－析出鎳－硼鍍層。
n 聯胺(N2H4)－析出鎳鍍層。
n 甲醛(HCHO)－一般應用於析鍍銅。
n Dimethylamineborane(DMAB)－析出鎳－硼鍍層。
n Diethylamineborane(DEAB)－(只適用於鹼性鍍液)析出鎳－硼鍍層。
l 酸鹼調整劑：無機酸、氫氧化銨、氫氧化鈉。
l 錯合劑：其主要作用是藉由錯化合反應，以控制鍍液中自由金屬離子的活性。
l 穩定劑：鎖住微細沉澱物，防止其變成還原反應的成核位置，以避免鍍液分解。
在無電鍍鎳製程中需要加入線上監測系統，以隨時偵測鍍液之鎳濃度(Ni Concentration)與pH 值，並自行添加補充鍍液之化學成份，如此才能嚴密控制一定的製程條件，因為微量的鍍液成份變化，就會對於製程參數產生極大的影響，以下圖三為無電鍍鎳製程線上監測與自動補充鍍液系統之示意圖。
無電鍍(化學鍍)金
無電鍍製程中最昂貴的鍍液就是金鍍液，所以在過去之習慣是儘可能延長鍍液使用時間，但是隨著時間增加鍍液品質則會隨之下降，金鍍液會變得活動過度，在無電鍍金製程時會攻擊無電鍍鎳層，因而導致良率下降，所以還是要依照化學品供應商規定，作鍍液定期更換。
結論
使用無電鍍鎳金(E-Ni/Au)應用在凸塊製程來沉積UBM層，在本文中已針對製程上常發生問題作深入探討，並提出各種解決防範對策。無電鍍鎳金沉積使用一系列之濕式製程(Wet process)設備，其比一般真空濺鍍設備之成本低。但是在生產考量上仍要注意其兩大成本因素：一為設備成本(Equipment Cost)、二為化學鍍液成本(Chemical Cost)。
設備成本(Equipment Cost)：設備為一次性成本，自動化濕式製程設備，在使用上需注意事項：(1)機台其「實際可生產使用時間」(Up Time)、(2)機台維護與零組件更換之時效性、(3)服務之技術品質等。著眼目前在台灣凸塊市場(Bumping Market)之趨勢，可以發現國內大廠所擁有的自動化濕式製程設備，大部份皆來自弘塑科技(GPTC)所設計製造，經過這十幾年來與客戶間共同努力耕耘下，在此領域上已累積可觀之製程技術及經驗，針對客戶不同化學液之特性需求，在設備、化學品供應系統以及製程參數分析平台上等，可作靈活性之整合與修改，以持續提昇製程品質。
化學鍍液成本(Chemical Cost)：因為化學鍍液為持續性之二次成本，在無電鍍鎳金製程上佔關鍵性地位，而且國際間之化學供應商亦不少，在使用上需考量技術與成本兩大要素。(1)技術考量：化學鍍液本身性能、化學鍍液之製程操作範圍(不可過於狹窄)、化學供應商之技術支援能力(研發技術與量產需求是否相結合)；(2)成本考量：針對大量生產時，每一片晶圓生產所需發費成本、鍍液壽命、鍍液是否穩定不容易分解和提早老化等。SST-AP/Taiwan
致謝
感謝精材科技(Xintec Technology) 和日月光(ASE)兩大公司，在工作與技術上之支援，尤其感謝以下人員－Xintec技術團隊：王思堯、范振梅、陳儒儀、倪再生、林義閔、顏裕林，以及ASE技術團隊：翁肇甫、戴豐成。工研院(ITRI)－陳玄芳博士，亦提供許多寶貴知識，此技術論文才得以順利完成，在此一併致上謝意。
作者
許明哲(David Hsu)：弘塑科技公司(Grand Plastic Technology Corporation，GPTC )市場與技術部應用工程師，畢業於成功大學材料所。連絡地址：新竹縣新竹工業區大同路13號；電話：(03)5972353 ext: 255；電子郵件信箱：david_hsu@gptc.com.tw。
詹印豐(Jesse Chan)：弘塑科技公司總經理(President of GPTC)，從台灣工業技術學院電子系獲得學士學位，並在美國密蘇里州立大學哥倫比亞校區獲得MSEE。
顏錫鴻(Clyde Yen )：弘塑科技公司副總經理(Vice President of GPTC)，弘塑科技公司創辦人，具半導體濕式設備與製程多年實務經驗。
參考文獻
1. Andreas Osteman, 𡌃lectroless Nickel Bump? Fraunhofer Institute IZM, Germany, 2002.
2. A.J.G. Strandjord, M. Johnson, H.Lu, D. Lawhead, R. Hanson, and R. Yassir, Flipchip International, LLC. Phoenix, Arizona, 85034, 2003.
3. G. Motulla, 𨯗 Low Cost Bumping Service Based on Electroless Nickel and Solder Printing,?Proc. IEMT/IMC Symp., Omiya, Japan, 1997.
4. T. Oppert, E. Zakel, T. Teutsch, "A Roadmap to Low Cost Flip-Chip and CSP using Electroless Ni/Au," Proceedings of the International Electronics Manufacturing Technology Symposium (IEMT) Symposium, Omiya, Japan, April 15-17, 1998.
5. R. Heinz, E. Klusmann, H. Meyer, R. Schulz, "PECVD of Transition Metals for the Production of High-Density Circuits," Surface and Coatings Technology, 116-119 (1999).
圖一：應用於200mm wafer無電鍍鎳金(Electroless Nickel/Gold) 自動化生產線機台。
圖二：為典型使用無電鍍鎳金技術沉積UBM層之製程流程圖(IZM)[1]。 |
|
|
|
