CMOS影像感應器構(gòu)裝——濕式無電鍍鎳沉積技術(shù)之最佳化

許明哲，余智林，詹印豐，顏錫鴻，黃子馨

(弘塑科技公司，臺灣新竹)

圖1 無電鍍鎳金技術(shù)目前被廣泛應用于CMOS影像傳感器構(gòu)裝之導線連接上[10]

由于鋁墊很容易發(fā)生氧化，無法直接進行鎳之沉積，所以在進行無電鍍鎳之前，必須要先進行二次鋅活化處理(Double Zincation Treatment)，如此才能使鎳鍍于鋁墊表面。如圖2所示，為整個無電鍍鎳制程和經(jīng)過分別制程步驟處理后之導線接合墊(Bonding Pad)表面的顯微鏡照片，整個無電鍍鎳制程包括：(1)鋁墊清洗(Al Clean)；(2)第一次硝酸槽之鋁微蝕刻制程 (Al Etch)；(3)第一次鋅活化制程(1st Zincation)；(4)第二次硝酸槽之鋅微蝕刻制程(Zinc Stripping)；(5)第二次鋅活化制程 (2nd Zincation)；(6)無電鍍鎳(Electroless Ni Plating)制程等步驟。圖3為在鋁墊上沉積無電鍍鎳層的SEM橫截面照片。無電鍍鎳層為鋁墊與凸塊間具有良好可靠度之附著層和擴散阻障層。一般在無電鍍鎳之后會鍍上一層厚度約為50 nm的金，作為抗氧化層。

圖2 從二次鋅活化到無電鍍鎳整個制程中，經(jīng)過分別步驟后鋁墊基板表面之OM照片

圖3 在鋁墊上進行無電鍍鎳層的SEM橫截面照片

由于無電鍍鎳鍍液很容易發(fā)生不正常的析出反應，所以必須作好嚴格地制程管制，如此才能從中獲得益處。而且大部分無電鍍系統(tǒng)性能的好壞，取決于能否達到所需要的特定沉積性質(zhì)而定。其中，這些特定沉積性質(zhì)，則包括：抗腐蝕性、硬度和耐磨耗性等性質(zhì)，為了達到這些特定沉積標準，無電鍍鎳系統(tǒng)之選擇，具有決定性的影響。此外，是否正確操作此無電鍍鎳系統(tǒng)，亦會影響其最終沉積質(zhì)量。至于鍍液化學品之操作參數(shù)、被鍍物表面處理狀態(tài)和系統(tǒng)設備之設計考慮等因素都會影響沉積性質(zhì)，例如：沉積速率 (Deposition Rate)、覆蓋率(Coverage)、附著力 (Adhesion)、平坦度(Smoothness)、均勻度(Uniformity)和光澤度(Brightness)等。首先，對于影響鍍液性能之化學性及物理性參數(shù)，要有通盤性了解，因為這些參數(shù)是控制鍍液性能之關鍵元素，它們會直接影響最終之沉積質(zhì)量。本文以下內(nèi)容將針對影響無電鍍鎳沉積質(zhì)量之重要鍍液參數(shù)進行分析，探討內(nèi)容包括：化學反應平衡、沉積速率、負載效應等，以及其彼此間相互影響之關系[1～10]。

1 化學反應平衡

準備無電鍍鎳溶液并不難，但是要成功地完成無電鍍鎳制程，則必須作好正確的鍍液管理(Bath Management)。目前市面上有許多專利制造之鍍液配方，而且皆很容易配置及維持；也有一些標準鍍液配方，可供使用者配置及管理。在剛開始時，使用自己配置的鍍液配方，一般皆可達到預期的沉積質(zhì)量，但使用自己配置的鍍液配方，要長期維持一定的制程質(zhì)量，這是一大挑戰(zhàn)。自己配置的鍍液壽命較難維持，一般在一個鍍液成分補充周期(Solution Turn Over)或更少時問，就必須更換新的鍍液。作好鍍液成份之正確補充(Proper Replenishment)，才能維持無電鍍鎳化學反應之平衡。如果忽略鍍液成份之正確補充時程，將會導致以下缺陷產(chǎn)生：鍍層不均勻、鍍液提早分解老化、附著力不良、光澤度差、鍍層產(chǎn)生孔洞或鍍層表面粗糙化等。如果鍍液控制不良，通常在完成無電鍍鎳之后，馬上就可以發(fā)現(xiàn)。鍍液控制不良，很容易在基材表面產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。

表1列出典型無電鍍鎳配方之主要成份及功能，為了作好無電鍍鎳之制程控制，這些鍍液成份必須控制在一定的平衡狀態(tài)。由于在生產(chǎn)中常有許多復雜情況產(chǎn)生，這使得鍍液之成份控制變得更加困難。無電鍍鎳鍍液含有多種成份，只要有一種成份失去平衡，將會導致整體的負面結(jié)果。使用商用無電鍍鎳鍍液，只要依照其指示補充鍍液，即可維持其化學成份之平衡，而且有些商用無電鍍鎳鍍液，已經(jīng)在補充液中作好各種成份變化之補償，所以非常容易操作。

表1 典型無電鍍鎳之主要配方成份及功能[6]

1.1 穩(wěn)定劑

無電鍍鎳系統(tǒng)所使用的化學品，其理想的濃度范圍非常小。其中，穩(wěn)定劑 (Stabilizer)和光澤劑(Brightness)就是最佳例子，因為它們每公升的使用范圍只有幾毫克。穩(wěn)定劑在調(diào)整無電鍍鎳速率時非常重要，而且穩(wěn)定劑可以防止鍍液產(chǎn)生自發(fā)性分解(Spontaneous Decomposition)。保持鍍液中鎳之活性(Activity)大于80%，是非常重要的。因為在較低鎳濃度下，鍍液中穩(wěn)定劑添加物可能只有最佳值的30%～60%，這將影響沉積速率、沉積覆蓋、光澤度和溶液穩(wěn)定等。如果補充劑之組成物添加時，使得鎳活性一次增加20%或更大，將導致穩(wěn)定劑和光澤劑的濃度，成為最佳值的120%～160%。在補充鍍液時，如果一次補充太多，鍍液將失去平衡，進而降低其無電鍍鎳沉積之性能及質(zhì)量。

如果穩(wěn)定劑和光澤劑的量高于標準值，則很容易在被鍍物外圍的角落處和邊緣地方，產(chǎn)生空隙(Void)和凹洞(Pits)等缺陷，甚至發(fā)生跳鍍(Skip Plating)問題。當使用金屬材料作為穩(wěn)定劑時，其在高濃度下為催化抑制劑。在極高濃度情況下，會使得無電鍍鎳反應停止。在被鍍物表面微小及零星分散的位置會吸收穩(wěn)定劑，在穩(wěn)定劑之微量吸收情況下，可改善無電鍍鎳的沉積反應。

因為穩(wěn)定劑為擴散機構(gòu)所控制(Diffusion Control)，當鍍液接觸到被鍍物之表面積愈多，則會有愈多穩(wěn)定劑被吸收于被鍍物上。最先接觸穩(wěn)定劑的位置是在被鍍物的邊緣。此外，在高速振動下，于低負載和高(或正常)穩(wěn)定劑濃度下，將會導致太多穩(wěn)定劑被吸收于被鍍物表面，因而產(chǎn)生太多活性區(qū)，致使這些區(qū)域之無電鍍鎳沉積反應遭受抑制，因而造成無電鍍鎳之沉積反應發(fā)生停止。所以在進行無電鍍鎳沉積時，不可將被鍍物作高速之振動攪拌(Agitation)。

1.2 無電鍍鎳溶液操作之鎳與pH值的控制

當鎳濃度下降時，無電鍍鎳沉積速率也會隨之變緩。降低鎳濃度會直接影響無電鍍鎳之沉積速率，或開始啟動無電鍍鎳進行沉積反應之速率，進而影響其沉積光澤度(Brightness)和平坦度(Uniformity)。為了維持無電鍍鎳之沉積質(zhì)量，鍍液必須作定期分析與補充。在進行鍍液成份補充時，一次不可添加過量，否則鍍液濃度會失去平衡，進而導致鹽類析出(通稱白化現(xiàn)像)，特別是在鍍液老化狀態(tài)下，則很容易產(chǎn)生鍍層孔洞(Void)或粗糙化(Roughness)現(xiàn)像。使用簡單化學分析法即可量測鎳之濃度。將少量鍍液冷卻到室溫，然后使用標準EDTA溶液分析鎳離子濃度，其結(jié)果可以鎳活性百分比(%)表示。大部份無電鍍鎳最佳濃度值：6 g/L，相當于100%。在一般的專利鍍液系統(tǒng)，可以使用鎳之分析數(shù)據(jù)去推測還原劑(Reducer)、穩(wěn)定劑(Stabilizer)、錯合劑(Complex Agent)和光澤劑(Brightness)等添加劑之濃度。雖然這些添加劑之使用量可以通過推測而得知，然而其彼此間并非一直與鎳消耗速率相同。在一些特殊情況下，還是需要將個別成份之濃度作獨立分析，以確保無電鍍鎳液之濃度能夠維持在平衡狀態(tài)。

在傳統(tǒng)的教學模式下，有些教師認為學生自身對語文學習沒有明確的定位，而且缺乏主動學習的能力，從而忽略了學生在課堂中本應有的主體地位，使得學生在課堂上處于被動學習的狀態(tài)。在填鴨式的教學模式下，學生的想法很難實現(xiàn)，單調(diào)呆板的教學方法導致課堂效率低下，不利于達到教學目標。這就要求教師在課堂對話中轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學理念，在對話中不斷加強學生的主體地位，讓學生大膽主動地說出自己真實的想法，師生和學生之間建立的良好互動關系是教師采取針對性教學和完善教學策略的重要前提。

無電鍍鎳溶液之操作pH值也是重要參數(shù)之一，因pH值會影響無電鍍鎳的沉積速率，以及與鎳共同沉積之磷含量。在高pH值操作條件下，會降低鍍層中磷含量和增加沉積速率。當pH值高到某個范圍，會導致金屬氫氧化物或亞磷酸鹽之沉淀物產(chǎn)生，這些沉淀物一般會導致鍍層多孔性，因而影響其耐腐蝕性能。在低pH值操作條件下，鍍層中磷含量會增加和沉積速率會降低。因為低pH值操作條件所導致的低沉積速率，會降低其鍍層之多孔性發(fā)生，得到較佳之抗腐蝕性 (Corrosion Resistance)。不同于一般電鍍鎳，會隨著電鍍之進行而降低其鍍液的pH值，無電鍍鎳必須將鍍液中的pH值，控制在固定的范圍。圖4為無電鍍鎳溶液之鎳與pH值的變化趨勢，以及經(jīng)由持續(xù)分析與補充以維持良好之控制值。

圖4 無電鍍鎳溶液之鎳與pH值的控制

1.3 還原劑-次磷酸鈉

不論是在無電鍍生產(chǎn)或不生產(chǎn)狀態(tài)，還原劑都會被消耗，還原劑會影響無電鍍鎳之效率。在進行無電鍍鎳時，次磷酸鈉(還原劑)消耗量與鎳金屬沉積消耗量成一定比例。次磷酸鈉與鎳金屬之比例，因各化學品供貨商的專利系統(tǒng)不同而有所變動，所以要遵守供貨商之規(guī)定作好成份控制。

為了維持金屬與還原劑之正確比例，必須定期分析鍍液之金屬成份，并與次磷酸鈉作好比例調(diào)整。當溶液處在高溫操作溫度下，雖然并未進行沉積反應，然而還原劑也會在非生產(chǎn)時，因為水解(Hydrolysis)現(xiàn)像而被消耗掉。所以要將次磷酸鈉的使用效率作最佳化處理，鍍液在升降溫時要快速，在鍍液受熱加溫狀態(tài)時，必須維持鍍槽內(nèi)一定的制程負載。無電鍍鎳反應之副產(chǎn)物為正亞磷酸鹽(Orthophosphite)，它會在鍍液中漸漸增加其濃度，如此會增加鍍液之密度，導致鍍液中之其它成份的溶解度下降，因而降低無電鍍鎳之反應速率。

當正亞磷酸鹽(Orthophosphite)濃度增加時，則無電鍍鎳層的平滑度(Smoothness)、光澤度(Brightness)和附著力(Adhesion)等，都會受到影響。通常會產(chǎn)生粗糙 (Roughness)、凹陷 (Pitting)和多孔性(Porosity)之鍍層。根據(jù)正亞磷酸鹽(Orthophosphite)的含量，可以用來追蹤和預測鍍液之有效壽命(Effective Bath Life)，以了解在正常操作情況下，鍍液在何時必須更換新液。以經(jīng)濟價值來考慮鍍液壽命，一般在經(jīng)過6～8 MTO(Metal Turnover)時，就必須更換新液，因為在此時鍍液中之鹽類沉積物含量最少，如果等到鍍液呈現(xiàn)污濁和乳狀時，則其無電鍍鎳沉積品質(zhì)會變差。如果刻意去延長鍍液之使用壽命，并不具備經(jīng)濟效益，因為要去控制與維持一個老舊的鍍液絕非易事。

2 無電鍍鎳鍍液之液位維持

除了作鍍液之成份分析外，維持鍍槽之固定液位也非常重要，鍍槽液位對于無電鍍鎳質(zhì)量的影響，通常會被低估。尤其在鍍液被加熱時，水份會產(chǎn)生快速蒸發(fā)。當鍍液被加熱到高溫制程下，雖然并未進行無電鍍鎳制程反應或補充鍍液時，然而其水份蒸發(fā)速率仍會加快。如果沒有正確補充水份以維持鍍槽之固定液位，則鍍液之濃度會變濃。例如：水份蒸發(fā)會使原本為6 g/L之鎳濃度提高變?yōu)?.8 g/L或更高。當水份蒸發(fā)時也會提高其它化學品之濃度。所以保持液位穩(wěn)定是非常重要的，尤其在電鍍前或作化學成份分析時，會顯得格外重要。無電鍍鎳槽采用固定溢流循環(huán)可以保持液位穩(wěn)定，大大減少液位控制問題。

2.1 污染物之影響

鍍液中微量金屬和其它污染物的濃度，會影響鍍層質(zhì)量及外觀。有些金屬甚至可作為穩(wěn)定劑(Stabilizer)或催化抑制劑(Catalytic Poison)，因而抑制無電鍍鎳反應之進行?？勺鞣€(wěn)定劑(Stabilizer)之元素，包括：硫(Sulfur；S)、鎘(Cadmium；Cd)、鉍(Bismuth；Bi)、銻 (Antimony；Sb)、汞 (Mercury;Hg)、鉛(Lead;Pb)、鋅(Zinc;Zn)、鐵(Iron;Fe)。有機污染物之來源，則包括：光阻劑、油、管材和軟管中的塑化劑(Plasticizer)、以及空氣中傳播之有機材料和硅酸鹽(Silicate)等雜質(zhì)。

清洗無電鍍鎳槽用之硝酸，如果未去除干凈，殘余之硝酸會降低無電鍍鎳的沉積速率，導致鍍層多孔性增加，甚至產(chǎn)生黑色條紋之沉積物。過多硝酸污染物也會降低鍍層與基材的附著力，因為基材表面之鈍化層或污染物，將會干擾或減緩無電鍍鎳開始沉積之反應，導致鍍層與基材之附著力下降。在配置新的無電鍍鎳液之前，亞硝酸鹽測試紙(Nitrate Test Paper)是確認有無硝酸污染物殘留的一種好工具。

在配置新的無電鍍鎳液之前，使用氨水(Ammonium Hydride)或苛性鈉(Caustic Acid)作中和，也無法保證溶液中之硝酸鹽殘留物是否完全去除。當硝酸進入無電鍍鎳溶液中時，污染物是以硝酸鹽(Nitrite)和亞硝酸鹽(Nitrate)陰離子存在。只要有1～2 mg/L的亞硝酸鹽(Nitrite)存在，它會比硝酸鹽反應更強，進而在無電鍍液中形成很強的穩(wěn)定劑或抑制劑。添加1～2 g之Sulfamic Acid到含有硝酸污染物之鍍液中，它會與硝酸反應產(chǎn)生氮氣而逸出。為了防止硝酸污染所造成的影響，在進行無電鍍鎳溶液配置前，先用Sulfamic Acid作最后清洗，接著使用亞硝酸鹽測試紙，確認槽體和過瀘系統(tǒng)是否清潔，最后才能開始加入新的無電鍍鎳溶液。

2.2 鍍液操作溫度

無電鍍鎳之鍍液的溫度是影響沉積速率的重要參數(shù)之一，溫度上升則增加沉積速率，尤其是在93℃的溫度，沉積速率會快速增加。圖5為穩(wěn)定劑固定在0.24 ml/L濃度下，無電鍍鎳沉積速率與各種溶液溫度(80℃,85℃,90℃,95℃)與pH值之關系圖，可知無電鍍鎳沉積速率會隨著溶液pH值及溫度之增加而上升[10]。

無電鍍鎳之加熱系統(tǒng)必須避免產(chǎn)生鍍液之局部過熱(Localize Heating)現(xiàn)像，否則會導致鍍液分解或鍍層粗糙化。沉積速率對于鍍層之光滑度(Smoothness)、覆蓋性 (Coverage)和附著力(Adhesion)等皆有影響。沉積速率太快，會導致鍍層粗糙化或產(chǎn)生有孔蝕(Pits)之鎳鍍層；沉積速率太慢，會導致鍍層覆蓋性和附著力不佳。

圖5 穩(wěn)定劑固定在0.24ml/L濃度下，無電鍍鎳沉積速率與各種溶液溫度與pH值之關系圖

3 槽體負載及攪拌

無電鍍鎳的槽體不可大于生產(chǎn)所需要之體積，如果預測未來產(chǎn)量會增加時，則可以多加一個槽體，千萬不要增加個別槽體之體積，因為槽體負載及攪拌會影響化學液體之交互作用，進而影響沉積質(zhì)量。槽體負載之定義：所有被鍍面積(A)與槽體體積(V)之比例，一般A/V比：74～197 cm2/L。如果A/V值太小，則穩(wěn)定劑會被工件所吸收，尤其是在被鍍物之邊緣和尖銳處，容易大量吸收穩(wěn)定劑，導致鍍層不連續(xù)、多孔性增加。反之，如果A/V值太大，在添加新鍍液時，容易造成化學成份之比例發(fā)生過度變動。

攪拌可以改善溫度梯度和濃度梯度，維持鍍液之均勻混合。增加攪拌速率會增大穩(wěn)定劑之邊緣效應。如果槽體負載和穩(wěn)定劑濃度皆符合規(guī)格，但是攪拌速率過高，則其鍍層質(zhì)量也會有不良影響。因為當攪拌速率增加時，無電鍍鎳溶液可容許較低濃度之穩(wěn)定劑；而在高濃度穩(wěn)定劑時，以及極低槽體負載下，則每單位面積被鍍物上，會有許多的穩(wěn)定劑可供使用，此時如果增加攪拌速率，則將會使沉積質(zhì)量變差。

4 結(jié)論

使用無電鍍鎳金(ENIG)應用在凸塊制程來沉積UBM層，在本文中已針對無電鍍鎳制程上必須注意的各種影響因素作深入探討，并提出各種解決對策。無電鍍鎳金制程巳正式應用于半導體業(yè)界，如圖6所示，為弘塑科技(Grand Plastic Technology Corporation;GPTC)所制造之200 mm晶圓級無電鍍鎳金量產(chǎn)設備。無電鍍鎳金沉積使用一系列之濕式制程(Wet process)設備，其比一般真空濺鍍設備之成本低。但是在生產(chǎn)考慮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)。

(1)設備成本(Equipment Cost)。設備為一次性成本，自動化濕式制程設備，在使用上需注意事項：①機臺其實際可生產(chǎn)使用時間(Up Time)；②機臺維護與零組件更換之時效性；③服務之技術(shù)質(zhì)量等。著眼目前在凸塊市場(Bumping Market)之趨勢，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)大廠所擁有的自動化濕式制程設備，大部份皆來自弘塑科技(GPTC)所設計制造，經(jīng)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制程技術(shù)及經(jīng)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(tǒng)以及制程參數(shù)分析平臺上等，皆可作靈活性之整合與修改，以持續(xù)提升制程質(zhì)量。

(2)化學鍍液成本(Chemical Cost)。因為化學鍍液為持續(xù)性之二次成本，在無電鍍鎳金制程上占關鍵性地位，而且國際間之化學供貨商亦不少，在使用上需考慮技術(shù)與成本兩大要素：①技術(shù)考慮：化學鍍液本身性能、化學鍍液之制程操作范圍(不可過于狹窄)、化學供貨商之技術(shù)支持能力(研發(fā)技術(shù)與量產(chǎn)需求是否相結(jié)合)；②成本考慮：針對大量生產(chǎn)時，每一片晶圓生產(chǎn)所需成本、鍍液壽命、鍍液是否穩(wěn)定不容易分解和提早老化等。

圖6 弘塑科技所制造之200 mm晶圓級無電鍍鎳金量產(chǎn)設備

[1]John H.Lau.Low Cost Flip Chip Technologies[C].Mc-Graw-Hill,New York, 2000:48～50.

[2]Deborah S.Patterson,Peter Elenius,James A.Leal.Wafer Bumping Technology-A Comparative Analysis of Solder Deposition Process and Assembly Considerations[J].Advance in Electronic in Packaging-1997,ASME(1):337-351.

[3]Glenn A.Rinne.Solder Bumping Methods for Flip Chip packaging[C].ECTC,1997:240-247.

[4]Guowei Xiao,Philip Chan,Cai Jien,Annette Teng,Metthew Yuen.The Effect of Cu Stud Structure and Eutectic Solder Electroplating on Intermetallic Grown and Reliablity of Flip-Chip Solder Bump[C].ECTC,2000:54-59.

[5]Misaka A.,Harafuji K.Simulation study of micro-loading phenomena in silicon dioxide hole etching,Electron Devices[J].IEEE Transactions,1997,May 44 5:751-760.

[6]Brad Durkin.Controlling ElectrolessNickelBaths[DB/OL].Gardener Publication,Inc.,2003.(http://www.pfonline.com).

[7]Kalantary,M.R.,Holbrook,K.A.,and Wells,P.B.Effect of Agitation on Conventional Electroless Nickel Plating[J].Plating&Surface Finishing,August,1992:5562.

[8]Joong-Do Kim.Electroless Ni/Au Bump on a Copper Patterned Wafer for the CMOS Image Sensor Package in Mobile Phones[J].Journal of Electronic Materials,2007,36(7):775～782.

[9]J.H.LEE,I.G.LEE T.KANG,N.S.KIM,and S.Y.OH.The Effects of Bath Composition on the Morphologies of Electroless Nickel Under-Bump Metallurgy on Al Input/Output Pad[J].Journal of Electronic Materials,2005,34(1):12～18.

[10]Joong-Do Kim.Electroless Ni/Au Bump in the Flip Chip-type CMOS Image Sensor Package for Mobile Phone Camera Modules[J].Journal of Electronic Materials,2006,35(2):273～278.