MEMS晶圓級(jí)封裝種子層刻蝕工藝研究

李勝利，馬占鋒，高健飛，王春水，黃 立

（武漢高芯科技有限公司，武漢430000）

1 引言

目前，MEMS芯片封裝技術(shù)可分為晶圓級(jí)、芯片級(jí)和系統(tǒng)級(jí)封裝等[1-3]。芯片級(jí)封裝對(duì)單顆芯片進(jìn)行操作，成本高，效率低。系統(tǒng)級(jí)封裝是在同一基板上集成不同功能的芯片，因封測(cè)過程中一般用到多層結(jié)構(gòu)的BT材質(zhì)基板，加上各類芯片的組裝及最終成品的測(cè)試，其成本仍然較高。晶圓級(jí)封裝針對(duì)整個(gè)圓片進(jìn)行操作，是目前器件封裝領(lǐng)域最前沿的技術(shù)，具有效率高、成本低的特點(diǎn)。

晶圓級(jí)封裝中，鍵合環(huán)的金屬化一般通過電鍍完成[4-5]：首先濺射鈦、銅作為種子，電鍍完成后再用濕法刻蝕去除種子層。銅種子一般采用過硫酸銨或酸性雙氧水體系去除[6]。但這兩種藥液對(duì)鈦幾乎無任何作用，鈦種子層還需要單獨(dú)的藥液進(jìn)行刻蝕，這不但增加了工藝的復(fù)雜性，影響生產(chǎn)效率，還增加了生產(chǎn)成本。因此，有必要探究新的種子層刻蝕工藝。

有研究表明[7-8]，雙氧水在堿性條件下電離出的過氧根離子可以和鈦發(fā)生反應(yīng)。另有研究表明[9]，I號(hào)液（氨水、雙氧水和水的混合物）中的雙氧水可以將銅氧化為氫氧化銅，而其中的氨水又可以和氫氧化銅發(fā)生螯合作用，生成可溶的銅氨絡(luò)合物。綜上，I號(hào)液特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)為實(shí)現(xiàn)銅和鈦的同時(shí)刻蝕提供了可能。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 蓋帽晶圓制備

蓋帽晶圓單個(gè)蓋帽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1(g)所示，包括硅襯底，蓋帽腔，鍵合環(huán)，鈦、銅種子層和焊料層。蓋帽腔的深度是100 μm；鈦、銅種子層的厚度分別是20 nm和300 nm，其中鈦起黏附作用，銅主要用于調(diào)節(jié)電鍍阻抗，使電鍍更均勻；焊料層依次堆疊有銅、鎳、金和錫，其中銅是過渡層，鎳是阻擋層，金錫是焊料。蓋帽結(jié)構(gòu)制作工藝流程如圖1所示，包括如下步驟：1）對(duì)圖1(a)中的硅襯底進(jìn)行掩模和深硅刻蝕，得到如圖1(c)所示的蓋帽腔和鍵合環(huán)；2）在上述結(jié)構(gòu)上分別濺射鈦和銅，作為電鍍的種子層，其結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示；3）對(duì)圖1(d)所示的晶圓進(jìn)行掩模，得到如圖1(e)僅露出部分鍵合環(huán)的結(jié)構(gòu)；4）對(duì)圖1(e)所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行電鍍，生長所需要的焊料層，結(jié)構(gòu)如圖1(f)所示；5）電鍍完成后，通過濕法清洗去除掩模并露出種子層。

圖1 晶圓級(jí)封裝蓋帽制作流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

首先用30%的氨水、30%雙氧水和去離子水（DIW）按不同比例配制好Ⅰ號(hào)液；然后分別用濺射有銅和鈦的無圖形樣片測(cè)試銅和鈦的刻蝕速率，以選擇合適的配比；最后用蓋帽晶圓確認(rèn)腐蝕效果。

3 結(jié)果與分析

3.1 氨水濃度的確定

在雙氧水濃度為0.66 mol/L的條件下，分別研究了氨水濃度依次為0.53 mol/L、1.06 mol/L、2.11 mol/L和3.17 mol/L時(shí)銅和鈦的腐蝕速率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 氨水濃度對(duì)銅和鈦腐蝕速率的影響

從圖2可以看出銅的腐蝕速率隨氨水濃度的增加而增大：當(dāng)氨水濃度小于2.11 mol/L時(shí)，銅的腐蝕速率隨氨水濃度的增加而緩慢增加；當(dāng)氨水濃度大于2.11 mol/L時(shí)，銅的腐蝕速率明顯加快。這是因?yàn)樗陌焙香~離子（Cu2++4NH3?Cu（NH3）42+）的生成，降低了銅的電極電位，提高了其還原性[10]。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)采用單片式濕法腐蝕工藝，反應(yīng)生成的Cu（NH3）42+被高速旋轉(zhuǎn)的晶圓迅速甩出而脫離銅表面。因此Cu（NH3）42+的濃度對(duì)上述反應(yīng)無影響，平衡常數(shù)計(jì)算中其濃度可視為不變，看成常數(shù)1。上述化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定平衡常數(shù)可簡(jiǎn)化為公式（1）：

據(jù)能斯特方程可計(jì)算銅的電極電位，見公式（2）：

將公式（1）代入公式（2）整理得公式（3）：

公式（3）中，一定溫度下K穩(wěn)是定值，Eφ[Cu2+/Cu]是銅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，也是常數(shù)。因此I號(hào)液中銅的電極電位與氨水濃度成反比。將“-0.1184 lg（[NH3]）”計(jì)算值與氨水濃度的關(guān)系曲線繪于圖3。

圖3 “-0.1184 lg（[NH3]）”與氨水濃度的關(guān)系曲線

從圖3可以看出，銅的電極電位變化率在氨水濃度為2.11 mol/L處出現(xiàn)突變，與銅腐蝕速率在氨水濃度為2.11 mol/L處出現(xiàn)突變對(duì)應(yīng)。這是因?yàn)殂~在I號(hào)液中的溶解分為銅氧化（Cu+H2O2=Cu(OH)2）和形成銅氨配合物（Cu(OH)2+4NH3=Cu(NH3)4(OH)2）兩個(gè)過程。當(dāng)氨水濃度比較低時(shí)，銅的氧化過程占優(yōu)勢(shì)，有富余的高價(jià)銅沒有發(fā)生配合反應(yīng)。此時(shí)進(jìn)一步提高氨水濃度，銅的電極電位有較快變化。但由于氨水配合能力不足，銅的腐蝕速率仍然較慢。當(dāng)氨水濃度較高時(shí)，銅離子配合過程占優(yōu)勢(shì)，只有少量的高價(jià)銅進(jìn)一步配合，銅的電極電位變化減慢。此時(shí)，由于新生成的高價(jià)銅會(huì)被氨水迅速絡(luò)合掉，所以銅的腐蝕快速進(jìn)行。

與銅的刻蝕現(xiàn)象不同，鈦的腐蝕速率則隨氨水濃度的增加而減小。這是因?yàn)榘彼畷?huì)促進(jìn)雙氧水水解，使鈦在與I號(hào)液反應(yīng)過程中出現(xiàn)難溶副產(chǎn)物Ti(OH)4，阻礙了反應(yīng)的進(jìn)行[10]。氨水濃度過低，銅反應(yīng)較慢，生產(chǎn)效率低；氨水濃度太高，銅反應(yīng)又太快，生產(chǎn)過程難以控制。因此，氨水濃度確定為2.11 mol/L。

3.2 雙氧水濃度的確定

在氨水濃度為2.11 mol/L的條件下，研究了雙氧水濃度分別為0.66 mol/L、0.99 mol/L、1.32 mol/L和1.65 mol/L時(shí)銅和鈦的腐蝕速率，結(jié)果如圖4所示。銅的腐蝕速率隨雙氧水含量的增加得比較緩慢，而鈦的腐蝕速率則隨雙氧水含量的增加而明顯增加。如3.1節(jié)所述，當(dāng)氨水濃度較低時(shí)，銅的氧化有余而螯合不足，所以增加雙氧水含量對(duì)銅的腐蝕速率并無顯著影響；而雙氧水濃度的提高則可以增加溶液中OOH-離子的濃度，顯著促進(jìn)鈦的溶解[10]，所以鈦的腐蝕速率隨雙氧水濃度的提高而明顯增加。增加雙氧水含量對(duì)銅的腐蝕速率無明顯影響，而鈦的腐蝕速率卻過快增加；另外，鈦種子層的厚度只有20 nm，雙氧水濃度為0.66 mol/L時(shí)的腐蝕速率比較合適。綜上，雙氧水濃度確定為0.66 mol/L。

圖4 雙氧水濃度對(duì)銅和鈦腐蝕速率的影響

3.3 腐蝕形貌分析

氨水濃度和雙氧水濃度分別為2.11 mol/L和0.66 mol/L時(shí)，研究了相同腐蝕時(shí)間下兩步法和一步法腐蝕后的形貌。兩步法首先用過硫酸銨刻蝕銅種子層，再用I號(hào)液刻蝕鈦種子層。因?yàn)镮號(hào)液對(duì)銅也有一定的腐蝕作用，所以兩步法相當(dāng)于對(duì)銅進(jìn)行了兩次刻蝕。因?yàn)楦g銅種子層的過程中，電鍍生長的銅層是暴露在外面的，所以兩層銅最終都會(huì)因濕法腐蝕各向同性的特點(diǎn)而產(chǎn)生一定的側(cè)向鉆蝕效應(yīng)。從圖5可以看到，兩步法腐蝕工藝銅層的側(cè)向侵蝕量比一步法大，形成了4 μm左右的屋檐結(jié)構(gòu)。較大的屋檐結(jié)構(gòu)更容易殘留污染物，污染物的存在增加了器件封裝后真空度下降進(jìn)而影響器件性能和使用壽命的風(fēng)險(xiǎn)。一步法刻蝕后的屋檐結(jié)構(gòu)較小，且顯著提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

圖5 不同工藝腐蝕后形貌對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過調(diào)節(jié)I號(hào)液中氨水和雙氧水的比例，達(dá)到了將種子層刻蝕由兩步合成一步的目的。該工藝可以顯著提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。研究表明：

（1）銅的腐蝕速率隨氨水濃度的增加而增大，而鈦的腐蝕速率卻隨氨水濃度的升高而減小。這是因?yàn)镮號(hào)液中氨水對(duì)銅主要起配合作用，由于配合物的生成，顯著降低了銅的電極電位，提高了其還原性，有利于加速銅的溶解；但氨水會(huì)促進(jìn)雙氧水分解，使鈦在與I號(hào)液反應(yīng)過程中出現(xiàn)難溶副產(chǎn)物Ti(OH)4，難溶副產(chǎn)物吸附在鈦表面，抑制了反應(yīng)的進(jìn)行。

（2）銅的腐蝕速率隨雙氧水濃度的提高而緩慢增加，而鈦的腐蝕速率則隨雙氧水濃度增加得比較明顯。這是因?yàn)楫?dāng)氨水濃度較低時(shí)，銅氧化有余而螯合不足，所以增加雙氧水含量對(duì)銅的腐蝕速率并無顯著影響；而雙氧水濃度的提高可以增加溶液中OOH-離子的濃度，顯著促進(jìn)鈦的溶解，所以鈦的腐蝕速率隨雙氧水濃度的提高而明顯增加。

（3）當(dāng)氨水和雙氧水的濃度分別為2.11 mol/L和0.66 mol/L時(shí)，I號(hào)液對(duì)銅和鈦有合適的選擇比，可以實(shí)現(xiàn)種子層的一步刻蝕且同樣腐蝕時(shí)間下可以獲得比傳統(tǒng)兩步法工藝更優(yōu)的刻蝕效果。