電流密度對碳化硅電鍍鎳的影響

李彭瑞*，任春江，章軍云，陳堂勝

（南京電子器件研究所，江蘇 南京 210000）

氮化鎵(GaN)作為第三代半導體，具有高禁帶寬度、高電子飽和速率、高臨界擊穿電場等優(yōu)點，被廣泛應用于微波射頻、LED(發(fā)光二極管)、通信等領域。GaN 作為外延層生長在碳化硅(SiC)襯底上已成為制作高性能GaN 微波單片集成電路(MMIC)的首選，這主要是因為SiC 具有高熱導率及其與GaN 晶格匹配良好[1]。GaN 微波器件常采用背面通孔接地技術來降低SiC 基GaN 器件源端接地電感和增加散熱，以盡可能地改善器件的頻率特性[2]。背面通孔接地需要對SiC 襯底進行深孔刻蝕，但SiC 的Si─C 鍵能很高，一般采用感應耦合等離子體(ICP)進行刻蝕[3]，并以鎳作為刻蝕掩膜層。因此，Ni 層的耐刻蝕性在一定程度上決定了刻蝕工藝條件。

電鍍鎳作為防護裝飾性鍍層、鍍銀或鍍金的擴散阻擋層、又或鍍鉻的中間層等被廣泛應用于汽車、機械、儀表及日用工業(yè)品中[4]。近年來對電鍍鎳的研究較多[5-9]，但是有關鎳在電路領域中作為刻蝕掩膜層的研究較少。在SiC 刻蝕工藝中，SiC 與Ni 的刻蝕選擇比(指SiC 刻蝕量與Ni 層刻蝕量之比)是衡量刻蝕效果的重要參數(shù)之一，其值越高，代表在相同工藝條件下Ni 層被刻蝕得越少。換言之，刻蝕相同厚度的SiC 層所需Ni層就越薄，進而縮短電鍍Ni 時間，提高工藝效率，節(jié)約成本。此外，若Ni 層不耐刻蝕或出現(xiàn)質量問題，往往會導致不該被刻蝕的區(qū)域被刻蝕，嚴重影響芯片的成品率和性能(如可靠性)。因此，通過優(yōu)化鍍Ni 工藝來改善Ni 鍍層性能有著非常重要的意義。本文分別研究了在直流(DC)電源和脈沖(PC)電源下電流密度對Ni 鍍層表面形貌、表面粗糙度、顯微硬度及SiC/Ni 刻蝕選擇比的影響，獲得了較佳的電鍍Ni 工藝條件。

1 實驗

1.1 電鍍Ni 工藝

陰極為30 mm × 30 mm 的SiC 片。鍍前先用強酸清洗陰極，然后磁控濺射種子層(如TiAu)，接著進行涂膠、光刻、顯影、酸洗。

電鍍Ni 采用氨基磺酸鹽體系鍍液，其基礎組成為：Ni(NH2SO3)2·4H2O(氨基磺酸鎳)450 g/L，H3BO340 g/L，NiBr220 g/L。工藝條件為：pH 4.0，溫度55 °C，平均電流密度0.6 ~ 1.9 A/dm2，脈沖占空比0.8，脈沖導通時間(ton)8 ms，脈沖關斷時間(toff)2 ms，Ni 鍍層厚度10 μm。

1.2 性能檢測方法

采用Nova NanoSEM 650 型掃描電鏡(SEM)觀察電鍍Ni 層的表面形貌；采用Sensofar S neox 3D 光學輪廓儀測量Ni 鍍層的表面粗糙度，每個試樣測量5 次，取平均值；采用Microtech MX7 型數(shù)顯硬度計測量鍍層的顯微硬度，載荷5 N，加載時間10 s，每個試樣測量5 次，取平均值。

先采用北方華創(chuàng)微電子裝備的GDE 型超高密度等離子體刻蝕機對樣品進行刻蝕，工藝條件為：ICP 功率1 500 W，RF(射頻)輸出功率200 W，刻蝕氣體為SF6和O2的混合氣體。用Dektak XT 型臺階儀測量刻蝕前、后電鍍Ni 層的厚度(分別標記為D1、D2)，并用掃描電鏡測量SiC 刻蝕后的深度(H)，按式(1)計算SiC/Ni 的刻蝕選擇比(w)。

2 結果與討論

2.1 電流密度對鍍層表面形貌的影響

從圖1 可知，直流電流密度從0.6 A/dm2增大至1.0 A/dm2時，鍍層晶粒變得細致，表面平整性變好。這是因為隨著陰極電流密度升高，陰極過電位增大，晶核的臨界半徑減小，新晶核的生長速率大于晶粒長大速率[10-11]。隨直流電流密度繼續(xù)增大，鍍層晶粒增大，結構變疏松，表面平整性下降，可能是因為陰極電流密度較高時，沉積速率過高，陰極附近的鎳離子被不斷消耗，不能及時得到補充，使陰極附近濃差極化增大，析氫反應隨之加劇，氫氣進入鍍層，阻礙了晶核的生成[12]。

圖1 不同直流電流密度下所得Ni 鍍層的表面形貌Figure 1 Surface morphologies of Ni coatings electroplated at different direct current densities

從圖2 可以看出，在脈沖電源下，Ni 鍍層表面形貌隨平均電流密度增大的變化趨勢與直流電鍍時大致相同，但脈沖電鍍時的平均電流密度在升至1.4 A/dm2時所得的Ni 鍍層表面形貌最佳。在脈沖間歇期間，陰極附近消耗的鎳離子能夠快速得到補充，令濃差極化變小，因此脈沖電鍍能夠在更高的電流密度下獲得表面形貌較佳的Ni 鍍層[13]。

圖2 不同脈沖電流密度下所得Ni 鍍層的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of Ni coatings electroplated at different pulse current densities

2.2 電流密度對鍍層表面粗糙度的影響

從圖3 可知，無論是直流電鍍還是脈沖電鍍，Ni 鍍層的表面粗糙度均隨電流密度增大而呈先減小后增大的變化趨勢，與SEM 分析結果一致。傳統(tǒng)電沉積理論認為，鍍層表面粗糙度主要受過電位和晶粒尺寸的影響，晶粒小的鍍層表面粗糙度較低[14]。在相同電流密度下，脈沖鍍Ni 層的表面粗糙度低于直流鍍Ni 層，可能是因為在相同平均電流密度下，脈沖電鍍電流在峰值時其過電位大于直流電鍍電流產(chǎn)生的過電位，形成的鍍層晶粒較小。

圖3 電流密度對Ni 鍍層表面粗糙度的影響Figure 3 Effect of current density on surface roughness of Ni coating

2.3 電流密度對鍍層顯微硬度的影響

從圖4 可以看出，Ni 鍍層的顯微硬度隨著直流電流密度增大呈逐漸減小的變化趨勢，隨著脈沖電流密度的增大而逐漸增大。當電流密度大于0.6 A/dm2時，脈沖電鍍Ni 層的顯微硬度比直流電鍍Ni 層的顯微硬度高。

圖4 電流密度對Ni 鍍層顯微硬度的影響Figure 4 Effect of current density on microhardness of Ni coating

2.4 電流密度對刻蝕SiC/Ni 選擇比的影響

從圖5 可以看出，隨著直流電流密度的增大，Ni 鍍層的SiC/Ni 刻蝕選擇比減?。浑S脈沖平均電流密度增大，Ni 鍍層的SiC/Ni 刻蝕選擇比增大。當電流密度大于1.0 A/dm2時，脈沖電鍍Ni 層的SiC/Ni 刻蝕選擇比高于直流電鍍Ni 層的刻蝕選擇比。

圖5 電流密度對SiC/Ni 刻蝕選擇比的影響Figure 5 Effect of current density on etched depth ratio of SiC to Ni

3 結論

(1) 采用直流電源電鍍Ni 時，隨電流密度增大，Ni 鍍層的表面形貌先改善后變差，表面粗糙度呈先減小后增大的變化趨勢，顯微硬度和SiC/Ni 的刻蝕選擇比均逐漸減小。

(2) 采用脈沖電源電鍍Ni 時，隨電流密度增大，Ni 鍍層的表面形貌、表面粗糙度的變化趨勢與直流電鍍時相近，但顯微硬度和SiC/Ni 刻蝕選擇比均逐漸增大。

(3) 當電流密度較高時，在相同電流密度下，脈沖電鍍Ni 層的表面粗糙度都低于直流電鍍Ni 層，顯微硬度和SiC/Ni 刻蝕選擇比則都高于直流電鍍Ni 層。

(4) 在平均電流密度1.4 A/dm2下脈沖電鍍時，可獲得綜合性能較優(yōu)的Ni 鍍層，其SiC/Ni 刻蝕選擇比也高。