一种基于电镀工艺制备铟焊球阵列方法.pdf

本发明涉及一种基于电镀工艺制备铟焊球阵列的方法，其特征在于在制作种子层之前先进行一次薄胶光刻，然后制作种子层，在需要沉积铟的地方，涂覆厚正光刻胶，光刻出“模子”，形成薄胶/种子层/厚胶的结构，以电镀的方法在“模子”中沉积所需高度的铟柱，借助于超声将种子层剥离，最后在温度可控的退火炉中实现铟凸点回流，获得铟焊球阵列。本发明提供一种全新的去除种子层工艺，成功制备出质量高的小间距、小焊球、大阵列的铟焊球。

1.  一种基于电镀工艺制备铟焊球阵列的方法，其特征在于在制作种子层之前先进行一次薄胶光刻，然后制作种子层，在需要沉积铟的地方，涂覆厚正光刻胶，光刻出“模子”，形成薄胶/种子层/厚胶的结构，以电镀的方法在“模子”中沉积所需高度的铟柱，借助于超声将种子层剥离，最后将制作有铟凸点的芯片在温度可控的退火炉中实现铟凸点回流，获得铟焊球阵列。

2.  按权利要求1所述的方法，其特征在于具体工艺步骤为：
A在硅片上腐蚀出铝焊盘
(a)在硅片上氧化一层SiO₂氧化层作为绝缘层；
(b)在氧化后的硅片上溅射的铝膜；
(c)涂覆并光刻正胶，用铝腐蚀液腐蚀出铝焊盘；
B钝化层开口
(a)用离子增强型气相沉积法沉积一层SiO₂作为钝化层；
(b)光刻后用反应离子刻蚀或离子束刻蚀方法，在金属铝焊盘上腐蚀出孔；
C制作种子层；
(a)在钝化层开口的硅片上涂覆薄胶并光刻，光刻完毕后对圆片清边；
(b)溅射种子层；
D厚胶光刻
(a)在需要沉积铟的地方涂覆厚度为10μm-40μm的厚正光刻胶，先光刻出“模子”，光刻完成后清边；
E电镀铟凸点
(a)将步骤D制得的芯片放在铟电镀槽中进行电镀，将铟柱电镀至所需高度；
F去除种子层并回流铟凸点
(a)将电镀完成的硅片放在丙酮中去胶，确认光刻胶去除后借助超声将种子层去除；
(b)将制作有铟凸点的硅片在退火炉中进行回流，回流过程中最高温度在170℃-200℃之间。

3.  按权利要求2所述的方法，其特征在于：
①步骤A中作为绝缘层的SiO₂氧化层厚度为
②步骤A中涂覆的正胶厚度为1-2μm，型号为S1912。

4.  按权利要求2所述的方法，其特征在于步骤B中作为钝化层的SiO₂厚度为

5.  按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：
①步骤C中涂覆的薄胶厚度为2-3μm；薄胶的型号为S1912；
②步骤C中所述的种子层为Cr/Au、Ti/Ni/An或Ti/Pt/Au，种子层的总厚度为

6.  按权利要求5所述的方法，其特征在于Ti/Pt/Au种子层的总厚度为其中Ti层为Pt层为Au层为

7.  按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：
①涂覆的正光刻胶为AZ 9260，涂覆时的转速为600rpm，涂覆时间为20-40s；
②光刻时光强为18-20mw/cm²，曝光时间为90-120s。

8.  按权利要求1或2所述的方法，其特征在于以5mA-15mA/cm²的电流密度沉积铟柱到所需的高度。

9.  按权利要求1或2所述的方法，其特征在于在将制作有铟凸点的硅片干燥后先涂覆助焊剂后，将硅片放在温度可控的退火炉中进行回流；所述的助焊剂为美国indium公司的5RMA。

一种基于电镀工艺制备铟焊球阵列方法
技术领域
本发明涉及到一种铟焊球阵列的制备方法，更确切地说涉及一种基于电镀工艺制备铟焊球阵列方法。所述的铟的焊球阵列主要用于光电器件特别是制冷型焦平面器件与硅读出电路之间的高密度互连，属于微电子封装领域。
背景技术
在制作制冷型焦平面器件的过程中，一个非常关键的技术是如何实现光电器件与硅的读出电路之间的互连。这种互连有以下两个特殊的要求：(1)在常温下实现互连，互连之后器件在液氮或液氦的超低温度工作；(2)互连密度高：密度越高，最终成像系统成像越清晰。要满足上述要求，互连采取倒转方式；而互连材料只能用铟，因为铟具有以下良好的特性：(1)在极宽的温度范围内均具良好的塑性：在液氮温度下铟仍具有良好的塑性，这一特性能够克服焦平面器件与读出电路因温度的巨大变化带来的热适配问题；(2)冷焊性能：在一定的压力下在室温下就可以实现焊接，这一特性可以避免某些焦平面器件如基于碲镉汞探测红外探测器件在高温性能劣化的问题；(3)容易实现小焊球小间距大阵列的BGA芯片制作：研究结果表明，用铟可以制备出凸点直径10μm，间距为30μm的焊球阵列，该特性为高密度的输出输入提供了可能。上述的种种特性是传统的锡基焊料不具备的。
制备铟凸点阵列的一般方法是蒸镀法。蒸镀法研究得比较多，工艺步骤相对简单，但是对设备要求比较高，且制作过程中铟浪费严重，因此它是一种高成本的方法；而本发明试图用电镀的方法来制备铟凸点阵列，在该方法中，借助光刻技术实现在需要铟的地方沉积铟。该方法对设备要求比较低，沉积铟时在铟镀槽中完成。该方法是一种低成本的铟阵列制备方法。但该方法工艺过比较难，且迄今为止对此种方法的研究也很少。本发明提出了一种工艺流程可成功实现铟凸点阵列的制备，利用该工艺流程可以很好地克服诸如种子层很难去除的工艺难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电镀工艺制备铟焊球阵列方法。用电镀法制备铟凸点的过程中，种子层是必须的；而铟凸点下的金属化层(underbumpmetallization)一般是Cr/Au，Ti/Ni/Au或Ti/Pt/Au，所以在工艺流程中也选择它们作为种子层。用上述的三种种子层之一制备铟凸点的工艺过程基本相同，为方便起见，本发明以Ti/Pt/Au种子层为例进行阐述。铟凸点电镀完成之后，必须将不作为UBM层部分的种子层去除，但在去除种子层Ti/Pt/Au时会出现很大困难：这是因为铟比Ti/Pt/Au的活泼很多，湿法腐蚀(wet etching)所以不能用来去除种子层；而实验同样证明了离子束刻蚀(Ion Beam etching，IBE)去除Ti/Pt/Au时会对铟焊球带来伤害，经离子束刻蚀的铟凸点将无法回流成球。针对以上的特点，本发明设计了一种制作方法，利用本发明提供的制作方法可以成功地去除该种子层：在制作种子层之前进行一次薄胶光刻，然后制作种子层之前先进行一次薄胶光刻，然后制作种子层，在需要沉积铟的地方，涂覆厚正光刻胶，光刻出“模子”，形成薄胶/种子层/厚胶的结构，以电镀的方法在“模子”中沉积所需高度的铟柱，借助于超声将种子层剥离，最后在温度可控的退火炉中实现铟凸点回流，获得铟焊球阵列。由此可见，薄胶/种子层/厚胶的结构设计是本发明中的关键点。
本发明的具体的工艺步骤如下：
A在硅片上腐蚀出铝焊盘
(a)在硅片上氧化出的氧化层以作为绝缘层；
(b)在氧化后的硅片上溅射-1μm的铝膜；
(c)涂覆并光刻正胶，用铝腐蚀液腐蚀出铝焊盘(Al Pad)；所用的涂覆的正胶厚度为1-2μm，本发明所用的光刻薄胶型号为S1912；
B钝化层开口
(a)用PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition，离子增强型气相沉积法)沉积一层SiO₂作为钝化层；钝化层厚度为3000-
(b)光刻后用RIE(Reaction Ion Beam，反应离子刻蚀)或IBE(离子束刻蚀，Ion Beam Ethcing)等干法腐蚀方法，在需要开口的金属铝焊盘上腐蚀出孔；
C制作种子层
(a)在钝化层开口的硅片上涂覆薄胶并光刻，光刻完毕后对圆片清边；
(b)溅射Ti/Pt/Au种子层，其总厚度为
D厚胶光刻
在需要沉积铟的地方，涂覆厚度为10μm-40μm的正光刻胶(厚胶采用AZ9260)，先光刻出“模子”，光刻完成后清边；
E电镀铟凸点
将芯片放在铟电镀槽中进行电镀，用电镀的方法在“模子”中沉积铟，将铟柱电镀至所需高度；电镀时电流密度为5-15mA/cm²；
F去除种子层并回流铟凸点
(a)将电镀完成的硅片放在丙酮中去除种子层下的薄胶和种子层上的厚胶；，确认光刻胶去除后借助超声将种子层去除；
(b)将需回流的硅片在退火炉中进行回流，回流过程中最高温度控制在170℃-200℃之间。
为更明确地说明本发明与传统方法的不同，本发明特分别给出蒸镀法制备铟凸点阵列流程(图1)、传统的电镀法制备凸点阵列的流程(图2)以及本发明中所用流程示意图(图3)。
其中，图1为传统的蒸镀法在硅基上制备铟凸点阵列的工艺流程示意图：可以看出，传统的热蒸发制备铟凸点阵列，制作方法虽简单可靠，但需要热蒸发设备且铟浪费很严重，制作成本高；
图2为传统电镀法在硅基上制备凸点(如锡基凸点阵列)的工艺流程示意图：如果用该流程制作铟凸点阵列，在铟电镀完成之后去除种子层时将会遇到极大的困难。在此种流程中，种子层一般用湿法腐蚀或干法刻蚀来完成。但这两种方法均不能用来去除铟凸点阵列中的种子层，因为它们会对铟焊球阵列带来严重的伤害。
图3为本发明中所用的流程示意图：该工艺流程与前面所述的工艺流程有很大不同，设计了薄胶/种子层/厚胶的结构。所提供的制作该方法可以成功制备出铟焊球阵列。(详见实施例)
本发明的实际效果是：在去除Ti/Pt/Au种子层时，无需采用湿法腐蚀和干法刻蚀而仅用种子层剥离的方法即可；所述的工艺流程可以制备出与传统方法制备出的铟凸点相媲美，并且该方法成本更低，适用范围更大，在制备较大直径的铟焊球时，相比蒸镀发法，电镀法显示出更明显的优势，本发明提供的工艺中铟凸点回流不是在一般的回流炉中进行的，而是在温度可严格控制的退火炉中进行的。
附图说明
图1为传统的蒸镀法制备铟凸点阵列的工艺流程；
图中，1-1制作pad；1-2制作钝化层；1-3溅射种子层；1-4湿法或干法去除种子层；1-5负光刻胶光刻；1-6蒸镀铟焊料；1-7剥离多余的铟并回流。
图2为传统电镀法在硅基上制备凸点工艺流程；
图中，2-1氧化硅片，溅射Al薄膜；2-2腐蚀出Al pad，制作钝化层；2-3溅射种子层；2-4厚胶光刻；2-5电沉积焊料；2-6湿法或干法腐蚀掉种子层并将凸点回流成球；
图3为本发明提供的制作工艺流程；
图中，3-1氧化硅片，溅射Al薄膜；3-2腐蚀出Al焊盘；3-3钝化层开口；3-4溅射种子层；3-5生成铟柱；3-6铟凸点经回流而得到铟焊球。
具体实施方式
为了能使本发明的优点和积极效果得到充分体现，下面结合附图(图3)具体描述在硅片上制备铟凸点阵列。
实施例1具体的工艺步骤见图3所示。
1.以硅片101为衬底，在其上氧化一层厚度为的SiO₂ 102作为绝缘层，然后在其上溅射一层厚的Al层103；(图3-1)
2.在溅射103的Al层上涂覆1.7μm的S1912薄胶后光刻，光刻完毕之后在Al腐蚀液中腐蚀出焊盘104；(图3-2)
3.为保护Al焊盘和防止回流时铟焊球发生坍塌，需在Al焊盘104上用PECVD(离子增强型气相沉积)制作一层厚度为的SiO₂作为钝化层105。紧接着再一次涂覆1.7μm的S1912薄胶并光刻，然后用RIE(离子反应溅射)去除Al焊盘104上的部分SiO₂以实现钝化层开口106；(图3-3)
4.再一次涂覆S1912薄胶并光刻107；为使在其后工艺步骤中的种子层比较容易去除，涂覆的薄胶厚度为2-3μm之间；溅射Ti/Pt/Au种子层之前进行清边，以使种子层与硅片边缘形成比较牢靠的接触。光刻完成后用磁控溅射在衬底上溅射Ti/Pt/Au作为种子层108，铟凸点下面的部分将作为其UBM层；(图3-4)
5.在经过步骤4处理的衬底上涂覆30μm的厚胶，厚胶采用AZ9260；涂覆时转速为600rpm，涂覆时间为20-40s。光刻时光强为18-20mw/cm²，曝光时间为90-120s；显影用AZ400k显影液，其浓度为V_AZ400k∶V_water＝1∶3，显影时间为90-120s以获得109；将硅片放于铟电镀槽中，以5mA-15mA/cm²的电流密度沉积铟以获得所需高度的铟柱110；(图3-5)
6.将步骤5工艺处理的硅片放于丙酮中浸泡足够的时间，确定光刻胶107和109均被除去之后将硅片放于超声设备中去除种子层；去除Ti/Pt/Au种子层并保证硅片干燥后，在硅片上涂覆美国indium公司的5RMA助焊剂后将硅片放于温度可控制的退火炉中进行回流，回流过程中最高的温度为180℃。铟凸点经回流可以得到铟焊球阵列111。(图3-6)
实施例2
种子层为Cr/Au或Ti/Ni/Au，其余均同实施例1。