TSV硅通孔甲基磺酸镀铜高速填充机理研究

基于硅通孔的TSV三维叠层封装已成为封装技术发展的必然趋势，相关技术的开发正在紧张进行，其中高深宽比TSV通孔镀铜填充是其关键技术之一。目前采用的硫酸铜电镀体系遇到的最大难题是铜离子浓度低，镀速慢，满足不了工业化生产的需求。甲基磺酸铜溶液允许的Cu2+浓度可高达120g/L，有望替代现有镀液，实现高速填充，是国外开发研究的主要内容。该技术的核心问题是弄清适合该镀液的超填充机制，以便寻找高效添加剂。但出于商业目的，相关研究均是秘密进行的，公开报道甚少。基于上述现状，本项目利用申请人开发超填充硫酸铜电镀体系的成功经验和所建立的添加剂协同超填充模型，拟深入研究甲基磺酸铜镀液的电极过程动力学反应特性，重点研究三种关键添加剂在该体系中的协同作用，构建该电镀体系的高速填充机理模型，为打破国外垄断，自主研发高速填充甲基磺酸铜镀液，实现三维叠层封装材料与技术的国产化创造条件。

本项目以三维封装为背景，以硅通孔的快速填充为目标，系统研究了高浓度的甲基磺酸铜体系中基础镀液配比，添加剂作用机制和竞争关系，各工艺参数对通孔填充效果的影响，建立了通孔填充模型，理清了镀液老化机制，实现了通孔的高速填充，为这一技术的工业应用奠定了基础。具体结果如下：.确定铜、酸浓度分别为110g/L和 15 g/L；在甲基磺酸铜体系中甲基磺酸根离子部分替代了氯离子的作用，因此，在不需要氯离子的情况下加速剂和抑制剂也可以作用，但是氯离子可以加速通孔的填充。.抑制剂通过形成阻挡层来实现抑制铜的沉积，其吸附能力强于加速剂，但是吸附速度较慢，由此形成的竞争吸附在极化曲线上形成了峰和谷，峰谷的位置与加速剂含量有关，而老化镀液中也出现了峰谷位置的变化，据此建立了镀液老化模型。整平剂有最强的吸附能力，使三种添加剂共存时，在低电位下产生明显的抑制作用。抑制剂和整平剂能形成复合抑制剂，其抑制作用受质量传输控制。.最佳通孔填充条件为采用采用真空和含加速剂润湿液预处理，对20100m的通孔，UPT3360添加剂配比为1:9:3，电流密度为0.8~1ASD，填充时间小于40min，对于更大的通孔可以适当增加加速剂浓度和电流密度，完全可达到项目指标。.甲基磺酸铜镀液体系通孔填充的模型为：预处理使加速剂在通孔内有一定分布，抑制剂由于开路电位下较弱的吸附能力和大的分子结构使其既无法扩散至孔内，也不能形成有效吸附。整平剂依靠较强的吸附能力可以在表面和孔口形成一定的吸附，同时向孔内形成一定的扩散；在电镀开始后，加速剂快速的加速能力发挥作用，孔内拥有高浓度的加速剂，并且已经完成了很好的吸附，孔内的沉积加速。同时带电的整平剂开始向电力线集中的区域，即孔口和表面部分聚集，抑制剂也逐渐形成阻挡层，在孔口和表面产生了很好的抑制作用，由此实现了Bottom up填充。.镀层应力研究表明，三种添加剂中，整平剂对镀层应力影响最大，其对镀层织构，晶粒尺寸，杂质含量都有很大的影响，但只有晶粒尺寸和杂质含量与镀层应力相关。晶粒越细小，拉应力越大。镀层中的杂质含量越多，压应力越大。镀层表现出的应力是拉应力和压应力相互竞争的结果。.以上结果总结成SCI论文2篇，EI论文6篇，申请专利4项，其中两项尚在公开过程中。.在项目的资助下参加国际会议3次，培养学生5名。