一种TSV快速填充方法与装置与流程

本发明涉及微电子封装技术领域，特别涉及一种tsv快速填充方法与装置。

背景技术：

随着集成电路技术持续向前发展，芯片进一步向集成化、小型化发展。以硅通孔(throughsiliconvia，tsv)互连为核心的三维集成封装已然成为未来封装行业的必然趋势。tsv技术是一种穿过芯片的硅衬底本身实现堆叠芯片之间的垂直上下互连，形成高密度三维集成芯片的方法，该技术具有“高密度、多功能、小尺寸”等众多优点。

tsv通常先由bosh刻蚀技术在硅片上刻蚀出盲孔，随后利用电镀铜的方式对tsv盲孔进行填充，完成三维互连通道的制备。tsv孔径通常为几个微米至数十个微米，深度可达数数十微米至数百微米。正由于这些tsv孔径小，深宽比高(可达10～20)，其电镀填充过程非常缓慢，需要数小时至数十小时不等。

为了解决这一问题，目前大都是考虑利用增大电流密度的方式来增大电镀沉积速率，但是这一方法容易导致填充缺陷。即大电流密度条件易导致tsv孔口提前夹口，使得tsv内部有空洞或狭缝形成。另外，也可利用超声搅拌的方式提高镀液内物质传输速率，从而提高电镀沉积速率，但此方法提高能力有限，需要配合其他方法一起使用。因此，有必要开发更有效的方法提升tsv的填充速率，提高生产效率。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种tsv快速填充方法与装置，其目的是为了提升tsv填充速度，提高生产效率。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种tsv快速填充方法，包括如下步骤：

1)预处理

将含tsv盲孔的硅片保持开口向上在金属纳米粒子悬浮液中放置20小时以上；取出所述硅片，将所述硅片在200-500℃下加热15-60min；

2)电镀铜

将加热后的硅片进行电镀铜处理，至tsv盲孔被完全填充。

优选地，步骤1)中所述金属纳米粒子悬浮液中的金属纳米粒子包括纳米银粒子、纳米镍粒子或纳米钨粒子。

优选地，步骤1)中所述金属纳米粒子悬浮液为将金属纳米粒子均匀分散在有机溶剂中所得溶液。

优选地，步骤1)中所述金属纳米粒子悬浮液为将银纳米粒子均匀分散在乙醇中所得溶液。

优选地，步骤1)中所述金属纳米粒子悬浮液浓度为8-15g/l。

优选地，步骤3)中电镀铜处理所用电镀液为硫酸铜电镀液。

优选地，步骤3)中电镀铜处理所用电镀阳极为铜阳极。

本发明还提供一种tsv快速填充装置，包括电镀阳极、电镀阴极、电镀电源、电镀液和超声变幅杆，所述电镀阳极的上端经导线连接所述电镀电源的正极，下端由电极夹固定在所述电镀液中；所述电镀阴极的上端经导线连接所述电镀电源的负极，下端由电极夹固定在所述电镀液中；所述超声变幅杆与所述电镀液接触，用于施加超声激励。

本发明提供的tsv快速填充方法在电镀之前先进行预处理。预处理为在tsv盲孔内沉淀一定量的金属纳米颗粒，具体包括先将含有tsv盲孔的硅片洗净后放入含有金属纳米粒子的悬浮液中，保持tsv孔开口朝上沉淀20小时以上，再取出上述硅片进行加热。其中，加热的目的有两个：一、烘干含有金属纳米粒子悬浮液中的有机溶剂；二、对tsv孔中金属纳米粒子进行烧结，使这些纳米粒子相互连接在一起并稳定地保持在tsv孔中。然后进行电镀铜填充，至tsv盲孔被完全填充。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

(1)预处理使tsv孔内沉积金属纳米粒子，金属纳米粒子先在孔内占据一定的体积，需要电镀铜填充的空间变少，提升了铜沉积速度。

(2)电镀铜沉积是一个成核、生长的过程，镀液中铜离子在电场的作用下在阴极表面(tsv孔内)还原成铜原子。预处理后tsv孔中预先沉积的金属纳米粒子可作为电镀铜沉积的核心，促进电镀铜沉积形核生长，加快了铜的沉积速度，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明的tsv孔内金属纳米粒子与金属铜共填充的示意图；

图2为本发明的tsv快速填充装置的结构示意图；

图3为实施例2与对比例1的电镀铜沉积后硅片的电镜图。

附图说明：11、金属铜；12、金属纳米粒子；1、电镀电源；2、导线；3、电极夹；4、电镀阳极；5、超声变幅杆；6、电镀阴极(硅片)；7、电镀槽；31、对比例1样品40-1；32、对比例1样品80；33、实施例1样品ag40。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

本发明提供的tsv快速填充装置，如图2所示，包括电镀阳极、电镀阴极、电镀电源、电镀液和超声变幅杆。电镀阳极的上端经导线连接电镀电源的正极，下端由电极夹固定在电镀液中；电镀阴极的上端经导线连接电镀电源的负极，下端由电极夹固定在电镀液中；超声变幅杆与电镀液接触，用于施加超声激励。其中，电镀阳极为铜阳极；电镀液为含铜电镀液，包括硫酸铜电镀液或磺酸铜电镀液等。

实施例2

本实施例提供的tsv快速填充方法，包括如下步骤：

第一步：配制含有银纳米粒子的悬浮液；

称取0.5g纳米银粉末倒入烧杯，其中纳米银平均粒径为20纳米；再量取50ml乙醇倒入烧杯，并充分搅拌使纳米银粒子在乙醇溶剂中充分分散、悬浮。得到10g/l银纳米粒子的悬浮液。

第二步：放入硅片并使纳米银粒子沉淀进入tsv盲孔；

切取含有tsv盲孔的硅片，其中硅片尺寸为长1cm、宽2cm，tsv盲孔尺寸为直径20μm、深度65μm；该硅片经去离子水洗净后放入步骤一中所得纳米银悬浮液中，保持tsv孔开口朝上；沉淀24小时使纳米银粒子沉淀进入tsv盲孔中。

第三步：将步骤二中所述硅片取出，放到加热台上对硅片进行加热，烘干硅片tsv中的乙醇，同时对tsv中所沉淀的纳米银粒子进行烧结，使这些纳米粒子相互连接在一起并稳定地保持在tsv孔中，其中加热温度为300℃，加热时间为15min。

第四步：配制硫酸铜电镀液；

配制200ml硫酸铜电镀液，其中含有：五水硫酸铜195g/l、peg0.3g/l、sps0.1g/l、pni0.1g/l、nacl0.1g/l、98％硫酸62ml/l。充分搅拌后备用。

第五步：组装电极；

将步骤三所得硅片浸入电镀液中并与电镀槽的负极连接，形成电镀阴极，电镀阳极为铜阳极；

第六步：电镀；

开启电镀电源，设置电流密度为0.2a/dm²，使阴极的硅片上进行铜离子沉积反应；同时设置超声功率为90w，超声频率为20khz，并开启超声电源，对硅通孔内施加超声激励。电镀时间为40分钟。标记为样品ag40-1。

实施例3

本实施例提供的tsv快速填充方法，包括如下步骤：

第一步：配制含有镍纳米粒子的悬浮液；

称取0.4g纳米镍粉末倒入烧杯，其中纳米镍平均粒径为20纳米；再量取50ml乙醇倒入烧杯，并充分搅拌使纳米镍粒子在乙醇溶剂中充分分散、悬浮。得到8g/l镍纳米粒子的悬浮液。

第二步：放入硅片并使纳米镍粒子沉淀进入tsv盲孔；

切取含有tsv盲孔的硅片，其中硅片尺寸为长1cm、宽2cm，tsv盲孔尺寸为直径20μm、深度65μm；该硅片经去离子水洗净后放入步骤一中所得纳米镍悬浮液中，保持tsv孔开口朝上；沉淀20小时使纳米镍粒子沉淀进入tsv盲孔中。

第三步：将步骤二中所述硅片取出，放到加热台上对硅片进行加热，烘干硅片tsv中的乙醇，同时对tsv中所沉淀的纳米镍粒子进行烧结，使这些纳米粒子相互连接在一起并稳定地保持在tsv孔中，其中加热温度为200℃，加热时间为60min。

第四步至第六步与实施例2相同。样品标记为ag40-2。

实施例4

本实施例提供的tsv快速填充方法，包括如下步骤：

第一步：配制含有钨纳米粒子的悬浮液；

称取0.75g纳米钨粉末倒入烧杯，其中纳米钨平均粒径为20纳米；再量取50ml乙醇倒入烧杯，并充分搅拌使纳米钨粒子在乙醇溶剂中充分分散、悬浮。得到15g/l钨纳米粒子的悬浮液。

第二步：放入硅片并使纳米钨粒子沉淀进入tsv盲孔；

切取含有tsv盲孔的硅片，其中硅片尺寸为长1cm、宽2cm，tsv盲孔尺寸为直径20μm、深度65μm；该硅片经去离子水洗净后放入步骤一中所得纳米钨悬浮液中，保持tsv孔开口朝上；沉淀28小时使纳米钨粒子沉淀进入tsv盲孔中。

第三步：将步骤二中所述硅片取出，放到加热台上对硅片进行加热，烘干硅片tsv中的乙醇，同时对tsv中所沉淀的纳米钨粒子进行烧结，使这些纳米粒子相互连接在一起并稳定地保持在tsv孔中，其中加热温度为500℃，加热时间为30min。

第四步至第六步与实施例2相同。样品标记为ag40-3。

对比例1

为了验证本发明对提升tsv填充速率的实际效果，在对比例1中进行了传统的tsv填充方案，其结果将用于与实施例2进行对比。

该填充制造方法如下：

第一步：配制硫酸铜电镀液；

配制200ml硫酸铜电镀液，其中含有：五水硫酸铜195g/l、peg0.3g/l、sps0.1g/l、pni0.1g/l、nacl0.1g/l、98％硫酸62ml/l。充分搅拌后备用。

第二步：切取含有tsv盲孔的硅片两块，其中硅片尺寸为长1cm、宽2cm，tsv盲孔尺寸为直径20μm、深度65μm；该硅片经去离子水洗净后备用。两块分别标记为样品40、样品80。

第三步：组装电极；

将步骤二所得硅片样品40浸入电镀液中并与电镀槽的负极连接，形成电镀阴极，电镀阳极为铜阳极；将步骤二所得硅片样品80浸入电镀液中并与电镀槽的负极连接，形成电镀阴极，电镀阳极为铜阳极。

第四步：电镀；

开启电镀电源，设置电流密度为0.2a/dm²，使阴极的硅片样品40上进行铜离子沉积反应。同时设置超声功率为90w，超声频率为20khz，并开启超声电源，对硅通孔内施加超声激励。电镀时间为40分钟。电镀完成后取出保存。

开启电镀电源，设置电流密度为0.2a/dm²，使阴极的硅片样品80上进行铜离子沉积反应。同时设置超声功率为90w，超声频率为20khz，并开启超声电源，对硅通孔内施加超声激励。电镀时间为80分钟。电镀完成后取出保存。

以上对比例1与实施例2中的三个样品均经过抛磨后经电镜观察其生长情况。从图3可看出，对比例1利用传统方式进行tsv填充需要80分钟才能填满20×65μm的tsv孔，而实施例2利用本发明的填充方法只需40分钟就可实现填满该tsv，效率提高一倍。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。