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    沙井電鍍廠資訊：

 

    ０前言

 

    目前在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的電鍍金工藝可分為軟金工藝和硬金工藝［１］。前者主要應(yīng)用于微電子硅晶片表面處理及芯片內(nèi)部導(dǎo)線固定等方面，后者主要應(yīng)用于芯片中電路連接器件接觸阻抗等方面。由于硬金工藝使用氰化物鍍液，近年來已逐漸被其他工藝所取代。當(dāng)今電子技術(shù)發(fā)展日新月異，根據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖報(bào)道，在２００７年，最小線寬尺寸就已達(dá)到６５ｎｍ。在如此小的微觀尺寸下，采用傳統(tǒng)的銅或鋁等材料作為芯片內(nèi)連線會(huì)出現(xiàn)一系列的問題，而采用金作為未來４５ｎｍ級(jí)芯片內(nèi)連線具有很大的可能。近年來國內(nèi)外關(guān)于電鍍金工藝的研究取得了很大的進(jìn)展，提出了許多建設(shè)性的方法，但所獲得的結(jié)論往往偏重于經(jīng)驗(yàn)，且晶粒尺寸往往過大。本文著重討論軟金工藝中獲得納米金鍍層的工藝流程，從電鍍理論入手推導(dǎo)控制晶粒大小的方法，并對(duì)鍍液進(jìn)行分析，從而試圖精準(zhǔn)控制鍍層厚度和晶粒大小。

 

    １理論分析

 

    １．１鍍層厚度

 

    法拉第定律可表示為：

 

    ｗ＝Ｚ×Ｑ＝Ｚ×Ｉ×ｔ（１）

 

    式中：ｗ為生成物的質(zhì)量；Ｚ為電化學(xué)當(dāng)量；Ｑ為電解池通過的電量；Ｉ為通過的電流；ｔ為通電時(shí)間。電化學(xué)當(dāng)量Ｚ可通過下式求得：

 

    式中：Ａｗｔ為陰極上析出金屬的相對(duì)原子質(zhì)量；ｎ為參與沉積反應(yīng)的電子數(shù)；Ｆ為法拉第常數(shù)，為９６４８７Ｃ。

 

    令鍍層厚度為ｈ，體積為Ｖ，表面積為ａ，相對(duì)密度為ｄ，則鍍層厚度可通過下式求得：

 

 

    １．２金微粒半徑

 

    晶芽形成時(shí)，自由能的變化ΔＧＮ可表示為［２］：

 

    ΔＧＮ＝ε×Ｐ－Ｎ×Δμ（４）

 

    式中：ε為邊界能的平均值；Ｐ為晶核的周長；Ｎ為晶核中原子的數(shù)目；Δμ為原子在溶液中與在晶核中的化學(xué)位差。

 

    當(dāng)晶核中的原子數(shù)目達(dá)到臨界值ＮＣ時(shí)，晶核是穩(wěn)定的。定義此時(shí)的ΔＧＣ為臨界晶核生成能：

    

    式中：ｇ為二維晶核的幾何因子；ηｃ為陰極的過電位；ｑ為沉積一個(gè)原子單層所需的電量；ｒｏ為臨界晶核半徑。

 

    ２實(shí)驗(yàn)

 

    ２．１試片準(zhǔn)備

 

    首先使用ＬＤＪ－２Ａ－Ｆ１５０型濺射鍍膜機(jī)對(duì)７．６２ｃｍ硅片進(jìn)行初步濺鍍金。在源能量４００ｅＶ，束流６０ｍＡ，中和電流７２ｍＡ，濺鍍時(shí)間１０ｍｉｎ的條件下，可以得到金層厚度約為５０ｎｍ。

 

    隨后制作規(guī)格為１ｃｍ×１ｃｍ的掩模板，進(jìn)而在硅片上甩上正膠（瑞紅），進(jìn)行曝光，顯影后所得圖案，如圖１所示。

 

 

    ２．２鍍液組成及工藝條件

 

    ３結(jié)果與討論

 

    ３．１鍍層厚度

 

    在鍍液中，金是以亞硫酸鹽的形式存在，為＋１價(jià)。根據(jù)式（２）和式（３）計(jì)算出鍍層厚度的理論值為９．５１３μｍ。在電流密度為１．５Ａ／ｄｍ２，電鍍時(shí)間為３０ｍｉｎ的條件下，使用臺(tái)階儀測(cè)量鍍層厚度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表１所示。由表１可知：實(shí)際鍍層厚度和理論值是比較接近的。另外，鍍液中金離子的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層厚度也是有影響的。

 

    

    ３．２金微粒大小

 

    由式（７）可知：金微粒半徑與過電位成反比，而過電位與電流密度的對(duì)數(shù)成正比。由此可知：金微粒半徑與電流密度的對(duì)數(shù)成反比。

 

    分別選取電流密度為１．０Ａ／ｄｍ２和１．５Ａ／ｄｍ２對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用德國Ｒａｉｔｈ公司生產(chǎn)的Ｅ－ｌｉｎｅ電子束系統(tǒng)對(duì)所得鍍層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖３所示。使用臺(tái)階儀在鍍層的四角、邊界及中央?yún)^(qū)域各選取若干點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)結(jié)果取平均值，從而得到金微粒的平均尺寸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表２所示。

 

    實(shí)際得到的金微粒尺寸的比值比理論值略小。其原因主要有以下幾個(gè)方面：

 

    （１）與鍍液中金離子的質(zhì)量濃度有關(guān)。電鍍后期陰極周圍金離子的質(zhì)量濃度較低，鍍層稀疏從而使晶粒半徑起伏較大。

 

    （２）與鍍液的選取有關(guān)。同一鍍液在使用多次后，內(nèi)部成分會(huì)發(fā)生變化從而導(dǎo)致生成的金微粒大小不均勻。

 

    （３）與脈沖電源有關(guān)。用示波器觀察脈沖電源時(shí)，發(fā)現(xiàn)在正負(fù)脈沖變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓的躍變，雖然幅度不是很大，但也會(huì)對(duì)鍍層有所影響。

 

    ４·結(jié)論

    本文著重從理論分析入手，嘗試解決在脈沖電鍍金過程中的鍍層厚度和金微粒大小等問題。經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文推導(dǎo)的理論數(shù)據(jù)可以較好地解決一些實(shí)際問題，但所得的金微粒仍然過大。其原因主要在于對(duì)陰極過電位和鍍液中金離子的質(zhì)量濃度變化難以精準(zhǔn)控制。這兩方面的問題可以通過改善電源穩(wěn)定性和對(duì)鍍液進(jìn)行更新等方法解決。