硅芯片表面化学镀银工艺研究

硅芯片表面化学镀银工艺研究

摘要：在硅芯片表面用化学镀的方法制备银电极。

关键词：化学镀；硅；铜；金；银：镍

前言：化学镀是指在没有外来电流作用下，利用化学方法，使溶液中的金属离子还原成为金属，并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面处理方法。化学镀的实质是一种自催化可控的化学还原过程，即还原反应只能在基表表面的催化作用下进行。所以化学镀又被称为“自催化镀”或“无电解镀”。

一、硅芯片表面化学镀金属层的选择

1.1硅的基本特性

硅材料是目前世界上最主要的元素半导体材料，在半导体工业中广泛应用，是电子工业的基础材料。它具有元素含量丰富、化学稳定性好、无环境污染等优点，又具有良好的半导体特性。

1.2常见的几种硅表面化学镀金属层

硅表面金属化的工艺已被广泛应用于超大规模集成电路的制造和微电子机械系统中【1,2】，然而随着半导体器件尺寸的日益减小，对连接晶体管之间的微电缆的物理和电子性能的要求逐步提高，如电导率、抗电迁移能力、抗氧化性、粘附性等【3】。目前所使用的金属材料有铜或金等等。铜的成本价格低，导电性及热导性优良，具有良好均匀性、致密性，但其有许多缺点，如易氧化，尤其是加热时更易氧化，易与周围的环境发生反应，会和空气中二氧化碳作用形成铜绿，与基体的粘附性差，易在硅中形成扩散，在较低的温度下就可以形成铜与硅的化合物【4-6】。金镀层具有耐色变性能好，同时具有耐腐蚀、耐磨损、抗氧化、接触电阻低、可焊接性好、可热压键合等优良性能，又可作为功能性、防护性镀层，因而镀金层也广泛用于电子产品，可其成本价格高。银镀层反射率高，导电导热性能优良，焊接性能好，它在硅中不易扩散，易晶化，孔隙率小，因此可以避免使用阻挡层材料而增加工艺和成本，最主要的是银具有金属中最小的电阻率（1.61μΩ.cm)[7,8]。

二、硅芯片表面化学镀银的工艺设计

1技术难点

1.1确定多层金属化学镀

物体由于温度改变而有胀缩现象。其变化能力以等压（p一定）下，单位温度变化所导致的体积变化，即热膨胀系数。热膨胀系数是材料的主要物理性质之一。

银与硅的膨胀系数相差太大，不匹配，所以银与硅之间必须加入过度金属镍。

镍，门捷列夫元素周期表第八族金属化学元素，系Fe、Co、Ni铁三素组成，镍的拉丁语名称Niccolum(Ni)。

化学镀镍所获得的镀镍层，有的突出特点和优异性能，它的的最突出特点是具有高耐蚀性、高耐磨性、高均匀性，即三高特性。

1.2如何制作厚金属层

银金属层越厚越有利于封装，但化学镀工艺缺点就是不利于制作厚金属层，镀层到一定厚度会自动脱落，用化学镀工艺制作厚电极不太现实，必须采用特殊工艺，通过多次试验确定镍、银多层金属的厚分两次镀银从而满足要求。

2.影响化学镀银质量的主要因素

影响化学镀质量的主要因素是：镀银液成分及各成分比例，镀液的PH值，化学镀的温度和时间。

3.工艺设计

3.硅片的清洗

将硅片用HF:H2O=5:1D的溶液漂30s左右，冲冷去离子水（常温，以下同）20min,待用。

3.2将所用石英缸用冷离子水冲洗干净。

3.3镀镍

3.3．1将镀镍溶液和镀银溶液分别加入两个石英缸中，分别放置到电加热板上进行加热，并将镀镍温控器设置在80℃。当镀镍温度达到70℃±10℃时，将石英缸从电热板上取下，加入氨水调PH值为8-11。将石英缸放到电热板上加热至80℃±10℃，放入硅片进行镀镍。镀镍时间为20min±10s，取出冲冷离子水20min.放入烘箱（150℃±10℃）烘70min±10min.

3.4镀银

化学镀银的溶液稳定性差，所以一般把主盐溶液和还原剂溶液分别配置，施镀前将其混合。

主盐溶液一般采用银氨络合物溶液。

银标准电极电位很正（+0.8），极容易还原，还原溶液只需采用像甲醛、葡萄糖、酒石酸盐或二甲基胺基硼烷等若还原剂。

将镀镍硅片放入镀银溶液中（PH值11-12，,温度60℃-80℃），镀银时间30min±10s。取出冲冷离子水20min，放入烘箱（60℃±10℃）烘15min±5min.

因化学镀银的后期反应非常缓慢，镀层很难镀厚，厚道一定程度还会自动脱落，因此当镀银硅片烘干后再重复镀银一次，以达到镀银厚度要求。

结 论

用化学镀工艺镀银，通过实验，调整镀银液成份及各成份的比例，确定镀液的PH值，确定化学镀的温度和时间，制造出达到进口水平的电极，即能提高电极质量又节约成本，节约设备，缩短制造周期，提高工作效率，适合大批量生产。

参 考 文 献

[1] MARNIX V K,JEROEN J M,ZVONIMIR I K,et al.Electroless silver deposition in 100 nm silicon structure[J]. Electrochem Soc,2001,148(1): C28-C33.

[2] SHACHAM-DIAMAND Y,INBERG A,AVERDLOV Y,et al.Electroless silver and silver with tungsten thin films for microelectronics and microelectromechanical system application[J].J Electrochem Soc,2000,147(9): 3345-3349.

[3] 李公平，何山虎，丁宝卫，等。铜团簇束在硅上碰撞沉积的薄膜形貌和方块电阻[J].兰州大学学报（自然科学版），2004,42（1）：31-33.

[4]KOHN A,EIZENBERG M,SHACHAM-DIAMAND Y,et al.Characterization of electroless deposited Co(W,P)thin films for encapsulation of copper metallization[J].Materials Science and engineering A,2001,302: 18-25

[5]SHEN Y,TARO I,KOHEI U.Spectroscopic on electroless deposition of copper on a hydrogen-terminated si(Ⅲ)surface in fluorde solutions[J].J Eectrochem Soc,2001,148(6):c421-426.

[6]SANG W L,RENEE T M,PIERO A P,et al.Effect of silicon surface termination on copper deposition in deionized water[J].J ElectrochemSoc,2001,148(1):C16-C20.

[7]INBERG A,ZHU L,HIRSCHBERG G,et al.Characterization of the initial growth stages of electroless Ag(W)films deposited on Si(100)[J].J Eectrochem Soc,2001,148(12):C784-C789.

[8]TONG H,ZHU L,LI M K,et al.Electroless silver deposition on si(100) substrate based on the seed layer of silver itself[J].Electrochimica Acta,2003,48:2473-2477.