(57)【要約】  析出によりワークピース上に金属フィーチャを形成する方法が提供される。当該方法は、ワークピース上に電子デバイスのはんだ用のアンダーバンプメタル層を設け、アンダーバンプメタル層に直接的に実質的に純粋な錫層を析出し、且つ実質的に純粋な錫層上に錫銀合金層を析出することを含む。
2013546205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
析出によりワークピース上に金属フィーチャを形成する方法であって、
ワークピース上に電子デバイスのはんだ用のアンダーバンプメタル層を設け、
前記アンダーバンプメタル層に直接的に実質的に純粋な錫層を析出し、且つ
前記実質的に純粋な錫層上に錫銀合金層を析出する、
ことを有する方法。
【請求項２】
前記実質的に純粋な錫のめっきケミストリの実質的に全てが前記ワークピースから洗い流される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記析出は電着によって達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記アンダーバンプメタルは銅又はニッケルの何れかを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ワークピースが熱処理される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
導電性シード層を有するワークピース上に実質的に鉛フリーのはんだバンプを形成するための装置であって、前記導電性シード層は、複数のフィーチャ開口を有するパターニングされたレジストマスク層で覆われており、当該装置は、
レジストパターンフィーチャ内に実質的に純粋な錫層を析出するように構成された金属イオンコンテンツを有する第１のめっき浴と、
前記レジストパターンフィーチャ内に錫−銀合金層を析出するように構成された金属イオンコンテンツを有する第２のめっき浴と、
を有する、装置。
【請求項７】
前記実質的に純粋な錫のめっきケミストリの実質的に全てを前記ワークピースから洗い流すように構成されたリンスタンク、を更に有する請求項６に記載の装置。
【請求項８】
銅電着モジュールを更に有する請求項６に記載の装置。
【請求項９】
銅電着モジュール及びニッケル電着モジュールを更に有する請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
洗浄モジュールを更に有する請求項６に記載の装置。
【請求項１１】
鉛フリーはんだフィーチャを有する電子デバイスを形成する方法であって、
前記電子デバイスのはんだ用のアンダーバンプメタルの層に直接的に実質的に純粋な錫層を析出し、且つ
前記純粋な錫層上に錫銀合金層を析出する、
ことを有する方法。
【請求項１２】
前記析出は電着によって達成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記アンダーバンプメタルは銅又はニッケルの何れかを有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記実質的に純粋な錫のめっきケミストリの実質的に全てを前記電子デバイスから洗い流すことを更に有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
ワークピース上に鉛フリーはんだバンプを形成する方法であって、
前記ワークピースに導電性シード層を設け、該導電性シード層は、複数のフィーチャ開口を有するパターニングされたレジストマスク層によって覆われ、
金属イオンコンテンツを有する第１のめっき浴に前記ワークピースを浸漬し、
前記シード層への電気コンタクトを設け、且つ前記第１のめっき浴の前記金属イオンコンテンツを介して電位を与えることで、約２μｍと約１５０μｍとの間の厚さの実質的に純粋な錫をレジストパターンフィーチャ内に析出させ、
金属イオンコンテンツを有する第２のめっき浴に前記ワークピースを浸漬し、且つ
前記シード層への電気コンタクトを形成して、前記第２のめっき浴の前記金属イオンコンテンツを介して電位を形成することで、約２μｍと約１５０μｍとの間の厚さの錫−銀合金を前記レジストパターンフィーチャ内に析出させる、
ことを有する方法。
【請求項１６】
前記パターニングされたフォトレジスト層を除去することを更に有する請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
めっきされた前記錫及び前記錫−銀合金によって覆われていない前記シード層の実質的に全てが除去される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
約２１０℃と約２３０℃との間で前記ワークピースを熱処理することで、前記実質的に純粋な錫の層及び前記錫−銀合金の層を相互に混合させて、実質的に一様な錫−銀合金フィーチャを形成すること、を更に有する請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記実質的に純粋な錫の層は約３０μｍ厚であり、前記錫−銀合金の層は約３０μｍ厚であり、前記錫−銀合金の組成は、熱処理前で約１重量％と約７重量％との間の銀であり且つ熱処理後で約０．５重量％と約３．５重量％との間の銀である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記実質的に純粋な錫の層は約１０μｍ厚であり、前記錫−銀合金の層は約１０μｍ厚であり、前記錫−銀合金の組成は、熱処理前で約１重量％と約７重量％との間の銀であり且つ熱処理後で約０．５重量％と約３．５重量％との間の銀である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記実質的に純粋な錫の層は約１μｍ厚又は約１０μｍ厚であり、前記錫−銀合金の層は約２０μｍ厚と約１２０μｍ厚との間である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記実質的に純粋な錫の層の厚さは前記錫−銀合金の層の厚さの約１／４である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記ワークピースをリンスタンクに移動させ、前記実質的に純粋な錫のめっきケミストリの実質的に全てを前記ワークピースから洗い流し、且つ前記ワークピースを前記リンスタンクから取り出す、ことを更に有する請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
導電性シード層を有するワークピース上に鉛フリーはんだバンプを形成するための装置であって、前記導電性シード層は、複数のフィーチャ開口を有するパターニングされたレジストマスク層によって覆われており、当該装置は、
前記ワークピース上に実質的に純粋な錫の層を析出させるように適応された金属イオンコンテンツを有する第１のめっき浴をサポートするように配置された第１の処理モジュールと、
前記ワークピース上に錫及び銀の層を析出させるように適応された金属イオンコンテンツを有する第２のめっき浴をサポートするように配置された第２の処理モジュールと、
前記第１の処理モジュールにて前記ワークピースを前記実質的に純粋な錫の層でめっきし、且つ前記第２の処理モジュールにて前記ワークピースを前記錫及び銀の層でめっきするようにプログラム可能のコントローラと、
有する、装置。
【請求項２５】
前記純粋な錫のめっきケミストリの実質的に全てを前記ワークピースから洗い流すことをサポートするように配置されたリンスタンクを更に有し、前記コントローラは更に、前記リンスタンク内で前記ワークピースを洗浄するようにプログラム可能である、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
当該装置は更に銅電着モジュールを有し、前記コントローラは更に、前記銅電着モジュールを用いて前記ワークピース上に銅を析出させるようにプログラム可能である、請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
当該装置は更にニッケル電着モジュールを有し、前記コントローラは更に、前記ニッケル電着モジュールを用いて前記ワークピース上にニッケルを析出させるようにプログラム可能である、請求項２４に記載の装置。
【請求項２８】
当該装置は更に洗浄モジュールを有し、前記コントローラは更に、前記洗浄モジュールを用いて前記ワークピースを洗浄するようにプログラム可能である、請求項２４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、概して、ワークピースに金属構造を設けるための方法及び装置に関し、より具体的には、フォトレジストパターニング膜でコートされたワークピースの表面内のマイクロスケールパターン内に鉛フリーはんだを堆積するための方法及び装置に関し、より具体的には、錫−銀合金はんだバンプを電気めっきするための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業は、欧州連合の特定有害物質使用制限（ＲｏＨＳ）指令の下で要求されるように、電子装置内の鉛を排除する方向へと進んでいる。産業は、鉛フリー（無鉛）パッケージングを用いた“グリーン”消費者電子装置を提供しようと、規制より速く移行している。例えばマスクパターニングされての析出によるなどの、鉛フリーはんだの電着は、密なピッチのバンプ（およそ３００μｍより小さい接続ピッチ）又は先端的なエレクトロニクスパッケージング用のマイクロバンプを提供することが可能な技術である。錫（Ｓｎ）と銀（Ａｇ）との合金は、これらの用途にとって最有力候補の金属である。実質的に純粋な錫は、例えば疲労耐性、熱サイクル特性、及び機械的延性など、はんだ金属に望ましい数多くの特性を有するが、産業界によって見出されていることには、実質純錫はんだは、それにおける錫ウィスカ成長によって、先端的なパッケージング用途にとって信頼性のない接合はんだになる。重量でおよそ１％と４％との間のＡｇという少量の銀の付加によって、はんだ接合におけるＳｎウィスカ形成の可能性が有意に低減され得ることが見出されている。従来手法において、錫−銀合金（ＳｎＡｇ）はんだめっきは、錫（−０．１３ボルトＳＨＥ）と銀（＋０．７９９ボルトＳＨＥ）との間での大きな電気化学的な還元電位の差に起因して、実質純錫の電気めっき又は鉛−錫（ＰｂＳｎ）の電気めっきより難しい。この還元電位差は、溶液内のＡｇ＋イオンが金属Ｓｎ及び／又は錫イオン（Ｓｎ２＋）と自発的に反応してＳｎ又はＳｎ２＋をＳｎ２＋又はＳｎ４＋へと酸化し、それによりＳｎ表面上に金属Ａｇが浸漬堆積されることを引き起こす。同様に、めっき溶液内のＡｇ＋イオンは、例えばニッケル又は銅などのその他の金属上にも浸漬堆積し得る。化学物質供給業者により、Ａｇ＋イオンの還元電位をＳｎ２＋のそれに近付けることによってめっき溶液内でＡｇ＋イオンを安定化させるようにＡｇ＋イオンを錯体化する有機分子が開発されている。めっき溶液内の有機Ａｇ＋イオン錯体は、典型的にニッケル又は銅であるアンダーバンプメタル（バンプ下金属；ＵＢＭ）上にＳｎＡｇ系鉛フリーはんだを電気めっきするとき、ＵＢＭ上への望ましくないＡｇ浸漬堆積の可能性を排除しない。この不所望の浸漬堆積はＵＢＭ／ＳｎＡｇ界面にボイド欠陥を生じさせることがあり、そのようなボイドは、はんだをリフローした後にも観察され得るものであり、また、そのようなボイドはチップ−パッケージ接合の機械的及び電気的な不具合を引き起こし得る。故に、エレクトロニクス産業が集積回路製品からの鉛の全廃に向けて移行するときに直面する問題を解決するため、下地金属への信頼性ある鉛フリーバンプアタッチメントを形成するようにＳｎＡｇはんだを電気めっきする代替手法が望まれる。さらに、産業界はまた、鉛−錫（ＰｂＳｎ）めっきバンプ構造を鉛フリー（ＳｎＡｇ）めっきバンプ構造に置き換える経済的な方法を開発する必要がある。工業用ＳｎＡｇめっきケミストリにおけるＡｇ錯体及びその他の成分の高いコストのため、ＳｎＡｇめっきバンプの典型的なコストはＰｂＳｎバンプの数倍になっている。ＳｎＡｇバンプを電着する既存の方法は、例えば米国特許出願第１１／８４０７���８号に記載されるように、製造装置に高価な制御システムを必要としている。この特許出願は、その内容全体をここに援用するが、析出の全体を通してはんだ金属に一定の合金組成が提供されることを確保するための制御システムを備えた工業用めっき装置を開示している。故に、ＳｎＡｇと下地金属との間に信頼性ある界面を提供しながら高価なケミストリの使用を最小化するＳｎＡｇ電気めっき方法が望まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
析出によりワークピース上に金属フィーチャを形成する方法が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
当該方法は、ワークピース上に電子デバイスのはんだ用のアンダーバンプメタル層を設け、アンダーバンプメタル層に直接的に実質的に純粋な錫層を析出し、且つ実質的に純粋な錫層上に錫銀合金層を析出することを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
実施形態の以上の態様及びその他の特徴を、以下の説明にて、添付図面と関連付けて説明する。上述の技術は、添付図面とともに以下の説明を参照することによって、より十分に理解され得る。図面においては概して、複数の図を通して同じ部分は似通った参照符号で参照する。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、むしろ、ここでの技術の原理を図示することに重点を置いたものである。
【図１】析出工程後の従来技術に係る断面図である。
【図２】析出工程後の従来技術に係る断面図である。
【図３】熱処理後のはんだバンプの断面図である。
【図４】ＵＢＭ−ＳｎＡｇ界面のボイドの存在を示す従来技術に係る上面図である。
【図５】ＵＢＭ−ＳｎＡｇ界面のボイドの不存在を示す開示実施形態に係る上面図である。
【図６】第２の析出工程後の開示実施形態に係る断面図である。
【図７】開示実施形態を用いる製造プロセスに適した工業用ウェハ電着装置を示す図である。
【図８】電着モジュールを示す図である。
【図９】プロセスフローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
図面に示す実施形態を参照して本実施形態を説明するが、理解されるように、それら実施形態は、数多くの他形態の実施形態で具現化されることも可能である。また、如何なる好適な大きさ、形状又は種類の要素又は材料が使用されてもよい。ここに開示される実施形態により、電着される鉛フリーはんだバンプとアンダーバンプメタル（ＵＢＭ）との間に信頼性ある界面を実現する方法が提供される。
【０００７】
図１を参照するに、電着用に用意されたワークピース（加工対象物）のワークピース表面の単一のバンプの断面図が示されている。電気コンタクト要素１０１が絶縁膜１００によって実質的に囲まれており、このようなタイプのフィーチャ（造形をなす機構部）が、集積回路ワークピースにわたって準周期的なアレイ状に配置されている。例えば、３００ｍｍシリコンウェハは、その表面に分布された１，０００から１００，０００個のこのような電気コンタクト要素を有し得る。なお、例えばガリウム砒素又はその他の如何なる好適なワークピース又は基板が用いられてもよい。ワークピースは、シード層１０２でコート（被覆）され、次いで、フォトレジスト１０４でコートされている。フォトレジスト１０４は、光パターニングされて、例えばニッケル（Ｎｉ）若しくは銅（Ｃｕ）、又はＮｉ及びＣｕの連続層などのアンダーバンプメタル１０６が内部に電着される開口を提供している。アンダーバンプメタル１０６上に、同じレジストパターンマスク層１０４を用いて、はんだ金属１２０が電着されている。例えば、米国特許第７０１２３３３号（内容全体をここに援用する）は、約３．５重量％であるＳｎＡｇの共晶点より低くなるように堆積させるＳｎＡｇはんだ合金の堆積を教示している。
【０００８】
次いで図２を参照するに、例えばＳｎＡｇ合金又はＳｎＡｇＣｕ合金といった鉛フリーバンプを提供する他の従来技術に係る方法が示されており、アンダーバンプメタル上に、実質純錫層１３０の堆積に先立って、より貴金属側の実質的に純粋な金属層１３１が堆積されている。米国特許第６５９６６２１号（内容全体をここに援用する）は、約２μｍ厚のＮｉを有するアンダーバンプメタル１０６を用い、約３．５％のＡｇ、約０．６％のＣｕ、そして残りはＳｎという割合のＳｎＡｇＣｕ合金バンプを形成するのに必要な実質純Ｓｎ１３０に対する比率のＡｇ／Ｃｕ１３１で、層１０６を被覆することによって、鉛フリーＳｎＡｇＣｕバンプを形成することを教示している。
【０００９】
次いで図３を参照して、これら従来技術に係る手法の潜在的な欠点を説明する。図３は、熱的なリフロープロセス後のはんだバンプの断面を示している。熱リフロープロセスは、後続処理に先立ってはんだバンプ構造を安定化させるのに有利である。電着工程後、フォトレジスト１０４（図３に図示されず）が除去され、そして、シード層１０２が、アンダーバンプメタル１０６によって保護されている箇所を除く全ての箇所でエッチング除去される。その後、ウェハは、所謂リフロープロセス工程にて熱処理される。簡単に説明すると、リフローは、はんだが溶融する前に酸化錫が実質的に除去されるよう、制御された雰囲気内でワークピースを加熱することを含む。はんだの溶融は、ＳｎＡｇ合金の場合、約２２１℃と約２３２℃との間で起こり得る。ここで、約２２１℃というのは、約３．５％Ａｇの組成でのＳｎＡｇ共晶融点であり、約２３２℃というのは、実質純Ｓｎの融点である。はんだが固体から液体へと相変化するとき、表面張力によって金属の塊が形状変化させられ、液体の表面張力によって表面積が最小化されるので、実質的に球形の形状１２６へと変化する。また、上昇された温度にて、幾つかの合金相の混合物である金属間化合物（ＩＭＣ）の層１２８の形成が起こる。例えば、Ｃｕ／Ｓｎ界面では、ＩＭＣはＣｕ５Ｓｎ６の合金相とＣｕ３Ｓｎの合金相との組合せとなる。また、上昇された温度にて、析出プロセス中にはんだ内に組み込まれ得る様々な有機分子の気化及びガス放出が起こる。これら昇温過程は、ウェハ又は基板を冷却してはんだを凝固させることによって停止される。固体はんだは、様々な大きさ及び組成を有し得る多数のサブミクロンサイズのグレインからなる。例えば、米国特許第６８０５９７４号（内容全体をここに援用する）は、望ましくない大きい板状のＡｇ３Ｓｎグレインの形成を回避し、その代わりにＳｎグレイン及び小さいＡｇ３Ｓｎグレインの微粒子分散を形成するために、合金組成及び冷却速度を制御することが重要であることを教示している。
【００１０】
アンダーバンプメタル（ＵＢＭ）とはんだとの間の再現性があって且つ十分に制御された金属間構造（ＩＭＣ）を、はんだ内の十分に制御されたグレイン構造とともに実現することの重要性は、はんだバンプの機械的信頼性とエレクトロマイグレーションの信頼性との双方に影響を及ぼし得る。また、冷却中、はんだグレイン構造の核形成及び成長は、形成されたＩＭＣによって強く影響される。図４と図５とを比較することによって例証されるように、リフローの初期段階中にアンダーバンプメタル界面にＡｇが存在することを阻止することが有利である。図４及び５は、アンダーバンプメタルとはんだとの間の界面領域２３２、２４２までラッピング及びポリッシングされたバンプの光学顕微鏡像２３０、２４０を示している。色の明暗は異なる材料のはんだ、ＵＢＭ、及びＩＭＣに対応し、非常に暗い点はボイドである。例えば図４に示されるように、ニッケルＵＢＭ層と、約２．５％ＡｇのＳｎＡｇの単一ステップ電着とを用いると、ＵＢＭとＳｎＡｇとの間の領域で、高い頻度で界面ボイド２３４、２３６、２３８の発生が起こり得る。対照的に、図５に示されるように、実質純錫の第１層と錫−銀の第２層とを繰り返し用いる開示実施形態においては、そのような界面ボイドの活性は起こっていない。実質純Ｓｎ層／溶液槽は、例えば、商業的に入手可能な実質純Ｓｎ材料、又は例えばダウケミカル社から入手可能なものなどの溶液槽として参照され得る。
【００１１】
次いで図６を参照するに、単一のバンプ構造が断面にて示されている。絶縁膜１００によって実質的に囲まれた電気コンタクト要素１０１を有する構造２５２を持つワークピース２５０が用意される。このようなタイプのフィーチャが準周期的なアレイ状に配置されている。ワークピースは、シード層１０２でコート（被覆）され、次いで、フォトレジスト１０４でコートされる。フォトレジスト１０４は、光パターニングされて、例えばニッケル（Ｎｉ）若しくは銅（Ｃｕ）、又はＮｉ及びＣｕの連続層などのアンダーバンプメタル１０６が内部に電着される開口を提供する。なお、好適な如何なるアンダーバンプメタルが設けられてもよい。錫以外の金属イオンを含有しない金属イオンコンテンツ（内容物）の電気めっき浴を用いて、実質的に純粋な錫層１２１が電着される。ワークピース２５０は、電気めっき浴を除去するよう洗浄（リンス）され得る。そして、同じレジストパターンマスク層１０４を用いて、錫イオン及び銀イオンを含む金属イオンコンテンツの別のめっき浴にて、錫−銀層１２２が電着される。実質純Ｓｎ層１２１の厚さＴＳｎ、ＳｎＡｇ層の厚さＴＳｎＡｇ、及びＳｎＡｇ層内の％Ａｇ（Ａｇ含有率）ＣＳｎＡｇは、次式：
％Ａｇ  ＝  ＣＳｎＡｇ×ＴＳｎＡｇ／（ＴＳｎＡｇ＋ＴＳｎ）
に従う最終組成での％Ａｇを実現するように調整される。
【００１２】
例えば、ＴＳｎＡｇ＝ＴＳｎ、且つＣＳｎＡｇ＝３．０％により、１．５％Ａｇに等しい最終組成％Ａｇが達成される。
【００１３】
実質的に純粋な銀（Ａｇ）と実質的に純粋な錫（Ｓｎ）とを適用してＳｎＡｇ合金の製造を容易にすること、又は、Ａｇ、次いでＣｕ、次いでＳｎを適用し、その後にこれらをリフローしてＳｎＡｇＣｕ合金を形成することも考えられる。実質純Ａｇ及び実質純Ｓｎのめっき用材料は、ＳｎＡｇ合金めっきのものより高価でないので、この方法は一定のコストアドバンテージを有し得る。複数の実質的に純粋な金属層の組み合わせを用いるとき、（１）Ｓｎ表面へのＡｇの電着は、Ｓｎ上への自由なＡｇ浸漬堆積の問題のために制御が困難であり、それにより、析出工程と熱処理リフロー工程との間での製造制御問題を生じさせることになる不安定なＳｎ／Ａｇ界面が生成される；（２）熱リフロープロセスにおいて実質純Ａｇは溶融せず、それに代えてＳｎ内に分解し、故に、Ａｇ金属層は溶融した錫はんだボール上で不安定であり、Ｓｎが溶融するのとＡｇがＳｎ内へ完全に分解するのとの間の期間中にあちこちと漂流し得る；という２つの理由から、実質純Ｓｎを設けるのに先立って、より貴金属側の金属を設ける必要がある。しかしながら、ＵＢＭ材料の頂部上に直接Ａｇを設けると、金属間層が形成されるリフロープロセスにおいて、ＳｎとＵＢＭとの間のＡｇの存在が金属間層内でのボイドの形成を引き起こし、それらのボイドがはんだ接合の信頼性を低下させてしまう。ＳｎＡｇ材料はＳｎ材料より数倍高価であるので、本開示に係る実施形態は、例えば、はんだ接合の信頼性を悪化させるという欠点を伴うことなく、はんだ析出コストをおよそ５０％又はそれ以上低減するなど、実質純Ａｇ及び実質純Ｓｎの方法の経済的利益のうちの一部を提供する。
【００１４】
次いで図７を参照するに、本開示に係る実施形態を用いる製造プロセスに適した工業用ウェハ電着装置が示されている。開示実施形態は、例えばマサチューセッツ州ビルリカのＮＥＸＸシステム社のＳｔｒａｔｕｓなど、商業的に入手可能な電着装置にて実現され得る。システム２００は、２００５年５月１２日に公開された国際公開第２００５／０４２８０４号に開示されているようなフィーチャを組み込み得る。なお、この文献の内容全体をここに援用する。システム２００は、例示的なシステムとしてブロック図の形態で示されている。なお、異なる構成及び位置を有した、より多くのモジュール又はより少ないモジュールが設けられてもよい。工業用電着装置２００は、上述のようにフォトレジストで事前にパターニングされた基板の挿入及びシステムからの基板の回収のための複数の投入ポート２０６を含み得る。装填ステーション２０４は、基板２７８を基板ホルダー２７０、２７２、２７４に送るロボットアームを有し得る。基板２７８はその後、搬送手段２８０によって、モジュール２１０、２１２、２１４、２１６、２６０、２６２、２６４、２６６に送られ、連続して処理される。この連続は、銅（Ｃｕ）電着モジュール２１６、ニッケル（Ｎｉ）電着モジュール２１４、錫（Ｓｎ）電着モジュール２１２、錫−銀（ＳｎＡｇ）電着モジュール２１０を含み得る。基板はその後、装填ステーション２０４に戻され、装填ステーション２０４が基板を取り出し基板洗浄モジュール２０２へと渡す。そして、基板は、基板洗浄モジュール２０２から投入ポート２０６へと戻される。例えば脱イオン水を使用する洗浄工程が、電着工程の前後に置かれる。例えば、洗浄モジュール２６０、２６２、２６４、２６６が設けられ得る。他の例では、モジュール２６０、２６２、２６４及び２６６は、リンス又は熱処理モジュール及び洗浄モジュールとし得る。コントローラ２２０が、各ステーション又はモジュール内に設けられて、そのステーション又はモジュール内での処理及び／又は搬送を順序付け得る。システムコントローラ２２２が、システム２００内に設けられて、ステーション間又は処理モジュール間で基板を順序付け、例えばホスト通信、ロットの投入及び取り出し、又はシステム２００を制御するのに必要なその他の動作などのシステム動作を調整し得る。コントローラ２２２は、（例えば上述のもののなどの）好適な金属イオンコンテンツを有するめっき浴をサポートするように配置された処理モジュール２１２内で実質的に純粋な錫でワークピースをめっきするようにプログラム可能とし得る。なお、処理モジュール２１２は、純錫のアノード又は不溶性の白金−チタン（Ｐｔ−Ｔｉ）アノードの何れかを含み得る。コントローラ２２２は更に、実質純錫のめっきケミストリの実質的に全てをワークピースから洗い流すことをサポートするように配置されたリンスタンク内でワークピースを洗浄するようにプログラム可能とし得る。コントローラ２２２は更に、（例えば上述のものなどの）好適な金属イオンコンテンツを有するめっき浴をサポートするように配置された処理モジュール２１０内で錫及び銀でワークピースをめっきするようにプログラム可能とし得る。なお、この処理モジュールは、例えば、不溶性のＰｔ−Ｔｉアノード又はその他の好適モジュールを含み得る。コントローラ２２２又はその他の好適コントローラは更に、ワークピースを熱処理することで錫層と錫−銀層とを相互に混合させて実質的に一様な錫−銀合金フィーチャを形成するように配置された熱処理モジュール内で、ワークピースを熱処理するようにプログラム可能とし得る。コントローラ２２２は更に、銅電着モジュール２１６を用いてワークピース上に銅を堆積するようにプログラム可能とし得る。コントローラ２２２は更に、ニッケル電着モジュール２１４を用いてワークピース上にニッケルを堆積するようにプログラム可能とし得る。コントローラ２２２は更に、洗浄モジュール２６０を用いてワークピースを洗浄するようにプログラム可能とし得る。図示した実施形態においては、４つの電着モジュール２１０、２１２、２１４、２１６と４つの洗浄モジュール２６０、２６２、２６４、２６６とが示されている。しかしながら、より多くのモジュール又はより少ないモジュールが設けられてもよい。例として、１つ以上の錫（Ｓｎ）電着モジュール及び１つ以上の錫−銀（ＳｎＡｇ）電着モジュールのみが設けられてもよい。更なる一例として、１つ以上の錫（Ｓｎ）電着モジュール及び１つ以上の錫−銀（ＳｎＡｇ）電着モジュールを有する別個のツールが設けられてもよい。更なる一例として、複数のワークピースを並列処理してシステムのスループットを高めることを可能にするよう、複数の重複した電着モジュールが設けられてもよい。従って、システム構成のこのような変形、代替及び変更の全てが包含される。
【００１５】
次いで図８を参照するに、例示的な電着処理モジュール２１０のブロック図が示されている。電着モジュール２１０は、マサチューセッツ州ビルリカのＮＥＸＸシステム社のＳｔｒａｔｕｓツールに見られるモジュールが行うような機能を組み込むことができ、また、２００５年５月１２日に公開された国際公開第２００５／０４２８０４号に開示されているようなフィーチャを組み込み得る。なお、この文献の内容全体をここに援用する。例示の電着モジュールは、流体３０２を収容する筐体３００を有し、流体３０２は、循環される電解液であって、筐体３００を貫いて流れ得る。ワークピースホルダー２７２は、搬送部２８０によって筐体３００から取り外されることができ、基板２７８を保持することができる。２枚の基板が示されているが、ホルダーはより多くの基板又はより少ない基板を保持してもよい。アノード３１０、３１２は、遮蔽板３１４、３１６、及びパドル若しくは流体撹拌アセンブリ３１８、３２０を備えている。なお、より多くのアセンブリ又はより少ないアセンブリが設けられてもよい。例えば、単一のアノードが設けられてもよい。更なる一例として、アノードは筐体３００の一部であってもよく、あるいは、遮蔽板３１４、３１６、及びパドル若しくは流体撹拌アセンブリ３１８、３２０は設けられなくてもよい。
【００１６】
本説明に係るプロセス、例えば更に後述するプロセスが、例えば装置２００を用いて実行され得る。認識されるように、コントローラ２２０は、少なくとも部分的に自動的に処理を実現するように好適にプログラムされ得る。
【００１７】
次いで図９を参照するに、ワークピース上に鉛フリーはんだバンプを形成する方法を示す例示的なプロセスフロー図４００が示されている。この例示実施形態によれば、例えば、ブロック４０２にて、例えば装置内で、複数の開口を有するパターニングされたレジストマスク層で覆われた導電性シード層を有するワークピースが用意され得る。ブロック４０４にて、ワークピースは、例えば実質純錫アノード又は不溶性白金−チタンアノードを収容した錫めっき浴に浸漬され得る。ブロック４０６にて、シード層への電気コンタクトが形成され、ワークピースとアノードとの間に電位が印加されることで実質純錫が堆積され得る。例えば、約２μｍと約１５０μｍとの間の厚さの錫が、レジストパターンフィーチャ内に堆積され得る。ブロック４０８にて、ワークピースがリンスタンクに移動され得る。ブロック４１０にて、実質的に純粋な錫めっき用ケミストリの実質的に全てがワークピースから洗い流され得る。ワークピースは、ブロック４１２にて、リンスタンクから取り出され、ブロック４１４にて、錫イオン及び銀イオンを含有し且つアノード（例えば、不溶性の白金−チタンアノードなど）を収容しためっき浴内に浸漬され得る。ブロック４１６によりシード層への電気コンタクトが形成され、ワークピースとアノードとの間に電位が印加されることで錫−銀合金が堆積され得る。例えば、約２μｍと約１５０μｍとの間の厚さの錫−銀合金が、レジストパターンフィーチャ内に堆積され得る。ブロック４１８にて、フォトレジストパターン層が除去され、ブロック４２０により、めっきされた錫及び錫−銀合金によって覆われていないシード層の実質的に全てが除去され得る。例えばブロック４２２においてなどで、例えば約２１０℃から約２３０℃の間でワークピースを熱処理することで、錫層及び錫−銀層が相互に混合されて、所望される実質的に一様な錫−銀合金フィーチャが形成され得る。例示のプロセス４００において、錫層及び錫−銀層は好適な如何なる厚さ又は組成を有していてもよく、例えば、錫層は約３０μｍであり、錫−銀合金層は約３０μｍであり、錫−銀合金組成は、熱処理前で約１重量％と約７重量％との間の銀、熱処理後で約０．５重量％と約３．５重量％との間の銀とし得る。更なる例として、錫層は約１０μｍであり、錫−銀合金層は約１０μｍであり、錫−銀合金組成は、熱処理前で約１重量％と約７重量％との間の銀、熱処理後で約０．５重量％と約３．５重量％との間の銀とし得る。更なる例として、錫層は錫−銀層の厚さの約１／４とし得る。また、実施形態において、プロセス４００は、より多くの工程又はより少ない工程を提供してもよく、あるいは、１つ以上の工程が１つ以上のステップ又はプロセスに組み合わされてもよい。更なる例として、錫層は約１μｍから１０μｍであり、錫−銀層は約２０μｍと約１２０μｍとの間とし得る。
【００１８】
一実施形態によれば、析出によりワークピース上に金属フィーチャを形成する方法が提供される。ワークピースに、電子デバイスのはんだ用のアンダーバンプメタル層が設けられる。アンダーバンプメタル層に直接的に実質的に純粋な錫層が析出される。実質的に純粋な錫層上に錫銀合金層が析出される。
【００１９】
この実施形態において、実質的に純粋な錫のめっきケミストリの実質的に全てがワークピースから洗い流され得る。
【００２０】
この実施形態において、析出は電着によって達成される。
【００２１】
この実施形態において、アンダーバンプメタルは銅又はニッケルの何れかを有する。
【００２２】
一実施形態において、導電性シード層を有するワークピース上に鉛フリーはんだバンプを形成するための装置が提供される。導電性シード層は、複数のフィーチャ開口を有するパターニングされたレジストマスク層によって覆われている。当該装置は、レジストパターンフィーチャ内に実質的に純粋な錫の層を析出させるように適応された金属イオンコンテンツを有する第１のめっき浴を有する。リンスタンクが設けられ、純粋な錫のめっきケミストリの実質的に全てをワークピースから洗い流すように適応される。レジストパターンフィーチャ内に錫−銀合金の層を析出させるように適応された金属イオンコンテンツを有する第２のめっき浴が設けられる。
【００２３】
この実施形態において、銅電着モジュールが設けられる。
【００２４】
この実施形態において、銅電着モジュール及びニッケル電着モジュールが設けられる。
【００２５】
この実施形態において、洗浄モジュールが設けられる。
【００２６】
一実施形態において、鉛フリーはんだフィーチャを有する電子デバイスが、当該電子デバイスのはんだ用のアンダーバンプメタルの層に直接的に実質的に純粋な錫の層を析出させる工程を有するプロセスによって用意される。実質的に純粋な錫の層上に錫銀合金の層を析出させる工程が提供される。
【００２７】
この実施形態において、実質的に純粋な錫のめっきケミストリの実質的に全てを電子デバイスから洗い流す工程が提供され得る。
【００２８】
この実施形態において、析出は電着によって達成される。
【００２９】
この実施形態において、アンダーバンプメタルは銅又はニッケルの何れかを有する。
【００３０】
一実施形態において、ワークピース上に鉛フリーはんだバンプを形成する方法が提供される。当該方法は、ワークピースに導電性シード層を設ける工程を有する。導電性シード層は、複数のフィーチャ開口を有するパターニングされたレジストマスク層によって覆われる。金属イオンコンテンツを有する第１のめっき浴にワークピースが浸漬される。当該方法は、シード層への電気コンタクトを設け、且つ第１のめっき浴の金属イオンコンテンツを介して電位を与えることで、約２μｍと約１５０μｍとの間の厚さの実質的に純粋な錫をレジストパターンフィーチャ内に析出させることを有する。金属イオンコンテンツを有する第２のめっき浴にワークピースが浸漬される。シード層への電気コンタクトが形成され、第２のめっき浴の金属イオンコンテンツを介して電位が与えられることで、約２μｍと約１５０μｍとの間の厚さの錫−銀合金がレジストパターンフィーチャ内に析出される。
【００３１】
この実施形態において、当該方法は、ワークピースをリンスタンクに移動させ、実質的に純粋な錫のめっきケミストリの実質的に全てをワークピースから洗い流し、且つワークピースをリンスタンクから取り出すことを含み得る。
【００３２】
この実施形態において、フォトレジストパターニング層の除去が提供される。
【００３３】
この実施形態において、めっきされた錫及び錫−銀合金によって覆われていないシード層の実質的に全てが除去される。
【００３４】
この実施形態において、約２１０℃と約２３０℃との間でワークピースを熱処理することで、錫の層及び錫−銀の層を相互に混合させて、実質的に一様な錫−銀合金フィーチャを形成することが提供される。
【００３５】
この実施形態において、錫の層は約３０μｍ厚であり、錫−銀合金の層は約３０μｍ厚であり、錫−銀合金の組成は、熱処理前で約１重量％と約７重量％との間の銀であり且つ熱処理後で約０．５重量％と約３．５重量％との間の銀であるとし得る。
【００３６】
この実施形態において、錫の層は約１μｍ厚又は約１０μｍ厚であり、錫−銀合金の層は約２０μｍ厚と約１２０μｍ厚との間であるとし得る。
【００３７】
この実施形態において、錫の層は約１０μｍ厚であり、錫−銀合金の層は約１０μｍ厚であり、錫−銀合金の組成は、熱処理前で約１重量％と約７重量％との間の銀であり且つ熱処理後で約０．５重量％と約３．５重量％との間の銀であるとし得る。
【００３８】
この実施形態において、錫の層の厚さは錫−銀合金の層の厚さの約１／４とし得る。
【００３９】
一実施形態において、導電性シード層を有するワークピース上に鉛フリーはんだバンプを形成するための装置が提供される。導電性シード層は、複数のフィーチャ開口を有するパターニングされたレジストマスク層によって覆われている。当該装置は、
ワークピース上に実質的に純粋な錫の層を析出させるように適応された金属イオンコンテンツを有する第１のめっき浴をサポートするように配置された第１の処理モジュールにて、ワークピースを実質的に純粋な錫層でめっきするようにプログラム可能なコントローラを有する。コントローラは更に、ワークピース上に錫及び銀の層を析出させるように適応された金属イオンコンテンツを有する第２のめっき浴をサポートするように配置された第２の処理モジュールにて、ワークピースを錫及び銀でめっきするようにプログラム可能である。
【００４０】
この実施形態において、コントローラは更に、純粋な錫のめっきケミストリの実質的に全てをワークピースから洗い流すことをサポートするように配置されたリンスタンク内でワークピースを洗浄するようにプログラム可能である。
【００４１】
この実施形態において、コントローラは更に、銅電着モジュールを用いてワークピース上に銅を析出させるようにプログラム可能である。
【００４２】
この実施形態において、コントローラは更に、ニッケル電着モジュールを用いてワークピース上にニッケルを析出させるようにプログラム可能である。
【００４３】
この実施形態において、コントローラは更に、洗浄モジュールを用いてワークピースを洗浄するようにプログラム可能である。
【００４４】
例示の実施形態において、ワークピース上にパターンをなす鉛フリーバンプを電気化学的に形成するように１つ以上のワークピースを処理する方法が提供される。一実施形態において、鉛フリーバンプは、実質的に２工程からなる析出プロセスによって形成される。第１の工程は、錫イオン（例えば、金属イオンコンテンツ）を含有する電気めっき溶液からの実質的な純錫のマスク堆積によるものであり、第２の工程は、錫イオン及び銀イオン（例えば、金属イオンコンテンツ）を制御して混合したものを含有する電気めっき溶液からの錫−銀合金のマスク堆積によるものである。これら２つの工程が、目標とするレイヤ１及びレイヤ２の厚さ、すなわち、Ｔ１及びＴ２を実現するように制御されるとともに、第２の工程が、後続の熱処理後において、これら２つのレイヤ（層）が相互に混合して、合金析出工程での析出Ｘ％Ａｇと実質純錫析出工程での０％Ａｇとの間の中間の濃度を有する実質的に一様な錫−銀（ＳｎＡｇ）合金を形成するよう、Ｘ％合金組成を実現するように制御される。開示の実施形態は、アンダーバンプメタル（ＵＢＭ）表面上での例えばＡｇなどの貴金属イオン及び有機コンプレクサの浸漬堆積を防止し、ＵＢＭとはんだとの界面でのボイド形成の可能性を排する。より貴金属側でない例えば実質的な純錫などがＵＢＭ上に電着された後に、より貴金属側の例えばＡｇ及び／又はＣｕなどとＳｎとの鉛フリーはんだ合金がＳｎＡｇ合金又はＳｎＡｇＣｕ合金としてＳｎと共析出され、エレクトロニクスパッケージング用のバンプが形成される。
【００４５】
理解されるように、以上の説明は本発明の単なる例示である。当業者によって、本発明を逸脱することなく、様々な代替及び変更が考え出され得る。従って、本発明は、添付の請求項の範囲に入る全てのそのような代替、変更及び変形を包含するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図４】
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【国際調査報告】
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