為解決包括覆晶晶片、扇入型和扇出型晶圓級封裝(WLP)等現有技術面臨的挑戰，業界已開發多種新興方案，例如高密度扇出型(HDFO)WLP、矽穿孔(TSV)和矽中介層，以及相機影像感測器(CIS)所用的TSV。新的扇出型晶圓級封裝(FOWLP)技術會利用Mega柱體(Megapillar)、細線重新布線層(RDL)、堆疊式RDL或導孔RDL和微凸塊(Microbump)等特徵，為要電鍍這些特徵，需要製程、電鍍化學以及製造設備的全面創新。例如科技廠商科林研發(Lam Research)的SABRE 3D電鍍設備，即是整合這些創新技術的平台，旨在解決與特徵內(Within-feature, WiF)均勻度、共面性、缺陷、可靠度和生產量的相關問題。
Mega柱體電鍍製程迎三大挑戰
Mega柱體是高度為50µm至200µm以上的大直徑銅柱，通常用來連接FOWLP應用中的晶片。像這樣的大型結構需要較長時間進行電鍍。但是要在高溫浴中耗費更長的時間，就需要高完整性的密封，而Lam Research透過SABRE 3D的HDFO唇型油封(Lip Seal)滿足此一需求。
Mega柱體的電鍍製程須在控制柱體形狀的同時克服高電鍍速率，以及晶粒內(WiD)不均勻度的挑戰。以下將說明SABER 3D平台中能解決此問題的重要技術。
TurboCel高特徵內對流克服金屬離子傳遞限制
依照邏輯，增加電鍍電流，應該可以提高大型結構(如Mega柱體)的沉積速率。然而在質量傳遞(Mass Transport)限制條件下，Mega柱體容易變成不符需求的圓頂形狀。因此，大多數設備都包括某種形式的攪拌器或機械槳葉，以增加特徵內(Intra-feature)對流，來克服金屬離子傳遞的限制，並同時改善電鍍速率和柱型狀況。SABRE 3D使用一種稱為TurboCell的創新技術，實現高且均勻的特徵內流動(圖1)。
TurboCell技術可在晶圓下方保持非常狹窄的通道，根據製程將其精確控制在1mm至5mm範圍內，並注入極高流量的電鍍液。這種橫向流動的電鍍液可在基板的鍍面上產生剪切力，而晶圓會在該剪切區內旋轉，以維持嚴格的均勻度控制。TurboCell的成功取決於實現極高的特徵內對流的能力，使金屬離子能夠深入特徵內部，達到比競爭技術高出50~100%的沉積率。
SAC/SamrtDose技術實現大量製造
要在大量製造(HVM)的環境中維持此效能還需要其他的技術。其中第一個是分隔的陽極腔(SAC)。SAC採用離子滲透膜來抑制電解質中某些成分的直接對流傳遞。例如，它可以分離有機添加劑，並允許離子傳遞。透過把陽極與添加劑隔離，SAC系統可把化學品的消耗降至最低，並防止某些會影響良率的缺陷。
另一個實現大量製造的促成技術是SmartDose系統，它主要包含以Lam Research軟體和控制系統為基礎的線上化學品監測和供給。這使SABRE 3D能夠預測電鍍條件以及需求，例如一段時間之後所需的添加劑數量，並有助於把電鍍過程保持在低缺陷範圍內(圖2)。
三管齊下減少不均勻度
與傳統的銅柱晶粒設計相比，Mega柱體晶粒的有效區域密度變異更大。這為電鍍帶來挑戰，因為此布局會造成非常不均勻的電流分布。另一項稱為Durendal的創新技術可克服這個挑戰。Durendal是Lam Research設備的電氧化製程。與平面化類似，該製程可同時修正Mega柱體的形狀(從圓頂形修正為平坦狀)，同時產生均勻的Mega柱體厚度分布。Durendal技術還適用於其他應用，例如銅柱和微柱(Micro-pillar)(圖3)。
減少不均勻度的第三種方法是透過電鍍液的設計。雖然以前的電鍍液可用來全面地處理多種應用，但現在出現了鎖定特定應用領域的化學方法。循環伏安法(Cyclic Voltammetry)和其他電化學特徵化技術正用於設計具有電導率和極化特性的電解質，以為TurboCell技術提供最佳的共面性。
最後，Lam Research基於軟體的預測性晶粒建模可用來模擬特定晶粒布局的共面性。它把電鍍條件納入考慮，包括一次、二次和三次電流分布，以預測凸塊高度分布。經過測試的模擬誤差低於1.5%，證明該軟體具備足夠的穩定性，可推動新的布局設計，以把共面性問題降至最低。
TurboCell實踐薄晶種電鍍
銅底切(Undercut)是電鍍細線RDL(重新布線層)的關鍵挑戰。由銅晶種(Seed)蝕刻製程所造成，該製程會腐蝕RDL線的底部(圖4)，同時也給微柱帶來問題。由於大多數一般的RDL會使用約1,000-2,000埃
的銅晶種，因此利用標準蝕刻製程極具挑戰性。儘管市場上在新材料方面出現了一些進展，但Lam Research提供的解決方案聚焦於提供薄晶種(<600A)電鍍能力、TurboCell、晶粒工程以及替代的整合方法。實現薄晶種能力的主要挑戰是終端效應(Terminal Effect)，這主要是指當晶種的電阻起主導作用時，會使晶圓中心相對於邊緣的電流分布有明顯變異，進而造成邊緣鍍層變厚。TurboCell裝置實現了薄晶種電鍍，這已在細線RDL應用中得到證明，可達到小於2%的晶圓內(WiW)均勻度測量值。
三條件整合達成BKM
傳統的RDL有正常或標稱的深寬比(1:1)，而細線RDL有較高的深寬比(4:1)和更精細的特徵。較高的深寬比特徵通常更難潤濕，因此可能會在電鍍後造成缺失金屬的缺陷。另一個挑戰是，光阻比一般的RDL圖案更脆弱，而且在電鍍之前甚至電鍍過程中很容易損壞。
SABRE 3D整合了另一項稱為先進預處理(APT)製程模組的創新技術，該模組利用柔和的噴霧，可在電鍍之前以多種液體在真空中進行潤濕製程。此製程已取得專利，能生成均勻、且無缺陷的1.5×1.5µm細線。然而由於矽、聚醯亞胺(PI)和銅之間的熱膨脹係數(CTE)不匹配，因此細線RDL還有其他的機械可靠性問題。CTE不匹配會導致在隨後的熱處理過程中破裂或剝離(Delamination)。
Lam Research聚焦於晶粒工程來解決這個問題。傳統的銅鑲嵌製程對電遷移(EM)的挑戰已透過晶粒工程和各種銅化學配方解決。Lam Research還與客戶合作，透過使用蝕刻製程和晶粒工程技術，把10×10µm RDL的底切和線消耗降至最低。
針對細線RDL，Lam Research一直在最佳化ECD裝置和電鍍化學品，以影響晶粒尺寸和分布以及沉積雜質的數量。雖然這是一種有用的方法，但Lam Research正在考慮使用奈米雙晶銅(nt-Cu)作為替代方案。
採用nt-Cu是一項具吸引力的方案，因為它有高強度、良好的導電性和較高的銅原子擴散率。這些特性使nt-Cu成為銅-銅直接鍵合的促成因素，也是異質整合的重要鍵合方法。它還開啟了另一個機會，可與Durendal製程結合使用。Durendal可以產出具有高度平滑表面的平面晶粒，而nt-Cu可用來創建高度紋理化的奈米雙晶(Nano-twinned)結構。
電沉積nt-Cu薄膜需要適當地組合化學配方和波形最佳化，以及TurboCell條件(圖5)。Lam Research已展示了此三個條件的整合，以為細線RDL、微柱以及標準柱體實現具再現性、強韌的已知最佳方法(BKM)。
堆疊式RDL管理鍍液抗老化
堆疊式RDL應用很容易受到導孔電鍍的挑戰，亦即未填充和空隙(圖6)。導孔的未填充會導致形狀變異，並把問題向下帶到微影步驟，因為景深(DoF)限制，而使微影出現聚焦的困難。就電鍍機制而言，小導孔比大導孔更容易填充，而未填充問題通常是低深寬比(LAR)的導孔填充。對於較小的導孔，較容易在特徵的底部角落提供加速生長，而獲得良好的超級填充條件。但若導孔較大，沉積物開始堆積的角落距離較遠，因此頂部中心容易出現填充不完全的現象。
Lam Research使用TurboCell技術解決此問題，結合特殊的化學添加劑配方，以為對流和波形等電鍍條件進行最佳化。圖7顯示填充20µm和30µm直徑導孔的各種化學方法的結果，已取得20µm導孔的最佳條件，而對30µm仍存在挑戰。
由於填充品質通常對添加劑的變化敏感，因此鍍液老化而產生的副產物也會對堆疊式RDL帶來挑戰。透過管理鍍液以控制副產物形成並把添加劑保持在目標濃度，前面討論的SAC和SmartDose系統可克服這些挑戰。
單一平台上落實多項創新
透過結合多項新技術的TurboCell、Durendal製程、APT、SAC和SmartDose，以及晶粒工程，包括nt-Cu、波形調變，並且把特殊電鍍化學成分整合到單一平台上(圖8)，SABRE 3D解決了Mega柱體、細線RDL和堆疊式/導孔RDL結構的三種主要HDFO(高密度扇出)應用。
(本文作者為Lam Research Electrofill事業處技術總監)
