[논문]무전해 도금법을 이용한 Sn-Cu 범프 형성에 관한 연구

문윤성; 이재호

문제 정의

유럽에서는 RoHS(Restriction of Hazardous Substance)오卜 WEEE(Waste of Electrical and Electronic Equipments) 를 통하여 납에 대한 규제가 이 미 실시 되고 있다. Pb-Sn 대체 재료로 Sn을 기반으로 하여 여기에 Ag, Cu, In 등이 합금 형태로 범프를 형성하는 연구들이 진해되고 얏1匸上2 이중에서도 본 연구에서는 Sn-Cu계 범프를 무전해 도금법으로 형성하는 연구를 실시하였다.
우선 via 위에무전해 도금을 이용하여 구리층을 먼저 형성 한 후 주석을 무전해 도금하는 순서로 실험을 실시하였다. 무전해 구리도금 시 선택적인 구리도금의 영향을 알아보기 위하여 첨가제, 산세처리 유무의 조건을 바꿔가며 그 영향을 알아보았다. Wafer에 형성된 구리산화막을 제거하기 위하여 10% H₂SO₄ 에 약 1분간 에칭한 후 활성화 처리를 하였다.
이2)산성용액에서무전해 주석도금은 도금충의 두께가 일정하고 저온 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 구리와의 치환반응을 고려하고 주석의 산화를 방지하기 위하여 산성 무전해 주석도금액을 선택하였다. 구리 via 위에 무전해 구리도금과무전해 주석도금을 한 후 reflow 시 크기가 일정한 Sn-Cu 솔더 범프를 얻을 수 있었다.

제안 방법

무전해 구리 도금층은 무전해 주석도금액중의 thiourea와 착화물 형성하며 이때 주석과 치환반응에 의하여 주석 도금이 가능하였으며 이후 hypophosphite의 환원력 에 의하여 무전해 주석도금이 되었다. 1시간의 무 전해구리도 금과 2시간의 무전해 주석도금 후 얻어진범프를 reflow 하여 후속 범프 접합공정 에서 사용할 수 있는 약 10 높이 의 Sn-Cu 범 프를 형 성 하였다.
무전해 구리도금 시 선택적인 구리도금의 영향을 알아보기 위하여 첨가제, 산세처리 유무의 조건을 바꿔가며 그 영향을 알아보았다. Wafer에 형성된 구리산화막을 제거하기 위하여 10% H₂SO₄ 에 약 1분간 에칭한 후 활성화 처리를 하였다. 활성화 처리 후 조건에 따라 산세처리를 하거나 무전해 구리도금액에 안정제를 첨가하여 무전해 구리도금을 하였다.
도금시간에 따른 주석도금층의 두께 측정 실험에서는 wafer위에 전기도금법을 이용하여 구리를 도금하고 그 위에 무전해 주석도금을 시간에 따라 도금하였다. 주석의 도금 두께가 일정하지 않은 것을 고려하여 각 부분별로 두께를 재서 평균한 값으로 그 결과를 측정하였다.
무전해 구리도금으로 형성된 선택적인 구리 범프 위에 무전해 주석도금 공정을 통하여 주석 범프를 형성하였다. 무전해 주석도금 시 도금층의 두께는 실리콘 wafer 위에 구리도금을 하고 그 위에 무전해 주석도금을 실시하여 시간에 따른 주석 도금층의 성장속도를 측정하였다.
본 연구에 사용된 시 편은 20|im via pattern에 전기 도금법을 이용하여 구리 via를 형성한 후 전해연마를 실시하고, 그 위에 선택적인 무전해 구리도금을 실시한 실리콘 wafer를 사용하였다. 무전해 도금시간은 전해도금된 구리 평판 위에 무전해 주석도금한 두께를 관찰한 후 결정하였다.
무전해 도금이 모두 끝난 후에는 형성된 범프를솔더볼로 만들기 위하여 reflow를 실시하였다. 우선 주석 표면에 형성된 산화층 때문에 reflow 시에 주석 표면에 주름이 생기는 것을 방지하기 위하여 reflow 바로 전에 flux를 발랐다.
무전해 주석도금 시 도금층의 두께는 실리콘 wafer 위에 구리도금을 하고 그 위에 무전해 주석도금을 실시하여 시간에 따른 주석 도금층의 성장속도를 측정하였다. 무전해 주석 도금은 80°C 이하의 온도에서도 가능하지만 8CFC에서 hypophosphite0, ] 의 한 deprotonation0] 가장 잘 일어나기 때문에 주석층의 성장 속도를 최대한으로 하기 위하여 온도는 8(rc로 고정 하였다. 무전해 주석도금에 사용한 용액 의 조성은 Table 2와 같다.
형성하였다. 무전해 주석도금 시 도금층의 두께는 실리콘 wafer 위에 구리도금을 하고 그 위에 무전해 주석도금을 실시하여 시간에 따른 주석 도금층의 성장속도를 측정하였다. 무전해 주석 도금은 80°C 이하의 온도에서도 가능하지만 8CFC에서 hypophosphite0, ] 의 한 deprotonation0] 가장 잘 일어나기 때문에 주석층의 성장 속도를 최대한으로 하기 위하여 온도는 8(rc로 고정 하였다.
무전해 구리도금은 자기 촉매적 인 반응이 라 표면에 흡착된 Pd를 핵으로 하여 시편 전체적으로무전해 도금이 진행되었다. 선택적인 무전해구리범프를 형성하기 위해 도금액의 자기분해를 지연시키고 도금충의 표면에 균일성 향상에 효과가 있는 2, 2.bipylidyl를 첨가하였다.6)안정제를 넣을 경우 via 위에만 도금이 되었으나 일부 via 이외의 표면에서 구리가 도금되는 현상이 관찰되었다.
구리 via 시편을 사용하였다. 우선 via 위에무전해 도금을 이용하여 구리층을 먼저 형성 한 후 주석을 무전해 도금하는 순서로 실험을 실시하였다. 무전해 구리도금 시 선택적인 구리도금의 영향을 알아보기 위하여 첨가제, 산세처리 유무의 조건을 바꿔가며 그 영향을 알아보았다.
주석의 도금 두께가 일정하지 않은 것을 고려하여 각 부분별로 두께를 재서 평균한 값으로 그 결과를 측정하였다. 30분 도금할 경우 약 L8|im가 형성되었고 시간에 따라 직선적으로 그 두께가 증가하였다.
이는 아직 표면에 남아 있는 일부 Pd가 핵으로 작용함을 알 수 있었다. 활성화 처리 후 산세처리를 통해 Ta 확산방지층 위 에 부분적 으로 남아있는 Pd을 제거하여 선택적인 구리 범프를 형성하였다. Fig.
Wafer에 형성된 구리산화막을 제거하기 위하여 10% H₂SO₄ 에 약 1분간 에칭한 후 활성화 처리를 하였다. 활성화 처리 후 조건에 따라 산세처리를 하거나 무전해 구리도금액에 안정제를 첨가하여 무전해 구리도금을 하였다. 도금온도는 60°C로 고정하였으며, pH는 무전해 구리도금층의 두께가 pH의 영향을 받지않으면서 균일한 천착이 이루어진다고 보고된 12.

대상 데이터

Sn-Cu 범프 형성을 위하여, 20|im via에 구리가 채워진 구리 via 시편을 사용하였다. 우선 via 위에무전해 도금을 이용하여 구리층을 먼저 형성 한 후 주석을 무전해 도금하는 순서로 실험을 실시하였다.
무전해 주석도금에 사용한 용액 의 조성은 Table 2와 같다. 본 연구에 사용된 시 편은 20|im via pattern에 전기 도금법을 이용하여 구리 via를 형성한 후 전해연마를 실시하고, 그 위에 선택적인 무전해 구리도금을 실시한 실리콘 wafer를 사용하였다. 무전해 도금시간은 전해도금된 구리 평판 위에 무전해 주석도금한 두께를 관찰한 후 결정하였다.
본 연구에서는 산성용액에서 무전해 주석 도금공정을 사용하였다. 무전해주석도금 공정 의 mech- anism을 살펴보면, 구리 기판 위에 도금을 실시하는 displacement 반응에서 구리와 주석의 경우 구리 (0.

성능/효과

bipylidyl를 첨가하였다.6)안정제를 넣을 경우 via 위에만 도금이 되었으나 일부 via 이외의 표면에서 구리가 도금되는 현상이 관찰되었다. 이는 아직 표면에 남아 있는 일부 Pd가 핵으로 작용함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 구리와의 치환반응을 고려하고 주석의 산화를 방지하기 위하여 산성 무전해 주석도금액을 선택하였다. 구리 via 위에 무전해 구리도금과무전해 주석도금을 한 후 reflow 시 크기가 일정한 Sn-Cu 솔더 범프를 얻을 수 있었다.
30분 도금할 경우 약 L8|im가 형성되었고 시간에 따라 직선적으로 그 두께가 증가하였다. 본 연구에서 필요로 하는 주석 범프의 두께는 으¥ 8卩m로서 무전해 주석 도금으로 이 두께를 얻기 위하여 2시간이면 충분한 것으로 보인다. 시간에 따른 도금층의 두께 변화를 Fig.
알칼리 용액내에서 주석의 도금은 disproportionation0!] 의하여 주석층이 형성하는 방법이며 산성용액에서의 주석 도금은 thiourea오} 구리와의 착화물을 형성한 후 치환반응에 의하여 주석 도금층이 성장하는 방법이다. 이2)산성용액에서무전해 주석도금은 도금충의 두께가 일정하고 저온 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 구리와의 치환반응을 고려하고 주석의 산화를 방지하기 위하여 산성 무전해 주석도금액을 선택하였다.
그러나 이 시편을 reflow 시켰을 경우 표면장력에 의하여 범프가 솔더 볼의 형태로 바뀌며 그 크기는 비교적 균일한 것을 알 수 있다. 즉, 구리 범프위에 동일한 양의 주석만 무전해 도금법을 이용하여 형성되면 솔더 볼의 범프를 형성하는 데는 큰 지장이 없는 것으로 나타났다.

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