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Mikrobump-Entwicklung mit einem Pitch von 6 μm unter Verwendung eines Ionenstrahlätzprozesses

Heß, Jennifer

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Prozesses zur Herstellung von 3 μm Mikrobumps mit einem Pitch (Mitte-zu-Mitte-Abstand) von 6 μm. In diesem Zusammenhang wird erstmalig die Eignung des Ionenstrahlätzverfahrens für einen solchen Prozess untersucht. Mikrobumps werden für kürzere Verdrahtungswege zur Kontaktierung von mehreren Mikrochips zueinander benötigt, wie es beispielsweise in der dreidimensionalen Integration, einer Aufbau- und Verbindungstechnik, angestrebt wird. Für kompaktere Aufbauten werden in den nächsten Jahren Mikrobump-Durchmesser von einem Mikrometer benötigt. Bisherige Mikrobump-Verbindungen weisen Bumpbreiten von 4 μm bis 9 μm und Mitte-zu-Mitte-Abstände von minimal 10 μm auf. Eine triviale Verkleinerung der Bumpgeometrie ist dabei nicht, wie gewünscht, möglich. Als Hauptproblem in der Gesamtherstellung erweist sich dabei die Entfernung der Metalldünnschichten zwischen den Mikrobumps, die wiederum für die galvanische Schichtabscheidung benötigt werden. Standardverfahren, basierend auf der nasschemischen Ätzung der Schichten, bewirken ungewollte Unterätzungen der Mikrobumps und somit Zuverlässigkeitsprobleme. In der vorliegenden Arbeit werden erfolgreich Mikrobumps mit einem Durchmesser von 3 μm und einem Pitch von 6 μm hergestellt. Für die Entfernung der Metalldünnschichten wurde ein Ionenstrahlätzverfahren entwickelt, mit dem Unterätzungen der Mikrobumps vermieden werden können. Dabei ist zu beachten, dass sich das entfernte Material auf den umgebenden Mikrobumps ablagern kann. Um den Einfluss des Ionenstrahlätzverfahrens zu überprüfen, wurde die Verteilung dieser Ablagerungen mit energiedispersiven Röntgenspektroskopie untersucht. Weiterführend wurde ein mathematisches Modell entwickelt, das die Bestimmung der Winkelverteilung des geätzten Materials erlaubt. Die Winkelverteilung veranschaulicht, unter welchen Winkeln sich das geätzte Material nach der Entfernung aus dem Festkörper im Raum verteilt. Unter Verwendung von Argon-Ionen und einer Ionenenergie von 300 eV wurde die Winkelverteilung für Kupfer bestimmt. Mit dieser Kenntnis lässt sich die Verteilung der Kupferatome auf den Mikrobumps für beliebige Mikrobump-Abstände vorherzusagen. Der auf das Ätzen folgende Bondprozess erlaubt eine geeignete Justage mit Platziergenauigkeiten von unter 0,5 μm und die anschließende Verlötung der Mikrobumps. Widerstandsmessungen an Viaketten und die Bestimmungen einzelner Kontaktwiderstände durch Vierpunktmessungen zeigen, dass ein elektrischer Kontakt zwischen den verbundenen Mikrobump-Paaren besteht. Das entwickelte Ionenstrahlätzverfahren ist somit für den Einsatz bei der Mikrobump-Herstellung geeignet.

Microbumps serve as short interconnects between microchips in the 3D-integration, assembly and packaging technology. Currently microbumps have diameters of 4 μm to 9 μm and pitches (center-to-center spacing) of at least 10 μm. However, in the coming years the aim for more compact packages with increasing functionality will make a microbump diameter of one micrometer indispensible. At this point a simple miniaturization of the bump geometry is not possible due to drawbacks of the current production methods. The main problem in the entire production process is the removal of the thin metal films between the microbumps, which are left behind from the electroplating process. Standard procedures, based on wet-chemical etching, cause unwanted undercuts in the microbumps and thus reliability problems. The presented work deals with the development and evaluation of a novel ion beam etching method for the removal of the thin metal films in the production of 3 μm microbumps with a pitch of 6 μm. It should be noted that using this novel method can cause the removed material to be deposited on the surrounding microbumps. Hence the deposit distribution was investigated by energy-dispersive X-ray spectroscopy. Furthermore, a mathematical model was developed allowing the determination of the angular distribution of the etched material. The angular distribution represents the angles under which the etched material distributes after being removed from the solid. The angular distribution for copper was determined using argon ions and an ion energy of 300 eV. With the knowledge of the distribution of copper ions it is possible to predict their distribution on the microbumps for any desired microbump distance. The bonding process following the etching process then allows for adequate adjustment with placement accuracies of less than 0.5 μm and the subsequent soldering of the microbumps. Lastly, resistance measurements on daisy chains and the determination of single contact resistance with four-point measurements were performed for process evaluation. The measurements show that an electrical contact between the connected microbump pairs exists. Thus the novel ion beam process is excellent for the production of microbumps with a miniaturized geometry for the 3D-integrated packages of the future.

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Heß, Jennifer: Mikrobump-Entwicklung mit einem Pitch von 6 μm unter Verwendung eines Ionenstrahlätzprozesses. 2014.

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