本文系统性地探讨了半导体二极管制造中的关键表面处理技术——化学镀镍(亦称无电镀镍)的工艺原理与质量控制。文章详细分析了镀镍过程中的核心影响因素，包括活化前处理、PH值、温度及烧结参数等，并重点研究了影响器件可靠性的关键缺陷：镀层剥离(Peeling)。研究针对一次镍与硅基底之间、以及一次镍与二次镍之间的Peeling现象，进行了根本原因分析，并提出了有效的工艺改善方案。此外，本文亦简要概述了为优化器件电性参数(如逆向恢复时间TRR)所采用的金扩散制程。结果表明，通过精确控制镀镍及扩散各环节的工艺参数，可显著提升镀层结合力与最终产品的电性能及可靠性。

无电镀镍的作用：

便于焊接

化学镀镍的优点：

1. 不需外加直流电源设备

2. 可在非金属，半导体等各种不同基材上镀覆

3. 镀层厚度分布均匀

无电镀镍的原理：

1. 活化中心的氧化还原反应

通过对不具有催化表面的工件(芯片)的特殊预处理—清洗，活化，使其表面具有催化作用后，在工件(芯片)表面发生氧化还原反应【Ni被次亚磷酸钠还原成金属  Ni-P合金而沉积在工件(芯片)表面】活用的活化剂(钯、镍、金盐)。

2. 烧渗(烧结)

金属离子在高温下有向硅晶体内部渗透扩散的特性

3. 二次镍与一次镍的结合，提高抗拉力

用硝酸洗去氧化镍后，芯片的表层镶嵌的镍磷合金就是催化剂，使得氧化还原反应在一次镍表面进行，一次镍与二次镍结合起来

影响化学镀镍的因素：

1. 活化前处理：

电桨蚀刻除去表层的SiO及歼留的玻璃层;B浸泡1：10的HF，除去残留的SiO.露出新鲜的硅层，便于硅层与活化剂作用形成活化中心，促进氧化还原反应的进行  电桨蚀刻不凈，浸泡1：10的HF时间不足，导致氧化层，玻璃层除去不撤底，最终导致芯片表面镀不上镍，或者影响镍层在芯片表面的附着，导致一次镍与芯片之间的Peeling  。

2. 活化处理：

3. PH值:

碱性镀镍PH：8-9

A . PH值过低，反应慢，沉积速度低

B.PH值过高，溶液会反应剧烈，呈沸腾状，出现深灰色镍粉(溶液自然分解的象征) 操作中可以添加氨水来补充蒸发了的氨和中和沉积反应时产生的酸

4. 温度：

温度对沉积速度影响很大，温度俞高，沉淀速度俞快，当温度低于  700C反应已不进行，当温度高于950C时，将大大降低溶液的稳定性，特别是加热不均匀，PH值偏高时，很容易的自然分解

5. 镀镍的时间：

时间过长，沉积的镍层过厚，在烧结时会导镍层致脱落，镀镍失败  时间过短，沉积的镍层过薄，烧结渗入芯片中的镍层不足，不会与二次镍足够的接合在一起，导致抗拉力不足。  本公司镀镍工艺采用渐延长时间的镀镍工艺，2-4min,控制镍层在一个比较均匀的范围内

6. 烧结：

由于热能的驱动，加上镍是比较活泼的金属，在高温下镍极易向硅层中透。

控制点：

A.氮气的流量

因镍在高温下极易氧化，氮气作为保护气体必须提供足够的保护作用

B.推拉杆的速度：

推进的速度过快：热应力过大，层与硅层的附着性降低拉出的速度过快：芯片过热的情况下拉至炉口导致镍层氧化 。

C.在炉口冷却足够时间：

防止芯片镍层氧化

7. 去氧化镍及清洗：

目的：

A.去没有烧渗入硅层内部多余的镍层及氧化镍，为二次镍作与一次镍结合提供清洁，无杂质干扰的环境

B.如氧化镍除去不凈，它会增高VF 。

工艺条件：

85°C热硝酸浸泡4min,浸1：10HF30秒，振清洗10：15min.

控制重点：

A.将一次镍外表的氧化镍及其它杂质振荡清洗撤底，如清洗不凈会导致一次镍与二次镍之间的结合不良，最终导致一次镍与二次镍之间的peeling.

B.针对Open/Junction之芯片在镀二次前浸的1：10的HF的酸性必须比较弱，以致不损伤渗入芯片内部的镍层，不致一/二次镍间peeling一般用使用6批以后的1：10HF酸.

8. 镍层的均匀性：

A.镀镍时，有效的提动芯片，使整体芯片沉积均匀.

B.控制镀镍时的温度的波动性，避免产生片状镍层. C.O/J镀一次镍前浸冷镍水，避免反应过于剧烈，导致镍层不均.

9. 镀完镍后之芯片的保护：

控制点：

1).要将镍液撤底冲洗干凈，脱水，烘烤，如不能将镀镍液冲洗干凈，芯片上镀镍液在空气中会腐蚀镍层.

2) . 绝对禁止将镀好镍的芯片存放在酸雾的地方，避免腐蚀镍层.

3).GPP芯片覆盖金属层以保护镍层;O/J芯片最好在干燥，绝氧的条件下(如氮气柜中保存)

10.镀镍液的组成及配比：

A.一般增加镍盐浓度并不能相应镍的沉积速度(低浓度范围内除外)镍盐浓度过高，导致镀液稳定性下降，并易出现粗糙镀层.

B.次磷酸钠浓度(0.15～0.35mil 16-37G/L)浓度过高易引起镀液自然分解，浓度过低，沉积速度过慢  Ni2+/[HPO]的摩尔而比在0.4左右较合适.

C.络合剂：  (由于氧化还原反应的进行，次磷酸盐被氧化成亚磷酸盐，为防止亚磷酸镍微粒析出，可在溶液中添加柠檬酸钠等络合剂(酸性10-15G/L)碱性镀镍，常用焦磷酸或铵络合剂.

D.缓冲剂： 为防止PH值的剧烈变化，常加入缓冲剂.

化学镀镍液的维护：

1 .避免镀镍液空载时间过长.

调节好PH值的镍水不易存放时间过长.

2. 浸过活化剂的芯片要清洗干凈才可镀镍，避免镍水分解

3. 镍水加热时温度不得超过95°C

4. 镀镍完毕后，要定期清洗镀镍槽，槽底和槽壁不得有残留海棉状镍存在，它会成为溶液自然分解的活化中心.

5. 为防止出现片状镀层(镀层脱落)，在施镀时要严格控制工作控制工作温度，波动范围不超过±2°C

6. 避免金属层或固体粒子落入镀镍液中.

• I次镍与硅层间Peeling. I次镍没有烧渗入硅层内部，或者渗透量不足.

原因分析：

1.芯片清洗不凈，导致1次镍与芯片结合不好，阻挡镍层的渗入.

2.活化效果不佳，导致1次镍与芯片结合不佳，在烧结时镍层无法均匀的渗透入硅层内部.

不良现象：洗硝酸后，芯片外观发蓝(无镍层扩散至硅层内部)

改善措施：

1.增加自动提涮清洗设备，提高清洗效果.

2.由氰金化钾活化，改用氯化金活化，并增加浸冷镍水，提升一次镀镍效果。

• II次镍与I次镍之间Peeling(II次镍与I次镍结合不佳)

原因分析:

1.HN0₃去氧化镍后，振荡清洗不净;

2.镀Ⅱ次镍前浸 1:10HF 酸性过强，损伤Ⅰ次镍的表层

不良现象:

1.焊接后做剥裂实验，断裂面两面都是镍层;

2.二次镍后，出现不均匀的镍层花纹

改善措施:

1.HN0₃去氧化镍后，振荡清洗增加更换纯水的频率(由每批更换一次增加到三次)

2. 降低Ⅱ次镍前 1: 10HF 酸的酸性，镀Ⅱ次镍前使用的 HF(1:10)为使用过6批芯片以后的HF。

• 镍层与焊片间浸润性不好、断裂

原因分析：

1. 晶粒清洗不凈

2. 镀镍后的芯片，晶粒受酸汽腐蚀，存放过久，镍层轻度氧化.

改善措施：

1. 镀镍完成后，禁止存放在酸汽严重的区域.

2. 密封保存.

一、分类：

在扩散制程中，依照产品不同，在供货商无法细分类时，需选择合适之芯片阻值及厚度，利用球型测量仪及四点探针将其分类后，方可扩散出合适之电性。

二、清洗：(表面清洗)

1、  清洗的目的是为了去除硅晶圆表面上的氧化层及杂质，包括重金属如铁、铜、油污和尘埃等。不同制程之前，大多需经过一道或几道的清洗，有些公司用酸类，将芯片表面减薄，即以HNO₃(硝酸)、CH₃COOH(冰醋酸)、HF(氢氟酸)、以5：0：1的配比，有些公司则利用哈摩粉(HAEM-SOL)为清洗材料。

2、在此硝酸与硅芯片起反应生成二氧化硅之氧化硅(SIO)再由氢氟酸将二氧化硅之氧化层去除，冰醋酸则可降低酸温之反应速度。尿素则为缓冲用。

3、因此道工序使用的混合酸亦有将芯片表面之厚度蚀刻减薄之作用，时间上控制及酸温相当重要，清洗后亦需抽测厚度是否属于正常范围内。(亦可用氢氧化钾-KOH)

4、清洗后应即刻去做完磷扩，以避免芯片表面再度氧化及污染，未及时进炉，则应置于氮氧柜内，在8小时内，应做完磷硼扩。

5、清洗所用的水为去离子水(D. I. WATER)12M奥姆-18M奥姆-CM左右。

三、磷扩散(P)

1、将磷纸(主要成分为P2O5和AL₂O₃)和N型基材(RAW.  WAFER)之硅芯片层层堆栈，紧密压重后以12500C之高温，4–12HR不等(依产品)时间，磷即可掺入硅芯片表面成为负型硅(N-TYPE)，二极管之N面即在此产生。(磷纸为P35或P70K)

2、N型半导体中，其主要带电粒子为带负电的电子。纯粹的硅在室温不易导电，加入磷(P)或硼(B)取代硅的位置就会产生自由电子或自由电洞，加以偏压后就可轻易导电。

3、以RGP为例，有的公司以磷ˊ硼一次扩散，并在扩散中加入氮气及氧化(4：1)或(5：1)并适当的抽风换气，因硅在扩散氧化时会产生一些缺陷，如空洞，这些缺陷会有助于掺质子硅扩散速度，另外由于驱入是利用原子的扩散，因此其方向是多方均等，甚至有可能从芯片基座向外扩散(OUT–DIFFUSION)，通氧气可阻止掺质硅向外扩散。

四、磷扩后清洗：(分片)

1.磷扩后堆栈之芯片会紧密的粘在一起，扩散时间越久粘紧程度越严重，此工序乃利用氢氟酸(HF)与扩散间的杂质反应，逐渐渗透到芯片之间，达到芯片分离及去除表面杂质之附着。(HF)是强氧化的酸，可将磷扩后所形成的氧化层及磷纸中的含Al₂O₃等杂质反应而分离之。达到芯片分离及去除表面杂质之附着。

2.磷扩之浸泡，一般需8小时以上，泡开后再以纯水清洗干净，芯片表面可见明显之扩散花纹。

五、磷扩后吹砂(一次吹砂)

1.在磷扩后(N面)，将会于P面边沿也附着一些磷源(CROOVER)，并有氧化层存在，将影响下一工序(硼扩)之质量，故需利用吹砂或研磨之方式将其去除。

2.利用280#或 400#、500#氧化铝砂(AlO₃)于0.4-1KG/CM  之压力下(依据产品不同，压力不同)可去除芯片表面氧化层，压力、速度及砂材料在此工序中相当重要。、利用高速旋转的钻石磨头研磨方式，亦可达到去除芯片表面层杂质的功能，且研磨方式所得到的芯片表面会较平滑，厚度控制也较准确，但产能远比吹砂慢数倍，除特殊产品外，一般可以用吹砂方式。

六、硼扩散：(B)

1、对芯片扩散制程而言，将三价元素硼(BORON.B)扩散入N型硅元素，远比将五价元素磷扩散来的重要且时间长多了，故依不同产品得到不同电压值，甚至VR值，则除了在芯片阻值选择(影响VR值，两成正比)外，扩散时间(时间越长，VR值越低，VF值越低)及芯片厚度三者之间密不可分，相互影响，故工程师对不同档次的产品，对阻值选择、厚度选择、扩散时间均有一定之规定。

2、在1260°C高温下，将硼纸中的硼元素(五介元素，常用的硼化合物是氮化硼(BORON NITRIDE BN)  扩散入硅片中，由于三价元素和电子之间的填补作用，而称为电洞传导，亦使硅的导电性增加而形成P形层。

七、砍砂后清洗：

1、由于吹砂后于芯片表面附着大量砂粉，甚至油污(高压空气内)此道工序利用超声波及碱性清洁济,如哈摩液(HAEM-SOL)等,重复多次的清洗,而达到去除表面层粒子之功能。

八、硼扩前清洗:

1.对芯片之PIV及VF而言,硼扩是相当重要的一个工序,吹砂和研磨后所遗留于芯片表面的污染杂质及氧化物等,需在此工序以20%之稀释氢氟酸浸泡约6分钟,再以超纯水清洗之,在水质大于8M奥姆时,方可转至下一工序。

2.部分较重要之产品,甚至以RCA清洗制程清洗制程,即SCI(碱洗)+SC(酸)洗)

3.SCI→纯水+氨水+双氧水(5:1:1)90℃*10分钟。

4.SC→纯水+盐酸+双氧水(5:1:1)90℃*10分钟。

5.SCI+SC可有效去除微粒子、金属、有机物等。

一、金扩散的目的： 

减少晶体管集电路区的少数载流子寿命，缩短贮存时间(即逆向恢复时间)获得比较低的TRR值。

 二、金扩散的原理:  

扩散方式：  金在硅中的扩散，以填隙-替位分解扩散的方式进行，即当金在硅中扩散时，既有填隙式又有替位式，当填隙式金原子(Au)遇到晶格空位(V)时，可以被空位俘获成为替位式的金原子(Au)或相反。这一反应过程可用下式表示：

三、白金与黄金扩散的特性差异： 

 1.黄金与白金比较，白金在硅中有较高的固溶度[Pt为5*1017(cm-3)Au为1017(cm-3)]并有更快的扩散速率，可见，要获得相同的TRR，白金的扩散温度要低于黄金的扩散温度。  

2. 白金的漏电流比黄金小。 

3. 相同的TRR条件下，白金扩散的比黄金扩的VF高。

 四、目前金扩散制程简介：

 1.扩散源：Au900与pt920金水。  

2.上金前清洗(20%HCL漂洗6min)→上金(采毛笔沾取适量金水刷涂于旋转的芯片P面，旋转头转速为1500±100转/分钟，10  see)→P面相对将芯片迭好→金扩散(N气流量设定5L/min)→金扩散清洗。  黄金清洗-纯HF酸冲漂洗30秒→纯水涮洗→HF：HCL=1：1酸漂洗10min→纯水涮洗→611酸洗15秒。

白金清洗-1：1混酸漂洗1分钟→纯水涮洗→50%HF洗15秒→纯水涮洗→611酸洗15秒。

五、金扩散后TRR异常之可能原因及措施：

1.酸蚀的目的?

将切割后的晶粒P/N面洗出，使整流器之整流特性得以体现;

将晶粒四周之机械伤害和脏污去除。

2.混合酸有哪些成分?各单酸的作用?

3、混合酸蚀完毕后冲水有什么作用?

混合酸中各单酸除与芯片发生以上反应产生SiF₄外，还会与Cu(引线)Pb(焊片的主要成份反应，产生CuSO₄结晶及醋酸铅白色粉未，附着于晶粒上，此道冲水就是将以上杂质冲去  。

4、酸蚀过轻/过度会对晶粒之电性表现有什么影响?

酸蚀不足时，硅芯片侧面的伤痕无法蚀洗干净，造成逆向漏电，电性会呈现RD，PIV不足现象，酸蚀过度时，使晶粒的表面积过小，VF过高，而且会造成金属和晶粒接触部分脆弱这种情形的电场分布也不会均匀，受到外力时容易崩裂，从而造成很大的逆向漏电，酸蚀前后硅芯片的大小差，最好在5mil左右，我们现在控制的范围在5～10mil。