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半导体后端工艺:晶圆级封装工艺(上)

发布日期:2024-02-25 | 作者:杏彩体育
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  封装(Fan-Out WLCSP),其特点是在整个封装过程中,晶圆始终保持完整。除此之外,重新分配层(RDL)封装、倒片(Flip Chip)封装及硅通孔 ^1^ (TSV)封装通常也被归类为晶圆级封装,尽管这些封装方法在晶圆切割前仅完成了部分工序。不同封装方法所使用的金属及电镀(Electroplating)^2^绘制图案也均不相同。不过,在封装过程中,这几种方法基本都遵循如下顺序。

  ^1^ 硅通孔(TSV , Through-Silicon Via): 一种可完全穿过硅裸片或晶圆实现硅片堆叠的垂直互连通道。

  ^2^ 电镀 (Electroplating): 一项晶圆级封装工艺,通过在阳极上发生氧化反应来产生电子,并将电子导入到作为阴极的电解质溶液中,使该溶液中的金属离子在晶圆表面被还原成金属。

  完成晶圆测试后,根据需求在晶圆上制作绝缘层(Dielectric Layer)。初次曝光后,绝缘层通过光刻技术再次对芯片焊盘进行曝光。然后,通过溅射(Sputtering)^3^工艺在晶圆表面涂覆金属层。此金属层可增强在后续步骤中形成的电镀金属层的黏附力,同时还可作为扩散阻挡层以防止金属内部发生化学反应。此外,金属层还可在电镀过程中充当电子通道。之后涂覆光刻胶(Photoresist)以形成电镀层,并通过光刻工艺绘制图案,再利用电镀形成一层厚的金属层。电镀完成后,进行光刻胶去胶工艺,采用刻蚀工艺去除剩余的薄金属层。最后,电镀金属层就在晶圆表面制作完成了所需图案。这些图案可充当扇入型WLCSP的引线、重新分配层封装中的焊盘再分布,以及倒片封装中的凸点。下文将对每道工序进行详细介绍。

  ^3^ 溅射 (Sputtering): 一项利用等离子体束对靶材进行物理碰击,使靶材粒子脱落并沉积在晶圆上的工艺。

  光刻对应的英文是Photolithography,由“-litho(石刻)”和“graphy(绘图)”组成,是一种印刷技术,换句话说,光刻是一种电路图案绘制工艺。首先在晶圆上涂覆一层被称为“光刻胶”的光敏聚合物,然后透过刻有所需图案的掩模,选择性地对晶圆进行曝光,对曝光区域进行显影,以绘制所需的图案或图形。该工艺的步骤如图2所示。

  在晶圆级封装中,光刻工艺主要用于在绝缘层上绘制图案,进而使用绘制图案来创建电镀层,并通过刻蚀扩散层来形成金属线:摄影与光刻的对比

  为更加清楚地了解光刻工艺,不妨将其与摄影技术进行比较。如图3所示,摄影以太阳光作为光源来捕捉拍摄对象,对象可以是物体、地标或人物。而光刻则需要特定光源将掩模上的图案转移到曝光设备上。另外,摄像机中的胶片也可类比为光刻工艺中涂覆在晶圆上的光刻胶。如图4所示,我们可以通过三种方法将光刻胶涂覆在晶圆上,包括旋涂(Spin Coa

  中心,离心力会使光刻胶向晶圆边缘扩散,从而以均匀的厚度分散在晶圆上。粘度越高转速越低,光刻胶就越厚。反之,粘度越低转速越高,光刻胶就越薄。对于晶圆级封装而言,特别是倒片封装,光刻胶层的厚度须达到30 μm至100 μm,才能形成焊接凸点。然而,通过单次旋涂很难达到所需厚度。在某些情况下,需要反复旋涂光刻胶并多次进行前烘。因此,在所需光刻胶层较厚的情况下,使用层压方法更加有效,因为这种方法从初始阶段就能够使光刻胶薄膜达到所需厚度,同时在处理过程中不会造成晶圆浪费,因此成本效益也更高。但是,如果晶圆结构表面粗糙,则很难将光刻胶膜附着在晶圆表面,此种情况下使用层压方法,会导致产品

  完成光刻胶涂覆和前烘后,接下来就需要进行曝光。通过照射,将掩模上的图案投射到晶圆表面的光刻胶上。由于正性光刻胶(Positive PR)在曝光后会软化,因此使用正性光刻胶时,需在掩模去除区开孔。负性光刻胶(Negative PR)在曝光后则会硬化,所以需在掩模保留区开孔。晶圆级封装通常采用掩模对准曝光机(Mask Aligner)^4^或步进式***(Stepper)^5^作为光刻工艺设备。

  显影(Development)是一种利用显影液来溶解因光刻工艺而软化的光刻胶的工艺。如图6所示,显影方法可分为三种,包括:水坑式 显影(Puddle Development),将显影液倒入晶圆中心,并进行低速旋转;浸没式显影(Tank Development),将多个晶圆同时浸入显影液中;喷淋式显影(Spray Development),将显影液喷洒到晶圆上。图7显示了静态显影方法的

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