光刻膠圖形化、電鍍和回流

近年來，一些推測因素表明，僅以物理限制的單個芯片的尺寸無法縮小，但事實上，芯片的尺寸有所增加。國際半導體技術藍圖(ITRS)預言在未來的10年中DRAM的密度將達到每芯片101密封等級和晶圓凸點制備1.1光刻膠圖形化工藝流程晶圓凸點的制作需要曝光圖形化、電鍍和回流這幾個工藝步驟。圖形化工藝通常涉及到用幾層金屬制作用于凸點基礎的凸點下金屬層(UBM)。凸點和晶圓連接的導電性要很好，鈍化層和凸點下金屬層需要有很好的附著性。光刻膠圖形化的標準工藝流程如圖1所示。這個工藝流程同半導體工業的標準流程很接近，不同之處是這里需要厚膠。這種工藝可以使用多種普通的光刻膠，包括：AZP4620,AZPLP50XT,AZPLP100XT(Clariant),THB-611P(JSR)和SPR220(Rohm&HaasElectronicMaterials蛐Shipley)。使用這些光刻膠單次涂布可以制作出20～100μm厚的膠，曝光顯影之后可以獲得接近90°的陡峭側壁結構。光刻膠圖形化完成之后，通過電鍍的方法向空穴里填充焊料或者金。下一步就是去除光刻膠，將柱狀凸點留在表面。最后通過重流使柱狀凸點轉化為球形凸點。1.2對厚膠和晶圓的設計要求重分布層一般由5～10μm厚的聚合物層構成，用于重新排布凸點的布局。這種聚合物可以作為低k值介電材料（BCB:Bencocyclobutene-DowCorning）或者應力吸收層（Lowstresspatternablesilicon-DowCorning）。厚膠工藝對系統有一些特殊的要求。這包括了能夠處理高黏度的光刻膠的涂膠和顯影系統；可以在起伏很大的表面甚至垂直的側壁結構均勻地涂布光刻膠，這只有噴霧式涂膠系統可以實現；對準系統須能在整個膠厚范圍或者晶圓表面起伏的特定高度均勻的識別做為對準標記的幾何圖案，這可以用接近式模板對準器結合陰影曝光的原理來實現；另外一個很重要的要求是將模板與晶圓精確地對準。然而膠的厚度決定了模板與晶圓沒有辦法同時處于顯微鏡的聚焦平面，這使得模板與晶圓的精確對準成為了一個挑戰。2亞大米級曝光技術光刻過程對于接近式模板對準曝光機的要求包括：高強度、高均勻性、小發散角的紫外光源、紫外光的波長與光刻膠的敏感波長相吻合，亞微米級的精度對準和控制涂有厚膠的晶圓，以及保障模板與晶圓的高度平行。EVG公司的NanoAlign技術以最高的對準精度和分辨率以及最低的使用成本為設計理念來凸現全場曝光技術的優勢。目前，其公司的所有曝光機已經應用了此項技術。其目標包括了主動異常控制和亞100nm動態對準分辨率。2.1調解晶圓與模板的再分離為了保證模板的圖形無形變地轉移到晶圓上，晶圓涂膠的一面必須與模板高度平行。這可以通過外置的監測平臺確定晶圓的厚度和傾角來調解或者晶圓與模板全部/部分接觸再分離的辦法來實現。無接觸晶圓平行調節由于膠永遠不會與模板的Cr接觸，因此理論上其模板的壽命是無限長的。這就使得工業大生產的應用都傾向于無接觸式的晶圓平行調節。2.2大間距準準制模式晶圓與模板平行調節之后，模板上的標記要精確的與晶圓上已有的套刻標記對準，對準可通過CCD相機同分離視場的顯微鏡配合實現。智能楨捕獲系統會根據CCD相機拍到的圖形來搜索設置過的特定對準標記。為了獲得最高的對準精度與可靠性，最先進的圖形識別系統將圖形轉化為一系列的矢量作為對準的參考標準。對于顏色和方向輕微變化或者輕微扭曲的圖形，系統也可以準確的識別。附加的智能軟件功能還可以準確區分非常相似的對準標記，從而保證了對準過程使用的標記是正確的。大間距對準（LGA）模式是標準正面對準(TSA)模式的改進。其過程為先使用上側的顯微鏡對模板進行定位，之后晶圓被精確地放置到模板的位置，與此同時模板則通過高精度z方向電動機臨時升高，最后使用晶圓上的標記與計算機紀錄的模板標記進行比較并對準。正面對準時模板與晶圓必須同時被聚焦，大間距對準則不受聚焦深度的影響。于是大間距對準中顯微鏡的倍數也就不受限制。背面對準(BSA)是將晶圓的對準標記做在晶圓的背面。晶圓將通過背面的標記與計算機儲存的標記進行對準。正面對準模式對于膠厚20μm的晶圓只能達到1μm(3σ）的對準精度，而大間距對準可以實現500μm厚膠低于1μm(3σ)的精確對準。圖2是這幾種對準方法的示意圖。為了避免環境震動對于對準精度帶來的負面影響，曝光機還引進了帶有精確自水平閉環控制系統的智能主動隔離系統。這不僅可以隔離由地板帶來的環境震動還可以隔離由附屬設備比如機械手和FOUP晶圓裝卸帶來的震動。2.3不同光照效果的介質曝光設備一旦對準工作完成之后，紫外光就被用來對光刻膠進行曝光。高壓水銀電弧燈或者水銀蛐氙燈被用作光源。其功率：350～5000W。大多數光刻膠對于波長350～450nm的紫外光敏感，這個范圍包括Hg-i線(365nm),Hg-h線和Hg-g線。專門的介電濾光器可以針對不同光刻膠的敏感性（Hg-i線,Hgh線和Hg-g線……）來匹配波長的范圍和強度。曝光機必須能夠自動監測和補償由于光源老化導致的光強持續衰減（衰減與各波長獨立）。350和500W的汞燈已經可以滿足大致φ150mm晶圓的厚膠曝光。為了滿足60～110片蛐h的產量，φ200mm和φ300mm晶圓厚膠曝光對于高強度光源的需求使得大功率光源是不可避免的。其中φ200mm的晶圓需要1000W的汞燈而φ300mm的晶圓需要5000W的光源。為了保證整個晶圓面積的光刻膠曝光均勻，光強的均勻性需要達到±2%～±5%。2.4網格化模板溫度控制系統客戶，尤其是封裝廠，都希望大的靈活性與短時間的快速反應。在很多時候，不同尺寸晶圓的快速轉換就變得很關鍵。最新的曝光機的轉換包括從φ150mm到φ300mm的不同尺寸的標準晶圓只需要幾分鐘的時間。其他的可調參數還包括了晶圓的厚度和翹變。智能晶圓吸盤可以方便地處理翹變高達2000mm的晶圓以及各種薄片、超薄片和易碎片。對于φ200mm和φ300mm所需要229mm×229mm和356mm×356mm大面積模板來說，使用石英是不經濟的。但是便宜的sodalime玻璃的熱膨脹系數比Si高4倍。為了使這種廉價模板可以被應用，曝光機中引入了模板溫度控制系統。這個系統可以保證晶圓到晶圓以及不同批次的模板溫度差異只有±0.2°C。通過這一方法，模板的成本將會大幅度的降低。金屬層重分布、鈍化層和金屬凸點微模具制造等這些晶圓級封裝技術需要光刻膠的厚度高達100μm。為了滿足