應(yīng)用于MEMS及3D-IC封裝中的噴膠技術(shù)

沈陽(yáng)芯源微電子設(shè)備有限公司 張晨陽(yáng) 邢 栗

隨著MEMS制造及3D-IC封裝技術(shù)的發(fā)展，噴膠技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)論述了噴膠技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用、優(yōu)點(diǎn)；分析了影響噴膠工藝質(zhì)量的因素；并對(duì)未來(lái)噴膠技術(shù)的前景作了一定的展望。實(shí)驗(yàn)采用AZ4620光刻膠，對(duì)375μm深的TSV孔進(jìn)行霧化噴膠。

引言：隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）與3D-IC封裝技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，為了滿足不斷發(fā)展的小尺寸和高集成度的器件要求，需要在非平整的表面上（具有溝道、V型槽以及深孔）覆蓋共形的光刻膠。硅通孔技術(shù)（TSV）作為3D-IC封裝中重要的工藝技術(shù)，通過(guò)芯片到芯片、晶圓到晶圓間的垂直互聯(lián)，從而得到堆疊密度大、尺寸小、運(yùn)行速度快、功耗小的高質(zhì)量芯片。所以向具有不平整形貌的TSV結(jié)構(gòu)涂覆光刻膠的需求越來(lái)越大，這就促使了新的涂覆光刻膠技術(shù)發(fā)展。圖1為采用TSV技術(shù)3D-IC封裝SEM圖片。

圖1 采用TSV技術(shù)3D-IC封裝SEM圖片

旋轉(zhuǎn)式涂膠工藝是最傳統(tǒng)的涂膠工藝，但是由于旋涂過(guò)程中光刻膠所受離心力與重力的作用，常規(guī)的旋轉(zhuǎn)式涂膠技術(shù)并不能在這些具有形貌的晶圓表面達(dá)到共形的光刻膠涂布。優(yōu)化的電子束沉積光刻膠工藝技術(shù)可以達(dá)到共形的光刻膠覆蓋，但是在這種工藝中，需要一層導(dǎo)電的電鍍層作為基層，這種導(dǎo)電層對(duì)于后道制程是不利的，而且成本也比較高。為了滿足這種共形的光刻膠覆蓋，一種新型的噴膠技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這種噴膠技術(shù)具有操作簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)、重復(fù)性高的特點(diǎn)，而且具有替代常規(guī)旋涂技術(shù)的趨勢(shì)。這種噴膠技術(shù)最早是由EVG公司于1999年提出的，其關(guān)鍵部分是其使用的超聲低壓噴霧噴嘴。噴膠工藝相對(duì)于電子束沉積光刻膠工藝，大大地節(jié)省了成本。

1.噴膠實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中采用的噴膠設(shè)備為沈陽(yáng)芯源微電子設(shè)備有限公司KSM200-1SP噴霧式涂膠機(jī)。圖2為KS-M200-1SP噴膠機(jī)。噴膠設(shè)備的核心部件是超聲波噴嘴。噴嘴通過(guò)超聲振蕩產(chǎn)生微米級(jí)別的光刻膠小液滴。經(jīng)由壓縮空氣或者氮?dú)鈿饬骷铀偈惯@種光刻膠液滴噴向晶圓表面。工藝時(shí)，晶圓以較低的轉(zhuǎn)速（30-60rpm）緩慢的旋轉(zhuǎn)，低轉(zhuǎn)速可以有效的降低離心力的影響。與此同時(shí)，噴膠機(jī)帶動(dòng)超聲波噴嘴的擺臂以設(shè)定的路徑掃描通過(guò)整個(gè)晶圓，從而使的帶有TSV結(jié)構(gòu)的晶圓表面涂覆滿光刻膠。

1.2 噴膠工藝中超聲噴嘴的行走軌跡

為了提高噴膠工藝膠膜的均勻性及工藝靈活性，超聲噴嘴在晶圓上方的行走軌跡有多種方式，常規(guī)的方式有如下兩種。

a.在噴膠過(guò)程中，晶圓通過(guò)真空吸附在吸盤(pán)上，并以較低的轉(zhuǎn)速（30-60 rpm）旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在其上方與晶圓表面成45°的噴嘴以一定的線速度在晶圓上移動(dòng)（通過(guò)晶圓的圓心），以達(dá)到在整個(gè)晶圓表面涂布光刻膠的目的。較低的轉(zhuǎn)速最大程度降低基底區(qū)域的離心力。

b.如圖3所示，在噴膠過(guò)程中，晶圓通過(guò)真空吸附在吸盤(pán)上固定不動(dòng)，垂直固定其上方的噴嘴在X、Y雙向運(yùn)動(dòng)臂的作用下相對(duì)于晶圓移動(dòng)，虛線及箭頭所示為噴嘴的行走路徑，通過(guò)設(shè)定的掃描速率和步距使噴嘴掃描整個(gè)晶圓表面。實(shí)驗(yàn)噴嘴采用此種運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行工藝。

圖2 KS-M200-1SP 噴膠機(jī)

圖3 噴嘴以S型軌跡移動(dòng)示意圖

1.3 光刻膠

想要將光刻膠霧化成為小液滴，需要黏度小于30CP的光刻膠溶液。AZ4620光刻膠的性能非常適合涂覆在TSV結(jié)構(gòu)的表面，并且能夠得到質(zhì)量很好膜層。AZ4620光刻膠黏度為440CP，因此本實(shí)驗(yàn)采用丙酮溶劑來(lái)稀釋AZ4620光刻膠，降低其黏度。我們按AZ4620與丙酮體積比為1:10的比例稀釋?zhuān)玫紺P值為20的光刻膠溶液。通過(guò)優(yōu)化涂膠工藝和使用稀釋的AZ4620光刻膠，我們?cè)趲в?75μm深孔的晶圓上噴涂了一層均勻的光刻膠層，均勻性能達(dá)到±10%。圖4為375μm 深TSV孔中光刻膠線條SEM圖。

圖4 375μm深TSV孔中光刻膠線條SEM圖

2.噴膠技術(shù)的應(yīng)用

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)我們可以得出，這種噴膠技術(shù)得到的光刻膠膜的膜厚和均勻性可以很好的應(yīng)用在一些MEMS和先進(jìn)封裝上。它的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面。

a.在平整的表面均勻的涂布一定厚度的光刻膠，替代常規(guī)的旋涂技術(shù)；

b.在具有溝道、V型槽、TSV孔的晶圓表面覆蓋共形的光刻膠，使得進(jìn)一步在溝道里，V型槽中，TSV孔內(nèi)底部做光刻及刻蝕工藝。

c.應(yīng)用與制作金屬電鍍的光刻膠印模等。

d.其它形狀的晶片。

3.噴膠優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

噴膠技術(shù)的發(fā)展為MEMS及3D-IC封裝提供了工藝技術(shù)支持，相比于旋轉(zhuǎn)式涂膠工藝，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

a.成本低。噴膠所使用的光刻膠較少，同樣厚度的膠膜，利用旋轉(zhuǎn)式涂膠技術(shù)使用的光刻膠約是噴膠技術(shù)的10至15倍，利用噴膠技術(shù)可節(jié)省大量成本。

b.應(yīng)用范圍廣。噴膠技術(shù)不僅可以在不同形狀的晶圓上涂布光刻膠，還可以在具有形貌的晶圓表面涂布共形的光刻膠，最主要的是可以在一些較薄易碎的晶片表面涂布光刻膠，而這是旋涂工藝所不能完成的（離心力的作用極易使晶片碎裂）。

噴膠工藝也有它的一些不足，例如目前的噴膠設(shè)備使用的光刻膠CP值往往低于20，高于這個(gè)值，光刻膠不易被超聲霧化為顆粒；另一方面，對(duì)于尺寸較大的晶圓，與旋轉(zhuǎn)涂膠相比，噴膠所用的時(shí)間稍長(zhǎng)一些。

4.影響噴膠工藝質(zhì)量的參數(shù)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出，在具有一定形貌的晶圓表面噴涂均勻的光刻膠膜并不是一件容易的事。對(duì)具有TSV深孔的晶圓表面噴涂光刻膠，在孔的頂部邊緣往往沒(méi)有光刻膠，而在靠近孔的底部區(qū)域會(huì)聚集比較多的光刻膠。這樣，為了達(dá)到均勻的光刻膠膜，就需要優(yōu)化影響噴膠工藝質(zhì)量的參數(shù)，主要有以下幾個(gè)方面。

a.光刻膠。不同的光刻膠所含的物質(zhì)不同，化學(xué)性質(zhì)不同，同樣條件下噴膠后膠膜的質(zhì)量就不同。在現(xiàn)代半導(dǎo)體領(lǐng)域低成本的驅(qū)動(dòng)下，能夠滿足半導(dǎo)體工藝需求的前提條件下，應(yīng)盡量使用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的光刻膠，例如AZ 4620；

b.光刻膠與溶劑的配比比例。由于光刻膠的CP值往往較大，為了能夠?qū)⑵潇F化為顆粒，需要將其配比一定量的溶劑加以稀釋?zhuān)瑥亩档虲P值，不同的配比比例對(duì)膠膜的均勻性及厚度均有影響；

c.噴嘴相對(duì)于晶片的移動(dòng)速率。在其它條件不變的情況下，移動(dòng)速率越大，噴膠所需要的時(shí)間越短，對(duì)應(yīng)的膠膜也越薄。但是移動(dòng)速率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致膠膜的均勻性較差；

d.噴嘴氣體流量。噴嘴氣體流量主要決定膠膜的厚度，厚度與流量大小成正比；

e.超聲波功率。超聲功率決定霧化顆粒數(shù)量及大小，進(jìn)而影響膠膜的厚度和均勻性；

f.噴嘴氮?dú)鈮毫?。噴嘴氮?dú)鈮毫^(guò)大，會(huì)使霧化的顆粒噴灑到晶圓表面后再反彈回來(lái)，如果壓力過(guò)小，不會(huì)使霧化的顆粒均勻的噴灑到晶圓表面；

g.晶圓的溫度。晶圓的溫度會(huì)影響光刻膠中溶劑的揮發(fā)速率，進(jìn)而影響膠膜的流動(dòng)性。所以對(duì)于具有形貌的晶圓，溫度對(duì)膠膜質(zhì)量的影響較大；

h.噴嘴距離晶圓表面的距離。此因素主要影響膜厚的均勻性；

i.噴嘴的超聲波頻率。噴嘴的超聲波頻率主要決定霧化的液體顆粒大小，對(duì)于不同的噴涂需求，應(yīng)選擇適當(dāng)頻率的超聲噴嘴。

5.噴膠工藝技術(shù)的發(fā)展前景

在半導(dǎo)體領(lǐng)域的工藝技術(shù)中，新型的噴膠技術(shù)可以很好的應(yīng)用在MEMS、3D-IC封裝當(dāng)中。隨著MEMS及3D-IC封裝技術(shù)的發(fā)展，噴膠技術(shù)必將成為一種廣泛應(yīng)用的技術(shù)，具有著廣闊的發(fā)展空間，未來(lái)將有如下的發(fā)展前景。

a. 具有高CP值的光刻膠也可被超聲霧化；

b. 噴嘴的霧化面可以變?yōu)榫匦位蚱渌喾N類(lèi)的圖形；c．在保證噴膠質(zhì)量的前提下，噴膠的效率會(huì)越來(lái)越高；d. 噴膠技術(shù)不僅可用在圓形的晶圓上，也可以用在不規(guī)則的晶片上，未來(lái)將應(yīng)用在大平板當(dāng)中；

e. 由于噴膠的低成本與膠膜的高質(zhì)量，將來(lái)可替代成本較高的干膜制程技術(shù)。

6.結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，噴膠必將迎來(lái)更新的發(fā)展與變革，這對(duì)整個(gè)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體行業(yè)都既是機(jī)遇，又是挑戰(zhàn)。