淺談光刻與邊緣曝光系統(tǒng)對電鍍的作用

摘 要：微電子領(lǐng)域應(yīng)用的先進(jìn)封裝技術(shù)包括凸點(diǎn)互連技術(shù)、再布線、倒裝片、3D堆疊等，而光刻與電鍍工藝流程是先進(jìn)封裝技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)。光刻工藝是運(yùn)用光學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等原理將圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上。電鍍工藝運(yùn)用電化學(xué)反應(yīng)，在金屬介質(zhì)層上鍍出所需金屬，構(gòu)成金屬導(dǎo)線。光刻作為電鍍的前置基礎(chǔ)，起到了承上啟下的作用?，F(xiàn)從光刻與邊緣曝光系統(tǒng)出發(fā)對電鍍工藝進(jìn)行探討，分析了光刻膠分辨率模型表達(dá)式和電鍍工藝的公式模型以及邊緣曝光系統(tǒng)對后續(xù)電鍍的作用，同時(shí)對光刻工藝分辨率和電鍍效率增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)封裝;光刻;邊緣曝光;電鍍

0? ? 引言

先進(jìn)封裝技術(shù)的重要工藝流程包括涂膠—曝光—顯影—烘烤—電鍍—去膠—清洗，即先在硅片上涂覆一層光刻膠，光刻膠經(jīng)過曝光發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后通過顯影將所需要的細(xì)微圖形從掩模版轉(zhuǎn)移至硅片上，最后實(shí)施電鍍等工藝。隨著電子產(chǎn)品向輕、薄、小及功能多樣化方向發(fā)展，未來半導(dǎo)體封裝技術(shù)對光刻膠線寬、電鍍金屬導(dǎo)電率、可靠性等要求會(huì)越來越高。

1? ? 工藝流程與模型表達(dá)式

1.1? ? 工藝流程介紹

在涂膠—曝光—顯影—硬烘—電鍍—去膠—清洗的封裝工藝流程中，每一步都有其關(guān)鍵參數(shù)和作用。涂膠：涂膠的厚度和均一性與膠的粘度和轉(zhuǎn)速息息相關(guān)。曝光：分正性和負(fù)性光刻膠，正性光刻膠感光部分可溶，負(fù)性不感光部分可溶。能量、焦面為曝光重要參數(shù)，不同的膠厚，所需要的曝光劑量不同。顯影：將曝光區(qū)域的光刻膠進(jìn)行溶解，常用有機(jī)溶劑TMAH2.38%，濃度和時(shí)間為關(guān)鍵參數(shù)。顯影時(shí)間過長，會(huì)導(dǎo)致膠過顯，反之，顯影不足。硬烘：有去除水分和堅(jiān)硬膜的效果。電鍍：以預(yù)鍍金屬為陽極，硅片為陰極，在酸性溶液中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，電流密度、電鍍時(shí)間為電鍍重要參數(shù)。硅片邊緣需要留出金屬層，使其接觸電鍍引腳才能形成導(dǎo)通電路。去膠：使用丙酮對光刻膠進(jìn)行去除，然后通過異丙醇清洗，使其無殘留。

晶圓邊緣曝光：晶圓邊緣多余的光刻膠可以通過曝光的辦法來清除，稱為邊緣曝光系統(tǒng)（wafer edge exposure，WEE），可替代傳統(tǒng)的EBR（去膠劑）噴射晶圓邊緣進(jìn)行洗邊處理。在涂膠和烘烤完成后，晶圓被傳送到邊緣曝光單元，邊緣曝光系統(tǒng)是光刻機(jī)的一部分，邊緣部分被曝光，將使光刻膠里的感光劑、光酸劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。顯影后，邊緣曝光的光刻膠與曝光圖形就同時(shí)溶解在顯影液里，所需圖形即呈現(xiàn)出來。

圖1是邊緣曝光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。機(jī)械手臂把晶圓傳送到可旋轉(zhuǎn)的對位臺上，通過真空吸附晶圓。晶圓通過對位臺旋轉(zhuǎn)，傳感器測定邊緣晶圓的缺口（notch）作為起始位置。曝光光源來自高壓汞燈，通過光纖把光線傳輸?shù)骄A邊緣，光纖輸出的光通過一個(gè)物鏡聚焦成光斑照射在晶圓邊緣。晶圓旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)邊緣曝光（注：邊緣不可涂抗反射涂層，它不是光敏感）。光纖裝置可沿X/Y方向?qū)к壱苿?dòng)，這樣就可調(diào)節(jié)邊緣曝光的距離大小，其技術(shù)指標(biāo)有曝光精度、曝光劑量、曝光寬度、曝光角度等。

電鍍（ECP）：利用電解原理在金屬表面上鍍上一層其他的金屬或者合金的過程。在電流通過時(shí)，有金屬沉積在陰極表面，其本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)。電鍍所需5個(gè)必要條件分別是直流電源、鍍槽體、預(yù)鍍金屬離子的藥液、金屬陽極和硅片陰極、導(dǎo)電棒，把5個(gè)條件有序聯(lián)通起來構(gòu)成電鍍電路。圖2是曝光區(qū)和WEE示意圖。使用邊緣曝光，再經(jīng)過顯影，把晶圓邊緣的金屬層顯現(xiàn)出來，通過電鍍引腳連接邊緣一圈，使其形成有效的導(dǎo)電電路，電流分布更均勻。而邊緣未曝光的光刻膠部分也必須使用絕緣項(xiàng)圈進(jìn)行密封，才能阻擋電鍍液漏到邊緣金屬層造成側(cè)鍍，或者漏到電鍍引腳上造成電流擊穿等不良影響。圖3是電鍍引腳與密封項(xiàng)圈示意圖。電鍍引腳的長度決定了WEE曝光的寬度。曝光寬度太大會(huì)導(dǎo)致絕緣項(xiàng)圈密封不到，產(chǎn)生側(cè)鍍;曝光寬度太小會(huì)導(dǎo)致電鍍引腳壓到光刻膠上，產(chǎn)生斷路。所以，WEE曝光寬度應(yīng)介于密封項(xiàng)圈與電鍍引腳之間，其對電鍍起到了關(guān)鍵作用。

1.2? ? 光刻模型與電鍍模型的表達(dá)式

光刻工藝流程對光刻膠的影響主要為化學(xué)變化，通過改變光刻膠內(nèi)化學(xué)成分來表達(dá)成像效果，最終以線寬大?。–D）來表征。電鍍則是在開口槽的地方鍍金屬，電鍍的厚度，取決于電量的多少。所以簡單的曝光公式和電鍍公式無法有效描述光刻膠內(nèi)化學(xué)變化和電鍍覆膜的變化，建立一套完整的、基于化學(xué)和電化學(xué)變化的曝光工藝表達(dá)式和電鍍表達(dá)式才能有效地為工藝開發(fā)提供建議。

曝光模型：通過曝光能量來改變光刻膠內(nèi)感光劑（PAC）的濃度，其公式可以描述成光刻膠內(nèi)光強(qiáng)（I）—光刻膠感光劑（PAC）濃度（m）。

模型表達(dá)式：

PAC+hv=P+others

m/dose=-C×I×m

光刻膠分辨率極限表達(dá)式：

CD=（dose/hv×d）×EL×LWR（a3/2/p）

式中：dose為曝光能量;hv為光能量（普朗克常數(shù)）;d為膠厚;EL為能量寬裕度;LWR為線寬粗糙度;a為光酸等效擴(kuò)散長度;p為空間周期。

電鍍模型：電鍍的重要定律是法拉第定律，當(dāng)一種金屬發(fā)生電解反應(yīng)沉積或溶解時(shí)，電解涉及的反應(yīng)物量與通過的電量成正比。法拉第定律描述了這種關(guān)系：

（1）電解時(shí)金屬沉積或溶解的量與電量成正比;

（2）通過相同電量析出的金屬質(zhì)量，與其電化學(xué)摩爾質(zhì)量成正比。

用公式計(jì)算，電鍍厚度與電流密度、時(shí)間、電解涉及的反應(yīng)物量與通過的電流效率等因素有直接關(guān)系。電流密度越大，時(shí)間越長，則電鍍高度即厚度越厚，它們之間成正比關(guān)系。

模型表達(dá)式：

C=Qt=Ist

σ=KItn

m=ρv

式中：σ為電鍍厚度（μm）;K為厚度系數(shù)（cm3/Ah）;I為電流密度（A/dm2）;t為時(shí)間（h）;n為電流效率（%）;m為質(zhì)量;ρ為密度;v為體積;s為接觸面積。

厚度系數(shù)K是預(yù)鍍金屬的電化當(dāng)量除以金屬密度，n通常設(shè)定為1（即100%），如銅的計(jì)算公式為：σ=0.222It。

基于曝光模型與電鍍模型表達(dá)式，在既定情況下，給出表達(dá)式中的定量，即可推導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這樣既可作為實(shí)驗(yàn)前安排的依據(jù)，又可用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析。如模型表達(dá)式得出的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大，則反映出實(shí)驗(yàn)過程中存在一定的錯(cuò)誤率。

2? ? 光刻膠開口大小與電鍍厚度的關(guān)系

2.1? ? 光刻膠開口大小

在先進(jìn)封裝工藝流程中，光刻膠的開口大小直接影響后續(xù)電鍍金屬的直徑與高度。預(yù)先選定一款光刻膠，在光刻膠上曝光出圓孔開口，再改變其CD（開口大?。?，也就是其圓孔直徑，計(jì)算出在不同圓孔開口大小情況下的電鍍高度。根據(jù)曝光模型表達(dá)式，選定一款正性光刻膠，型號：JSR THB-151N，涂覆光刻膠20 μm。設(shè)定光能量（普朗克常數(shù)）hv、光酸等效擴(kuò)散長度a、空間周期p、能量寬裕度EL、線寬粗糙度LWR為定量不變，dose作為變量，則dose越大CD越大，反之越小。

2.2? ? 電鍍金屬厚度

電鍍是在光刻膠開口處通過氧化還原反應(yīng)慢慢沉積出金屬，形成圓柱型金屬體。體積=πR2h，金屬圓柱體體積越大，質(zhì)量就越大，所需要的金屬離子的電量就越大。在相同的電量下，根據(jù)模型公式即可推導(dǎo)出電鍍厚度與接觸孔大?。–D）的平方成反比關(guān)系：（CD1）2×h1=（CD2）2×h2。需要注意的是，電鍍的厚度不能大于光刻膠的覆膜厚度，如超出光刻膠膜厚，則電鍍金屬的形貌會(huì)發(fā)生變化。

2.3? ? 光刻膠開口與電鍍金屬厚度的計(jì)算

根據(jù)上述模型公式推導(dǎo)，選定正性光刻膠JSR-151N，覆膜厚度20 μm，在設(shè)定的曝光能量下，其余因子假定為1，根據(jù)光刻分辨率表達(dá)式可得光刻膠開口大?。–D）。再根據(jù)CD，在相同電量和時(shí)間情況下，使用電鍍模型表達(dá)式即可得出電鍍的厚度，不需要經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)、切片再得出結(jié)論，減少了不必要的人力和物力消耗。在相同電量的情況下，僅改變曝光能量，即可得出CD的差異和電鍍高度的差異。表1為使用光刻膠極限分辨率表達(dá)式和電鍍表達(dá)式后得出的數(shù)據(jù)分析。

綜合上述數(shù)據(jù)推導(dǎo)分析，光刻膠的開口大小與電鍍厚度成反比關(guān)系，在大量不同CD的情況下，能體現(xiàn)此方法的優(yōu)勢。此方法不僅有益于選擇光刻膠，也適用于電鍍方面的分析。

3? ? 光刻工藝分辨率和電鍍效率增強(qiáng)技術(shù)的調(diào)研

光刻成像的最小分辨率滿足以下公式：

CD=K1×λ/NA

式中：K1為工藝因子;λ為波長;NA為數(shù)值孔徑。

通過公式轉(zhuǎn)換，可以得出以下關(guān)系：

K1=CD×NA/λ

對于不同膜厚膠，可以通過增加NA（可以通過調(diào)節(jié)物鏡曲率等來提高，也可以使用浸沒式光刻機(jī)）來提高最小分辨率CD。通常在K1<1的情況下，使用分辨率增強(qiáng)技術(shù)（例如OPC技術(shù)），可以達(dá)到優(yōu)化成像效果的作用。

在半導(dǎo)體方向電鍍時(shí)間計(jì)算公式可簡化成：

t=σ/K×D

不同金屬體系對應(yīng)不同系數(shù)K，所以在K一定、厚度σ不變的情況下，可通過增大電流密度D（單位面積內(nèi)加大電流）來減少時(shí)間t。通常在酸性電鍍體系中，加速沉積化學(xué)反應(yīng)就是提高效率，可通過加大反應(yīng)液流量、陰極處轉(zhuǎn)速等方法來提高電鍍效率。

4? ? 結(jié)語

回顧近幾年來電子信息領(lǐng)域新興技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史，可以得出一個(gè)共同的結(jié)論：集成電路是當(dāng)代電子信息技術(shù)的核心和基礎(chǔ)。本文僅從光刻與邊緣曝光系統(tǒng)出發(fā)對電鍍工藝進(jìn)行了粗淺的討論研究，分析了光刻膠分辨率模型表達(dá)式和電鍍工藝的公式模型以及邊緣曝光系統(tǒng)對后續(xù)電鍍的作用，同時(shí)對光刻工藝分辨率和電鍍效率增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳亞.現(xiàn)代實(shí)用電鍍技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[2] 唐雄貴.厚膠光學(xué)光刻技術(shù)研究[D].成都：四川大學(xué)，2006.

[3] 李可為.集成電路芯片封裝技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4] 陳力俊.微電子材料與制程[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2005.

[5] PIERRET R F.半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)[M].黃如，王漪，王金延，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6] 韋亞一.超大規(guī)模集成電路先進(jìn)光刻理論與運(yùn)用[M].北京：科學(xué)出版社，2016.

收稿日期：2021-02-02

作者簡介：張良波（1989—），男，江蘇鹽城人，光刻工藝開發(fā)工程師，研究方向：光刻工藝開發(fā)。