提升精細(xì)線路蝕刻良率的方法探討

李君紅

（上海美維科技有限公司，上海 201613）

0 引言

隨著電子產(chǎn)品越來越向著輕、薄、短、小的方向發(fā)展，封裝基板圖形密度越來越高，線路的線寬間距越來越細(xì)，互連孔的直徑也越來越小，對(duì)封裝基板的制程能力提出了更高的挑戰(zhàn)。在精細(xì)線路的制作過程中，傳統(tǒng)的減成法因成本低、設(shè)備投資小而被廣泛使用［1-5］。

在減成法的蝕刻工藝中，側(cè)蝕是無法避免的問題［6-11］。其成因是蝕刻藥水在進(jìn)行深度方向蝕刻時(shí)，不可避免地與水平方向的金屬層發(fā)生反應(yīng)，抗蝕層下面的導(dǎo)線側(cè)壁被蝕刻，使線路的形狀發(fā)生改變，影響線路精度。由于側(cè)蝕造成線路的線寬、線間距與設(shè)計(jì)圖形的要求不完全一致，針對(duì)側(cè)蝕現(xiàn)象，目前通用的解決措施即在圖形設(shè)計(jì)時(shí)，采用均勻曝光補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔO(shè)計(jì)線寬和間距。但由于電鍍銅厚、干膜曝光顯影、蝕刻線的均勻性問題，采用該方法已不能使整板每個(gè)單元的線寬間距均勻一致。

本文主要研究電鍍銅厚、干膜顯影、蝕刻線的均勻性對(duì)良率的影響，找出線寬的分布與測(cè)試板的電鍍銅厚度、顯影后干膜寬度及蝕刻均勻性之間的關(guān)系，并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，修訂優(yōu)化非均勻的線寬曝光補(bǔ)償值。最終在20 μm 銅厚下使25/25 μm 線路的局部良率和整板良率得到大幅提升，整板所有單元的線寬間距均勻性得到較大改善，均接近設(shè)計(jì)目標(biāo)值25/25 μm。

1 實(shí)驗(yàn)部分

選用疊構(gòu)為4 層的測(cè)試板，主要流程為：芯板棕化處理→層壓介質(zhì)層和銅箔→電鍍→貼膜→曝光→顯影→蝕刻→檢測(cè)。

圖形設(shè)計(jì)為每塊在制板上有6 個(gè)單元，如圖1所示。每個(gè)單元里均設(shè)計(jì)有25/25 μm、30/30 μm、35/35 μm 的線路，銅厚為20 μm。圖形制作完成后，測(cè)試線路開路/短路良率和檢查缺陷。

圖1 測(cè)試板圖形示意

2 結(jié)果與討論

2.1 蝕刻后線路良率的收集

收集整板的開路/短路良率數(shù)據(jù)如圖2所示，25/25 μm 良率僅88.26%，與其他線寬相比良率較差。良率缺陷原因主要為開路和短路。

圖2 整板開路/短路良率

繼續(xù)分析25/25 μm 在整板不同位置的良率，如圖3所示。由圖可知，單元6 位置的良率僅50%，其他位置的良率均在90%及以上。因此良率損失主要來自單元6位置。

圖3 不同位置25/25 μm良率

分別對(duì)單元1、單元3、單元6 的3 個(gè)位置抽樣檢查線寬間距后發(fā)現(xiàn)，線寬整板分布不均勻，所有線寬設(shè)計(jì)均在單元6 位置偏細(xì)。線寬間距設(shè)計(jì)越小，不同位置間差異越大，25/25 μm 差異性最大，最寬位置單元3與最細(xì)位置單元6的線寬平均相差8.5 μm，如圖4所示。

圖4 線寬分布

2.2 良率影響因素的分析

通過對(duì)蝕刻后整板不同單元位置的線寬平均值進(jìn)行分析，超過3 μm 會(huì)影響線路寬度的過程性能指數(shù)（performance of process index，Ppk）以及在局部區(qū)域出現(xiàn)線路過細(xì)；對(duì)于25/25 μm 此類精細(xì)線路就會(huì)影響良率。出現(xiàn)此問題的原因一般有以下3 個(gè)方面：① 電鍍時(shí)，由于電力線的分布及藥水能力等問題，電鍍的均勻性有一定差異，使得銅厚度不一致。經(jīng)過蝕刻后，鍍層厚度大的地方會(huì)出現(xiàn)線間距小而線路寬的現(xiàn)象，鍍層厚度小的地方會(huì)出現(xiàn)線間距大和線路窄的現(xiàn)象；② 干膜曝光顯影中由于曝光和顯影的不均勻性，使得干膜寬度在整板不均勻，導(dǎo)致蝕刻后線路寬度間距不均勻； ③ 蝕刻線的均勻性會(huì)因噴嘴的壓力、上下面的藥水交換速度的差異等，使不同位置蝕刻能力不同，導(dǎo)致線路寬度間距不均勻。針對(duì)以上3個(gè)方面對(duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析。

（1）電鍍銅厚度對(duì)良率的影響。分別抽樣收集單元1、單元3、單元6 的3 個(gè)位置銅厚度數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5 和表1所示。通過minitab 分析，P值＞0.05，3個(gè)位置的銅厚度無明顯差異。

表1 方差分析

圖5 電鍍后銅厚均勻性

結(jié)論：在本實(shí)驗(yàn)中，采用目前的電鍍參數(shù)，對(duì)于蝕刻本身沒有明顯差異。

（2）干膜顯影的均勻性對(duì)良率的影響。抽樣收集曝光顯影后單元1、單元3、單元6干膜寬度的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6 和表2所示，通過minitab 分析，P值＞0.05，6個(gè)位置的干膜寬度無明顯差異。

圖6 顯影后25/25 μm干膜寬度均勻性

表2 方差分析

（3）蝕刻線均勻性對(duì)良率的影響。采用70 μm 厚銅板對(duì)蝕刻線的蝕刻能力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7 可知，在蝕刻線的不同位置，蝕刻能力有一定差異。其中單元6 位置的蝕刻能力最強(qiáng)，導(dǎo)致6 位置的線寬較細(xì)，算出蝕刻均勻性為91.24%。用單元1 和單元3 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到均勻性為96.58%。如25/25 μm 線寬要得到較好的良率，則需蝕刻均勻性數(shù)據(jù)大于96%。嘗試調(diào)整蝕刻線的蝕刻均勻性，但因蝕刻線固有的一些問題，僅可提高至92.89%。如需提高至96%以上，還需大量經(jīng)費(fèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，因此短期內(nèi)，蝕刻均勻性不能明顯提升。

圖7 蝕刻均勻性

對(duì)圖5～圖7 中電鍍銅厚、干膜顯影、蝕刻均勻性的分布進(jìn)行分析，得出本次實(shí)驗(yàn)中，蝕刻均勻性是影響良率的主要因素，且主要為單元6 位置的蝕刻能力和其他位置差異較大造成。

2.3 良率提升的方法

在蝕刻工藝中，目前通用的方法是在圖形設(shè)計(jì)時(shí)，采用均勻曝光補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔO(shè)計(jì)線寬和間距。該方法對(duì)于較寬的線路良率影響不大，但如要做25/25 μm 這種精細(xì)線路，電鍍銅厚、干膜顯影、蝕刻線的均勻性就會(huì)對(duì)良率和整板線寬間距的一致性產(chǎn)生影響。特別是蝕刻線的均勻性，很難在短時(shí)間內(nèi)改善到精細(xì)線路制作的目標(biāo)96%以上。

因此，在制程穩(wěn)定情況下，可采用非均勻補(bǔ)償法來提高減成法的良率及線寬過程能力指數(shù)（complex process capabilityindex，Cpk）。具體方法為：① 選用固定的電鍍線，測(cè)量被電鍍基板上的鍍層厚度，獲得基板上不同區(qū)域鍍層厚度分布圖；② 搭配固定的曝光、顯影和蝕刻線，規(guī)定放板規(guī)則，采用均勻補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行初步蝕刻，直到獲得初始的最優(yōu)線寬間距及線寬分布圖；③ 將電鍍后建立的銅厚分布圖、顯影后干膜寬度分布圖及厚銅板蝕刻均勻性分布圖進(jìn)行匹配，與蝕刻的線寬分布圖進(jìn)行對(duì)比；④ 找出線寬的分布與測(cè)試板的電鍍銅厚度、顯影后干膜寬度及蝕刻均勻性之間的關(guān)系，并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行線寬補(bǔ)償值的修訂。這種修改補(bǔ)償是特定位置單元的補(bǔ)償值，并非每個(gè)單元的補(bǔ)償都做同樣的圖形設(shè)計(jì)資料修改。如圖1圖形設(shè)計(jì)中，總共有6個(gè)單元，可將單元6 左側(cè)的單元1 到單元5 所有單元補(bǔ)償值不變，仍為補(bǔ)償1，針對(duì)單元6 位置單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)償值的修改，記為補(bǔ)償2。也可根據(jù)需要針對(duì)6 個(gè)單元做6個(gè)單獨(dú)的補(bǔ)償值。

本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，良率及線寬偏細(xì)的問題主要在單元6 位置存在。通過對(duì)電鍍銅厚、干膜顯影、蝕刻均勻性的分布圖分析得出蝕刻均勻性是主要影響因素，且主要是單元6 位置的蝕刻能力和其他位置差異較大造成的。因此可著重優(yōu)化單元6 位置的曝光補(bǔ)償，提高25/25 μm 精細(xì)線路的良率及線寬一致性（補(bǔ)償值的設(shè)定需要考慮曝光機(jī)的解析能力，補(bǔ)償后不能超出曝光機(jī)的解析能力）。

通過實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)果如圖8所示。25/25 μm單元6 位置的開路/短路良率從40.91% 提升到95.45%，整板的開路/短路良率從88.26%提升到93.94%。線寬優(yōu)化前后比較結(jié)果見表1。由表1 線路可知，優(yōu)化前單元6 位置線路寬度偏細(xì)，優(yōu)化后3 個(gè)位置的線寬間距都接近于設(shè)計(jì)目標(biāo)值25 μm，線寬一致性得到較大提升。

圖8 曝光補(bǔ)償優(yōu)化前后良率比較

表1 線寬優(yōu)化前后比較

續(xù)表1

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)減成法制作精細(xì)線路中存在的生產(chǎn)板在部分區(qū)域良率表現(xiàn)較差的情況，研究了電鍍銅厚、干膜顯影、蝕刻線的均勻性對(duì)精細(xì)線路良率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：線路寬度整板面不均勻是由于蝕刻不均勻引起的。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行非均勻的線寬曝光補(bǔ)償值的修訂優(yōu)化，最終在20 μm 銅厚下使25/25 μm 線路的局部開路/短路良率從40.91%提升到95.45%，整板的開路/短路良率從88.26%提升到93.94%。優(yōu)化后整板抽樣3 個(gè)位置的線寬都接近于設(shè)計(jì)目標(biāo)值25 μm，線寬一致性得到較大提升。