半導(dǎo)體后端工藝：晶圓級封裝工藝（上）

封裝完整晶圓

晶圓級封裝是指晶圓切割前的工藝。晶圓級封裝分為扇入型晶圓級芯片封裝（Fan-In WLCSP）和扇出型晶圓級芯片封裝（Fan-Out WLCSP），其特點是在整個封裝過程中，晶圓始終保持完整。除此之外，重新分配層（RDL）封裝、倒片（Flip Chip）封裝及硅通孔 ^1^ （TSV）封裝通常也被歸類為晶圓級封裝，盡管這些封裝方法在晶圓切割前僅完成了部分工序。不同封裝方法所使用的金屬及電鍍（Electroplating）^2^繪制圖案也均不相同。不過，在封裝過程中，這幾種方法基本都遵循如下順序。

^1^ 硅通孔（TSV , Through-Silicon Via）: 一種可完全穿過硅裸片或晶圓實現(xiàn)硅片堆疊的垂直互連通道。

^2^ 電鍍 (Electroplating): 一項晶圓級封裝工藝，通過在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)來產(chǎn)生電子，并將電子導(dǎo)入到作為陰極的電解質(zhì)溶液中，使該溶液中的金屬離子在晶圓表面被還原成金屬。

完成晶圓測試后，根據(jù)需求在晶圓上制作絕緣層（Dielectric Layer）。初次曝光后，絕緣層通過光刻技術(shù)再次對芯片焊盤進行曝光。然后，通過濺射（Sputtering）^3^工藝在晶圓表面涂覆金屬層。此金屬層可增強在后續(xù)步驟中形成的電鍍金屬層的黏附力，同時還可作為擴散阻擋層以防止金屬內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此外，金屬層還可在電鍍過程中充當(dāng)電子通道。之后涂覆光刻膠（Photoresist）以形成電鍍層，并通過光刻工藝?yán)L制圖案，再利用電鍍形成一層厚的金屬層。電鍍完成后，進行光刻膠去膠工藝，采用刻蝕工藝去除剩余的薄金屬層。最后，電鍍金屬層就在晶圓表面制作完成了所需圖案。這些圖案可充當(dāng)扇入型WLCSP的引線、重新分配層封裝中的焊盤再分布，以及倒片封裝中的凸點。下文將對每道工序進行詳細(xì)介紹。

^3^ 濺射 (Sputtering): 一項利用等離子體束對靶材進行物理碰擊，使靶材粒子脫落并沉積在晶圓上的工藝。

▲圖1：各類晶圓級封裝工藝及相關(guān)步驟

光刻工藝：在掩模晶圓上繪制電路圖案

光刻對應(yīng)的英文是Photolithography，由“-litho（石刻）”和“graphy（繪圖）”組成，是一種印刷技術(shù)，換句話說，光刻是一種電路圖案繪制工藝。首先在晶圓上涂覆一層被稱為“光刻膠”的光敏聚合物，然后透過刻有所需圖案的掩模，選擇性地對晶圓進行曝光，對曝光區(qū)域進行顯影，以繪制所需的圖案或圖形。該工藝的步驟如圖2所示。

▲圖2：光刻工藝步驟

在晶圓級封裝中，光刻工藝主要用于在絕緣層上繪制圖案，進而使用繪制圖案來創(chuàng)建電鍍層，并通過刻蝕擴散層來形成金屬線路。

▲圖3：攝影與光刻的對比

為更加清楚地了解光刻工藝，不妨將其與攝影技術(shù)進行比較。如圖3所示，攝影以太陽光作為光源來捕捉拍攝對象，對象可以是物體、地標(biāo)或人物。而光刻則需要特定光源將掩模上的圖案轉(zhuǎn)移到曝光設(shè)備上。另外，攝像機中的膠片也可類比為光刻工藝中涂覆在晶圓上的光刻膠。如圖4所示，我們可以通過三種方法將光刻膠涂覆在晶圓上，包括旋涂（Spin Coating）、薄膜層壓（Film Lamination）和噴涂（Spray Coating）。涂覆光刻膠后，需用通過前烘（Soft Baking）來去除溶劑，以確保粘性光刻膠保留在晶圓上且維持其原本厚度。

如圖5所示，旋涂將粘性光刻膠涂覆在旋轉(zhuǎn)著的晶圓中心，離心力會使光刻膠向晶圓邊緣擴散，從而以均勻的厚度分散在晶圓上。粘度越高轉(zhuǎn)速越低，光刻膠就越厚。反之，粘度越低轉(zhuǎn)速越高，光刻膠就越薄。對于晶圓級封裝而言，特別是倒片封裝，光刻膠層的厚度須達到30 μm至100 μm，才能形成焊接凸點。然而，通過單次旋涂很難達到所需厚度。在某些情況下，需要反復(fù)旋涂光刻膠并多次進行前烘。因此，在所需光刻膠層較厚的情況下，使用層壓方法更加有效，因為這種方法從初始階段就能夠使光刻膠薄膜達到所需厚度，同時在處理過程中不會造成晶圓浪費，因此成本效益也更高。但是，如果晶圓結(jié)構(gòu)表面粗糙，則很難將光刻膠膜附著在晶圓表面，此種情況下使用層壓方法，會導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷。所以，針對表面非常粗糙的晶圓，可通過噴涂方法，使光刻膠厚度保持均勻。

▲圖4：光刻膠涂覆的三種方法

▲圖5：旋涂方法示意圖

完成光刻膠涂覆和前烘后，接下來就需要進行曝光。通過照射，將掩模上的圖案投射到晶圓表面的光刻膠上。由于正性光刻膠（Positive PR）在曝光后會軟化，因此使用正性光刻膠時，需在掩模去除區(qū)開孔。負(fù)性光刻膠（Negative PR）在曝光后則會硬化，所以需在掩模保留區(qū)開孔。晶圓級封裝通常采用掩模對準(zhǔn)曝光機（Mask Aligner）^4^或步進式***（Stepper）^5^作為光刻工藝設(shè)備。

^4^ 掩模對準(zhǔn)曝光機（Mask Aligner）: 一種將掩模上的圖案與晶圓進行對準(zhǔn)，使光線穿過掩模并照射在晶圓表面的曝光設(shè)備。

^5^ 步進式***（Stepper）: 一種在工件臺逐步移動時，通過開啟和關(guān)閉快門控制光線以進行光刻的機器。

顯影（Development）是一種利用顯影液來溶解因光刻工藝而軟化的光刻膠的工藝。如圖6所示，顯影方法可分為三種，包括：水坑式 顯影（Puddle Development），將顯影液倒入晶圓中心，并進行低速旋轉(zhuǎn)；浸沒式顯影（Tank Development），將多個晶圓同時浸入顯影液中；噴淋式顯影（Spray Development），將顯影液噴灑到晶圓上。圖7顯示了靜態(tài)顯影方法的工作原理。完成靜態(tài)顯影后，通過光刻技術(shù)使光刻膠形成所需的電路圖案。

▲圖6：三種不同的顯影方法

▲圖7：水坑式顯影方法的工作原理







審核編輯：劉清