半導(dǎo)體后端工藝：晶圓級(jí)封裝工藝（上）

封裝完整晶圓

晶圓級(jí)封裝是指晶圓切割前的工藝。晶圓級(jí)封裝分為扇入型晶圓級(jí)芯片封裝（Fan-In WLCSP）和扇出型晶圓級(jí)芯片封裝（Fan-Out WLCSP），其特點(diǎn)是在整個(gè)封裝過(guò)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(jí)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(guò)，在封裝過(guò)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(guò)硅裸片或晶圓實(shí)現(xiàn)硅片堆疊的垂直互連通道。

^2^ 電鍍 (Electroplating): 一項(xiàng)晶圓級(jí)封裝工藝，通過(guò)在陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng)來(lái)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(cè)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(guò)光刻技術(shù)再次對(duì)芯片焊盤(pán)進(jìn)行曝光。然后，通過(guò)濺射（Sputtering）^3^工藝在晶圓表面涂覆金屬層。此金屬層可增強(qiáng)在后續(xù)步驟中形成的電鍍金屬層的黏附力，同時(shí)還可作為擴(kuò)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(guò)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(guò)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(jìn)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(pán)再分布，以及倒片封裝中的凸點(diǎn)。下文將對(duì)每道工序進(jìn)行詳細(xì)介紹。

^3^ 濺射 (Sputtering): 一項(xiàng)利用等離子體束對(duì)靶材進(jìn)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(jí)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(duì)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(shuō)，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(guò)刻有所需圖案的掩模，選擇性地對(duì)晶圓進(jìn)行曝光，對(duì)曝光區(qū)域進(jìn)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(jí)封裝中，光刻工藝主要用于在絕緣層上繪制圖案，進(jìn)而使用繪制圖案來(lái)創(chuàng)建電鍍層，并通過(guò)刻蝕擴(kuò)散層來(lái)形成金屬線路。

▲圖3：攝影與光刻的對(duì)比

為更加清楚地了解光刻工藝，不妨將其與攝影技術(shù)進(jìn)行比較。如圖3所示，攝影以太陽(yáng)光作為光源來(lái)捕捉拍攝對(duì)象，對(duì)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(jī)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(guò)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(guò)前烘（Soft Baking）來(lái)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(huì)使光刻膠向晶圓邊緣擴(kuò)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(duì)于晶圓級(jí)封裝而言，特別是倒片封裝，光刻膠層的厚度須達(dá)到30 μm至100 μm，才能形成焊接凸點(diǎn)。然而，通過(guò)單次旋涂很難達(dá)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(jìn)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?yàn)檫@種方法從初始階段就能夠使光刻膠薄膜達(dá)到所需厚度，同時(shí)在處理過(guò)程中不會(huì)造成晶圓浪費(fèi)，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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷。所以，針對(duì)表面非常粗糙的晶圓，可通過(guò)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(lái)就需要進(jìn)行曝光。通過(guò)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(huì)軟化，因此使用正性光刻膠時(shí)，需在掩模去除區(qū)開(kāi)孔。負(fù)性光刻膠（Negative PR）在曝光后則會(huì)硬化，所以需在掩模保留區(qū)開(kāi)孔。晶圓級(jí)封裝通常采用掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)（Mask Aligner）^4^或步進(jìn)式***（Stepper）^5^作為光刻工藝設(shè)備。

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

^5^ 步進(jìn)式***（Stepper）: 一種在工件臺(tái)逐步移動(dòng)時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉快門(mén)控制光線以進(jìn)行光刻的機(jī)器。

顯影（Development）是一種利用顯影液來(lái)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(jìn)行低速旋轉(zhuǎn)；浸沒(méi)式顯影（Tank Development），將多個(gè)晶圓同時(shí)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(guò)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