满足晶圆级封装微型化的曝光设备

在过去的几年中人们已经有几次预言由于受到物理限制单个晶片的尺寸不可能再缩小，但实际上芯片的尺寸还一直在缩小中。国际半导体技术蓝图(ITRS)预言在未来的10年中DRAM的密度将达到每芯片10TM(G级集成)。为了提高器件的性能，在未来的几年内CMOS电路的尺寸将进一步缩小而I／O密度将进一步提高。这会要求引线的间距缩小到20μm。晶圆级工艺技术，如微小间距晶圆凸点、引线盘重分布、无源集成等为很多应用提供了方便的解决方案。目前，许多IC和MEMS的器件已经应用了这些技术。通常割装技术涉及5-100μm的厚胶工艺，如对表面有较大起伏的厚胶均匀曝光以及获得非常陡峭的厚胶侧壁。无缩放全场曝光系统是一种可以满足这种需求的设备解决方案。

1 晶圆级封装与晶圆凸点工艺

1．1微小间距晶圆凸点

晶圆凸点的制作需要曝光图形化、电镀和回流这几个工艺步骤。图形化工艺通常涉及到用几层金属制作用于凸点基础的凸点下金属层(UBM)。凸点和晶圆连接的导电性要很好，钝化层和凸点下金属层需要有很好的附着性。光刻胶图形化的标准工艺流程。这个工艺流程同半导体工业的标准流程很接近，不同之处是这里需要厚胶。这种工艺可以使用多种普通的光刻胶，包括：AZP4620，AZPLP50XT，AZPLPl00XT(Clarianfi，THB-611P(JSR)和SPR220(Rohm&HaasElectronicMaterials／Shipley)。使用这些光刻胶单次涂布可以制作出20-100μm厚的胶，曝光显影之后可以获得接近90°的陡峭侧壁结构。光刻胶图形化完成之后，通过电镀的方法向空穴里填充焊料或者金。下一步就是去除光刻胶，将柱状凸点留在表面。通过重流使柱状凸点转化为球形凸点。

1.2 用低k或低应力胶制作重分布层

重分布层一般由5-10μm厚的聚合物层构成，用于重新排布凸点的布局。这种聚合物可以作为低k值介电材料(BCB:Bencocyclobutene-Dow Corning)或者应力吸收层(Low stress pattemable silicon-Dow Coming)。

厚胶工艺对系统有一些特殊的要求。这包括了能够处理高黏度的光刻胶的涂胶和显影系统：可以在起伏很大的表面甚至垂直的侧壁结构均匀地涂布光刻胶，这只有喷雾式涂胶系统可以实现：对准系统须能在整个胶厚范围或者晶圆表面起伏的特定高度均匀的识别做为对准标记的几何图案，这可以用接近式模板对准器结合阴影曝光的原理来实现；另外一个很重要的要求是将模板与晶圆地对准。然而胶的厚度决定了模板与晶圆没有办法同时处于显微镜的聚焦平面，这使得模板与晶圆的对准成为了一个挑战。

2 技术要求

光刻过程对于接近式模板对准曝光机的要求包括：高强度、高均匀性、小发散角的紫外光源、紫外光的波长与光刻胶的敏感波长相吻合，亚微米级的对准和控制涂有厚胶的晶圆，以及保障模板与晶圆的高度平行。

EVG公司的NanoAlign技术以的对准和分辨率以及的使用成本为设计理念来凸现全场曝光技术的优势。目前，其公司的所有曝光机已经应用了此项技术。其目标包括了主动异常控制和亚100nm动态对准分辨率。

2．1 晶圆平行调节

为了保证模板的图形无形变地转移到晶圆上，晶圆涂胶的一面必须与模板高度平行。这可以通过外置的监测平台确定晶圆的厚度和倾角来调解或者晶圆与模板全部邻分接触再分离的办法来实现。无接触晶圆平行调节由于胶永远不会与模板的Cr接触，因此理论上其模板的寿命是无限长的。这就使得工业大生产的应用都倾向于无接触式的晶圆平行调节。

2．2 光学对准的提高

晶圆与模板平行调节之后，模板上的标记要的与晶圆卜已有的套刻标十阅准，对准可通过CCD相机同分离视场的显微镜配合实现。智能桢捕获系统会根据CCD相机拍到的图形来搜索设置过的特定对准标记。为了获得的对准与可靠性，的图形识别系统将图形转化为一系列的矢量作为对准的参考标准。对于颜色和方向轻微变化或者轻微扭曲的图形，系统也可以准确的识别。附加的智能软件功能还可以准确区分非常相似的对准标记，从而保证了对准过程使用的标记是正确的。

大间距对准(LGA)模式是标准正面对准(TSA)模式的改进。其过程为先使用上侧的显微镜对模板进行定位，之后晶圆被地放置到模板的位置，与此同时模板则通过高z方向电动机临时升高，使用晶圆亡的标记与计算机纪录的模板标记进行比较并对准。正面对准时模板与晶圆必须同时被聚焦，大间距对准则不受聚焦深度的影响。于是大间距对准中显微镜的倍数也就不受限制。背面对准(BSA)是将晶圆的对准标记做在晶圆的背面。晶圆将通过背面的标记与计算机储存的标记进行对准。正面对准模式对于胶厚20μm的晶圆只能达到1μm(3σ)的对准，而大间距对准可以实现500μm厚胶低于1μm(3σ)的对准。图2是这几种对准方法的示意图。

为了避免环境震动对于对准带来的负面影响，曝光机还引进了带有自水平闭环控制系统的智能主动隔离系统。这不仅可以隔离由地板带来的环境震动还可以隔离由附属设备比如机械手和FOUP晶圆装卸带来的震动。

2．3 曝光源的选择

一旦对准工作完成之后，紫外光就被用来对光刻胶进行曝光。高压水银电弧灯或者水银／氙灯被用作光源。其功率：350-5000W。大多数光刻胶对于波长350-450nm的紫外光敏感，这个范围包括Hg-i线(365am)，Hg-h线和Hg-g线。专门的介电滤光器可以针对不同光刻胶的敏感性(Hg-i线，Hg-h线和Hg-g线……)来匹配波长的范围和强度。曝光机必须能够自动监测和补偿由于光源老化导致的光强持续衰减(衰减与各波长独立)。350和500W的汞灯已经可以满足大致Φ150am晶圆的厚胶曝光。为了满足60-110片／h的产量，Φ200mm和Φ300mm晶圆厚胶曝光对于高强度光源的需求使得大功率光源是不可避免的。其中Φ200mm的晶圆需要1000W的汞灯而Φ300mm的晶圆需要5000W的光源。为了保证整个晶圆面积的光刻胶曝光均匀，光强的均匀性需要达到±2％—±5％。

2．4 便捷晶圆尺寸转换

客户，尤其是封装厂，都希望大的灵活性与短时间的快速反应。在很多时候，不同尺寸晶圆的快速转换就变得很关键。的曝光机的转换包括从Φ150mm到Φ300mm的不同尺寸的标准晶圆只需要儿分钟的时间。其他的可调参数还包括了晶圆的厚度和翘变。智能晶圆吸盘可以方便地处理翘变高达2000mm的晶圆以及各种薄片、超薄片和易碎片。

对于Φ200mm和Φ300mm所需要229mm×229mm和356mm×356mm大面积模板来说，使用石英是不经济的。但是便宜的soda lime玻璃的热膨胀系数比Si高4倍。为了使这种廉价模板可以被应用，曝光机中引入了模板温度控制系统。这个系统可以保证晶圆到晶圆以及不同批次的模板温度差异只有±0．2℃。通过这一方法，模板的成本将会大幅度的降低。

金属层重分布、钝化层和金属门点微模具制造等这些晶圆级封装技术需要光刻胶的厚度高达100μm。为了满足这个要求，EVG公司开发了一些专门的设备，包括从标准型号改进而来的专门涂胶设备与接触/接近式曝光机。型的EVG6200 Infinity和EVG IQ Aligner曝光机拥有良好的灵活性与友好的客户界面，可以充分满足需要厚胶上艺Φ200mm与Φ300mm晶圆的工业生产。