半導(dǎo)體后端工藝｜第七篇：晶圓級(jí)封裝工藝

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，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(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，通過在陽(yáng)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(cè)試后，根據(jù)需求在晶圓上制作絕緣層（Dielectric Layer）。初次曝光后，絕緣層通過光刻技術(shù)再次對(duì)芯片焊盤進(jìn)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(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(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，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(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)而使用繪制圖案來創(chuàng)建電鍍層，并通過刻蝕擴(kuò)散層來形成金屬線路。

▲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(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(jìn)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(huì)軟化，因此使用正性光刻膠時(shí)，需在掩模去除區(qū)開孔。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)式光刻機(jī)（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)，使光線穿過掩模并照射在晶圓表面的曝光設(shè)備。

⁵步進(jìn)式光刻機(jī)（Stepper）: 一種在工件臺(tái)逐步移動(dòng)時(shí)，通過開啟和關(guān)閉快門控制光線以進(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

濺射工藝：在晶圓表面形成薄膜

濺射是一種在晶圓表面形成金屬薄膜的物理氣相沉積（PVD）⁶工藝。如果晶圓上形成的金屬薄膜低于倒片封裝中的凸點(diǎn)，則被稱為凸點(diǎn)下金屬層（UBM，Under Bump Metallurgy）。通常凸點(diǎn)下金屬層由兩層或三層金屬薄膜組成，包括：增強(qiáng)晶圓粘合性的黏附層；可在電鍍過程中提供電子的載流層；以及具有焊料潤(rùn)濕性（Wettability）⁷,并可阻止鍍層和金屬之間形成化合物的擴(kuò)散阻擋層。例如薄膜由鈦、銅和鎳組成，則鈦層作為黏附層，銅層作為載流層，鎳層作為阻擋層。因此，UBM對(duì)確保倒片封裝的質(zhì)量及可靠性十分重要。在RDL和WLCSP等封裝工藝中，金屬層的作用主要是形成金屬引線，因此通常由可提高粘性的黏附層及載流層構(gòu)成。

⁶物理氣相沉積（PVD）：一種產(chǎn)生金屬蒸氣，并將其作為一種厚度較薄且具有粘性的純金屬或合金涂層沉積在導(dǎo)電材料上的工藝。

⁷潤(rùn)濕性（Wettability）：因液體和固體表面的相互作用，使液體在固體表面擴(kuò)散的現(xiàn)象。

如圖8所示，在濺射工藝中，首先將氬氣轉(zhuǎn)化為等離子體（Plasma）⁸，然后利用離子束碰擊靶材（Target），靶材的成分與沉積正氬離子的金屬成分相同。碰擊后，靶材上的金屬顆粒會(huì)脫落并沉積在晶圓表面。通過濺射，沉積的金屬顆粒具有一致的方向性。盡管晶圓平坦區(qū)經(jīng)過沉積后厚度均勻，但溝槽或垂直互連通路（通孔）的沉積厚度可能存在差異，因此就沉積厚度而言，此類不規(guī)則形狀會(huì)導(dǎo)致平行于金屬沉積方向的基板表面的沉積厚度，比垂直于金屬沉積方向的基板表面沉積厚度薄。

⁸等離子體（Plasma）：一種因質(zhì)子和電子的自由運(yùn)動(dòng)而呈電中性的物質(zhì)狀態(tài)。當(dāng)持續(xù)對(duì)氣體狀物質(zhì)進(jìn)行加熱使其升溫時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生由離子和自由電子組成的粒子集合體。等離子體也被視為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之外的“第四種物質(zhì)狀態(tài)”。

▲圖8：濺射的基本原理

電鍍工藝：形成用于鍵合的金屬層

電鍍是將電解質(zhì)溶液中的金屬離子還原為金屬并沉積在晶圓表面的過程，此過程是需要通過外部提供的電子進(jìn)行還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。在晶圓級(jí)封裝中，采用電鍍工藝形成厚金屬層。厚金屬層可充當(dāng)實(shí)現(xiàn)電氣連接的金屬引線，或是焊接處的凸點(diǎn)。如圖9所示，陽(yáng)極上的金屬會(huì)被氧化成離子，并向外部電路釋放電子。在陽(yáng)極處被氧化的及存在于溶液中的金屬離子可接收電子，在經(jīng)過還原反應(yīng)后成為金屬。在晶圓級(jí)封裝的電鍍工藝中，陰極為晶圓。陽(yáng)極由作為電鍍層的金屬制成，但也可使用如鉑金的不溶性電極（Insoluble Electrode）⁹。如果陽(yáng)極板由作為鍍層的金屬制成，金屬離子就會(huì)從陽(yáng)極板上溶解并持續(xù)擴(kuò)散，以保持溶液中離子濃度的一致性。如果使用不溶性電極，則必須定期補(bǔ)充溶液中因沉積到晶圓表面而消耗的金屬離子，以維持金屬離子濃度。圖10展示了陰極和陽(yáng)極分別發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。

⁹不溶性電極（Insoluble Electrode）：一種主要用于電解和電鍍的電極。它既不溶于化學(xué)溶液，也不溶于電化學(xué)溶液。鉑金等材料常被用于制作不溶性電極。

▲圖9：電鍍過程

▲圖10：陰極和陽(yáng)極電化學(xué)反應(yīng)公式

在放置晶圓電鍍?cè)O(shè)備時(shí)，通常需確保晶圓的待鍍面朝下，同時(shí)將陽(yáng)極置于電解質(zhì)溶液中。當(dāng)電解質(zhì)溶液流向晶圓并與晶圓表面發(fā)生強(qiáng)力碰撞時(shí)，就會(huì)發(fā)生電鍍。此時(shí)，由光刻膠形成的電路圖案會(huì)與待鍍晶圓上的電解質(zhì)溶液接觸。電子分布在晶圓邊緣的電鍍?cè)O(shè)備上，最終電解質(zhì)溶液中的金屬離子與光刻膠在晶圓上繪制的圖案相遇。隨后，電子與電解質(zhì)溶液中的金屬離子結(jié)合，在光刻膠繪制圖案的地方進(jìn)行還原反應(yīng)，形成金屬引線或凸點(diǎn)。

光刻膠去膠工藝和金屬刻蝕工藝：去除光刻膠

在所有使用光刻膠圖案的工藝步驟完成后，必須通過光刻膠去膠工藝來清除光刻膠。光刻膠去膠工藝是一種濕法工藝，采用一種被稱為剝離液（Stripper）的化學(xué)溶液，通過水坑式、浸沒式，或噴淋式等方法來實(shí)現(xiàn)。通過電鍍工藝形成金屬引線或凸點(diǎn)后，需清除因?yàn)R射形成的金屬薄膜。這是非常必要的一個(gè)步驟，因?yàn)槿绻蝗コ饘俦∧?，整個(gè)晶圓都將被電氣連接從而導(dǎo)致短路。可采用濕刻蝕（Wet Etching）工藝去除金屬薄膜，以酸性刻蝕劑（Etchant）溶解金屬。這種工藝類似于光刻膠去膠工藝，隨著晶圓上的電路圖案變得越來越精細(xì)，水坑式方法也得到了更廣泛的應(yīng)用。

一種更加高效且可靠的封裝工藝

通過上述各個(gè)階段工藝流程，從光刻繪制電路圖案到最終的光刻膠去膠工藝，晶圓級(jí)封裝確保提升了其封裝效率、微型化、及可靠性。在下一篇文章中，將詳細(xì)探討采用扇入及扇出型WLCSP、重新分配層封裝、倒片封裝和硅通孔封裝等晶圓級(jí)封裝工藝。

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