投影光刻機在先進封裝中的應用

周 暢，賀榮明

(上海微電子裝備有限公司，上海 201203)

1 先進封裝與光刻工藝

隨著半導體產業的飛速發展，市場對半導體封裝器件的性能、尺寸、功能和成本等都提出了更高要求，這些因素已成為先進封裝工藝發展的原動力及先進封裝市場增長的催化劑。目前，主流的BGA，CSP，FCP，WLP 和 SIP 等先進封裝技術已經和傳統的封裝有很大區別，主要體現在微細凸塊(Bump)技術的廣泛應用上。凸塊相關工藝主要包括金凸塊、錫凸塊、柱式凸塊、重新布線等，要求更高的封裝技術還涉及無源器件(電感、電容和電阻等)的制作。而適應于更小IC尺寸和更多IO管腳的凸塊及重新布線等工藝主要依賴于光刻技術。

光刻技術是影響先進封裝工藝品質的關鍵因素之一，盡管后道光刻技術與前道并無本質區別，但相比于前道光刻技術仍然需考慮厚膠(15～120 μm)、減薄或加厚硅片、無專用對準標記等特殊的生產條件，以及適應電鍍工藝等特殊的生產工藝。目前，用于先進封裝工藝的光刻設備主要有接近/接觸式光刻機和1X步進投影式光刻機，它們都采用了寬波帶曝光及基于機器視覺的對準技術，而步進投影式光刻機在CD均勻性、套刻精度、生產效率、成品率等方面的優勢使其在先進封裝工藝中扮演著越來越重要的角色。尤其當硅片尺寸逐漸增大到200 mm乃至300 mm時，步進投影式光刻機將更具吸引力，良好的全片一致性將大幅度提高封裝器件在電氣、機械等方面的可靠性。

同時，步進投影式光刻機同樣可用于一些MEMS、生物芯片等特殊的先進封裝工藝，以滿足先進封裝技術革新要求。國內上海微電子裝備有限公司(SMEE)的SS B500系列先進封裝步進投影式光刻機經過優化設計與改良，逐步具備良好的Bump等工藝適應性，并開始進入集成電路先進封裝市場。

2 先進封裝投影光刻機

SS B500系列步進投影光刻機是一個涉及光、機、電等諸多學科的復雜系統和精密設備，設備的關鍵性能指標CDU、DOF、Overlay也都包含了復雜模型，只有保證誤差模型的正確建模及各子誤差的良好控制，才能有效實現設備的關鍵性能指標。通過專業的仿真與分析，配合智能的光刻機軟件系統，經過出廠精密校調后的設備將能夠在大焦深范圍實現2～3 μm 線寬的 10%均勻性控制，0.8～1.3 μm 的絕對套刻誤差控制，具有工藝窗口大，套刻精度高的特點，以滿足先進封裝的Bump厚膠工藝要求及日趨精密的RDL工藝要求。

2.1 關鍵尺寸控制

SS B500系列步進投影光刻機采用44 mm×44 mm大面積曝光視場設計，曝光光源為GHI寬波帶高壓汞燈，能夠在較大焦深范圍內實現良好的CDU控制。

影響投影光刻機CDU控制的因素主要包括掩模版制造以及曝光劑量控制、焦面誤差控制、穩定性控制。SS B500系列步進投影光刻機使用150 mm(6英寸)掩模版，目前國內在微米量級的掩模版制造上達到50 nm的精度控制并非難事，足以滿足先進封裝的光刻工藝要求。曝光劑量指曝光時間內，曝光視場內累積獲得的UV光強，它與曝光時間的控制及曝光視場的光強均勻性相關，并且曝光視場越大越難控制。焦面誤差指被曝光硅片的上表面與投影物鏡最佳焦面的吻合程度，它與承載硅片的工件臺垂向伺服控制、被曝光硅片的上表面測量及投影物鏡最佳焦面的檢測精度及穩定性相關。SS B500系列步進投影光刻機采用光電方式進行硅片的上表面測量，全解耦方式進行工件臺垂向控制，在焦面誤差控制上表現出良好性能。投影物鏡在最佳焦面光學成像最清晰，并且在最佳焦面上下一定范圍的光學成像質量都可以接受，這個范圍就是焦深。由于曝光視場面積內的硅片上表面從微觀上看并非完全平坦，并且先進封裝普遍使用10 μm以上的厚膠，因此對焦深有更高的要求。穩定性控制指曝光時間內，硅片及掩模版相對于投影物鏡的位置穩定性。SS B500系列步進投影光刻機框架采用了主動減振隔離技術，能夠良好的隔離設備外部振動，消除設備內部作用力沖擊；并采用了激光干涉儀測量技術，能夠使工件臺極好的穩定在曝光位置，因此有效地保證了設備曝光時的穩定性。

SS B500/10A步進投影光刻機的CD測試過程中，每次曝光6片200 mm硅片，每片9個場，連續測試11天，測試數據如圖1所示，全片CD均值在2.9～3.1 μm 間。

圖1 CD測試

且測試數據表明全片CD均勻性在最佳焦面以及離焦±15 μm時均不超過10%，即SS B500/10A步進投影光刻機對3 μm線條具有30 μm的焦深范圍，表現出良好的光學成像質量和關鍵尺寸控制，可適應先進封裝的厚膠小線寬工藝。對于進一步優化后的SS B500/10B及SS B500/10M步進投影光刻機，將能夠實現2 μm線條的良好控制。

2.2 套刻精度控制

先進封裝處理的工藝硅片來自前道IC工藝，由于前道IC光刻機普遍采用專用對準標記，不同公司的對準標記兼容性差，因此先進封裝光刻機需要具備良好的對準標記適應性。SS B500系列步進投影光刻機對準單元采用基于亞像素處理和匹配度判別的高精度圖像模式識別技術，能夠通過模式學習處理任何硅片圖像標記，即不需要專用硅片對準標記，具有良好的工藝適應性。

先進封裝中的光刻工藝一般有包括RDL在內的2～3層，多的可超過7層，它們與前道IC圖形的套刻首先以前道工藝硅片圖形位置為基準，也有可能使用后道工藝硅片圖形，因此先進封裝投影光刻機不僅需要具有良好單機套刻能力，也需要具有良好的匹配套刻能力。為更好地適應不同的前道工藝硅片，更好地匹配不同的前道光刻機，我們提出絕對套刻精度來衡量先進封裝投影光刻機的匹配套刻能力，它能最大程度的減小設備套刻誤差中的非線性項，從而使具有良好線性匹配能力的設備可以較好地適應不同的前道IC圖形。因此，絕對套刻對于衡量后道光刻設備的套刻能力具有重要意義。

絕對套刻精度的測量使用Golden Wafer作為測試硅片，測試硅片由前道90 nm節點設備制造，測試硅片上的套刻標記位置誤差相對設備套刻誤差小于1/30。此時可認為測試硅片上的圖形位置誤差相對于設備是零誤差，以Golden Wafer作為測試硅片，可精確校正設備中的諸多非線性系統誤差項，達到良好線性匹配能力。由于非線性系統可用一個或多個線性系統進行逼近，我們再通過對工藝硅片圖形進行對準測量建模，即可實現設備的良好匹配套刻。我們采用Box in Box套刻標記和Overlay機來測量設備的絕對套刻誤差。SS B500/10A步進投影光刻機的絕對套刻測試過程中，每天曝光4～5片200 mm硅片，每片9個場，6個對準標記，EGA全局對準，連續測試5天，測試數據如圖2所示，最大套刻誤差(|Mean|+3σ)小于 1.3 μm。

圖2 Overlay測試

同等條件下，SS B500/10A步進投影光刻機的單機套刻能夠達到0.6 μm。設備表現出的良好套刻能力可適應先進封裝的多層光刻工藝，并且進一步優化后的SS B500/10B及SS B500/10M步進投影光刻機將能夠實現更高的套刻精度。

2.3 測試光刻工藝

SSB500/10A步進投影光刻機為SSB500系列先進封裝投影光刻機的基本配置，上述CD及套刻測試中，其光刻性能測試用到的主要工藝設備如表1所示。

表1 光刻工藝設備

使用的光刻膠為AZ MiR 703，光刻工藝參數如表2所示。

表2 光刻工藝參數

3 厚膠工藝測試

在SSB500/10A步進投影光刻機的厚膠初步工藝測試中，設備表現出較好的特性。測試采用JSR THB120N光刻膠，膠厚25μm，在劑量為325mJ/cm2，軟烘條件為90℃/420s，顯影條件為22℃/60s，后烘條件100℃/300s時，10μm線條剖面如圖三-A所示，采用AZ 4620光刻膠，膠厚14μm，在劑量為700mJ/cm2，軟烘條件為110℃/270s，顯影條件為22℃/120s時，10μm線條剖面如圖3(b)所示，均具有良好的側壁陡度。

圖3 線條剖面圖

對于不同膠厚及PI膠的工藝試驗，經測試設備同樣表現出良好的工藝能力。

4 結束語

SS B500系列先進封裝步進投影光刻機擁有自主知識產權，其設備實測數據表明整機關鍵性能指標符合設計預期，并能夠進一步提高以滿足客戶的技術要求和ITRS對先進封裝光刻工藝近5年的技術要求。

Assembly And Packaging,International Technology Roadmap For Semiconductors,2005&2007 Edition,www.itrs.net