應用于MEMS及3D-IC封裝中的噴膠技術

沈陽芯源微電子設備有限公司 張晨陽 邢 栗

隨著MEMS制造及3D-IC封裝技術的發展，噴膠技術的應用越來越廣泛。本文結合實驗論述了噴膠技術的發展、應用、優點；分析了影響噴膠工藝質量的因素；并對未來噴膠技術的前景作了一定的展望。實驗采用AZ4620光刻膠，對375μm深的TSV孔進行霧化噴膠。

引言：隨著微電子機械系統（MEMS）與3D-IC封裝技術應用的發展，為了滿足不斷發展的小尺寸和高集成度的器件要求，需要在非平整的表面上（具有溝道、V型槽以及深孔）覆蓋共形的光刻膠。硅通孔技術（TSV）作為3D-IC封裝中重要的工藝技術，通過芯片到芯片、晶圓到晶圓間的垂直互聯，從而得到堆疊密度大、尺寸小、運行速度快、功耗小的高質量芯片。所以向具有不平整形貌的TSV結構涂覆光刻膠的需求越來越大，這就促使了新的涂覆光刻膠技術發展。圖1為采用TSV技術3D-IC封裝SEM圖片。

圖1 采用TSV技術3D-IC封裝SEM圖片

旋轉式涂膠工藝是最傳統的涂膠工藝，但是由于旋涂過程中光刻膠所受離心力與重力的作用，常規的旋轉式涂膠技術并不能在這些具有形貌的晶圓表面達到共形的光刻膠涂布。優化的電子束沉積光刻膠工藝技術可以達到共形的光刻膠覆蓋，但是在這種工藝中，需要一層導電的電鍍層作為基層，這種導電層對于后道制程是不利的，而且成本也比較高。為了滿足這種共形的光刻膠覆蓋，一種新型的噴膠技術應運而生，這種噴膠技術具有操作簡易、經濟、重復性高的特點，而且具有替代常規旋涂技術的趨勢。這種噴膠技術最早是由EVG公司于1999年提出的，其關鍵部分是其使用的超聲低壓噴霧噴嘴。噴膠工藝相對于電子束沉積光刻膠工藝，大大地節省了成本。

1.噴膠實驗介紹

1.1 實驗設備

實驗中采用的噴膠設備為沈陽芯源微電子設備有限公司KSM200-1SP噴霧式涂膠機。圖2為KS-M200-1SP噴膠機。噴膠設備的核心部件是超聲波噴嘴。噴嘴通過超聲振蕩產生微米級別的光刻膠小液滴。經由壓縮空氣或者氮氣氣流加速使這種光刻膠液滴噴向晶圓表面。工藝時，晶圓以較低的轉速（30-60rpm）緩慢的旋轉，低轉速可以有效的降低離心力的影響。與此同時，噴膠機帶動超聲波噴嘴的擺臂以設定的路徑掃描通過整個晶圓，從而使的帶有TSV結構的晶圓表面涂覆滿光刻膠。

1.2 噴膠工藝中超聲噴嘴的行走軌跡

為了提高噴膠工藝膠膜的均勻性及工藝靈活性，超聲噴嘴在晶圓上方的行走軌跡有多種方式，常規的方式有如下兩種。

a.在噴膠過程中，晶圓通過真空吸附在吸盤上，并以較低的轉速（30-60 rpm）旋轉，同時在其上方與晶圓表面成45°的噴嘴以一定的線速度在晶圓上移動（通過晶圓的圓心），以達到在整個晶圓表面涂布光刻膠的目的。較低的轉速最大程度降低基底區域的離心力。

b.如圖3所示，在噴膠過程中，晶圓通過真空吸附在吸盤上固定不動，垂直固定其上方的噴嘴在X、Y雙向運動臂的作用下相對于晶圓移動，虛線及箭頭所示為噴嘴的行走路徑，通過設定的掃描速率和步距使噴嘴掃描整個晶圓表面。實驗噴嘴采用此種運動軌跡進行工藝。

圖2 KS-M200-1SP 噴膠機

圖3 噴嘴以S型軌跡移動示意圖

1.3 光刻膠

想要將光刻膠霧化成為小液滴，需要黏度小于30CP的光刻膠溶液。AZ4620光刻膠的性能非常適合涂覆在TSV結構的表面，并且能夠得到質量很好膜層。AZ4620光刻膠黏度為440CP，因此本實驗采用丙酮溶劑來稀釋AZ4620光刻膠，降低其黏度。我們按AZ4620與丙酮體積比為1:10的比例稀釋，得到CP值為20的光刻膠溶液。通過優化涂膠工藝和使用稀釋的AZ4620光刻膠，我們在帶有375μm深孔的晶圓上噴涂了一層均勻的光刻膠層，均勻性能達到±10%。圖4為375μm 深TSV孔中光刻膠線條SEM圖。

圖4 375μm深TSV孔中光刻膠線條SEM圖

2.噴膠技術的應用

通過上述實驗我們可以得出，這種噴膠技術得到的光刻膠膜的膜厚和均勻性可以很好的應用在一些MEMS和先進封裝上。它的應用主要有以下幾個方面。

a.在平整的表面均勻的涂布一定厚度的光刻膠，替代常規的旋涂技術；

b.在具有溝道、V型槽、TSV孔的晶圓表面覆蓋共形的光刻膠，使得進一步在溝道里，V型槽中，TSV孔內底部做光刻及刻蝕工藝。

c.應用與制作金屬電鍍的光刻膠印模等。

d.其它形狀的晶片。

3.噴膠優點與缺點

噴膠技術的發展為MEMS及3D-IC封裝提供了工藝技術支持，相比于旋轉式涂膠工藝，其主要優點如下：

a.成本低。噴膠所使用的光刻膠較少，同樣厚度的膠膜，利用旋轉式涂膠技術使用的光刻膠約是噴膠技術的10至15倍，利用噴膠技術可節省大量成本。

b.應用范圍廣。噴膠技術不僅可以在不同形狀的晶圓上涂布光刻膠，還可以在具有形貌的晶圓表面涂布共形的光刻膠，最主要的是可以在一些較薄易碎的晶片表面涂布光刻膠，而這是旋涂工藝所不能完成的（離心力的作用極易使晶片碎裂）。

噴膠工藝也有它的一些不足，例如目前的噴膠設備使用的光刻膠CP值往往低于20，高于這個值，光刻膠不易被超聲霧化為顆粒；另一方面，對于尺寸較大的晶圓，與旋轉涂膠相比，噴膠所用的時間稍長一些。

4.影響噴膠工藝質量的參數

通過實驗可以得出，在具有一定形貌的晶圓表面噴涂均勻的光刻膠膜并不是一件容易的事。對具有TSV深孔的晶圓表面噴涂光刻膠，在孔的頂部邊緣往往沒有光刻膠，而在靠近孔的底部區域會聚集比較多的光刻膠。這樣，為了達到均勻的光刻膠膜，就需要優化影響噴膠工藝質量的參數，主要有以下幾個方面。

a.光刻膠。不同的光刻膠所含的物質不同，化學性質不同，同樣條件下噴膠后膠膜的質量就不同。在現代半導體領域低成本的驅動下，能夠滿足半導體工藝需求的前提條件下，應盡量使用經濟實惠的光刻膠，例如AZ 4620；

b.光刻膠與溶劑的配比比例。由于光刻膠的CP值往往較大，為了能夠將其霧化為顆粒，需要將其配比一定量的溶劑加以稀釋，從而降低CP值，不同的配比比例對膠膜的均勻性及厚度均有影響；

c.噴嘴相對于晶片的移動速率。在其它條件不變的情況下，移動速率越大，噴膠所需要的時間越短，對應的膠膜也越薄。但是移動速率過大會導致膠膜的均勻性較差；

d.噴嘴氣體流量。噴嘴氣體流量主要決定膠膜的厚度，厚度與流量大小成正比；

e.超聲波功率。超聲功率決定霧化顆粒數量及大小，進而影響膠膜的厚度和均勻性；

f.噴嘴氮氣壓力。噴嘴氮氣壓力過大，會使霧化的顆粒噴灑到晶圓表面后再反彈回來，如果壓力過小，不會使霧化的顆粒均勻的噴灑到晶圓表面；

g.晶圓的溫度。晶圓的溫度會影響光刻膠中溶劑的揮發速率，進而影響膠膜的流動性。所以對于具有形貌的晶圓，溫度對膠膜質量的影響較大；

h.噴嘴距離晶圓表面的距離。此因素主要影響膜厚的均勻性；

i.噴嘴的超聲波頻率。噴嘴的超聲波頻率主要決定霧化的液體顆粒大小，對于不同的噴涂需求，應選擇適當頻率的超聲噴嘴。

5.噴膠工藝技術的發展前景

在半導體領域的工藝技術中，新型的噴膠技術可以很好的應用在MEMS、3D-IC封裝當中。隨著MEMS及3D-IC封裝技術的發展，噴膠技術必將成為一種廣泛應用的技術，具有著廣闊的發展空間，未來將有如下的發展前景。

a. 具有高CP值的光刻膠也可被超聲霧化；

b. 噴嘴的霧化面可以變為矩形或其它更多種類的圖形；c．在保證噴膠質量的前提下，噴膠的效率會越來越高；d. 噴膠技術不僅可用在圓形的晶圓上，也可以用在不規則的晶片上，未來將應用在大平板當中；

e. 由于噴膠的低成本與膠膜的高質量，將來可替代成本較高的干膜制程技術。

6.結束語

隨著科學技術的發展，噴膠必將迎來更新的發展與變革，這對整個國產半導體行業都既是機遇，又是挑戰。