【導讀】在本系列第六篇文章中，我們介紹了傳統封裝的組裝流程。本文將是接下來的兩篇文章中的第一集，重點介紹半導體封裝的另一種主要方法——晶圓級封裝(WLP)。本文將探討晶圓級封裝的五項基本工藝，包括：光刻(Photolithography)工藝、濺射(Sputtering)工藝、電鍍(Electroplating)工藝、光刻膠去膠(PR Stripping)工藝和金屬刻蝕(Metal Etching)工藝。
在本系列第六篇文章中，我們介紹了傳統封裝的組裝流程。本文將是接下來的兩篇文章中的第一集，重點介紹半導體封裝的另一種主要方法——晶圓級封裝(WLP)。本文將探討晶圓級封裝的五項基本工藝，包括：光刻(Photolithography)工藝、濺射(Sputtering)工藝、電鍍(Electroplating)工藝、光刻膠去膠(PR Stripping)工藝和金屬刻蝕(Metal Etching)工藝。
封裝完整晶圓
晶圓級封裝是指晶圓切割前的工藝。晶圓級封裝分為扇入型晶圓級芯片封裝（Fan-In WLCSP）和扇出型晶圓級芯片封裝（Fan-Out WLCSP），其特點是在整個封裝過程中，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現硅片堆疊的垂直互連通道。
2電鍍 (Electroplating)：一項晶圓級封裝工藝，通過在陽極上發生氧化反應來產生電子，并將電子導入到作為陰極的電解質溶液中，使該溶液中的金屬離子在晶圓表面被還原成金屬。
完成晶圓測試后，根據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再次對芯片焊盤進行曝光。然后，通過濺射（Sputtering）3工藝在晶圓表面涂覆金屬層。此金屬層可增強在后續步驟中形成的電鍍金屬層的黏附力，同時還可作為擴散阻擋層以防止金屬內部發生化學反應。此外，金屬層還可在電鍍過程中充當電子通道。之后涂覆光刻膠（Photoresist）以形成電鍍層，并通過光刻工藝繪制圖案，再利用電鍍形成一層厚的金屬層。電鍍完成后，進行光刻膠去膠工藝，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。下文將對每道工序進行詳細介紹。
3濺射 (Sputtering)：一項利用等離子體束對靶材進行物理碰擊，使靶材粒子脫落并沉積在晶圓上的工藝。
圖1：各類晶圓級封裝工藝及相關步驟
光刻工藝：在掩模晶圓上繪制電路圖案
光刻對應的英文是Photolithography，由“-litho（石刻）”和“graphy（繪圖）”組成，是一種印刷技術，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，選擇性地對晶圓進行曝光，對曝光區域進行顯影，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
在晶圓級封裝中，光刻工藝主要用于在絕緣層上繪制圖案，進而使用繪制圖案來創建電鍍層，并通過刻蝕擴散層來形成金屬線路。
圖3：攝影與光刻的對比
為更加清楚地了解光刻工藝，不妨將其與攝影技術進行比較。如圖3所示，攝影以太陽光作為光源來捕捉拍攝對象，對象可以是物體、地標或人物。而光刻則需要特定光源將掩模上的圖案轉移到曝光設備上。另外，攝像機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著的晶圓中心，離心力會使光刻膠向晶圓邊緣擴散，從而以均勻的厚度分散在晶圓上。粘度越高轉速越低，光刻膠就越厚。反之，粘度越低轉速越高，光刻膠就越薄。對于晶圓級封裝而言，特別是倒片封裝，光刻膠層的厚度須達到30 μm至100 μm，才能形成焊接凸點。然而，通過單次旋涂很難達到所需厚度。在某些情況下，需要反復旋涂光刻膠并多次進行前烘。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，因為這種方法從初始階段就能夠使光刻膠薄膜達到所需厚度，同時在處理過程中不會造成晶圓浪費，因此成本效益也更高。但是，如果晶圓結構表面粗糙，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，會導致產品缺陷。所以，針對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）在曝光后會軟化，因此使用正性光刻膠時，需在掩模去除區開孔。負性光刻膠（Negative PR）在曝光后則會硬化，所以需在掩模保留區開孔。晶圓級封裝通常采用掩模對準曝光機（Mask Aligner）4或步進式光刻機（Stepper）5作為光刻工藝設備。
4掩模對準曝光機（Mask Aligner）：一種將掩模上的圖案與晶圓進行對準，使光線穿過掩模并照射在晶圓表面的曝光設備。
5步進式光刻機（Stepper）: 一種在工件臺逐步移動時，通過開啟和關閉快門控制光線以進行光刻的機器。
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，并進行低速旋轉；浸沒式顯影（Tank Development），將多個晶圓同時浸入顯影液中；噴淋式顯影（Spray Development），將顯影液噴灑到晶圓上。圖7顯示了靜態顯影方法的工作原理。完成靜態顯影后，通過光刻技術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，則被稱為凸點下金屬層（UBM，Under Bump Metallurgy）。通常凸點下金屬層由兩層或三層金屬薄膜組成，包括：增強晶圓粘合性的黏附層；可在電鍍過程中提供電子的載流層；以及具有焊料潤濕性（Wettability）7,并可阻止鍍層和金屬之間形成化合物的擴散阻擋層。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對確保倒片封裝的質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成。
6物理氣相沉積（PVD）：一種產生金屬蒸氣，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電材料上的工藝。
7潤濕性（Wettability）：因液體和固體表面的相互作用，使液體在固體表面擴散的現象。
如圖8所示，在濺射工藝中，首先將氬氣轉化為等離子體（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。盡管晶圓平坦區經過沉積后厚度均勻，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，此類不規則形狀會導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）：一種因質子和電子的自由運動而呈電中性的物質狀態。當持續對氣體狀物質進行加熱使其升溫時，便會產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、液態和氣態之外的“第四種物質狀態”。
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行還原反應來實現的。在晶圓級封裝中，采用電鍍工藝形成厚金屬層。厚金屬層可充當實現電氣連接的金屬引線，或是焊接處的凸點。如圖9所示，陽極上的金屬會被氧化成離子，并向外部電路釋放電子。在陽極處被氧化的及存在于溶液中的金屬離子可接收電子，在經過還原反應后成為金屬。在晶圓級封裝的電鍍工藝中，陰極為晶圓。陽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。如果陽極板由作為鍍層的金屬制成，金屬離子就會從陽極板上溶解并持續擴散，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展示了陰極和陽極分別發生的電化學反應。
9不溶性電極（Insoluble Electrode）：一種主要用于電解和電鍍的電極。它既不溶于化學溶液，也不溶于電化學溶液。鉑金等材料常被用于制作不溶性電極。
圖9：電鍍過程
圖10：陰極和陽極電化學反應公式
在放置晶圓電鍍設備時，通常需確保晶圓的待鍍面朝下，同時將陽極置于電解質溶液中。當電解質溶液流向晶圓并與晶圓表面發生強力碰撞時，就會發生電鍍。此時，由光刻膠形成的電路圖案會與待鍍晶圓上的電解質溶液接觸。電子分布在晶圓邊緣的電鍍設備上，最終電解質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，電子與電解質溶液中的金屬離子結合，在光刻膠繪制圖案的地方進行還原反應，形成金屬引線或凸點。
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）的化學溶液，通過水坑式、浸沒式，或噴淋式等方法來實現。通過電鍍工藝形成金屬引線或凸點后，需清除因濺射形成的金屬薄膜。這是非常必要的一個步驟，因為如果不去除金屬薄膜，整個晶圓都將被電氣連接從而導致短路。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，水坑式方法也得到了更廣泛的應用。
一種更加高效且可靠的封裝工藝
通過上述各個階段工藝流程，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封裝工藝。
文章來源：SK海力士
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