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厚层铜柱凸块制程技术

时间:2012-02-01 21:53:02来源:MEMSweekly 作者:网络 点击:
铜柱凸块比传统锡铅凸块制程提供如较高互连导线密度、较高的可靠度、改善的电性和散热特性,以及降低铅或无铅…等优点。锡铅凸块制程在锡铅加热回焊(reflow)过程中会崩毁(collapse),而铜柱凸块则会保持在x,y和z轴三方面的形状(如图一所示)。这种特性可以制造更细节距的凸块,更小的防护层开口面积,以及在更高的互连导线密度环境中,执行更细小的重分配焊线(redistribution wiring)制程。
Warren W. Flack, Ha-Ai Nguyen, Ultratech, Inc.
Elliott Capsuto, Craig McEwen, Shin-Etsu MicroSi, Inc.

 铜柱凸块的技术最早由Intel于2006年应用在其65奈米制程,代号为「Yonah」的微处理器芯片中。晶圆凸块代工厂及半导体制造商都积极参与评估这个新技术,而微影及电镀制程的整合对于这个技术的成功具有非常关键的重要性。

 当前芯片封装的对外引线数和铜互连导线密度愈来愈高,对于覆晶式构装或晶圆级封装的需求,以铜柱凸块作为传统锡铅凸块技术的可能取代方案,正引起广泛的成长和讨论。 

 铜柱凸块比传统锡铅凸块制程提供如较高互连导线密度、较高的可靠度、改善的电性和散热特性,以及降低铅或无铅…等优点。锡铅凸块制程在锡铅加热回焊(reflow)过程中会崩毁(collapse),而铜柱凸块则会保持在x,y和z轴三方面的形状(如图一所示)。这种特性可以制造更细节距的凸块,更小的防护层开口面积,以及在更高的互连导线密度环境中,执行更细小的重分配焊线(redistribution wiring)制程。

 厚层铜柱凸块的结构,其制造过程需要仰赖黄光微影及电镀制程的紧密整合。这层很厚的光阻是作为铜电镀的铸模(mold)。光阻的材料必须可用传统的半导体设备及标准的相关化学品作涂布、曝光、显影、电镀及去除。除此之外,光阻对于光的敏感性、光阻烘烤制程以及显影的时间对于每个基本微显影范围的拥有成本(cost-of-ownership )之最小化是非常关键的,对于电镀制程、光阻的剖面形状(profile)、电镀时的耐久性以及电镀后光阻的可去除性都是重要的考虑。此外,选择正光阻对于获得暗域光罩(dark field mask)也非常重要。

铜柱凸块的制造 
 我们在8吋的铜种子层晶圆上制造铜柱凸块的数组,他们具有不同的凸块直径和节距。我们并选择经过化学强化处理,同时具有高对比度和分辨率的正光阻作为铸模,因为其曝光速度、线缘结构(line-edge profile)以及对于厚光阻的制程可达到高穿透性。此一光阻可以在标准晶圆涂布制程,一次就涂布厚度约55微米的光阻。然而,涂布系统必须具备一个高黏度适用泵,以及一个非常大直径的管子,以帮助极黏的光阻液均匀地混合,并可使这种光阻液的黏度范围达到5000 mPa.s。浸润式(Immersion)的显影时间在室温下使用2.38%的氢氧化四甲铵水溶液(TMAH)是7分钟。过程中不需要曝光后烘烤或是曝光到显影制程间的延迟时间。

 光阻在1倍的步进系统下,并基于1倍的Wynne-Dyson光学镜头、0.16的数值孔径(numerical aperture)设计,以及ghi-line汞灯G-线波长从350到450奈米的光照下进行曝光。*低数值孔径值以及宽带光谱范围的步进曝光机提供很大的景深(depth of focus)并最小化光阻侧壁靠近底部端的驻波形状(standing wave pattern)。步进机的曝光剂量以及聚焦偏移量为光阻下50微米的接触窗作优化设定,之后使用晶圆边缘曝光机系统(WEE)完全去除晶圆边缘的光阻以为接下来的电镀制程作准备。

 这些8吋晶圆之后便以高效能自动化的单晶圆铜电镀系统进行铜电镀制程,*电镀目标厚度为35 ±5微米。经过电镀之后,用丙酮即可轻易去除光阻。

 微影制程中线性关系的决定,是将某一区域从15到100微米的接触窗数组的量测数据作线性回归分析而得。此一制程的结果在小的光罩偏移值(photomask bias)为-0.27微米时具高度线性关系。此原罩上的小偏移值可以帮助简化铜柱凸块制程中所需原罩的设计和制造。

 一个典型的方形接触窗光阻在铜种子层上密集镇猎区的横切面图。像15微米这么小的接触窗在55微米厚的光阻下可以解析,结果得到垂直的侧壁结构,以及在光阻顶端边缘最小的圆切化效果(rounding)。在尺寸小于20微米的光阻底部会有个小足突,然而,观察到的这样的小足突几乎对正常铜电镀的结构没有影响。目前观察到分辨率超过50微米的接触窗对于铜柱凸块制程而言,则被视为先进的封装应用。这样分辨率的余裕则为量产的微影制程提供改善关键尺寸的控制与制程宽限。

 较大聚焦宽限(focus latitude),对于控制局部形貌变化较大的区域内光阻图案的关键尺寸是一项优点,光阻的聚焦宽限是在具铜种子层晶圆上,密集的50微米接触窗数组上评估。图三a显示负30微米的聚焦偏移条件下,在光阻上方有些许圆切化现象,而图三b显示在正5微米聚焦偏移条件下,有些许底部足突,但是在光阻上方则为垂直的侧缘.要维持关键尺寸和侧壁角度之间最佳的折衷条件为负10微米的聚焦偏移量。

 为作铜电镀制程的效能评估,我们在不同数组间隔的铜种子层晶圆上制造了50微米的铜柱凸块数组,平均铜柱的高度为30微米。这些铜柱显示近乎垂直的侧壁切面结构,而且没有任何凸块下电镀(underbump plating)的痕迹,所以,光阻证明了在电镀过程中相当的持久性,而且没有和基底黏着失效的问题。之后光阻再浸泡在丙酮溶液10分钟从晶圆上去除,图四显示间隔为12.5微米和50微米铜柱凸块数组的结果,在相临铜柱间并没有发现桥接的情形。

结论
 可量产制程的铜柱凸块技术需要符合流变学(rheology)的光阻,支持旋转涂布单次操作厚度从40微米到100微米,同时必须有足够的微影分辨率及制程宽限,经曝光及显影后,光阻层还必须对于铜电镀具有足够的耐久稳定性,而且之后还必须容易被无环境污染的溶剂系统去除干净。

 我们证明低至15微米的分辨率都可以获得良好的制程控制,同时在直径尺寸小到30微米的铜柱凸块数组结构,也可以得到极佳的电镀效能。这些关键的尺寸已远超过目前,甚至可预期未来先进封装的设计需求。

 本文中所使用的光阻为信越化学工业出产的SIPR 7120系列,经由Ultratech Unity AP300的晶圆步进机进行曝光制程,之后使用Semitool Raider M作为铜电镀系统。 (责任编辑:ioter)
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