应用于MEMS及3D-IC封装中的喷胶技术

沈阳芯源微电子设备有限公司 张晨阳 邢 栗

随着MEMS制造及3D-IC封装技术的发展，喷胶技术的应用越来越广泛。本文结合实验论述了喷胶技术的发展、应用、优点；分析了影响喷胶工艺质量的因素；并对未来喷胶技术的前景作了一定的展望。实验采用AZ4620光刻胶，对375μm深的TSV孔进行雾化喷胶。

引言：随着微电子机械系统（MEMS）与3D-IC封装技术应用的发展，为了满足不断发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（具有沟道、V型槽以及深孔）覆盖共形的光刻胶。硅通孔技术（TSV）作为3D-IC封装中重要的工艺技术，通过芯片到芯片、晶圆到晶圆间的垂直互联，从而得到堆叠密度大、尺寸小、运行速度快、功耗小的高质量芯片。所以向具有不平整形貌的TSV结构涂覆光刻胶的需求越来越大，这就促使了新的涂覆光刻胶技术发展。图1为采用TSV技术3D-IC封装SEM图片。

图1 采用TSV技术3D-IC封装SEM图片

旋转式涂胶工艺是最传统的涂胶工艺，但是由于旋涂过程中光刻胶所受离心力与重力的作用，常规的旋转式涂胶技术并不能在这些具有形貌的晶圆表面达到共形的光刻胶涂布。优化的电子束沉积光刻胶工艺技术可以达到共形的光刻胶覆盖，但是在这种工艺中，需要一层导电的电镀层作为基层，这种导电层对于后道制程是不利的，而且成本也比较高。为了满足这种共形的光刻胶覆盖，一种新型的喷胶技术应运而生，这种喷胶技术具有操作简易、经济、重复性高的特点，而且具有替代常规旋涂技术的趋势。这种喷胶技术最早是由EVG公司于1999年提出的，其关键部分是其使用的超声低压喷雾喷嘴。喷胶工艺相对于电子束沉积光刻胶工艺，大大地节省了成本。

1.喷胶实验介绍

1.1 实验设备

实验中采用的喷胶设备为沈阳芯源微电子设备有限公司KSM200-1SP喷雾式涂胶机。图2为KS-M200-1SP喷胶机。喷胶设备的核心部件是超声波喷嘴。喷嘴通过超声振荡产生微米级别的光刻胶小液滴。经由压缩空气或者氮气气流加速使这种光刻胶液滴喷向晶圆表面。工艺时，晶圆以较低的转速（30-60rpm）缓慢的旋转，低转速可以有效的降低离心力的影响。与此同时，喷胶机带动超声波喷嘴的摆臂以设定的路径扫描通过整个晶圆，从而使的带有TSV结构的晶圆表面涂覆满光刻胶。

1.2 喷胶工艺中超声喷嘴的行走轨迹

为了提高喷胶工艺胶膜的均匀性及工艺灵活性，超声喷嘴在晶圆上方的行走轨迹有多种方式，常规的方式有如下两种。

a.在喷胶过程中，晶圆通过真空吸附在吸盘上，并以较低的转速（30-60 rpm）旋转，同时在其上方与晶圆表面成45°的喷嘴以一定的线速度在晶圆上移动（通过晶圆的圆心），以达到在整个晶圆表面涂布光刻胶的目的。较低的转速最大程度降低基底区域的离心力。

b.如图3所示，在喷胶过程中，晶圆通过真空吸附在吸盘上固定不动，垂直固定其上方的喷嘴在X、Y双向运动臂的作用下相对于晶圆移动，虚线及箭头所示为喷嘴的行走路径，通过设定的扫描速率和步距使喷嘴扫描整个晶圆表面。实验喷嘴采用此种运动轨迹进行工艺。

图2 KS-M200-1SP 喷胶机

图3 喷嘴以S型轨迹移动示意图

1.3 光刻胶

想要将光刻胶雾化成为小液滴，需要黏度小于30CP的光刻胶溶液。AZ4620光刻胶的性能非常适合涂覆在TSV结构的表面，并且能够得到质量很好膜层。AZ4620光刻胶黏度为440CP，因此本实验采用丙酮溶剂来稀释AZ4620光刻胶，降低其黏度。我们按AZ4620与丙酮体积比为1:10的比例稀释，得到CP值为20的光刻胶溶液。通过优化涂胶工艺和使用稀释的AZ4620光刻胶，我们在带有375μm深孔的晶圆上喷涂了一层均匀的光刻胶层，均匀性能达到±10%。图4为375μm 深TSV孔中光刻胶线条SEM图。

图4 375μm深TSV孔中光刻胶线条SEM图

2.喷胶技术的应用

通过上述实验我们可以得出，这种喷胶技术得到的光刻胶膜的膜厚和均匀性可以很好的应用在一些MEMS和先进封装上。它的应用主要有以下几个方面。

a.在平整的表面均匀的涂布一定厚度的光刻胶，替代常规的旋涂技术；

b.在具有沟道、V型槽、TSV孔的晶圆表面覆盖共形的光刻胶，使得进一步在沟道里，V型槽中，TSV孔内底部做光刻及刻蚀工艺。

c.应用与制作金属电镀的光刻胶印模等。

d.其它形状的晶片。

3.喷胶优点与缺点

喷胶技术的发展为MEMS及3D-IC封装提供了工艺技术支持，相比于旋转式涂胶工艺，其主要优点如下：

a.成本低。喷胶所使用的光刻胶较少，同样厚度的胶膜，利用旋转式涂胶技术使用的光刻胶约是喷胶技术的10至15倍，利用喷胶技术可节省大量成本。

b.应用范围广。喷胶技术不仅可以在不同形状的晶圆上涂布光刻胶，还可以在具有形貌的晶圆表面涂布共形的光刻胶，最主要的是可以在一些较薄易碎的晶片表面涂布光刻胶，而这是旋涂工艺所不能完成的（离心力的作用极易使晶片碎裂）。

喷胶工艺也有它的一些不足，例如目前的喷胶设备使用的光刻胶CP值往往低于20，高于这个值，光刻胶不易被超声雾化为颗粒；另一方面，对于尺寸较大的晶圆，与旋转涂胶相比，喷胶所用的时间稍长一些。

4.影响喷胶工艺质量的参数

通过实验可以得出，在具有一定形貌的晶圆表面喷涂均匀的光刻胶膜并不是一件容易的事。对具有TSV深孔的晶圆表面喷涂光刻胶，在孔的顶部边缘往往没有光刻胶，而在靠近孔的底部区域会聚集比较多的光刻胶。这样，为了达到均匀的光刻胶膜，就需要优化影响喷胶工艺质量的参数，主要有以下几个方面。

a.光刻胶。不同的光刻胶所含的物质不同，化学性质不同，同样条件下喷胶后胶膜的质量就不同。在现代半导体领域低成本的驱动下，能够满足半导体工艺需求的前提条件下，应尽量使用经济实惠的光刻胶，例如AZ 4620；

b.光刻胶与溶剂的配比比例。由于光刻胶的CP值往往较大，为了能够将其雾化为颗粒，需要将其配比一定量的溶剂加以稀释，从而降低CP值，不同的配比比例对胶膜的均匀性及厚度均有影响；

c.喷嘴相对于晶片的移动速率。在其它条件不变的情况下，移动速率越大，喷胶所需要的时间越短，对应的胶膜也越薄。但是移动速率过大会导致胶膜的均匀性较差；

d.喷嘴气体流量。喷嘴气体流量主要决定胶膜的厚度，厚度与流量大小成正比；

e.超声波功率。超声功率决定雾化颗粒数量及大小，进而影响胶膜的厚度和均匀性；

f.喷嘴氮气压力。喷嘴氮气压力过大，会使雾化的颗粒喷洒到晶圆表面后再反弹回来，如果压力过小，不会使雾化的颗粒均匀的喷洒到晶圆表面；

g.晶圆的温度。晶圆的温度会影响光刻胶中溶剂的挥发速率，进而影响胶膜的流动性。所以对于具有形貌的晶圆，温度对胶膜质量的影响较大；

h.喷嘴距离晶圆表面的距离。此因素主要影响膜厚的均匀性；

i.喷嘴的超声波频率。喷嘴的超声波频率主要决定雾化的液体颗粒大小，对于不同的喷涂需求，应选择适当频率的超声喷嘴。

5.喷胶工艺技术的发展前景

在半导体领域的工艺技术中，新型的喷胶技术可以很好的应用在MEMS、3D-IC封装当中。随着MEMS及3D-IC封装技术的发展，喷胶技术必将成为一种广泛应用的技术，具有着广阔的发展空间，未来将有如下的发展前景。

a. 具有高CP值的光刻胶也可被超声雾化；

b. 喷嘴的雾化面可以变为矩形或其它更多种类的图形；c．在保证喷胶质量的前提下，喷胶的效率会越来越高；d. 喷胶技术不仅可用在圆形的晶圆上，也可以用在不规则的晶片上，未来将应用在大平板当中；

e. 由于喷胶的低成本与胶膜的高质量，将来可替代成本较高的干膜制程技术。

6.结束语

随着科学技术的发展，喷胶必将迎来更新的发展与变革，这对整个国产半导体行业都既是机遇，又是挑战。