浅谈光刻与边缘曝光系统对电镀的作用

摘 要：微电子领域应用的先进封装技术包括凸点互连技术、再布线、倒装片、3D堆叠等，而光刻与电镀工艺流程是先进封装技术中的重要环节。光刻工艺是运用光学、化学反应等原理将图形传递到单晶表面或介质层上。电镀工艺运用电化学反应，在金属介质层上镀出所需金属，构成金属导线。光刻作为电镀的前置基础，起到了承上启下的作用。现从光刻与边缘曝光系统出发对电镀工艺进行探讨，分析了光刻胶分辨率模型表达式和电镀工艺的公式模型以及边缘曝光系统对后续电镀的作用，同时对光刻工艺分辨率和电镀效率增强技术进行了调研。

关键词：先进封装;光刻;边缘曝光;电镀

0    引言

先进封装技术的重要工艺流程包括涂胶—曝光—显影—烘烤—电镀—去胶—清洗，即先在硅片上涂覆一层光刻胶，光刻胶经过曝光发生化学反应，然后通过显影将所需要的细微图形从掩模版转移至硅片上，最后实施电镀等工艺。随着电子产品向轻、薄、小及功能多样化方向发展，未来半导体封装技术对光刻胶线宽、电镀金属导电率、可靠性等要求会越来越高。

1    工艺流程与模型表达式

1.1    工艺流程介绍

在涂胶—曝光—显影—硬烘—电镀—去胶—清洗的封装工艺流程中，每一步都有其关键参数和作用。涂胶：涂胶的厚度和均一性与胶的粘度和转速息息相关。曝光：分正性和负性光刻胶，正性光刻胶感光部分可溶，负性不感光部分可溶。能量、焦面为曝光重要参数，不同的胶厚，所需要的曝光剂量不同。显影：将曝光区域的光刻胶进行溶解，常用有机溶剂TMAH2.38%，浓度和时间为关键参数。显影时间过长，会导致胶过显，反之，显影不足。硬烘：有去除水分和坚硬膜的效果。电镀：以预镀金属为阳极，硅片为阴极，在酸性溶液中进行氧化还原反应，电流密度、电镀时间为电镀重要参数。硅片边缘需要留出金属层，使其接触电镀引脚才能形成导通电路。去胶：使用丙酮对光刻胶进行去除，然后通过异丙醇清洗，使其无残留。

晶圆边缘曝光：晶圆边缘多余的光刻胶可以通过曝光的办法来清除，称为边缘曝光系统（wafer edge exposure，WEE），可替代传统的EBR（去胶剂）喷射晶圆边缘进行洗边处理。在涂胶和烘烤完成后，晶圆被传送到边缘曝光单元，边缘曝光系统是光刻机的一部分，边缘部分被曝光，将使光刻胶里的感光剂、光酸剂发生化学反应。显影后，边缘曝光的光刻胶与曝光图形就同时溶解在显影液里，所需图形即呈现出来。

图1是边缘曝光系统结构示意图。机械手臂把晶圆传送到可旋转的对位台上，通过真空吸附晶圆。晶圆通过对位台旋转，传感器测定边缘晶圆的缺口（notch）作为起始位置。曝光光源来自高压汞灯，通过光纤把光线传输到晶圆边缘，光纤输出的光通过一个物镜聚焦成光斑照射在晶圆边缘。晶圆旋转，实现边缘曝光（注：边缘不可涂抗反射涂层，它不是光敏感）。光纤装置可沿X/Y方向导轨移动，这样就可调节边缘曝光的距离大小，其技术指标有曝光精度、曝光剂量、曝光宽度、曝光角度等。

电镀（ECP）：利用电解原理在金属表面上镀上一层其他的金属或者合金的过程。在电流通过时，有金属沉积在阴极表面，其本质是氧化还原反应。电镀所需5个必要条件分别是直流电源、镀槽体、预镀金属离子的药液、金属阳极和硅片阴极、导电棒，把5个条件有序联通起来构成电镀电路。图2是曝光区和WEE示意图。使用边缘曝光，再经过显影，把晶圆边缘的金属层显现出来，通过电镀引脚连接边缘一圈，使其形成有效的导电电路，电流分布更均匀。而边缘未曝光的光刻胶部分也必须使用绝缘项圈进行密封，才能阻挡电镀液漏到边缘金属层造成侧镀，或者漏到电镀引脚上造成电流击穿等不良影响。图3是电镀引脚与密封项圈示意图。电镀引脚的长度决定了WEE曝光的宽度。曝光宽度太大会导致绝缘项圈密封不到，产生侧镀;曝光宽度太小会导致电镀引脚压到光刻胶上，产生断路。所以，WEE曝光宽度应介于密封项圈与电镀引脚之间，其对电镀起到了关键作用。

1.2    光刻模型与电镀模型的表达式

光刻工艺流程对光刻胶的影响主要为化学变化，通过改变光刻胶内化学成分来表达成像效果，最终以线宽大小（CD）来表征。电镀则是在开口槽的地方镀金属，电镀的厚度，取决于电量的多少。所以简单的曝光公式和电镀公式无法有效描述光刻胶内化学变化和电镀覆膜的变化，建立一套完整的、基于化学和电化学变化的曝光工艺表达式和电镀表达式才能有效地为工艺开发提供建议。

曝光模型：通过曝光能量来改变光刻胶内感光剂（PAC）的浓度，其公式可以描述成光刻胶内光强（I）—光刻胶感光剂（PAC）浓度（m）。

模型表达式：

PAC+hv=P+others

m/dose=-C×I×m

光刻胶分辨率极限表达式：

CD=（dose/hv×d）×EL×LWR（a3/2/p）

式中：dose為曝光能量;hv为光能量（普朗克常数）;d为胶厚;EL为能量宽裕度;LWR为线宽粗糙度;a为光酸等效扩散长度;p为空间周期。

电镀模型：电镀的重要定律是法拉第定律，当一种金属发生电解反应沉积或溶解时，电解涉及的反应物量与通过的电量成正比。法拉第定律描述了这种关系：

（1）电解时金属沉积或溶解的量与电量成正比;

（2）通过相同电量析出的金属质量，与其电化学摩尔质量成正比。

用公式计算，电镀厚度与电流密度、时间、电解涉及的反应物量与通过的电流效率等因素有直接关系。电流密度越大，时间越长，则电镀高度即厚度越厚，它们之间成正比关系。

模型表达式：

C=Qt=Ist

σ=KItn

m=ρv

式中：σ为电镀厚度（μm）;K为厚度系数（cm3/Ah）;I为电流密度（A/dm2）;t为时间（h）;n为电流效率（%）;m为质量;ρ为密度;v为体积;s为接触面积。

厚度系数K是预镀金属的电化当量除以金属密度，n通常设定为1（即100%），如铜的计算公式为：σ=0.222It。

基于曝光模型与电镀模型表达式，在既定情况下，给出表达式中的定量，即可推导出实验数据。这样既可作为实验前安排的依据，又可用于后续实验数据的对比分析。如模型表达式得出的数据与实验数据相差较大，则反映出实验过程中存在一定的错误率。

2    光刻胶开口大小与电镀厚度的关系

2.1    光刻胶开口大小

在先进封装工艺流程中，光刻胶的开口大小直接影响后续电镀金属的直径与高度。预先选定一款光刻胶，在光刻胶上曝光出圆孔开口，再改变其CD（开口大小），也就是其圆孔直径，计算出在不同圆孔开口大小情况下的电镀高度。根据曝光模型表达式，选定一款正性光刻胶，型号：JSR THB-151N，涂覆光刻胶20 μm。设定光能量（普朗克常数）hv、光酸等效扩散长度a、空间周期p、能量宽裕度EL、线宽粗糙度LWR为定量不变，dose作为变量，则dose越大CD越大，反之越小。

2.2    电镀金属厚度

电镀是在光刻胶开口处通过氧化还原反应慢慢沉积出金属，形成圆柱型金属体。体积=πR2h，金属圆柱体体积越大，质量就越大，所需要的金属离子的电量就越大。在相同的电量下，根据模型公式即可推导出电镀厚度与接触孔大小（CD）的平方成反比关系：（CD1）2×h1=（CD2）2×h2。需要注意的是，电镀的厚度不能大于光刻胶的覆膜厚度，如超出光刻胶膜厚，则电镀金属的形貌会发生变化。

2.3    光刻胶开口与电镀金属厚度的计算

根据上述模型公式推导，选定正性光刻胶JSR-151N，覆膜厚度20 μm，在设定的曝光能量下，其余因子假定为1，根据光刻分辨率表达式可得光刻胶开口大小（CD）。再根据CD，在相同电量和时间情况下，使用电镀模型表达式即可得出电镀的厚度，不需要经过反复实验、切片再得出结论，减少了不必要的人力和物力消耗。在相同电量的情况下，仅改变曝光能量，即可得出CD的差异和电镀高度的差异。表1为使用光刻胶极限分辨率表达式和电镀表达式后得出的数据分析。

综合上述数据推导分析，光刻胶的开口大小与电镀厚度成反比关系，在大量不同CD的情况下，能体现此方法的优势。此方法不仅有益于选择光刻胶，也适用于电镀方面的分析。

3    光刻工艺分辨率和电镀效率增强技术的调研

光刻成像的最小分辨率满足以下公式：

CD=K1×λ/NA

式中：K1为工艺因子;λ为波长;NA为数值孔径。

通过公式转换，可以得出以下关系：

K1=CD×NA/λ

对于不同膜厚胶，可以通过增加NA（可以通过调节物镜曲率等来提高，也可以使用浸没式光刻机）来提高最小分辨率CD。通常在K1<1的情况下，使用分辨率增强技术（例如OPC技术），可以达到优化成像效果的作用。

在半导体方向电镀时间计算公式可简化成：

t=σ/K×D

不同金属体系对应不同系数K，所以在K一定、厚度σ不变的情况下，可通过增大电流密度D（单位面积内加大电流）来减少时间t。通常在酸性电镀体系中，加速沉积化学反应就是提高效率，可通过加大反应液流量、阴极处转速等方法来提高电镀效率。

4    结语

回顾近几年来电子信息领域新兴技术和新兴产业发展的历史，可以得出一个共同的结论：集成电路是当代电子信息技术的核心和基础。本文仅从光刻与边缘曝光系统出发对电镀工艺进行了粗浅的讨论研究，分析了光刻胶分辨率模型表达式和电镀工艺的公式模型以及边缘曝光系统对后续电镀的作用，同时对光刻工艺分辨率和电镀效率增强技术进行了调研。

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收稿日期：2021-02-02

作者简介：张良波（1989—），男，江苏盐城人，光刻工艺开发工程师，研究方向：光刻工艺开发。