晶圆级封装工艺：溅射工艺和电镀工艺

溅射工艺：在晶圆表面形成薄膜

溅射是一种在晶圆表面形成金属薄膜的物理气相沉积(PVD)6工艺。如果晶圆上形成的金属薄膜低于倒片封装中的凸点，则被称为凸点下金属层(UBM，Under Bump Metallurgy)。通常凸点下金属层由两层或三层金属薄膜组成，包括：增强晶圆粘合性的黏附层;可在电镀过程中提供电子的载流层;以及具有焊料润湿性(Wettability)7,并可阻止镀层和金属之间形成化合物的扩散阻挡层。例如薄膜由钛、铜和镍组成，则钛层作为黏附层，铜层作为载流层，镍层作为阻挡层。因此，UBM对确保倒片封装的质量及可靠性十分重要。在RDL和WLCSP等封装工艺中，金属层的作用主要是形成金属引线，因此通常由可提高粘性的黏附层及载流层构成。

如图8所示，在溅射工艺中，首先将氩气转化为等离子体(Plasma)8，然后利用离子束碰击靶材(Target)，靶材的成分与沉积正氩离子的金属成分相同。碰击后，靶材上的金属颗粒会脱落并沉积在晶圆表面。通过溅射，沉积的金属颗粒具有一致的方向性。尽管晶圆平坦区经过沉积后厚度均匀，但沟槽或垂直互连通路(通孔)的沉积厚度可能存在差异，因此就沉积厚度而言，此类不规则形状会导致平行于金属沉积方向的基板表面的沉积厚度，比垂直于金属沉积方向的基板表面沉积厚度薄。

6 物理气相沉积(PVD): 一种产生金属蒸气，并将其作为一种厚度较薄且具有粘性的纯金属或合金涂层沉积在导电材料上的工艺。

7 润湿性(Wettability): 因液体和固体表面的相互作用，使液体在固体表面扩散的现象。

8 等离子体(Plasma): 一种因质子和电子的自由运动而呈电中性的物质状态。当持续对气体状物质进行加热使其升温时，便会产生由离子和自由电子组成的粒子集合体。等离子体也被视为固态、液态和气态之外的“第四种物质状态”。

▲图8：溅射的基本原理

电镀工艺：形成用于键合的金属层

电镀是将电解质溶液中的金属离子还原为金属并沉积在晶圆表面的过程，此过程是需要通过外部提供的电子进行还原反应来实现的。在晶圆级封装中，采用电镀工艺形成厚金属层。厚金属层可充当实现电气连接的金属引线，或是焊接处的凸点。如图9所示，阳极上的金属会被氧化成离子，并向外部电路释放电子。在阳极处被氧化的及存在于溶液中的金属离子可接收电子，在经过还原反应后成为金属。在晶圆级封装的电镀工艺中，阴极为晶圆。阳极由作为电镀层的金属制成，但也可使用如铂金的不溶性电极(Insoluble Electrode)9。如果阳极板由作为镀层的金属制成，金属离子就会从阳极板上溶解并持续扩散，以保持溶液中离子浓度的一致性。如果使用不溶性电极，则必须定期补充溶液中因沉积到晶圆表面而消耗的金属离子，以维持金属离子浓度。图10展示了阴极和阳极分别发生的电化学反应。

9 不溶性电极(Insoluble Electrode): 一种主要用于电解和电镀的电极。它既不溶于化学溶液，也不溶于电化学溶液。铂金等材料常被用于制作不溶性电极。

▲图9：电镀过程

▲图10：阴极和阳极电化学反应公式

在放置晶圆电镀设备时，通常需确保晶圆的待镀面朝下，同时将阳极置于电解质溶液中。当电解质溶液流向晶圆并与晶圆表面发生强力碰撞时，就会发生电镀。此时，由光刻胶形成的电路图案会与待镀晶圆上的电解质溶液接触。电子分布在晶圆边缘的电镀设备上，最终电解质溶液中的金属离子与光刻胶在晶圆上绘制的图案相遇。随后，电子与电解质溶液中的金属离子结合，在光刻胶绘制图案的地方进行还原反应，形成金属引线或凸点。

光刻胶去胶工艺和金属刻蚀工艺：去除光刻胶

在所有使用光刻胶图案的工艺步骤完成后，必须通过光刻胶去胶工艺来清除光刻胶。光刻胶去胶工艺是一种湿法工艺，采用一种被称为剥离液(Stripper)的化学溶液，通过水坑式、浸没式，或喷淋式等方法来实现。通过电镀工艺形成金属引线或凸点后，需清除因溅射形成的金属薄膜。这是非常必要的一个步骤，因为如果不去除金属薄膜，整个晶圆都将被电气连接从而导致短路。可采用湿刻蚀(Wet Etching)工艺去除金属薄膜，以酸性刻蚀剂(Etchant)溶解金属。这种工艺类似于光刻胶去胶工艺，随着晶圆上的电路图案变得越来越精细，水坑式方法也得到了更广泛的应用。

一种更加高效且可靠的封装工艺

通过上述各个阶段工艺流程，从光刻绘制电路图案到最终的光刻胶去胶工艺，晶圆级封装确保提升了其封装效率、微型化、及可靠性。在下一篇文章中，将详细探讨采用扇入及扇出型WLCSP、重新分配层封装、倒片封装和硅通孔封装等晶圆级封装工艺。

本文内容源于【SKhynix NEWSROOM】

审核编辑：汤梓红