半导体后端工艺：晶圆级封装工艺（上）

封装完整晶圆

晶圆级封装是指晶圆切割前的工艺。晶圆级封装分为扇入型晶圆级芯片封装（Fan-In WLCSP）和扇出型晶圆级芯片封装（Fan-Out WLCSP），其特点是在整个封装过程中，晶圆始终保持完整。除此之外，重新分配层（RDL）封装、倒片（Flip Chip）封装及硅通孔 ^1^ （TSV）封装通常也被归类为晶圆级封装，尽管这些封装方法在晶圆切割前仅完成了部分工序。不同封装方法所使用的金属及电镀（Electroplating）^2^绘制图案也均不相同。不过，在封装过程中，这几种方法基本都遵循如下顺序。

^1^ 硅通孔（TSV , Through-Silicon Via）: 一种可完全穿过硅裸片或晶圆实现硅片堆叠的垂直互连通道。

^2^ 电镀 (Electroplating): 一项晶圆级封装工艺，通过在阳极上发生氧化反应来产生电子，并将电子导入到作为阴极的电解质溶液中，使该溶液中的金属离子在晶圆表面被还原成金属。

完成晶圆测试后，根据需求在晶圆上制作绝缘层（Dielectric Layer）。初次曝光后，绝缘层通过光刻技术再次对芯片焊盘进行曝光。然后，通过溅射（Sputtering）^3^工艺在晶圆表面涂覆金属层。此金属层可增强在后续步骤中形成的电镀金属层的黏附力，同时还可作为扩散阻挡层以防止金属内部发生化学反应。此外，金属层还可在电镀过程中充当电子通道。之后涂覆光刻胶（Photoresist）以形成电镀层，并通过光刻工艺绘制图案，再利用电镀形成一层厚的金属层。电镀完成后，进行光刻胶去胶工艺，采用刻蚀工艺去除剩余的薄金属层。最后，电镀金属层就在晶圆表面制作完成了所需图案。这些图案可充当扇入型WLCSP的引线、重新分配层封装中的焊盘再分布，以及倒片封装中的凸点。下文将对每道工序进行详细介绍。

^3^ 溅射 (Sputtering): 一项利用等离子体束对靶材进行物理碰击，使靶材粒子脱落并沉积在晶圆上的工艺。

▲图1：各类晶圆级封装工艺及相关步骤

光刻工艺：在掩模晶圆上绘制电路图案

光刻对应的英文是Photolithography，由“-litho（石刻）”和“graphy（绘图）”组成，是一种印刷技术，换句话说，光刻是一种电路图案绘制工艺。首先在晶圆上涂覆一层被称为“光刻胶”的光敏聚合物，然后透过刻有所需图案的掩模，选择性地对晶圆进行曝光，对曝光区域进行显影，以绘制所需的图案或图形。该工艺的步骤如图2所示。

▲图2：光刻工艺步骤

在晶圆级封装中，光刻工艺主要用于在绝缘层上绘制图案，进而使用绘制图案来创建电镀层，并通过刻蚀扩散层来形成金属线路。

▲图3：摄影与光刻的对比

为更加清楚地了解光刻工艺，不妨将其与摄影技术进行比较。如图3所示，摄影以太阳光作为光源来捕捉拍摄对象，对象可以是物体、地标或人物。而光刻则需要特定光源将掩模上的图案转移到曝光设备上。另外，摄像机中的胶片也可类比为光刻工艺中涂覆在晶圆上的光刻胶。如图4所示，我们可以通过三种方法将光刻胶涂覆在晶圆上，包括旋涂（Spin Coating）、薄膜层压（Film Lamination）和喷涂（Spray Coating）。涂覆光刻胶后，需用通过前烘（Soft Baking）来去除溶剂，以确保粘性光刻胶保留在晶圆上且维持其原本厚度。

如图5所示，旋涂将粘性光刻胶涂覆在旋转着的晶圆中心，离心力会使光刻胶向晶圆边缘扩散，从而以均匀的厚度分散在晶圆上。粘度越高转速越低，光刻胶就越厚。反之，粘度越低转速越高，光刻胶就越薄。对于晶圆级封装而言，特别是倒片封装，光刻胶层的厚度须达到30 μm至100 μm，才能形成焊接凸点。然而，通过单次旋涂很难达到所需厚度。在某些情况下，需要反复旋涂光刻胶并多次进行前烘。因此，在所需光刻胶层较厚的情况下，使用层压方法更加有效，因为这种方法从初始阶段就能够使光刻胶薄膜达到所需厚度，同时在处理过程中不会造成晶圆浪费，因此成本效益也更高。但是，如果晶圆结构表面粗糙，则很难将光刻胶膜附着在晶圆表面，此种情况下使用层压方法，会导致产品缺陷。所以，针对表面非常粗糙的晶圆，可通过喷涂方法，使光刻胶厚度保持均匀。

▲图4：光刻胶涂覆的三种方法

▲图5：旋涂方法示意图

完成光刻胶涂覆和前烘后，接下来就需要进行曝光。通过照射，将掩模上的图案投射到晶圆表面的光刻胶上。由于正性光刻胶（Positive PR）在曝光后会软化，因此使用正性光刻胶时，需在掩模去除区开孔。负性光刻胶（Negative PR）在曝光后则会硬化，所以需在掩模保留区开孔。晶圆级封装通常采用掩模对准曝光机（Mask Aligner）^4^或步进式***（Stepper）^5^作为光刻工艺设备。

^4^ 掩模对准曝光机（Mask Aligner）: 一种将掩模上的图案与晶圆进行对准，使光线穿过掩模并照射在晶圆表面的曝光设备。

^5^ 步进式***（Stepper）: 一种在工件台逐步移动时，通过开启和关闭快门控制光线以进行光刻的机器。

显影（Development）是一种利用显影液来溶解因光刻工艺而软化的光刻胶的工艺。如图6所示，显影方法可分为三种，包括：水坑式 显影（Puddle Development），将显影液倒入晶圆中心，并进行低速旋转；浸没式显影（Tank Development），将多个晶圆同时浸入显影液中；喷淋式显影（Spray Development），将显影液喷洒到晶圆上。图7显示了静态显影方法的工作原理。完成静态显影后，通过光刻技术使光刻胶形成所需的电路图案。

▲图6：三种不同的显影方法

▲图7：水坑式显影方法的工作原理







审核编辑：刘清