晶圆级封装(WLP)的各项材料及其作用

本篇文章将探讨用于晶圆级封装(WLP)的各项材料，从光刻胶中的树脂，到晶圆承载系统(WSS)中的粘合剂，这些材料均在晶圆级封装中发挥着重要作用。

光刻胶(Photoresists, PR)：由感光剂、树脂和溶剂构成，用于形成电路图案和阻挡层

光刻胶是由可溶性聚合物和光敏材料组成的化合物，当其暴露在光线下时，会在溶剂中发生降解或融合等化学反应。在运用于晶圆级封装的光刻(Photolithography)工艺过程中时，光刻胶可用于创建电路图案，还可在后续电镀(Electroplating)1过程中通过电镀金属丝以形成阻挡层。光刻胶的成分如图1所示。

1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。

 

 

 

 

▲ 图1：光刻胶的成分和作用(ⓒ HANOL出版社)

根据光照的反应原理，光刻胶可分为正性光刻胶(Positive PR)和负性光刻胶(Negative PR)。 对于正性光刻胶，曝光区域会发生降解反应，导致键合减弱;而未曝光区域则会发生交联(Cross-linking)2反应，使键合增强。因此，被曝光部分在显影过程中会被去除。然而对于负性光刻胶，曝光部分会产生交联反应并硬化，从而被完整保留下来;未曝光部分则被去除。负性光刻胶的粘度通常高于正性光刻胶，旋涂过程中的涂覆厚度更厚，因而通常被用于形成较高的焊接凸点(Solder Bump)。而正性光刻胶则至少需要涂覆两次。

光刻过程中所使用的光源可根据波长进行分类，波长以纳米(nm)为单位。对于细微化(Scaling)的半导体而言，在光刻过程中通常采用波长较短的光源，以增强光刻效果，从而形成更精细的电路图案。因此，光敏化合物(PAC)用于制作曝光波长较长的g线(g-line)3光刻胶和i线(i-line)4光刻胶。而化学放大型抗蚀剂(CAR)5则用于制作曝光波长较短的光刻胶。晶圆级封装通常使用i线步进式***(Stepper)6。

2交联(Cross-link)：通过化学键将聚合物链连接在一起的化学反应。

3g线(g-line)：在汞光谱中，一条对应波长约为436纳米的谱线。

4i线(i-line)：在汞光谱中，一条对应波长约为356纳米的谱线。

5化学放大型抗蚀剂(CAR)：一种用于提高光刻胶材料光敏性的抗蚀剂。

6步进式***(Stepper)：用于曝光晶圆的设备。不同类型的设备用于不同精度晶圆的曝光，具体取决于对应的光源类型。

电镀液：由金属离子、酸和添加剂组成，用于可控电镀工艺

电镀液(Plating Solution)是一种在电镀过程中使用的溶液，由金属离子、酸和添加剂组成。其中，金属离子是电镀过程中的待镀物质;酸作为溶剂，用于溶解溶液中的金属离子;多种添加剂用于增强电镀液和镀层的性能。可用于电镀的金属材料包括镍、金、铜、锡和锡银合金，这些金属以离子的形式存在于电镀液中。常见的酸性溶剂包括硫酸(Sulfuric Acid)和甲磺酸(Methanesulfonic Acid)。添加剂包括整平剂(Leveler)和细化剂(Grain Refiner)，其中，整平剂用于防止材料堆积，提高电镀层平整性;而晶粒细化剂则可以防止电镀晶粒的横向生长，使晶粒变得更加细小。

 

 

 

 

▲ 图2：电镀液中添加剂的作用(ⓒ HANOL出版社)

光刻胶剥离液(PR Stripper)：使用溶剂完全去除光刻胶

电镀工艺完成后，需使用光刻胶剥离液去除光刻胶，同时注意避免对晶圆造成化学性损伤或产生残留物。图3展示了光刻胶去胶工艺的过程。首先，当光刻胶剥离液与光刻胶表面接触时，两者会发生反应，使光刻胶膨胀;接下来，碱性剥离液开始分解并溶解膨胀的光刻胶。

 

 

 

 

▲ 图3：光刻胶剥离液的去胶工序(ⓒ HANOL出版社)

刻蚀剂：使用酸、过氧化氢等材料精确溶解金属

晶圆级封装需要通过溅射(Sputtering)7 工艺形成籽晶层(Seed Layer)，即通过溅射或蒸馏的方式形成的一层用于电镀的薄金属。电镀和光刻胶去胶工序完成后，需使用酸性刻蚀剂来溶解籽晶层。

7溅射(Sputtering)：一种用高能离子轰击金属靶材，使喷射出来的金属离子沉积到晶圆表面的物理气相沉积工艺。

图4展示了刻蚀剂的主要成分和作用。根据不同的待溶解金属，可选用不同刻蚀剂，如铜刻蚀剂、钛刻蚀剂、银刻蚀剂等。此类刻蚀剂应具有刻蚀选择性——在有选择性地溶解特定金属时，不会溶解或仅少量溶解其它金属;刻蚀剂还应具备较高的刻蚀速率，以提高制程效率;同时还应具备制程的均匀性，使其能够均匀地溶解晶圆上不同位置的金属。

 

 

 

▲ 图4：刻蚀剂的主要成分和作用(ⓒ HANOL出版社)

 

 

本文内容源于【SKhynix NEWSROOM】
 

审核编辑：汤梓红