濺射工藝：在晶圓表面形成薄膜

濺射是一種在晶圓表面形成金屬薄膜的物理氣相沉積(PVD)6工藝。如果晶圓上形成的金屬薄膜低于倒片封裝中的凸點(diǎn)，則被稱為凸點(diǎn)下金屬層(UBM，Under Bump Metallurgy)。通常凸點(diǎn)下金屬層由兩層或三層金屬薄膜組成，包括：增強(qiáng)晶圓粘合性的黏附層;可在電鍍過(guò)程中提供電子的載流層;以及具有焊料潤(rùn)濕性(Wettability)7,并可阻止鍍層和金屬之間形成化合物的擴(kuò)散阻擋層。例如薄膜由鈦、銅和鎳組成，則鈦層作為黏附層，銅層作為載流層，鎳層作為阻擋層。因此，UBM對(duì)確保倒片封裝的質(zhì)量及可靠性十分重要。在RDL和WLCSP等封裝工藝中，金屬層的作用主要是形成金屬引線，因此通常由可提高粘性的黏附層及載流層構(gòu)成。

如圖8所示，在濺射工藝中，首先將氬氣轉(zhuǎn)化為等離子體(Plasma)8，然后利用離子束碰擊靶材(Target)，靶材的成分與沉積正氬離子的金屬成分相同。碰擊后，靶材上的金屬顆粒會(huì)脫落并沉積在晶圓表面。通過(guò)濺射，沉積的金屬顆粒具有一致的方向性。盡管晶圓平坦區(qū)經(jīng)過(guò)沉積后厚度均勻，但溝槽或垂直互連通路(通孔)的沉積厚度可能存在差異，因此就沉積厚度而言，此類不規(guī)則形狀會(huì)導(dǎo)致平行于金屬沉積方向的基板表面的沉積厚度，比垂直于金屬沉積方向的基板表面沉積厚度薄。

6 物理氣相沉積(PVD): 一種產(chǎn)生金屬蒸氣，并將其作為一種厚度較薄且具有粘性的純金屬或合金涂層沉積在導(dǎo)電材料上的工藝。

7 潤(rùn)濕性(Wettability): 因液體和固體表面的相互作用，使液體在固體表面擴(kuò)散的現(xiàn)象。

8 等離子體(Plasma): 一種因質(zhì)子和電子的自由運(yùn)動(dòng)而呈電中性的物質(zhì)狀態(tài)。當(dāng)持續(xù)對(duì)氣體狀物質(zhì)進(jìn)行加熱使其升溫時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生由離子和自由電子組成的粒子集合體。等離子體也被視為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之外的“第四種物質(zhì)狀態(tài)”。

▲圖8：濺射的基本原理

電鍍工藝：形成用于鍵合的金屬層

電鍍是將電解質(zhì)溶液中的金屬離子還原為金屬并沉積在晶圓表面的過(guò)程，此過(guò)程是需要通過(guò)外部提供的電子進(jìn)行還原反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在晶圓級(jí)封裝中，采用電鍍工藝形成厚金屬層。厚金屬層可充當(dāng)實(shí)現(xiàn)電氣連接的金屬引線，或是焊接處的凸點(diǎn)。如圖9所示，陽(yáng)極上的金屬會(huì)被氧化成離子，并向外部電路釋放電子。在陽(yáng)極處被氧化的及存在于溶液中的金屬離子可接收電子，在經(jīng)過(guò)還原反應(yīng)后成為金屬。在晶圓級(jí)封裝的電鍍工藝中，陰極為晶圓。陽(yáng)極由作為電鍍層的金屬制成，但也可使用如鉑金的不溶性電極(Insoluble Electrode)9。如果陽(yáng)極板由作為鍍層的金屬制成，金屬離子就會(huì)從陽(yáng)極板上溶解并持續(xù)擴(kuò)散，以保持溶液中離子濃度的一致性。如果使用不溶性電極，則必須定期補(bǔ)充溶液中因沉積到晶圓表面而消耗的金屬離子，以維持金屬離子濃度。圖10展示了陰極和陽(yáng)極分別發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。

9 不溶性電極(Insoluble Electrode): 一種主要用于電解和電鍍的電極。它既不溶于化學(xué)溶液，也不溶于電化學(xué)溶液。鉑金等材料常被用于制作不溶性電極。

▲圖9：電鍍過(guò)程

▲圖10：陰極和陽(yáng)極電化學(xué)反應(yīng)公式

在放置晶圓電鍍?cè)O(shè)備時(shí)，通常需確保晶圓的待鍍面朝下，同時(shí)將陽(yáng)極置于電解質(zhì)溶液中。當(dāng)電解質(zhì)溶液流向晶圓并與晶圓表面發(fā)生強(qiáng)力碰撞時(shí)，就會(huì)發(fā)生電鍍。此時(shí)，由光刻膠形成的電路圖案會(huì)與待鍍晶圓上的電解質(zhì)溶液接觸。電子分布在晶圓邊緣的電鍍?cè)O(shè)備上，最終電解質(zhì)溶液中的金屬離子與光刻膠在晶圓上繪制的圖案相遇。隨后，電子與電解質(zhì)溶液中的金屬離子結(jié)合，在光刻膠繪制圖案的地方進(jìn)行還原反應(yīng)，形成金屬引線或凸點(diǎn)。

光刻膠去膠工藝和金屬刻蝕工藝：去除光刻膠

在所有使用光刻膠圖案的工藝步驟完成后，必須通過(guò)光刻膠去膠工藝來(lái)清除光刻膠。光刻膠去膠工藝是一種濕法工藝，采用一種被稱為剝離液(Stripper)的化學(xué)溶液，通過(guò)水坑式、浸沒(méi)式，或噴淋式等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)電鍍工藝形成金屬引線或凸點(diǎn)后，需清除因?yàn)R射形成的金屬薄膜。這是非常必要的一個(gè)步驟，因?yàn)槿绻蝗コ饘俦∧?，整個(gè)晶圓都將被電氣連接從而導(dǎo)致短路?？刹捎脻窨涛g(Wet Etching)工藝去除金屬薄膜，以酸性刻蝕劑(Etchant)溶解金屬。這種工藝類似于光刻膠去膠工藝，隨著晶圓上的電路圖案變得越來(lái)越精細(xì)，水坑式方法也得到了更廣泛的應(yīng)用。

一種更加高效且可靠的封裝工藝

通過(guò)上述各個(gè)階段工藝流程，從光刻繪制電路圖案到最終的光刻膠去膠工藝，晶圓級(jí)封裝確保提升了其封裝效率、微型化、及可靠性。在下一篇文章中，將詳細(xì)探討采用扇入及扇出型WLCSP、重新分配層封裝、倒片封裝和硅通孔封裝等晶圓級(jí)封裝工藝。

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審核編輯：湯梓紅