先进封装投影光刻机

摘要:随着先进封装技术的发展,对光刻的要求(CD均匀性、套刻精度等)将逐渐提高,当硅片尺寸逐渐增大到8英寸乃至12英寸时,步进投影式光刻机更具吸引力。SS B500系列先进封装步进投影式光刻机经过优化设计与改良,逐步具备良好的Bump等工艺适应性,并开始进入集成电路先进封装市场。作为精密而复杂的半导体制造设备,本文以实测数据表明SS B500/10A已实现良好的整机性能。

关键词:先进封装;投影光刻机;关键尺寸(CD);套刻

1先进封装技术与先进封装光刻机

随着半导体产业的飞速发展,市场对半导体封装器件的性能、尺寸、功能和成本等都提出了更高要求,这些因素已成为先进封装工艺发展的原动力及先进封装市场增长的催化剂。目前,主流的BGA,CSP,FCP,WLP和SIP等先进封装技术已经和传统的封装有很大区别,主要体现在微细凸块(Bump)技术的广泛应用上。凸块相关工艺主要包括金凸块、锡凸块、柱式凸块、重新布线等,要求更高的封装技术还涉及无源器件(电感、电容和电阻等)的制作。适用于更小IC尺寸和更多IO管脚的凸块及重新布线等工艺则主要依赖于光刻技术。

光刻技术是影响先进封装工艺品质的关键因素之一,尽管后道光刻技术与前道并无本质区别,但相比于前道光刻技术仍然需考虑厚胶(15~120μm)、减薄或加厚硅片、无专用对准标记等特殊的生产条件,以及适应电镀工艺等特殊的生产工艺。目前,用于先进封装工艺的光刻设备主要有接近/接触式光刻机和1X步进投影式光刻机,它们都采用了宽波带曝光及基于机器视觉的对准技术,而步进投影式光刻机在CD均匀性、套刻精度、生产效率、成品率等方面的优势使其在先进封装工艺中扮演着越来越重要的角色。接近/接触式光刻机有着低成本的优势,而且有很大的工艺窗口,因此,适合厚胶光刻工艺、大剂量曝光。但是,接近/接触式在曝光大尺寸硅片时需要更大尺寸掩模(8/12英寸硅片分别需要9/14英寸掩模),导致掩模制造成本增加;需要更大功率的照明光源,导致汞灯更换成本增加。

当封装对光刻的要求(CD均匀性、套刻精度等)逐渐提高,硅片尺寸逐渐增大到8英寸乃至12英寸时,步进投影式光刻机将更具吸引力。同时,步进投影式光刻机同样可用于一些MEMS、生物芯片等特殊的先进封装工艺,以满足先进封装技术革新要求。国内上海微电子装备有限公司(SMEE)的SS B500系列先进封装步进投影式光刻机经过优化设计与改良,逐步具备良好的Bump等工艺适应性,并开始进入集成电路先进封装市场。

2先进封装投影光刻机系统

2.1 设备架构

SS B500系列光刻机采用整体主动减振结构,隔振部分包括照明系统、投影物镜、掩模台、工件台、对准系统、调焦调平系统,同时光刻机采用密封腔体设计,腔体循环温度控制系统通过整体送风方式控制曝光环境温度、湿度、洁净度。

曝光单元使用大功率宽波带汞灯光源,双远心成像光路,投影物镜具有大共扼距,大成像视场,全对称结构,并且光源灯室、照明系统及投影物镜均配有独立的冷却降温装置,以保证更准确的局部工作环境温度。投影物镜可配置微动镜片,以进一步补偿像差,提高光学成像质量;投影物镜的下方装有保护膜,以有效保护镜片不受光刻胶挥发物质的污染。掩模台包含大行程驱动装置和精确定位微动台,进行4自由度的精确定位运动;大行程驱动装置位于精确定位微动台的上方,可驱动掩模支架使掩模在两个对应曝光图形的曝光工位之间移动切换,即掩模版上可平行布置两个曝光图形(最大支持尺寸为44 mm×44 mm);精确定位微动台分别由电机驱动其在X,Y和Rz方向精确定位。掩模台上安装了采集掩模温度信息的热敏元件、对掩模进行冷却的气冷元件及掩模冷却控制器,以保证掩模在大功率汞灯照射下仍保持极小的图形膨胀。工件台采用气浮导轨,平衡驱动,激光干涉仪测量系统,6自由度高精度伺服控制,以满足高产率、高套刻精度的系统要求。对准系统由左右两个对准分支构成,包含独立的照明光源和TTL光学成像系统,同时实现掩模对准和硅片对准。由于对准系统采用亚像素图像处理算法,在保证对准精度的同时,还可自动捕获任意具有特征图形的硅片对准标记,即无需专门设计硅片对准标记。调焦调平系统测量硅片曝光区域上表面与投影物镜下表面的相对高度,能够自动将硅片带到最佳成像焦面,并可通过对每个曝光场的进行调焦调平来有效消除硅片上表面形起伏导致的离焦误差。

SS B500系列光刻机采用全自动6英寸掩模传输系统,并通过掩模预对准装置提高掩模上版精度,减少掩模标记搜索时间,并采用全自动硅片传输系统,可处理8英寸或12英寸硅片,同时配有硅片预对准单元,可对硅片进行准确定心及定向。针对先进封装的特殊工艺要求,SS B500系列光刻机还可配备硅片边缘曝光单元,实现硅片曝光之前的边缘预曝光;配备硅片边缘保护单元,实现硅片曝光时的边缘保护(不被曝光);配备背面对准单元,适应TSV等要求双面曝光的工艺。

2.2 技术特点

SS B500系列步进投影光刻机是一个涉及光、机、电等诸多学科的复杂系统和精密设备,设备的关键性能指标CDU、DOF、套刻也都包含了复杂模型,只有保证误差模型的正确建模及各子误差的良好控制,才能有效实现设备的关键性能指标。通过专业的仿真软件、经验模型、解析模型相结合,配合智能的光刻机软件系统,经过校调后的设备将能够在大焦深范围实现2~3μm线宽的10%均匀性控制,0.8~1.3μm的绝对套刻误差控制,具有工艺窗口大,套刻精度高的特点,以满足先进封装的Bump厚胶工艺要求及日趋精密的RDL工艺要求。SS B500系列步进投影光刻机主要有SS B500/10A、SS B500/10B及SS B500/10M三种型号配置,其中SS B500/10M配备背面对准单元,也可满足TSV及MEMS工艺要求。

3 先进封装投影光刻机性能

3.1 工艺设备

SS B500/10A步进投影光刻机为SS B500系列先进封装投影光刻机的基本配置,可实现3μm线宽及1.3μm绝对套刻精度。设备光刻性能测试用到的主要工艺设备如表1所示。

SS B500/10A步进投影光刻机使用的光刻胶为AZ MiR 703,光刻工艺参数如表2所示。

3.2 测试数据

SS B500/10A步进投影光刻机的CD测试过程中,每次曝光6片8英寸硅片,每片9个场,连续测试11天,测试数据如图1所示,全片CD均值在2.9~3.1μm之间。

测试数据表明全片CD均匀性在最佳焦面、离焦+/-15μm时均不超过10%,即SS B500/10A步进投影光刻机对3μm线条具有30μm的可用焦深,可满足厚胶工艺要求。

SS B500/10A步进投影光刻机的套刻测试使用Golden Wafer作为测试硅片,即测试硅片上的套刻标记位置误差相对设备套刻误差小于1/30,套刻机测量的Box in Box位置误差即曝光设备的绝对套刻误差。套刻测试过程中,每天曝光4~5片8英寸硅片,每片9个场,6个对准标记,EGA全局对准,连续测试5天,测试数据如图2所示,最大套刻误差(|Mean|+3σ)小于1.3μm。

通过提高设备的系统配置,SS B500系列步进投影光刻机还能达到更高的CD及套刻性能,以满足更高的先进封装工艺要求。

在SS B500/10A步进投影光刻机的厚胶初步工艺测试中,设备表现出较好的特性。测试采用JSR THB120N光刻胶,胶厚25μm,在剂量为325 mJ/cm2,软烘条件为90℃/420s,显影条件为22℃/60s,后烘条件100℃/300s时,10μm线条剖面如图3所示,具有良好的侧壁陡度。

此外,我们将进行不同胶厚、不同类型光刻胶的工艺试验,以进一步开发和验证设备的厚胶工艺能力。

3结论

SS B500系列先进封装步进投影光刻机拥有自主知识产权,其设备实测数据表明整机关键性能指标符合设计预期,满足ITRS对先进封装光刻工艺近五年的技术要求,将能够在先进封装生产线中得到应用。

参考文献

[1]ASSEMBLY AND PACKAGING, INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCT- ORS, 2005 & 2007 EDITION, www.省略