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，則被稱為凸點下金屬層(UBM，Under Bump Metallurgy)。通常凸點下金屬層由兩層或三層金屬薄膜組成，包括：增強晶圓粘合性的黏附層;可在電鍍過程中提供電子的載流層;以及具有焊料潤濕性(Wettability)7,并可阻止鍍層和金屬之間形成化合物的擴散阻擋層。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脫落并沉積在晶圓表面。通過濺射，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)則形狀會導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電材料上的工藝。

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

8 等離子體(Plasma): 一種因質(zhì)子和電子的自由運動而呈電中性的物質(zhì)狀態(tài)。當持續(xù)對氣體狀物質(zhì)進行加熱使其升溫時，便會產(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程，此過程是需要通過外部提供的電子進行還原反應來實現(xiàn)的。在晶圓級封裝中，采用電鍍工藝形成厚金屬層。厚金屬層可充當實現(xiàn)電氣連接的金屬引線，或是焊接處的凸點。如圖9所示，陽極上的金屬會被氧化成離子，并向外部電路釋放電子。在陽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)過還原反應后成為金屬。在晶圓級封裝的電鍍工藝中，陰極為晶圓。陽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。如果陽極板由作為鍍層的金屬制成，金屬離子就會從陽極板上溶解并持續(xù)擴散，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展示了陰極和陽極分別發(fā)生的電化學反應。

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

▲圖9：電鍍過程

▲圖10：陰極和陽極電化學反應公式

在放置晶圓電鍍設備時，通常需確保晶圓的待鍍面朝下，同時將陽極置于電解質(zhì)溶液中。當電解質(zhì)溶液流向晶圓并與晶圓表面發(fā)生強力碰撞時，就會發(fā)生電鍍。此時，由光刻膠形成的電路圖案會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設備上，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行還原反應，形成金屬引線或凸點。

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，必須通過光刻膠去膠工藝來清除光刻膠。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)的化學溶液，通過水坑式、浸沒式，或噴淋式等方法來實現(xiàn)。通過電鍍工藝形成金屬引線或凸點后，需清除因濺射形成的金屬薄膜。這是非常必要的一個步驟，因為如果不去除金屬薄膜，整個晶圓都將被電氣連接從而導致短路。可采用濕刻蝕(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越精細，水坑式方法也得到了更廣泛的應用。

一種更加高效且可靠的封裝工藝

通過上述各個階段工藝流程，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封裝工藝。

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審核編輯：湯梓紅