周 暢，賀榮明

(上海微電子裝備有限公司，上海201203)

在半導(dǎo)體技術(shù)高速發(fā)展的帶動下，市場對半導(dǎo)體封裝器件的性能、尺寸、功能和成本等都提出了較高要求，這些因素已成為先進封裝工藝發(fā)展的原動力及先進封裝市場增長的催化劑。目前，WLP(Wafer Level Package硅片級封裝)技術(shù)和SiP(System in Package系統(tǒng)封裝)技術(shù)已成為先進封裝技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，在帶動了微細(xì)凸塊和重新布線等技術(shù)發(fā)展與增長的同時，也帶動了雙面對準(zhǔn)/曝光、TSV(Through Silicon Via穿透硅互連)等新技術(shù)在三維先進封裝工藝中的應(yīng)用。

光刻技術(shù)是影響先進封裝工藝品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，盡管后道光刻技術(shù)與前道并無本質(zhì)區(qū)別，但相比于前道光刻技術(shù)仍然需考慮厚膠 (15～120 μm)、減薄或加厚硅片、無專用對準(zhǔn)標(biāo)記等特殊的生產(chǎn)條件，以及適應(yīng)電鍍工藝、雙面曝光等生產(chǎn)工藝的要求。尤其是厚膠工藝所需要的大曝光劑量和大成像焦深，對后道光刻設(shè)備的曝光系統(tǒng)提出了特殊的要求。目前，用于先進封裝工藝的光刻設(shè)備主要有接近/接觸式光刻機(aligner)和1X步進投影式光刻機(stepper)，它們都采用了寬波帶曝光及基于機器視覺的對準(zhǔn)技術(shù)，而步進投影式光刻機在CD均勻性控制、套刻精度、生產(chǎn)效率、用戶使用成本等方面的優(yōu)勢使其在先進封裝工藝中扮演著越來越重要的角色。

上海微電子裝備有限公司針對光刻技術(shù)在先進封裝領(lǐng)域中的應(yīng)用，研制了完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)且兼容300 mm和200 mm硅片凸塊工藝的SS B500系列步進投影式光刻機產(chǎn)品。為保證設(shè)備的低使用成本，該產(chǎn)品進行了一系列優(yōu)化設(shè)計，在滿足用戶的多種先進封裝工藝需求的同時，提供更高產(chǎn)率的設(shè)備性能。更高的產(chǎn)率意味著更低的每片硅片的生產(chǎn)成本，這無疑是所有設(shè)備用戶最希望的。

1 產(chǎn)率影響因素分析

光刻機的產(chǎn)率一般以設(shè)備每小時能夠生產(chǎn)的硅片數(shù)量（wph:wafers per hour）來衡量，影響步進投影光刻機產(chǎn)率的因素很多，涉及一次硅片曝光過程中的每個設(shè)備動作環(huán)節(jié)，主要包括硅片交換、硅片調(diào)焦調(diào)平、硅片對準(zhǔn)、硅片曝光4個動作流程。

硅片交換流程包括工件臺運動到硅片交換位置，硅片傳輸機械手從工件臺上取下已完成曝光的硅片(第一次交換時沒有此動作)，硅片傳輸機械手向工件臺上放置待曝光的硅片(最后一次交換時沒有此動作)，工件臺運動到初始位置4個動作，由于該流程與曝光工藝性能無關(guān)，因此它對設(shè)備產(chǎn)率的時間影響固定，希望它占用的時間越短越好。該流程涉及硅片傳輸分系統(tǒng)，其傳輸效率一般不會是設(shè)備產(chǎn)率的瓶頸，也就是說它在流片過程中能夠始終以比設(shè)備產(chǎn)率更快的速度向工件臺傳送硅片，它可以等待工件臺釋放曝光好的硅片，而不需要工件臺等待它傳輸硅片。硅片傳輸效率本身也是一個值得研究的問題，協(xié)調(diào)好片庫、預(yù)對準(zhǔn)及機械手單元，設(shè)計一定的緩沖機制，是硅片傳輸效率的根本保證。此外，工件臺的運動時間及其交換片機構(gòu)的運動速度是該流程的另外兩個重要因素。硅片調(diào)焦調(diào)平流程即完成將硅片上表面調(diào)整到與曝光最佳焦面一致的過程，一般是選擇測量硅片上表面3個點的高度，調(diào)整其對應(yīng)的擬合平面的高度和傾斜，使之與最佳焦面重合。如果重合的精度不夠，超出了設(shè)備成像焦深，后續(xù)曝光時還要對每個曝光場進行逐場調(diào)焦調(diào)平。由于最佳的單點測量方式為沿光軸測量（需要設(shè)備硬件支持），即將測量點移動到曝光視場中心再進行測量，因此影響該流程的主要因素是工件臺的運動時間和測量時間，當(dāng)然測量點的數(shù)目直接決定測量時間，測量點越多，精度越高，但花費的時間就越長，這是時間與精度的矛盾。硅片對準(zhǔn)流程是通過測量硅片上指定標(biāo)記的位置來計算硅片曝光場位置的過程，測量每個標(biāo)記位置時，工件臺會將該標(biāo)記移動到對準(zhǔn)單元的測量范圍內(nèi)完成一次測量，因此影響該流程的主要因素是工件臺的運動時間和測量時間。同樣，測量的標(biāo)記數(shù)目越多，精度越高，但花費的時間就越長，一般至少需要3個硅片對準(zhǔn)標(biāo)記。硅片曝光流程即對硅片上各個曝光場進行步進曝光的過程，影響該流程的主要因素是工件臺的運動時間，曝光場的數(shù)目及每個場的曝光時間。當(dāng)曝光視場面積越大時，曝光場的數(shù)目就越少，這也是所有光刻機設(shè)備制造商都在努力增加曝光系統(tǒng)的視場面積的原因。當(dāng)曝光能量越大時，同等曝光劑量(曝光能量的時間積分)下，單個曝光場的曝光時間就越小。對于先進封裝的厚膠工藝來說，其曝光劑量可能達(dá)到幾千毫焦，因此曝光視場面積及其單位面積上的曝光能量才是影響曝光場數(shù)目及每個場曝光時間的關(guān)鍵因素，也是影響設(shè)備產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。在某些特殊的曝光工藝性能要求下，硅片曝光流程中還會包含逐場調(diào)焦調(diào)平或逐場對準(zhǔn)的動作。綜上可見，影響設(shè)備產(chǎn)率的主要因素有：工件臺運動時間，調(diào)焦調(diào)平點數(shù)，對準(zhǔn)標(biāo)記數(shù)目，曝光視場面積及其單位面積上的曝光能量。關(guān)于調(diào)焦調(diào)平點數(shù)和對準(zhǔn)標(biāo)記數(shù)目我們將在以下重點分析。

圖1 靈敏度分析

綜合各種影響因素可建立設(shè)備產(chǎn)率模型，通過模型數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)曝光視場面積一定時，存在一個曝光劑量分界線，低于此劑量，工件臺運動時間對設(shè)備產(chǎn)率的貢獻大，高于此劑量，曝光能量對設(shè)備產(chǎn)率的貢獻大。對于SS B500/10B先進封裝投影光刻機而言(曝光視場面積為44 mm×44 mm)，圖1(a)描述了200 mm硅片(21個曝光場)在不同曝光劑量下，步進時間和曝光能量變化相同比例時，對設(shè)備產(chǎn)率貢獻歸一化后的平均靈敏度變化曲線。圖1(b)描述了300 mm硅片(45個曝光場)的情況?？梢?，200 mm硅片和300 mm硅片的曝光劑量分界線約為240 mJ。

圖2 步進時間、曝光能量靈敏度分析

圖2(a)描述了200 mm硅片(21個曝光場)在典型曝光劑量700 mJ(綜合考慮負(fù)膠和正膠)情況下，步進時間變化時，曝光能量對設(shè)備產(chǎn)率提高率變化的靈敏度變化曲線?？梢?，步進時間在0.3 s左右時增加曝光能量對產(chǎn)率的提高最有效。圖2(b)描述了同樣情況下，曝光能量變化時，步進時間對設(shè)備產(chǎn)率提高率變化的靈敏度變化曲線。可見，曝光能量在1 500 mW/cm2左右時縮短步進時間對產(chǎn)率的提高最有效。由于步進時間或曝光能量的提高都將影響設(shè)備成本，通過靈敏度分析可幫助找到設(shè)備成本和產(chǎn)率的最佳平衡，以降低設(shè)備的用戶使用成本。

2 產(chǎn)率與精度的平衡

工程上時間和精度始終是一對矛盾，當(dāng)要求最短時間最快速度的時候，難免要犧牲精度，當(dāng)要求最高精度時，難免要犧牲時間?？紤]兼顧設(shè)備產(chǎn)率和曝光工藝性能(CD均勻性和套刻精度)時，需要找到一個良好的平衡點，這個平衡點隨工藝條件的變化而變化，主要體現(xiàn)在調(diào)焦調(diào)平策略和對準(zhǔn)策略方面，調(diào)焦調(diào)平策略影響設(shè)備的CD均勻性，而對準(zhǔn)策略則影響設(shè)備的套刻精度。

如前所述，硅片調(diào)焦調(diào)平一般選擇3個測量點，它們決定了一個平面，也稱為全場調(diào)焦調(diào)平。但當(dāng)硅片表面形貌較為復(fù)雜時，用平面將很難準(zhǔn)確描述其形貌特征，而需要用曲面來描述。這時可以選擇測量硅片上的多個點的高度，點數(shù)越多，擬合出的曲面越接近硅片表面的形貌特征，到曝光時再提取當(dāng)前曝光場的形貌特征數(shù)據(jù)，計算最佳的曝光場高度和傾斜，以達(dá)到與最佳焦面的最高精度重合，這種方法在成像焦深較小或處于臨界值時經(jīng)常被使用。另外一種方法就是選擇逐場調(diào)焦調(diào)平，即在每個曝光場曝光之前，再針對該場進行一次測量，以獲取局部平面擬合數(shù)據(jù)，并將其高度或傾斜調(diào)整到與最佳焦面的最高精度重合，這種方法的測量點數(shù)與曝光場數(shù)目相當(dāng)，是產(chǎn)率與精度的較好平衡。SS B500/10B先進封裝投影光刻機使用此方法將能夠?qū)崿F(xiàn)對全片CD=2 μm的良好均勻性控制。當(dāng)然，如果一批硅片的楔形一致性較好，也可以將3個測量點簡化為1個測量點，即只測量高度，而沿用上次的傾斜測量值，這是一種比較冒險的做法，但在追求高產(chǎn)率時也未嘗不可。SS B500/10B先進封裝投影光刻機提供了硅片調(diào)焦調(diào)平的策略選擇，以實現(xiàn)產(chǎn)率和CD均勻性的平衡。

如前所述，硅片對準(zhǔn)至少選擇3個測量標(biāo)記，每個標(biāo)記可測量x和y方向的位置，3個標(biāo)記將能夠計算一個六參數(shù)硅片坐標(biāo)系模型，從而得到每個曝光場的中心位置。但實際上由于硅片的工藝變形，情況遠(yuǎn)比這復(fù)雜的多。首先是標(biāo)記的選擇問題，硅片上位置不同的3個標(biāo)記將可能導(dǎo)致不同的計算結(jié)果，因此更多的標(biāo)記數(shù)量將能夠保證更高的套刻精度，SS B500/10B先進封裝投影光刻機能夠通過6個標(biāo)記實現(xiàn)小于1 μm的絕對套刻精度。其次是如何提高對準(zhǔn)成功率的問題，SS B500系列光刻機提供了粗精兩級控制，粗對準(zhǔn)最少只要2個標(biāo)記，成功后再進行多標(biāo)記的精對準(zhǔn)。另外一個問題就是標(biāo)記對準(zhǔn)失敗的處理問題，即如果因為一個或幾個標(biāo)記沒被找到或變形導(dǎo)致其對準(zhǔn)失敗，是退片還是選擇用對準(zhǔn)成功的標(biāo)記繼續(xù)計算，SS B500系列光刻機提供了精度模式，平衡模式和魯棒模式來實現(xiàn)套刻精度優(yōu)先級的從高到低選擇。SS B500系列也支持逐場對準(zhǔn)，其對準(zhǔn)標(biāo)記數(shù)目是曝光場數(shù)目的整數(shù)倍，這是一種非常費時但精度最高的對準(zhǔn)策略，在特殊場合下可以使用。SS B500/10B先進封裝投影光刻機提供了硅片對準(zhǔn)的策略選擇，以實現(xiàn)產(chǎn)率和套刻精度的平衡。

3 設(shè)備產(chǎn)率測試

SS B500/10B是用于先進封裝的1X投影光刻機，它在滿足ITRS對BUMP及RDL工藝性能需求的同時，更具有配置靈活、產(chǎn)率高的特點。如前所述，不同條件下，例如：調(diào)焦調(diào)平策略、對準(zhǔn)策略、曝光劑量和硅片曝光覆蓋率(曝光場數(shù)目)等，設(shè)備產(chǎn)率也會不同。SS B500/10B配備2 kW高壓汞燈，使用ghi波段曝光，本文涉及的產(chǎn)率測試均滿足條件：(1)4標(biāo)記硅片對準(zhǔn)；(2)100%硅片曝光覆蓋率，按兩種調(diào)焦調(diào)平策略和不同曝光劑量，分別對200 mm硅片和300 mm硅片進行測試。詳見表1～表4。

表1 全場調(diào)焦調(diào)平策略下的設(shè)備產(chǎn)率(200mm硅片)

表2 全場調(diào)焦調(diào)平策略下的設(shè)備產(chǎn)率(300mm硅片)

表3 逐場調(diào)焦調(diào)平策略下的設(shè)備產(chǎn)率(200mm硅片)

表4 逐場調(diào)焦調(diào)平策略下的設(shè)備產(chǎn)率(300mm硅片)

從上述數(shù)據(jù)可知，SS B500/10B步進投影光刻機在曝光劑量增加近10倍后，產(chǎn)率下降僅約55%，并在低曝光劑量下具有良好的產(chǎn)率，因此是適合先進封裝厚膠工藝的高產(chǎn)率設(shè)備。若以90%的開機率計算，當(dāng)平均曝光劑量為700 mJ，每片需要4層曝光時，該設(shè)備對于200 mm硅片的月產(chǎn)能約為12 000片，對于300 mm硅片的月產(chǎn)能約為8 000片。對于設(shè)備月產(chǎn)能，200 mm和300 mm硅片配置之間的切換時間，掩模版或其曝光圖形的更換時間，設(shè)備周期性維護時間等因素均是需要考慮的影響因素，在此不再描述。

4 結(jié)論

在對設(shè)備產(chǎn)率模型的詳細(xì)分析及優(yōu)化設(shè)計之后，SS B500/10B先進封裝步進投影光刻機達(dá)到了良好的產(chǎn)率性能，最高產(chǎn)率超過90片/h，適應(yīng)厚膠大劑量曝光要求，能夠滿足后道FAB的產(chǎn)線要求。同時，在產(chǎn)率模型的分析基礎(chǔ)上，SS B500系列光刻機仍具有優(yōu)化空間，我們將進一步提高設(shè)備相關(guān)分系統(tǒng)單元的性能，以不斷提高設(shè)備產(chǎn)率，降低設(shè)備使用成本，滿足用戶不斷提高的對設(shè)備性價比要求。

[1]Assembly and Packaging.International Technology Roadmap for Semiconductors[EB/OL].2005&2007 Edition,http://www.itrs.net,2010-09-10.

[2]周暢.先進封裝光刻機[J].中國集成電路,2009,18(12):63-65.

[3]周暢,賀榮明.投影光刻機在先進封裝中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2010(3):47-50.