在本文中，我們研究了傳統光刻方法在先進封裝中的局限性，并評估了一種用于后端光刻的新型無掩模曝光。

編譯來源：3DInCites

從 2D 擴展到異構集成和 3D 封裝對于提高半導體器件性能變得越來越重要。近年來，先進封裝技術的復雜性和可變性都在增加，以支持更廣泛的設備和應用。在本文中，我們研究了傳統光刻方法在先進封裝中的局限性，并評估了一種用于后端光刻的新型無掩模曝光。

后端光刻的新挑戰

隨著異構集成越來越多地用于半導體開發和創新，后端光刻技術的要求也在不斷增長，如圖 1 所示。封裝內更多的再分布層 (RDL) 推動了對更細的RDL線/間距（L/S）以及更小的微凸點和微柱的關鍵尺寸的需求。這使得封裝和基板級別的集成設計規則更加嚴格，這增加了疊加和芯片移動的風險，可能導致寄生效應和產量損失。

與此同時，為了提高封裝性能，I/O 的數量也在不斷增長，從而導致更大的硅片占用空間和光罩縫合。這推動了對 I/O 凸塊和互連減小間距的需求。后端光刻也需要在垂直側壁圖案中提高覆蓋精度和高焦深 (DoF)。還必須滿足新的要求，包括盡量減少由于扇出晶圓級封裝 (FoWLP) 中的晶圓變形而導致的圖案失真和芯片移位，以及在保持高DoF和高分辨率的同時在厚和薄抗蝕劑上進行圖案制作。

圖 1：先進的封裝架構正在推動 I/O 密度的大幅增加和 I/O 間距的減小，這對后端光刻提出了新的要求（來源：Yole Développement ）。

盡管從較小的小芯片重新集成較大的裸片已顯示出優于單片 SoC 技術的眾多優勢，包括更大的設計自由度，但這種方法將復雜性轉移到了集成中，并隨之轉移到了光刻工藝中。小芯片設計和各種集成方案（硅上、嵌入或封裝）的持續創新可能包括多個圖案層次，這增加了集成的復雜性。在后端光刻中，設計靈活性和同時采用芯片和晶圓級設計的能力的重要性增加，也必須得到解決，以縮短開發周期，支持各種先進的封裝平臺。

傳統圖案化方法的回顧

有幾種曝光方法可用于高級封裝應用（圖 2）。其中包括掩模對準器，它通過掩模將圖案直接曝光在基板上，掩模與光敏、涂有抗蝕劑的晶片非常接近。最小圖案尺寸由掩模和晶圓之間的曝光間隙決定的。掩模和抗蝕劑表面的緊密接近將使圖案更小；但是，間隙太近會導致掩模污染并導致良率問題。

圖?2：用于高級封裝應用的各種后端光刻方法。

另一種曝光方法是生產線后端 (BEOL) 步進器，它再看掩模/掩模版和晶圓之間使用投影光學器件寸，使其尺寸小于掩模對準器所能達到的尺寸。然而，由于它是一種基于掩模的曝光方法，步進機必須處理由模塑和其他因素引起的芯片放置和芯片移位變化的不準確性。此外，靜態曝光系統的給定光罩尺寸和光學尺寸限制了曝光區域。這對于較大的芯片中介層制造來說尤其具有挑戰性，其中縫合線或掩模版曝光場的不匹配重疊區域會影響 RDL 內的電氣性能。

此外，與掩模相關的成本對整個圖案化工藝來說是一個重要的額外成本因素。任何先進的產品設計組合，例如異構集成應用程序中的設計組合，都會增加多個掩模的層次。因此，掩模和掩模庫存/清潔室存儲在整個生產成本中占了很高的比例。汞燈的更換成本加起來會很高。新的物理掩模組的等待時間，以及高產品組合設計的新設計概念的整體證明，本質上會導致傳統的基于掩模的生產環境的開發周期延長。

為了解決異構集成的光刻需求，我們開發了一種名為LITHOSCALE的新型無掩模曝光系統，該系統采用無掩模曝光 (MLE) 技術。LITHOSCALE結合了高分辨率（<2μm L/S），沒有曝光場的限制，強大的數字處理，實現了實時數據傳輸和即時曝光，以及高度可擴展的設計，支持大批量的生產。該系統的高精度與無失真的高強度光學元件和亞納米范圍的載物臺運動精度相匹配，從而確保在整個基板上進行無縫投影。LITHOSCALE 還采用動態對準模式和帶自動對焦的芯片級補償，以適應基板材料和表面變化。

圖 3：LITHOSCALE 獨特的集群曝光配置可以輕松添加曝光頭，以適應不同的吞吐量需求和基板尺寸。

這種無掩模曝光技術以平行掃描方式曝光一個或多個寬條，并通過緊密集成的集群寫入頭配置適應任何晶片尺寸，直至面板，如圖 3 所示。一個多波長的高功率紫外光源可以支持所有市面上的抗蝕劑。吞吐量與布局復雜性和分辨率無關，而且無論光刻膠極性如何，都能實現相同的圖案化性能。最后，數字掩膜圖案以亞微秒級的時間精度被投射到基片表面。像大多數現代鏡頭一樣，LITHOSCALE成像系統是衍射限制的，它支持+/-12μm的景深（DoF）。

除了寬DoF之外，亞微米級精確自動對焦將可用的動態對焦范圍擴大到 100μm 以上。通過卡盤定位和晶片夾持，能在更大范圍的晶片位置上控制焦點位置的能力，從而能夠補償彎曲和翹曲的基板。

動態曝光方法和主動模位補償

由于基于掩模的光刻方法無法控制小于曝光場的失真，因此它們面臨非線性、高階基材畸變和芯片移位相關問題的困難，尤其是在晶圓上進行芯片重組后，這是典型的扇出晶圓級封裝（FOWLP）。使用 LITHOSCALE 上的動態對準模式進行光刻實驗，以評估晶圓級失真補償的性能以及無掩模曝光系統上的主動芯片圖案化的性能。

圖 4：高級失真補償流程示意圖。

圖4直觀地顯示了高級失真校正功能和動態對齊模式的工藝流程。動態對準包括全局和多點晶圓對準選項，通常可以隨機放置多達 16 個對準標記（標記為藍色和黃色）為了覆蓋基板上最關鍵的區域并補償全局失真。在未對準測量之后，位移矢量會進一步并行編譯，然后再對設計進行實時插值和渲染。

因此，曝光的圖案得到了全部的誤差補償，就不會產生重疊或未覆蓋的區域——可能有最小程度的錯位，這不影響圖案化工藝的水平。在通過動態對齊模式補償多點對齊的16 個標記（黃色）的實際位置后，顯示了在極端非典型錯位（用紅色箭頭指示）示例之后的補償布局（深灰色）的可視化結果。

圖 5：Die 級補償流程示意圖。

當考慮在晶圓上重構后引起的芯片失真誤差時，高級失真功能也應在芯片層面上應用，其中主動補償和重新布線結果嚴格依賴于外部計量數據。失真補償算法包括旋轉、縮放、剪切和平移（移位）的數學校正。對于模具放置誤差補償，該模型將模具內的變形限制在模具的剛體上，這通常由每個芯片的兩個（外部）對齊點表示。由于轉換過程的即時性，動態二進制圖案生成在曝光前對每個基板單獨從外部獲取的每個芯片的計量數據進行補充，以補償由處理或預處理引起的重疊/定位誤差，排除了潛在的熱影響。芯片級補償的簡化數據完整性流程如圖 5 所示。

同時，LITHOSCALE 可以實現實時個性化晶圓級布局以及同時構建單個芯片布局；特別是功能性和直接可讀的加密代碼或主動圖案化的熔斷圖，以優化器件分檔，用于工藝或器件跟蹤和記錄，從而提高整體良率。

子網格中的圖案化模塊化和重要定位

LITHOSCALE的分辨率針對典型的后端分辨率，可精細控制照射線及其間隙 (L/S <2μm)，同時保持 CD 均勻性 (CDU <10% CD) 和任意結構的位置準確性。這種精度與系統的無失真光學元件和載物臺放置精度相匹配，可確保在整個基板上進行無縫投影。曝光可以在強度控制和精確的光源光譜調諧方面以非常高的自由度進行，以實現最佳的吸收和可靠的處理，適用于廣泛的商業化的以及新型的光刻膠。

圖 6：SEM 結果拼貼：在 1μm 厚的正AZ MIR 701 上進行線空間分辨率測試（上），在 2μm 厚的負 AZ nLOF 上進行線空間分辨率測試（下）。

曝光光源在 375nm 和 405nm 的波長光譜下工作，允許混合和匹配波長以模仿已知良好的工藝配方或根據特定客戶需求定制曝光。兩種波長可以同時以任意混合物形式應用，因此可以實現薄抗蝕劑圖案化（包括正性、負性、聚酰亞胺、可圖案化電介質、干膜甚至 PCB 材料），并且還支持在晶圓中通常遇到的高縱橫比的厚光刻膠曝光級封裝、3D MEMS 圖案化、微流體和集成光子學應用。圖6顯示了一系列SEM圖像，上面是1μm厚的AZ MIR 701正極抗蝕劑上的標準線空間分辨率目標，而下面的結果顯示了2μm厚的負極抗蝕劑AZ nLOF上的線空間分辨率測試。在這兩種情況下，1.5μm的L/S結果是通過進一步的工藝優化實現的，涉及到減少表面反射效應，這可以通過應用抗反射涂層或修改基片材料特性來實現。

圖 7：(A) 8μm 厚 TOK P-W1000T 的基線評估，(B) 具有 5μm L/S 的曲流，(C) 1:2 間距變化，(D) 水平和垂直方向的 L/S 變化與比率1:1、1:2、1:3、1:4。

DoF也可以被精細控制，以實現陡峭的側壁，從而保持所需的抗蝕劑的3D輪廓，或防止邊緣頂和腳。大的工作距離和自動適應性聚焦確保了整個曝光面圖案的均勻性。常用的TOK P-W1000T抗蝕劑用于細線和芯線RDL的制作，以展示各種線和間距的圖案性能以及側壁圖案的質量。圖7顯示了基線評估的SEM圖像的例子，展示了：（A）針對8μm薄膜厚度的2μm L/S分辨率，（B）帶有蜿蜒圖案的5μm L/S分辨率，（C）1:2比例的間距變化，以及（D）水平和垂直方向的1:1、1:2、1:3和1:4比例的L/S變化。

概括

3D 和異構集成的采用導致封裝復雜性和可用封裝選項的數量增加。基于掩模的光刻解決方案不再適用于許多先進的封裝應用，因為它們無法在分辨率和成本之間做出必要的權衡，受到曝光場大小的限制，并且/或者面臨基板變形和芯片移位相關問題的困難。采用 MLE 技術的 LITHOSCALE 通過將高分辨率與無曝光場限制、可實現實時數據傳輸和立即曝光的強大數字處理以及高度可擴展的設計相結合，解決了先進封裝的光刻需求，而無需基于掩模的高成本曝光方法。

編輯：黃飛

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