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(dòng)下，市場(chǎng)對(duì)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(jìn)封裝工藝發(fā)展的原動(dòng)力及先進(jìn)封裝市場(chǎng)增長(zhǎng)的催化劑。目前，WLP(Wafer Level Package硅片級(jí)封裝)技術(shù)和SiP(System in Package系統(tǒng)封裝)技術(shù)已成為先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，在帶動(dòng)了微細(xì)凸塊和重新布線等技術(shù)發(fā)展與增長(zhǎng)的同時(shí)，也帶動(dòng)了雙面對(duì)準(zhǔn)/曝光、TSV(Through Silicon Via穿透硅互連)等新技術(shù)在三維先進(jìn)封裝工藝中的應(yīng)用。

光刻技術(shù)是影響先進(jìn)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(duì)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(duì)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(jìn)封裝工藝的光刻設(shè)備主要有接近/接觸式光刻機(jī)(aligner)和1X步進(jìn)投影式光刻機(jī)(stepper)，它們都采用了寬波帶曝光及基于機(jī)器視覺的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，而步進(jìn)投影式光刻機(jī)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(shì)使其在先進(jìn)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(duì)光刻技術(shù)在先進(jìn)封裝領(lǐng)域中的應(yīng)用，研制了完全具有自主知識(shí)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(jìn)投影式光刻機(jī)產(chǎn)品。為保證設(shè)備的低使用成本，該產(chǎn)品進(jìn)行了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足用戶的多種先進(jìn)封裝工藝需求的同時(shí)，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(jī)的產(chǎn)率一般以設(shè)備每小時(shí)能夠生產(chǎn)的硅片數(shù)量（wph:wafers per hour）來衡量，影響步進(jìn)投影光刻機(jī)產(chǎn)率的因素很多，涉及一次硅片曝光過程中的每個(gè)設(shè)備動(dòng)作環(huán)節(jié)，主要包括硅片交換、硅片調(diào)焦調(diào)平、硅片對(duì)準(zhǔn)、硅片曝光4個(gè)動(dòng)作流程。

硅片交換流程包括工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)到硅片交換位置，硅片傳輸機(jī)械手從工件臺(tái)上取下已完成曝光的硅片(第一次交換時(shí)沒有此動(dòng)作)，硅片傳輸機(jī)械手向工件臺(tái)上放置待曝光的硅片(最后一次交換時(shí)沒有此動(dòng)作)，工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)到初始位置4個(gè)動(dòng)作，由于該流程與曝光工藝性能無關(guān)，因此它對(duì)設(shè)備產(chǎn)率的時(shí)間影響固定，希望它占用的時(shí)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(huì)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(tái)傳送硅片，它可以等待工件臺(tái)釋放曝光好的硅片，而不需要工件臺(tái)等待它傳輸硅片。硅片傳輸效率本身也是一個(gè)值得研究的問題，協(xié)調(diào)好片庫(kù)、預(yù)對(duì)準(zhǔn)及機(jī)械手單元，設(shè)計(jì)一定的緩沖機(jī)制，是硅片傳輸效率的根本保證。此外，工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間及其交換片機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度是該流程的另外兩個(gè)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(cè)量硅片上表面3個(gè)點(diǎn)的高度，調(diào)整其對(duì)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(shí)還要對(duì)每個(gè)曝光場(chǎng)進(jìn)行逐場(chǎng)調(diào)焦調(diào)平。由于最佳的單點(diǎn)測(cè)量方式為沿光軸測(cè)量（需要設(shè)備硬件支持），即將測(cè)量點(diǎn)移動(dòng)到曝光視場(chǎng)中心再進(jìn)行測(cè)量，因此影響該流程的主要因素是工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和測(cè)量時(shí)間，當(dāng)然測(cè)量點(diǎn)的數(shù)目直接決定測(cè)量時(shí)間，測(cè)量點(diǎn)越多，精度越高，但花費(fèi)的時(shí)間就越長(zhǎng)，這是時(shí)間與精度的矛盾。硅片對(duì)準(zhǔn)流程是通過測(cè)量硅片上指定標(biāo)記的位置來計(jì)算硅片曝光場(chǎng)位置的過程，測(cè)量每個(gè)標(biāo)記位置時(shí)，工件臺(tái)會(huì)將該標(biāo)記移動(dòng)到對(duì)準(zhǔn)單元的測(cè)量范圍內(nèi)完成一次測(cè)量，因此影響該流程的主要因素是工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和測(cè)量時(shí)間。同樣，測(cè)量的標(biāo)記數(shù)目越多，精度越高，但花費(fèi)的時(shí)間就越長(zhǎng)，一般至少需要3個(gè)硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。硅片曝光流程即對(duì)硅片上各個(gè)曝光場(chǎng)進(jìn)行步進(jìn)曝光的過程，影響該流程的主要因素是工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，曝光場(chǎng)的數(shù)目及每個(gè)場(chǎng)的曝光時(shí)間。當(dāng)曝光視場(chǎng)面積越大時(shí)，曝光場(chǎng)的數(shù)目就越少，這也是所有光刻機(jī)設(shè)備制造商都在努力增加曝光系統(tǒng)的視場(chǎng)面積的原因。當(dāng)曝光能量越大時(shí)，同等曝光劑量(曝光能量的時(shí)間積分)下，單個(gè)曝光場(chǎng)的曝光時(shí)間就越小。對(duì)于先進(jìn)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(chǎng)面積及其單位面積上的曝光能量才是影響曝光場(chǎng)數(shù)目及每個(gè)場(chǎng)曝光時(shí)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(huì)包含逐場(chǎng)調(diào)焦調(diào)平或逐場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)的動(dòng)作。綜上可見，影響設(shè)備產(chǎn)率的主要因素有：工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，調(diào)焦調(diào)平點(diǎn)數(shù)，對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記數(shù)目，曝光視場(chǎng)面積及其單位面積上的曝光能量。關(guān)于調(diào)焦調(diào)平點(diǎn)數(shù)和對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記數(shù)目我們將在以下重點(diǎn)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(chǎng)面積一定時(shí)，存在一個(gè)曝光劑量分界線，低于此劑量，工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)間對(duì)設(shè)備產(chǎn)率的貢獻(xiàn)大，高于此劑量，曝光能量對(duì)設(shè)備產(chǎn)率的貢獻(xiàn)大。對(duì)于SS B500/10B先進(jìn)封裝投影光刻機(jī)而言(曝光視場(chǎng)面積為44 mm×44 mm)，圖1(a)描述了200 mm硅片(21個(gè)曝光場(chǎng))在不同曝光劑量下，步進(jìn)時(shí)間和曝光能量變化相同比例時(shí)，對(duì)設(shè)備產(chǎn)率貢獻(xiàn)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(gè)曝光場(chǎng))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(jìn)時(shí)間、曝光能量靈敏度分析

圖2(a)描述了200 mm硅片(21個(gè)曝光場(chǎng))在典型曝光劑量700 mJ(綜合考慮負(fù)膠和正膠)情況下，步進(jìn)時(shí)間變化時(shí)，曝光能量對(duì)設(shè)備產(chǎn)率提高率變化的靈敏度變化曲線?？梢姡竭M(jìn)時(shí)間在0.3 s左右時(shí)增加曝光能量對(duì)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(shí)，步進(jìn)時(shí)間對(duì)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(shí)縮短步進(jìn)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的提高最有效。由于步進(jìn)時(shí)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(shí)間和精度始終是一對(duì)矛盾，當(dāng)要求最短時(shí)間最快速度的時(shí)候，難免要犧牲精度，當(dāng)要求最高精度時(shí)，難免要犧牲時(shí)間。考慮兼顧設(shè)備產(chǎn)率和曝光工藝性能(CD均勻性和套刻精度)時(shí)，需要找到一個(gè)良好的平衡點(diǎn)，這個(gè)平衡點(diǎn)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(duì)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(duì)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(gè)測(cè)量點(diǎn)，它們決定了一個(gè)平面，也稱為全場(chǎng)調(diào)焦調(diào)平。但當(dāng)硅片表面形貌較為復(fù)雜時(shí)，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(shí)可以選擇測(cè)量硅片上的多個(gè)點(diǎn)的高度，點(diǎn)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(shí)再提取當(dāng)前曝光場(chǎng)的形貌特征數(shù)據(jù)，計(jì)算最佳的曝光場(chǎng)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(shí)經(jīng)常被使用。另外一種方法就是選擇逐場(chǎng)調(diào)焦調(diào)平，即在每個(gè)曝光場(chǎng)曝光之前，再針對(duì)該場(chǎng)進(jìn)行一次測(cè)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(cè)量點(diǎn)數(shù)與曝光場(chǎng)數(shù)目相當(dāng)，是產(chǎn)率與精度的較好平衡。SS B500/10B先進(jìn)封裝投影光刻機(jī)使用此方法將能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(gè)測(cè)量點(diǎn)簡(jiǎn)化為1個(gè)測(cè)量點(diǎn)，即只測(cè)量高度，而沿用上次的傾斜測(cè)量值，這是一種比較冒險(xiǎn)的做法，但在追求高產(chǎn)率時(shí)也未嘗不可。SS B500/10B先進(jìn)封裝投影光刻機(jī)提供了硅片調(diào)焦調(diào)平的策略選擇，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)率和CD均勻性的平衡。

如前所述，硅片對(duì)準(zhǔn)至少選擇3個(gè)測(cè)量標(biāo)記，每個(gè)標(biāo)記可測(cè)量x和y方向的位置，3個(gè)標(biāo)記將能夠計(jì)算一個(gè)六參數(shù)硅片坐標(biāo)系模型，從而得到每個(gè)曝光場(chǎng)的中心位置。但實(shí)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(gè)標(biāo)記將可能導(dǎo)致不同的計(jì)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(jìn)封裝投影光刻機(jī)能夠通過6個(gè)標(biāo)記實(shí)現(xiàn)小于1 μm的絕對(duì)套刻精度。其次是如何提高對(duì)準(zhǔn)成功率的問題，SS B500系列光刻機(jī)提供了粗精兩級(jí)控制，粗對(duì)準(zhǔn)最少只要2個(gè)標(biāo)記，成功后再進(jìn)行多標(biāo)記的精對(duì)準(zhǔn)。另外一個(gè)問題就是標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)失敗的處理問題，即如果因?yàn)橐粋€(gè)或幾個(gè)標(biāo)記沒被找到或變形導(dǎo)致其對(duì)準(zhǔn)失敗，是退片還是選擇用對(duì)準(zhǔn)成功的標(biāo)記繼續(xù)計(jì)算，SS B500系列光刻機(jī)提供了精度模式，平衡模式和魯棒模式來實(shí)現(xiàn)套刻精度優(yōu)先級(jí)的從高到低選擇。SS B500系列也支持逐場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)，其對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記數(shù)目是曝光場(chǎng)數(shù)目的整數(shù)倍，這是一種非常費(fèi)時(shí)但精度最高的對(duì)準(zhǔn)策略，在特殊場(chǎng)合下可以使用。SS B500/10B先進(jìn)封裝投影光刻機(jī)提供了硅片對(duì)準(zhǔn)的策略選擇，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)率和套刻精度的平衡。

3 設(shè)備產(chǎn)率測(cè)試

SS B500/10B是用于先進(jìn)封裝的1X投影光刻機(jī)，它在滿足ITRS對(duì)BUMP及RDL工藝性能需求的同時(shí)，更具有配置靈活、產(chǎn)率高的特點(diǎn)。如前所述，不同條件下，例如：調(diào)焦調(diào)平策略、對(duì)準(zhǔn)策略、曝光劑量和硅片曝光覆蓋率(曝光場(chǎng)數(shù)目)等，設(shè)備產(chǎn)率也會(huì)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(cè)試均滿足條件：(1)4標(biāo)記硅片對(duì)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(duì)200 mm硅片和300 mm硅片進(jìn)行測(cè)試。詳見表1～表4。

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

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

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

表4 逐場(chǎng)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(jìn)投影光刻機(jī)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(jìn)封裝厚膠工藝的高產(chǎn)率設(shè)備。若以90%的開機(jī)率計(jì)算，當(dāng)平均曝光劑量為700 mJ，每片需要4層曝光時(shí)，該設(shè)備對(duì)于200 mm硅片的月產(chǎn)能約為12 000片，對(duì)于300 mm硅片的月產(chǎn)能約為8 000片。對(duì)于設(shè)備月產(chǎn)能，200 mm和300 mm硅片配置之間的切換時(shí)間，掩模版或其曝光圖形的更換時(shí)間，設(shè)備周期性維護(hù)時(shí)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(duì)設(shè)備產(chǎn)率模型的詳細(xì)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，SS B500/10B先進(jìn)封裝步進(jìn)投影光刻機(jī)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(shí)，在產(chǎn)率模型的分析基礎(chǔ)上，SS B500系列光刻機(jī)仍具有優(yōu)化空間，我們將進(jìn)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(duì)設(shè)備性價(jià)比要求。

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