在如今的先進(jìn)封裝領(lǐng)域，互連器件（重布線層[RDL]、銅凸等）日益復(fù)雜，加上堆疊式3D（和2.5D）封裝結(jié)構(gòu)所用晶圓越來(lái)越薄，諸多挑戰(zhàn)也隨之涌現(xiàn)。激光工具可以克服這些眾多挑戰(zhàn)。
先進(jìn)封裝面臨的挑戰(zhàn)
2.5D封裝的一個(gè)典型例子是將不同作用的運(yùn)算芯片和通信芯片整合在一起，即系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)。SiP封裝使用高密度中介層或嵌入式多裸片互連橋接（EMIB，英特爾版本）技術(shù)將多種異構(gòu)芯片相互連接。而3D封裝則是將兩個(gè)（或更多）減薄芯片依次疊加在同一模塑封裝中，例如集成幾個(gè)存儲(chǔ)芯片或者集成一個(gè)邏輯芯片與一個(gè)存儲(chǔ)芯片。
每種先進(jìn)封裝方式有不同的封裝類(lèi)型。例如，扇出型封裝分為三種類(lèi)型：chipfirst/facedown、chipfirst/faceup，chiplast或者RDLfirst。但是，以上三種封裝技術(shù)都必須采用密集的高分辨率互連層（通常采用超薄晶圓）方能最大限度地提高速度和功能。本文主要探討的是如何利用準(zhǔn)分子激光器構(gòu)建這些互連層。準(zhǔn)分子激光器是一種波長(zhǎng)在紫外波段的脈沖氣體激光器，廣泛用于智能顯示面板制造以及前端光刻工藝。
雙大馬士革工藝–RDL和微通孔
在FOWLP和3D等封裝工藝中，互連層通常使用雙大馬士革工藝制造。該電路由導(dǎo)線和通孔構(gòu)成：表面溝槽和通孔通過(guò)種晶種層濺射以及電鍍來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。盡管傳統(tǒng)的曝光技術(shù)在當(dāng)前10×10μm（寬度×間距）的分辨率下仍然可用，但面對(duì)3×3μm或1.5×1.5μm的分辨率時(shí)就有點(diǎn)力不從心了。
使用曝光技術(shù)時(shí)，可用的光刻膠種類(lèi)有限。而且，這些材料的物理性能通常不夠理想，從而會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力和基板彎曲等問(wèn)題。此外，溝槽和微孔必須通過(guò)兩個(gè)單獨(dú)的曝光步驟構(gòu)建。聚合物和抗蝕劑固化后，由于材料的回流和收縮（包括通孔的擴(kuò)口和尺寸變形），微米級(jí)的形變隨之產(chǎn)生。因此，在光刻工藝中，通孔的焊盤(pán)通常都比溝槽尺寸大一些，以保證通孔和溝槽圖案相配合。但是，這會(huì)增加平均線尺寸并犧牲可用面積。
光刻技術(shù)需要對(duì)光刻膠材料進(jìn)行曝光處理，而強(qiáng)大的準(zhǔn)分子激光器所產(chǎn)生的脈沖可以直接去除材料。此外，準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的紫外光（波長(zhǎng)為193nm，248nm或308nm），所帶來(lái)的高能光子可以直接破壞聚合物和其他材料中的原子鍵，不產(chǎn)生周?chē)鸁嵝?yīng)的一一種相對(duì)冷處理的方式將材料氣化。
為了實(shí)現(xiàn)RDL布線，準(zhǔn)分子激光器發(fā)出的矩形光束需要進(jìn)行整形，整形后的光通過(guò)鋁制掩模版，然后通過(guò)透鏡投射到RDL表面。
采用準(zhǔn)分子激光器的優(yōu)點(diǎn)主要有如下。首先，聚合物層通過(guò)激光器的方式在成圖案前固化，而不是光刻后。因此，該圖案具有很高的保真度，不存在收縮或變形等情況。此外，準(zhǔn)分子激光器可以在不干擾晶圓或光學(xué)校準(zhǔn)的情況下同時(shí)創(chuàng)建通孔和溝槽。這樣可以確保完美圖案，并且無(wú)需使用焊盤(pán)或造成過(guò)大的通孔，最大程度地減少了浪費(fèi)的面積。另外，準(zhǔn)分子工藝為在濺射銅晶層之前濺射阻擋層（例如，TiNTi或TaNTa）創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。該阻擋層能夠排除銅遷移到聚合物中的可能性。
準(zhǔn)分子工藝還可以對(duì)通孔的所有尺寸（包括長(zhǎng)寬比和錐度）進(jìn)行有效的控制。通孔的入口直徑由掩模和投射光路決定。但是任何激光鉆孔都有錐度。通過(guò)控制通量（每單位面積的脈沖能量），我們可以直接控制錐角–請(qǐng)見(jiàn)圖1。
速度和產(chǎn)量如何？對(duì)于不同的聚合物，每次脈沖去除的材料深度相似，并且主要取決于通量。反過(guò)來(lái)，這會(huì)隨著激光脈沖能量和聚合物表面上掩模投影尺寸而變化。對(duì)于相對(duì)較低通量，100mJ/cm2，蝕刻速率約為50nm/脈沖。高功率準(zhǔn)分子可以達(dá)到1200mJ/cm2時(shí)，速率可以高達(dá)1000nm/脈沖。而且，由于蝕刻速率與給定區(qū)域中的通孔數(shù)量無(wú)關(guān)，因此，隨著通孔密度的增加，每分鐘可鉆出的通孔數(shù)量實(shí)際上會(huì)增加。
此工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通孔和RDL圖案可一步完成，或可以是先通孔/后溝槽(RDL)，或者先RDL/后通孔。后一種模式通常是先進(jìn)封裝的首選，因?yàn)樗梢愿玫乜刂仆纵喞捌涞撞砍叽纭?/span>
此方法還可以使用不同的電鍍選項(xiàng)。通孔和溝槽可以用銅覆蓋，后續(xù)進(jìn)行化學(xué)/機(jī)械拋光(CMP)以將其減薄到所需的高度。另外，也可以使用自下而上的填充方式。該方法無(wú)需使用CMP，從而降低了總體工藝成本。
去除晶種層
在使用CMP的情況下，CMP可以去除晶種層上的負(fù)載，然后通過(guò)另一個(gè)準(zhǔn)分子激光進(jìn)程去除晶種層。實(shí)際上，準(zhǔn)分子燒蝕通常也是去除晶種層的理想之選，例如，UBM（球下金屬層）或銅凸（3D封裝中的重要互連器件）。這是因?yàn)闇?zhǔn)分子激光燒蝕通過(guò)散裂過(guò)程有效地去除了較薄的晶種層，留下了較厚的未受影響的（電鍍的）金屬。相比之下，傳統(tǒng)的用濕法蝕刻工藝在去除晶種層時(shí)，凸點(diǎn)和銅柱會(huì)出現(xiàn)鉆蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致最新封裝所需的高空間分辨率（小于10μm）線條過(guò)窄而不能接受。例如，據(jù)記錄顯示，小于5μm范圍內(nèi)的銅柱出現(xiàn)鉆蝕現(xiàn)象后，機(jī)械特性變得異常脆弱，以至降低鍵合良率。
在散裂中（圖2），大多數(shù)準(zhǔn)分子光束穿過(guò)超薄晶種層。聚合物對(duì)紫外線有很強(qiáng)的吸收率，導(dǎo)致所有光束能量都會(huì)被吸收到聚合物的前幾個(gè)原子層中，從而使其完全蒸發(fā)掉但是，膨脹的蒸汽會(huì)逐漸聚集在機(jī)械強(qiáng)度較弱的晶種層下，然后一次釋放。重要的是，不需要掩膜或光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，因?yàn)楹窠饘賹?dǎo)體、銅柱等即使吸收了脈沖能量該脈沖能量便可通過(guò)金屬無(wú)害地散發(fā)，且不會(huì)以任何方式觸及或影響基板。
因?yàn)榧す馍⒘咽菃蚊}沖工藝，所以它的效率很高。根據(jù)激光功率的不同，一個(gè)300mm圖形基板可以在10s內(nèi)完成加工。此外，由于大多數(shù)激光以接近法線入射的方式到達(dá)目標(biāo)，因此沒(méi)有陰影效應(yīng)，而且也不會(huì)出現(xiàn)濕法蝕刻工藝中產(chǎn)生的鉆蝕現(xiàn)象。
總結(jié)
與微電子制造及相關(guān)行業(yè)中的其他領(lǐng)域一樣，先進(jìn)封裝也在克服小型化帶給現(xiàn)有工藝的挑戰(zhàn)。超精密準(zhǔn)分子激光器曾在前端光刻、高亮度顯示屏激光退火以及柔性屏激光剝離制程中發(fā)揮作用。因此，它也再一次有望為先進(jìn)封裝工藝提供高效解決方案。
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