一种多层高密度封装中曝光对位的工艺方法与流程

1.本发明涉及半导体封装技术领域，更具体涉及一种多层高密度封装中曝光对位的工艺方法。


背景技术：

2.在半导体封装光刻工艺过程中，常规曝光方法是使用晶圆自带的mark（标记）图形进行曝光定位，但是此方法依赖于晶圆本身，无法应用于多层高密度封装中现有技术中。
3.在光刻工艺中，通过常规涂胶、曝光、显影、固化工艺流程，会形成pi层（polyimide钝化层）或是pr层（photoresist光刻胶层）。为让pi层开口和pr层开口能准确开在passivation（钝化处理）开口上且不出现》2um的偏移，常规的对位方式是采用晶圆本身由晶圆厂做出的特殊图形作为mark标记并计算其坐标值，坐标值的计算需要在显微镜下测量得出，存在一定的测量误差，易造成曝光偏移，无法满足光刻对位要求。
4.然而，在多层高密度封装过程中，因为多层再布线层（rdl）和多层pi层，导致基底表面线路复杂，表面起伏变化较大。光刻机易识别不清晶圆本身自带的特殊图形，会出现无法曝光对位，对整个光刻工艺流程的可行性产生重大影响。
5.因此，亟需一种高效、可靠、准确且适用于多层高密度封装结构的曝光对位方法。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供了一种多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，在每一个pi层或pr层上做出已设计好的各种对准标记图形，能够解决测量误差和图形识别不清造成的曝光偏移误差问题，提高曝光对位精度，提高曝光对位效率。
7.根据本发明的一个方面，提供了一种多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，该方法包括如下步骤：s1：设计掩膜版文件和对准标记图形在制图软件中绘制每一层掩膜版文件，在每一层掩膜版文件上绘制至少四个对准标记图形，所述对准标记图形为轴对称图形，以芯片尺寸框的中心点为原点，获取对准标记图形的几何中心点的坐标值；s2：制作掩膜版根据设计的掩膜版文件制作出每层掩膜版，制得的每层掩膜版上均具有对准标记图形；s3：制作第一层光刻图形用s2中制得的第一层掩膜版在晶圆产品上通过涂胶、曝光、显影、固化形成第一层光刻图形，第一层光刻图形上形成对准标记图形；s4：制作第二层光刻图形及后续光刻图形后续从第二层光刻图形开始，在光刻机中输入步骤s1中获得的上一层的对准标记图形的几何中心点的坐标值，光刻机识别晶圆产品上一层形成的对准标记图形，光刻机根
据输入的上一层的对准标记图形的几何中心点的坐标值与识别到的上一层形成的对准标记图形位置进行对位，即完成了接下来需要光刻的这一层与上一层的准确对位，然后曝光完成新一层光刻图形，若有多层封装结构，可重复本步骤，直至封装完成；s5：光刻检验确认光刻工艺后产品是否合格。
8.在一些实施方式中，步骤s1中获得的原点是包含最外圈划片道的芯片尺寸框的中心点。
9.在一些实施方式中，每一层掩膜版文件中的所述芯片尺寸框的四个边均至少设置一个对准标记图形，每一层掩膜版文件中相对边的对准标记图形中至少有一组对准标记图形的图案相同且大小相同。
10.在一些实施方式中，每一层掩膜版文件中每组相对边的对准标记图形与相邻组相对边的对准标记图形的图案不同。
11.在一些实施方式中，每一层掩膜版文件中设有四个对准标记图形，四个对准标记图形分别两两分布于一组相对边，以芯片尺寸框的中心点为中心处于交叉对称位置上的两个对准标记图形的图案相同和大小相同。
12.在一些实施方式中，针对上下相邻的的掩膜版文件中对准标记图形的中心点坐标值相同的情况，对应的对准标记图形的图案相同但尺寸不同，从下往上的每层掩膜版文件中的对准标记图形尺寸逐渐递增。
13.在一些实施方式中，针对上下相邻的掩膜版文件中对准标记图形的中心点坐标值不相同的情况，不同层掩膜版文件之间对准标记图形相距至少大于400μm。在曝光对位过程中，防止相似图形出现在同一个搜索框内，经试验验证，不同的对准标记图形需要间隔400um以上，可在最大程度上减少误判。
14.在一些实施方式中，所述对准标记图形的图案为t字形、或两条相互垂直且长度相同的十字形、或两条相互垂直且长度不同的十字形、或两条边长度相同的l型、或h型、或工字形、或日字形、或井字形、或王字形、或回字形、或中心留白的回字四等分结构、或中心留白向四周均匀散射线段的图形。
15.在一些实施方式中，进行光刻图形时，固化后形成的每层光刻图形的胶厚为5~10μm，形成的对准标记图形的开口尺寸为70~140μm。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，预先在掩膜版文件设计时就定下对准标记图形（即mark图形），将对准标记图形做在掩膜版上，通过涂胶、曝光、显影、固化的光刻工艺将掩膜版上的图形转移至晶圆产品上，每一层pi层或者pr层上均形成对准标记图形，这样，在进行当前层光刻图形时，可以利用上一层pi层或pr层上的对准标记图形来进行曝光对位操作，能够清楚的进行对准标记图形识别，尤其在多层高密度封装结构中可避免每层曝光对位都依赖晶圆本身自带的特殊图形（即mark图形），对于多层高密度封装而言，每一层曝光图形清晰可见，减少曝光偏移风险，本次提供的工艺方法，在掩膜版文件设计时就测得对准图形标记的坐标值，避免在显微镜下测量并计算晶圆本身的mark图形坐标的麻烦，避免测量误差，大大提高了曝光对位的精度和效率；在每一层掩膜版的上下左右四个位置均设置至少一个对准标记图形，这样可提高
曝光对位时的效率和精度，若一层为四个对准标记图形，这四个对准标记图形可以采用同一图案和大小，也可仅相对边的两个对准标记图形的图案和大小相同；相邻层的对准标记图案可以为上下套刻的方式，相邻层的对准标记图案也可以不处于同一位置，本工艺方法是利用光刻机对上一层形成的对准标记图形进行识别、与输入的上一层对准标记图形的坐标值进行对比，是否套刻都能进行精准的曝光对位；对于相邻层的对准标记图案不处于同一位置的，严格控制不同层掩膜版文件之间对准标记图形相距至少大于400μm，这样，在曝光对位过程中，能够防止相似图形出现在同一个搜索框内，可在最大程度上减少误判。
17.本次工艺方法中使用的对准标记图形为轴对称图形，方便光刻机识别对准标记图形的中心，除常规的十字形外，还提供了新的设计，比如t字形、两条边长度相同的l型、h型、工字形、日字形、井字形、王字形、回字形、中心留白的回字四等分结构、中心留白向四周均匀散射线段的图形，对准标记图形的设计囊括了简单的图形，还包括了复杂的图形，简单图形的尺寸在70~120，复杂图形的尺寸为120~140，设计者可按芯片设计需要选择对准标记图形的形状和大小，当层数变多、简单图形不够用时，可选择复杂图形，以提高曝光对位的精准度。层数变多，对准标记图形的图形复杂度也会逐渐增加，不同层之间的图形相似度越低，曝光精准度就越好。
附图说明
18.图1是本发明提供的对准标记图形的简单图形；图2是本发明提供的对准标记图形的复杂图形；图3是对准标记图形的坐标值测量示意图；图4本发明掩膜版文件的对准标记图形的设计分布图；图5是图4中a部放大图；图6是图4中b部放大图；图7是图4中c部放大图；图8是图4中d部放大图；图9是图4中e部放大图；图10是图4中f部放大图；图11是图4中g部放大图；图12是图4中h部放大图。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
20.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.在半导体封装中光刻是非常核心的步骤，光刻工艺流程中，曝光对位的精度是非常关键的。
22.本发明提供的就是一种多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，该方法包括如下步骤：s1：设计掩膜版文件和对准标记图形如图4至12所示，在cad制图软件中，绘制出每一层掩膜版文件，并且在每一层掩膜版文件上绘制至少四个对准标记图形，这些对准标记图形均为轴对称图形。需要确保芯片尺寸框的四个边，分别均设置至少一个对准标记图形。
23.设计完成对准标记图形后，利用cad制图软件中的标注工具，得到对准标记图形的坐标值。如图3所示，测量获取坐标值时，先确定坐标原点位置，以包含最外圈划片道的芯片尺寸框的中心点为原点，通过标注工具，测量获取对准标记图形的几何中心点的坐标值，获得x方向、y方向的坐标。每一层掩膜版文件中的每一个对准标记图形均有独立的坐标值。
24.s2：制作掩膜版根据上述步骤设计的掩膜版文件制作出每层掩膜版，制得的每层掩膜版上均具有对准标记图形。
25.s3：制作第一层光刻图形用上述制得的第一层掩膜版，在晶圆产品上通过涂胶、曝光、显影、固化形成第一层光刻图形，将设计在第一层掩膜版上的图形转移至晶圆产品上，第一层光刻图形上形成对准标记图形。
26.s4：制作第二层光刻图形及后续光刻图形后续从第二层光刻图形开始，在光刻机中输入步骤s1中设计时获得的上一层的对准标记图形的几何中心点的坐标值，光刻机识别晶圆产品上一层形成的对准标记图形，光刻机根据输入的上一层的对准标记图形的几何中心点的坐标值与识别到的上一层形成的对准标记图形位置进行对位、以此确定对位准确，即完成了接下来需要光刻的这一层与上一层的准确对位，然后利用这一层的掩膜版进行曝光完成新一层光刻图形。针对有多层封装结构，可重复本步骤，直至封装完成。
27.s5：光刻检验最后，光刻完成后，需要确认光刻工艺后产品是否合格。
28.在实际应用中，在每一层掩膜版文件中相对边的对准标记图形中，至少有一组对准标记图形的图案相同且大小相同。比如：上、下、左、右各一个对准标记图形，上、下的两个对准标记图形构成一组，左、右的两个对准标记图形构成另一组。上、下的这一组对准标记图形的图案相同且大小相同，左、右的这一组对准标记图形的图案相同且大小相同，但是上下组的对准标记图形的图案、与左右组的对准标记图形的图案不相同，如图4中：m3-1和m3-2的图案相同、大小相同，m3-3和m3-4的图案相同、大小相同。或者，上下左右的四个对准标记图案和大小都相同，如图4中pi6-1、pi6-2、pi6-3、pi6-4；或者，上下组的对准标记图形的图案相同且大小相同，左边的对准标记图案、右侧的对准标记图案与上下组的对准标记图形的图案均不同。
29.每一层掩膜版文件中设有四个对准标记图形，四个对准标记图形分别两两分布于一组相对边，以芯片尺寸框的中心点为中心处于交叉对称位置上的两个对准标记图形的图
案相同和大小相同，如图4中：m2-1和m2-2、m2-3和m2-4。
30.本发明提供的工艺方法中，可以允许套刻，如图4中m1-1和pi1-1、m1-2和pi1-2，针对上下相邻的的掩膜版文件中对准标记图形的中心点坐标值相同的情况，对应的对准标记图形的图案相同但尺寸不同，从下往上的每层掩膜版文件中的对准标记图形尺寸逐渐递增。这样，就可以实现套刻。
31.本发明提供的工艺方法，可以不存在套刻工艺，或者不使用重叠对准的工艺，相邻层的掩膜版上的对准标记图形的坐标位置都不同。针对上下相邻的掩膜版文件中对准标记图形的中心点坐标值不相同的情况，不同层掩膜版文件之间对准标记图形相距至少大于400μm，这样，在曝光对位过程中，能够防止相似图形出现在同一个搜索框内，可在最大程度上减少误判。
32.现有技术中常用的对准标记图形的图案为十字形或者一字型，而本发明工艺方法中，曝光用的对准标记图形需要更加精准的测得其中心点的坐标值，所以本发明工艺方法中不使用一字型的对准标记图形。
33.本发明提供的工艺方法中所采用的对准标记图形均匀规则的轴对称图形。如图1和2所示，对准标记图形的图案除常规的两条相互垂直且长度相同的十字形外，还可为两条相互垂直且长度不同的十字形、或t字形、或两条边长度相同的l型、或h型、或工字形、或日字形、或井字形、或王字形、或回字形、或中心留白的回字四等分结构、或中心留白向四周均匀散射线段的图形。中心留白向四周均匀散射线段的图形，结构复杂，线段可以为直线或者连续折弯的线段。
34.如图1和2所示，十字形、t字型、l型的对准标记图形为简单图形，简单图形尺寸为70~120μm，也有些简单图形尺寸可以做到50μm。h型、日字型、井字形、工字形、王字型、回字形、中心留白的回字四等分结构、中心留白向四周均匀散射线段的图形，为复杂图形，复杂图形尺寸为120~140μm，也有些复杂图形尺寸做到200μm。设计时，当光刻的层数变多，简单图形不够用时，可选择复杂图形，以提高曝光对位的精准度。经试验表明，层数变多，逐渐增加对准标记图形的图形复杂度，不同层之间的对准标记图形相似度越低，曝光精准度就越好。
35.在进行光刻图形时，严格控制涂胶、曝光、显影、固化工艺过程。涂胶时，晶圆对中，首先要预湿使涂胶更加均匀，再通过旋涂法将光刻胶均匀地覆盖在晶圆表面，滴胶时采用低速转动，甩胶、匀胶时高速转动，洗边后，最后会软烘使光刻胶中的溶剂挥发，该涂胶方式，可增加光刻胶与基底的粘附性，缓和涂胶过程中胶层内应力。
36.涂胶后，利用光刻机发出一定波长的光通过具有对准标记图形的掩膜版对涂有光刻胶的晶圆产品曝光，将对准标记图形的几何中心点的坐标值输入光刻机，采用逐场对准（field by field）的曝光对位方式，将图形复印至晶圆产品上。对于负性光刻胶，采用有机溶剂或碱性显影液去除晶圆上未曝光的部分，得到与掩膜版相反的图形。对于正性光刻胶，采用碱性显影液去除晶圆上曝光的部分，得到与掩膜版相同的图形。
37.曝光后需要固化，在固化过程中，先通入氮气进行排氧，当氧含量低于20ppm时，固化设备升温开始固化工艺。此工艺目的在于使残留的光刻胶溶剂全部挥发，提高光刻胶与晶圆产品表面的粘附性以及光刻胶的抗蚀能力。固化后形成的每层光刻图形的胶厚为5~10μm，形成的对准标记图形的开口尺寸优选为70~140μm。
38.本发明提供的曝光对位的工艺方法，能够适用于多层高密度封装。预先在掩膜版文件设计时就定下对准标记图形（即mark图形），将对准标记图形做在掩膜版上，通过涂胶、曝光、显影、固化的光刻工艺将掩膜版上的图形转移至晶圆产品上，每一层pi层或者pr层上均形成对准标记图形，这样，在进行当前层光刻图形时，可以利用上一层pi层或pr层上的对准标记图形来进行曝光对位操作，能够清楚的进行对准标记图形识别，尤其在多层高密度封装结构中可避免每层曝光对位都依赖晶圆本身自带的特殊图形（即mark图形），对于多层高密度封装而言，每一层曝光图形清晰可见，减少曝光偏移风险。该曝光对位工艺方法中，在掩膜版文件设计时就测得对准图形标记的坐标值，避免在显微镜下测量并计算晶圆本身的mark图形坐标的麻烦，避免测量误差和图形识别不清楚造成的曝光偏移误差，大大提高了曝光对位的精度和效率。
39.在每一层掩膜版的上下左右四个位置均设置至少一个对准标记图形，这样可提高曝光对位时的效率和精度。若一层为四个对准标记图形，这四个对准标记图形可以采用同一图案和大小，也可仅相对边的两个对准标记图形的图案和大小相同。相邻层的对准标记图案可以为上下套刻的方式，相邻层的对准标记图案也可以不处于同一位置，本工艺方法是利用光刻机对上一层形成的对准标记图形进行识别、与输入的上一层对准标记图形的坐标值进行对比，是否套刻都能进行精准的曝光对位。
40.本次工艺方法中使用的对准标记图形为轴对称图形，方便光刻机识别对准标记图形的中心。除常规的十字形外，本发明还提供了新的设计，比如t字形、两条边长度相同的l型、h型、工字形、日字形、井字形、王字形、回字形、中心留白的回字四等分结构、中心留白向四周均匀散射线段的图形。对准标记图形的设计囊括了简单的图形，还包括了复杂的图形，图形尺寸在70~140μm，设计者可按芯片设计需要选择对准标记图形的形状和大小，以提高曝光对位的精准度。
41.以上所述的仅是本发明的一些实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：s1：设计掩膜版文件和对准标记图形在制图软件中绘制每一层掩膜版文件，在每一层掩膜版文件上绘制至少四个对准标记图形，所述对准标记图形为轴对称图形，以芯片尺寸框的中心点为原点，获取对准标记图形的几何中心点的坐标值；s2：制作掩膜版根据设计的掩膜版文件制作出每层掩膜版，制得的每层掩膜版上均具有对准标记图形；s3：制作第一层光刻图形用s2中制得的第一层掩膜版在晶圆产品上通过涂胶、曝光、显影、固化形成第一层光刻图形，第一层光刻图形上形成对准标记图形；s4：制作第二层光刻图形及后续光刻图形后续从第二层光刻图形开始，在光刻机中输入步骤s1中获得的上一层的对准标记图形的几何中心点的坐标值，光刻机识别晶圆产品上一层形成的对准标记图形，光刻机根据输入的上一层的对准标记图形的几何中心点的坐标值与识别到的上一层形成的对准标记图形位置进行对位，即完成了接下来需要光刻的这一层与上一层的准确对位，然后曝光完成新一层光刻图形，若有多层封装结构，可重复本步骤，直至封装完成；s5：光刻检验确认光刻工艺后产品是否合格。2.根据权利要求1所述的多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，其特征在于，步骤s1中获得的原点是包含最外圈划片道的芯片尺寸框的中心点。3.根据权利要求1所述的多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，其特征在于，每一层掩膜版文件中的所述芯片尺寸框的四个边均至少设置一个对准标记图形，每一层掩膜版文件中相对边的对准标记图形中至少有一组对准标记图形的图案相同且大小相同。4.根据权利要求3所述的多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，其特征在于，每一层掩膜版文件中每组相对边的对准标记图形与相邻组相对边的对准标记图形的图案不同。5.根据权利要求1所述的多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，其特征在于，每一层掩膜版文件中设有四个对准标记图形，四个所述对准标记图形分别两两分布于一组相对边，以芯片尺寸框的中心点为中心处于交叉对称位置上的两个所述对准标记图形的图案相同和大小相同。6.根据权利要求3至5任意一项所述的多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，其特征在于，针对上下相邻的的掩膜版文件中对准标记图形的中心点坐标值相同的情况，对应的对准标记图形的图案相同但尺寸不同，从下往上的每层掩膜版文件中的对准标记图形尺寸逐渐递增。7.根据权利要求3至5任意一项所述的多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，其特征在于，针对上下相邻的掩膜版文件中对准标记图形的中心点坐标值不相同的情况，不同层掩膜版文件之间对准标记图形相距至少大于400μm。8.根据权利要求1所述的多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，其特征在于，所述对准标记图形的图案为t字形、或两条相互垂直且长度相同的十字形、或两条相互垂直且长度
不同的十字形、或两条边长度相同的l型、或h型、或工字形、或日字形、或井字形、或王字形、或回字形、或中心留白的回字四等分结构、或中心留白向四周均匀散射线段的图形。9.根据权利要求1所述的多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，其特征在于，进行光刻图形时，固化后形成的每层光刻图形的胶厚为5~10μm，形成的对准标记图形的开口尺寸为70~140μm。

技术总结
本发明公开了一种多层高密度封装中曝光对位的工艺方法，包括步骤：制图软件中在每层掩膜版文件上绘制对准标记图形，获取对准标记图形的坐标值；制作出具有对准标记图案的每层掩膜版；用第一层掩膜版在晶圆产品上形成具有对准标记图形的第一层光刻图形；后续从第二层光刻图形开始，光刻机根据在光刻机中输入设计时获得的上一层的对准标记图形的坐标值，与光刻机识别的上一层形成的对准标记图形进行对位，完成这一层与上一层的准确对位，然后曝光完成新一层光刻图形，直至多层封装完成。本曝光对位工艺方法，在每一个PI层或PR层上做出已设计好的各种对准标记图形，能解决测量误差和图形识别不清造成的曝光偏移误差问题，提高曝光对位精度。光对位精度。光对位精度。


技术研发人员：赵玥 张国栋 张中 王晓平 谢雨龙
受保护的技术使用者：江苏芯德半导体科技有限公司
技术研发日：2023.08.11
技术公布日：2023/9/14