聚酰亚胺(PI)以其独特的热稳定性及电学稳定性,作为一种绝缘层、钝化层已被广泛应用于微电子制造领域,特别是用于先进封装方面。随着微电子器件的引线线宽及间距日益缩小,引线插入层(FTI)的厚度越来越薄,对引线绝缘性的要求更高。引线插入层通常由SiO2或聚合物(主要以PI为主)构成,但是相比于SiO2,PI作为引线插入层的成本更低,因此,PI在微电子制造中的应用十分广泛。

在微电子器件制造过程中,对于PI层的处理效果决定产品的优良率,如何有效处理PI层具有十分重要的意义。目前PI层的处理主要采用等离子体刻蚀的方法,等离子体刻蚀具有很好的选择性及控制性,不会对芯片的其他材料或结构造成损伤。

等离子体刻蚀PI的基本原理

等离子体主要包括离子、电子、自由基等成分,粒子在电场作用下具有较高的能量,但是整体保持电中性。等离子体的特征决定了与物质发生的反应主要有高能粒子物理轰击作用和活性粒子的化学反应两种方式。PI作为一种聚合物,主要由碳氢组成。采用不同的气体的等离子体处理PI就会有不同的处理效果。Ar、N2等离子体主要通过物理轰击对PI层进行处理,而O2、CF4等离子体主要通过化学反应对PI层进行处理和去除。根据对PI层不同的处理目的,选择合适的气体就能到达需要的处理效果。

PI层的等离子刻蚀速率

在整个电子器件封装过程中,去除PI的工序较多,所以更快的刻蚀速率能够提高电子器件的产能。如何在不提高功率的基础上,提高等离子体对PI层的刻蚀速率是一个具有实际意义的问题。早期的研究表明,纯O2等离子体刻蚀聚合物的刻蚀速率有限,特别是在低温条件下(温度低于30℃)刻蚀速率较难达到1μm/min。提高温度虽然能够提高刻蚀速率,但是会对微电子器件的性能造成损伤。因此,在微电子器件封装中,提高PI刻蚀速率通常方法是在O2等离子体加入适量的CF4。O2中CF4的含量对刻蚀速率影响如图1所示(O2流量保持在1000sccm不变,微波功率2000W、压力0.4Torr、温度25℃)。由图1可以看出,纯O2刻蚀速率要大于纯CF4的刻蚀速率;随着O2中CF4的含量增加,PI的刻蚀速率逐渐增大,并在CF4含量达到20%时,刻蚀速率达到最大(1.492μm/min),随后刻蚀速率逐渐降低。

图1 O2中CF4含量与PI等离子刻蚀速率的关系

由以上分析可知,在O2中添加适当含量的CF4可以有效提高PI的刻蚀速率。添加CF4后,F原子与PI反应,提取PI表面的H,在表面形成高活性的反应活性位点,这些活性位点容易与O自由基结合,进而提高PI的刻蚀速率。但是,由于PI表面能够产生的活性位点数是一定的,当CF4超过一定数量后,多余的F原子就会占据活性位点,阻碍O自由基与PI的反应,进而造成刻蚀速率降低。